一种复合材料车轮的设计解析

张伟 肖令

摘 要：本文针对复合材料车轮紧固问题，设计一种轻金属夹层结构，实现车轮的可靠连接。并分析了车轮转矩的传递，以及复合材料受压部位的压缩强度。

关键词：车轮；复合材料；设计

中图分类号：TQ330 文献标识码：A

碳纤维增强复合材料具有轻质高强的特点，在民用领域的应用日益广泛。碳纤维本身耐高温、耐摩擦、导电、导热及耐腐蚀，外形有显著的各向异性、柔软、可加工成各种织物，沿纤维轴方向表现出很高的强度。将碳纤维作为复合材料的增强材料，与采用其它材料增强的复合材料相比，具有显著的性能优势。碳纤维增强复合材料的比强度、比模量综合指标，在现有结构材料中是最高的。

2020年，中国乘用车平均燃料消耗量标准为5L/100km，同时将实施更加严格的CO2排放标准。政策制定反映出，能源短缺及环境污染问题已成为国家社会关注的重点问题，也是当前及未来制约汽车产业可持续发展的突出问题。无论是从社会效益还是经济效益来考虑，低能耗、低排放的汽车都是未来发展的需要。轻量化是汽车节能减排的重要手段，已成为汽车发展的必然趋势。有研究表明：汽车质量每下降10%，油耗下降约6%～8%，排放量下降13%。汽车车轮作为簧下质量，对整车轻量化具有放大效应。更小的簧下质量同时意味着悬挂系统拥有更好的动态响应能力以及车辆的操控性。将碳纤维增强复合材料应用于汽车车轮与目前铝合金车轮相比，可实现车轮轻量化30%～50%，对于汽车节能降耗及车辆舒适性具有重要意义。澳大利亚的Carbon Revolution公司在连续纤维增强复合材料车轮方面进行了广泛研究，德国梅赛德斯-奔驰在长纤维（玻纤）增强复合材料车轮方面进行了研究。中国此方面的研究处于起步阶段。

在将碳纤维复合材料应用于车轮设计的过程中，车轮的紧固问题尤为突出。采用现有的铝合金车轮设计方案直接通过螺栓装配车轮后，在疲劳试验过程中出现螺栓扭矩下降。为解决此问题，保证连接可靠性，设计了汉堡结构方案，如图1所示。并对此结构的转矩和压缩性能进行了分析。

1 转矩分析

驱动轴通过螺栓将转矩传递给驱动轮。驱动轮组成包括正面轻合金盘、复合材料体、安装面轻合金盘和轮胎。复合材料体置于两块轻合金盘之间。

1.1 基本原理

根据汽车行驶的附着条件，地面对轮胎切向反作用力的极限值（最大值）为附着力Fxmax。

Fxmax=Fzφ

式中：Fz—地面作用在车轮上的法向反力；φ—附着系数，与路面和轮胎有关。

常见路面的平均附着系数见表1。

表1 常见路面的平均附着系数

路面条件 附着系数

干沥青路面 0.7～0.8

湿沥青路面 0.5～0.6

干燥的碎石路 0.6～0.7

干土路 0.5～0.6

濕土路 0.2～0.4

滚压后的雪路 0.2～0.3

1.2 设计参数

目标车型靠前轮驱动，驱动轮承受车身质量为500kg，车轮规格17×7英寸，偏距38mm，布置5个螺栓孔，螺栓孔节圆直径100mm，轮胎型号225/45 R17，采用10.9级M14×1.5螺栓进行紧固。

1.3 受力分析

汽车在附着系数最大的路面行驶时车轮获得最大切向反作用力，此时车轮传递转矩最大。以在平地直线行驶时的情况进行简化分析。驱动轮受力如图2所示。

其中：Fv—车身的垂直压力；T—驱动轴转矩；Gw—车轮自重；Fx—地面对轮胎切向反作用力；Fz—地面对车轮的法向反力。

地面对轮胎切向反作用力为Fx= Fzφ=（Fv+Gw）φ。其中Fv=500kg ×9.81N/kg=4905N，车轮自重Gw=18kg× 9.81N/kg=176.6N，取附着系数φ为干沥青路面时的最大值0.8，则

Fxmax=（4905+176.6）×0.8=4065.3N

由JATAMA手册可查得225/45 R17轮胎的动载半径为Rdl=0.307m，则车轮可传递的最大转矩为：

Tmax=Fxmax×Rdl=4065.3N×0.307m=1248.0Nm

1.4 转矩传递分析

车轮受到来自驱动轴的转矩T=T1+ T2，如图3所示。

式中：T1—驱动轴通过螺栓传递到车轮的转矩；T2—驱动轴通过安装面之间的摩擦力传递到车轮的转矩。

假设T2为零，则驱动轴的转矩完全通过螺栓传递至车轮。在车轮结构中，转矩通过正面轻合金盘传递至复合材料体。T2为零时是正面合金盘传递转矩最大情况，需保证其与复合材料体之间不发生滑动。

1.5 螺栓预紧力

车轮正面轻合金盘如图4所示。外半径R为64mm，螺栓孔半径为12mm，中心孔半径r为28mm。根据装配技术要求，单个M14螺栓的预紧力矩为Mt=130±10Nm，其预紧力为：

式中：K—拧紧力系数；d—螺纹公称直径。

表2常见表面的拧紧力系数

摩擦表面状况 有润滑 无润滑

精加工表面 0.10 0.12

一般加工表面 0.13～0.15 0.18～0.21

表面氧化 0.20 0.24

镀锌 0.18 0.22

干燥的粗加工表面 0.26～0.3

根据车轮弯曲疲劳试验技术要求，螺栓扭矩下降达到初始扭矩的30%判定为失效。并且此时正面轻合金盘与复合材料体之间的压力最小，极易发生相对滑动。此时，M14螺栓最小残余预紧力矩为：

Mtmin=0.7×120Nm=84Nm

正面轻合金盘的螺栓孔为精加工表面，选用拧紧力系数0.12，则5个M14螺栓的最小残余预紧力合力为：

1.6 轻合金盘摩擦转矩分析

螺栓孔简化不计，根据圆环摩擦转矩的传递公式，正面轻合金盘通过摩擦力传递到复合材料体的最小转矩：

由1.4分析可知，T3=T1=T-T2，即12087.0u=1248.0

可得

选用安全系数1.2，则保证正面轻金属盘与复合材料体之间的摩擦系数大于0.12，即满足转矩传递条件。具体措施是增加二者的表面粗糙度或采用胶接。

2 复合材料耐压分析

对于此种结构，碳纤维增强复合材料体的另一种失效模式是发生压缩破坏。

2.1 压应力计算

由1.5可知，复合材料体所受最大压力：

通过Catia V5软件测量数模，复合材料体的承压面积S为7963.94mm2，计算可得复合材料体受压应力为：

2.2 压应力测试

选取24mm长，16mm宽的样块进行压缩测试，其应力-应变曲线如图5所示。根据测试结果，可计算出复合材料体的压缩强度为：

由此可知，螺栓紧固部位的复合材料体压缩性能满足要求。

结语

此次研制的复合材料车轮已进行多次试验，紧固问题得到有效解决，多项设计方案获得实用新型专利。同时在13°冲击试验、弯曲疲劳试验和径向疲劳试验方面取得了突破性进展。

参考文献

[1]国务院关于印发节能与新能源汽车产业发展规划（2012～2020年）的通知[Z].国发〔2012〕22号.