铝合金车轮设计及结构分析

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【摘要】车轮是汽车行驶系统中重要的安全部件，汽车前进的驱动力通过车轮传递，车轮的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。另外，车轮还是汽车外观的重要组成部分。传统车轮设计多凭借经验展开，存在着设计盲目性大、设计制造周期长、成本高等诸多弊端。面对日益激烈的市场竞争，企业迫切需要采用科学的手段改善设计方法，本文所采用的CAD技术和有限元分析方法是解决上述问题的理想方法。本文运用工业设计理论，将造型设计构思表现的方法与技能应用于车轮设计中，结合车轮结构尺寸优化和形状优化，使工程技术与形式美密切结合，综合表现了车轮的性能、结构和外观美。

【关键词】铝合金车轮;有限元分析;结构设计;强度分析;疲劳分析

1.引言

普遍意义的车轮包括轮胎和金属轮辆一轮辐一轮毅两部分，本文所研究的车轮只限于金属轮惘一轮辐一轮毅部分，不包括轮胎。车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件，它不仅承受着静态时车辆本身垂直方向的自重载荷，同时也经受着车轮行驶过程中来自各个方向因起动、制动、转弯、物体冲击、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生不规则力的作用，是车辆行驶系统中重要的安全结构部件，其结构性能是车轮设计中主要因素[1]。另外，车轮作为整车外观的主要元素之一，象征着整车的档次，多变的铝合金车轮轮辐形态和明亮的色泽越来越为人们所关注，因此车轮的外观设计也因此变得越发的重要。

2.铝合金车轮的设计方法

车轮制造企业的设计手段依然采用传统的设计方法，其设计及生产流程如图1所示。

图1 传统的车轮设计流程图

产品的结构强度、疲劳性能则在产品试样制造出来后，通过试验来验证。这样导致产品的设计周期过长，成本过高。而且设计时为了保证产品的通过率，避免反复多次修改模型，设计人员往往留有过大的设计欲量，对于大批量生产的企业，这无形中造成了材料浪费，增加成本[2]。

此外，当试验失败进行结构修改时，设计人员也是凭借经验，通过局部增加材料达到提高强度的目的，缺乏理论依据，具有较强的盲目性，对于产品的结构优化更是无从入手[3]。因此，采用新的技术和手段，使车轮设计由经验类比型向科学分析计算型转变，是车轮行业一项势在必行的工作。

3.载荷的处理

试验中车轮所受到应力有弯曲疲劳试验工况下产生的结构应力和车轮在制造过程（如铸造、机加工、热处理等）中产生的残余应力。车轮铸造中往往会产生疏松、针孔等缺陷，它们在一定程度上影响了材料的属性及其疲劳强度，机加工过程的进刀量和进刀速度等工艺也会在车轮上留下残余应力，热处理过程有着消除残余应力的作用，但是这些残余应力受众多因素影响[4]，难以在有限元仿真中进行定量分析，因此我们只考虑试验工况下车轮结构应力的作用。

在动态弯曲疲劳试验工况下，车轮承受载荷来源有三个，轮毅紧固螺栓产生的预紧力、车轮高速旋转时产生的离心力和试验弯矩载荷。表1和表2分别为车轮的设计参数及试验参数。

表1 车轮设计参数

产品规格 设计载荷 静载荷半径 偏距 安全系数

16×6.5 500kg 350mm 50mm 2

（1）试验弯距

试验弯矩可通过式（1）求得。最小循环次数也可根据车轮的尺寸及安全系数查SAE J2530得出，车轮试验参数如表2所示。

表2 车轮的试验参数

产品规格 试验弯矩 实验转速 螺纹扭矩 要求寿命

1.6×6.5 2880 1700 110 2000000

在有限元模型中，载荷是加在加载轴端，L为加载轴长度：

M=L×Fv （1）

施加载荷：

（2）

（2）螺栓预紧力

在试验过程中车轮通过轮毅的五个螺栓固定在安装盘上，螺纹规格为M12x1.5，试验要求螺栓扭矩达到110Nm，根据机械设计原理，普通螺纹力矩：

（3）

螺栓轴向载荷：

（4）

螺纹中径：

升角λ：

（5）

当量摩擦角：

（6）

其中，普通螺纹的牙型斜角为300}螺栓材料为A3钢，其摩擦系数f为0.20根据上述公式，代入相关数据即可得作用在轮毅上螺栓预紧力。

4.设计载荷的变化对结构应力的影响

为了检测车轮的疲劳性能，改变车轮的设计载荷，对不同的设计载荷分别进行车轮的弯曲疲劳寿命试验。表3-7是设计载荷及其相应的试验弯矩。本节利用有限元静力学分析法，计算车轮在各试验弯矩作用下，结构危险点的应力值状况，分析结果如表3所示。

表3 设计载荷及其相应的试验弯矩

试验载荷kg 330 500 690 865

试验弯矩Nm 1920 2880 4000 5000

节点Mpa 71.5 108 149 189

由于螺栓预紧力仅对螺栓孔附近区域产生影响，对车轮结构其他部位影响近乎为零，因此有限元分析时仅考虑离心力及试验弯矩作用（以下分析相同）。

由分析结果可见，随着设计载荷、试验弯矩的增大，车轮结构的应力也随之线性增大。应力最大点在四种试验弯矩下，结构应力值均低于材料的屈服极限，处于线弹性状态，因此采用线弹性分析是可行的。

5.结论

车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件，是车辆行驶系统中重要的安全部件，同时也是汽车外观重要组成部分，车轮的造型设计、结构强度和疲劳强度是车轮设计的关键。传统的车轮设计主要进行造型设计，结构强度和疲劳强度通过试样的试验验证。该方法对经验有很强的依赖性，存在设计盲目性大、周期长、成本高等弊端。

结合有限元方法对车轮进行结构优化、强度分析和疲劳分析，在设计阶段预测车轮的结构强度和疲劳寿命，并实现优化设计。保证产品质量的前提下，缩短了产品的设计周期，降低了产品的设计和制造成本。

参考文献

[1]赵玉涛编.铝合金车轮制造技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]王祖德.中国汽车车轮生产现状及展望[J].汽车与配件，2001（23）：21.

[3]姜晋庆，张铎编.结构弹塑性有限元分析法[M].北京：宇航出版社，1990.

[4]翁运忠，张小格.载货车车轮轮辐结构优化分析[J].汽车科技，2002（1）.

作者简介：王豪楠（1990―），男，山东烟台人，研究方向：汽车运用工程。