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1輪轂造型分析

1．1鋁合金輪轂的特點

隨著科技的不斷進步，汽車越來越多地使用鋁合金輪轂。鋁合金輪轂相比鋼制車輪有如下4大特點：（1）節能。鋁合金密度低，輪轂質量輕，加工精度高，高速轉動時的阻力小、變形小，可提高汽車的行駛性能，減少油耗。（2）安全。鋁合金的導熱系數是鋼的3倍，散熱效果非常好，可增強制動性能，提高使用壽命，保障汽車行駛安全。（3）舒適。一般與鋁合金輪轂配用的是扁平輪胎，其緩沖和吸震性能均優于普通輪胎，使汽車坎坷道路上或快速行駛時，舒適性提高。（4）美觀。鋁合金輪轂外觀設計精美，造型多樣化，可做到對比突出、車轂合一，提高整車的視覺效果。

1．2輪轂的結構特點

輪轂由輪輞、輪輻、輪芯及輪轂蓋、附件等組成，如圖1所示。輪轂一方面通過輪輞與輪胎配合，另一方面通過輪輻與車橋相連，發揮其承載、行駛、轉向、驅動和制動等作用［2］。其中，輪輞的設計應按照標準規定選用與整車要求相配的輪輞規格，尤其是寬度和直徑尺寸應嚴格按標準檢測，以確認輪輞能否滿足與輪胎的配合要求。輪芯的設計則根據輪轂與車橋車軸上的安裝盤等安裝定位要求進行。可見輪轂造型中最關鍵的是輪輻，其造型可隨意變化，無標準和規律可循。輪輻作為輪輞與輪芯的中間連接件，主要起到支承和傳遞載荷的作用，在保證具有足夠的承載、抗彎、抗沖擊強度性能前提下，其造型應具有美觀、動感和時尚性。而附件、輪轂蓋對輪轂造型美觀起襯托、輔助的作用，可根據情況適當添加。

1．3輪轂造型設計目標

輪轂造型設計應以輪轂的材質、輪轂造型數量、輪轂的尺寸、輪轂外觀工藝的設定和輸入為指導［2］。結合輪轂的結構特點、配套車型、目標客戶群的審美特點和汽車品牌的文化特征，確定輪轂造型設計的目標：（1）滿足結構性能要求；（2）按車型選定車輪結構尺寸；（3）結合品牌文化的美觀造型；（4）彰顯用戶心理特征；（5）可制造加工性。

2造型與結構一體化設計

2．1性能要求

根據輪轂裝配于整車后的功能，針對鑄鋁合金輪轂各國均有相應的標準，考慮輪轂使用中的功能需求，SAE，JASO及ISO等標準和我國標準主要對輪轂的強度及疲勞性能提出了具體要求［3］，輪轂制造企業必須要對每一批制造出的產品進行如表1所示的性能試驗。

2．2尺寸設計

汽車輪轂的主要參數有胎環直徑、胎環寬度、螺栓孔節圓直徑、偏距、中心孔等，一般常根據胎環直徑和胎環寬度來劃分不同尺寸型號。直徑和寬度通常是在整車設計方案中確定的，綜合考慮了汽車動力、自身質量及阻力等方面因素，選擇使車輛性能最優的輪轂尺寸，轎車原車輪轂主要的直徑尺寸為381mm（15inch），406．4mm（16inch）和431．8mm（17inch），也有越野型轎車的輪轂直徑達到508mm（20inch），533．4mm（21inch）和558．8mm（22inch）。直徑和寬度確定后，輪轂的輪輞部分便可根據標準進行造型設計。螺栓孔節圓直徑、偏距及中心孔的尺寸亦由整車設計中輪轂的安裝要求確定，從而決定了輪轂的輪芯部分的造型要求。因此，輪轂的造型以輪輻部分的設計為主。

2．3造型與結構一體化設計

隨著計算機技術的飛速發展和廣泛應用，有限元法已成為求解科學技術和工程問題的有力工具［4］。將有限元分析方法應用于工業產品設計，用仿真引領設計，改變傳統仿照設計的方法，可增強產品設計的創新性。在輪轂的造型設計中，由于輪輻是造型的關鍵，也是承受載荷的關鍵部位，因此，非常適合將有限元分析的方法引入輪轂的造型設計中來，進行造型與結構的一體化設計。傳統的輪轂造型設計，首先進行二維造型草圖設計，設計中融入品牌文化及車型特征，經過反復在整車模型側面上的貼圖評審確定下來；其次進行三維模型的構建，根據車輪尺寸設計要求構建輪輞的三維模型，根據車輪的安裝配合尺寸設計輪芯的三維造型，主要是根據評審確定下來的二維造型草圖進行輪輻部分的三維模型設計，此階段更多考慮的是外觀造型；再次根據三維數據制作油泥模型，反復調整模型，更新三維數據，甚至在實車上評審造型；最后是制作硬質輪轂樣件，通常用ABS工程塑料，進一步檢驗輪轂設計的細節，完成造型設計。之后整車廠會將以上完成的造型設計提供給輪轂供應商制作小批真實樣件，通常這時輪轂制造廠在試制生產前會對客戶提供的模型進行有限元分析以保證樣件的試驗通過率，避免直接開模、試制、試驗不通過造成的報廢、修模、重新試制等過程的浪費，主要是針對結構性能的分析?？梢?，傳統設計中造型設計與結構設計是分開進行的，有限元分析并未發揮其最大的作用，沒能用于指導造型設計，因此可能會導致后期有限元分析驗證結構設計合理性時對前期造型設計方案的推翻，或者獨立的造型設計導致結構的安全裕度過大，造成材料的浪費，不能實現最優的輕量化設計。因此，將有限元分析提前到造型設計的過程中，一旦二維造型方案確定，構造出三維模型就對其進行有限元分析，將避免一些不必要的嘗試，并帶來更加創新優化的設計結果。造型與結構一體化設計方法的流程如圖2所示。

3案例

以福特2015年新款Focus車型431．8mm×177．8mm（17inch×7．0inch）的輪轂設計為例，展示由于有限元分析方法的引入而形成的造型與結構一體化設計方法的應用。輪轂造型效果如圖3所示。采用福特產品設計通用的I－DEAS有限元分析軟件在輪轂造型設計的各階段對其進行有限元分析，分析中采用10節點四面體單元進行網格劃分，材料屬性取鋁合金材料的機械性能參數，彈性模量6．9×1010Pa，泊松比0．33。對13°沖擊試驗，根據前述試驗條件，在輪轂安裝盤面及5個PCD孔錐面上施加6個自由度的全約束，使車輪相對于水平o-xy平面旋轉翹起13°，在最高輪輞邊緣向輪芯偏移19mm的位置以外的輪輞上施加載荷，沖擊試驗的載荷是使質量為547kg的沖擊錘自230mm高度落下。彎曲疲勞試驗則根據前述試驗條件，在無輪輻支撐側的輪輞邊緣施加固定約束，在輪芯的安裝面及PCD孔上通過建模添加加載臂結構，加載臂長度為660mm，根據試驗要求的載荷3587N•m計算出加載臂末端應施加的力為5435N，根據不同的輪型結構通常根據旋轉一周的情況選定幾個方向進行加載計算，取分析所得最危險的結果進行評判。徑向載荷疲勞試驗按前述試驗條件，分析中對輪芯的安裝盤面和PCD孔錐面分別進行全約束，在60°夾角范圍內的輪輞兩側胎圈座上分別施加呈半正弦函數分布的徑向載荷q1和q2，根據試驗要求徑向載荷15007N和輪轂尺寸參數由以下公式計算得到，并在整個外輪輞上施加充氣壓力300kPa，同彎曲疲勞試驗，根據輪型結構選取幾個位置分別加載分析，取最危險的分析結果進行評判。該型輪轂最終造型設計在三性能試驗條件下的有限元分析結果分別如圖4a，4b，4c所示。其中，圖4a為在以上沖擊試驗約束和載荷條件下的vonMises應力分析結果，其最大值為56．8MPa，發生在沖擊部位正對的輻條根部；圖4b為以上彎曲試驗約束和載荷條件下的vonMises應力分析結果，其最大值為105MPa，發生在輻條背面根部位置；圖4c為以上徑向載荷試驗約束和載荷條件下的vonMises應力分析結果，其最大值為40．7MPa，發生在無輻條支撐側的輪輞外緣處。鋁合金材料的屈服強度為178MPa，根據文獻［3］中通過實驗驗證建立的分析模型和評價標準，以上3個性能試驗有限元分析的vonMises應力最大值分別小于70MPa，110MPa（30萬轉）和70MPa（100萬轉）為合格。從有限元分析的結果可以看出該設計可全部通過標準要求的輪轂性能試驗，在達到造型設計的同時滿足了結構設計的要求。在結合車型特點等因素確定初步的設計方向和設計尺寸后，首先根據標準要求的輪輞形狀、尺寸進行輪輞造型設計，其次進行輪輻的造型設計，設計中通過以上有限元分析結果，逐步實現了輪轂的最終造型設計。

4結論

汽車輪轂既是汽車行駛安全的關鍵承重部件，又是整車造型設計中的畫龍點睛之筆，其合理性設計尤為重要。在分析了汽車輪轂的功能特點與外觀結構特點及輪轂的設計流程后，提出綜合考慮結構功能性與造型美觀性的一體化設計思想，并運用計算機輔助設計中的有限元分析方法實現了一款輪轂產品的設計，該方法優化了輪轂造型設計及流程，提高了輪轂造型設計的效率。

作者:閆勝昝劉偉鵬單位:安慶師范學院