張陽光，張龍，王曉磊

（陜西漢德車橋有限公司, 陜西 西安 710201）

現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法在某后橋用輪轂設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

張陽光，張龍，王曉磊

（陜西漢德車橋有限公司, 陜西 西安 710201）

輪轂是汽車承載的最重要的安全部件之一，受力復(fù)雜。本文基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，利用PRO/E軟件建立輪轂的三維實(shí)體模型，通過Hypermesh及ABAQUS軟件綜合完成輪轂的有限元分析，最終確定某后橋用輪轂結(jié)構(gòu)，并為后續(xù)該輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

輪轂；現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法；PRO/E；Hypermesh；ABAQUS；有限元分析

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)09-74-03

前言

輪轂是汽車底盤行駛系零件，它起到承載車身總量，并將動(dòng)力傳輸給輪胎的作用。輪轂作為車輛承載的最重要的安全部件之一，它不僅承受車輛自重垂直作用到輪轂的壓力，還受到車輛在啟動(dòng)、制動(dòng)時(shí)動(dòng)態(tài)扭矩的作用以及車輛在行駛過程中轉(zhuǎn)彎、凹凸路面、路面障礙物的沖擊等來自不同方向動(dòng)態(tài)載荷產(chǎn)生的不規(guī)則交變受力，其受力情況非常復(fù)雜而且是動(dòng)態(tài)變化的。[1]由于輪轂受力復(fù)雜，傳統(tǒng)的輪轂設(shè)計(jì)只能參照以前的老產(chǎn)品或者依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)笨重，開發(fā)周期長，不具市場競爭力，因此，輪轂設(shè)計(jì)越來越強(qiáng)調(diào)現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法。現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法是新理論與計(jì)算機(jī)應(yīng)用相結(jié)合的產(chǎn)物，他是以思維科學(xué)、設(shè)計(jì)理論系統(tǒng)工程為基礎(chǔ)，以方法論為手段，以計(jì)算機(jī)為工具的各種技術(shù)和程序的總和[2]。本文以某9T后橋用輪轂為例，基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用PRO/E建模、Hypermesh前處理、Abaqus非線性分析等手段進(jìn)行輪轂的設(shè)計(jì)。

1、基于PRO/E輪轂三維模型的建立

1.1 車橋相關(guān)參數(shù)確定

表1 車橋相關(guān)參數(shù)表

1.2 確定輪轂軸承

輪轂軸承是應(yīng)用于汽車車軸處用來承重和為輪轂的轉(zhuǎn)動(dòng)提供精確引導(dǎo)的零部件，是汽車載重和轉(zhuǎn)動(dòng)的重要組成部分，因此輪轂選型是車橋設(shè)計(jì)成敗的關(guān)鍵。本次軸承選型委托某軸承公司，根據(jù)整車及整橋相關(guān)參數(shù)以及輪轂軸承布置空間，選定合適的輪轂軸承，并得到輪轂軸承壽命曲線如下圖所示：

1.3 輪轂三維初步確定

根據(jù)輪距、車輪螺栓分布圓直徑、輪輞止口、內(nèi)外軸承外徑、軸承參考偏心距等參數(shù)，預(yù)留輪轂油封及ABS齒圈空間位置，結(jié)合半軸、制動(dòng)鼓易拆卸性，考慮鑄造拔模斜度及鑄造圓角，并在參考公司其他成熟輪轂產(chǎn)品基礎(chǔ)上，初步確定此輪轂三維模型如下圖所示：

2、輪轂?zāi)Ｐ陀邢拊治?/h2>

Hypermesh是汽車行業(yè)應(yīng)用最廣泛的前后處理軟件，可與大多數(shù)有限元分析軟件搭配使用，如Nastran、ABAQUS、ANSYS等[3]，由于輪轂設(shè)計(jì)需考慮輪轂與輪轂軸承的過盈配合，因此需對輪轂進(jìn)行非線性有限元分析，本次設(shè)計(jì)結(jié)合實(shí)際使用情況，應(yīng)用Hypermesh對輪轂進(jìn)行前處理，再用ABAQUS對其進(jìn)行非線性分析。

2.1 有限元模型的建立

將輪轂及軸承外圈STP格式的三維模型導(dǎo)入Hypermesh，采用車輛前進(jìn)坐標(biāo)系，即：將x軸指向車輛前進(jìn)方向，y軸指向車輛前進(jìn)方向的左側(cè)，z軸豎直向上。在Hypermesh中選用適當(dāng)?shù)木W(wǎng)格尺寸為輪轂和軸承外圈劃分好網(wǎng)格，同時(shí)，為了方便在ABAQUS中施加約束和載荷，在Hypermesh中處理模型時(shí)候盡量把各個(gè)零件都裝配好，并建立相應(yīng)rbe2剛性單元。建立好的輪轂有限元模型如下圖所示：

2.2 輪轂?zāi)Ｐ偷姆蔷€性分析

在Hypermesh中建立好有限元模型后，分別將輪轂和軸承外圈有限元模型導(dǎo)成ABAQUS可用的inp文件，并將inp文件分別導(dǎo)入ABAQUS，確定輪轂及軸承外圈材料屬性，定義面接觸及軸承外圈與輪轂的過盈配合，定義軸承外圈溫度場系數(shù)，并考慮以下工況1）垂向工況：當(dāng)汽車滿載并行駛于不平地面，受垂向載荷時(shí)的工況；2）驅(qū)動(dòng)工況：當(dāng)汽車滿載并以最大牽引力行駛時(shí)的工況；3）側(cè)向工況：當(dāng)汽車滿載通過鐵路道岔及坑洼不平路面時(shí)的載荷工況，4）制動(dòng)工況：當(dāng)汽車滿載并緊急制動(dòng)時(shí)的載荷工況，按文獻(xiàn)[4][5][6]確定各工況下輪轂受力及邊界條件。最后，提交有限元求解器，進(jìn)行分析得到各工況下的應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下所示：

3、三維模型的確定

由有限元分析結(jié)果可以看出，在四種工況下的計(jì)算結(jié)果，其最大應(yīng)力均略大于選用輪轂材料QT500的許用應(yīng)力（213MPa）,且位置基本相同,因此需根據(jù)計(jì)算結(jié)果對受力較大處進(jìn)行局部加強(qiáng)，重復(fù)運(yùn)用PRO/E、Hypermesh、ABAQUS，最終分析得到個(gè)工況下該輪轂應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如下表所示（最大應(yīng)力點(diǎn)位置與之前相同）：

表2 改進(jìn)后輪轂應(yīng)力分析結(jié)果

由表2可以看出，局部加強(qiáng)后的輪轂各種工況下的最大應(yīng)力值均小于選用輪轂材料QT500的許用應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求，因此最終確定輪轂三維狀態(tài)如下圖所示：

4、結(jié)論

本文基于現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法，綜合運(yùn)用CAD、CAE技術(shù)對輪轂進(jìn)行三維造型及有限元分析，最終確定輪轂狀態(tài)，在一定程度上避免了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)的不可預(yù)知性，縮短了開發(fā)周期，降低了設(shè)計(jì)開發(fā)成本，并為后續(xù)該輪轂的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了一定的理論依據(jù)。

[1] 喬文明,李穎,王晨.鋁合金汽車輪轂設(shè)計(jì)過程探討[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2012（24）:18-21.

[2] 王萬新，王輝.現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法和傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的比較[J].德州學(xué)院學(xué)報(bào)，2002,18（4）:100-102.

[3] 于開平,周傳月,譚惠豐,等.HyperMesh從入門到精通[M].北京：科學(xué)出版社，2005.

[4] 竺延年.最新車橋設(shè)計(jì)、制造、質(zhì)量檢測及國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)使用手冊[M].北京：中國知識出版社，2005.

[5] 賴姆佩爾.懸架元件及底盤力學(xué)[M].吉林:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1999.

[6] 余志生.汽車?yán)碚揫M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010.

The Application of Modern Design Method In The Design of A Wheel Hub In The Rear Axle

Zhang Yangguang, Zhang Long, Wang Xiaolei
（Shaanxi Hande Axle Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710201）

The wheel hub is one of the most important safety components of automobile bearing, the stress is complex. In this paper, based on the modern design method, using PRO/E software to build three-dimensional entity model of wheel hub, use Hypermesh and ABAQUS software to complete the hub’s finite element analysis, ultimately determine a rear axle hub’s structure.At the same time ,it provides a theoretical basis for optimal design of follow-up the hub.

wheel hub; modern design method; PRO/E; Hypermesh; ABAQUS; finite element analysis

U463.3

A

1671-7988(2014)09-74-03

張陽光，就職于陜西漢德車橋有限公司。