基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的鋼制車輪快速有限元分析法

葉燕飛，吳兵華，王燕，郝彬

浙江金固股份有限公司，浙江杭州 311400

0 引言

汽車車輪是汽車上非常重要的安全零部件，它是介于輪胎和車橋之間承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)件，通常由輪輻和輪輞兩個主要零部件組成。輪輞是車輪上安裝和支撐輪胎的部件，輪輻是車輪上介于車橋和輪輞之間的支撐部件。

車輪設(shè)計時，通常會運(yùn)用有限元分析的方法來對車輪的強(qiáng)度進(jìn)行分析，從而進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。現(xiàn)有的有限元分析方法一般采用Hypermesh進(jìn)行前處理，然后使用Abaqus進(jìn)行應(yīng)力的求解，此類有限元分析的方法精度較高但是耗時較長。

在設(shè)計開發(fā)過程中，經(jīng)常會遇到設(shè)計方案多或者開發(fā)周期緊張的問題，采用有限元分析法可解決相關(guān)實際問題。

1 標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計

車輪的輪輞需要和輪胎進(jìn)行匹配，所以輪輞的輪廓設(shè)計都是按照國家標(biāo)準(zhǔn)來進(jìn)行設(shè)計并符合其要求，例如乘用車的輪輞輪廓需要符合GB/T 3487—2015 《乘用車輪輞規(guī)格系列》。由于鋼制車輪的輪輞和輪輻是單獨(dú)加工并組裝焊接到一起的，在滿足設(shè)計載荷的情況下，同規(guī)格產(chǎn)品設(shè)計時輪輞通常會借用現(xiàn)有輪廓。但乘用車車輪輪輻的設(shè)計需要考慮到制動器輪廓以及偏距等多方面，一般新的產(chǎn)品都會根據(jù)上述參數(shù)重新設(shè)計輪輻。對于同一個OEM客戶或者同一家車輪制造企業(yè)來說，同規(guī)格的輪輻在螺栓孔數(shù)量、螺栓孔分布圓、中孔的選擇上往往會采用同尺寸化及標(biāo)準(zhǔn)化，這樣方便在同一平臺實現(xiàn)零部件的通用性，從而大大節(jié)約開發(fā)成本。針對不同的制動器輪廓以及偏距要求，需要調(diào)整的僅為安裝面以外部分的結(jié)構(gòu)。

對于同一車輪制造企業(yè)來說，針對同規(guī)格的產(chǎn)品螺孔到中孔的區(qū)域采用相同的設(shè)計結(jié)構(gòu)、材料和厚度，相同的工藝設(shè)計、產(chǎn)線設(shè)備，在中孔和螺孔部位的應(yīng)力往往趨向性一致。因此，針對此類輪輞、安裝面進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的輪輻，本文提出一種使用NX進(jìn)行的快速彎曲疲勞有限元分析方法，該方法建模分析車輪的應(yīng)力值使用時間僅占現(xiàn)有常規(guī)方法約4.2%。車輪的輪輻安裝面結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計示意如圖1所示，其中1～9為標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計尺寸。

圖1 車輪的輪輻安裝面結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計示意

2 建立有限元模型和邊界條件

本文以16X4T乘用車鋼制車輪作為設(shè)計模型進(jìn)行分析方法的描述。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計采用的是同樣的材料及厚度，通過應(yīng)力和材料屬性對比選擇滿足要求且應(yīng)力最低的方案。車輪材料以B510L為輪輞材料，SPFH590為輪輻材料，其屬性見表1。

表1 車輪材料屬性

車輪采用10節(jié)點4面體網(wǎng)格，輪輻網(wǎng)格大小為7 mm,輪輞網(wǎng)格大小為8 mm，輪輻和輪輞采用面與面粘連的方式連接。由于采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，本文描述的快速仿真分析法不考慮標(biāo)準(zhǔn)部位的接口件，因此車輪模型忽略螺栓螺母和安裝盤等。

根據(jù)GB/T 5334—2005 《乘用車車輪性能要求和試驗方法》要求，選擇標(biāo)準(zhǔn)中車輪固定不動的試驗方式進(jìn)行仿真分析，對車輪下端的輪緣施加固定約束。

3 施加載荷

按乘用車車輪性能要求和試驗方法標(biāo)準(zhǔn)的要求，車輪所受到的彎矩計算公式為：

=(·+)··

(1)

式中:為車輪試驗的彎矩;

為摩擦因數(shù);

為輪胎靜負(fù)荷半徑；

為車輪偏距;

為車輪負(fù)荷;

為強(qiáng)化試驗系數(shù)。

圖2 1D桿連接

4 有限元計算

利用迭代求解器進(jìn)行求解，得到車輪快速彎曲疲勞有限元分析的正反面應(yīng)力云圖，如圖3所示。

圖3 快速分析法正反面應(yīng)力云圖

由圖3可以看出，車輪較大應(yīng)力位置在輪輻最高凸冠、螺母座附近，應(yīng)力值分別為295.51、248.24 MPa，最大應(yīng)力低于材料的屈服強(qiáng)度500 MPa。說明快速分析法是有效可行的。

5 分析結(jié)果對比

5.1 與現(xiàn)有分析方法對比

利用現(xiàn)有Hypermesh的方法按彎矩=2 460 N·m有限元分析，分析時增加螺栓螺母、安裝盤等接口部件，得到的正反面應(yīng)力分析云圖，如圖4所示。

圖4 現(xiàn)有分析法正反面應(yīng)力云圖

由圖4可以看出，車輪較大應(yīng)力位置在螺母座附近和輪輻最高凸冠處，應(yīng)力值分別為437.80、305.00 MPa。由于現(xiàn)有方法使用螺栓和螺母進(jìn)行緊固連接且在螺孔區(qū)域有加載力，螺孔區(qū)域的應(yīng)力值會較高。

本文是針對標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的產(chǎn)品進(jìn)行快速分析，因此僅對非標(biāo)設(shè)計部分進(jìn)行應(yīng)力比對?？焖俜治龇椒ê同F(xiàn)有分析法非標(biāo)設(shè)計部分應(yīng)力值分布區(qū)域一致且結(jié)果吻合，應(yīng)力差值約在3.11%。

5.2 與試驗結(jié)果對比

16X4T鋼制車輪按有限元分析使用的彎矩=2 460 N·m進(jìn)行了試驗驗證。試驗設(shè)備采用IP45/2彎曲疲勞試驗機(jī)，試驗時車輪下端的輪緣夾緊，如圖5所示。

圖5 車輪試驗

試驗車輪樣本數(shù)量為3個，試驗需滿足4.5萬次的要求，試驗至疲勞失效時，失效位置均出現(xiàn)在輪輻最高凸冠處，試驗結(jié)果見表2，車輪試驗失效位置如圖6所示。

表2 試驗結(jié)果

圖6 車輪試驗失效位置

6 結(jié)束語

輪輻安裝面處結(jié)構(gòu)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的鋼制車輪，其快速彎曲有限元分析方法計算得到的應(yīng)力結(jié)果和現(xiàn)有分析方法的試驗結(jié)果趨勢相吻合，且應(yīng)力值接近，為鋼制車輪設(shè)計開發(fā)多方案快速選擇時提供了一種高效的解決辦法，節(jié)約了開發(fā)時間,提高了開發(fā)效率。