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车轮轮辐结构强度分析

车轮轮辐结构强度分析

郭友利刘永超

(东风汽车工程研究院CAE室)

【摘要】本文运用MSC.Nastran软件对三种车轮的轮辐进行弯曲工况下的结构强度分析,计算该工况下车轮轮辐的强度大小及分布,并根据轮辐材料,对其安全系数进行了简单评估,为产品的定型或进一步改进设计提供参考依据。

【关键词】车轮轮辐弯曲工况结构强度

一、前言

1.车轮在汽车行驶安全性方面是最重要的部件之一,它承受车辆的垂直负荷、横向力、驱动制动扭矩等,并承受在行驶中所产生的各种应力,因为它是回转体,所以要求高精度的尺寸,不平衡度小,支撑轮胎的轮辋外形(轮廓、尺寸、形状)正确,而且还要有一定的刚度和弹性,耐疲劳,重量轻,经济性好.

2.现阶段车轮主要形式

a.钢板式的盘式车轮。其特点是:轮辐和轮辋都是用钢板作坯料,在轧辊和冲压等专用机床上,经若干工序成型后组装起来的.轮辋和轮辐的组合方法有铆接,点焊,二氧化碳电弧焊,挤压等。轮辐的强度取决于材料,板厚,加工方法等.但是合理的设计形状会进一步提高强度.另外,在保证加工性好,强度高的同时,还可以使外形设计具有良好的装饰性.轮辐以钢板为坯料,因而适于大批量生产,质量稳定,经济性好.现在大量生产的车型中有95%以上采用钢板轮辐.

b.轻合金车轮.特点是比较容易获得各种形状,重量轻,但缺乏必要的延伸性,耐腐蚀性差,冶炼困难,成本高.

c.钢丝车轮.由于难以获得准确的圆度,必须定期调整,现在使用很少。

3.车轮上所产生的应力

车轮上所产生的应力主要有:残余应力、静态初始应力、动态应力。残余应力是在制造过程中产生的,尽管尺寸、结构都相同,但由于制造方法不同,其实际大小与状态却有所差异。关于静态初始应力,轮辋部分是由轮胎的充气压力而造成的。轮辐部分是在往轮毂上安装时所产生的。残余应力与静态初始应力相加或相减而成动态应力,承受垂直载荷和横向力旋转的车轮。在汽车实际形式中,由于车轮要承受超过疲劳极限的高峰负荷,因而在耐久性范围内负荷大小对寿命的影响非常大。汽车在行驶中对车轮所加的负荷是不规则变化的。

东风汽车公司将试验应力分析与有限元应力分析相结合,解决了车轮有限元分析中的重要技术问题,车轮有限元分析已经进入了实用阶段,可以计算出汽车车轮在滚动时轮辐上给定点沿给定方向应力分量的应力幅值,该应力幅值的计算

结果与试验结果一致。在产品开发初期的概念设计阶段就可对汽车车轮进行结构优化分析,为产品开发提供依据,并降低产品成本,缩短产品开发周期。

二、三种车轮的轮辐有限元分析

本文模拟一般车轮滚动试验条件,分别对三种车轮的轮辐进行有限元应力分析。以下为叙述方便,给三种车轮分别编号为12”、12”-1和14”。

1.有限元模型的建立

三种车轮轮辐厚度分别为3.5mm、3.5mm和4.0mm,用四面体块单元对其分别进行网格划分,12”车轮轮辐共划分四面体单元22637个,节点7543个;12”-1车轮轮辐共划分四面体单元22582个,节点7701个;14”车轮轮辐共划分四面体单元25444个,节点8369个。三种车轮的轮辐材料均为45#钢,分析计算时取弹性模量E=2.08E5MPa, 泊松比ν=0.29,质量密度ρ=7.8E3KG/M3。图1示出了12”车轮轮辐的网格模型。

车轮轮辐结构强度分析

图1 12”车轮轮辐网格模型图

2.边界条件的建立

由于三种车轮在滚动时轮辐的应力状态为周期对称,因而可以在一个周期内

在车轮弯曲平面的一定角度范围内改变车轮弯矩的方向,以确定弯曲工况下各车轮轮辐的应力最值。三种车轮上的车轮弯矩如下表1所示。

车轮轮辐结构强度分析

车轮轮辐有限元分析的边界选择在轮辐与轮辋间的焊缝上,约束了边界节点的位移自由度,车轮轮辐的载荷来自于轮毂法兰和车轮螺栓对轮辐施加的车轮反弯矩M,这样车轮轮辐的有限元分析既考虑了充气轮胎刚性对轮辐应力状态的影响,又回避了轮胎大变形的非线性问题。

3.有限元分析结果及其评价

运用MSC.Nastran软件,对上述建立的三种车轮轮辐有限元模型进行分析求解,得到它们的应力大小及分布。如下图2—图4分别为三种车轮轮辐在车轮弯矩作用下的应力大小及分布图,图中应力单位为千帕斯卡(KPa)。

车轮轮辐结构强度分析

图2 12”车轮轮辐应力大小及分布图

图3 12”-1车轮轮辐应力大小及分布图

图4 14”车轮轮辐应力大小及分布图

如下表2列出了三种车轮轮辐在车轮弯矩作用下的最大应力值及分布位置。

车轮轮辐结构强度分析

从上面的图2—图4以及表2看:

a.三种规格的车轮轮辐在车轮弯矩的作用下,结构强度最大应力的位置均在轮辐螺栓孔附近,这与一般车轮滚动试验的结果相一致。

b.三种车轮轮辐的最大应力幅值均小于轮辐材料的破坏极限σb (380MPa),其静态安全系数分别为1.84、1.72和1.05。

c.12”、12”-1车轮轮辐的最大应力幅值小于轮辐材料的疲劳极限σ-1(260MPa),其动态安全系数分别为1.26、1.18,因而该两种规格的车轮轮辐在所提供的车轮弯矩作用下,理论上不会因弯曲工况而破坏(有待试验验证);14”车轮轮辐的最大应力幅值比轮辐材料的疲劳极限σ-1要大,因而在所提供的车轮弯矩作用下,有可能产生疲劳裂纹而最终破坏。

d.以上分析结果仅是在理想状态下、仅考虑弯曲工况下计算出来的,实际车轮在运转中其轮辐应力的大小及分布还与车轮实际运行工况、轮辐制造工艺、螺栓预紧力、螺栓是否松动、轮辐与轮辋之间的焊接工艺等因素有关,因而应通过车轮滚动试验来确定最终设计方案。

三、结论

通过对三种规格的车轮轮辐进行有限元分析,确定了它们各自的结构应力大小及分布,为车轮的设计提供了有力的依据,从而避免了设计中的盲目性,减少了设计成本,缩短了设计周期。

四、参考文献

[1]白忠喜.有限元单元法基础教程.吉林:吉林科学技术出版社,1992

[2]龚微寒.汽车现代设计制造.北京:人民交通出版社

[3]高卫民王宏雁.汽车研究与开发.汽车结构分析有限元法

[4]唐述斌汽车车轮的有限元分析. MSC公司论文集,1998