基于有限元分析铝合金车轮的轻量化设计研究

邓瑞麟，王志远，王小龙，陈英春，肖才远

（邵阳学院，湖南 邵阳 422000）

基于有限元分析铝合金车轮的轻量化设计研究

邓瑞麟，王志远，王小龙，陈英春，肖才远

（邵阳学院，湖南 邵阳 422000）

文章通过三维软件Solidworks建构车轮的实体模型，利用ANSYS软件进行强度分析和模态分析，分析结果表明，车轮的最大应力远小于铝合金的许用应力，车轮的固有频率满足要求，存在进一步改进的可能和必要。最后，改进车轮模型，改进结果表明，车轮的重量下降了13.9%。利用有限元分析技术有助于提高车轮的设计水平、缩短设计周期、减少开发成本。

有限元分析；铝合金轮毂；轻量化设计

CLC NO.: U469.7 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)10-69-03

前言

实现汽车轻量化，提高燃油经济性，是汽车节能的最有效途径之一[1]。汽车车轮是汽车行驶系中的重要旋转部件，传递汽车与地面之间的相互作用力和力矩，不仅影响汽车行驶的安全性、舒适性，还直接影响汽车整体的能源消耗，轮胎的寿命都有较大的影响[2]。根据相关资料研究表明[3]，车轮轻量化的节能效果相当于非旋转件的1.5倍，因此车轮的轻量化设计是未来车轮的重要发展方向[4][5]。本文借助三维软件Solidworks，有限元分析软件ANSYS作为虚拟样机工具对给定的铝合金车轮进行强度分析，在保证强度和可靠性的前提下，对车轮进行优化，以进一步减少车轮质量，降低成本。

1、轮毂三维模型建立

车轮与轮胎是汽车行驶系统中的重要部件，通过车轮与轮胎直接与地面接触，在道路上行驶。车轮为固定轮胎内缘、支承轮胎并与轮胎共同承受整车负荷的刚性轮子。主要由轮毂、轮辋以及连接这两元件的轮辐所组成。根据实际轮式装载机所测量出物理样机的外形尺寸，采用三维软件Solidworks对工作装置进行三维几何建模，然后导入有限元分析软件ANSYS中。为了节省仿真计算时间和计算量，将车轮模型进行简化处理，去掉对受力影响不大的装修圆角，槽，气门孔等。如图1所示，相关参数如表1、表2。

图1 车轮模型

表1 车轮模型参数

表2 车轮的载荷参数

2、铝合金轮毂有限元分析

2.1 静力分析结果及数据分析

图2 不同载荷下车轮应力、应变云图

图2a是在螺栓预紧力的作用下车轮应力分布情况，从图中可以看出：在螺栓孔与螺母接触面上出现最大应力值为298Mpa。高于铝合金材料的屈服强度240Mpa，进入材料的塑性区间，螺栓孔区域的材料将产生塑性变形，如图2b所示，螺栓孔处最大变形量为0.024mm，低于设计允许的0.3mm，能够满足强度要求。图2c是在离心力作用下车轮应力分布情况，从图中可以看出：车轮结构产生的应力分布较为均匀，最大应力出现的地方是辐条与轮辋的连接处，最大应力为6.8Mpa；两辐条中间应力也较大，在1.38Mpa～2.28Mpa之间；而轮辐上应力值最小。说明旋转离心力对车轮整体结构的应力影响有限。图2d是在弯矩作用下车轮应力分布情况，从图中可以看出：在螺栓孔附近出现最大应力值为189Mpa。两辐条之间的应力也较大，在36.5～56.7Mpa之间。由以上结果可以得出，在以上单一载荷作用下最大应力均小于铝合金材料的屈服强度，验证了在静载荷作用下车轮的结构强度是完全满足要求的。

2.2 模态分析结果及数据分析

图4 自由模态振型图和位移图

如图4为速度v=0情况下车轮自由模态振型图和位移图，前6阶为刚体模态，频率接近0，故可以忽略。从图4a到图4h可以看出：第7阶和第8阶、第9和第10阶和第12和第13阶频率值很接近，振型也很相似，不同之处在于振动的方向不同，振动时轮毂同时向不同方向收缩。第11阶和第14阶相对于前后阶频率值有较大差异，轮辋外形改变较小，相对于前后阶模态的振型变化较大，轮辐沿着轴向上下振动。

图5 约束模态振型图和位移图

如图5为速度v=0情况下对车轮内侧法兰面上施加固定约束模态振型图和位移图。从图5a到图5h比较可以发现，第1阶和第2阶、第3和第4阶、第5和第6阶和第7和第8阶的频率值都非常接近，并且振型也非常相似，只是振动的方向稍有不同。

3、车轮结构改进

从上面的分析可以看出来，车轮受到的应力远小于车轮的许用应力，存在改进的必要。改进主要是缩减材料的厚度，以达到轻量化的目的。所以，对车轮模型进行改进，减少了车轮的厚度。改进前的车轮体积为0.0040146m³，重量为9.32Kg，改进后的车轮体积为0.00345879m³，重量为8.03Kg，重量下降了13.9%。

3.1 车轮结构改进后静态强度分析

图6为在螺栓预紧力、旋转离心力及弯矩载荷综合应力作用下应力分布情况。从图中可以看出：改进后车轮在螺母座附近产生最大应力为265Mpa，该区域不处于疲劳破坏区域；轮辋同时受弯矩和转速的影响，应力值介于0.37MPa～ 56.2MPa之间；两轮辐夹角处及轮辐与安装盘的交接处应力同时受弯矩和转速的影响，应力值介于56.2MPa～152MPa之间。从应力分布结果可以得出：两轮辐夹角处和轮辐与安装盘的交接处是疲劳裂纹最容易出现的区域，最大应力值低于铝合金材料的屈服强度，验证了改进后的车轮强度符合要求，且应力分布更均匀，材料利用更合理。

图6 改进后综合应力作用下车轮应力图

4、结束语

综上所述，基于三维软件Solidworks和有限元分析软件ANSYS，对车轮从模型的建立到结构强度及模态的分析进行了研究。通过分析，发现设计的车轮应力远小于材料的许用应力，存在改进的必要。本文通过减少车轮的厚度使车轮的重量从9.32Kg下降到8.03Kg重量下降了13.9%。并且对改进后的车轮进行强度分析和模态分析，结果明改进后的车轮强度和固有频率均符合要求，且受力更加均匀，材料利用率得到了提高。

[1] 苏利阳,王毅,陈茜,汝醒君.未来中国纯电动汽车的节能减排效益分析[J].气候变化研究进展,2013,9(4):284-290.

[2] 李忱钊，郭永进,朱平等.钢制车轮弯曲疲劳寿命的影响因素[J].机械设计与研究,2011,27(2):56-63.

[3] FroesFH,EliezerD,AghionEL.Thescience, technologyandapplication sofmagnesium[J].Journalofthe MineralsMetals& Materials Soeiety, 1998, 50(9):30-34.

[4] 黄信宏.车身轻量化设计研究现状[J].车身技术,2012,4(5):80-82.

[5] SunWenlong,XieHuanxin.TheDesignof DoubleMotor Electro-hydr aulic PowerSteering Systemforthe Electric Bus[A].The5th International ConferenceonAdvancesin Construction Machineryand Vehicle Engineering(ICACMVE′2015), September 18-20, 2015, Xi′an,China.

Based on the finite element analysis of the aluminum alloy wheel lightweighting design research

Deng Ruilin, Wang Zhiyuan, Wang Xiaolong, Chen Yingchun, Xiao Caiyuan
(
Shaoyang college, Hunan Shaoyang 422000 )

The article by 3 d software Solidworks construction entity model of the wheel, strength analysis and modal analysis by use of ANSYS software, the analysis results show that the maximum stress of the wheel is much less than the allowable stress of aluminum alloy, and meet the requirements, the natural frequency of the wheel is possible and necessary of further improvement. Finally, improve the wheel model, the improvement results show that the weight of the wheel is down by 13.9%. Using finite element analysis technique helps to improve the level of the design of the wheel, shorten the design cycle and reduce development costs.

finite element analysis; Aluminum alloy wheel hub; Lightweight design

U469.7

A

1671-7988 (2017)10-69-03

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.10.024

通讯作者简介: 肖才远 ( 1979－)，男，贵州威宁人，讲师，从事机械设计方法与理论、机电一体化技术的研究。

湖南省教育厅科学研究项目( 15C1240) ；大学生研究性学习和创新性实验计划项目。