車輪結(jié)構(gòu)對(duì)車輪剛性影響的研究

李波

摘要：本文采用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)了不同結(jié)構(gòu)車輪，利用有限元法計(jì)算出了不同結(jié)構(gòu)車輪剛性值，分析了不同輪輻厚度和法蘭厚度對(duì)車輪剛性的影響，研究結(jié)果指導(dǎo)車輪設(shè)計(jì)，改善車輪剛性，使得車輪剛性滿足工程需求。

關(guān)鍵詞：有限元;車輪;剛性

0 ?引言

在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，車輪作為汽車絕對(duì)安全部件，不僅要滿足強(qiáng)度及安全性的要求，在剛性方面也提出了更高的要求，以滿足汽車乘坐的舒適性和行駛平穩(wěn)性。傳統(tǒng)的車輪設(shè)計(jì)只考慮了車輪的強(qiáng)度方面的要求，只要滿足沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞試驗(yàn)的要求即可，對(duì)車輪剛性幾乎沒(méi)有考慮。當(dāng)車輪的剛性不足時(shí)，對(duì)整車行駛的平穩(wěn)性會(huì)產(chǎn)生很大的影響，并因此產(chǎn)生振動(dòng)，使汽車噪音增大，不但影響乘坐的舒適性，而且會(huì)加劇疲勞損傷，降低車輛的壽命。故而剛性在車輪設(shè)計(jì)中已經(jīng)越來(lái)越重要，成為車輪設(shè)計(jì)中必不可少的重要指標(biāo)[1]。

車輪剛性分為動(dòng)剛性和靜剛性，本文以車輪動(dòng)剛性作為研究對(duì)象，首先利用有限元對(duì)車輪進(jìn)行模態(tài)分析，找出車輪的共振頻率，進(jìn)而計(jì)算出車輪剛性值。剛性屬于車輪的固有特性，其影響因素主要是車輪材料和結(jié)構(gòu)。在車輪生產(chǎn)過(guò)程中，由于生產(chǎn)工藝的限制，材料特性很難改變，通過(guò)改善材料來(lái)改善產(chǎn)品剛性的空間不大。故目前改善產(chǎn)品剛性的方法主要是改變車輪結(jié)構(gòu)，通過(guò)優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)來(lái)達(dá)到改善車輪剛性的目的。所以，本文主要討論不同車輪結(jié)構(gòu)對(duì)車輪動(dòng)剛性的影響，發(fā)現(xiàn)規(guī)律，指導(dǎo)車輪設(shè)計(jì)。

鋁合金車輪由三部分組成：輪芯，輪輻，輪輞。

輪芯與汽車通過(guò)中心孔和螺栓孔連接，輪輻連接輪輞和輪芯，起主要的支撐作用，輪輞與輪胎連接。以往的研究發(fā)現(xiàn)，其中輪輞對(duì)車輪的剛性影響相對(duì)較小，且通過(guò)輪輞來(lái)改善車輪剛性，對(duì)車輪重量影響較大，不利于車輪的輕量化，實(shí)際設(shè)計(jì)中不建議通過(guò)輪輞來(lái)改善車輪剛性，故本文主要分析了輪輻和法蘭對(duì)車輪剛性的影響。分析過(guò)程如下。

1 ?建立車輪模型

利用三維設(shè)計(jì)軟件CATIA設(shè)計(jì)車輪三維模型，本文以18寸車輪為例。為了簡(jiǎn)化模型，車輪不設(shè)計(jì)減重窩，輪輞壁厚設(shè)計(jì)3.5mm，保持不變。氣門孔對(duì)車輪剛性沒(méi)有影響，三維模型上不設(shè)計(jì)氣門孔。

①分析輪輻結(jié)構(gòu)對(duì)車輪剛性的影響，設(shè)計(jì)三維模型時(shí)，保持法蘭厚度不變，改變輪輻厚度，由17mm變化到35mm厚，輪輻厚度以2mm遞增。

②分析法蘭厚度對(duì)車輪剛性的影響，設(shè)計(jì)三維模型時(shí)，保持輪輻厚度不變，改變車輪法蘭厚度，法蘭由39mm變化到53mm，法蘭厚度以2mm遞增。

車輪三維模型如圖1。

2 ?利用有限元方法計(jì)算車輪剛性值

2.1 建立剛性有限元模型

車輪處于自由狀態(tài)，沒(méi)有任何約束。車輪網(wǎng)格采用實(shí)體四面體網(wǎng)格如圖2，材料設(shè)置鋁合金材料屬性如圖3。在車輪安裝面上施加載荷（動(dòng)態(tài)激勵(lì)），計(jì)算車輪共振頻率，利用頻率與剛性的關(guān)系式計(jì)算出車輪剛性值。

2.2 利用有限元分析車剛性值

2.2.1 計(jì)算不同輪輻厚度的車輪剛性值

如前所述，對(duì)不同輪輻厚度的三維模型進(jìn)行分析，分析計(jì)算結(jié)果如表1。

2.2.2 數(shù)據(jù)分析

由圖4、圖5可以發(fā)現(xiàn)，在其他尺寸不變的情況下，輪輻厚度和車輪重量發(fā)生變化時(shí)，車輪剛性值也相應(yīng)發(fā)生變化，基本是線性關(guān)系。

2.2.3 計(jì)算不同法蘭厚度的車輪剛性值

如前所述，車輪輪輻厚度保持不變，對(duì)不同法蘭厚度的三維模型進(jìn)行剛性值計(jì)算，分析計(jì)算結(jié)果如表2。

2.2.4 數(shù)據(jù)分析

由圖6、圖7可以發(fā)現(xiàn)，在其他尺寸不變的情況下，車輪法蘭厚度和車輪重量發(fā)生變化時(shí)，車輪剛性值也相應(yīng)發(fā)生變化，基本是線性關(guān)系。

2.3 試驗(yàn)室檢測(cè)結(jié)果

對(duì)車輪進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，本文采用的低壓鑄造鋁合金車輪，材料為鑄造鋁合金A356，試驗(yàn)時(shí)用彈力繩把車輪吊起，使車輪處于自由狀態(tài)，再安裝面上放置加速度傳感器，用橡皮錘敲擊安裝面，采集車輪共振頻率，再利用剛性與頻率的轉(zhuǎn)換公式計(jì)算車輪剛性值。實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)數(shù)據(jù)如表3，表4。從檢測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，其測(cè)量結(jié)果和有限元分析結(jié)果基本相符，也驗(yàn)證了利用有限元分析車輪剛性值的正確性。

3 ?結(jié)論

①車輪輪輻結(jié)構(gòu)和法蘭厚度對(duì)車輪剛性影響較大，基本呈線性關(guān)系，改善車輪剛性時(shí)可以從改變輪輻結(jié)構(gòu)和法蘭厚度著手。

②車輪剛性值大小，直接關(guān)系到車輪重量，剛性值要求較高時(shí)，車輪重量會(huì)相應(yīng)增高，影響車輪制作成本。同時(shí)，車輪重量增加，會(huì)影響汽車的耗油量。故對(duì)車輪剛性值的要求不宜過(guò)高也不宜過(guò)低，需綜合評(píng)價(jià)。

③本文給出了改善車輪剛性的設(shè)計(jì)方向，為車輪前期設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

參考文獻(xiàn)：

[1]黃少兵.車輪剛性及其有限元分析[J].中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2008（18）.

[2]李敘辰，楊振祥.低階車輪多邊形對(duì)列車運(yùn)行安全性的影響[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（08）：39-42.

[3]傅博，馬天才.基于半車模型的汽車車輪動(dòng)載估算研究[J].內(nèi)燃機(jī)與配件，2019（07）：8-12.