汽車工業論文轎車鋁合金車輪強度

　　本汽車工業論文對所選用車輪的結構尺寸進行了優化設計，在保證產品質量的前提下，縮短了產品的設計周期，降低了產品的設計和制造成本。可以發表汽車工業論文的期刊有《湖北汽車工業學院學報》主要刊登汽車工程、機械工程、材料工程、電氣工程、管理工程、基礎學科等方面的學術論文、研究報告、綜合性學術評論。入編《中國學術期刊(光盤版)》、《中國期刊網》、《萬方數據——數字化期刊群》和《書生數字期刊》，被“中國學術期刊綜合評價數據庫”、“中文科技期刊數據庫”、“中國核心期刊(遴選)數據庫”和“CEPS中文電子期刊服務”全文收錄。曾獲湖北省高等學校學報評比二等獎、全國首屆《CAJ-CD規范》執行優秀獎。

　　摘要：車輪是汽車行駛系統中很重要的部件，隨著車身輕量化的發展鋁合金材料的車輪得以廣泛的應用;車輪的傳統設計多憑借經驗開展，存在著設計盲目性大、設計制造周期長、成本高等諸多弊端。旨在研究應用ANSYS有限元分析方法，結合CATIA來進行鋁合金車輪強度的分析，并在此基礎上對轎車鋁合金車輪進行車輪優化設計，既保證轎車車輪的強度，又盡可能地減輕車輪的質量，實現轎車車輪的輕量化。

　　關鍵詞：鋁合金車輪，有限元，強度，優化

　　車輪產品的設計主要是對車輪的外觀進行設計，其整個設計過程常常是根據設計人員的設計經驗而進行的。而且在設計過程中，為了避免出現對模型進行反復修改，設計人員經常會留較大的設計余量，造成了材料資源的浪費，增加了制造成本。當測試的產品失敗時，產品的結構尺寸需要修改，更多的設計人員憑借經驗通過增加車輪局部材料提高目標車輪產品的強度，缺乏理論依據，具有很強的設計盲目性。

　　1構思和方法

　　1.1問題分析與解決途徑為了減小汽車的自重，一是在提高所用材料強度，二是采用輕量化材料，利用有限元分析方法可使車輪的結構尺寸得以改進，同時提高車輪的強度和壽命，降低生產成本，縮短車輪產品的研發周期。本文將對鋁合金車輪進行強度分析，并在強度分析的基礎上，改變輪輻厚度，輪輞厚度實現對鋁合金車輪的優化，大大縮短鋁合金車輪的研發和制造周期。參照實際車輪尺寸，先用CATIA繪制車輪的三維模型，并導入ANSYS有限元分析軟件。根據車輪在動態彎曲疲勞試驗中的安裝和加載情況，如圖1所示，建立車輪輪輞、輪輻和加載軸的有限元模型，并進行約束、加載和計算。

　　1.2理論證明車輪在垂直方向所受的作用力主要有兩個，一個是轎車重量通過制動盤螺栓傳遞給車輪的載荷Wz;另一個是地面的法向反作用力Fz，這兩個力統稱為垂直力，如圖2所示。由于車輪一般都有偏距，即車輪平面一般不在車輪總成豎直方向的中心平面上，這兩個平面的距離就是車輪的偏距d，地面法向反作用力Fz是作用在輪胎中心平面上，而車輪的載荷Wz近似作用在車輪平面上，如圖3表示。這樣兩者就會對車輪主要是輪輻產生彎矩，彎矩表達式可寫成：M(Fz)=Fz•d(1)車輪在Y方向所受的力矩My對車輪疲勞強度的影響遠小于彎矩，在討論車輪的疲勞強度時可以不考慮它們的影響。此外，對于輻板式車輪，因轎車制動或加速引起的制動力和驅動力以及轉向引起的回正力矩，以及車輪在生產過程中產生的內應力相對于車輪承受的外部載荷來說都可以忽略。本文主要是要用ANSYS軟件分析車輪在靜力作用下的強度，Y方向的側向力和X方向的驅動力也可忽略。因此，對轎車車輪有重要影響的作用力有輪胎充氣壓力、螺栓擰緊力矩、垂直力及它引起的彎矩。其中輪胎充氣壓力主要對輪輞影響大，螺栓擰緊力矩及彎矩主要對輪輻影響大，而垂直力對整個車輪的影響都非常重要。

　　1.3關鍵參數與設計要點本文研究的是鋁合金車輪，因此材料屬性為鋁合金的性質，而在汽車車輪中應用最廣的就是A356型鋁合金，故本文鋁合金車輪材料選用A356。鋁合金A356有著良好的鑄造性，流動性高，無熱裂傾向，線收縮小，氣密性高，適合于車輪如此復雜結構的成型。考慮鑄造工藝對材料的影響，車輪不同部位材料的力學性能有所不同，因此分別在輪輻和輪輞上取樣，得出結果如表1所示。在定義時為了使分析更符合實際，故將輪輞和輪輻按前面表格的參數設置為不同種的A356型鋁合金。由于所用的輔助軸不參與具體計算，只起到施加彎矩和力的作用，即它的材料屬性不會影響最終的應力分布和數值，為方便設置，將其按A3鋼的參數設置。

　　2實驗與討論

　　2.1實驗方法與測試結果本文所采用的鋁合金車輪輪輻料厚為3.5mm，輪輞料厚3mm，相對于整個車輪結構來說屬于薄板結構。研究表明，只有對那些危險區域材料厚度變化較多或材料厚度較大的結構才有必要使用三維實體單元。在輔助加載軸末端施加一個載荷，垂直于加載軸末端，使車輪受到一個彎矩M的作用;經查閱相關文獻結合受力分析的情況，確定施加的載荷F為3196N。模型施加載荷后，需要對車輪進行固定約束，在本課題中選取輪輞的外端面為固定約束。鋁合金車輪的有限元模型完成后，用ANSYS軟件進行模擬計算。在靜態載荷加載條件下，車輪處于較復雜應力狀態，因此車輪的應力分布用Von-Mises應力表示;利用ANSYS求解模塊，對所施加載荷和約束的模型進行求解計算，得到的鋁合金車輪模型應力分布如圖4所示，局部應力集中的分布如圖5。圖4整體車輪有限元的應力分布圖5局部車輪有限元的應力分布從圖4中可以看到最大應力位于與施加載荷方向同向的通風散熱孔處兩側，大小約為130.52MPa，輪輻凸起處也有應力集中的現象，應力梯度也比較大，應力值為72MPa左右。從鋁合金車輪整體的應力分布狀況可知，該車輪模型在使用鋁合金材料時還有很大的優化空間，為在此基礎上進行輕量化設計提供了空間。

　　2.2與理論分析的對比參考文獻中的車輪結構，最大應力分布在車輪最上方的通風孔兩側，大小約為301MPa;輪輻的凸起的地方也有應力集中現象，應力梯度也比較大，應力值在240MPa左右。與本文所用ANSYS軟件分析后得到的應力分布情況相似。最后利用ANSYS有限元分析軟件分別進行靜力分析，8種優化設計方案如表3所示。通過這8組優化方案所得結果的比較得知，對鋁合金車輪所受應力影響比較明顯的輪輻結構尺寸是連接輪輻凸面與輪輻底面的外切圓弧R60的半徑和輪輻凸面圓弧R15的圓心高度，以及鋁合金車輪輪輞的厚度。將連接輪輻凸面與輪輻底面的外切圓弧半徑增加到R70.5mm，輪輻凸面圓弧R15的圓心高度為113mm。為了實現更好的輕量化設計，將鋁合金車輪的輪輞厚度由原來的3mm減小到2.5mm，輪輻厚度由原來的3.5mm減小到3.3mm。這樣鋁合金車輪的整體質量就有原有設計的10.212kg減小到9.121kg。為了進一步的驗證優化后的鋁合金車輪的強度，將經過優化設計后的鋁合金車輪幾何模型再一次導入ANSYS軟件，并建立鋁合金車輪的有限元模型，對其進行靜力學分析。由圖6可知，進行優化后的鋁合金車輪的最大應力值為150.88MPa，也是在車輪輪輻的通風孔處。在輪輻凸面處的最大應力值為117.35MPa，較原來設計分析的鋁合金車輪最大應力值增加了20.36MPa，但還是遠小于車輪所采用的鋁合金材料的許用應力240MPa。同時車輪質量減小了1.009kg，說明利用ANSYS有限元分析方法來指導進行車輪結構設計的優化是比較有效的，可以在滿足強度要求的基礎上達到車輪輕量化設計的目的。

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