淺談輪轂結(jié)構(gòu)對車輪強度的影響

李 飛，徐論意

淺談輪轂結(jié)構(gòu)對車輪強度的影響

李 飛，徐論意

（安徽江淮汽車集團股份有限公司，安徽 合肥 231200）

車輪是汽車的安全部件，不僅影響汽車的行駛性能，還影響汽車的行駛安全性，應(yīng)具有足夠的剛度和疲勞強度。車輪的強度不僅與輪胎氣壓、車輛重量、輪胎最大載荷、車輛速度、使用溫度和腐蝕等使用環(huán)境有關(guān)，還受到與之連接零件輪轂的結(jié)構(gòu)影響。文章對不同輪轂結(jié)構(gòu)對車輪強度的影響進行分析和驗證，通過優(yōu)化輪轂結(jié)構(gòu)可以提升車輪的安全率和使用壽命，給解決車輪開裂問題和車輪輕量化設(shè)計提供新的思路。

車輪；輪轂；強度；疲勞

引言

汽車的輪胎與支撐它的車輪是汽車的重要部件，承受車輛的垂直載荷、側(cè)向載荷以及驅(qū)動、制動扭轉(zhuǎn)力矩等在行駛中所產(chǎn)生的各種力，以及轉(zhuǎn)向時通過輪胎實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。

車輪不僅影響汽車的行駛性能，還影響汽車的行駛安全性，是汽車重要的安全部件。因此要求車輪在保持輪廓、尺寸和形狀具有良好精度的同時，還要具有足夠的剛性和疲勞性[1]。

車輪的強度的影響因素有很多，如輪胎的氣壓、車輛重量、輪胎最大載荷、車輛速度、使用溫度和腐蝕等。當然，輪輞和輪輻作為車輪的重要組成部件，大量的研究表明通過優(yōu)化其材料和結(jié)構(gòu)可以顯著提升車輪強度，如優(yōu)化通風孔和截面結(jié)構(gòu)使車輪強度提升20%[2]。但是，對于車輪的配合件——輪轂對車輪強度影響的研究很少。

本文采用不同結(jié)構(gòu)尺寸的輪轂，借助CAE分析和臺架試驗，分析輪輞結(jié)構(gòu)對車輪強度的影響。

1 結(jié)構(gòu)形式

1.1 車輪結(jié)構(gòu)

車輪由輪輞和輪輻通過焊接組合而成，見圖1。輪胎裝在輪輞上，為了使輪輞能牢固裝配輪胎，要求輪輞是國際通用的標準部件，通常根據(jù)輪胎型號參照國家標準[3]進行選取。輪輞結(jié)構(gòu)簡單，鋼制輪輞一般采用輥壓工藝成型。而輪輻則經(jīng)過輪胎螺栓固定到輪轂上。輪輻上有止口、螺栓孔、通風孔等特征，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，是車輪故障的多發(fā)部位[4]。

圖1 車輪結(jié)構(gòu)

1.2 輪轂結(jié)構(gòu)

輪轂一端采用圖2方式與車輪及制動鼓固定，另一端通過軸承和轉(zhuǎn)向節(jié)連接，實現(xiàn)支撐和承載。經(jīng)分析可知，影響車輪強度的輪轂結(jié)構(gòu)參數(shù)有法蘭盤面積和車輪安裝緊固點的法蘭盤厚度，本文主要研究前者對車輪強度的影響。

圖2 車輪與輪轂連接簡圖

在輕型載貨汽車上，常用的配合車輪安裝的輪轂法蘭盤結(jié)構(gòu)有兩種：帶槽和不帶槽，這就造成配合面積不同。兩種結(jié)構(gòu)的主要區(qū)別在于車輪固定螺栓的防跟轉(zhuǎn)限位方式不同，帶槽結(jié)構(gòu)采用螺栓上的臺階與輪轂上的凹槽配合，起到限位作用，不帶槽結(jié)構(gòu)采用螺栓上的滾花，增加螺栓與輪轂的裝配過盈量達到限位目的，如圖3所示。

為研究輪轂上車輪安裝面接觸面積對車輪強度的影響，采用上述兩種結(jié)構(gòu)及增大輪轂法蘭盤直徑（增加接觸面積）結(jié)構(gòu)，對比分析三種結(jié)構(gòu)對車輪強度的影響，三種方案說明見表1。

表1 三種輪轂結(jié)構(gòu)參數(shù)

參數(shù)結(jié)構(gòu)A結(jié)構(gòu)B結(jié)構(gòu)C 槽特征帶槽不帶槽不帶槽 法蘭盤直徑ΦDΦDΦ1.1×D 其他相同

1.3 連接方式

車輪與輪轂連接方式主要考慮三點：定位方式、連接螺栓數(shù)量及規(guī)格、連接螺栓分度圓。常用的定位方式有止口定位和球面定位兩種，本文研究采用前一種定位方式。連接螺栓數(shù)量及規(guī)格和連接螺栓分度圓根據(jù)車輪承載能力、整車平臺及通用化設(shè)計需求進行選擇。

為控制變量，針對不同的輪轂結(jié)構(gòu)，采用相同的連接方式，如圖3所示。

圖3 輪轂結(jié)構(gòu)及螺栓限位結(jié)構(gòu)

2 有限元模型

2.1 幾何模型導(dǎo)入

車輪采用CATIA軟件建模，采用HyperWorks進行CAE分析，包括前處理、求解和后處理。將在CATIA軟件中建好的車輪CAD數(shù)型以IGS格式導(dǎo)入HyperMesh中，進行前處理，通過軟件自帶的幾何清理功能對存在問題曲面、點、線等進行修復(fù)和簡化，以便獲得優(yōu)質(zhì)的有限元模型。

2.2 網(wǎng)格劃分

采用體單元對車輪進行網(wǎng)格劃分，嚴格控制長寬比、雅克比及扭曲角等指標已獲得高質(zhì)量的網(wǎng)格，并賦予車輪使用的材料和屬性。車輪有限元模型共創(chuàng)建267 736個節(jié)點和401 404個單元。

2.3 工況及邊界

車輪主要失效模式疲勞破壞，考察車輪可靠性的主要指標有車輪的彎曲疲勞壽命和徑向疲勞壽命，其中彎曲疲勞試驗的失效率較高[5]。

車輪彎曲疲勞試驗是在車輪上施加一個模擬車輛行駛中受到的旋轉(zhuǎn)彎矩，經(jīng)過一定的疲勞循環(huán)后而失效的試驗。

根據(jù)國家標準要求，車輪彎曲疲勞試驗應(yīng)按圖4所示方法將車輪固定在試驗夾具上并加載，載荷彎矩大小按式（1）計算，具體見GB/T 5909—2009[6]。

=（+）FS （1）

式中：

為彎矩，N·m；為輪胎與路面間設(shè)定的摩擦系數(shù)；為車輪或車輪制造商規(guī)定的該車輪配用的最大輪胎的靜態(tài)負荷半徑，m；為車輛的內(nèi)偏距或外偏距，m；為車輛或車輪制造商規(guī)定的車輪額定負載值；為強化試驗系數(shù)。

圖4 彎曲疲勞試驗

圖5 車輪有限元模型

本文有限元模擬彎曲疲勞試驗的加載方式，進行靜力學(xué)分析。為便于加載，本文選定力臂長度，將彎矩等效為載荷。采用RBE2剛性單元模型模擬加載臂，并在端點處施加載荷；抓取輪輞邊緣處節(jié)點并施加6個自由度的全約束模擬輪輞與試驗臺的裝夾，采用REB2剛采用節(jié)點融合模擬車輪與輪轂螺栓連接；選擇上述載荷和約束，完成載荷步的添加，完成后的車輪有限元分析模型如圖5所示。

然后分別采用HyperWorks軟件自帶的求解器OptiStruct和后處理HyperView進行計算和結(jié)果查看。

3 計算與試驗

從車輪應(yīng)力云圖上可以看出最大應(yīng)力點出現(xiàn)在螺栓連接處，如圖6所示。

圖6 車輪應(yīng)力云圖

采用GB/T5909方法對結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C車輪進行彎曲疲勞試驗，結(jié)果顯示結(jié)構(gòu)B的失效模式為輪輻螺孔外圓開裂，與CAE分析一致；結(jié)構(gòu)C失效模式為焊接部位輪輞開裂，反映故障從漏氣開始，如圖7所示。

圖7 車輪開裂圖示

CAE結(jié)果顯示：相對于結(jié)構(gòu)A，結(jié)構(gòu)B和結(jié)構(gòu)C安全率分別提升12.1%和26.7%；臺架疲勞試驗結(jié)果顯示，結(jié)構(gòu)C相對與結(jié)構(gòu)B壽命提升46.9%，結(jié)果見表2。因結(jié)構(gòu)A臺架試驗涉及試驗工裝變動，難以實現(xiàn)，所以未進行臺架試驗。

表2 不同輪轂結(jié)構(gòu)CAE分析和臺架試驗結(jié)果

項目結(jié)構(gòu)A結(jié)構(gòu)B結(jié)構(gòu)C 安全率/%1.651.852.09 疲勞壽命/萬次 3247

4 總結(jié)

本文采用CAE和臺架試驗方法對不同輪轂結(jié)構(gòu)對車輪強度的影響進行分析和驗證，結(jié)果表明：輪轂結(jié)構(gòu)對車輪強度有顯著影響，通過優(yōu)化輪轂結(jié)構(gòu)可以提升車輪的安全率和使用壽命；如果保持現(xiàn)有安全率不變，可對車輪材料厚度進行減薄，給解決車輪開裂問題和車輪輕量化設(shè)計提供新的思路。

[1] 劉惟信.汽車設(shè)計[M].北京:清華大學(xué)出版社,2001.

[2] 馬波.基于HyperWorks的某輕卡輪輞總成結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計[J].汽車實用技術(shù),2017(06):12-13+50.

[3] 全國輪胎輪輞標準化技術(shù)委員會.汽車輪輞規(guī)格系列:GB/T 3487—2005[S].北京:全國輪胎輪輞標準化技術(shù)委員會,2005.

[4] 張卡德,黃致建,郝艷華,等.汽車車輪輪輻疲勞裂紋位置預(yù)估[J].華僑大學(xué)學(xué)報.2009,30(6),610-613.

[5] 劉恩澤.鋼制車輪設(shè)計與疲勞分析的有限元仿真與驗證[D].長春:吉林大學(xué),2014.

[6] 全國汽車標準化技術(shù)委員會.商用車輛車輪性能要求和試驗方法:GB/T 5909—2009[S].北京:全國輪胎輪輞標準化技術(shù)委員會,2009.

Discuss the Influence of Hub Structure on Wheel Strength

LI Fei, XU Lunyi

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 231200 )

Wheel is the safety part of the car, not only affects the performance of the car, but also affects the safety of the car, should have enough stiffness and fatigue strength. The strength of the wheel is not only related to the tire pressure, vehicle weight, maximum tire load, vehicle speed, service temperature and corrosion, but also affected by the structure of the hub connected with the parts. In this paper, the influence of different hub structure on wheel strength is analyzed and verified, and the safety rate and service life of wheel can be improved by optimizing hub structure, which provides a new idea for solving the problem of wheel cracking and wheel lightweight design.

Wheel; Hub; Strength; Fatigue

U463

A

1671-7988(2022)02-119-04

U463

A

1671-7988(2022)02-119-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.027

李飛，男，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司，研究方向：輕型商用汽車設(shè)計與研究。