车铝圈工程策划及CAE验证研讨
开篇：润墨网以专业的文秘视角，为您筛选了一篇车铝圈工程策划及CAE验证研讨范文，如需获取更多写作素材，在线客服老师一对一协助。欢迎您的阅读与分享！
作者：曾毅 单位：东南(福建)汽车工业有限公司
边界尺寸设定在车轮总成的设计计划图中，铝圈的周边件外廓尺寸组成了其边界条件，目的是保证它们之间合理的间隙。主要的周边件如图3所示车轮总成及周边件示意图：前(后)刹车卡钳，其外廓加最大设计公差构成了铝圈辐条从CAS面位置向内侧长肉厚的边界线；其次，为保护铝圈的外观亮面，避免马路缘石的划伤，要求其CAS曲面的辐条最外面在轮胎外侧面以内，且要有3mm以上的间隙。此项需在SEG中确认。铝圈上还有众多的附件，如轮轴盖、平衡块、气门嘴、轮胎螺母均需在计划图中纳入讨论。轮轴盖常见的有从铝圈内侧安装和从外侧安装两种设计，比较而言，外装式固定结构简单，组装容易，成为了VX车型的首选。同时需确认轮轴盖与驱动轴间隙保保证3mm以上。平衡块，为了铝圈外观面的整体感、更多的造型空间，外侧的平衡块已渐渐的淡出了大家的视野，它已被一种粘贴式平衡块所代替，布置在轮辋的内表面靠近铝圈外侧处；铝圈的内侧平衡块仍采用传统的挂钩式。气门嘴，在高配置车型中，与直接式TPMS(TIREPRESSUREMONITORINGSYSTE-M胎压监测系统)传感器集成在了一起，需总体考虑其布置空间。最后还需考虑组装空间要求。轮胎螺母拆卸气枪的空间，对于VX车型M12的螺母，一般要求φ37mm以上的螺栓孔，同时要求7°MIN的拔模角度。挂钩式平衡块敲入工具、充气工具、装胎作业设备空间亦需设计考量。工程设计重要参数强度主要包括弯曲疲劳、径向疲劳强度和冲击强度。在下面章节3和章节4中将着重阐述。重量铝圈的重量约占车辆簧下总质量的25%，对整车的乘适性乃至动力性、经济性均有直接影响，轻量化就设计而言同结构强度同样重要。参考同规格竞品车数据，要求VX车型8.4kgMAX。该项同样需纳入早期的SEG中讨论，从造型开始就要展开轻量化的设计。散热窗面积乘用车的最高设计车速越来越高，120km/h的紧急刹车，在前轮的摩擦片上可产生近500℃高温，铝圈的较大散热窗面积此时特别重要，工程上一般控制120cm2MIN。VX车型高达350cm2。最大静不平衡量随着车速的提升，轮胎总成转速MAX近2000r/min，铝圈的静不平衡量将影响车辆的乘适性乃至安全性。乘用车随车轮大小而要求差异，车轮越大最大静不平衡量也相对放宽。通常要求750g×cmMAX。气密性与轮胎组立后，充气使用条件下(乘用车一般空气压约0.2～0.25MPa)，避免出现因铝圈的铸造缺陷而漏气。VX车型要求铝圈内、外侧利用治具密封，沉入水池中，通过中心孔注入压强为0.4MPa以上的空气，保压30s，无气泡冒出。
铝圈的强度条件计算
弯曲疲劳经验公式：M=(μ×R)×F×S[2]；式中：M——弯曲力矩，kgf•m；μ——轮胎与路面的摩擦系数，一般设定0.7；R——车轮静负荷半径，m；d——铝圈Offset，m；F——车轮的额定负荷或整车的最大轮荷，kg；S——强化系数。代入VX车型相关参数，M=(0.7×0.298+0.04)×510×1.5=191kgf•m。综上，弯曲疲劳条件设定：铝圈承受弯矩191kgf•m，20万回回转耐久不可发生龟裂或变形。径向负荷疲劳经验公式：rF=F×K[2]式中：Fr——径向负荷，N；F——车轮的额定负荷或整车的最大轮荷，N；K——强化系数。代入VX车型相关参数，5109.82.25rF=××=11246N。综上，径向负荷条件设定：铝圈承受径向负载11.25kN，100万回回转耐久不可发生龟裂或变形。冲击强度经验公式：M=0.6W+180M[2]式中：M——落锤质量，kg；W——车轮的额定负荷或整车的最大轮荷，kg。代入VX车型相关参数，M=0.6×510+180=486kg。综上，冲击强度条件设定：486kg重锤，从230mm高处自由落下，轮辐不可从车轮上脱离，不得有快速漏气(1min内漏尽)。
铝圈的结构设计及cae强度分析
材料铸造用铝合金，常选用牌号A356－T6,铝-硅-镁系合金。T6热处理：铝圈浇注成形后淬火，转移时间15～30s，介质为水，温度60℃，冷却时间2～5min；再进行时效处理，一般控制温度165±5℃，保持3～4h后空冷，进一步提升表面强度追加喷砂处理。图4是A356－T6的S—N曲线(材料疲劳强度试验取得的应力S与寿命回数N的对应关系曲线)。结构设计及CAE应力分析依据造型曲面、轮辋的规格型号、边界尺寸和强度计算结果，将上述条件输入，考虑铝圈的铸造工艺诸如流道设计等要求完成总体结构设计，输出3D数模。目前铝圈的铸造工艺较多选择低压铸造，较重力铸造而言杂质较少，材质紧密。CAE分析结构设计是否满足强度要求。分析软件：I-DEAS。网格类型：四面体、十节点。网格质量说明：扭曲度大于0.1。约束定义：冲击、径向时用螺栓孔固定安装面。弯曲时整圈固定后挂边缘。加载条件说明：静态非线性力。结合S—N曲线和经验值，VX车型分析结果如下：(安全应力值根据不同厂家实际情况而定)。弯曲疲劳：安全应力87MPa，分析最大应力52MPa，OK。铝圈弯曲疲劳试验正、反面CAE示意。径向负荷疲劳：安全应力74MPa，分析最大应力29MPa，OK。铝圈弯曲疲劳试验正、反面CAE示意。冲击强度：安全应力220MPa，分析最大应力188MPa，OK。目前VX车型铝圈已完成3D数模设计和CAE强度分析，后续将展开试模、工程样件台架、成车验证试验。
结语
本文对铝圈的全般设计流程进行了概要性的梳理。重点阐述了铝圈的工程设计、CAE强度验证，对车厂工程人员有部份参考意义。铝圈的强度与重量的优化这一对矛盾体，现阶段的CAE分析来看尚有较多的裕度，受限于材料及铸造工艺的稳定性，有待于进一步的发展，通过持续结构设计优化实现轻量化。产生更好的整车性能指标和社会经济性是车厂与铝圈专业厂工程技术人员今后的工作方向之一。