彭惠芬,王 程,王 鵬

(1．東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶,163318；2．大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司，黑龍江大慶 163453)

鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析及實(shí)驗(yàn)應(yīng)用

彭惠芬1,王 程2,王 鵬2

(1．東北石油大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院,黑龍江大慶,163318；2．大慶油田有限責(zé)任公司鉆探工程公司，黑龍江大慶 163453)

車(chē)輪是汽車(chē)上的重要安全部件，車(chē)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)會(huì)對(duì)汽車(chē)行駛安全造成最直接的影響，文章通過(guò)對(duì)鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)及徑向載荷疲勞試驗(yàn)三種試驗(yàn)，并在此基礎(chǔ)上，研究了徑向載荷疲勞試驗(yàn)的有限元分析，最后運(yùn)用有限元分析研究了曲輻條、直輻條和直輻條背面有掏料三種主要車(chē)輪結(jié)構(gòu)。

鋁合金車(chē)輪；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；有限元

0 引言

鋁合金車(chē)輪的功能試驗(yàn)包括臺(tái)架試驗(yàn)和整車(chē)試驗(yàn)，臺(tái)架試驗(yàn)包括彎曲疲勞試驗(yàn)、沖擊試驗(yàn)和徑向疲勞試驗(yàn)，在這三個(gè)實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，才可以生產(chǎn)出合格的產(chǎn)品，進(jìn)行整車(chē)性能試驗(yàn)。而有限元分析(FEA)作為工程科學(xué)上一種重要的工具，它可以在力學(xué)模型上進(jìn)行近似的數(shù)值計(jì)算，能夠?yàn)槠髽I(yè)在車(chē)輪生產(chǎn)中節(jié)約大量成本，因此本文研究的鋁合金車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有限元分析及實(shí)驗(yàn)是具有現(xiàn)實(shí)意義的。

1 彎曲疲勞試驗(yàn)

車(chē)輪彎曲疲勞試驗(yàn)也叫做動(dòng)態(tài)橫向疲勞試驗(yàn)，它是讓車(chē)輪承受一個(gè)旋轉(zhuǎn)的彎矩，對(duì)車(chē)輪在行車(chē)中承受的彎矩負(fù)荷進(jìn)行模擬。試驗(yàn)裝置如圖1所示,試驗(yàn)彎矩M的計(jì)算公式為：

圖1 彎曲疲勞試驗(yàn)裝置

2 沖擊試驗(yàn)

車(chē)輪沖擊試驗(yàn)是在車(chē)輪上施加一個(gè)沖擊力，對(duì)行駛中的車(chē)輪受石塊等物體側(cè)向沖擊進(jìn)行模擬。首先將車(chē)輪安裝在有一定傾斜角度的沖擊工作臺(tái)上，以一定質(zhì)量的沖頭從規(guī)定高度自由下落沖擊車(chē)輪（圖2）。沖錘重量D的計(jì)算公式為：

D=0.6W+180

其中，w為車(chē)輪最大靜載荷，單位為Kg。

圖2 沖擊試驗(yàn)簡(jiǎn)圖

3 徑向載荷疲勞試驗(yàn)及其有限元分析

3.1 徑向載荷疲勞試驗(yàn)

車(chē)輪徑向載荷疲勞試驗(yàn)是通過(guò)讓車(chē)輪承受一個(gè)徑向壓力而進(jìn)行的旋轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置主要包括直徑不小于400mm、表面光滑且寬度大于試驗(yàn)輪胎總寬度的轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓旋轉(zhuǎn)時(shí)的速度應(yīng)當(dāng)是保持不變的，保障其可以承受作用在車(chē)輪上的徑向負(fù)荷，同時(shí)還要實(shí)現(xiàn)車(chē)輪在一定壓力下能夠與轉(zhuǎn)鼓保持緊貼。

在進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，首先給鋁合金車(chē)輪安裝上輪胎，輪胎額定載荷不得小于鋁合金車(chē)輪的標(biāo)注值，車(chē)輪在試驗(yàn)裝置中的安裝方法如圖3所示：

圖3 徑向載荷疲勞試驗(yàn)車(chē)輪安裝圖

在施加徑向載荷FR的同時(shí)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)鼓。施加的徑向載荷FR的計(jì)算公式為：

FR=Fv·K

其中，K為強(qiáng)化系數(shù)，F(xiàn)V為車(chē)輪額定負(fù)荷，進(jìn)行試驗(yàn)之前的輪胎氣壓值最低要與被試驗(yàn)輪胎的最大設(shè)計(jì)載荷氣壓值相等。

3.2 徑向載荷疲勞試驗(yàn)的有限元分析

本文在研究中主要以徑向載荷疲勞試驗(yàn)為例進(jìn)行有限元分析，在上述實(shí)驗(yàn)中我們已經(jīng)看到，這一試驗(yàn)是對(duì)裝上輪胎的車(chē)輪進(jìn)行的，所以，徑向載荷疲勞試驗(yàn)有限元分析中建立合理的力學(xué)模型是十分重要的，需要解決的問(wèn)題包括輪胎中充氣壓力對(duì)車(chē)輪應(yīng)力分布的影響，所以，本文研究了徑向載荷與充氣壓力作用。

根據(jù)該車(chē)輪結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，選擇兩個(gè)關(guān)鍵部位加載的情況進(jìn)行分析。為了保障能夠更加清晰地了解加載和約束情況，我們將對(duì)窗口位置加載的情況設(shè)為L(zhǎng)oad Setl，輻條位置設(shè)為L(zhǎng)oad Set2，充氣壓力載荷設(shè)為L(zhǎng)oad set3，在實(shí)驗(yàn)中選擇五個(gè)PCD進(jìn)行固定，在這五個(gè)PCD孔的錐面和安裝盤(pán)面上施加約束。

徑向載荷加載函數(shù)計(jì)算公式如下：

在上述公式中，b1、b2分別為內(nèi)、外輪桐胎圈座寬度,r1、r2分別為內(nèi)、外輪桐胎圈座半徑，為加載范圍的一半，即300，裝胎車(chē)輪的輪胎充氣壓力為300kPa。

兩種加載情況下的應(yīng)力分析結(jié)果分別如圖4所示。從圖4中（1）（2）兩圖中可以看出，正對(duì)輻條位置加載時(shí)車(chē)輪結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應(yīng)力值為35.5Mpa，從（3）（4）中可以看出，正對(duì)窗口位置加載時(shí)車(chē)輪結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應(yīng)力值為27.4Mpa。從這兩個(gè)結(jié)果來(lái)看，在徑向載荷作用下車(chē)輪結(jié)構(gòu)內(nèi)的最大應(yīng)力值比鋁合金車(chē)輪材料的屈服強(qiáng)度178MPa和抗拉強(qiáng)度264MPa要小很多，因此其應(yīng)力水平較低。

兩種加載情況下的車(chē)輪結(jié)構(gòu)的變形結(jié)果分別如圖5（1）（2）所示，從圖5中我們可以看到，在正對(duì)輻條與正對(duì)窗口的輪錮胎圈座上施加徑向載荷時(shí),車(chē)輪結(jié)構(gòu)的最大變形量分別為0.525mm和0.563mm?？傮w看來(lái),車(chē)輪結(jié)構(gòu)的變形量比較小，可以認(rèn)為車(chē)輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛度性能是較好的，可判定該車(chē)輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以通過(guò)徑向載荷疲勞試驗(yàn)。

Finite element analysis and experimental design of aluminum alloy wheel structure

Peng Huifen1,Wang Cheng2,Wang Peng2
(1.School of mechanical science and engineering,Northeast Petroleum University Heilongjiang Daqing 163318;2.Daqing Oil Field Co drilling engineering company,Heilongjiang Daqing,163453)

The wheels are an important safety component on the car,design cars with wheel structure would result in the most direct impact on safety,the article carried by the structure of the alloy wheels bending fatigue tests,impact tests and fatigue tests of three radial load test,and on this basis,the study of the finite element analysis of radial load fatigue test,and finally the use of finite element analysis to study the curved spokes,straight back and straight spokes spoke wheels have to dig three main structural material.

alloy wheels;structural design;finite element

黑龍江省應(yīng)用技術(shù)研究與開(kāi)發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目（重大），項(xiàng)目編號(hào)：GA13A402