基于标准化设计的钢制车轮快速有限元分析法

叶燕飞，吴兵华，王燕，郝彬

浙江金固股份有限公司，浙江杭州 311400

0 引言

汽车车轮是汽车上非常重要的安全零部件，它是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件，通常由轮辐和轮辋两个主要零部件组成。轮辋是车轮上安装和支撑轮胎的部件，轮辐是车轮上介于车桥和轮辋之间的支撑部件。

车轮设计时，通常会运用有限元分析的方法来对车轮的强度进行分析，从而进行设计优化。现有的有限元分析方法一般采用Hypermesh进行前处理，然后使用Abaqus进行应力的求解，此类有限元分析的方法精度较高但是耗时较长。

在设计开发过程中，经常会遇到设计方案多或者开发周期紧张的问题，采用有限元分析法可解决相关实际问题。

1 标准化设计

车轮的轮辋需要和轮胎进行匹配，所以轮辋的轮廓设计都是按照国家标准来进行设计并符合其要求，例如乘用车的轮辋轮廓需要符合GB/T 3487—2015 《乘用车轮辋规格系列》。由于钢制车轮的轮辋和轮辐是单独加工并组装焊接到一起的，在满足设计载荷的情况下，同规格产品设计时轮辋通常会借用现有轮廓。但乘用车车轮轮辐的设计需要考虑到制动器轮廓以及偏距等多方面，一般新的产品都会根据上述参数重新设计轮辐。对于同一个OEM客户或者同一家车轮制造企业来说，同规格的轮辐在螺栓孔数量、螺栓孔分布圆、中孔的选择上往往会采用同尺寸化及标准化，这样方便在同一平台实现零部件的通用性，从而大大节约开发成本。针对不同的制动器轮廓以及偏距要求，需要调整的仅为安装面以外部分的结构。

对于同一车轮制造企业来说，针对同规格的产品螺孔到中孔的区域采用相同的设计结构、材料和厚度，相同的工艺设计、产线设备，在中孔和螺孔部位的应力往往趋向性一致。因此，针对此类轮辋、安装面进行标准化设计的轮辐，本文提出一种使用NX进行的快速弯曲疲劳有限元分析方法，该方法建模分析车轮的应力值使用时间仅占现有常规方法约4.2%。车轮的轮辐安装面结构标准化设计示意如图1所示，其中1～9为标准化设计尺寸。

图1 车轮的轮辐安装面结构标准化设计示意

2 建立有限元模型和边界条件

本文以16X4T乘用车钢制车轮作为设计模型进行分析方法的描述。标准化设计采用的是同样的材料及厚度，通过应力和材料属性对比选择满足要求且应力最低的方案。车轮材料以B510L为轮辋材料，SPFH590为轮辐材料，其属性见表1。

表1 车轮材料属性

车轮采用10节点4面体网格，轮辐网格大小为7 mm,轮辋网格大小为8 mm，轮辐和轮辋采用面与面粘连的方式连接。由于采用标准化设计，本文描述的快速仿真分析法不考虑标准部位的接口件，因此车轮模型忽略螺栓螺母和安装盘等。

根据GB/T 5334—2005 《乘用车车轮性能要求和试验方法》要求，选择标准中车轮固定不动的试验方式进行仿真分析，对车轮下端的轮缘施加固定约束。

3 施加载荷

按乘用车车轮性能要求和试验方法标准的要求，车轮所受到的弯矩计算公式为：

=(·+)··

(1)

式中:为车轮试验的弯矩;

为摩擦因数;

为轮胎静负荷半径；

为车轮偏距;

为车轮负荷;

为强化试验系数。

图2 1D杆连接

4 有限元计算

利用迭代求解器进行求解，得到车轮快速弯曲疲劳有限元分析的正反面应力云图，如图3所示。

图3 快速分析法正反面应力云图

由图3可以看出，车轮较大应力位置在轮辐最高凸冠、螺母座附近，应力值分别为295.51、248.24 MPa，最大应力低于材料的屈服强度500 MPa。说明快速分析法是有效可行的。

5 分析结果对比

5.1 与现有分析方法对比

利用现有Hypermesh的方法按弯矩=2 460 N·m有限元分析，分析时增加螺栓螺母、安装盘等接口部件，得到的正反面应力分析云图，如图4所示。

图4 现有分析法正反面应力云图

由图4可以看出，车轮较大应力位置在螺母座附近和轮辐最高凸冠处，应力值分别为437.80、305.00 MPa。由于现有方法使用螺栓和螺母进行紧固连接且在螺孔区域有加载力，螺孔区域的应力值会较高。

本文是针对标准化设计的产品进行快速分析，因此仅对非标设计部分进行应力比对。快速分析方法和现有分析法非标设计部分应力值分布区域一致且结果吻合，应力差值约在3.11%。

5.2 与试验结果对比

16X4T钢制车轮按有限元分析使用的弯矩=2 460 N·m进行了试验验证。试验设备采用IP45/2弯曲疲劳试验机，试验时车轮下端的轮缘夹紧，如图5所示。

图5 车轮试验

试验车轮样本数量为3个，试验需满足4.5万次的要求，试验至疲劳失效时，失效位置均出现在轮辐最高凸冠处，试验结果见表2，车轮试验失效位置如图6所示。

表2 试验结果

图6 车轮试验失效位置

6 结束语

轮辐安装面处结构采用标准化设计的钢制车轮，其快速弯曲有限元分析方法计算得到的应力结果和现有分析方法的试验结果趋势相吻合，且应力值接近，为钢制车轮设计开发多方案快速选择时提供了一种高效的解决办法，节约了开发时间,提高了开发效率。