基于有限元分析底切铝合金车轮轻量化研究

郭宝贺

摘要：以18X7.5J车轮为研究对象，运用三维软件CATIA建模，采用UG5.0建立车轮的有限元模型，对车轮强度进行有限元分析。通过车轮增加底切结构前、后进行有限元分析结果对比，证明底切铝合金车轮在具备非底切铝合金车轮同等强度下，可实现产品轻量化，从而减小汽车油耗。

关键词：铝合金车轮;有限元分析;强度分析;轻量化

引言

车轮是介于轮胎和车桥之间承受负荷的旋转件，它不仅承受着静态时车辆本身垂直方向的自重载荷，同时也经受着车轮行驶过程中来自各个方向因启动、制动、转弯、物体冲击、路面凹凸不平等各种动态载荷所产生不规则力的作用，是车辆行驶系统中重要的安全结构部件，其结构性能是车轮设计中主要因素[1]。车轮通常由轮辐和轮辋组成，轮辐是指在车轮上介于车轴和轮辋之间的支撑部位，轮辋是指在车轮上安装和支撑轮胎的部位。车轮对汽车的行驶安全性、燃油经济性和整车的外观性都有重要意义，目前轿车及乘用车主要采用铝合金材质车轮。

随着汽车工业不断发展和环保要求，汽车制造商对汽车轻量化要求越来越高。实现汽车轻量化，提高燃油经济性，是汽车节能的最有效途径之一[2]。根据相关资料表明，车轮轻量化的节能效果相对于非旋转件的1.5倍，因此车轮的轻量化设计是未来车轮的重要发展方向[3]。

底切铝合金车轮是将车轮轮辐与轮辋交接部位，加工一定深度，去掉部分材料的一种车轮结构。由于轮辐与轮辋交接部位受力较小，强度过剩，将此部位材料加工掉，可有效降低车轮重量。底切车轮剖面和非底切车轮剖面见图1和图2。

1、强度分析

铝合金车轮作为汽车重要的安全件，对汽车的行驶安全和操纵稳定性有着重大影响。13°冲击试验和弯曲疲劳试验是车轮性能的基本试验，用来检验车轮安全性。13°车轮冲击试验是铝合金车轮抗冲击性能的主要测试方法，以模拟车轮在实际行驶中受到石块等物的侧向冲击或车轮撞击公路牙边的情况。弯曲疲劳试验是模拟车辆在行驶过程中持续转弯时车轮承受弯矩的能力。随着计算机模拟技术的高速发展，在铝合金车轮的设计中引入有限元仿真的现代设计方法，可有效提高产品开发效率，减小开发周期。本文主要对车轮进行13°冲击和弯曲疲劳进行有限元分析，车轮的试验参数如下：

13°冲击试验：锤重570kg，高度230mm，轮胎235/55 R18，胎压230kpa;弯曲试验：弯矩2.704KN.m，转数10万转

1.1建立底切车轮和非底切车轮数模

CATIA软件是法国达索公司开发的CAD/CAE/CAM一体化软件，其内容涵盖了产品从概念设计、工业造型设计、三维模型设计、分析计算、动态模拟与仿真、工程图输出，到生产加工成产品的全过程，功能强大。本文采用采用CATIA建立底切车轮和非底切车轮数模，底切车轮数模只是在非底切数模基础上，去掉轮辐与轮辋连接部位部分材料，数模见图3和图4。

1.2 有限元强度分析

采用UG5.0设计仿真模块对数模赋予材料、施加约束、施加载荷、划分网格和计算处理得到强度分析结果，具体分析步骤及方法本文不做详述。

非底切车轮重量11.03kg，底切车轮重量10.32kg，两者重量差0.71kg，底切车轮减重明显，但是强度有所降低。

在底切车轮和非底切车轮具备同等强度（最大应力基本相同）前提下，讨论底切产品减重才有意义。可采取减小非底切车轮轮辐厚度，增大非底切产品应力值或增加底切产品轮辐厚度，降低底切产品应力值，使两者应力值基本相同。本文采用加厚底切产品轮辐厚度，轮辐厚度加厚2.8mm。

2、底切车轮减重及降低油耗效果

非底切车轮重量11.03kg，底切车轮（加厚轮辐）重量10.62kg，两者重量差0.41kg，两者应力值从表2可知基本相同。

研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量就能有效降低油耗及排放。美国在欧洲全顺车的实验表明，在满足Ⅳ标准条件下，每公里油耗Y与自重X满足以下关系：

Y=0.003X+3.3434[4]    （1）

通过增加底切结构，单个车轮质量减少0.41kg，整车（4个车轮）减重1.64 kg，代入公式（1），每百公里减少油耗0.0049L。

3、结论

本文通过CATIA三维软件进行车轮建模，采用UG5.0对非底切车轮和底切车轮进行有限元强度分析，通过强度分析结果对比，证明产品单纯增加底切结构后，产品重量降低较多，但轮辐应力会加大即产品强度降低，但可以通过加大轮辐厚度来提高轮辐强度。在两者具备同等强度前提下，底切车轮可以实现产品轻量化，减低油耗。由于底切车轮加工掉材料远离中心孔轴线，因此对减小车轮转动惯量效果更明显，从而改善汽车加速性能。总之，底切铝合金车轮在保证满足强度性能情况下，可以减小产品重量和转动惯量，是車轮实现轻量化的一种有效方案。

参考文献：

[1]赵玉涛编.铝合金车轮制造技术[M].北京：机械工业出版社，2004

[2]苏利阳，王毅，陈茜，汝醒君.未来中国纯电动汽车的节能减排效益分析[J].气候变化研究进展，2013，9（4）：284 -290

[3]黄信宏.车身轻量化设计研究现状[J].车身技术.2012，4（5）：80-82

[4]马鸣图.论汽车轻量化[J].中国工程科学.2002，24（4）：617 -619