基于Hyperworks车轮辐板轻量化设计

杨情操　张开　陆明　邹亮　徐长倩

摘 要：以某车轮辐板为研究对象，建立基于Hyperworks的有限元模型。对通风孔进行优化布局，尽可能加大通风孔尺寸，满足制动散热需要，并对通风孔进行美观造型设计，满足结构强度、刚度和板厚度尺寸为约束，整体质量最小为目标的尺寸优化，得到最佳的尺寸配置。优化后的结构单件质量下降283g，单台车质量下降1981g，取得较好的优化效果。

关键词：车轮辐板；Hyperworks；轻量化

中图分类号：U463.34 文献标识码：A 文章编号：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

車轮是轻型商用车必不可少的部件之一。车轮与轮胎合成，固定轮胎内缘，支持轮胎并与轮胎共同承受负荷。车轮和轮胎通过轮胎充气后形成的压力和摩擦力，实现彼此之间的正确配合和力的传递，同时与前后桥轮边通过螺栓联接，接收车桥传递过来扭矩，并将其传递至轮胎。

车桥轮边一般有制动器，故车轮需要考虑空间布置问题，由于空间的局限性，辐板形状设计就需要特别考虑制动器配合间隙问题。要保证制动器制动后热量迅速散掉，车轮辐板上一般都有一组通风孔，同时为降低簧下质量，减少振动，需要尽可能降低重量[1]。

车轮轮辋加工工艺为旋压成型，辐板加工工艺为旋压成型。轮辋和辐板采用焊接成型，工艺简单。为进一步对某轻型商用车的车轮辐板进行优化，增加通风孔的散热面积，降低重量，提高美观度，对该车轮辐板进行优化分析。

根据造型及通风需要，对5JK×16H规格的车轮辐板原结构和改进结构进行了改进，对于改进后车轮辐板强度能否满足要求，相比较传统的验证方式，采用Hyperworks集成软件[2-3]进行仿真分析，可以有效缩短验证时间及费用，降低开发风险[4-5]。

2 车轮轮辋三维数据建立

对改进前后车轮辐板采用CATIA软件创造三维数模，改进前后辐板形状和厚度相同，将原来的6个辐板孔改为12个，孔的形状和尺寸也有所改变。单件质量下降283g，按每台车车轮数量7个为例，单台车质量下降1981g，改进前后车轮辐板数模如图1所示。优化后虽然单个通风孔面积减少，但由于数量增加一倍，单件通风孔面积由11946mm2提升至18192 mm2，改进前后车轮辐板单个通风孔面积对比如图2所示。

3 车轮轮辋有限元分析

根据轻型汽车车轮技术规范，5JK×16H规格的车轮静力半径R=348mm，辐板内偏距d=108mm，轮胎的最大负荷F=9800N，强化试验系数S=1.1。

根据《GB/T5909载货汽车车轮性能要求和试验方法》，取轮胎与路面之间的摩擦系数μ=0.7，应用试验载荷产生的弯矩计算公式M=（μR+d）FS，计算得到M=3790Nm。取力臂长为1m，得到试验载荷P=3790N。

建立仿真模型，计算采用了Hyperworks9.0集成软件，求解序列为101，对辐板进行静态线性分析。

因为只对辐板做对比分析，主要分析改变辐板孔的数量和形状后对辐板强度的影响，因此只建立了辐板和轮辋的有限元模型。综合考虑计算精度和计算时间，辐板和轮辋全部采用了6面体一次单元，单元大小为4×4×1，应力集中处还进行了局部精细划分，辐板和轮辋之间的焊接通过膜单元焊接模拟。辐板安装孔用RBE2单元刚性连接成一体。局部有限元网格模型如图3所示。

辐板和轮辋的材料为分别SS400和SS330，其弹性模量均为E=2.1×105MPa，屈服强度为σs≧245 MPa，将材料属性赋予对应单元。

为模拟弯曲疲劳试验的加载方式，均匀选取轮辋边缘节点，约束6个方向的自由度。同时在偏离辐板平面1m远处，施加载荷P=3790N。

经过软件计算，得到改进前后辐板的应力云图，如图4和图5所示。

观察应力云图发现，辐板最大应力发生在辐板孔处。改进前后辐板孔边缘最大应力均小于材料的屈服极限，且改进后辐板孔边缘最大应力比改进前有所减小。

对径向载荷强度计算，按强化试验系数S=2.2，车轮负荷F=9800N计算得到径向载荷Fτ=21560N，分为两个平行力加载在轮辋边缘上，如图6所示。

经过计算得到，径向载荷下，辐板最大应力发生在辐板边缘。改進前辐板的应力云图，如图7所示，辐板孔局部应力云图，如图8所示。改进后辐板的应力云图，如图9所示，改进后辐板孔局部应力云图，如图10所示。

观察径向载荷作用下的应力云图，改进前后辐板的最大应力分布相同，孔周围应力也很接近。

得出结论：在以上弯曲载荷条件下，改进后的车轮辐板比改进前强度要好。在径向载荷下，改进前后强度几乎不变。

原因分析：改进后虽然辐板孔的数量多了，但其尺寸相对要小，同时分散了单孔周围的应力集中，因此恰当增加辐板孔的数量，对减小其周围应力集中有好处。

4 试验验证

对优化设计后的车轮总成，按轮胎最大负荷9800N，强化系数1.1，试验转速500转/分钟，弯矩负荷386.76Kgf·m。进行动态弯曲疲劳性能20万次循环和动态径向疲劳性能100万次循环试验。试验结束后采用荧光探伤法检测，未发现有裂纹，满足性能要求。试验后样件如图11所示。

5 结语

根据造型及通风需要，对5JK×16H规格的车轮辐板原结构和改进结构进行了改进，对于改进前后车轮利用Hyperworks软件建立车轮的有限元模型，并通过仿真分析，进行了轻量化设计，得到了以下结论：

（1）通过选择合理的通风孔开孔位置，加大通风面积，单件通风孔面积由11946mm2提升至18192mm2，提高了制动器散热空间[6]，从而实现结构轻量化设计，优化后的结构单件质量下降283g，单台车质量下降1981g，并且通过了台架试验验证。

（2）通过仿真分析，尽可能对倒角进行优化，进一步降低应力，并且提高美观度。

参考文献：

[1]杨情操.一种轻型车辆实用新型专利：ZL20152095

4536.7[P].2016.4.13.

[2]李林，王登平，陈传增等.基于HyperWorks的某重卡轮辋开裂分析及改进[J].汽车实用技术.2016（5）.

[3]吴劲松，周金宇.基于Hyperworks大型卷板机上梁轻量化设计[J].机械设计与制造.2016（10）.

[4]刘维达，王铁，申晋宪等.基于响应面法的驾驶室悬置系统平顺性优化[J].汽车工程.2017（3）.

[5]董迎晖，余晗.基于HyperWorks的参数化有限元分析平台研究[J].合服工业大学学报.2017（4）.

[6]梁文英.基于整车匹配的盘式制动器参数化设计与优化[D].武汉理工大学.2012.