内蒙古霍煤车轮制造有限公司内蒙古霍林郭勒市029200
摘要：为确保轮毂在满足性能和使用要求的前提下，减轻轮毂质量，缩短产品研发周期，降低生产成本，文章论述了低压铸造铝合金车轮产品设计过程的重要环节——强度与疲劳实验有限元分析，利用UG软件，找出最大应力集中区域，采用轮辐厚度减小0．5mm、轮辋厚度从原来的5．2mm减小到4．8am及轮辐靠近轮芯处过渡圆角的半径从30mm增加到60mm的方法，使应力分布均匀，重新进行强度校核，表明满足强度与寿命要求，提高了材料的利用率，达到了产品轻量化的目的。采用有限元方法能缩短产品研发周期、降低生产成本，为企业带来经济效益。
关键词：铝合金轮毂；UG分析；弯曲疲劳；径向疲劳；冲击试验；轻量化
铝合金轮毂具有质量轻、降低油耗、散热性好、提高轮胎寿命、缓冲和吸震性好、造型美观，易加工及耐腐蚀等优点。但铝合金车轮行业普遍存在设计周期长以及制造成本高等现状。文章采用UG软件对某典型汽车轮毂进行了弯曲疲劳、径向疲劳和冲击有限元分析，并以此分析结果为基础对轮毂进行轻量化设计，最后对轻量化后的轮毂进行强度校核。
1铝合金轮毂有限元分析
1．1铝合金轮毂弯曲疲劳有限元分析
（1）轮毂弯曲疲劳试验简介
轮毂弯曲疲劳试验装置如图1所示，将轮毂安装在加载臂上并使用夹具将轮毂完全固定，然后通过加载臂对轮毂施加一个旋转弯矩。
图1轮毂弯曲疲劳试验装置
加载臂施加的载荷弯矩M可以由公式确定：
其中μ为车轮与地面的摩擦系数；R为静负荷半径（m）；d为偏距距离（m）；FZ为额定负载（N）；S为强化系数。
（2）建立铝合金轮毂弯曲有限元模型
按照轮毂弯曲试验装置，建立加载臂的模型，其相关尺寸参数如下：加载臂长为1m，轴径为62mm，安装盘的直径为150mm，并按照轮毂5个螺栓孔对应的位置在安装盘上建立螺栓孔，在UG装配模块中完成加载臂和轮毂的装配。然后进入UG仿真模块分别对加载臂、轮毂赋予材料属性，并对其进行网格划分。
（3）铝合金轮毂弯曲疲劳有限元分析边界及加载条件
按照弯曲试验将轮辋的内边缘的六个自由度进行全约束，然后计算出弯矩M，从而求出施加在加载臂末端的力。从汽车行驶平稳性、制动性能考虑，结合所设计的铝合金轮毂（轮辋规格类型16×61/2J，节圆直径PCD为5×114.3，安装盘的直径为150mm，偏距ET=40mm。），本设计的轮胎规格选取205/65R16LT的系列标准，并根据GBT2977-2008标准确定为静负荷半径R=313mm，轮毂内偏距d=40mm，轮毂设计额定载荷FZ=6958N，取试验中的强化系数S=1.6，车轮和地面的摩擦系数μ=0.7，根据公式（1）可求得弯矩M=2803N∙m，由于弯曲疲劳试验装置加载臂长为1m，所以在加载臂末端的集中力F=M/L=2803N。由于本设计的轮毂为五辐均匀对称结构，因此只需沿其轮毂方向施加弯矩即可。
（4）弯曲试验有限元分析结果
可以看出轮毂在弯曲载荷作用下的最大位移分布在轮毂安装盘的边缘处，最大位移为0.269mm。最大应力分布在轮辐掏料槽边缘内侧棱边上，最大应力为142.35MPa。轮毂弯曲试验疲劳寿命、强度安全系数最小的单元均分布在轮辐掏料槽边缘内侧棱边上，其中轮毂弯曲试验最小的疲劳寿命为1.2×E5，大于弯曲试验所要求的最低循环次数，弯曲试验最小的强度安全系数为1.8，高于强化试验系数1.6，表明本设计轮毂整体性能满足弯曲疲劳试验的标准要求。而强度安全系数只有1.8，说明轮毂还存在一定结构优化空间，可以进一步提升轮毂整体性能。
1．2设定径向疲劳
根据实际情况约束法兰面，在安装轮胎处加载15．1kN的载荷，根据汽车行业标准，许用最大应力为80MPa，疲劳寿命为不小于150万次循环。在径向载荷作用下，应力集中部位是轮辐靠近轮芯的圆弧处以及轮辐与轮辋交接的圆角处，最大应力值为50．8MPa，并预测出径向疲劳寿命为220万次循环，不仅满足设计要求，还存在更大的优化潜能。
1．3设定13o冲击试验
据轮毂冲击应力分析，实际情况旋转轮毂与水平面成13o角，约束法兰面，在外轮缘处加载重锤质量为492kg的冲击载荷，按照汽车行业标准，许用最大应力为160MPa。在冲击试验有限元数值模拟中，建立了包括冲击块、轮毂和轮胎的有限元力学模型，考虑了轮胎和冲击块之间以及轮毂和轮胎之间的复杂接触关系，使用显式算法对该试验进行模拟，得出：在冲击试验中，最大应力值为144MPa，最大应力也在轮辐与法兰部分的连接处，最大应力未超过轮毂的许用应力，而且该轮毂在冲击试验中应力水平偏低。
2轻量化设计
1）采用应力离散法，弱化应力过剩处，降低最大应力处的应力，使应力分布均匀；
2）根据上述试验的有限元分析结果，并结合国内实际铸造工艺水平，确定轮毂结构的最终优化设计方案：轮辐厚度减小0．5mm；轮辋厚度从原来的5．2mm减小到4．8mm；轮辐靠近轮芯处过渡圆角的半径从30mm增加到60mm。
3强度校核
经过最终优化后的轮毂应力分布更加均匀，在满足轮毂强度的前提下，提高了材料的利用率，使轮毂质量减少了0．29kg，占轮毂总质量的3．92％。得出优化后轮毂的弯曲疲劳寿命为49．7万次循环，比优化前降低了87．1％。径向疲劳寿命为146．3万次循环，比优化前降低了82．1％。但轮毂的疲劳寿命值仍然满足设计要求，在规定使用期内，不会发生疲劳破坏，所以该优化结果是可靠的。
通过对轮毂辐板厚度及辐板间夹角的分析，并与铝合金材料的许用应力值比较，可知：幅板厚度在16-20mm时，车轮的最大应力值小于铝合金材料的许用应力240MPa，此时车轮达到强度要求。为了满足材料较省（幅板厚度值小）以及车轮的最大应力值较小2个条件，幅板厚度的最佳范围为18-20mm。幅板间夹角在50o-60o范围内变化时，通过工艺模拟可知夹角越大，车轮的应力值越小，车轮越安全；当两幅板间夹角为60o时，车轮的最大应力值最小，车轮是最安全的。经过多次反弱惹幽翰Ⅱ司得：幅板间夹角的最佳范围为53o-60o。
结论
文章利用UG分析软件对铝合金车轮进行强度分析，找出了最大应力集中区域，采用应力离散法，加强了薄弱点，弱化了应力过剩处，使整体应力分布均匀，在满足强度要求的前提下，减小了轮毂厚度，减轻了质量。设计者可以在车轮生产出来之前就对车轮的应力状态有较明确的认识，能减少设计的盲目性、缩短设计周期以及降低生产制造成本，为企业带来显而易见的经济效益。
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