基于Pro/E的铝合金轮毂产品研发

李慧 曲文君

摘 要：本文基于Pro/E软件技术，在铝合金轮毂产品设计的初级阶段进行结构分析，并且在铝合金轮毂产品的设计和研发时，将材料本身的力学性能合理利用进来，从而优化产品的结构，较早的找到模具和结构中存在的问题或者潜在问题，这样才能够提高修改的针对性。不但能够让产品更加轻量化和美观化，还能够在提高质量的同时，降低成本、缩短时间。

关键词：Pro/E；铝合金轮毂

通过统计分析发现，由疲劳损坏导致的车轮轮毂损坏概率已经超了80%。并且轮毂损坏往往是两个原因导致的，分别是疲劳和强度。在对轮毂质量进行衡量时，疲劳性能非常重要[ 1 ]。根据相关标准规定，在检测轮毂疲劳性能时，一般都采取径向或者弯度疲劳测试，并且弯度疲劳测试结果比较接近实际情况。

笔者在本文中，主要对轮毂弯曲疲劳试验进行了分析，并研究了轮毂各个部位实际受力情况，科学预测了车轮轮毂弯曲破坏和疲劳的实际情况。

1 铝合金轮毂的设计要点

1）做好加强筋的设计。在轮毂中，轮辐边缘和安装面之间突起，呈现出环状的部分便是加强筋，也被称为凸环。进行加强筋设计的目的是进行安装面轮辐边缘以及高应力区弯曲弹性变形的区分，改变其受力。在设计的过程中，可以进行轮辐抗弯刚度的增加，避免出现弯曲变形的情况。2）进行车轮安装面的设计。对于车轮而言，轮毂和法兰面二者之间链接非常紧密，其中包含了螺栓孔、中心孔、螺母座以及支撑面等内容。中心孔间隙必须够宽松，这样在环境较差时，才不会锈死车轮轮毂。设计时应该拧紧螺栓，确保其紧力能够均匀传递，并且最高夹紧力符合应该在安装面直径最大的地方。螺栓孔通常做成锥形或球形。3）设计轮辋。此处选择的轮辋属于标准化轮辋。在设计气门时应该认真分析气门制动空间以及里程表，在确定轮辋形状时，应该全面的考虑到壁厚、轮胎以及制动系统等方面。4）通风孔和轮辐边缘。通风孔可以减轻车轮质量，散发由于传动轴、制动鼓零部件间互相摩擦而产生的热量，同时便于接近气门嘴，作为安装时的把手处，增强造型美感。在进行设计时，应该有意识的减小边缘刚度，减小轮辐和轮辋合成焊缝符合。轮辐和轮辋边缘相连，若是轮辐受到较大的冲击负荷，那么轮辐边缘容易出现弯曲或者变形，这也能够缓冲负荷。圆角半径和拔模斜度等要素，在设计车轮结构也要依据实际情况研究[ 2 ]。

1.1 低压铸造铝合金轮毂的几何结构设计

本文中的轮辋设计是根据国家相关标准，研究和分析了铝合金车轮参数化，进行了车轮的Pro/Engineer实体模型的构建[ 3 ]，以15×7J为应用实例，轮毂为整体铸造辐条式的铝合金轮毂，轮毂材料为A356.2，相当于国内ZL101A。轮毂上有五个直径为Φ15mm的PCD孔，均部在直径为Φ114.3mm的圆周上，轮辋最薄厚度为4.3mm，轮辐最大厚度为26.65mm。图1a便是车轮结构。将那些对结构应力造成影响较小的一些结构，比如气门孔、圆角等，不必进行仿真计算，其车轮基本结构尺寸是五根双辐条型构。不但其抗冲击性能更加出色，并且整个车轮非常美观，在提高结构强度的同时。减轻了车轮的重量，辐条表面形状是弧形。优化轮毂的几何模型，优化后的轮毂结构如图1b。

在分析相关模型时，为了保证其精确度，还需要加入五个固定螺栓和加载轴，其能够帮助车轮更好的传递负荷。

1.2 边界条件的处理

合理利用夹具，通过夹具加进加载轴断面和轮毂的安装盘，这样能够固定车轮的轮缘，将其固定在旋转试验台上面。这样仅仅允许转动轮毂中心轴，会约束轮毂螺栓孔内表面和三个平移自由度。

1.3 载荷的处理

在进行动态弯曲疲劳试验时，荷载主要包含了三个，笔者主要分析了弯曲荷载，忽略了轮毂高速旋转过程中出现的离心力以及紧固轮毂时出现的预紧力。求得车轮轮毂的设计参数及试验参数分别为：

设计载荷Fv：690kg

静载荷半径R： 256mm

偏距d： 32mm

安全系数S：1.5

1）试验弯距

弯矩大小我们可通过公式计算：M=W（R × μ+d）×S （1）

其中：

W—轮毂的载荷，N；

R—装上轮胎后静载荷半径，可通过轮胎和轮辋协会的年度手册查得；或根据汽车/轮毂生产商规定，mm；

μ—轮胎和地面的摩擦系数，通常取μ=0.7；

d—轮毂偏距的绝对值，mm；

S—安全系数，根据所用的标准不同而不同；

对于最小循环次数，也可以通过VIA J2530的查询得出。

2）轮毂的试验参数：

试验弯矩Nm： 3415

试验转速rpm：1700

要求寿命h： 200000

通过试验可以发现，在载荷作用相同的情况下，应力最大值往往会出现在轮辐最狭窄的地方，所以，在轮辐中，其最狭窄的地方，最容易出现疲劳裂纹，这和实践中发现的情况是一样的。

2 结论

本文应用Pro/E软件对铝合金轮毂进行参数化研发，并和试验结果进行了简要的对比，同样载荷作用下，轮辐最狭窄的地方受到的应力值是最大的。在进行轮毂动态疲劳试验时，疲劳裂纹最容易出现的位置也是轮辐最狭窄的地方。

参考文献：

[1] 赵玉涛.铝合金车轮制造技术[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2] 景仁坤.基于Pro/Engineer的三维参数化设计研究与开发[D].湖北武汉：武汉理工大学硕士论文，2005.

[3] 钟翠霞.铝合金车轮设计及结构分析[D].浙江杭州：浙江大学，2006.

本项目由大学生创新创业训练项目资助

项目编号：201410452088