某輪式車電動(dòng)輪輪輞的有限元分析

馮棟梁, 趙 寧， 王永麗， 段國(guó)柱， 常 豐， 梁經(jīng)芝

(中國(guó)北方車輛研究所，北京 100072)

某輪式車采用了輪轂電機(jī)驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)輪方案，每個(gè)電動(dòng)輪主要集成外定子輪轂電機(jī)、行星減速器和電磁鼓式制動(dòng)器.由于安裝三者所需軸向空間較大，同時(shí)輪輞需要和制動(dòng)鼓盤直接連接，還需滿足整車輕量化要求，市面上現(xiàn)有輪輞無法適用，故需要設(shè)計(jì)滿足電動(dòng)輪結(jié)構(gòu)與功能需求的新輪輞.

1 輪輞新結(jié)構(gòu)

該輪式車的驅(qū)動(dòng)控制單元采用輪轂電機(jī)加減速器的方案，輪轂電機(jī)一側(cè)需要和轉(zhuǎn)向節(jié)直接連接，制動(dòng)器安裝在減速器那一側(cè)，具體結(jié)構(gòu)見圖1.輪轂電機(jī)、減速器和鼓式制動(dòng)器三者最大外殼處直徑270 mm，軸向尺寸總長(zhǎng)達(dá)335 mm，輪輞需要匹配斷面寬度280 mm的26寸越野胎，則輪輞的輪輻需要向輪外凸出以包覆制動(dòng)器，同時(shí)輪輻安裝面需要直接連接制動(dòng)鼓盤，故而新輪輞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要同時(shí)滿足如下幾點(diǎn)：1)軸向與徑向空間滿足電動(dòng)輪空間需求；2)輪輞部分要和輪胎嚴(yán)格匹配；3)輪輻安裝面要和制動(dòng)鼓盤緊固連接.

圖1 電動(dòng)輪二維裝配結(jié)構(gòu)示意簡(jiǎn)圖

綜合考慮上述需求，根據(jù)電動(dòng)輪給出的空間具體尺寸，參照國(guó)標(biāo)GB_T 3487-2005《汽車輪輞規(guī)格系列》，結(jié)合制動(dòng)鼓盤連接的結(jié)構(gòu)和尺寸需求，設(shè)計(jì)了如圖2所示的輪輞.

圖2 輪輞結(jié)構(gòu)示意圖

圖2中，輪輞與輪胎配合，輪輻連接輪輞與輪輻安裝面，氣門嘴用于向輪胎充氣，輪輻安裝面和制動(dòng)鼓盤相連，這4部分結(jié)構(gòu)是新輪輞結(jié)構(gòu)中最主要的4部分.

2 剛強(qiáng)度校核

2.1 輪輞有限元模型建立

為了滿足輕量化需求，新設(shè)計(jì)的輪輞選用了鋁合金材料ZL201A[1]，它是鋁銅錳系列的合金，采用T6熱處理工藝后，具有非常好的強(qiáng)度、塑性和韌性，滿足車輪的使用要求.ZL201A屬于塑性材料，在進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算時(shí)，采用屈服極限σs作為該材料的極限應(yīng)力.材料特性參數(shù)見表1.

表1 材料特性參數(shù)

鋁合金輪輞的剛強(qiáng)度靜力學(xué)性能分析[2-7]需要計(jì)算兩種情況：一是在胎壓作用下的應(yīng)力應(yīng)變，二是考慮負(fù)載和胎壓時(shí)的應(yīng)力應(yīng)變.整個(gè)輪輞的胎壓取實(shí)際充氣壓強(qiáng)0.12 MPa，負(fù)載胎壓則根據(jù)車輛滿載狀態(tài)時(shí)單個(gè)車輪簧上質(zhì)量310 kg時(shí)在3g的沖擊工況來考慮.假設(shè)地面通過輪胎傳遞給輪輞的載荷，對(duì)稱地分布在輪胎接地印跡線兩側(cè)大約40°角的位置上，計(jì)算3g沖擊工況下需要在整個(gè)輪輞上施加0.12 MPa的均布?xì)鈮狠d荷，再在輪胎與地面接觸線左右兩側(cè)約40°的位置施加0.24 MPa大小的負(fù)載.有限元中施加約束時(shí)將螺栓孔的自由度全部約束.

圖3是輪輞的有限元分析示意圖.

圖3 輪輞有限元分析示意圖

2.2 考慮胎壓時(shí)的輪輞剛強(qiáng)度分析

圖4和圖5是只考慮胎壓作用時(shí)輪輞的應(yīng)力應(yīng)變示意圖.

圖4 僅受胎壓0.12 MPa時(shí)應(yīng)力示意圖

圖5 僅受胎壓0.12 MPa時(shí)應(yīng)變示意圖

根據(jù)分析結(jié)果可知，只受0.12 MPa胎壓作用時(shí)，輪輞上最大應(yīng)力只有2.4 MPa，出現(xiàn)在輪輞內(nèi)圈表面和氣門嘴孔內(nèi)側(cè)壁上；應(yīng)變最大也只有0.006 mm，出現(xiàn)在有氣門孔那一側(cè)的輪輞支承面上，靠近內(nèi)輪輞處.最大應(yīng)力應(yīng)變的位置提示由于氣門嘴對(duì)材料的削減，所以此處是整個(gè)輪輞上最薄弱的環(huán)節(jié).后面加入路面沖擊后如果輪輞最大應(yīng)力超過材料的屈服極限，則氣門孔位置需要相應(yīng)增補(bǔ)材料.

2.3 同時(shí)考慮負(fù)載和胎壓時(shí)的輪輞剛強(qiáng)度分析

車輛行駛過程中，輪輞部分要同時(shí)承受胎壓和路面通過車輪對(duì)輪輞的各種激勵(lì)，對(duì)照?qǐng)D1所示的輪輞具體結(jié)構(gòu)，車輪在正常行駛時(shí)與地面接觸位置可分為3種狀態(tài)：1)輪輻位置正對(duì)地面；2)通風(fēng)口位置正對(duì)地面；3)氣門嘴位置正對(duì)地面.圖6至圖11是3種工況下的輪輞應(yīng)力應(yīng)變示意圖.

圖6 3g工況下輪輻正對(duì)地面時(shí)應(yīng)力示意圖

圖7 3g工況下輪輻正對(duì)地面時(shí)應(yīng)變示意圖

圖8 3g工況下通風(fēng)口正對(duì)地面時(shí)應(yīng)力示意圖

圖9 3g工況下通風(fēng)口正對(duì)地面時(shí)應(yīng)變示意圖

圖10 3g工況下氣門嘴正對(duì)地面時(shí)應(yīng)力示意圖

圖11 3g工況下氣門嘴正對(duì)地面時(shí)應(yīng)變示意圖

表2是3種加載方式下應(yīng)力應(yīng)變計(jì)算結(jié)果.

表2 3種加載方式下的剛強(qiáng)度計(jì)算結(jié)果

從表2可以看出:3種狀態(tài)下的應(yīng)力應(yīng)變幾乎不變，說明輪輞結(jié)構(gòu)具有比較均勻的受力特性.采用鑄造成型方式，取鑄件系數(shù)1.25，材料系數(shù)1.1，則材料的安全系數(shù)γm=1.25×1.1=1.375，對(duì)應(yīng)的許用應(yīng)力σ=σs/γm，代入相關(guān)值求得σ=160 MPa.有限元計(jì)算的最大應(yīng)力為129 MPa，小于許用應(yīng)力，說明在3g的沖擊工況下，該結(jié)構(gòu)輪輞剛強(qiáng)度滿足要求.

3 模態(tài)分析

從圖1可以看出，電動(dòng)輪中制動(dòng)鼓盤需要與輪輞的輪輻安裝面采用螺栓直接固聯(lián).輪輞需要承受車輪傳過來的各種路面激勵(lì)，當(dāng)路面激勵(lì)與輪輞的固有頻率接近或是成倍數(shù)關(guān)系時(shí)，輪輞會(huì)發(fā)生共振，產(chǎn)生噪聲與疲勞破壞.電磁鼓式制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)，制動(dòng)鼓會(huì)受到制動(dòng)蹄和電磁鐵二者的接觸摩擦，易產(chǎn)生制動(dòng)尖叫.當(dāng)輪輞與制動(dòng)鼓結(jié)構(gòu)不合理時(shí)，二者可能引發(fā)共振，帶來更為復(fù)雜的噪聲情況，容易引起結(jié)構(gòu)疲勞破壞或斷裂，故而需要對(duì)輪輞和制動(dòng)鼓盤的模態(tài)進(jìn)行分析[8-10].

將輪輞上12個(gè)螺栓孔施加全約束后，在有限元軟件中進(jìn)行模態(tài)分析.由于工程上2 000 Hz以上的頻率很難激發(fā)出來，輪輞的第11階模態(tài)頻率超過了兩千，故而在表3中只羅列了前10階固有頻率值，并與制動(dòng)鼓的前10階固有頻率值進(jìn)行了對(duì)比.從表3可以看出，輪輞與制動(dòng)鼓盤的前10階頻率并沒有接近的值，二者并不會(huì)引起共振.

表3 輪輞與制動(dòng)鼓模態(tài)分析結(jié)果列表

輪輞前10階固有頻率對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型圖如圖12至圖21所示.

圖12 一階模態(tài)329 Hz示意圖(10倍效果圖)(A型)

圖13 二階模態(tài)330 Hz示意圖(10倍效果圖)(B型)

圖14 三階模態(tài)499Hz示意圖(A型)

圖15 四階模態(tài)500Hz示意圖(B型)

圖16 五階模態(tài)989 Hz示意圖(10倍效果圖)

圖17 六階模態(tài)1 019 Hz示意圖(10倍效果圖)

圖18 七階模態(tài)1 209 Hz示意圖(A型)

圖19 八階模態(tài)1 210 Hz示意圖(B型)

圖20 九階模態(tài)1 860 Hz示意圖(3倍效果圖)(A型)

圖21 十階模態(tài)1 862 Hz示意圖(3倍效果圖)(B型)

其具體振型圖說明見表4.表4中的“A”和“B”不代表實(shí)際真實(shí)含義，僅為了區(qū)別不同振動(dòng)方向而已.

表4 鋁合金輪輞各階頻率和振型說明列表

4 結(jié)束語

通過對(duì)某輪式車輪輞的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、剛強(qiáng)度校核和模態(tài)分析，初步驗(yàn)證了新設(shè)計(jì)輪輞結(jié)構(gòu)的合理性.目前該輪輞已經(jīng)裝配到樣車上，在整車的制動(dòng)、轉(zhuǎn)向、越障等各種性能測(cè)試中表現(xiàn)良好，其耐久性需要后期進(jìn)一步地考察，根據(jù)實(shí)際跑車情況從材料、工藝、疲勞壽命等角度進(jìn)一步優(yōu)化.