基于CATIA V5的汽車車輪鋼圈進行有限元分析

ainet.cn 2009年02月10日

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汽車車輪承受著車輛的垂直負荷、橫向力、驅動（制動）扭矩和行駛過程中所產(chǎn)生的各種應力，它是高速回轉運動的零件、要求尺寸精度高、不平衡度小、支撐輪胎的輪輞外形準確、質量輕，并有一定的剛度、彈性和耐疲勞性。因此要求車輪具有足夠的負載能力及速度能力、良好的緩沖性和氣密性、良好的均勻性和質量平衡性、精美的外觀和裝飾性、尺寸精度高、質量小、價格低、拆裝方便、互換性好等。車輪材料的選用，車輪結構和制造工藝與上述要求密切相關，是決定車輪性能好壞的關鍵因素。

2車輪材料的選用

目前，全世界的汽車車輪，不管是載重汽車車輪還是轎車車輪，所用材料基本分為兩種，即鋼材和鋁合金材料，這兩種材料制造的車輪所占市場份額為95％，研究汽車車輪的各種工藝特性與這兩種

材料的特性是分不開的。隨著世界各國政府對節(jié)能、安全、環(huán)保的要求日趨嚴格，車輪材料的選擇就成為一個焦點問題，即鋁合金和鋼的選擇問題。

此外，隨著材料技術的發(fā)展和人們對車輪質量的要求不斷提高，一些新型材料也被用于制造汽車車輪。

2.1鋼制車輪

長期以來，鋼制車輪在汽車車輪中占主導地位，但是自上世紀80年代起，鋼輪的市場份額逐步減小，被鋁合金所代替。鋼輪份額快速下跌的原因有多方面的因素，而外觀吸引力是最主要的因素。鋼制車輪在低成本和安全性方面較鋁合金車輪具有很大的優(yōu)勢，因此，目前的載重汽車車輪大部分是鋼材制造的。但鋼制車輪的缺點也是非常明顯的，鋼材的加工成型性能和制造工藝決定了鋼輪難以做到鋁合金車輪那樣的結構和外形多樣化。同時，鋼車輪質量大，制造和使用鋼車輪消耗的能量都比鋁制車輪大得多。

近年來，面對替代品的滲透和挑戰(zhàn)，國際鋼輪行業(yè)在技術方面進行一系列的革新，包括：(1)新材料微合金鋼HSLA，雙相鋼(DP)和貝氏體鋼等高強度和先進高強度鋼種成功開發(fā)并逐步應用于制造車輪，為鋼輪減輕質量和更加大膽的款式設計創(chuàng)造了條件。據(jù)統(tǒng)計，HSLA車輪比一般碳素鋼車輪重量輕約15％。(2)新工藝，國際鋼輪行業(yè)與設備制造商緊密合作研究發(fā)展了旋壓生產(chǎn)工藝，應用到鋼制車輪生產(chǎn)中。目前商用車無內胎車輪的輪輻使用旋壓生產(chǎn)工藝已非常普遍，Magnetto Wheels的法國工廠和Hayes Lemmerz International的西班牙工廠開始投入小批量生產(chǎn)，日本Topy和美國Arvin Meritor稱已掌握了這項技術[1]。

在巨大的成本壓力和鋼制車輪的制造技術和材料技術革新的局勢之下，國際汽車業(yè)也開始重新評估鋼輪和鋁輪的價值。

2.2鋁制車輪

據(jù)統(tǒng)計，轎車使用鋁合金車輪的比例高達90％以上[1]。鋁合金車輪與鋼輪相比，具有如下優(yōu)勢：

（1）美觀、舒適和節(jié)能等優(yōu)勢；

（2）非載荷質量小，從而提高了抓地性表現(xiàn)出更為精確的轉向動作和更好的轉彎性能；

（3）慣性小，改善了加速性和制動性；鋁合金具有良好的導熱性能，提高了制動系統(tǒng)的散熱性能，大幅度降低了由高熱導致的制動失靈。

除此之外，鋁合金車輪還有耐腐蝕、成形性好、減震性能好、輪胎壽命長、尺寸精確、平衡好、加工精準、材料利用率高等顯著優(yōu)點，符合現(xiàn)代汽車安全、節(jié)能、環(huán)保三大主題的要求。這對降低汽車自重、減少油耗、減輕環(huán)境污染與改善操作性能等有著重大意義，因此鋁合金已成為汽車車輪的首選材料[2]。

2.3其它材料的車輪

（1）鎂合金車輪鎂在實用金屬中密度最小，它帶給汽車的好處一是能減輕整車重量，減少油耗。二是強度高于鋁合金和鋼，剛度接近鋁合金和鋼，能夠承受一定的負荷。三是具有良好的鑄造性和尺寸穩(wěn)定性，易加工，廢品率低，降低了生產(chǎn)成本。四是具有良好的阻尼系數(shù)，減振量大于鋁合金和鑄鐵，用作輪圈可以減少振動，提高汽車的安全性和舒適性。

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展,轎車車輪開始采用鑄造鎂合金。但由于這類鑄件試驗條件十分嚴格和氣密性要求高,同時還要求工藝出品率高,生產(chǎn)成本低,給鑄造生產(chǎn)帶來極大困難，因此成本仍偏高于鋁合金。盡管如此，鎂合金的應用前景仍然看好，在歐美鎂壓鑄件的采用量近幾年來呈上升趨勢。當前，發(fā)達國家的賽車及部分民用高檔車正在使用鎂合金輪轂，大幅度提高鎂合金鍛造輪轂的用量。用鎂合金制造車輪，是高檔汽車發(fā)展的一個趨勢[3]。

汽車車輪是汽車的重要部件，汽車與地面之間的所有相互作用力和力矩(例如驅動力、制動力、側向力、垂直力以及回力矩等)都是通過車輪傳遞，因此車輪對汽車的多種性能有重要的影響，尤其是安全性和可靠性。由于車輪是回旋體，所以要求尺寸精度高，平衡度好，支撐輪胎的輪輞外形(包括輪廓、尺寸、形狀)正確，而且具有一定的剛度和彈性，耐疲勞，重量輕，經(jīng)歷適用。

本文在分析了車輪結構特點之后，介紹了應用CATIA V5 有限元法對車輪進行結構分析時的力學模型簡化方法，然后對車輪的彎曲和徑向疲勞臺架試驗工況進行了有限元分析，來指導車輪結構的修改，獲得了較為理想的結果。

1 汽車車輪結構與特點

汽車車輪鋼圈由輪輞和輪輻組成，兩者用焊接的形式組合而成。其結構隨著使用要求和設計布局的不同而不同。本文所研究的車輪鋼圈如下圖所示。其輻板上面挖去9 個減重孔，輪緣和輪輞底部便于安裝輪胎。

圖1 汽車車輪鋼圈模型

2 CATIA V5 有限元分析的特點

CATIA 是法國達索公司開發(fā)的一種CAD/CAE/CAM 軟件。CATIA 軟件以其強大的功能在飛機、汽車、輪船等設計領域享有很高的聲譽。創(chuàng)成式有限元分析(Generative Structure Analysis)是CATIA V5 軟件一個比較成熟的模塊，它能夠同CATIA 其他模塊進行數(shù)據(jù)共享，在同一個界面下進行有限元分析操作。同專業(yè)的有限元分析軟件相比較，它具有操作簡單，分析結果可靠性好，同時不需要對分析模型進行數(shù)據(jù)轉化，因而受到越來越廣泛的關注和應用。

在CATIA V5 種進行有限元分析的流程如下圖所示：

3 汽車車輪鋼圈有限元分析

3.1 車輪鋼圈有限元分析模型建立

(1).結構。

車輪鋼圈模型完全按照圖紙尺寸建立，幾乎未做簡化，防止產(chǎn)生以外誤差，避免影響分析結果。

(2).邊界條件和載荷。

針對汽車車輪鋼圈彎曲疲勞臺架試驗和徑向疲勞臺架試驗工況，對車輪鋼圈進行計算機有限元模擬強度和剛度分析。參照給定的試驗條件，我們進行了如下兩種工況條件下的有限元分析

工況一：模擬汽車車輪鋼圈的彎曲疲勞臺架試驗。

約束方式：輪輻支撐面接觸區(qū)固定

負荷方式：(a). 輪緣周邊施加彎矩M，彎矩大小為：M=2683N.m；(b). 緊固孔錐面施加軸向力F；軸向力大小為：F=25000N×6。

工況二：模擬車輪鋼圈的徑向疲勞臺架試驗。

約束方式：輪輻緊固孔接觸區(qū)固定

負荷方式：a. 輪緣垂直平面施加兩個軸向力L，這兩個軸向力大小相等、方向相反，沿周邊均勻分布；軸向力L 的大小為：L=49478N；b. 輪輞兩側胎圈座中軸線左右各20mm 范圍內均勻施加徑向力P1、P2，徑向力P1、P2 分別為：P1、P2=3528N；中軸線左右各20~50mm 范圍內施加徑向力P3、P4、P5、P6，其值大小為：P3、P4、P5、P6=1176N。

3.2 車輪鋼圈有限元網(wǎng)格劃分

CATIA 提供了豐富的有限元單元類型，如殼單元、梁單元、桿單元、實體單元等。根據(jù)車輪鋼圈的工件特點和分析精度要求，本文采用采用軟件默認工程精度進行網(wǎng)格劃分，選用四面體立體單元。單元網(wǎng)格的大小為10mm。在定義網(wǎng)格屬性之前，我們需要對其進行材料定義，此模型為碳鋼材料模型，彈性模量為：2.0e+5Mpa; 泊松比為：0.27。單元網(wǎng)格屬性為實體屬性。手孔、緊固孔、輪緣等重點部位單元細化，以求提高分析結果的精確度。

車輪鋼圈共劃分實體單元52,251 個，節(jié)點數(shù)位17,760 個。如下圖所示：

圖3 汽車車輪鋼圈模型

3.3 有限元模型計算及數(shù)據(jù)輸出分析

運用CATIA V5 創(chuàng)成式結構分析模塊，對對上面建立的鋼圈有限元分析模型進行分析求解。此模型的計算目的就是分析汽車車輪鋼圈在這倆種工況條件下的應力分布情況，得到它們的應力大小及分布圖。圖3 為彎曲疲勞臺架試驗工況下的應力云圖，圖4 為徑向疲勞臺架試驗工況下的應力云圖。

從圖4 中可以得到，變形集中區(qū)域位置主要位于輪輞邊緣和輪輻中心孔邊緣，應力集中區(qū)域位置主要在輪輻支撐面、螺栓孔周圍、手孔邊緣，最大應力點數(shù)值，8.55e+8N/m2(螺栓孔錐面)。從圖5 中可以得到，變形集中區(qū)域位置主要位于輪緣徑向受力一側，應力集中區(qū)域位置主要在輪輞輪緣、螺栓孔錐面、手孔邊緣，最大應力點數(shù)值：3.63e+8N/m2(螺栓孔錐面)。