鋁合金汽車輪轂設(shè)計(jì)過(guò)程探討

摘要：本文介紹了汽車鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的一般步驟、原則和方法；并基于CAD、UG軟件的功能和應(yīng)用闡述了汽車鋁合金輪轂實(shí)體造型的設(shè)計(jì)方法，然后介紹了ANSYS軟件應(yīng)用于輪轂的分析功能。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂 實(shí)體造型 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 性能分析

中圖分類號(hào)：TG292文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1674-098X（2012）08（c）-0018-02

當(dāng)今的制造業(yè)，在產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中普遍采用了電腦輔助設(shè)計(jì)技術(shù)，同樣汽車行業(yè)也不例外。在開發(fā)汽車相關(guān)產(chǎn)品時(shí)，需要綜合考慮到造型、外觀、工藝及制造條件的各種限制，同時(shí)應(yīng)結(jié)合以往的經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。而鋁合金輪轂作為汽車的重要零部件之一，在開發(fā)和設(shè)計(jì)的過(guò)程中，相關(guān)安全性能參數(shù)和結(jié)構(gòu)的制定顯得尤為重要。為了提高鋁合金輪轂的質(zhì)量及在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，就需要新開發(fā)產(chǎn)品具有：安全可靠的性能保障、美觀大方的造型設(shè)計(jì)、同時(shí)要兼顧節(jié)能降耗、成本低廉。這就需要設(shè)計(jì)人員運(yùn)用先進(jìn)的鋁合金輪轂設(shè)計(jì)手段，進(jìn)行二維及三維的造型設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)鋁合金輪轂的性能進(jìn)行沖擊試驗(yàn)和彎曲試驗(yàn)的模擬驗(yàn)證，了解其應(yīng)力和應(yīng)變分布情況；分析后根據(jù)結(jié)果對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整后，再進(jìn)行分析，如此反復(fù)，直至達(dá)到理想狀態(tài)。

1 鋁合金輪轂的優(yōu)勢(shì)

輪轂作為車輛承載的最重要的安全部件之一，它不僅承受車輛自重垂直作用到輪轂上的壓力，還受到車輛在起動(dòng)、制動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩的作用以及車輛在行駛過(guò)程中轉(zhuǎn)彎、凹凸路面、路面障礙物的沖擊等來(lái)自不同方向動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變受力，其受力情況非常復(fù)雜而且是動(dòng)態(tài)變化的。作為行駛中高速旋轉(zhuǎn)的輪轂，其內(nèi)在的質(zhì)量和可靠性關(guān)系到車輛和車上人員、物資的安全性，還影響到車輛在行駛過(guò)程中的平穩(wěn)性、操縱性、舒適性等性能。這就要求輪轂的尺寸精度高、動(dòng)平衡好、疲勞輕度高、剛度和彈性好、質(zhì)量輕、美觀等[1]。而鋁輪轂以其良好的綜合性能滿足了上述要求，在安全性、舒適性和輕量化等方面表現(xiàn)突出，博得了市場(chǎng)青睞，正逐步代替鋼制輪轂成為最佳選擇[2]。

與鋼輪轂相比，鋁合金輪轂降低了非載荷重量而提高了抓地性；減小了車輪等旋轉(zhuǎn)部分的熱慣性，散熱性好；硬度高，剛性好。此外還具有同心度高、徑向端向跳動(dòng)低、受力合理、耐腐蝕、造型美觀等優(yōu)點(diǎn)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，鋁合金輪轂與傳統(tǒng)的鋼輪轂相比，重量減輕了30%～40%，可節(jié)約油耗5%，汽車的振動(dòng)程度可減輕12%，加速時(shí)間可縮短7%，明顯提高了整車性能。在摩托車、汽車行業(yè)鋁合金輪轂得到了廣泛的應(yīng)用，其裝車比例逐年上升，尤其是在轎車行業(yè)，整體式鋁合金輪轂幾乎一統(tǒng)天下[3]。

整體式鋁合金輪轂的鑄造冶金質(zhì)量、X光探傷及尺寸精度要求很高，機(jī)械性能好、同時(shí)成本低，因此很受歡迎。

2 汽車鋁合金輪轂鑄件的三維實(shí)體造型設(shè)計(jì)

在造型設(shè)計(jì)過(guò)程中，首先對(duì)輪輞進(jìn)行設(shè)計(jì)，再設(shè)計(jì)輪輻造型。由于國(guó)標(biāo)對(duì)輪輞的形狀、尺寸有要求，所以輪輞的造型必須嚴(yán)格按照國(guó)標(biāo)的要求進(jìn)行。在輪輞造型的基礎(chǔ)上再進(jìn)一步做輪輻造型。

UG軟件三維實(shí)體造型技術(shù)是利用其功能中的建模模塊實(shí)體特性，遵循由2D→3D→2D的方式進(jìn)行。

2.1 2D設(shè)計(jì)

首先利用CAD軟件建立輪輞的截面曲線：通過(guò)繪制直線、圓弧、自由曲線等基本命令，并做約束、倒角、剪切、鏡像等操作，最終生成所需的曲線形狀。然后設(shè)計(jì)輪輻沿半徑方向的剖面曲線，和窗口的外形曲線，在設(shè)計(jì)窗口的形狀時(shí)要考慮窗口的分布及拔模斜度因素。根據(jù)輪輻及法蘭盤造型螺栓孔分布等因素設(shè)計(jì)輪輻套料和中間盤套料的形狀。

2.2 3D創(chuàng)建

在2D設(shè)計(jì)完成后，要將剖面線導(dǎo)入U(xiǎn)G軟件。（2D剖面線也可在UG草圖里制作，但在CAD里設(shè)計(jì)更順手）。然后根據(jù)輪輻的截面曲線和窗口的外形曲線，利用回轉(zhuǎn)、拉伸、拔模、曲面工具，并做修剪、延伸、倒圓等操作，生成輪輞實(shí)體和輪輻實(shí)體造型，再利用合并工具將輪輞與輪輻合為一體。最后利用鏡向、陣列等命令即可生成想要的造型。

2.3 2D導(dǎo)出

輪轂設(shè)計(jì)完成后，即可利用UG的制圖功能生成2D正面圖、背面圖、主剖視圖、及局部剖面圖。然后導(dǎo)出2D平面圖格式[4]。

3 鋁合金輪轂的性能分析

鋁合金輪轂3D造型設(shè)計(jì)完成后，要運(yùn)用ANSYS軟件對(duì)其進(jìn)行模擬試驗(yàn)分析，以驗(yàn)證其性能狀況。目前應(yīng)用ANSYS軟件主要是對(duì)輪轂的沖擊和彎曲試驗(yàn)進(jìn)行模擬分析，經(jīng)多次與真實(shí)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，證明該軟件的分析結(jié)果是切實(shí)有效的。

3.1 輪轂沖擊試驗(yàn)?zāi)M分析

步驟概述：做符合實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)的3D模型→對(duì)重錘和輪轂分別賦予不同的材質(zhì)→劃網(wǎng)格→添加作用力（包括力的大小和方向）、約束面及位移量→添加施力方式→分析結(jié)果。

分述如下：

（1）將3D導(dǎo)入；（2）賦予材料：分別賦予沖錘和輪轂的材料材質(zhì)。對(duì)沖錘賦予結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，對(duì)車輪賦予鋁合金材質(zhì)；（3）劃網(wǎng)格：網(wǎng)格的大小可以調(diào)節(jié)；（4）施加作用力；①力的大?。河?jì)算重錘與輪轂接觸的瞬間作用力的大小；②力的方向：點(diǎn)擊黑白按鈕可以選擇力的方向；③位移：在施力面的軸向，設(shè)定一個(gè)參考位移值。作用力施加后，要選擇施力方式；然后開始分析（5）運(yùn)算結(jié)果：調(diào)節(jié)應(yīng)力范圍顯示運(yùn)算結(jié)果。

3.2 輪轂彎曲試驗(yàn)?zāi)M分析

步驟概述：做符合實(shí)際試驗(yàn)狀態(tài)的3D模型→對(duì)力臂圓柱和輪轂分別賦予不同的材質(zhì)→劃網(wǎng)格→添加作用力（包括力的大小和方向）、約束面→添加施力方式→分析結(jié)果。

分述如下：

（1）將3D導(dǎo)入；（2）賦予材料：分別賦予沖錘和輪轂的材料材質(zhì)。對(duì)沖錘賦予結(jié)構(gòu)鋼材質(zhì)，對(duì)車輪賦予鋁合金材質(zhì)；（3）劃網(wǎng)格：網(wǎng)格的大小可以調(diào)節(jié)；（其前三個(gè)步驟操作方法與模擬沖擊試驗(yàn)是一致的，只是導(dǎo)入的分析模塊有區(qū)別；（4）施加作用力；①力的大小：根據(jù)彎矩計(jì)算作用力的大小，受力點(diǎn)在力臂圓柱的最底面上；②力的方向：X、Y方向要單獨(dú)分析；③選擇施力方式。（5）開始分析；（6）運(yùn)算結(jié)果：調(diào)節(jié)應(yīng)力范圍顯示運(yùn)算結(jié)果。

沖擊、彎曲模擬分析完成后，根據(jù)分析結(jié)果綜合評(píng)定，對(duì)輪轂結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，避免應(yīng)力集中的現(xiàn)象[5]～[6]。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，有了CAD、UG和ANSYS設(shè)計(jì)和分析軟件的幫助，使得一些設(shè)計(jì)工作變得十分快捷。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析過(guò)程是一項(xiàng)耗時(shí)且復(fù)雜的工作，必須經(jīng)過(guò)不斷改進(jìn)、評(píng)估、試誤以獲得最佳結(jié)果。比如最初的輪轂設(shè)計(jì)是：依據(jù)個(gè)人經(jīng)驗(yàn)的積累對(duì)產(chǎn)品做出初步的設(shè)計(jì)，再由初步的設(shè)計(jì)去做出原始模型，生產(chǎn)出樣品。樣品完成以后，進(jìn)行試驗(yàn)以確保產(chǎn)品的可靠性。初級(jí)樣品經(jīng)測(cè)試不能滿足顧客對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的需求時(shí)，再去修改原設(shè)計(jì)圖，再做樣品然后再測(cè)試。此種方法費(fèi)時(shí)且成本相當(dāng)?shù)母?。有了電腦輔助工程用于產(chǎn)品的開發(fā)、設(shè)計(jì)、分析與制造，省時(shí)又省力[7]。

現(xiàn)在的輪轂開發(fā)是：首先運(yùn)用CAD、UG設(shè)計(jì)圖紙，在圖紙?jiān)O(shè)計(jì)完成后，運(yùn)用ANSYS軟件作相關(guān)的性能模擬分析，然后再調(diào)整再分析，直至達(dá)到理想狀態(tài)。最終設(shè)計(jì)定型后，再進(jìn)行模具設(shè)計(jì)、模具制作。模具完成后，進(jìn)行試制，對(duì)試制的樣品進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，只要工藝正常，樣品一次通過(guò)試驗(yàn)的幾率可達(dá)95%以上。

參考文獻(xiàn)

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