汽車輪轂的輕量化設(shè)計(jì)研究

張步峰 趙宇翔 牛瑞坤

（金陵科技學(xué)院，南京 211169）

隨著汽車制造技術(shù)的不斷發(fā)展，國內(nèi)汽車的保有量急劇增長，由此帶來許多環(huán)境和能源問題。人們在享受汽車所提供便利的同時(shí)，要承擔(dān)起能源成本的增加。低能耗、低排放、高性能的汽車是當(dāng)今社會的發(fā)展需求，而汽車輕量化是實(shí)現(xiàn)這一需求的重要技術(shù)手段[1]。在未來的汽車工業(yè)中，汽車的減重已成為一個(gè)重要問題[2-3]。車輪是一輛轎車的關(guān)鍵部件，直接關(guān)系到車輛的總體性能。采用內(nèi)燃發(fā)動機(jī)驅(qū)動的汽車，在燃油經(jīng)濟(jì)性上減少輪轂的重量要優(yōu)于其他零部件，因此輪轂輕量化設(shè)計(jì)已成為各廠商關(guān)注的焦點(diǎn)[4-7]。我國這方面的大部分研究是分析動力車和長途車的能源利用率和污染物排放情況，對汽車輪轂輕量化研究相對較少。本文選取奇瑞某轎車車型，利用ANSYS 軟件對材料為DP400 的鋼制輪轂進(jìn)行靜力學(xué)分析和自由模態(tài)分析，再利用鋁合金優(yōu)良的力學(xué)特性對其進(jìn)行優(yōu)化，并對其擁有充足的靜強(qiáng)度儲備部位進(jìn)行拓?fù)浞治?，使其在減輕質(zhì)量的同時(shí)保持車輪的可靠性。

1 靜力學(xué)分析

汽車輪轂受輪胎氣壓的影響。輪胎的規(guī)格和使用氣壓反映了輪胎的承載力。輪轂尺寸大，等級高，使用的空氣壓強(qiáng)高，載荷大，對車輛和路面都有不良影響。輪胎是消耗品，且大規(guī)格的輪胎價(jià)格很高，因此小型化和輕質(zhì)化輪胎是轎車發(fā)展的需求。在不增加輪胎尺寸的情況下，以低壓為佳，設(shè)置輪轂所受到的胎壓為0.45 MPa。胎壓分布于輪轂上位于輪胎和胎圈座之間的部分。

通過對汽車輪轂進(jìn)行力學(xué)分析和加載，利用ANSYS 軟件，計(jì)算在加載條件下汽車輪轂的等效應(yīng)力和產(chǎn)生變形的位移量。如圖1 所示，最大應(yīng)力位于螺釘孔口附近，為96.309 MPa。此次采用的是DP400 鋼材，極限強(qiáng)度達(dá)到400 MPa，因此該輪轂的強(qiáng)度在極限范圍內(nèi)，并沒有損壞。通過分析車輛輪轂的真實(shí)磨損狀況，得出與真實(shí)磨損狀況相符的結(jié)論。

圖1 原始輪轂的應(yīng)力分布

從圖2 輪轂的位移變化可以看出，輪轂的邊緣位移變化最大，變化幅度為0.121 75 mm?？梢钥闯?，該輪轂在受力情況下整體形變不大，要想進(jìn)一步減少輪轂的變形，必須對輪轂邊緣部分和輪輻中間部分的強(qiáng)度進(jìn)行優(yōu)化。由此提出減小螺栓孔徑和其邊沿過渡形式的方法，并適當(dāng)加大輪輻中部的寬度和厚度，使輪轂在受力條件下的分布應(yīng)力發(fā)生變化，最終達(dá)到提高輪轂強(qiáng)度的目的。

圖2 原始輪轂的位移分布

2 輕量化設(shè)計(jì)

汽車輪轂的輕量化是指車輪整體質(zhì)量的減輕，同時(shí)保持車輪本身的性能。在對輪轂進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，要保持輪轂原有的性能，即有針對性地減重，同時(shí)確保輪轂的行車安全等。本文主要從材料輕量化和結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化兩方面進(jìn)行研究。

2.1 輕質(zhì)材料輪轂優(yōu)化

使用鋁合金材料制造汽車輪轂可以顯著減少汽車輪轂的質(zhì)量，有效提高燃油經(jīng)濟(jì)性。選用A356 型鋁合金，其性能如表1 所示。

表1 A356 型鋁合金性能

A356 鋁合金流動性好，不易產(chǎn)生熱裂，且氣密性良好，對構(gòu)造面較多且復(fù)雜的輪轂?zāi)Ｐ驮谕庑纬尚头矫娓邇?yōu)勢。另外，A356 鋁合金淬火后具有自然時(shí)效特性，強(qiáng)度、塑性均較高，能夠滿足車輪對高強(qiáng)度、高剛度的需求。

為了確保模型建立的合理性，需要驗(yàn)證鋁合金輪轂?zāi)Ｐ蛻?yīng)力位移。輪轂的輪輻、輪輞為薄壁復(fù)雜構(gòu)件，其厚度由工程人員依靠自身經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合材料屬性給定，并非最優(yōu)，且不一定滿足剛性、強(qiáng)度等指標(biāo)。按照汽車輪圈的相關(guān)技術(shù)規(guī)范，其壁厚通常為4.5 ～10.0 mm。在保持輪轂本體和外形不變的前提下對其進(jìn)行強(qiáng)化，獲得最大變形和位移，確保其與原鋼輪轂的剛性性能相近，最終得到9 mm 的鋁合金輪轂最優(yōu)厚度。

圖3 為鋁合金輪轂受載時(shí)的應(yīng)力分布。從應(yīng)力分布來看，產(chǎn)生的最大應(yīng)力位于輪輻兩側(cè)靠近輪轂交接的位置，最大應(yīng)力為85.741 MPa。最大應(yīng)力不僅小于材料的屈服強(qiáng)度，而且比原鋼輪轂所承受的最大應(yīng)力96.309 MPa 還要小，達(dá)到試驗(yàn)車輛所需的輪轂剛性。圖4 為鋁合金輪轂受載時(shí)的位移分布，輪轂位移變化最大處的變化幅度為0.169 39 mm。

圖3 鋁合金輪轂的應(yīng)力分布

圖4 鋁合金輪轂的位移分布

分析可知，更換輕質(zhì)材料的鋁合金輪轂，在剛性及其他各方面都能達(dá)到需求。從理論上來說，采用輕質(zhì)材料更換輪轂是完全可行的。在此基礎(chǔ)上，利用有限元軟件對其進(jìn)行建模，得出各材料的單件體積，通過m=ρv計(jì)算各材質(zhì)輪轂的單個(gè)質(zhì)量。通常汽車有4 個(gè)輪子，因此輪子質(zhì)量要按照4 個(gè)輪子總質(zhì)量來計(jì)算。由于材料密度的關(guān)系，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整后，鋁合金輪轂的質(zhì)量減少了34.06%，如表2 所示。對兩種不同材質(zhì)的車輪受同一負(fù)載時(shí)的應(yīng)力-應(yīng)變圖進(jìn)行全面比較，可以看出車輪整體結(jié)構(gòu)發(fā)生了類似的變形，結(jié)果如表3 所示。

表2 輕質(zhì)材料輪轂的減重效果對比

表3 不同材料輪轂的剛度強(qiáng)度對比

分析結(jié)果，替換材質(zhì)后的輪轂的最大應(yīng)力值沒有達(dá)到材料的屈服強(qiáng)度，且低于鋼制材料的最大應(yīng)力值96.309 MPa?？梢?，輕質(zhì)材料性能還有較多剩余，材料的力學(xué)性能還有較大的發(fā)揮空間，尤其是輪轂的輪輻和輪輞部分，應(yīng)力均相對較小。

2.2 拓?fù)鋬?yōu)化

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化研究的目標(biāo)是在設(shè)計(jì)范圍內(nèi)尋找最優(yōu)的材料配置方式。本次選取的材料為A356 型鋁合金，屈服極限為260 MPa。根據(jù)應(yīng)力分析可知，使用的輪轂具有充足的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，因此考慮適當(dāng)削弱輪轂部分強(qiáng)度，減輕輪轂的質(zhì)量，最終決定使用拓?fù)鋬?yōu)化方法對該輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

在分析研究輪轂?zāi)Ｐ蜁r(shí)，將6 個(gè)螺栓孔和中心孔內(nèi)表面設(shè)置為固定約束，材料則按照實(shí)際使用的A356 鋁合金進(jìn)行設(shè)置。在其他設(shè)置相同的情況下，分別按體積減小30%和減小50%的比例對其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。目標(biāo)函數(shù)隨著迭代次數(shù)的增加，結(jié)構(gòu)柔性呈下降趨勢，最終趨于穩(wěn)定，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果收斂，計(jì)算有效。在此基礎(chǔ)上，對優(yōu)化后的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行微調(diào)，以達(dá)到更好的設(shè)計(jì)需求。在優(yōu)化后的優(yōu)化結(jié)構(gòu)中，將不均勻的輻條按其軌跡進(jìn)行修復(fù)，以達(dá)到優(yōu)化結(jié)構(gòu)的目的。去除材料后的圖形如圖5 所示，修改后的輪轂?zāi)Ｐ腿鐖D6 所示。對拓?fù)鋬?yōu)化后的輪轂進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)證，以確保設(shè)計(jì)的輪轂結(jié)構(gòu)滿足強(qiáng)度與剛度需求，仿真結(jié)果如圖7 和圖8 所示。

圖5 去除材料后的模型

圖6 修改后的輪轂?zāi)Ｐ?/p>

從圖7 輪轂的位移變化可以看出，輪輞的邊緣位移變化最大，變化幅度為0.291 57 mm，整體的形變不大。從圖8 可以看到，產(chǎn)生的最大應(yīng)力出現(xiàn)在輪轂邊緣，最大應(yīng)力值為101.85 MPa，低于所替換的A356 型鋁合金材料的屈服極限，因此這個(gè)結(jié)構(gòu)和尺寸的輪轂可以滿足強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求。通過分析整體應(yīng)力圖發(fā)現(xiàn)，應(yīng)力分布比較均勻，表明這種設(shè)計(jì)對材料的使用起到了很好的效果。

圖7 拓?fù)鋬?yōu)化后輪轂的位移分布

圖8 拓?fù)鋬?yōu)化后輪轂的應(yīng)力分布

3 結(jié)語

本文以奇瑞某型號汽車的輪轂為研究對象，將其剛度、安全性等技術(shù)指標(biāo)作為約束條件。為降低輪轂的重量，通過有限元分析對輪轂的力學(xué)與模態(tài)進(jìn)行分析，并借助ANSYS 軟件對試驗(yàn)輪轂進(jìn)行輕質(zhì)材料的替代，優(yōu)化輪轂的結(jié)構(gòu)尺寸，可為今后實(shí)現(xiàn)該車型的多材質(zhì)輪轂的輕量化和輕質(zhì)材料的規(guī)?；a(chǎn)提供技術(shù)借鑒與支撐。一方面，對試驗(yàn)中使用的車輪進(jìn)行靜力學(xué)分析，得到了車輪的危險(xiǎn)點(diǎn)。對輪轂進(jìn)行自由模態(tài)分析，獲取輪轂的固有頻率及其模態(tài)信息。另一方面，通過分析輪轂的材質(zhì)特性及技術(shù)參數(shù)對其進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并用輕質(zhì)材料替代，達(dá)到輕質(zhì)材料替代后的輕量化效果，使鋁合金輪轂相對于原來減輕21.42 kg。