家用轿车轮毂结构及轻量化设计

2024-03-24冯叶陶梁双福王谦罗啸

时代汽车 2024年2期

冯叶陶　梁双福　王谦　罗啸

摘要：轮毂是承载汽车安全的重要安全部件，轻量化设计是实现节能减排的、降低运输成本的主要措施之一，本文进行了汽车结构设计与轻量化研究。以某型号家用轿车汽车轮毂为研究对象开展轻量化研究，利用UG软件创建汽车轮毂三维实体模型，进行有限元静力学分析，分析结果发现某型号家用轿车汽车轮毂刚度和强度存在一定的余量，在不影响汽车轮毂结构强度、刚度的前提条件下，对轮毂重新设计优化分析，轻量化后某型号家用轿车汽车轮毂质量从5.62kg减轻到5.37kg，质量减轻了4%。设计提出了汽车轮毂轻量化的分析体系，为之后汽车轮毂的轻量化和整车轻量化设计提供一些参考。

关键词：轮毂有限元分析优化设计轻量化

1 引言

轮毂（也可称为轮圈或钢圈）是承载汽车安全的重要安全部件，轻量化设计是实现节能减排的、降低运输成本的主要措施之一。孝成美[1]通过ANSYS有限元分析，对轮辋的厚度进行降低了4.26%，以及优化了轮辐的厚度降低了30.08%，最终优化后的铝合金的轮毂减重了2.13kg。宋渊[2]对轮毂的研究在ANSYS中对轮毂进行有限元分析、模态分析、材料弯曲实验模型以及冲击实验模型，使整体的质量为6.62kg比初始值减轻了8%实现了轻量化效果。

轮毂结构设计和轻量化对汽车整体质量的减轻有着重要意义。本文以家用轿车汽车轮毂为研究对象开展轻量化研究，设计提出了汽车轮毂轻量化的分析体系。为之后汽车轮毂的轻量化和整车轻量化设计提供一些参考。

2 轮毂有限元模型的建立

轮毂主要由轮辋与轮辐组成，辐条的半径大小和轮圈的半径大小相接近，辐条的中央有大于车轮传动轴的中心孔，中心孔的周围有若干小孔（一般轿车的孔数为4—5个）用于螺栓固定，辐条与轮辋的曲面完全贴合轮毂主要尺寸如表1所示，建立的三维实体模型如图1所示。

2.1 轮毂材料属性选择与网格划分

本文研究以某型号家用轿车汽车轮毂采用A356铝合金材料。铝合金轮毂在高速行驶时在同等情况下，它的旋转、径向载荷、最大应力，都是轻于其他材料[3]。铝合金和镁合金轮圈在密度、延展性韧性、抗拉强度和刚度方面有很大的不同[4]。通过对比分析选择合适的材料进行轻量化设计，材料属性如表2所示。

为进行有限元分析，现将建立的轮毂三维实体模型导入ANSYA软件中，采用六面体网格法进行网格划分，将轮辋单元格的尺寸设置为4mm，轮辐单元格网格尺寸为6mm，合计共划分网格393944个，单元数量为241641个，最后轮毂的有限元模型。

2.2 轮毂的受力加载

根据某型号家用轿车重量为参考，汽车的整备质量为轮毂的受力来源分析，轮毂所受力通过软件计算为4200N，通过有限元软件分析计算时，将轮毂的受力方向作用在轮辋上面，方向竖直向下，如图3所示。

2.3 轮毂的静力学分析

从铝合金轮毂的总体形变来看，该轮毂的变形主要表现在螺栓孔与轮辐连接的最大变形量为0.23mm左右，而在轮辐与轮辋接触的部分变形量为0.02mm，说明该轮毂对于轴承的连接强度优化是有必要的，可以适当的增加它的厚度及其边缘过度方式改变轮毂在承受载荷的状态下分散一部分应力如图4所示。

轮毂的轮辋与轮辐的加载受力大小，主要表现出的结构是对轮辐的界面进行应力形变的数据分析，通过数据发现，轮辐的最小形变为1.09e-7mm。轮辐的最大形变为0.0005mm，从总体来说，轮辋受力的基础面积是小部分的，可以细节化的减小轮毂的中心点力，则需要对轮毂的其他部分进行强度的整体设计优化，这才能使轮毂符合设计要求如图5所示。

图6显示了铝合金轮毂静力分析的应力结果，从图6中可以看出，正对窗口加载的最大应力为40.25Mpa，最小应力为0.003Mpa，小于铝合金的材料抗拉强度。铝合金最大位移量也是在施加冲击载荷的区域处，最大移动量为4.47Mpa，在轮辋处，满足铝合金的轮毂刚度需求如图所示。可以得出，轮毂强度和刚度存在一定余量，能够轮毂进行轻量化设计如图6所示。

3 模态分析

轮毂的冲击实验是一个外力在其中的第一时间内，一个外力载荷从一定的高度自由落地时接触到轮胎，模态分析研究时研究结构动力特性的一种方法，主要分析的是模态的几个阶阵状态[5]。

3.1 自由模态分析

由下列数据可以知道，自由模态的下的9阶分析结果表明，前三阶的固有频率接近于零，故此发生这个现象的原因是轮毂仅产生在平面内的纯滚动与轮毂的转动，在刚体时的模态下，轮毂不产生形状的变化。对于在轮毂可塑性弹性体模式下选择结构的形状特性的时候，在模态自由分析条件下，由于轮毂的变形阶段是从第4阶段模态开始的，于是从4阶段开始分析仿真结果如图7所示的数据。

3.2 固定模态分析

在轮毂的另外一种约束力情况下，由于轮毂运动的方式是旋轉受力矩的作用[6]，所以需要在轮毂的设置一个固定端。通过固定轮毂懂得螺栓孔得到弹性体模态分析下的另外一种分析固定频率如表4与图8所示。

轮毂的1阶固有频率为276.26Hz，模态变形量集中在轮辋上为19.762mm，轮毂9阶固有频率为649.3Hz，模态变形量在轮辋两端为36.89mm，采用数据分析方法，通过软件计算车速主要由80千米每小时到120千米每小时，路面产生的最大值为94.31HZ。轮胎产生的不相同的平衡力[7]，通过轮胎的滚动半径，设置滚动半径的尺寸为382mm。通过计算得出平衡量引起的最大值为5.5HZ，通过比较都是小于分析中的自由模态[8]数值和约束模态下的频率值，表明符合设计要求，可以看出轮毂的结构设计是合理的。

4 轮毂轻量化设计

在ANSYS中对轮毂进行有限元分析，对轮毂进行应力及模态分析计算，在分析的安全系数之内进行轻量化设计。主要优化路线如图9所示。

某型号家用轿车汽车轮毂刚度和强度存在一定的余量，在不影响汽车轮毂结构强度、刚度的前提条件下，对轮毂重新设计优化分析，轮毂质量从5.62kg减轻到5.37kg，质量减轻了4%。轻量化后的轮毂与优化前相比有以下变化：

选着A356铝合金对比同类型的其他材料质量要减轻15%。

通过对轮辋的厚度减薄，轮辋减薄4mm，如图10中的（b）所示。

轮辐的过度半径从之前的110mm增加到了112mm。

5 结论

通过对轮毂的轻量化设计研究得出以下结论：

轻量化后某型号家用轿车汽车轮毂质量从5.62kg减轻到5.37kg，质量减轻了4%。最小等效应力0.003，最大应力为40Mpa，远小于铝合金轮毂的178Mpa。通过分析结果与轻量化设计一致，表明轻量化设计结果可行。

参考文献：

[1]孝成美. 汽车轮毂的结构分析及轻量化设计[D].山东科技大学，2020.DOI：10.27275/d.cnki.gsdku.2020.001106.

[2]宋渊. 铝合金轮毂轻量化设计（CAE）[D].合肥工业大学，2014.