汽车镁合金车轮动态特性分析*

郑松林,郑钻玺,徐洪慧,王有涛,卢蕾蕾

(上海理工大学机械工程学院,上海 200093)

前言

车轮作为承载部件,是新能源汽车轻量化主要关注的目标零件之一,传统轿车车轮大多采用铝合金结构。镁的比重是铝的 2/3,而镁合金性能与铝合金相近。作者尝试采用新型铸造镁合金代替铝合金开发汽车车轮,并探索利用动态设计方法对某车型的车轮进行轻量化设计与分析,从而评价其强度可靠性及模态特性。

1 镁合金车轮有限元建模

1.1 建模准备

为配合汽车的整体外观设计,车轮造型一般都比较复杂,多为变曲率曲面组成,所以在模型上会留有一些比较小的倒圆倒角以及大量曲面构造线,影响模型网格质量。通过Hypermesh的几何清理功能[1],可将此类倒圆倒角去除,同时也可在不影响车轮结构前提下将部分构造线抑制掉。在表面几何处理完后,为便于结构分析和保证边界的对称性,根据车轮几何形状的对称性,将其划分成 10等份,只选取其中一份做下一步网格划分,如图1所示。

1.2 模型建立

经几何清理后,应用Hypermesh的几何检查功能,查看几何体上最小的间距,在保证计算精度的同时,尽量选取较大的单元尺寸,减少划分的单元数。由于车轮造型多为变曲率曲面,为了准确模拟,最后选取四面体单元,单元大小为4mm。

完成1/10车轮的网格划分后,可用Hypermesh中网格的镜像复制和旋转复制来完成整体车轮的网格划分。

2 镁合金车轮动态有限元分析准则

我国汽车行业标准《GB/T 5334—2005乘用车车轮性能要求和试验方法》规定了汽车轻合金车轮的动态弯曲疲劳性能、动态径向疲劳性能要求(含加载参数)和试验方法,这些方法可作为镁合金车轮有限元分析的准则。图 2和图 3分别为车轮的动态弯曲和径向疲劳试验的示意图。

2.1 镁合金车轮动态弯曲疲劳试验模拟

根据规范要求,在Hypermesh中模拟动态弯曲疲劳试验环境,通过约束住车轮轮圈边缘所有节点3个平动自由度而将车轮固定。

采用刚体单元将加载点与各螺栓孔相连,以模拟试验中的加载力臂,在模拟力臂的加载位置施加垂直于力臂的恒力[2]。由于在动态弯曲疲劳试验中,车轮承受旋转弯矩,此处通过改变力的加载方向来模拟弯矩位置的变化,同时考虑到车轮的几何形状对称,可在车轮 1/5即 72°的范围内加载,每隔 9°施加一个力,设置 8个不同方向的弯矩工况分别进行应力计算,具体加载如图4所示。

2.2 镁合金车轮动态径向疲劳试验模拟

根据规范要求,在Hypermesh中模拟动态径向疲劳试验环境,采用刚体单元将5个螺栓孔和车轮相连,通过约束车轮所有自由度将车轮固定。

在动态径向疲劳试验中,车轮必须装上对应的轮胎再安装到转鼓试验台上,所以车轮实际受到的是轮胎胎压分布力,作用范围是在 1/4轮辋的内外两侧,分布力大小按余弦分布,中间最大,到两边为零[2-3],如图 5所示。

车轮径向分布力为

式中:Wr为径向分布力;Wo为最大径向分布力;θ为加载偏转角;θ0为最大加载偏转角。

车轮径向力合力Fr为

式中:b为轮胎座受力宽度;rb为轮胎座半径。

由于试验规范中载荷控制量是径向压力载荷,而计算带函数的分布载荷比较麻烦。在此具体情况下,在计算车轮应力状态的同时计算轮心处的约束反力,其效果就等于求出了胎压分布力的合力,通过检查合力是否等于试验要求加载的径向力来检验所施加的胎压分布力大小是否合理。具体载荷施加如图 6所示。同样,车轮的动态径向疲劳试验也是在旋转状态下完成,所以软件模拟时也应调整其分布力的加载中心,在 72°的范围内,每隔 9°设置 1个工况。

3 镁合金车轮有限元分析

在Hypermesh中做好网格划分及工况的设置后,导入MSC.Nastran解算器中进行求解运算,并选用von Mises应力作为强度计算参数。

von Mises是一种屈服准则,又称第四强度理论。von Mises屈服条件可解释为:当材料八面体上的剪应力达到某一极限值时,材料开始屈服。屈服准则的值称为Mises等效应力,其计算公式为

式中:σm为 Mises等效应力;σ1、σ2、σ3为主应力。

第四强度理论认为形状改变比能是引起材料流动破坏的主要原因。由于车轮主要是以疲劳破坏为主,所以选用von Mises应力作为分析评价参数比较合适。分析评价结果如图 7和图 8所示。

在动态弯曲疲劳试验中,最大应力主要出现在5个螺栓孔周围,最大值为108.7MPa;在动态径向疲劳试验中,最大应力主要出现在轮圈内侧加载点处,最大值为68.7MPa。参考其他大多数轻合金车轮的有限元分析和试验[4-8],结果基本一致。

车轮的材料为JDM1铸造镁合金,弯曲疲劳极限为 110MPa,对应疲劳寿命为1×107。车轮在两个试验模拟中的最大应力值均小于疲劳极限值,即寿命都大于 1×107,皆满足规范规定的动态弯曲疲劳和动态径向疲劳的试验中,试验循环次数的要求。

4 镁合金车轮模态分析

利用有限元法进行车轮模态计算,可得到车轮的固有频率和振型。

考虑车轮的实际工作情况并简化,在车轮内侧法兰面上施加固定约束[9]。计算得到该镁合金车轮各阶模态固有频率相应的振型图如图 9所示。经与原始的铝合金车轮的模态分析结果对比,

其振型基本一致,表 1为两种材料的车轮模态频率数据对比。

表1 镁合金车轮与铝合金车轮各阶固有频率对比

由表 1可见,用镁合金代替铝合金制造车轮,各阶固有频率都有所减小,但其变化率都不超过 2%,可见镁合金材料车轮能够满足车辆的使用要求。

5 结论

目前镁合金车轮已进行了近两年的使用试验,未出现任何失效征兆和不利的关联影响。镁合金车轮比铝合金车轮约减轻 3.95kg,4个车轮总计约减轻16kg,轻量化效果明显。

(1)镁合金不仅只局限于制造汽车的非承载结构件,还可用来制造承受动态载荷的结构零部件。

(2)通过强度分析与计算,结合使用试验,表明镁合金车轮代替铝合金车轮,能满足国家标准规定的疲劳强度要求。

(3)应用镁合金代替铝合金,可在汽车轻量化设计中获得明显的轻量化效果,也为其它重要结构部件的镁合金应用提供了有益参考。

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[2] Stearns J.Understanding the Influence of Pressure and Radial Loads on Stress and Displacement Response of a Rotating Body:The AutomobileWheel[J].International Journal of Rotating Machinery, 2006,60193:1-8.

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[4] 张国智.轿车铝合金车轮台架试验的有限元数值模拟[D].秦皇岛:燕山大学,2005.

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