铝合金轮毂有限元分析及优化设计

魏剑 吴龙 曾师尊

摘要：为了提高轮毂的安全性和可靠性，本文主要对铝合金轮毂进行有限元分析及优化设计。采用三维软件Creo30，对某铝合金轮毂进行实体建模，并导入Ansys软件中，分析其固定点在不同作用力与力矩方向时轮毂的动态弯曲疲劳、径向疲劳与冲击性能。试验结果表明，该轮毂所受的最大应力远小于许用应力。同时，为提高该轮毂的性能，对该轮毂的薄弱连接部位进行加强设计，并对其余部分进行轻量化设计。研究结果表明，轮毂的整体质量减少了13413 g，其强度符合设计要求。该研究对提高轮毂的使用寿命具有重要意义。

关键词：轮毂; 有限元分析; 弯曲疲劳; 径向疲劳; 冲击分析

中图分类号： U463.343  文献标识码： A

2017年，我国发布了《节能与新能源汽车技术路线图》，根据该路线图，将大力推进Al、Mg合金、碳纤维复合材料等在汽车上的应用，推进轻量化材料制造技术的发展[1]。目前，在汽车零部件设计中，国内铝合金轻量化材料的使用量仍低于国际水平，针对铝合金轻量化材料，胡泊洋等人[23]采用有限元分析方法，对脚踏板、蓄电池箱体支架、车门、底盘控制臂和牵引钩等进行分析，用铝合金替代传统钢材料，并通过仿真与试验研究，优化结构和尺寸，使零部件达到性能使用要求;朱红建[4]从分析汽车钢圈的主要载荷形式和失效形式入手，确定横向载荷是造成疲劳破坏的主要原因，并运用有限元分析软件，对汽车钢圈进行了结构分析，且对汽车使用寿命进行预测，同时运用优化理论对汽车钢圈进行优化设计，进而提高汽车钢圈的可靠性和使用寿命;Wang X F等人[513]利用有限元分析软件，对钢制、铝合金或镁合金车轮建立参数化模型，进行弯曲疲劳和径向疲劳试验模拟，得到轮毂的应力图和应变图，计算车轮上应力较大的区域，并分析危险点的应力状态，对各类型轮毂进行结构优化和刚强度分析，以达到轮毂轻量化目的。基于此，本文运用Creo30和Ansys软件，对某铝合金轮毂进行有限元分析及优化设计，分析铝合金轮毂的动态弯曲疲劳、径向疲劳与冲击性能3种试验状态，根据所得数据优化轮毂结构，使该轮毂达到最佳效果。该研究对国内铝合金轻量化材料的应用具有重要意义。

1 模型建立

根据GB/T 3487—2015乘用车轮辋规格系列[14]中的轮辋绘制方法，在Creo30软件上进行绘制，轮辋厚度为35 mm轮辐，整体尺寸为2285 mm×259 mm，轮毂材料为A356（ZAlSi7MgA）合金材料，A356材料性能如表1所示。

将模型导入Ansys仿真环境模块中，对模型进行一定的修改，增加辅助线的坐标。观察轮毂的形状，对其进行网格化，轮毂网格化如图1所示。调整网格化的形状，或者边缘层达到图1效果[15]。轮毂是通过5个螺栓和主轴支撑，所以将轮毂与螺栓和主轴接触的11个面设置为支撑面。

根据轮毂参数和整车参数，本研究所测试轮毂受90°，22 051 N的应变冲击力，受力点为轮毂轮缘的外半径一个着力点。根据对作用点的调整，设置为坐标系定位，将作用力集中为目标点，使模拟条件与实际条件相吻合。

2 轮毂的性能试验

2.1 动态弯曲疲劳试验

依据GB/T 15704—1995轎车车轮冲击试验方法，将轮毂下沿固定在试验装置上，增加一个围绕轮毂中心轴旋转的弯矩，或者使用一个固定弯矩加持在旋转平台上。该试验是模拟汽车在运行过程中所受到的弯矩，通过实验可以看出，整体结构的薄弱点有助于定向加强，并可进行结构优化。试验参数包括施加力、受力偏差距离、中心线、施加力圆盘直径。

根据弯矩的大小，规定力臂在05～14 m范围内，方向为平行车轮安装平面。其弯矩为

M=（μR+d）FvS（1）

式中，μ为轮胎与地面的摩擦系数;R为车轮静置时的整体标准大小，m;d为车轮的内、外偏离距离，m;Fv为最大额定负载，N;S为强化系数。

将轮毂划分为16等份，模拟轮毂回转运动时受到的弯矩。由于轮毂对称，只要考虑其1/4的结构就可以代表整个轮毂的运动情况[1619]。即在0～90°范围内，每隔225°施加一个力，最终生成5组图像，代表5个时刻的运动状态。模拟时，摩擦系数μ=07，车轮大小R=0562 m，内偏距d=077 m，最大负载Fv=9760 N，强化系数S=16，力臂长度L=05 m。计算得试验时需要加持在力臂上的力F=24 049 N。在加持角度与车轮中平面夹角为45°时，45°状态图如图2所示。

由图2a和图2b可以看出，疲劳破坏集中在3个区域，一是辐条与中心盘交界处，由于辐条倒角太小，未能将反复运动产生的固有频率有效的传递消除，造成应力集中产生大面积破坏现象;二是两辐条交界处，正面破坏面积大，反面无破环现象，未能起到有效分担受力的作用;三是辐条与轮辋交界处，由于接触面较小，应力大量集中。由图2c和图2d可以看出，当45°夹角时，应变状况完全在轮毂接受范围内，并未产生较大的

变形，而较大变形在与试验无关的力臂作用杆上。由图2e和图2f可以看出，应力集中于接触面和轮辐位置，最大应力为983 MPa，远小于材料的性能，应力分布不均匀，集中在辐条倒角处，虽然在短暂时间内不会造成影响，但当反复运动时就会对车辆安全造成影响。当加持角度与车轮中平面夹角为其他时，各应力皆在许用范围内，各偏移角度最大应力如表2所示。

车轮正面疲劳强度如图3所示。由图3可以看出，应力破坏皆集中于辐条与中心盘交界处、两辐条交界处、辐条与轮辋交界处，因加持角度不同会产生一定的差别，发生破坏的位置主要位于辐条中心盘。由于材料较厚，且是密集结构，可对其边沿倒圆角应力集中严重处进行修改，对辐条与轮辋交界发生疲劳破坏夹角较小的部位进行加强。

2.2 动态径向疲劳试验

汽车轮毂在行驶过程中的径向受力情况进行动态径向疲劳试验。测试时，采用一个大的施加轮提供径向力，带动车轮转动，模拟行驶状态下车轮的环境，通过反复试验，求出轮毂行驶时的结构薄弱点，并进行优化。试验主要作用力是轮胎对轮毂的均匀压强，以及附加轮对轮毂的径向附加力，附加力的确定是通过生产商对轮毂参数的要求，本次试验的轮毂为18寸，查询国际标准，得出额定力为8 150 N，厂商要求力为9 760 N，则实际加持力为

Ft=FvK（2）

式中，Fv为最大额定负载，N;K为系数。通过式（2）计算出实际加持力为19 520 N，轮胎压力取280 kPa。

本试验与弯曲疲劳试验相同，把1/4轮毂相隔225°设置一个受力点，研究不同受力点的有限元模拟情况，完成对轮毂的优化。建立5个角度的最大应力应变，各角度最大应力和应变如表3所示。由表3可以看出，径向疲劳实验的最大应力与应变均在允许范围内。

当加持角度与车轮中平面夹角为45°时，其45°状态图如图4所示。由图4a和图4b可以看出，疲劳破坏集中于辐条与轮辋交界处;由图4e和图4f可以看出，应力最大值发生在轮毂辐条小夹角处，两辐条交界扩散区也有应力集中现象，辐条反面的情况比正面更明显;由图4c和图4d可以看出，在45°的受力情况下，应变最大值发生在轮辋下端，发生的点与施加力的方向平行。观察轮辐区域，轮辐区域变形相对较小，轮辐应变最大的区域位于辐条与轮辋交界处。

2.3 13°冲击试验

轮毂的13°冲击试验是将一定的负荷施加在装有轮胎的轮辋边缘处，主要模拟车辆行驶时在路面遇到异物所受到的冲击情况。试验冲击头与轮毂轴线呈13°的夹角。根据相关规定，冲击头的冲击面应该在宽度125 mm，长度375 mm以上，车架可以根据实际情况进行调节，冲击块应处于轮辐制高点垂直正上方230 mm处进行自由落体运动，对轮毂进行打击。

13°冲击试验状态图如图5所示。在13°冲击试验中，冲击力为22 502 N，根据试验所得数据，最大应力发生在冲击块与轮毂接触区，最大应力为502 MPa，在材料的许可范围内。由图5a可以看出，虽然辐条与轮辋相交处不是应力最大点，但是也形成了较严重的应力集中现象。

13°冲击试验疲劳强度如图6所示。由图6可以看出，无论是在225°还是在45°施加作用力，都会对辐条交接小夹角处造成较大的应力集中。试验可知，小夹角处的应力为整体轮毂的最大应力点和薄弱点，正面疲劳破坏集中于小夹角处与轮辋冲击接触点内环处，这两个点极容易发生破坏，循环次数接近1000次就会发生破坏，尤其是连接处的中心点是轮毂最先疲劳破坏的点。在辐条背面，有一个因为冲击变形扭曲产生疲劳破坏的点，在其对称部位也会产生相同的破坏，不过对比辐条连接处可作为第二优化位置。

3 优化分析

根据前述3个试验，得出轮毂整体构造弱点在辐条与轮毂的交界处。因此，对辐条与轮辋小夹角处进行强化处理，结构优化如图7所示。由图7a和图b可知，对易造成应力集中的夹角处进行倒角加强，半径由7 mm加到12 mm，中间加强厚度平均35 mm。对容易产生应力集中的辐条边缘处进行倒圆角设置，正面辐条倒圆角3 mm，辐条反面倒圆角25 mm。由图7c可知，由于轮毂交接处较厚，对其减重槽进行进一步加深，最终深度为3 mm，并进行圆角处理[20]。优化处理后的轮毂体积由2479 77×10-3 m3变为2443 42×10-3 m3，前后体积差为3635×10-5 m3，材料A356的密度为369×103 kg/m3，本次优化减重13413 g，整体结构得到加强。

4 结束语

本文根据GB/T 3487—2015乘用车轮毂规格系列设计了轮辋类型、尺寸大小、轮辐厚度及形状，并利用Creo30对轮毂进行三维建模，同时采用Ansys进行弯曲疲劳、径向疲劳和13°冲击试验。试验结果表明，轮毂受到最大弯曲应力为983 MPa，最大径向应力为1093 MPa，最大冲击应力为502 MPa，因此弯曲疲劳是轮毂失效的主要形式;根据强度分析结果对铝合金轮毂进行局部优化，减重13413 g，减轻15%，本研究所设计轮的毂达到较好效果，但轮毂的结构耐久性还需要在后期装配、整车制动、转向、越障等各种性能测试中得到验证。后续还可从材料、工艺、疲劳寿命等角度进一步优化。该研究对轮毂生产具有重要意义。

参考文献：

[1] 王祝堂. 中国发布《节能与新能源汽车技术路线图》[J]. 轻合金加工技术， 2018， 46（12）： 6061.

[2] 胡泊洋. 基于有限元分析的汽车零部件轻量化设计[D]. 保定： 河北农业大学， 2015.

[3] 孙剑. 基于仿真与试验的汽车零部件强度性能分析与评价[D]. 合肥： 合肥工业大学， 2018.

[4] 朱红建. 汽车钢圈的疲劳寿命分析及优化设计[D]. 长沙： 湖南大学， 2010.

[5] Wang X F， Zhang X G. Simulation of dynamic cornering fatigue test of a steel passenger car wheel[J]. International Journal of Fatigue， 2010， 32（2）： 434442.

[6] 丁煒琦， 储峰， 孙超. 基于拓扑优化的某重卡轮毂轻量化设计[J]. 汽车实用技术， 2013（10）： 2224.

[7] 李家应. 重型汽车轮毂的有限元分析及优化设计[D]. 镇江： 江苏大学， 2016.

[8] 赵树国， 陈建华. 汽车镁合金轮毂的优化设计[J]. 山东工业技术， 2016（12）： 59.

[9] 馮栋梁， 赵宁， 王永丽， 等. 某轮式车电动轮轮辋的有限元分析[J]. 车辆与动力技术， 2018（3）： 3035.

[10] 陆洋， 王虎奇， 尹玉鹏. 汽车轮毂的有限元分析及优化[J]. 现代机械， 2016（6）： 48.

[11] 张总. JNZL350铝合金轮毂轻量化设计[J]. 轻合金加工技术， 2013， 41（1）： 4952， 61.

[12] 卢磊， 张礼达， 徐志坚. 基于ANSYS的1.5MW水平轴风力机轮毂壁厚的优化与强度分析[J]. 西华大学学报： 自然科学版， 2014， 33（5）： 109112.

[13] 朱龙英， 李家应. 重卡汽车轮毂结构优化设计[J]. 汽车零部件， 2016（5）： 510.

[14] 中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局， 中国国家标准化管理委员会. GB/T 3487—2015， 乘用车轮辋规格系列[S]. 北京： 中国标准出版社， 2015.

[15] 仪登利， 曾红， 王新丰. 铝合金轮毂UG建模ANSYS分析时的模型导入问题[J]. 辽宁工业大学学报， 2008， 28（1）： 3638.

[16] 周喆. 铝合金轮毂的力学性能及有限元分析[D]. 秦皇岛： 燕山大学， 2015.

[17] 焦洪宇， 夏叶， 赵荣， 等. 基于ANSYS Workbench的汽车铝合金轮毂弯曲疲劳强度有限元分析[J]. 汽车实用技术， 2018（22）： 4042.

[18] 韦辽， 李健. 车轮轮辋轻量化分析与研究[J]. 机械设计与制造， 2014（3）： 196198.

[19] 陆洋， 王虎奇. 基于ANSYS的钢圈结构强度分析[J]. 机械研究与应用， 2013， 26（4）： 8788.

[20] 韦洲， 张晓光， 徐洪琛. 基于有限元的铝合金汽车轮毂弯曲疲劳分析[J]. 铸造技术， 2018， 39（10）： 24132416.

Finite Element Analysis and Optimization Design of Aluminum Alloy Wheel Hub

WEI Jian1， 2， WU Long 1， 2， 3， 4， ZENG Shizun5

（1. School of Mechanical and Electronic Engineering， Sanming University， Sanming 365004， China;

2. Engineering Research Center in Fujian Province University for Modern Mechanical Design and Manufacturing Technology， Sanming 365004， China; 3. Fujian Provincial Collaborative Innovation Center for Green Casting， Forging and Advanced Manufacturing， Sanming 365004， China; 4. Fujian Provincial Engineering Research Center for Casting and Forging Parts， Sanming 365004， China; 5. Xiamen Liming Machinery Co. Ltd， Xiamen 361100， China）

Abstract：  In order to improve the safety and reliability of the wheel hub， the finite element analysis and optimization design of the aluminum alloy wheel hub are carried out in this paper. Solid modeling for an aluminum alloy hub was conducted by threedimensional software Creo3.0 and then imported into Ansys software to analyze the dynamic bending fatigue， radial fatigue and impact performance of the hub at its fixed point in different forces and torque directions. The test results show that the maximum stress on the hub is much less than the allowable stress. In order to improve the performance of the hub， the weak connection part of the hub was reinforced and the residual part was lightweight designed. The overall mass of the hub was reduced by 134.13g， and the strength met the design requirements. This research is of great significance to improve the service life of wheel hub.

Key words： wheel hub; finite element analysis; bending fatigue; radial fatigue; impact analysis