汽車輪轂抗沖擊輪緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝控制方法

張國智(新鄉(xiāng)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，新鄉(xiāng) 453003)

智能制造的意義不單單在強(qiáng)調(diào)技術(shù)，更是在強(qiáng)調(diào)節(jié)能、環(huán)保的制造理念，汽車作為近期無法淘汰的地面交通工具，未來必須要適應(yīng)智能制造時(shí)代的節(jié)能和環(huán)保的發(fā)展理念，因而，關(guān)于汽車結(jié)構(gòu)件的各方面的設(shè)計(jì)均涉及輕量化的問題[1]，對(duì)其的研究也已成為熱點(diǎn)之一.隨著研究的逐步深入，取得了一些研究成果，如：對(duì)車輛懸架系統(tǒng)的優(yōu)化[2]、汽車驅(qū)動(dòng)軸多目標(biāo)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[3]、汽車B柱優(yōu)化設(shè)計(jì)[4]，鎂合金在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[5]等.對(duì)于汽車而言，主要承載部件最為重要的就是輪轂，隨著整車輕量化的要求，對(duì)輪轂的輕量化設(shè)計(jì)要求也逐漸嚴(yán)苛，同時(shí)，要求在結(jié)構(gòu)不能大修改時(shí)還要保證其抗沖擊性能，因而，關(guān)于其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及工藝的優(yōu)化控制的研究就十分重要.目前，關(guān)于此方面的研究尚不深入、系統(tǒng)，基于此，結(jié)合動(dòng)靜法和有限元分析方法，對(duì)輪轂輪緣的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝控制方法進(jìn)行了深入、系統(tǒng)的研究.

1 門檻沖擊實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)介

在測(cè)試輪轂抗沖擊能力的實(shí)驗(yàn)是門檻實(shí)驗(yàn)，具體實(shí)驗(yàn)過程是：首先，將輪轂安裝在車上，車以60 km/h的速度撞擊與行進(jìn)方向成60度的路障，路障為直徑是200 mm的鋼制圓柱，此路障一半露在地上，然后，當(dāng)車沖過路障后卸下輪子，測(cè)量輪轂撞擊處的輪緣凹陷值，以此來測(cè)試輪轂強(qiáng)度.輪轂的截面簡(jiǎn)圖如圖1所示，門檻實(shí)驗(yàn)簡(jiǎn)圖如圖2所示.

圖1 輪轂截面簡(jiǎn)圖

圖2 輪轂門檻實(shí)驗(yàn)示意圖

2 基于動(dòng)靜法的計(jì)算方案的提出

門檻實(shí)驗(yàn)是一個(gè)非常復(fù)雜的瞬間沖擊性實(shí)驗(yàn)，過程復(fù)雜，而且，涉及到接觸非線性、材料非線性、幾何非線性多重非線性，整個(gè)過程的有限元仿真需要大量的計(jì)算時(shí)間，有限元模型的前處理建立也非常復(fù)雜，研究輪轂抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)和工藝因素影響規(guī)律需要多次反復(fù)的動(dòng)態(tài)有限元計(jì)算，因而，要得到相關(guān)的影響規(guī)律需要大量的計(jì)算時(shí)間.根據(jù)動(dòng)靜法，可將整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程等效為一個(gè)靜態(tài)過程，將動(dòng)態(tài)沖擊的沖擊力作為靜態(tài)計(jì)算的施加載荷而建立靜態(tài)等效的非線性有限元模擬，因而，將有效地簡(jiǎn)化前處理過程，并且有效降低計(jì)算時(shí)間，沖擊力可通過動(dòng)態(tài)的沖擊模擬、理論計(jì)算、實(shí)驗(yàn)測(cè)試得到，進(jìn)而可快速而準(zhǔn)確地得到輪轂抗沖擊性能的結(jié)構(gòu)和工藝因素影響規(guī)律，具體計(jì)算方案如圖3所示.

圖3 門檻實(shí)驗(yàn)動(dòng)靜法的計(jì)算方案

3 有限元模型的建立與驗(yàn)證

3.1 有限元模型的建立

門檻實(shí)驗(yàn)的等效靜力非線性的有限元模型圖4所示.輪轂中間安裝孔固定約束，門檻與輪胎表面呈30°角，約束門檻的水平與旋轉(zhuǎn)自由度，在門檻上施加沿垂直方向的等效的沖擊力，輪胎與輪轂、輪胎與門檻間建立非線性接觸，輪胎內(nèi)部施加0.2 MPa內(nèi)壓載荷，輪轂材料采用各向同性雙線性硬化彈塑性材料模型，為了保證接觸不丟失幾何特征，輪胎與輪轂輪緣均采用六面體單元.

圖4 有限元模型

3.2 有限元模型的驗(yàn)證

輪轂材料與幾何主要參數(shù)如表1所示時(shí)，進(jìn)行有限元分析，其有限元分析的變形結(jié)果如圖5所示，在圖5中顯示放大倍數(shù)為10倍.門檻實(shí)驗(yàn)后，輪轂最大凹陷處的計(jì)算結(jié)果為5.24 mm，相對(duì)180°位置的徑向突出變形量為1.05 mm，通過門檻實(shí)驗(yàn)測(cè)試，有限元計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)最大誤差為7.73 %，由此可見等效的靜力非線性有限元分析的計(jì)算結(jié)果是正確的.

表1 輪轂材料與幾何主要參數(shù)

圖5 輪轂沖擊試驗(yàn)后的有限元分析的變形

4 輪緣抗沖擊設(shè)計(jì)與工藝控制

4.1 輪緣抗沖擊影響因素研究

當(dāng)輪轂的材料參數(shù)如表1所示不變，僅結(jié)構(gòu)參數(shù)t1、t2比表1中的名義值增大或減小20%時(shí)，輪緣凹陷曲線如圖6所示.

圖6 幾何參數(shù)變化時(shí)輪緣凹陷曲線

從圖6(a)中可見，當(dāng)僅t2值增大20%時(shí)，撞擊后的輪唇處最大凹陷值增大了0.88%；從圖6(b)中可見，當(dāng)僅t1值減小20%時(shí)，撞擊后的輪唇處最大凹陷值增大了0.13%.從圖6中可見，t1、t2參數(shù)變化時(shí)輪緣凹陷曲線的變化規(guī)律不同，并且，結(jié)構(gòu)參數(shù)t1、t2均變化10%時(shí)，t2對(duì)撞擊后的輪唇處最大凹陷值影響較大.

當(dāng)輪轂的幾何參數(shù)如表1所示不變，僅材料參數(shù)σs、E、D比表1中的名義值增大或減小10%時(shí)，輪緣凹陷曲線如圖7所示.

圖7 材料參數(shù)變化時(shí)輪緣凹陷曲線

從圖7(a)中可見，當(dāng)僅屈服強(qiáng)度從152 Mpa減小到136.8 MPa時(shí)，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值增加了22.7%，而僅屈服強(qiáng)度從152 Mpa增加到167.2 MPa時(shí)，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值減少了19.5 %；從圖7(b)中可見，當(dāng)僅彈性模量從75.5 Gpa減小到68 Gpa時(shí)，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值減小了2.38 %，而當(dāng)僅彈性模量從75.5 Gpa增加到83 Gpa時(shí)，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值增加了1.71%；從圖7(c)中可見，當(dāng)僅應(yīng)變剛模數(shù)增大或減小10%時(shí)，撞擊后的輪唇處的最大凹陷值減小或增大0.27 %，曲線對(duì)稱性很好.從圖7中可見，σs、E、D參數(shù)變化時(shí)輪緣凹陷曲線的變化規(guī)律不同，并且，當(dāng)材料參數(shù)有10%波動(dòng)時(shí)，屈服強(qiáng)度對(duì)撞擊后的輪唇處最大凹陷值影響較大.

4.2 輪緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工藝控制要點(diǎn)

綜上可知，輪轂的輪唇結(jié)構(gòu)尺寸及輪轂在熱處理或其它對(duì)輪轂物理性能有較大影響的工藝方面對(duì)輪轂的輪緣抗沖擊能力會(huì)影響很大.因此，在輪緣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面要嚴(yán)格控制輪唇長度和厚度，在減重方面，建議減小輪緣的厚度；在工藝控制方面，要嚴(yán)格控制屈服強(qiáng)度、彈性模量、切線模量3個(gè)材料參數(shù)，并且，要尤其注意嚴(yán)格控制屈服強(qiáng)度.

5 結(jié) 論

1) 在輪轂減重要求下，輪唇處在減小尺寸時(shí)應(yīng)首先減小其厚度尺寸，而不要減小其長度尺寸，此種情況的減重在減掉相同體積材料下對(duì)輪轂的抗沖擊性能影響較小.

2) 輪轂的材料性能參數(shù)對(duì)其輪緣的抗沖擊性能影響較大，當(dāng)結(jié)構(gòu)尺寸減小到一定程度時(shí)，建議通過工藝控制來提高其材料性能進(jìn)而通過門檻實(shí)驗(yàn).

3) 輪轂輪緣的抗沖擊性能與材料的塑性性能較為相關(guān)，尤其材料的屈服應(yīng)力對(duì)輪轂的輪緣抗沖擊性能影響最大.

通過本文的研究為輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)和工藝控制提供了分析方法和理論依據(jù).

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