基于Hyperworks車輪輻板輕量化設(shè)計

楊情操　張開　陸明　鄒亮　徐長倩

摘 要：以某車輪輻板為研究對象，建立基于Hyperworks的有限元模型。對通風(fēng)孔進行優(yōu)化布局，盡可能加大通風(fēng)孔尺寸，滿足制動散熱需要，并對通風(fēng)孔進行美觀造型設(shè)計，滿足結(jié)構(gòu)強度、剛度和板厚度尺寸為約束，整體質(zhì)量最小為目標的尺寸優(yōu)化，得到最佳的尺寸配置。優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)單件質(zhì)量下降283g，單臺車質(zhì)量下降1981g，取得較好的優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞：車輪輻板；Hyperworks；輕量化

中圖分類號：U463.34 文獻標識碼：A 文章編號：1005-2550（2018）03-0016-04

Based on the Light Quantitative Design of the Hyperworks Wheel Spoke Board

YANG Qing-cao1， ZHANG Kai2，LU Ming1，ZOU Liang1，XU Chang-qian1

（1.NAVECO LTD， Jiangsu Nanjin 210028；

2.Changan Mzada Automobile co.，Ltd， Jiangsu Nanjin 211103）

Abstract： A finite element model based on Hyperworks is established in this paper. Optimize the vent layout， increase the vent size as far as possible， meet the needs of the brake cooling， and the vents are beautiful modelling design， satisfy the structural strength， stiffness and thickness of the plate size as constraint， the target of minimizing the overall quality of size optimization， the size of the best configuration. After the optimized structure， the quality of the single unit was reduced by 283g， and the quality of the single-stage vehicle decreased by 1981g， which achieved a better optimization effect.

1 引言

車輪是輕型商用車必不可少的部件之一。車輪與輪胎合成，固定輪胎內(nèi)緣，支持輪胎并與輪胎共同承受負荷。車輪和輪胎通過輪胎充氣后形成的壓力和摩擦力，實現(xiàn)彼此之間的正確配合和力的傳遞，同時與前后橋輪邊通過螺栓聯(lián)接，接收車橋傳遞過來扭矩，并將其傳遞至輪胎。

車橋輪邊一般有制動器，故車輪需要考慮空間布置問題，由于空間的局限性，輻板形狀設(shè)計就需要特別考慮制動器配合間隙問題。要保證制動器制動后熱量迅速散掉，車輪輻板上一般都有一組通風(fēng)孔，同時為降低簧下質(zhì)量，減少振動，需要盡可能降低重量[1]。

車輪輪輞加工工藝為旋壓成型，輻板加工工藝為旋壓成型。輪輞和輻板采用焊接成型，工藝簡單。為進一步對某輕型商用車的車輪輻板進行優(yōu)化，增加通風(fēng)孔的散熱面積，降低重量，提高美觀度，對該車輪輻板進行優(yōu)化分析。

根據(jù)造型及通風(fēng)需要，對5JK×16H規(guī)格的車輪輻板原結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)進行了改進，對于改進后車輪輻板強度能否滿足要求，相比較傳統(tǒng)的驗證方式，采用Hyperworks集成軟件[2-3]進行仿真分析，可以有效縮短驗證時間及費用，降低開發(fā)風(fēng)險[4-5]。

2 車輪輪輞三維數(shù)據(jù)建立

對改進前后車輪輻板采用CATIA軟件創(chuàng)造三維數(shù)模，改進前后輻板形狀和厚度相同，將原來的6個輻板孔改為12個，孔的形狀和尺寸也有所改變。單件質(zhì)量下降283g，按每臺車車輪數(shù)量7個為例，單臺車質(zhì)量下降1981g，改進前后車輪輻板數(shù)模如圖1所示。優(yōu)化后雖然單個通風(fēng)孔面積減少，但由于數(shù)量增加一倍，單件通風(fēng)孔面積由11946mm2提升至18192 mm2，改進前后車輪輻板單個通風(fēng)孔面積對比如圖2所示。

3 車輪輪輞有限元分析

根據(jù)輕型汽車車輪技術(shù)規(guī)范，5JK×16H規(guī)格的車輪靜力半徑R=348mm，輻板內(nèi)偏距d=108mm，輪胎的最大負荷F=9800N，強化試驗系數(shù)S=1.1。

根據(jù)《GB/T5909載貨汽車車輪性能要求和試驗方法》，取輪胎與路面之間的摩擦系數(shù)μ=0.7，應(yīng)用試驗載荷產(chǎn)生的彎矩計算公式M=（μR+d）FS，計算得到M=3790Nm。取力臂長為1m，得到試驗載荷P=3790N。

建立仿真模型，計算采用了Hyperworks9.0集成軟件，求解序列為101，對輻板進行靜態(tài)線性分析。

因為只對輻板做對比分析，主要分析改變輻板孔的數(shù)量和形狀后對輻板強度的影響，因此只建立了輻板和輪輞的有限元模型。綜合考慮計算精度和計算時間，輻板和輪輞全部采用了6面體一次單元，單元大小為4×4×1，應(yīng)力集中處還進行了局部精細劃分，輻板和輪輞之間的焊接通過膜單元焊接模擬。輻板安裝孔用RBE2單元剛性連接成一體。局部有限元網(wǎng)格模型如圖3所示。

輻板和輪輞的材料為分別SS400和SS330，其彈性模量均為E=2.1×105MPa，屈服強度為σs≧245 MPa，將材料屬性賦予對應(yīng)單元。

為模擬彎曲疲勞試驗的加載方式，均勻選取輪輞邊緣節(jié)點，約束6個方向的自由度。同時在偏離輻板平面1m遠處，施加載荷P=3790N。

經(jīng)過軟件計算，得到改進前后輻板的應(yīng)力云圖，如圖4和圖5所示。

觀察應(yīng)力云圖發(fā)現(xiàn)，輻板最大應(yīng)力發(fā)生在輻板孔處。改進前后輻板孔邊緣最大應(yīng)力均小于材料的屈服極限，且改進后輻板孔邊緣最大應(yīng)力比改進前有所減小。

對徑向載荷強度計算，按強化試驗系數(shù)S=2.2，車輪負荷F=9800N計算得到徑向載荷Fτ=21560N，分為兩個平行力加載在輪輞邊緣上，如圖6所示。

經(jīng)過計算得到，徑向載荷下，輻板最大應(yīng)力發(fā)生在輻板邊緣。改進前輻板的應(yīng)力云圖，如圖7所示，輻板孔局部應(yīng)力云圖，如圖8所示。改進后輻板的應(yīng)力云圖，如圖9所示，改進后輻板孔局部應(yīng)力云圖，如圖10所示。

觀察徑向載荷作用下的應(yīng)力云圖，改進前后輻板的最大應(yīng)力分布相同，孔周圍應(yīng)力也很接近。

得出結(jié)論：在以上彎曲載荷條件下，改進后的車輪輻板比改進前強度要好。在徑向載荷下，改進前后強度幾乎不變。

原因分析：改進后雖然輻板孔的數(shù)量多了，但其尺寸相對要小，同時分散了單孔周圍的應(yīng)力集中，因此恰當(dāng)增加輻板孔的數(shù)量，對減小其周圍應(yīng)力集中有好處。

4 試驗驗證

對優(yōu)化設(shè)計后的車輪總成，按輪胎最大負荷9800N，強化系數(shù)1.1，試驗轉(zhuǎn)速500轉(zhuǎn)/分鐘，彎矩負荷386.76Kgf·m。進行動態(tài)彎曲疲勞性能20萬次循環(huán)和動態(tài)徑向疲勞性能100萬次循環(huán)試驗。試驗結(jié)束后采用熒光探傷法檢測，未發(fā)現(xiàn)有裂紋，滿足性能要求。試驗后樣件如圖11所示。

5 結(jié)語

根據(jù)造型及通風(fēng)需要，對5JK×16H規(guī)格的車輪輻板原結(jié)構(gòu)和改進結(jié)構(gòu)進行了改進，對于改進前后車輪利用Hyperworks軟件建立車輪的有限元模型，并通過仿真分析，進行了輕量化設(shè)計，得到了以下結(jié)論：

（1）通過選擇合理的通風(fēng)孔開孔位置，加大通風(fēng)面積，單件通風(fēng)孔面積由11946mm2提升至18192mm2，提高了制動器散熱空間[6]，從而實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)單件質(zhì)量下降283g，單臺車質(zhì)量下降1981g，并且通過了臺架試驗驗證。

（2）通過仿真分析，盡可能對倒角進行優(yōu)化，進一步降低應(yīng)力，并且提高美觀度。

參考文獻：

[1]楊情操.一種輕型車輛實用新型專利：ZL20152095

4536.7[P].2016.4.13.

[2]李林，王登平，陳傳增等.基于HyperWorks的某重卡輪輞開裂分析及改進[J].汽車實用技術(shù).2016（5）.

[3]吳勁松，周金宇.基于Hyperworks大型卷板機上梁輕量化設(shè)計[J].機械設(shè)計與制造.2016（10）.

[4]劉維達，王鐵，申晉憲等.基于響應(yīng)面法的駕駛室懸置系統(tǒng)平順性優(yōu)化[J].汽車工程.2017（3）.

[5]董迎暉，余晗.基于HyperWorks的參數(shù)化有限元分析平臺研究[J].合服工業(yè)大學(xué)學(xué)報.2017（4）.

[6]梁文英.基于整車匹配的盤式制動器參數(shù)化設(shè)計與優(yōu)化[D].武漢理工大學(xué).2012.