某皮卡车轮盖安装结构的有限元分析方法

周忍，曾德钦

引言

汽车车轮盖是装配到钢制或铝制车轮上的一种零部件，其作用一是配合整车车轮造型并带有汽车生产厂家品牌标识；二是遮盖轴头螺母或轮毂，防止汽车行驶时的污染物腐蚀内部部件。车轮盖设计主要要求为 1) 造型要美观，颜色要搭配车轮和车身，整个车轮盖要符合整车风格；2) 安装方式要牢固，不允许车辆行驶过程中脱落；3) 符合外部凸出物法规要求[1]。

车轮盖结构上有几个圆周均布的卡脚，用于与车轮预留凹槽匹配，装配卡脚尺寸会比凹槽尺寸较大而产生一定的过盈量，此过盈量会对车轮盖产生压紧力，进而产生径向的静摩擦力来固定车轮盖。目前市场上常出现的问题为车轮盖脱落，其主要原因是汽车在颠簸路面行驶时张紧力过小导致松脱，或张紧力过大导致卡脚断裂脱落。此问题轻则影响美观，重则伤及车辆行人。

目前还没有理论的方法对车轮盖的装配可靠性进行描述，仅依靠试制试验过程的反复验证和经验积累[2]。本文首先提出三种车轮盖安装结构的模型，运用有限元分析方法模拟车轮盖装配到车轮的工况，得出车轮盖的变形和应力，并对不同设计模型进行总结，得出最佳设计模型。整车道路试验验证良好，这表明本文方法可行有效，提高了设计的准确性，并缩短车轮盖的研发周期。

1、分析模型

以某国产皮卡的车轮盖为分析对象，几何模型如图1所示，车轮盖装配到铝轮毂上。

车轮盖的结构如图2所示，主要由车轮盖主体和张紧钢丝圈组成，其中车轮盖主体外表面根据造型和装配需求设计而成，由塑料材质注塑而成，具有一定的刚度和强度；而钢丝圈根据卡脚分布设计成圆环状，其主要作用是当卡脚与铝轮毂装配受压变形，保持一定的张紧力，避免变形量过大。本文从装配角度和张紧力方面考虑，设计了三种模型：模型A为不带钢丝圈的车轮盖主体；模型B为带钢丝圈的车轮盖，且钢丝圈与车轮盖主体贴合较紧；模型C为带钢丝圈的车轮盖，且钢丝圈与车轮盖主体贴合较松。

2、模型计算

2.1 网格处理

将几何模型导入到 Hypermesh[3]软件中，先进行几何清理，忽略掉车轮盖主体中心的LOGO等不影响装配尺寸的局部特征，来减少网格数量和计算时间，再进行网格划分，网格基本大小为0.4mm，车轮盖主体采用3D四面体网格处理，局部进行细化以保证计算精度，钢丝圈采用3D六面体网格处理。整个模型处理结果如图3所示。

2.2 材料属性

为配合铝轮毂造型，车轮盖表面采用喷银粉漆处理，考虑材料特性和经济性，我们选取车轮盖主体材料为 ABS，它是一种强度高、韧性好、易于加工成型的热塑型高分子材料，可以在-25℃到60℃的环境下表现正常，具有很好的成型性，加工出的产品表面光洁，易于染色。钢丝圈材料选用弹簧钢65Mn，参数如表1所示。

表1 车轮盖材料属性

2.3 边界条件

为了保证分析模型与实际装配状态一致，所有模型的车轮盖中心点采用6自由度全约束，载荷在图示指定位置，施加法向力，如图4所示，根据变形结果调整法向力的大小，使变形结果为卡扣的过盈量，三个模型的法向力大小如表2。

表2 法向载荷值

模型A和模型B采用静力分析，模型C车轮盖与钢丝圈滑动接触，采用非线性准静态分析。

2.4 分析结果

在Hypermesh软件中完成前处理工作后，整个模型导出为INP格式，再导入到ABAQUS软件中提交计算。三个模型的最大应力图如图5所示。

应力比较数据见表3。

表3 三种模型的最大应力值

经过数据对比分析，得出：

1）增加钢丝圈会使安装力和拆卸力大幅增大，且钢丝圈越贴近卡脚，所需要的力会越大；

2）增加钢丝圈在使卡脚部位的应力增大，完全贴紧情况下，车轮盖本体的应力值会超过材料抗拉强度而发生断裂。

3、结论

为保证车轮盖装配可靠和合适的拉脱力，应增加钢丝圈结构，并且通过改变钢丝圈与卡脚之间的距离来调整加载法向力的大小，进而找出最佳间隙。

根据以上计算分析，调整后的车轮盖模具件在定远试验场做 30000km道路试验验证（其中强化路 12000km，山路8000km，高环8000km，公路2000km），未出现卡脚断裂和脱落现象，符合整车设计要求。

[1]《汽车工程手册》编辑委员会. 汽车工程手册设计篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.05.

[2] 董金虎,李春艳,李新.CAE技术在解决汽车车轮盖注射缺陷中的应用[J].模具工业,2006,32(2)14-17.

[3] 王钰栋等. HyperMesh&HyperView应用技巧与高级实例[M]. 北京：机械工业出版社,2013.01.