轎車輪轂造型及結(jié)構(gòu)有限元的分析

董繼先， 陳雪嬌

(1.陜西科技大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學(xué) 設(shè)計(jì)與藝術(shù)學(xué)院， 陜西 西安 710021)

0 引言

輪轂，又叫輪圈或輪輞，是汽車行駛的重要部件.汽車行駛時(shí)，會(huì)產(chǎn)生橫向載荷和縱向載荷，輪轂則需要承受一部分載荷.當(dāng)前的轎車速度很快，對(duì)可靠性和動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性要求高，因此對(duì)輪轂的要求也很高.一輛車通常不是只配備一款輪轂造型，廠家會(huì)綜合考慮成本和整車性能，給消費(fèi)者提供多種選擇.因此，輪轂的種類也越來越多.

對(duì)于轎車輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，國外最初使用的是經(jīng)驗(yàn)類比法.隨著測(cè)試技術(shù)的發(fā)展，逐漸開始使用應(yīng)變電測(cè)技術(shù)，脆漆法對(duì)輪轂進(jìn)行試驗(yàn).1956年，Turner、Clough等人在分析飛機(jī)結(jié)構(gòu)時(shí)，嘗試使用現(xiàn)代有限元法取得成功[1].隨著CAD和CAE應(yīng)用軟件的不斷開發(fā)和完善，有限元法在輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面得到了充分應(yīng)用.

鋁合金輪轂因其具有重量輕，造型多樣、美觀，散熱性能好等優(yōu)點(diǎn)[2]，帶給轎車輪轂結(jié)構(gòu)造型設(shè)計(jì)很大的應(yīng)用空間.輪轂的造型形態(tài)關(guān)系到整車的和諧統(tǒng)一，在國內(nèi)車廠中，一汽大眾旗下奧迪、寶來、高爾夫、捷達(dá)等，所提供的輪轂款式最多.

本文以大眾高爾夫轎車輪轂的造型演變?yōu)槔M(jìn)行分析,然后根據(jù)其特點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)踐，并利用Ansys進(jìn)行有限元靜力學(xué)分析.

1 大眾高爾夫轎車輪轂造型演變分析

大眾高爾夫是一款由大眾汽車在1974年推出的小型家用車型，目前已經(jīng)在全球市場(chǎng)推出了七代，成為繼甲殼蟲之后，大眾汽車最成功的產(chǎn)品之一.2003年7月，高爾夫進(jìn)入中國，一汽“高爾夫”問世.作為大眾旗下的熱銷車型，為了滿足消費(fèi)者的需求，大眾根據(jù)高爾夫開發(fā)出了衍生車型，其中包括捷達(dá)和寶來等.因此，高爾夫?yàn)槲覀兲峁┝素S富的實(shí)物資料.

隨著大眾高爾夫轎車的發(fā)展，輪轂也經(jīng)歷了很多變化，現(xiàn)在的它有著不同的質(zhì)感和千變?nèi)f化的造型.輪轂主要有輪輞和輪輻組成.就轎車輪轂的整體造型而言，本文將重點(diǎn)對(duì)輪輻的造型變化進(jìn)行分析研究.

以1.6 L排量的七代轎車輪轂為研究對(duì)象，分析其造型特點(diǎn)，如圖1所示.

圖1 1.6 L排量大眾高爾夫轎車 輪轂演化過程

Golf從第一代到第四代鋼制輪轂，逐漸在發(fā)生著變化，輪轂支撐的質(zhì)量慢慢集中在輪轂的中心.對(duì)于輪轂來說，動(dòng)力輸出點(diǎn)在輪轂中心，距離輪轂中心最遠(yuǎn)處就是輪轂的邊沿，邊沿的質(zhì)量越小，那么輪轂轉(zhuǎn)動(dòng)起來需要克服的慣性越小，動(dòng)力消耗就越小[3].

第一代鋼輪轂的中心向外拱出，呈“抓手”狀，這種弧度逐漸變小，并且輪轂的中心從第二代開始向內(nèi)凹，直到第四代的五輻鋼輪轂.大眾的很多其它種類的轎車輪轂也采用這種造型，如圖2所示.

圖2 中心向內(nèi)凹的大眾其它品牌輪轂

從第四代到第七代的鋁合金輪轂輪輻的形態(tài)變得更加多樣化，如星型輪輻、Y型輪輻、V型輪輻等.2003年，第五代高爾夫開始生產(chǎn)，在其設(shè)計(jì)理念中體現(xiàn)出了一種新的活力觀.多幅輪轂一般用于長(zhǎng)期高速行駛的轎車，它可以提供很好的支撐，能在行駛過程中防止車輪產(chǎn)生較大的變形.

圖3顯示排量增加，輪轂的尺寸(也就是輪轂的直徑)增大.一般對(duì)于轎車來說，輪轂的尺寸大輪胎的扁平比高的話，能提高制動(dòng)散熱性能，車輛的穩(wěn)定性有所增加，相應(yīng)的油耗也增大.在輪轂的尺寸相同的情況下，排量越大，輪轂裸露的面積就大，輪輻的造型也就更多樣[4].

第六代和第七代的部分輪轂設(shè)計(jì)的造型源自于古代的兵器，如“戰(zhàn)斧”、“戰(zhàn)刀”、“雙面戰(zhàn)戟”等，成為一個(gè)系列，并有將繼續(xù)延續(xù)下去的趨勢(shì).

圖3 大眾高爾夫轎車輪轂按排量對(duì)比

2 大眾高爾夫轎車輪轂造型設(shè)計(jì)及有限元分析

2.1 造型設(shè)計(jì)

Monza，在國內(nèi)有個(gè)通俗的名字：戰(zhàn)斧.其富有創(chuàng)意的輪轂設(shè)計(jì)襯托得該款轎車風(fēng)度翩翩，在一家海外雜志上被評(píng)選進(jìn)入十佳最受歡迎的原廠輪轂[5].古代的兵器有刀、槍、劍和戟等，目前第六代和第七代高爾夫轎車輪轂已經(jīng)應(yīng)用了“戰(zhàn)刀”和“雙面戰(zhàn)戟”，“戰(zhàn)刀”更是“戰(zhàn)斧”的延續(xù).

本方案選用古代兵器中的劍，采用中心向內(nèi)凹的圓弧抓手式造型進(jìn)行設(shè)計(jì)，目的是設(shè)計(jì)出此系列的延續(xù)型.方案是基本的五幅輪轂，其中的輪輻經(jīng)過扭曲、旋轉(zhuǎn)，通過富有節(jié)奏和韻律的造型，體現(xiàn)車輪的速度感[6].輪轂中心的大眾標(biāo)識(shí)用藍(lán)底白字，與輪輻邊緣的色彩相呼應(yīng).在每條輪輻的右側(cè)邊緣分割出一部分賦予其藍(lán)色.整個(gè)輪轂經(jīng)過電鍍處理，呈現(xiàn)出時(shí)尚、現(xiàn)代感.具體設(shè)計(jì)如圖4所示.

圖4 效果圖

2.2 有限元分析

輪轂的造型最終是要配合其性能.通過Proe三維軟件建模，并用有限元分析軟件Ansys對(duì)輪轂進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析.

通過Proe把二維圖像轉(zhuǎn)換成三維模型，對(duì)輪轂圓角和氣門孔等進(jìn)行簡(jiǎn)化，在Ansys中把簡(jiǎn)化的輪轂三維模型再轉(zhuǎn)換成有限元模型[7]，以便進(jìn)行分析計(jì)算.

有限元分析的基本思想是用有限個(gè)單個(gè)單元體的組合實(shí)體來替代原來的連續(xù)體，將無限個(gè)自由度問題改變?yōu)橛邢迋€(gè)自由度問題，用有限個(gè)參數(shù)的代數(shù)方程組計(jì)算求解問題來替代連續(xù)場(chǎng)函數(shù)的微分方程計(jì)算求解問題.對(duì)于大部分形狀比較復(fù)雜的工程問題，想得到解析答案通常十分困難，只能尋找各種近似的解決辦法，而有限元分析則是一種非常有效的計(jì)算方法[8].

輪轂的形狀是極不規(guī)則的實(shí)體，采用六面體劃分網(wǎng)格既費(fèi)時(shí)又費(fèi)力，所以采用四面體二階單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，單元尺寸選取8 mm，并使用自由劃分網(wǎng)格，所得的節(jié)點(diǎn)是計(jì)算機(jī)根據(jù)幾何模型的特征自行計(jì)算的，精度足夠，運(yùn)算速度快，不容易出錯(cuò).由于輪轂三維結(jié)構(gòu)形狀比較復(fù)雜，在試驗(yàn)載荷作用下，輪轂結(jié)構(gòu)所受的應(yīng)力狀態(tài)也比較復(fù)雜，因此采用Von Mises應(yīng)力作為計(jì)算等效應(yīng)力[9].

選取輪轂的規(guī)格是225/50 R17，17寸輪轂取車輪的最大額定載荷15 000 N.

一個(gè)輪轂中包括很多參數(shù)，每個(gè)參數(shù)都會(huì)影響到整車的行駛，為了更貼近現(xiàn)實(shí)，建模前需要查找資料，確認(rèn)好這些參數(shù).圖5即輪轂的輪廓圖，表明了輪轂的主要尺寸.

1.輪輞 2.輪輻 3.偏距:有正偏距、零偏距、負(fù)偏距之分 4.輪緣 5.胎圈座 6.槽底 7.氣門孔圖5 輪轂輪廓

輪轂尺寸其實(shí)就是輪轂的直徑，我們經(jīng)常能聽到人們所說的15寸輪轂、16寸輪轂這樣的用語，其中的15、16寸指的就是輪根據(jù)輪轂尺寸表查出來的相應(yīng)參數(shù).Proe建模，Ansys創(chuàng)建有限元模型，參數(shù)設(shè)定——網(wǎng)格劃分——施加約束和載荷——分析求解[10]，得到等效應(yīng)力圖和應(yīng)變位移圖，如圖6所示.

圖6 分析結(jié)果

施加在輪轂上的載荷，不應(yīng)超過輪轂制造廠推薦的最大值.這個(gè)值可刻制在輪輞上，當(dāng)車輪上無此標(biāo)記或使用條件超過其推薦值時(shí)，則應(yīng)與輪轂廠協(xié)商，以確保在預(yù)期使用條件下，輪轂不被破壞.對(duì)相同尺寸、相同厚度的輪轂施加相同載荷的條件下，提交分析，計(jì)算得到輪轂的MISES應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D.從應(yīng)力分布圖中可以看出，輪轂輪輻的最大應(yīng)力值多集中在通風(fēng)孔與通風(fēng)孔之間,以及通風(fēng)孔與螺栓孔之間[11]，并且實(shí)際情況輪輻主要就是在這些部位容易出現(xiàn)開裂.這說明模型及邊界條件的建立比較符合實(shí)際情況，比較合理.

從圖6還可知，在同樣載荷的作用下，輪輻最窄處應(yīng)力值較大[12].并且可以看出設(shè)計(jì)的輪轂的最大應(yīng)力值小于Golf的前兩個(gè)輪轂.因此，新設(shè)計(jì)方案合理.

3 結(jié)束語

如今，越來越多的消費(fèi)者開始注重汽車輪轂的造型，大眾高爾夫轎車所提供的輪轂款式越來越多，并逐漸系列化.

高爾夫系列轎車輪轂映射了輪轂的發(fā)展史，同時(shí)也預(yù)示著高爾夫輪轂造型未來的發(fā)展將趨向于立體、時(shí)尚動(dòng)感和個(gè)性[13].同時(shí)，在保證輪轂造型審美的基礎(chǔ)上，應(yīng)對(duì)其結(jié)構(gòu)的合理性進(jìn)行模擬分析，有效地避免輪轂結(jié)構(gòu)的不合理性.

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