车轮结构对车轮刚性影响的研究

李波

摘要：本文采用三维设计软件CATIA设计了不同结构车轮，利用有限元法计算出了不同结构车轮刚性值，分析了不同轮辐厚度和法兰厚度对车轮刚性的影响，研究结果指导车轮设计，改善车轮刚性，使得车轮刚性满足工程需求。

关键词：有限元;车轮;刚性

0  引言

在现代汽车设计中，车轮作为汽车绝对安全部件，不仅要满足强度及安全性的要求，在刚性方面也提出了更高的要求，以满足汽车乘坐的舒适性和行驶平稳性。传统的车轮设计只考虑了车轮的强度方面的要求，只要满足冲击、弯曲疲劳和径向疲劳试验的要求即可，对车轮刚性几乎没有考虑。当车轮的刚性不足时，对整车行驶的平稳性会产生很大的影响，并因此产生振动，使汽车噪音增大，不但影响乘坐的舒适性，而且会加剧疲劳损伤，降低车辆的寿命。故而刚性在车轮设计中已经越来越重要，成为车轮设计中必不可少的重要指标[1]。

车轮刚性分为动刚性和静刚性，本文以车轮动刚性作为研究对象，首先利用有限元对车轮进行模态分析，找出车轮的共振频率，进而计算出车轮刚性值。刚性属于车轮的固有特性，其影响因素主要是车轮材料和结构。在车轮生产过程中，由于生产工艺的限制，材料特性很难改变，通过改善材料来改善产品刚性的空间不大。故目前改善产品刚性的方法主要是改變车轮结构，通过优化产品结构来达到改善车轮刚性的目的。所以，本文主要讨论不同车轮结构对车轮动刚性的影响，发现规律，指导车轮设计。

铝合金车轮由三部分组成：轮芯，轮辐，轮辋。

轮芯与汽车通过中心孔和螺栓孔连接，轮辐连接轮辋和轮芯，起主要的支撑作用，轮辋与轮胎连接。以往的研究发现，其中轮辋对车轮的刚性影响相对较小，且通过轮辋来改善车轮刚性，对车轮重量影响较大，不利于车轮的轻量化，实际设计中不建议通过轮辋来改善车轮刚性，故本文主要分析了轮辐和法兰对车轮刚性的影响。分析过程如下。

1  建立车轮模型

利用三维设计软件CATIA设计车轮三维模型，本文以18寸车轮为例。为了简化模型，车轮不设计减重窝，轮辋壁厚设计3.5mm，保持不变。气门孔对车轮刚性没有影响，三维模型上不设计气门孔。

①分析轮辐结构对车轮刚性的影响，设计三维模型时，保持法兰厚度不变，改变轮辐厚度，由17mm变化到35mm厚，轮辐厚度以2mm递增。

②分析法兰厚度对车轮刚性的影响，设计三维模型时，保持轮辐厚度不变，改变车轮法兰厚度，法兰由39mm变化到53mm，法兰厚度以2mm递增。

车轮三维模型如图1。

2  利用有限元方法计算车轮刚性值

2.1 建立刚性有限元模型

车轮处于自由状态，没有任何约束。车轮网格采用实体四面体网格如图2，材料设置铝合金材料属性如图3。在车轮安装面上施加载荷（动态激励），计算车轮共振频率，利用频率与刚性的关系式计算出车轮刚性值。

2.2 利用有限元分析车刚性值

2.2.1 计算不同轮辐厚度的车轮刚性值

如前所述，对不同轮辐厚度的三维模型进行分析，分析计算结果如表1。

2.2.2 数据分析

由图4、图5可以发现，在其他尺寸不变的情况下，轮辐厚度和车轮重量发生变化时，车轮刚性值也相应发生变化，基本是线性关系。

2.2.3 计算不同法兰厚度的车轮刚性值

如前所述，车轮轮辐厚度保持不变，对不同法兰厚度的三维模型进行刚性值计算，分析计算结果如表2。

2.2.4 数据分析

由图6、图7可以发现，在其他尺寸不变的情况下，车轮法兰厚度和车轮重量发生变化时，车轮刚性值也相应发生变化，基本是线性关系。

2.3 试验室检测结果

对车轮进行试验检测，本文采用的低压铸造铝合金车轮，材料为铸造铝合金A356，试验时用弹力绳把车轮吊起，使车轮处于自由状态，再安装面上放置加速度传感器，用橡皮锤敲击安装面，采集车轮共振频率，再利用刚性与频率的转换公式计算车轮刚性值。实验室检测数据如表3，表4。从检测数据可以看出，其测量结果和有限元分析结果基本相符，也验证了利用有限元分析车轮刚性值的正确性。

3  结论

①车轮轮辐结构和法兰厚度对车轮刚性影响较大，基本呈线性关系，改善车轮刚性时可以从改变轮辐结构和法兰厚度着手。

②车轮刚性值大小，直接关系到车轮重量，刚性值要求较高时，车轮重量会相应增高，影响车轮制作成本。同时，车轮重量增加，会影响汽车的耗油量。故对车轮刚性值的要求不宜过高也不宜过低，需综合评价。

③本文给出了改善车轮刚性的设计方向，为车轮前期设计提供了设计依据。

参考文献：

[1]黄少兵.车轮刚性及其有限元分析[J].中国新技术新产品，2008（18）.

[2]李叙辰，杨振祥.低阶车轮多边形对列车运行安全性的影响[J].内燃机与配件，2019（08）：39-42.

[3]傅博，马天才.基于半车模型的汽车车轮动载估算研究[J].内燃机与配件，2019（07）：8-12.