一種復(fù)合材料車輪的設(shè)計(jì)解析

張偉 肖令

摘 要：本文針對(duì)復(fù)合材料車輪緊固問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種輕金屬夾層結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)車輪的可靠連接。并分析了車輪轉(zhuǎn)矩的傳遞，以及復(fù)合材料受壓部位的壓縮強(qiáng)度。

關(guān)鍵詞：車輪；復(fù)合材料；設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：TQ330 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料具有輕質(zhì)高強(qiáng)的特點(diǎn)，在民用領(lǐng)域的應(yīng)用日益廣泛。碳纖維本身耐高溫、耐摩擦、導(dǎo)電、導(dǎo)熱及耐腐蝕，外形有顯著的各向異性、柔軟、可加工成各種織物，沿纖維軸方向表現(xiàn)出很高的強(qiáng)度。將碳纖維作為復(fù)合材料的增強(qiáng)材料，與采用其它材料增強(qiáng)的復(fù)合材料相比，具有顯著的性能優(yōu)勢(shì)。碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料的比強(qiáng)度、比模量綜合指標(biāo)，在現(xiàn)有結(jié)構(gòu)材料中是最高的。

2020年，中國(guó)乘用車平均燃料消耗量標(biāo)準(zhǔn)為5L/100km，同時(shí)將實(shí)施更加嚴(yán)格的CO2排放標(biāo)準(zhǔn)。政策制定反映出，能源短缺及環(huán)境污染問(wèn)題已成為國(guó)家社會(huì)關(guān)注的重點(diǎn)問(wèn)題，也是當(dāng)前及未來(lái)制約汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的突出問(wèn)題。無(wú)論是從社會(huì)效益還是經(jīng)濟(jì)效益來(lái)考慮，低能耗、低排放的汽車都是未來(lái)發(fā)展的需要。輕量化是汽車節(jié)能減排的重要手段，已成為汽車發(fā)展的必然趨勢(shì)。有研究表明：汽車質(zhì)量每下降10%，油耗下降約6%～8%，排放量下降13%。汽車車輪作為簧下質(zhì)量，對(duì)整車輕量化具有放大效應(yīng)。更小的簧下質(zhì)量同時(shí)意味著懸掛系統(tǒng)擁有更好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力以及車輛的操控性。將碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料應(yīng)用于汽車車輪與目前鋁合金車輪相比，可實(shí)現(xiàn)車輪輕量化30%～50%，對(duì)于汽車節(jié)能降耗及車輛舒適性具有重要意義。澳大利亞的Carbon Revolution公司在連續(xù)纖維增強(qiáng)復(fù)合材料車輪方面進(jìn)行了廣泛研究，德國(guó)梅賽德斯-奔馳在長(zhǎng)纖維（玻纖）增強(qiáng)復(fù)合材料車輪方面進(jìn)行了研究。中國(guó)此方面的研究處于起步階段。

在將碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用于車輪設(shè)計(jì)的過(guò)程中，車輪的緊固問(wèn)題尤為突出。采用現(xiàn)有的鋁合金車輪設(shè)計(jì)方案直接通過(guò)螺栓裝配車輪后，在疲勞試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)螺栓扭矩下降。為解決此問(wèn)題，保證連接可靠性，設(shè)計(jì)了漢堡結(jié)構(gòu)方案，如圖1所示。并對(duì)此結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)矩和壓縮性能進(jìn)行了分析。

1 轉(zhuǎn)矩分析

驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)螺栓將轉(zhuǎn)矩傳遞給驅(qū)動(dòng)輪。驅(qū)動(dòng)輪組成包括正面輕合金盤、復(fù)合材料體、安裝面輕合金盤和輪胎。復(fù)合材料體置于兩塊輕合金盤之間。

1.1 基本原理

根據(jù)汽車行駛的附著條件，地面對(duì)輪胎切向反作用力的極限值（最大值）為附著力Fxmax。

Fxmax=Fzφ

式中：Fz—地面作用在車輪上的法向反力；φ—附著系數(shù)，與路面和輪胎有關(guān)。

常見(jiàn)路面的平均附著系數(shù)見(jiàn)表1。

表1 常見(jiàn)路面的平均附著系數(shù)

路面條件 附著系數(shù)

干瀝青路面 0.7～0.8

濕瀝青路面 0.5～0.6

干燥的碎石路 0.6～0.7

干土路 0.5～0.6

濕土路 0.2～0.4

滾壓后的雪路 0.2～0.3

1.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

目標(biāo)車型靠前輪驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)輪承受車身質(zhì)量為500kg，車輪規(guī)格17×7英寸，偏距38mm，布置5個(gè)螺栓孔，螺栓孔節(jié)圓直徑100mm，輪胎型號(hào)225/45 R17，采用10.9級(jí)M14×1.5螺栓進(jìn)行緊固。

1.3 受力分析

汽車在附著系數(shù)最大的路面行駛時(shí)車輪獲得最大切向反作用力，此時(shí)車輪傳遞轉(zhuǎn)矩最大。以在平地直線行駛時(shí)的情況進(jìn)行簡(jiǎn)化分析。驅(qū)動(dòng)輪受力如圖2所示。

其中：Fv—車身的垂直壓力；T—驅(qū)動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩；Gw—車輪自重；Fx—地面對(duì)輪胎切向反作用力；Fz—地面對(duì)車輪的法向反力。

地面對(duì)輪胎切向反作用力為Fx= Fzφ=（Fv+Gw）φ。其中Fv=500kg ×9.81N/kg=4905N，車輪自重Gw=18kg× 9.81N/kg=176.6N，取附著系數(shù)φ為干瀝青路面時(shí)的最大值0.8，則

Fxmax=（4905+176.6）×0.8=4065.3N

由JATAMA手冊(cè)可查得225/45 R17輪胎的動(dòng)載半徑為Rdl=0.307m，則車輪可傳遞的最大轉(zhuǎn)矩為：

Tmax=Fxmax×Rdl=4065.3N×0.307m=1248.0Nm

1.4 轉(zhuǎn)矩傳遞分析

車輪受到來(lái)自驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩T=T1+ T2，如圖3所示。

式中：T1—驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)螺栓傳遞到車輪的轉(zhuǎn)矩；T2—驅(qū)動(dòng)軸通過(guò)安裝面之間的摩擦力傳遞到車輪的轉(zhuǎn)矩。

假設(shè)T2為零，則驅(qū)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩完全通過(guò)螺栓傳遞至車輪。在車輪結(jié)構(gòu)中，轉(zhuǎn)矩通過(guò)正面輕合金盤傳遞至復(fù)合材料體。T2為零時(shí)是正面合金盤傳遞轉(zhuǎn)矩最大情況，需保證其與復(fù)合材料體之間不發(fā)生滑動(dòng)。

1.5 螺栓預(yù)緊力

車輪正面輕合金盤如圖4所示。外半徑R為64mm，螺栓孔半徑為12mm，中心孔半徑r為28mm。根據(jù)裝配技術(shù)要求，單個(gè)M14螺栓的預(yù)緊力矩為Mt=130±10Nm，其預(yù)緊力為：

式中：K—擰緊力系數(shù)；d—螺紋公稱直徑。

表2常見(jiàn)表面的擰緊力系數(shù)

摩擦表面狀況 有潤(rùn)滑 無(wú)潤(rùn)滑

精加工表面 0.10 0.12

一般加工表面 0.13～0.15 0.18～0.21

表面氧化 0.20 0.24

鍍鋅 0.18 0.22

干燥的粗加工表面 0.26～0.3

根據(jù)車輪彎曲疲勞試驗(yàn)技術(shù)要求，螺栓扭矩下降達(dá)到初始扭矩的30%判定為失效。并且此時(shí)正面輕合金盤與復(fù)合材料體之間的壓力最小，極易發(fā)生相對(duì)滑動(dòng)。此時(shí)，M14螺栓最小殘余預(yù)緊力矩為：

Mtmin=0.7×120Nm=84Nm

正面輕合金盤的螺栓孔為精加工表面，選用擰緊力系數(shù)0.12，則5個(gè)M14螺栓的最小殘余預(yù)緊力合力為：

1.6 輕合金盤摩擦轉(zhuǎn)矩分析

螺栓孔簡(jiǎn)化不計(jì)，根據(jù)圓環(huán)摩擦轉(zhuǎn)矩的傳遞公式，正面輕合金盤通過(guò)摩擦力傳遞到復(fù)合材料體的最小轉(zhuǎn)矩：

由1.4分析可知，T3=T1=T-T2，即12087.0u=1248.0

可得

選用安全系數(shù)1.2，則保證正面輕金屬盤與復(fù)合材料體之間的摩擦系數(shù)大于0.12，即滿足轉(zhuǎn)矩傳遞條件。具體措施是增加二者的表面粗糙度或采用膠接。

2 復(fù)合材料耐壓分析

對(duì)于此種結(jié)構(gòu)，碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料體的另一種失效模式是發(fā)生壓縮破壞。

2.1 壓應(yīng)力計(jì)算

由1.5可知，復(fù)合材料體所受最大壓力：

通過(guò)Catia V5軟件測(cè)量數(shù)模，復(fù)合材料體的承壓面積S為7963.94mm2，計(jì)算可得復(fù)合材料體受壓應(yīng)力為：

2.2 壓應(yīng)力測(cè)試

選取24mm長(zhǎng)，16mm寬的樣塊進(jìn)行壓縮測(cè)試，其應(yīng)力-應(yīng)變曲線如圖5所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果，可計(jì)算出復(fù)合材料體的壓縮強(qiáng)度為：

由此可知，螺栓緊固部位的復(fù)合材料體壓縮性能滿足要求。

結(jié)語(yǔ)

此次研制的復(fù)合材料車輪已進(jìn)行多次試驗(yàn)，緊固問(wèn)題得到有效解決，多項(xiàng)設(shè)計(jì)方案獲得實(shí)用新型專利。同時(shí)在13°沖擊試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)和徑向疲勞試驗(yàn)方面取得了突破性進(jìn)展。

參考文獻(xiàn)

[1]國(guó)務(wù)院關(guān)于印發(fā)節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）的通知[Z].國(guó)發(fā)〔2012〕22號(hào).