商用車輪轂設(shè)計中有限元分析技術(shù)的應(yīng)用

魯啟立

（廣東富華重工制造有限公司，廣東 江門 529000）

0 引言

輪轂作為車輛發(fā)揮重要作用的零部件之一，在移動過程中一直發(fā)揮荷載作用，這就要求鑄件具備良好的性能，不能有任何缺陷，例如開裂、夾渣、氣孔等。鑄件輪轂的厚壁必須均勻，整體分析相關(guān)機構(gòu)的設(shè)計要求，充分考慮到鑄造手段、拔模條件以及鑄件的分型面等，把廢品率控制到最低，確保生產(chǎn)的可靠性和高效率。有限元方法是一種現(xiàn)代化的數(shù)值分析方法，它是利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實物理系統(tǒng)（如幾何和載荷工況等）進(jìn)行模擬，還可以通過單元（簡單而又相互作用的元素）用有限數(shù)量的未知量去逼近無限未知量的真實系統(tǒng)。隨著計算機技術(shù)的快速發(fā)展和普及，該方法已逐漸應(yīng)用于汽車零件的強度分析[1]。隨著計算機技術(shù)的迅速發(fā)展，有限元分析廣泛應(yīng)用于汽車零件的可靠性分析。商用車輪轂的特點是結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，采用手工計算的方式很難分析輪轂的整體受力情況，而借助有限元法能快捷方便地確定出輪轂各部位的受力情況。該文結(jié)合某品牌商車輪轂的特點以及輪轂強度的需求，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并借助有限元法加以了分析[2]。

1 有限元分析技術(shù)的應(yīng)用優(yōu)勢

針對汽車輪轂的設(shè)計，通過有限元分析技術(shù)改進(jìn)汽車輪轂設(shè)計中的問題，保證汽車輪轂的質(zhì)量，例如目前正在應(yīng)用的以有限元技術(shù)為基礎(chǔ)的汽車輪轂二維建模以及二維建模方案，奠定了汽車輪轂的設(shè)計基礎(chǔ)，為以后的三維有限元建構(gòu)提供了技術(shù)支撐。該文基于汽車輪轂的三維模型，分析了汽車輪轂在三維模型下的可靠性和精度，原傳統(tǒng)方式采用二維模型進(jìn)行設(shè)計，容易與實際施工效果產(chǎn)生較大偏差，利用三維模型和有限元設(shè)計技術(shù)可以很好地解決該問題，從而使汽車輪轂設(shè)計更加科學(xué)。在汽車輪轂設(shè)計制造中應(yīng)用有限元設(shè)計技術(shù)，構(gòu)建實驗用的仿真模型，進(jìn)行沖擊載荷、疲勞應(yīng)力等仿真實，檢驗汽車輪轂利用不同材料設(shè)計的軸承區(qū)的力學(xué)性能。與有限元技術(shù)的有機結(jié)合，更有助于汽車輪轂的后續(xù)設(shè)計和制造。有限元法可以很方便、清晰地顯示出輪轂各處的受力情況，在能夠確保輪轂強度的基礎(chǔ)上，對輪轂的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，同時進(jìn)行有限元技術(shù)實施強度分析。并對設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，可以優(yōu)化設(shè)計效率，從而達(dá)到汽車輪轂設(shè)計的預(yù)期效果和目的。

2 輪轂的設(shè)計工作

汽車的輪轂系統(tǒng)借助輪轂軸承的旋轉(zhuǎn)來實現(xiàn)其功能，以滿足汽車行駛的要求；借助制動鼓可以使汽車停車或減速。輪轂系統(tǒng)的設(shè)計需要滿足汽車安全可靠的要求，要保證可以承受汽車懸掛的垂直載荷、側(cè)向滑動力以及制動系統(tǒng)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩等；商用車的輪轂系統(tǒng)組成包括前輪轂、后輪轂以及掛車輪轂。輪轂的組成包括了輪轂本體、滾動軸承、連接螺栓、油封、齒圈、制動鼓及其聯(lián)接件。輪轂本體受力復(fù)雜，關(guān)系到整車的行駛安全，其質(zhì)量至關(guān)重要[3]。針對輪轂設(shè)計，為了保證其滿足國家相關(guān)要求，設(shè)計過程可以對有限元法進(jìn)行有效應(yīng)用，將汽車整體的結(jié)構(gòu)設(shè)計與汽車輪轂設(shè)計有效融合，利用有限元分析合理完善三維建模，在整體上提升汽車輪轂設(shè)計的質(zhì)量。

3 輪轂數(shù)學(xué)模型的建立

汽車的輪毅系統(tǒng)需要承受多種載荷，包括垂直方向、側(cè)向力以及制動產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)力矩等。通過螺栓將輪轂與輪輞進(jìn)行固定連接，只有充足的摩擦力矩和靜摩擦力才可以實現(xiàn)預(yù)緊力，所以輪轂在結(jié)合面處需要承受各類載荷與彎矩的傳遞；輪轂和制動鼓也要保證連接預(yù)緊力有效，并且針對制動鼓制動時形成的扭矩，端面必須有足夠的承受力。設(shè)計輪轂的結(jié)構(gòu)時，必須通過計算校核輪轂在極限條件下的受力情況，特別是在輪轂處于緊急制動條件下的受力計算，以分析輪轂在最大側(cè)向力作用下的可靠性[4]。

汽車在緊急制動（打滑狀態(tài)）時輪轂的強度計算如下。

輪轂所受垂直載荷力F。

式中：φ2-輪胎和地面的側(cè)向附著系數(shù)，計算數(shù)值為1.0。

4 實體模型的網(wǎng)格劃分及載荷與約束的加載

4.1 輕量化方案建立

根據(jù)傳統(tǒng)輪轂的強度分析結(jié)果，確定了以下輕量化方案。法蘭周邊存在大量冗余材料，去除冗余材料，輪轂采用花瓣結(jié)構(gòu)。清除輪轂蓋周圍多余的材料，以改進(jìn)鑄造工藝。但是，它位于法蘭的根部。為了避免強度和剛度的下降，加勁肋沿徑向布置。拆下材料后，輪轂蓋從原來的螺紋連接改為過盈壓接。適當(dāng)減小儲油室的壁厚。

4.2 實體模型的網(wǎng)格劃分

該文借助UG6.0 軟件建立3D 實體造型仿真后輪轂的結(jié)構(gòu)，并導(dǎo)入Patran 軟件加以分析。對整個零件進(jìn)行網(wǎng)格劃分，輪轂的形狀較為復(fù)雜，采用網(wǎng)格劃分的方式建立起四面體實體單元，網(wǎng)格劃分結(jié)果如圖1。各個零部件的彈性模量、屈服強度、抗拉強度如表1 所示。

表1 材料屬性定義

4.3 載荷及約束的加載

結(jié)合已建立出的模型，在行駛條件下施加載荷與約束，結(jié)果表明，實際的約束與有限元模型存在一定的差異，為了將實際的載荷狀況真實地體現(xiàn)出來，通過實驗分析，把輪轂的約束狀態(tài)搞清，也就是軸承孔對輪轂的約束，同時x、y、z三個方向?qū)ζ洚a(chǎn)生作用，平動與轉(zhuǎn)動也在作用之內(nèi)，y、z方向的平動與x方向發(fā)生的轉(zhuǎn)動形成對軸承孔的約束[5]。

5 有限元分析結(jié)果

在輪轂結(jié)構(gòu)以及定位尺寸不發(fā)生改變的基礎(chǔ)上，對輪轂加以優(yōu)化設(shè)計，即針對輪轂的結(jié)構(gòu)實施優(yōu)化設(shè)計，其優(yōu)化后的三維結(jié)構(gòu)如圖2 的（a）和（b）所示。

圖2 輪轂三維結(jié)構(gòu)

針對不同工況下輪轂載荷的變化，可以通過計算進(jìn)行分析。輪轂的應(yīng)力在優(yōu)化前后發(fā)生變化圖3、圖4 所示。

5.1 前輪轂的仿真結(jié)果的優(yōu)化

圖3（a）顯示前輪轂處于緊急制動狀態(tài)下優(yōu)化應(yīng)力分布圖，圖3（b）最大側(cè)向力時優(yōu)化前輪轂應(yīng)力分布圖。

5.2 后輪轂的仿真結(jié)果優(yōu)化

圖4（a）顯示后輪轂處于緊急制動狀態(tài)下優(yōu)化應(yīng)力分布圖，圖4（b）后輪轂在最大側(cè)向力時優(yōu)化應(yīng)力分布圖。

對輪轂的結(jié)構(gòu)加以優(yōu)化，輪轂的應(yīng)力發(fā)生的變化如表2所示。輪轂的材質(zhì)：QT450-10，屈服強度310MPa，抗拉強度450MPa。通過結(jié)果對照不難看出，進(jìn)行應(yīng)力優(yōu)化后產(chǎn)生明顯效果，遠(yuǎn)小于材料本身的屈服強度[6]。經(jīng)過對優(yōu)化化前、后的分析云圖（見圖3、圖4）分析，得出在緊急制動、最大側(cè)向力工況下，輪轂的安全系數(shù)（見表3）。

表2 優(yōu)化前后結(jié)果對比

表3 改進(jìn)前后輪轂的安全系數(shù)對比

圖3 優(yōu)化前輪轂應(yīng)力分布圖

圖4 優(yōu)化后輪轂應(yīng)力分布圖

沖擊載荷下屈服極限系數(shù)下降（1.19-1.15）/1.19=3.36%，滿足要求；強度極限系數(shù)下降（1.728-1.665）/1.665=3.78%，滿足要求。

5.3 強度校核

最終優(yōu)化后，輪轂的應(yīng)力分布更加均勻。在滿足輪轂強度的前提下，提高了材料的利用率。對13T 橋梁試驗，輪轂質(zhì)量減少3.5kg，占總輪轂質(zhì)量的14.3%。結(jié)果表明，優(yōu)化后輪轂的彎曲疲勞壽命為497000 周，比優(yōu)化前降低了87.1%。徑向疲勞壽命為146.3 萬次，比優(yōu)化前降低82.1%。但輪轂的疲勞壽命仍滿足設(shè)計要求，在規(guī)定的使用壽命內(nèi)不會發(fā)生疲勞失效，因此優(yōu)化結(jié)果是可靠的。

對輪轂腹板厚度和腹板夾角的分析，并與鋁合金材料的許用應(yīng)力值進(jìn)行比較，可以看出，當(dāng)腹板厚度為16mm～20mm時，只有鋁合金材料的許用應(yīng)力240MPa 超過車輪的最大應(yīng)力值，才能滿足車輪的強度需求?；诒仨殱M足車輪最大應(yīng)力值小和材料少（腹板厚度?。┻@兩個要求，要保證腹板厚度為 18mm～20mm。如果腹板夾角變化范圍在50°～60°時，通過模擬過程顯示，只有越大的夾角才會產(chǎn)生更小的車輪應(yīng)力值，車輪也就更安全；車輪的最大應(yīng)力最小時兩板夾角為60°時，車輪最安全。通過數(shù)次試驗，確定53°～60°為板間夾角的最佳范圍。

6 輕量化成果

為了有效提升商用車產(chǎn)品的綜合性能，當(dāng)前已完成了多個型號的輪轂輕量化，包括10t、13t、16t 級橋型，均已進(jìn)行的15 萬km 的安全性試驗。在提升產(chǎn)品性能的前提下，實現(xiàn)降重、降成本的目標(biāo)（內(nèi)容如表4）。

表4 輕量化輪轂降重、降成本成果

對商用汽車輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元分析，明確了結(jié)構(gòu)中存在的低應(yīng)力集中區(qū)域。對該區(qū)域輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了輕量化設(shè)計。借助輕量化方案不僅可以提升鑄造的工藝性，還通過了15 萬km 可靠性試驗。對比傳統(tǒng)輪轂，通過輕量化設(shè)計可以使質(zhì)量平均降低約13.7%，降低成本約13.8%，實現(xiàn)輪轂降重、降成本的目標(biāo)，整車的運載效果、燃油經(jīng)濟性以及操縱穩(wěn)定性得以提升。

7 結(jié)語

綜上所述，在人們物質(zhì)生活質(zhì)量顯著提升的今天，汽車已經(jīng)成為代步的主要工具，而為了駕駛的安全性和體驗的良好性，在汽車工程中應(yīng)用有限元技術(shù)進(jìn)行分析意義重大，也逐漸推動該技術(shù)在汽車生產(chǎn)商中的普及。汽車輪轂的設(shè)計是整體汽車結(jié)構(gòu)的核心技術(shù)，如果生產(chǎn)中的安全問題不能解決，不僅威脅到駕駛員的安全，更會影響到汽車相關(guān)產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟效益。該文的有限元分析模型就是針對輪轂的結(jié)構(gòu)特點建立的，利用該模型進(jìn)行仿真分析，可以確定出輪轂應(yīng)力分布特點。優(yōu)化設(shè)計后，在保證強度可靠的基礎(chǔ)上，降低了該型號輪轂的質(zhì)量，對比傳統(tǒng)輪轂，輕量化輪轂更加安全可靠，不僅使用壽命長，而產(chǎn)品的質(zhì)量輕，相應(yīng)的成本也有所降低，具有廣闊的應(yīng)用前景。