某皮卡車輪蓋安裝結(jié)構(gòu)的有限元分析方法

周忍，曾德欽

引言

汽車車輪蓋是裝配到鋼制或鋁制車輪上的一種零部件，其作用一是配合整車車輪造型并帶有汽車生產(chǎn)廠家品牌標(biāo)識(shí)；二是遮蓋軸頭螺母或輪轂，防止汽車行駛時(shí)的污染物腐蝕內(nèi)部部件。車輪蓋設(shè)計(jì)主要要求為 1) 造型要美觀，顏色要搭配車輪和車身，整個(gè)車輪蓋要符合整車風(fēng)格；2) 安裝方式要牢固，不允許車輛行駛過(guò)程中脫落；3) 符合外部凸出物法規(guī)要求[1]。

車輪蓋結(jié)構(gòu)上有幾個(gè)圓周均布的卡腳，用于與車輪預(yù)留凹槽匹配，裝配卡腳尺寸會(huì)比凹槽尺寸較大而產(chǎn)生一定的過(guò)盈量，此過(guò)盈量會(huì)對(duì)車輪蓋產(chǎn)生壓緊力，進(jìn)而產(chǎn)生徑向的靜摩擦力來(lái)固定車輪蓋。目前市場(chǎng)上常出現(xiàn)的問(wèn)題為車輪蓋脫落，其主要原因是汽車在顛簸路面行駛時(shí)張緊力過(guò)小導(dǎo)致松脫，或張緊力過(guò)大導(dǎo)致卡腳斷裂脫落。此問(wèn)題輕則影響美觀，重則傷及車輛行人。

目前還沒(méi)有理論的方法對(duì)車輪蓋的裝配可靠性進(jìn)行描述，僅依靠試制試驗(yàn)過(guò)程的反復(fù)驗(yàn)證和經(jīng)驗(yàn)積累[2]。本文首先提出三種車輪蓋安裝結(jié)構(gòu)的模型，運(yùn)用有限元分析方法模擬車輪蓋裝配到車輪的工況，得出車輪蓋的變形和應(yīng)力，并對(duì)不同設(shè)計(jì)模型進(jìn)行總結(jié)，得出最佳設(shè)計(jì)模型。整車道路試驗(yàn)驗(yàn)證良好，這表明本文方法可行有效，提高了設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，并縮短車輪蓋的研發(fā)周期。

1、分析模型

以某國(guó)產(chǎn)皮卡的車輪蓋為分析對(duì)象，幾何模型如圖1所示，車輪蓋裝配到鋁輪轂上。

車輪蓋的結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由車輪蓋主體和張緊鋼絲圈組成，其中車輪蓋主體外表面根據(jù)造型和裝配需求設(shè)計(jì)而成，由塑料材質(zhì)注塑而成，具有一定的剛度和強(qiáng)度；而鋼絲圈根據(jù)卡腳分布設(shè)計(jì)成圓環(huán)狀，其主要作用是當(dāng)卡腳與鋁輪轂裝配受壓變形，保持一定的張緊力，避免變形量過(guò)大。本文從裝配角度和張緊力方面考慮，設(shè)計(jì)了三種模型：模型A為不帶鋼絲圈的車輪蓋主體；模型B為帶鋼絲圈的車輪蓋，且鋼絲圈與車輪蓋主體貼合較緊；模型C為帶鋼絲圈的車輪蓋，且鋼絲圈與車輪蓋主體貼合較松。

2、模型計(jì)算

2.1 網(wǎng)格處理

將幾何模型導(dǎo)入到 Hypermesh[3]軟件中，先進(jìn)行幾何清理，忽略掉車輪蓋主體中心的LOGO等不影響裝配尺寸的局部特征，來(lái)減少網(wǎng)格數(shù)量和計(jì)算時(shí)間，再進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格基本大小為0.4mm，車輪蓋主體采用3D四面體網(wǎng)格處理，局部進(jìn)行細(xì)化以保證計(jì)算精度，鋼絲圈采用3D六面體網(wǎng)格處理。整個(gè)模型處理結(jié)果如圖3所示。

2.2 材料屬性

為配合鋁輪轂造型，車輪蓋表面采用噴銀粉漆處理，考慮材料特性和經(jīng)濟(jì)性，我們選取車輪蓋主體材料為 ABS，它是一種強(qiáng)度高、韌性好、易于加工成型的熱塑型高分子材料，可以在-25℃到60℃的環(huán)境下表現(xiàn)正常，具有很好的成型性，加工出的產(chǎn)品表面光潔，易于染色。鋼絲圈材料選用彈簧鋼65Mn，參數(shù)如表1所示。

表1 車輪蓋材料屬性

2.3 邊界條件

為了保證分析模型與實(shí)際裝配狀態(tài)一致，所有模型的車輪蓋中心點(diǎn)采用6自由度全約束，載荷在圖示指定位置，施加法向力，如圖4所示，根據(jù)變形結(jié)果調(diào)整法向力的大小，使變形結(jié)果為卡扣的過(guò)盈量，三個(gè)模型的法向力大小如表2。

表2 法向載荷值

模型A和模型B采用靜力分析，模型C車輪蓋與鋼絲圈滑動(dòng)接觸，采用非線性準(zhǔn)靜態(tài)分析。

2.4 分析結(jié)果

在Hypermesh軟件中完成前處理工作后，整個(gè)模型導(dǎo)出為INP格式，再導(dǎo)入到ABAQUS軟件中提交計(jì)算。三個(gè)模型的最大應(yīng)力圖如圖5所示。

應(yīng)力比較數(shù)據(jù)見(jiàn)表3。

表3 三種模型的最大應(yīng)力值

經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)對(duì)比分析，得出：

1）增加鋼絲圈會(huì)使安裝力和拆卸力大幅增大，且鋼絲圈越貼近卡腳，所需要的力會(huì)越大；

2）增加鋼絲圈在使卡腳部位的應(yīng)力增大，完全貼緊情況下，車輪蓋本體的應(yīng)力值會(huì)超過(guò)材料抗拉強(qiáng)度而發(fā)生斷裂。

3、結(jié)論

為保證車輪蓋裝配可靠和合適的拉脫力，應(yīng)增加鋼絲圈結(jié)構(gòu)，并且通過(guò)改變鋼絲圈與卡腳之間的距離來(lái)調(diào)整加載法向力的大小，進(jìn)而找出最佳間隙。

根據(jù)以上計(jì)算分析，調(diào)整后的車輪蓋模具件在定遠(yuǎn)試驗(yàn)場(chǎng)做 30000km道路試驗(yàn)驗(yàn)證（其中強(qiáng)化路 12000km，山路8000km，高環(huán)8000km，公路2000km），未出現(xiàn)卡腳斷裂和脫落現(xiàn)象，符合整車設(shè)計(jì)要求。

[1]《汽車工程手冊(cè)》編輯委員會(huì). 汽車工程手冊(cè)設(shè)計(jì)篇[M]. 北京:人民交通出版社,2001.05.

[2] 董金虎,李春艷,李新.CAE技術(shù)在解決汽車車輪蓋注射缺陷中的應(yīng)用[J].模具工業(yè),2006,32(2)14-17.

[3] 王鈺棟等. HyperMesh&HyperView應(yīng)用技巧與高級(jí)實(shí)例[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2013.01.