基于有限元分析底切鋁合金車輪輕量化研究

郭寶賀

摘要：以18X7.5J車輪為研究對象，運用三維軟件CATIA建模，采用UG5.0建立車輪的有限元模型，對車輪強度進行有限元分析。通過車輪增加底切結構前、后進行有限元分析結果對比，證明底切鋁合金車輪在具備非底切鋁合金車輪同等強度下，可實現產品輕量化，從而減小汽車油耗。

關鍵詞：鋁合金車輪;有限元分析;強度分析;輕量化

引言

車輪是介于輪胎和車橋之間承受負荷的旋轉件，它不僅承受著靜態時車輛本身垂直方向的自重載荷，同時也經受著車輪行駛過程中來自各個方向因啟動、制動、轉彎、物體沖擊、路面凹凸不平等各種動態載荷所產生不規則力的作用，是車輛行駛系統中重要的安全結構部件，其結構性能是車輪設計中主要因素[1]。車輪通常由輪輻和輪輞組成，輪輻是指在車輪上介于車軸和輪輞之間的支撐部位，輪輞是指在車輪上安裝和支撐輪胎的部位。車輪對汽車的行駛安全性、燃油經濟性和整車的外觀性都有重要意義，目前轎車及乘用車主要采用鋁合金材質車輪。

隨著汽車工業不斷發展和環保要求，汽車制造商對汽車輕量化要求越來越高。實現汽車輕量化，提高燃油經濟性，是汽車節能的最有效途徑之一[2]。根據相關資料表明，車輪輕量化的節能效果相對于非旋轉件的1.5倍，因此車輪的輕量化設計是未來車輪的重要發展方向[3]。

底切鋁合金車輪是將車輪輪輻與輪輞交接部位，加工一定深度，去掉部分材料的一種車輪結構。由于輪輻與輪輞交接部位受力較小，強度過剩，將此部位材料加工掉，可有效降低車輪重量。底切車輪剖面和非底切車輪剖面見圖1和圖2。

1、強度分析

鋁合金車輪作為汽車重要的安全件，對汽車的行駛安全和操縱穩定性有著重大影響。13°沖擊試驗和彎曲疲勞試驗是車輪性能的基本試驗，用來檢驗車輪安全性。13°車輪沖擊試驗是鋁合金車輪抗沖擊性能的主要測試方法，以模擬車輪在實際行駛中受到石塊等物的側向沖擊或車輪撞擊公路牙邊的情況。彎曲疲勞試驗是模擬車輛在行駛過程中持續轉彎時車輪承受彎矩的能力。隨著計算機模擬技術的高速發展，在鋁合金車輪的設計中引入有限元仿真的現代設計方法，可有效提高產品開發效率，減小開發周期。本文主要對車輪進行13°沖擊和彎曲疲勞進行有限元分析，車輪的試驗參數如下：

13°沖擊試驗：錘重570kg，高度230mm，輪胎235/55 R18，胎壓230kpa;彎曲試驗：彎矩2.704KN.m，轉數10萬轉

1.1建立底切車輪和非底切車輪數模

CATIA軟件是法國達索公司開發的CAD/CAE/CAM一體化軟件，其內容涵蓋了產品從概念設計、工業造型設計、三維模型設計、分析計算、動態模擬與仿真、工程圖輸出，到生產加工成產品的全過程，功能強大。本文采用采用CATIA建立底切車輪和非底切車輪數模，底切車輪數模只是在非底切數?；A上，去掉輪輻與輪輞連接部位部分材料，數模見圖3和圖4。

1.2 有限元強度分析

采用UG5.0設計仿真模塊對數模賦予材料、施加約束、施加載荷、劃分網格和計算處理得到強度分析結果，具體分析步驟及方法本文不做詳述。

非底切車輪重量11.03kg，底切車輪重量10.32kg，兩者重量差0.71kg，底切車輪減重明顯，但是強度有所降低。

在底切車輪和非底切車輪具備同等強度（最大應力基本相同）前提下，討論底切產品減重才有意義?？刹扇p小非底切車輪輪輻厚度，增大非底切產品應力值或增加底切產品輪輻厚度，降低底切產品應力值，使兩者應力值基本相同。本文采用加厚底切產品輪輻厚度，輪輻厚度加厚2.8mm。

2、底切車輪減重及降低油耗效果

非底切車輪重量11.03kg，底切車輪（加厚輪輻）重量10.62kg，兩者重量差0.41kg，兩者應力值從表2可知基本相同。

研究表明，約75%的油耗與整車質量有關，降低汽車質量就能有效降低油耗及排放。美國在歐洲全順車的實驗表明，在滿足Ⅳ標準條件下，每公里油耗Y與自重X滿足以下關系：

Y=0.003X+3.3434[4]??? （1）

通過增加底切結構，單個車輪質量減少0.41kg，整車（4個車輪）減重1.64 kg，代入公式（1），每百公里減少油耗0.0049L。

3、結論

本文通過CATIA三維軟件進行車輪建模，采用UG5.0對非底切車輪和底切車輪進行有限元強度分析，通過強度分析結果對比，證明產品單純增加底切結構后，產品重量降低較多，但輪輻應力會加大即產品強度降低，但可以通過加大輪輻厚度來提高輪輻強度。在兩者具備同等強度前提下，底切車輪可以實現產品輕量化，減低油耗。由于底切車輪加工掉材料遠離中心孔軸線，因此對減小車輪轉動慣量效果更明顯，從而改善汽車加速性能?？傊?，底切鋁合金車輪在保證滿足強度性能情況下，可以減小產品重量和轉動慣量，是車輪實現輕量化的一種有效方案。

參考文獻：

[1]趙玉濤編.鋁合金車輪制造技術[M].北京：機械工業出版社，2004

[2]蘇利陽，王毅，陳茜，汝醒君.未來中國純電動汽車的節能減排效益分析[J].氣候變化研究進展，2013，9（4）：284 -290

[3]黃信宏.車身輕量化設計研究現狀[J].車身技術.2012，4（5）：80-82

[4]馬鳴圖.論汽車輕量化[J].中國工程科學.2002，24（4）：617 -619