汽車輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

馬懷財(cái)

摘 要：基于ANSYS對(duì)汽車輪轂進(jìn)行了靜態(tài)受力分析和疲勞分析，將輪轂分解成扇形模型，在輪轂承受載荷為146Mpa時(shí)，得出輪轂輪緣附近的最大應(yīng)變和應(yīng)力;在進(jìn)行疲勞分析時(shí)，對(duì)輪轂施加175N·m的扭矩，循環(huán)周數(shù)取108次，得出輪轂輪心附近的最大應(yīng)變和應(yīng)力，通過靜態(tài)受力分析和疲勞分析提出了在本文所定義的材料屬性條件下，設(shè)計(jì)輪轂應(yīng)注意輪緣的強(qiáng)度問題和輪心附近的圓角大小問題，使輪轂的設(shè)計(jì)更加合理、安全可靠、輕量化，對(duì)汽車行駛過程中的安全性和可操縱性有著重要的意義。

關(guān)鍵詞：靜態(tài)受力分析;疲勞分析;輕量化

引言：汽車輪轂作為汽車行駛系統(tǒng)中重要組成部分，除滿足相應(yīng)的性能外還要求做到盡可能的輕，靜態(tài)受力分析和疲勞分析解決了汽車輪轂設(shè)計(jì)在滿足安全性、可靠性的條件下，如何使輪轂更加輕量化的問題。把汽車在行駛時(shí)受到路面的垂直反作用力簡化成輪轂在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)受到的徑向力，進(jìn)行靜態(tài)分析;把汽車行駛時(shí)地面給輪轂的切向反作用力等效成輪轂所受的扭矩，設(shè)定108的循環(huán)次數(shù)進(jìn)行疲勞分析。

一、靜態(tài)受力分析

輪轂的設(shè)計(jì)采用鋁合金材料，材料屬性如表1

通過solidworks精確建模，將輪轂簡化成扇形模型，進(jìn)行靜態(tài)受力分析。采用ANSYS默認(rèn)網(wǎng)格形狀劃分，設(shè)定網(wǎng)格尺寸為 10mm。劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)118909，單元數(shù)66482。

在ANSYS靜力學(xué)分析中，固定軸承空面，對(duì)汽車輪轂施加徑向受力載荷146Mpa如圖1，輪轂受到的最大應(yīng)力為2.2x104 Mpa，最小應(yīng)力為0.397Mpa;應(yīng)變?cè)茍D如圖2，輪轂最大應(yīng)變?yōu)?.245m，最小應(yīng)變?yōu)?，最大應(yīng)變位于輪緣位置，此處最容易發(fā)生輪轂失效。

二、疲勞分析：

對(duì)輪轂進(jìn)行網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格大小為2cm。劃分后節(jié)點(diǎn)數(shù)343628，單元數(shù)200605。

汽車在瀝青路面行駛時(shí)，與地面的滾動(dòng)摩擦系數(shù)為0.25，假設(shè)汽車重2000Kg，由公式f=λG，計(jì)算得f=500N，車輪直徑d=0.7m，M=175N·m.對(duì)輪轂施加175N·m的扭矩，如圖3，輪轂最大應(yīng)力1.2Mpa，最小應(yīng)力1.8x10-6pa，最大應(yīng)變5.6x10-7m，最小應(yīng)變0，如圖4。

疲勞壽命最大108，最小0;疲勞損傷最大1032，最小10。

三、結(jié)論：

1）輪轂在受徑向力時(shí)輪轂邊緣的應(yīng)力和應(yīng)變最大，汽車在行駛過程中此處最容易損壞，在設(shè)計(jì)過程中要重點(diǎn)考慮輪緣強(qiáng)度問題，在制造時(shí)避免此處出現(xiàn)非晶體缺陷。

2）汽車在行駛過程中，輪形與車軸結(jié)合的部位最容易產(chǎn)生累計(jì)損傷，輪轂設(shè)計(jì)制造時(shí)應(yīng)避免此處出現(xiàn)表面缺陷和損傷，邊緣處應(yīng)使用圓角，金屬表面是疲勞裂紋源易于產(chǎn)生的地方，因此需要對(duì)此處進(jìn)行表面強(qiáng)化處理。

3）輪轂的輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)重點(diǎn)考慮輪輻的設(shè)計(jì)，主要包括輪輻的結(jié)構(gòu)和形狀。

參考文獻(xiàn)：

[1]韋洲，張曉光，徐洪琛.基于有限元的鋁合金汽車輪轂彎曲疲勞分析.遼寧工業(yè)大學(xué)：機(jī)械工程與自動(dòng)化學(xué)院.2018

[2]閆勝昝，劉偉鵬.基于有限元分析的鋁合金輪轂造型設(shè)計(jì).安慶師范學(xué)院：計(jì)算機(jī)與信息學(xué)院;萬豐奧威汽輪股份有限公司：技術(shù)中心.2014

[3]張總.鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)優(yōu)化及試驗(yàn)分析.長沙航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院.2013

[4]敦勃文，張響，韓滄，劉偉鵬，張三川.鋁合金輪轂沖擊試驗(yàn)瞬態(tài)有限元分析.鄭州大學(xué)力學(xué)與工程科學(xué)學(xué)院，浙江萬豐奧威汽輪股份有限公司，鄭州大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院.2018

[5]李曉敏.我國汽車鋁合金輪轂發(fā)展現(xiàn)狀及建議.洛陽有色金屬加工設(shè)計(jì)研究院.2011

[6]李飛，張盛，彭海軍，陳飆松.考慮局部非線性結(jié)構(gòu)振動(dòng)的模型預(yù)測控制.大連理工大學(xué)工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室：工程力學(xué)系.2018、

[7]李奇宏，劉文勝，馬運(yùn)柱，楊肅，楊力.基于Workbench的機(jī)輪輪轂靜力強(qiáng)度分析方法探究.中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室.2018