基于HyperMesh的商用車鋁合金輪轂有限元分析

高世陽

摘 ?要：為保證車輛在安全可靠前提下，實現較大幅度的輕量化。本文應用有限元分析技術，對鋁合金輪轂施加靜力彎矩、扭矩、軸承過盈等極限工況載荷并進行受力分析，提取最大位移和應力與材料力學性能做對比，并開展了臺架試驗復驗研究。研究結果表明，輪轂最大承受應力遠小于材料屈服強度，加強筋的設置有明顯得增加強度和減小應變作用。同時，相對傳統(tǒng)鑄鐵輪轂，鋁合金輪轂減重效果顯著，達到了62.48%。最后，臺架試驗結果證實了模擬工況和載荷下輪轂的優(yōu)良使用性能。

關鍵詞：鋁合金輪轂;有限元分析;輕量化;強度;臺架試驗

中圖分類號：U463.4 ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：1005-2550（2022）01-0043-05

Finite Element Analysis Of Commercial Vehicle Aluminum Hub

Based On Hypermesh

GAO Shi-yang

（ Shandong Haoxin Machinery Co.， Ltd， Changyi 261307， ?China ）

Abstract： In order to ensure the safety and reliability of the vehicle， a large range of lightweight is realized. In this paper， the finite element analysis technology is applied to the aluminum alloy wheel hub to apply the static bending moment， torque， bearing interference and other limit load conditions， and the stress analysis is carried out. The maximum displacement and stress are extracted and compared with the mechanical properties of materials， and the bench test is carried out. The results show that the maximum stress of the hub is far less than the yield strength of the material， and the setting of stiffeners can significantly increase the strength and reduce the strain. At the same time， compared with the traditional cast iron wheel hub， the weight reduction effect of aluminum alloy wheel hub is remarkable， reaching 62.48%. Finally， the bench test results confirm the excellent performance of the hub under the simulated working conditions and loads.

Key Words： Aluminium Alloy Hub; Finite Element Analysis; Lightweight; Strength; Bench Test

引 ? ?言

隨著中國經濟的飛速發(fā)展，汽車運輸、物流快遞已經普遍化，商用車的數量也逐年遞增，人們對于商用車安全和輕量化也愈加重視[1]。以電商、危化品、冷鏈等為代表的高端物流迅猛發(fā)展，其對車輛的輕量化要求更為突出[2-3]。以普通牽引車為例（每年運行約20萬公里），每減重1Kg，每年載重增收加空車省油達到將近200元，所以商用車用戶及整車廠對輕量化的需求十分迫切。同時整車廠在輕量化方面允許制造成本適當增加，可每減重1Kg給予提高售價6-12元不等，這也一定程度上激勵零部件供應商開展降重研究。

商用車傳統(tǒng)輪轂的材質為球墨鑄鐵，產品質量較重[4]，有較大的輕量化空間，但輪轂又是承載和驅使車輛運動的重要安全零部件，其承載能力及其它力學性能指標要求較高。因此，在實現輪轂輕量化的同時保證輪轂的承載能力，是目前輪轂研發(fā)中亟需要解決的關鍵問題。隨著中國重卡市場的發(fā)展，尤其是在新GB1589-2016《汽車掛車及汽車列車外廓尺寸載荷及質量限值》發(fā)布以后[5]，重卡限載法規(guī)越來越清晰和規(guī)范，重卡全行業(yè)都在對整車的輕量化做大量的投入和研究，其目的就是在保證安全的前提下，竭盡全力的降低車身自重，從而獲得載貨的最大量以及空車運行時的油耗最低，這也是符合全球汽車行業(yè)發(fā)展的大趨勢。

鋁作為地殼中含量最豐富的元素之一，其蘊藏量在金屬中居首位，在航空、建筑、汽車三大重要工業(yè)領域有了成熟的應用，密度約為鐵的1/3[6]。如果用鋁合金輪轂替代鑄鐵輪轂，則可以達到減輕零件重量的良好效果。同時，鋁合金輪轂熱傳導系數大，更利于散熱，也可以更好的解決鑄鐵輪轂在濕熱環(huán)境下加工面銹蝕的問題。另外，由于鋁輪轂重量輕，在同樣質心偏移量的情況下，動不平衡量也是遠低于鑄鐵輪轂[7]，這個優(yōu)點可以有效緩解車輪在行駛中抖動的問題。

本文所述商用車輪轂不同于乘用車輪轂，大多乘用車輪轂集合輪轂、輪輞、輪輻等為一體，而商用車（重卡）的輪轂和輪輞是分別獨立的兩個零件，雖有關聯但并非一體。本文所述商用車（重卡）輪轂是聯結軸承、油封等零件后裝配到車橋半軸套管上的零部件，并不涉及輪輞。重卡輪轂關聯零件主要有半軸及凸緣、半軸螺栓、半軸套管、車輪螺栓、油封、內軸承、外軸承、制動鼓等，詳見圖1：

重卡輪轂是重卡的重要和安全零件，如果輪轂斷裂會出現車毀人亡的嚴重安全事故。如果輪轂變形量過大會導致軸承游隙減小[8]、軸承升溫過高導致燒車問題出現，同時，輪轂變形量過大也會導致車輪偏磨問題，嚴重時會導致輪胎爆胎。鋁材料熱膨脹系數大，對于和輪轂直接過盈配合的軸承、油封等關鍵零件，需要重新計算和選擇過盈量。鋁材料的力學性能受高溫的影響也比較明顯，一般鋁材料在高溫下強度會有不同程度的降低，即熱強度衰退性現象明顯。

鋁輪轂的優(yōu)點和缺點均非常明顯，如何利用好其優(yōu)點，并通過一定措施來最大限度降低其缺點帶來的影響，是重卡鋁合金輪轂能夠應用成功的關鍵。本文重點研究常溫下鋁合金輪轂的強度和位移量分析等。

1 ? ?研究方法

鋁合金輪轂強度和位移量主要受到軸承過盈、徑向載荷、軸向載荷、扭轉載荷等方面的作用力[9]。通過制定輪轂有限元分析條件→有限元分析→臺架驗證的研究方法來進行零件優(yōu)化設計。

以國內某款11.5T驅動橋輪轂為例，即單橋額定軸荷11.5T，載荷受力條件及約束條件如表1，表2。

2 ? ?有限元分析與結果

將Unigraphics NX10.0繪制好的三維輪轂模型導出STP格式，選擇OPTISTRUCT求解器，導入文件。建立網格材料組件CREAT EDIT進行材料編輯，輸入彈性模量、泊松比、密度等。建立網格單元組件，鋁輪轂網格按照3mm的尺寸進行網格劃分，R1的圓角用1mm的尺寸進行網格劃分，在軸承接觸面和軸承擋臺的圓角處進行2mm的網格尺寸過渡。軸承網格按照3mm的尺寸進行網格劃分，輪轂、軸承均采用四面體網格。將輪轂法蘭盤的安裝面設為約束，施加邊界條件、建立工況。提交ANALYSIS-OPTISTRUCT計算，獲取位移云圖結果，查看位移最大值。

約束方式采用輪轂法蘭制動鼓安裝面自由度全固定約束。用reb3單元分別將大、小軸承外圈內表面節(jié)點抓取到A、B點。小軸承端徑向力分解為F1=15895.8N，F3=74783.8N，大軸承端徑向力分解為 F2=20036.9N，F4=94266.2N，軸向力為F5=42262.5N，其中F2+F5=62299.4N。扭矩施加19000000N·mm，端面節(jié)點用reb3抓取，中心點在軸管中心線上。受力分布情況，詳見圖3：

每個載荷步中F1、F2、F5大小和方向不變，F3和F4，繞X軸旋轉36°，大小不變，建立一個靜態(tài)分析步。以此類推每相對上一步旋轉36°建立一個分析步，共建立10個分析步，最大位移量載荷步如下圖所示：

鋁輪轂在過盈裝配、徑向力、軸向力及扭矩共同作用，并且增加10個旋轉角度（旋轉一周）情況下，鋁輪轂最大變形在0.165 mm～0.172 mm之間。最大Von Mises應力在104.6 MPa ～117.2 MPa之間，應力高點都在大、小軸承裝配根部，且遠遠小于屈服強度。

大、小軸承擋臺根部都承受拉應力，大軸承端擋臺根部拉應力在134.1MPa～142.0MPa之間，小軸承端擋臺根部拉應力在97.3MPa～101.7MPa之間，均遠遠小于抗拉強度。

基于設計經驗，在初期設計中對小軸承端外圓面10根立柱部位已提前設置加強筋，加強筋厚度5.25mm，單條加強筋設置后應力值約為56.53Mpa，加強筋設置后最大位移量為0.172mm，遠小于許用變形量，其加強筋作用較為明顯，且該處非最大應力點，該筋的設置有明顯的增強強度和減小應變作用。加強筋的設置在輪轂設計時為非必要項，儲油腔壁厚增強以后，加強筋也可以不加。但如果要加設加強筋，應盡量增加數量且盡量均勻分布，否則將會在該處產生明顯的應力集中，在使用過程中會出現筋裂斷風險[10]。

在靜載荷強度分析基礎上，用正弦曲線作為一個循環(huán)載荷，鋁合金S-N曲線由軟件擬合而成，分析流程如下圖所示：

鋁輪轂循環(huán)壽命在1.118e7數量級，屬于高周疲勞，位置在大軸承端擋臺根部。

鋁合金輪轂在滿足強度前提下，比鑄鐵輪轂減重18.49Kg，達到62.48%，實現了較高幅度的減重。

3 ? ?臺架試驗

彎矩疲勞試驗，電機帶動試驗主軸旋轉，被測試零件通過工裝安裝到主軸上，徑向液壓缸和軸向液壓缸聯動到作動器上，作動器可以給被測試零件施加兩向載荷。徑向液壓缸主軸線與輪轂法蘭安裝面可通過滑輪調節(jié)距離，實現輪胎受力中心偏置距的調節(jié)，軸向載荷通過液壓缸的上下調節(jié)可以達到對輪胎半徑的設置。

通過液壓伺服技術可編程輸入軸向和徑向載荷，程序控制風冷模擬車輛風速對測試件的影響。設備配置振動加速度、溫度、轉速、角度等傳感器，自動記錄、統(tǒng)計試驗指標，實時檢測輪轂運行狀態(tài)，具有超值報警功能。

試驗程序，通過速度的變換模擬城市與高速道路模式，通過時間長度模擬司機在規(guī)避障礙物時或超車時的頻率，通過軸、徑向載荷大小變換模擬重載和空載等工況[11]，通過軸向載荷的方向變換模擬車輛的左右轉彎姿態(tài)等。具體臺架試驗載荷譜見表4，判定標準為達到300小時后無失效，試驗數量一般不少于3件。

鋁輪轂循環(huán)壽命為1118萬次>臺架900萬次循環(huán)壽命要求，滿足設計要求。

扭轉疲勞試驗，扭轉疲勞在試驗時可參考QC/T293-1999《汽車半軸臺架試驗方法》進行載荷、頻率施加，以及試驗判定。[12]

4 ? ?結論

本文基于HyperMesh軟件對商用車鋁合金輪轂進行了有限元工況模擬與載荷分析，研究結論如下：

（1）輪轂在過盈裝配、徑向力、軸向力及扭矩共同作用且增加360°旋轉角度情況下，最大VonMises應力在104.6MPa～117.2MPa之間，應力高點都在大、小軸承裝配根部，且遠遠小于屈服強度。大、小軸承擋臺根部都承受拉應力，大軸承端擋臺根部拉應力在134.1MPa～142.0MPa之間， 小軸承端擋臺根部拉應力在97.3MPa～101.7MPa之間，均遠遠小于抗拉強度。

（2）加強筋處非最大應力點，且其設置有明顯的增強強度和減小應變作用。另外，加強筋可以不設，但如果要設置加強筋應盡量增加數量，否則將會在該處產生較大的應力集中，從而在使用過程中出現筋裂斷風險。

（3）相比傳統(tǒng)鑄鐵輪轂，鋁合金輪轂在滿足強度前提下，減重18.49Kg，達到62.48%，實現了較高幅度的減重。最后，通過臺架試驗，證實了模擬工況和載荷下輪轂的優(yōu)良使用性能。

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專家推薦語

張社民

東風汽車集團有限公司

技術中心總師 ?研究員級高級工程師

車輛在安全可靠前提下，鋁合金輪轂實現了較大幅度的輕量化，車輛輕量化是減低油耗的主要手段之一，對實現碳達峰和碳中和具有重要意義。本文應用有限元分析技術，對鋁合金輪轂極限工況載荷進行了受力分析，同時開展了臺架試驗研究。結果表明，相對傳統(tǒng)鑄鐵輪轂，鋁合金輪轂減重效果顯著。