汽車車輪的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析

唐珍珍

鹽城生物工程高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校 江蘇省鹽城市 224000

當(dāng)今社會(huì)發(fā)展中汽車已經(jīng)成為人類最重要的代步工具，伴隨著汽車工業(yè)與科學(xué)技術(shù)的發(fā)展持續(xù)優(yōu)化升級汽車的使用性能，促進(jìn)汽車迭代升級。高速運(yùn)轉(zhuǎn)中的汽車對車輪的安全性要求較高。汽車的平穩(wěn)性、可操作性以及安全運(yùn)行的性能很大程度取決于車輪的性能。本文通過有限元分析法對復(fù)合材料車輪進(jìn)行模態(tài)分析與應(yīng)力分析，綜合汽車實(shí)用性要求的角度分析車輪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以期實(shí)現(xiàn)在降低車輪總質(zhì)量、整車質(zhì)量的同時(shí)，提高續(xù)航里程。本文研究結(jié)論具有較大的參考價(jià)值。

1 車輪基本知識(shí)

汽車行駛中車輪與地面間會(huì)形成附著力，即形成制動(dòng)力與驅(qū)動(dòng)力，承擔(dān)簧載質(zhì)量并解決道路不平而導(dǎo)致沖擊力的問題，從而提高汽車操作穩(wěn)定性。車輪的結(jié)合形式主要可分兩種：第一種是整體式，即一體化輪輻與輪輞；第二種是組合式，即至少由兩個(gè)部件構(gòu)成車輪。

輪輻與輪輞是車輪的基本部件。汽車整車的重量主要依托輪輞與最外側(cè)輪胎承載。輪緣，即輪輞的最外沿。輪緣與輪胎相配合，形成軸向載荷并作用于輪胎，能夠保護(hù)輪胎。從結(jié)構(gòu)上看，常見的輪輞有三種類型：第一種是對開式；第二種是平底式；第三種是深槽式。在設(shè)計(jì)車輪結(jié)構(gòu)時(shí)，需要充分考慮如下兩個(gè)參數(shù)：第一個(gè)是輪輞名義直徑；第二個(gè)是輪輞寬度。上述兩個(gè)參數(shù)共同決定了輪胎對地面的單位壓力。一般認(rèn)為輪輞的寬度越大，運(yùn)轉(zhuǎn)中的車輪就會(huì)受到越大的摩擦阻力，由此造成較大的油耗。綜上，從燃油的經(jīng)濟(jì)性的角度分析應(yīng)落實(shí)輕量化設(shè)計(jì)、輪輞結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計(jì)，這有利于減少能耗。輪輻可通過鉚接或者焊接的方式將輪輞與輪盤固定為一個(gè)整體，并借助輪盤的中心孔以及周圍的螺栓孔在輪轂安裝輪輻，主要可分為盤式、輻式。本文研究中的車輪都為螺栓孔，共計(jì)5個(gè)。車輪的整體結(jié)構(gòu)，如圖1 所示。

圖1 車輪結(jié)構(gòu)圖

一般可按照國家指定的尺寸選配設(shè)計(jì)輪輞與輪胎，兩者都屬于標(biāo)準(zhǔn)件。在車輪中，作為支撐結(jié)構(gòu)的輪輻一般是由設(shè)計(jì)者決定尺寸與外形的，其沒有可參考的國家標(biāo)準(zhǔn)。在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)該確保行駛中的汽車可均勻的受到輪輻，避免應(yīng)力集中的情況。輪輻中心的厚度大于輪緣的厚度，整體呈現(xiàn)出遞減的趨勢。具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該綜合外觀設(shè)計(jì)要求以及各種工況下車輪對強(qiáng)度的要求。車輪的重量主要取決于輪輻與輪輞。后續(xù)計(jì)算時(shí)可按照兩者質(zhì)量在車輪中的占比為80%進(jìn)行計(jì)算。建模平臺(tái)在參數(shù)化模型構(gòu)建車輪方面主要運(yùn)用了CreoParametric 軟件。

2 汽車車輪結(jié)構(gòu)有限元建模

為了降低有限元建模的求解誤差，應(yīng)合理選擇網(wǎng)格。殼體部件屬于汽車零部件的一部分，通常以四邊形網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格劃分。如果是實(shí)體部件則多采用六面體網(wǎng)格、四面體網(wǎng)格。COMSOL Multiphysics 為了避免誤差的影響，通常采用多種網(wǎng)格尺寸控制法。車輪不適宜劃分為規(guī)則網(wǎng)格，這是因?yàn)槠浒^多曲面，具有不規(guī)則性。本次運(yùn)用軟件自帶的自適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)劃分工具實(shí)現(xiàn)自動(dòng)生成網(wǎng)格，可計(jì)算離散誤差。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合誤差大小對網(wǎng)格的大小、密度進(jìn)行調(diào)整，從而提高有限元分析的精度。在劃分好網(wǎng)格后，需要檢查網(wǎng)格的質(zhì)量。這是因?yàn)橛?jì)算有限元分析數(shù)據(jù)的周期及計(jì)算準(zhǔn)確性很大程度取決于網(wǎng)格的密度、大小及其所屬類型。在COMSOL軟件中包含多種網(wǎng)格檢查的標(biāo)準(zhǔn)，比如最大角度、條件數(shù)、偏斜度、體積vs 長度等。操作時(shí)可借助軟件獲取網(wǎng)格單元質(zhì)量正態(tài)分布圖，一般情況下其擬合性越好，則代表網(wǎng)格質(zhì)量越好。本次研究中車輪所使用的為四面體單元，其單元大小為2mm。車輪整體網(wǎng)格劃分如圖2 所示。

圖2 車輪網(wǎng)格劃分圖

設(shè)定以碳纖維-環(huán)氧樹脂作為輪轂材料，表1 為基本材料屬性。

表1 輪轂材料屬性

3 車輪的模態(tài)分析

如行駛中的汽車出現(xiàn)共振是一件很危險(xiǎn)的事，它不僅會(huì)直接影響汽車正常行駛，影響車輪的NVH 性能乃至整個(gè)生命周期的使用，嚴(yán)重的還有可能演變成為車毀人亡的事故。車輪是否發(fā)生共振主要與外部激振頻率有關(guān)。如該值接近汽車固有頻率即很有可能發(fā)生共振。基于此，為了確保汽車整車平穩(wěn)運(yùn)行，應(yīng)以車輪的結(jié)構(gòu)力學(xué)特性作為研究重點(diǎn)。作為汽車最重要的部件之一車輪具有多自由度的屬性特點(diǎn)，可通過模態(tài)合成車輪的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，故此需要模態(tài)分析車輪。在研究動(dòng)力學(xué)問題方面，模態(tài)分析也具有較大的價(jià)值，主要是按照設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)的振動(dòng)頻率以及振型設(shè)計(jì)的。如圖2 所示，本文主要以復(fù)合材料車輪為例，對其進(jìn)行模態(tài)分析。

分析各階段材料輪轂的頻率值如表2 所示，復(fù)合材料車輪一般不會(huì)受到外界較大的影響，其能夠遠(yuǎn)離共振頻率。另外，相較于低頻振動(dòng)，高頻振動(dòng)所需的能耗較小，更符合燃油經(jīng)濟(jì)性要求。

表2 碳纖維-環(huán)氧樹脂輪轂各階模態(tài)對應(yīng)的頻率值

分析圖3 可知，輪輞與輪輻相鄰的振動(dòng)頻率復(fù)合材料車輛對應(yīng)的振型有正交性。在模態(tài)計(jì)算時(shí)，可將頻率相近的振型視為振動(dòng)方程的重根。一階陣型、二階陣型存在類似的固有頻率，四階陣型的固有頻率也接近于五階陣型，車輪出現(xiàn)一階彎曲。三階、六階陣型與相鄰陣的振動(dòng)頻率差距較大。車輪的輪輻在這兩個(gè)振動(dòng)頻率的作用下，其朝著軸向偏移。輪輞一般不會(huì)發(fā)生較大的變化。三階、六階陣型的輪輻分別向內(nèi)側(cè)、外側(cè)偏移。從振動(dòng)頻率方面分析，七階接近于八階，輪輞與輪輻受到上述兩階模態(tài)的影響會(huì)出現(xiàn)偏移，但是偏移的幅度一般較小。九階模態(tài)、十階模態(tài)也有較為接近的振動(dòng)頻率，車輪出現(xiàn)二階彎曲。綜上充分說明本次設(shè)計(jì)是合理的。

圖3 碳纖維-環(huán)氧樹脂車輪模態(tài)計(jì)算

4 結(jié)語

本文在設(shè)計(jì)復(fù)合材料車輪時(shí)充分考慮了材料（碳纖維-環(huán)氧樹脂復(fù)合材料）的結(jié)構(gòu)特性以及設(shè)計(jì)車輪的標(biāo)準(zhǔn)，并緊扣車輛輕量化的發(fā)展趨勢。本次研究中所建立的車輪參數(shù)模型是參照Creo 這一三維設(shè)計(jì)軟件形成的。在模態(tài)分析與強(qiáng)度分析方面，主要運(yùn)用了COMSOL 多物理場仿真軟件。最后分析認(rèn)為本次所選擇的車輪材料有利于減少車輪的質(zhì)量。另外，從結(jié)構(gòu)模態(tài)變化的規(guī)律來看，也符合實(shí)際使用與設(shè)計(jì)要求。