汽車工業(yè)論文轎車鋁合金車輪強(qiáng)度

　　本汽車工業(yè)論文對(duì)所選用車輪的結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保證產(chǎn)品質(zhì)量的前提下，縮短了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)周期，降低了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造成本�？梢园l(fā)表汽車工業(yè)論文的期刊有《湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)》主要刊登汽車工程、機(jī)械工程、材料工程、電氣工程、管理工程、基礎(chǔ)學(xué)科等方面的學(xué)術(shù)論文、研究報(bào)告、綜合性學(xué)術(shù)評(píng)論。入編《中國(guó)學(xué)術(shù)期刊(光盤版)》、《中國(guó)期刊網(wǎng)》、《萬方數(shù)據(jù)——數(shù)字化期刊群》和《書生數(shù)字期刊》，被“中國(guó)學(xué)術(shù)期刊綜合評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)庫”、“中文科技期刊數(shù)據(jù)庫”、“中國(guó)核心期刊(遴選)數(shù)據(jù)庫”和“CEPS中文電子期刊服務(wù)”全文收錄。曾獲湖北省高等學(xué)校學(xué)報(bào)評(píng)比二等獎(jiǎng)、全國(guó)首屆《CAJ-CD規(guī)范》執(zhí)行優(yōu)秀獎(jiǎng)。

　　摘要：車輪是汽車行駛系統(tǒng)中很重要的部件，隨著車身輕量化的發(fā)展鋁合金材料的車輪得以廣泛的應(yīng)用;車輪的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)多憑借經(jīng)驗(yàn)開展，存在著設(shè)計(jì)盲目性大、設(shè)計(jì)制造周期長(zhǎng)、成本高等諸多弊端。旨在研究應(yīng)用ANSYS有限元分析方法，結(jié)合CATIA來進(jìn)行鋁合金車輪強(qiáng)度的分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)轎車鋁合金車輪進(jìn)行車輪優(yōu)化設(shè)計(jì)，既保證轎車車輪的強(qiáng)度，又盡可能地減輕車輪的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)轎車車輪的輕量化。

　　關(guān)鍵詞：鋁合金車輪，有限元，強(qiáng)度，優(yōu)化

　　車輪產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要是對(duì)車輪的外觀進(jìn)行設(shè)計(jì)，其整個(gè)設(shè)計(jì)過程常常是根據(jù)設(shè)計(jì)人員的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而進(jìn)行的。而且在設(shè)計(jì)過程中，為了避免出現(xiàn)對(duì)模型進(jìn)行反復(fù)修改，設(shè)計(jì)人員經(jīng)常會(huì)留較大的設(shè)計(jì)余量，造成了材料資源的浪費(fèi)，增加了制造成本。當(dāng)測(cè)試的產(chǎn)品失敗時(shí)，產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸需要修改，更多的設(shè)計(jì)人員憑借經(jīng)驗(yàn)通過增加車輪局部材料提高目標(biāo)車輪產(chǎn)品的強(qiáng)度，缺乏理論依據(jù)，具有很強(qiáng)的設(shè)計(jì)盲目性。

　　1構(gòu)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(qiáng)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(jié)構(gòu)尺寸得以改進(jìn)，同時(shí)提高車輪的強(qiáng)度和壽命，降低生產(chǎn)成本，縮短車輪產(chǎn)品的研發(fā)周期。本文將對(duì)鋁合金車輪進(jìn)行強(qiáng)度分析，并在強(qiáng)度分析的基礎(chǔ)上，改變輪輻厚度，輪輞厚度實(shí)現(xiàn)對(duì)鋁合金車輪的優(yōu)化，大大縮短鋁合金車輪的研發(fā)和制造周期。參照實(shí)際車輪尺寸，先用CATIA繪制車輪的三維模型，并導(dǎo)入ANSYS有限元分析軟件。根據(jù)車輪在動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)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(jìn)行約束、加載和計(jì)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(gè)，一個(gè)是轎車重量通過制動(dòng)盤螺栓傳遞給車輪的載荷Wz;另一個(gè)是地面的法向反作用力Fz，這兩個(gè)力統(tǒng)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(gè)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(huì)對(duì)車輪主要是輪輻產(chǎn)生彎矩，彎矩表達(dá)式可寫成：M(Fz)=Fz•d(1)車輪在Y方向所受的力矩My對(duì)車輪疲勞強(qiáng)度的影響遠(yuǎn)小于彎矩，在討論車輪的疲勞強(qiáng)度時(shí)可以不考慮它們的影響。此外，對(duì)于輻板式車輪，因轎車制動(dòng)或加速引起的制動(dòng)力和驅(qū)動(dòng)力以及轉(zhuǎn)向引起的回正力矩，以及車輪在生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的內(nèi)應(yīng)力相對(duì)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(qiáng)度，Y方向的側(cè)向力和X方向的驅(qū)動(dòng)力也可忽略。因此，對(duì)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(duì)輪輞影響大，螺栓擰緊力矩及彎矩主要對(duì)輪輻影響大，而垂直力對(duì)整個(gè)車輪的影響都非常重要。

　　1.3關(guān)鍵參數(shù)與設(shè)計(jì)要點(diǎn)本文研究的是鋁合金車輪，因此材料屬性為鋁合金的性質(zhì)，而在汽車車輪中應(yīng)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(dòng)性高，無熱裂傾向，線收縮小，氣密性高，適合于車輪如此復(fù)雜結(jié)構(gòu)的成型�？紤]鑄造工藝對(duì)材料的影響，車輪不同部位材料的力學(xué)性能有所不同，因此分別在輪輻和輪輞上取樣，得出結(jié)果如表1所示。在定義時(shí)為了使分析更符合實(shí)際，故將輪輞和輪輻按前面表格的參數(shù)設(shè)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(jì)算，只起到施加彎矩和力的作用，即它的材料屬性不會(huì)影響最終的應(yīng)力分布和數(shù)值，為方便設(shè)置，將其按A3鋼的參數(shù)設(shè)置。

　　2實(shí)驗(yàn)與討論

　　2.1實(shí)驗(yàn)方法與測(cè)試結(jié)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(duì)于整個(gè)車輪結(jié)構(gòu)來說屬于薄板結(jié)構(gòu)。研究表明，只有對(duì)那些危險(xiǎn)區(qū)域材料厚度變化較多或材料厚度較大的結(jié)構(gòu)才有必要使用三維實(shí)體單元。在輔助加載軸末端施加一個(gè)載荷，垂直于加載軸末端，使車輪受到一個(gè)彎矩M的作用;經(jīng)查閱相關(guān)文獻(xiàn)結(jié)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(duì)車輪進(jìn)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(jìn)行模擬計(jì)算。在靜態(tài)載荷加載條件下，車輪處于較復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)，因此車輪的應(yīng)力分布用Von-Mises應(yīng)力表示;利用ANSYS求解模塊，對(duì)所施加載荷和約束的模型進(jìn)行求解計(jì)算，得到的鋁合金車輪模型應(yīng)力分布如圖4所示，局部應(yīng)力集中的分布如圖5。圖4整體車輪有限元的應(yīng)力分布圖5局部車輪有限元的應(yīng)力分布從圖4中可以看到最大應(yīng)力位于與施加載荷方向同向的通風(fēng)散熱孔處兩側(cè)，大小約為130.52MPa，輪輻凸起處也有應(yīng)力集中的現(xiàn)象，應(yīng)力梯度也比較大，應(yīng)力值為72MPa左右。從鋁合金車輪整體的應(yīng)力分布狀況可知，該車輪模型在使用鋁合金材料時(shí)還有很大的優(yōu)化空間，為在此基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)提供了空間。

　　2.2與理論分析的對(duì)比參考文獻(xiàn)中的車輪結(jié)構(gòu)，最大應(yīng)力分布在車輪最上方的通風(fēng)孔兩側(cè)，大小約為301MPa;輪輻的凸起的地方也有應(yīng)力集中現(xiàn)象，應(yīng)力梯度也比較大，應(yīng)力值在240MPa左右。與本文所用ANSYS軟件分析后得到的應(yīng)力分布情況相似。最后利用ANSYS有限元分析軟件分別進(jìn)行靜力分析，8種優(yōu)化設(shè)計(jì)方案如表3所示。通過這8組優(yōu)化方案所得結(jié)果的比較得知，對(duì)鋁合金車輪所受應(yīng)力影響比較明顯的輪輻結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)更好的輕量化設(shè)計(jì)，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(zhì)量就有原有設(shè)計(jì)的10.212kg減小到9.121kg。為了進(jìn)一步的驗(yàn)證優(yōu)化后的鋁合金車輪的強(qiáng)度，將經(jīng)過優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鋁合金車輪幾何模型再一次導(dǎo)入ANSYS軟件，并建立鋁合金車輪的有限元模型，對(duì)其進(jìn)行靜力學(xué)分析。由圖6可知，進(jìn)行優(yōu)化后的鋁合金車輪的最大應(yīng)力值為150.88MPa，也是在車輪輪輻的通風(fēng)孔處。在輪輻凸面處的最大應(yīng)力值為117.35MPa，較原來設(shè)計(jì)分析的鋁合金車輪最大應(yīng)力值增加了20.36MPa，但還是遠(yuǎn)小于車輪所采用的鋁合金材料的許用應(yīng)力240MPa。同時(shí)車輪質(zhì)量減小了1.009kg，說明利用ANSYS有限元分析方法來指導(dǎo)進(jìn)行車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的優(yōu)化是比較有效的，可以在滿足強(qiáng)度要求的基礎(chǔ)上達(dá)到車輪輕量化設(shè)計(jì)的目的。

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