基于ABAQUS轿车钢制车轮螺母座刚度有限元分析

万向钱潮（桂林）汽车底盘部件有限公司 （广西 541004） 滕明权

车轮是一个高速转动、承受车辆重量及运动冲击的关键安全件，通过螺栓与轮毂联接，螺母座刚度关系到联接的可靠性。轿车钢制车轮的螺母座刚度需符合汽车行业标准QC/T258—1998的规定，在产品开发过程中，通常是依靠经验进行设计，做出样品后再进行试验验证，设计常需反复修改，开发周期长，浪费大量人力、物力。随着有限元分析软件的推广应用，在车轮开发中引进了有限元分析软件ABAQUS，为在设计初期对螺母座进行结构优化，提供了改进依据，缩短了开发时间，节约了成本。

1.钢制车轮轮辐几何模型的生成

车轮螺母座刚度试验可采用垂直力加载法进行，如图1所示，将车轮放在底座上，通过螺栓按试验要求加载垂直力，试验后，每个螺母座的永久变形量应≤0.3mm。用UG建立车轮轮辐模型，如图2所示。由于螺母座为4孔均布，结构和载荷具有对称性，故取1/4进行分析，经对比分析发现，轮辐外侧对螺母座刚度的影响非常小，为降低分析计算量，只取轮辐中间部分进行分析，分析模型如图3所示。

图1 垂直力加载法

图2 车轮轮辐几何模型

图3 车轮轮辐1/4分析模型

2.分析模型的建立

（1）导入部件 将分析模型导入ABAQUS，为降低分析计算量，轮辐设为壳部件，底座设为刚体，加载力直接作用于螺母座锥面。

（2）确定材料属性 车轮螺母座刚度试验属于塑性永久变形量检测，采用弹塑性材料属性，应用Mises屈服准则 。轮辐材料为SAPH440厚4.0mm钢板，杨氏模量取210000MPa，泊松比取0.3，对SAPH440钢板进行单向拉伸试验，获得名义应力、应变曲线，在ABAQUS中用真实应力、塑性应变定义材料塑性，将名义应力、应变换算后可获得真实应力、塑性应变值，如附表所示。

（3）定义相互作用 按实际接触情况，在轮辐与底座之间建立STANDARD表面与表面接触对。为简化模型，在螺母座锥面中线上建立参照点，并与锥面耦合，作为加载点，替代螺母，如图4所示。

（4）定义载荷及边界条件按实际情况，底座施加固定约束，轮辐施加对称约束。根据标准QC/T258—1998，采用垂直力加载法，如图1所示，采用M12螺栓时，初负荷4200N→试验载荷50000N→卸载荷到4200N，初负荷点与卸载荷点的变形量之差，即为螺母座的永久变形量，本文采用三个分析步骤来实现上述加载，如图5所示。

应力应变值

图4 相互作用

（5）划分网格轮辐形状复杂，采用种子为1的四边形自由网格，单元类型为STANDARD壳线性减缩积分S4R，网格模型如图6所示。

图5 载荷及边界条件

图6 网格模型

3.计算结果分析

从应力云图可看出，应力主要集中在螺母座周围，如图7所示。从位移－载荷－时间曲线可看出，变形量随载荷的变化趋势（见图8），在初负荷4200N时，变形量为0.022mm，在试验载荷50000N时，变形量为0.42mm，卸载荷到4200N时，变形量为0.28mm，永久变形量为0.258mm，符合标准QC/T258—1998的要求，每个螺母座的永久变形量应≤0.3mm。在实际生产中，本文所分析车轮的螺母座钢度，试验后永久变形量为0.20～0.25mm，有限元分析结果与实际结果符合度较高。

图7 应力分布图

图8 位移-载荷-时间曲线图