胡 兵

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術學院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

我國在2017年公布了《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》這一文件，根據(jù)該文件，國家將大力支持鋁、鎂合金、碳纖維復合材料等在汽車工業(yè)制造上使用和發(fā)展，以及推進輕型合金材料制造技術的發(fā)展[1-4]。 李家應、趙樹國、陳建華[5-11]等利用有限元分析軟件，對鋼制、鋁合金或鎂合金車輪建立參數(shù)化模型，進行彎曲疲勞和徑向疲勞試驗模擬，得到輪轂的應力圖和應變圖，計算車輪上應力較大的區(qū)域，并分析危險點的應力狀態(tài)，對各類型輪轂進行結構優(yōu)化和剛強度分析，以達到輪轂輕量化的目的。

目前，在汽車部分零部件的設計中，國內(nèi)輕型合金的生產(chǎn)和使用量與國際標準相比仍處于劣勢，因此針對輕型合金等輕量化材料，孫劍等[12]采用有限元分析方法，對腳踏板、蓄電池箱體支架、車門、底盤控制臂和牽引鉤等進行分析，用輕型合金替代傳統(tǒng)鋼材料，并通過仿真與試驗研究，優(yōu)化結構和尺寸，使零部件達到性能使用要求；朱紅建[13]從分析汽車鋼圈的主要載荷形式和失效形式入手，確定橫向載荷是造成疲勞破壞的主要原因，并運用有限元分析軟件，對汽車鋼圈進行了結構分析，并對汽車使用壽命進行預測，同時運用優(yōu)化理論對汽車鋼圈進行優(yōu)化設計，進而提高汽車鋼圈的可靠性和使用壽命。

在上述研究的基礎上，本文采用SW三維設計軟件，根據(jù)1993年國家頒布的工業(yè)車輪標準和《機械設計手冊》進行車輪的三維建模，采用有限元的方法對車輪的材料和結構進行優(yōu)化分析，分析不同材料和結構車輪對外力的抗壓和抗變形能力，進而得出車輪設計的較優(yōu)解。本文的研究結果對汽車制造廠家SUV車輪設計有著重要的指導意義。

1 有限元仿真

1.1 模型建立

根據(jù)GB/T 14687-1993工業(yè)車輪標準，利用Solidworks三維建模軟件對車輪進行三維立體建模，輪輞的尺寸為230.5 mm×251.4 mm，輪輞厚度根據(jù)輪轂尺寸和工業(yè)車輪設計標準設定為3.4 mm。輪輞材料采用高硬度合金鋼，輪轂材料采用輕型合金，達到要求的同時使車輪輕量化。輪胎設定為子午線輪胎，子午線輪胎較其他類型的輪胎結構較為合理，在高速行駛時耐磨和耐刺穿性能好。車輪三維立體模型如圖1所示，圖1(a)為車輪整體模型，本文的車輪采用12輪輻的車輪，輪輻的數(shù)量需要設置為偶數(shù)個，以便于車輪受力時候車輪輪輞和輪轂的每個部分受力均勻，提高輪胎的壽命。圖1(b)為去掉輪胎后的輪轂和輪輞部分，其中輪輻的厚度為140 mm，輪輻與輪圈接觸的過渡部分采用圓弧過渡，能夠有效地保證輪輻每部分的受力較均衡。圖1(c)為更改輪輻厚度為100 mm后的車輪三維立體模型。

圖1 車輪三維立體模型

1.2 有限元網(wǎng)格劃分

為了使仿真的過程簡化，將輪胎這一軟材料部分去除，軟材料在仿真的過程中會造成計算機計算量的大幅增加和計算結果錯誤的概率加大[14]。由于車輪模型中曲面較多，若采用標準的六面體網(wǎng)格，則會造成六面體網(wǎng)格劃分出現(xiàn)錯誤，因此采用基于曲率的六面體網(wǎng)格進行劃分，網(wǎng)格的質量選用良好這一標準，最大六面體網(wǎng)格的最大邊長設定為2.707 cm，最小六面體網(wǎng)格的最小邊長設定為0.541 cm，單元大小增長比率為1.6。去除輪胎后的輪轂和輪輞部分網(wǎng)格劃分圖如圖2所示。

圖2 車輪有限元網(wǎng)格劃分模型

1.3 邊界條件設置

Solidworks的simulate需要設置外載荷和夾具、連結等邊界條件。在已有的相關研究中，大部分都是根據(jù)車輪安裝在汽車制動盤上的受力和支撐情況設置夾具，本文單獨將車輪作為一個研究對象，從車

輪的側面抗壓性能以及四周的抗疲勞性能出發(fā)進行仿真研究。對車輪的抗壓性能進行研究時車輪夾具設置在車輪一側的輪輻上，輪輻與輪圈之間根據(jù)實際情況采用焊接或者整體鍛造，在有限元仿真中則表現(xiàn)為剛性連接，從車輪輪輻的另一側對其施加不同的壓力(5 000 N和10 000 N)，進行simulate仿真，根據(jù)位移云圖上表現(xiàn)的數(shù)值與相關材料(輕型合金鋼，彈性模量2.1e+11 N/m2，中泊松比0.28，中抗剪切模量7.9e+10 N/m2，質量密度5 100 kg/m3)的抗壓性進行比較。對車輪四周抗疲勞性能的研究需對車輪的中心部分即輪轂部分設置夾具，使其無法進行移動，在四周輪圈上設定交變應力，更改交變應力的頻率，使其對輪輞和輪轂產(chǎn)生疲勞破壞，根據(jù)疲勞試驗的仿真結果，得出車輪是否符合所需的疲勞強度。

1.4 仿真結果

輪輻厚度為140 mm車輪的側面抗壓性能仿真研究結果如圖3所示，車輪的輪輞和輪轂部分的抗壓性能以位移云圖來表示，圖3(a)表示的是將輪輻厚度為140 mm車輪的一側在輪輻和輪圈部分用夾具固定，另一側在輪圈部位均勻施加5 000 N的力，仿真結果顯示車輪輪圈的最大位移為1.286e-02 mm，最小位移在輪轂處為1.000e-03 mm，圖3(b)為在輪圈上均勻施加了10 000 N的力，其最大位移2.573e-02 mm，最小位移為1.000e-03 mm。輪輞最大位移遠小于外側輪胎充氣較滿和不足時輪胎厚度的變化位移。

圖3 140 mm厚輪輻的車輪抗壓性能仿真結果圖

輪輻厚度為100 mm車輪的側面抗壓性能仿真研究結果如圖4所示，與輪輻厚度為140 mm車輪的研究方法一樣，圖4(a)為5 000 N的均勻分布力作用下的仿真位移云圖，圖4(b)為10 000 N均勻分布力作用下的仿真位移云圖。在5 000 N的力作用下，100 mm輪輻厚度的車輪最大位移量為1.797e-02 mm，10 000 N力作用下，最大位移為3.082e-02 mm。

圖4 100 mm厚輪輻的車輪抗壓性能仿真結果圖

由于輪圈是整個車輪鋼架中厚度最薄的部分，因此對輪圈部分受力而產(chǎn)生的位移研究最有意義，當輪圈部分的抗壓性能達到相應的標準后，輪輻和輪輞自然能夠承受足夠大的壓力。

對車輪的抗疲勞性能仿真研究結果如圖5所示，疲勞仿真需要設置力的變化周期和變化幅度，力的變化幅度為汽車高速行駛和低速行駛時，輪輞受汽車重力的變化量，根據(jù)現(xiàn)場試驗的結果，設定變化幅度為10 000 N。為了減少仿真計算量，對仿真邊界條件的設置如下：實際情況為輪胎由螺栓固定在制動盤上，仿真模擬時將整個輪轂部分進行夾具固定，變化周期設定為2 s，總的疲勞作用次數(shù)設定103次。圖5(a)是變化幅度為10 000 N且輪輻厚度為140 mm車輪抗疲勞性能的仿真研究結果，最大的變形在輪圈部位為3.810e-03 mm，圖5(b)為變化幅度10 000 N且輪輻厚度為100 mm的車輪抗疲勞性能的仿真研究結果，最大的變形在輪圈部分7.620e-03 mm，最小的變形在輪轂部分。兩次不同受力變化幅度的輪圈變形量遠小于輪胎的軟變形，所以該合金材料制作成的輪胎的輪輻可以設計成100 mm，既可以達到相關的要求又可以實現(xiàn)汽車輪胎輕量化。

圖5 輪輻的車輪抗疲勞性能仿真結果圖

1.5 車輪材料輕量化仿真研究

上述幾個仿真試驗都是采用輕型合金鋼(彈性模量2.1e+11 N/m2，中泊松比0.28，中抗剪切模量7.9e+10 N/m2，質量密度5 100 kg/m3)。輪胎的輕量化有助于汽車整體的輕量化，汽車輕量化不是簡單地減少汽車的質量，而是采用一些結構優(yōu)化或者材料應用的改進，將汽車的某一部分在不降低其性能的前提下，減少其部件的質量。汽車輕量化可以有效地減少汽車燃油的消耗，減少汽車尾氣排放。

關于車輪材料輕量化的研究主要是對車輪輪輞和輪轂部分的材料進行優(yōu)化，而輪胎部分的材料通常是采用不同密度和硬度的橡膠，但其最終質量相差無幾，所以不對輪胎部分進行材料優(yōu)化的研究。上述關于車輪結構優(yōu)化部分的研究是基于質量密度為5 100 kg/m3的輕型合金鋼。下面將采用一般的冷拔鋼(彈性模量2.05e+11 N/m2，中泊松比0.29，中抗剪切模量8e+10 N/m2，質量密度7 870 kg/m3)，將整個輪轂部分進行夾具固定，變化周期設定為2 s，總的疲勞作用次數(shù)設定103次，作用力的變化幅度為10 000 N且輪輻厚度為140 mm進行仿真，仿真結果如圖6所示。

圖6 冷拔鋼車輪抗疲勞性能仿真結果圖

輪輞和輪轂部位采用冷拔鋼制作而成，與輕型合金鋼相比，在相同的均勻力和作用周期及作用力循環(huán)疲勞次數(shù)下，輪圈最大位移為2.667e-03 mm，輪輻和輪轂部分幾乎沒有變形，輪圈的最大位移與車輪整體尺寸相比可以忽略。輕型合金鋼和冷拔鋼的密度相差2 670 kg/m3，但在相同外界情況下，車輪的位移變形僅僅相差約1.2e-03 mm。通過仿真結果可以得出以下結論：采用輕型合金鋼可以很大程度地減少車輪部件的質量，從而減少整車的質量，達到輕量化的目的。在車輪制造時優(yōu)先采用輕型合金鋼，能夠很大程度地減少材料的使用量，降低制造成本。

2 小結

本文以某SUV汽車的輪胎作為研究對象，利用Solidworks進行車輪的建模，改變車輪輪輻數(shù)量和材料后，利用CAE技術進行車輪輪轂受力仿真，得出車輪結構與材料設置的最優(yōu)解，設計出合理的SUV車輪。在研究車輪結構輕量化和抗壓性能時，夾具設置在車輪一側的輪輻上，在另一側分別施加10 000 N和5 000 N的力，改變輪輻的厚度，進行CAE仿真，得出車輪的抗壓性能優(yōu)劣與輪輻的厚度成正比，通常140 mm的輪輻厚度可以減少至100 mm，采用合理的合金鋼材料，仍可以滿足安全需求。車輪的抗疲勞性能仿真研究結果顯示輪輻厚度為100 mm的輕型合金鋼制成的車輪在受幅度為5 000 N和10 000 N交變應力作用下的位移變形可以滿足相關的安全需求。車輪材料輕量化仿真研究主要是針對車輪輪輞和輪轂材料應用方面的研究。