董繼先， 陳雪嬌

(1.陜西科技大學 機電工程學院， 陜西 西安 710021； 2.陜西科技大學 設計與藝術學院， 陜西 西安 710021)

0 引言

輪轂，又叫輪圈或輪輞，是汽車行駛的重要部件.汽車行駛時，會產(chǎn)生橫向載荷和縱向載荷，輪轂則需要承受一部分載荷.當前的轎車速度很快，對可靠性和動態(tài)穩(wěn)定性要求高，因此對輪轂的要求也很高.一輛車通常不是只配備一款輪轂造型，廠家會綜合考慮成本和整車性能，給消費者提供多種選擇.因此，輪轂的種類也越來越多.

對于轎車輪轂的結構設計，國外最初使用的是經(jīng)驗類比法.隨著測試技術的發(fā)展，逐漸開始使用應變電測技術，脆漆法對輪轂進行試驗.1956年，Turner、Clough等人在分析飛機結構時，嘗試使用現(xiàn)代有限元法取得成功[1].隨著CAD和CAE應用軟件的不斷開發(fā)和完善，有限元法在輪轂結構設計方面得到了充分應用.

鋁合金輪轂因其具有重量輕，造型多樣、美觀，散熱性能好等優(yōu)點[2]，帶給轎車輪轂結構造型設計很大的應用空間.輪轂的造型形態(tài)關系到整車的和諧統(tǒng)一，在國內(nèi)車廠中，一汽大眾旗下奧迪、寶來、高爾夫、捷達等，所提供的輪轂款式最多.

本文以大眾高爾夫轎車輪轂的造型演變?yōu)槔M行分析,然后根據(jù)其特點進行設計實踐，并利用Ansys進行有限元靜力學分析.

1 大眾高爾夫轎車輪轂造型演變分析

大眾高爾夫是一款由大眾汽車在1974年推出的小型家用車型，目前已經(jīng)在全球市場推出了七代，成為繼甲殼蟲之后，大眾汽車最成功的產(chǎn)品之一.2003年7月，高爾夫進入中國，一汽“高爾夫”問世.作為大眾旗下的熱銷車型，為了滿足消費者的需求，大眾根據(jù)高爾夫開發(fā)出了衍生車型，其中包括捷達和寶來等.因此，高爾夫為我們提供了豐富的實物資料.

隨著大眾高爾夫轎車的發(fā)展，輪轂也經(jīng)歷了很多變化，現(xiàn)在的它有著不同的質感和千變?nèi)f化的造型.輪轂主要有輪輞和輪輻組成.就轎車輪轂的整體造型而言，本文將重點對輪輻的造型變化進行分析研究.

以1.6 L排量的七代轎車輪轂為研究對象，分析其造型特點，如圖1所示.

圖1 1.6 L排量大眾高爾夫轎車 輪轂演化過程

Golf從第一代到第四代鋼制輪轂，逐漸在發(fā)生著變化，輪轂支撐的質量慢慢集中在輪轂的中心.對于輪轂來說，動力輸出點在輪轂中心，距離輪轂中心最遠處就是輪轂的邊沿，邊沿的質量越小，那么輪轂轉動起來需要克服的慣性越小，動力消耗就越小[3].

第一代鋼輪轂的中心向外拱出，呈“抓手”狀，這種弧度逐漸變小，并且輪轂的中心從第二代開始向內(nèi)凹，直到第四代的五輻鋼輪轂.大眾的很多其它種類的轎車輪轂也采用這種造型，如圖2所示.

圖2 中心向內(nèi)凹的大眾其它品牌輪轂

從第四代到第七代的鋁合金輪轂輪輻的形態(tài)變得更加多樣化，如星型輪輻、Y型輪輻、V型輪輻等.2003年，第五代高爾夫開始生產(chǎn)，在其設計理念中體現(xiàn)出了一種新的活力觀.多幅輪轂一般用于長期高速行駛的轎車，它可以提供很好的支撐，能在行駛過程中防止車輪產(chǎn)生較大的變形.

圖3顯示排量增加，輪轂的尺寸(也就是輪轂的直徑)增大.一般對于轎車來說，輪轂的尺寸大輪胎的扁平比高的話，能提高制動散熱性能，車輛的穩(wěn)定性有所增加，相應的油耗也增大.在輪轂的尺寸相同的情況下，排量越大，輪轂裸露的面積就大，輪輻的造型也就更多樣[4].

第六代和第七代的部分輪轂設計的造型源自于古代的兵器，如“戰(zhàn)斧”、“戰(zhàn)刀”、“雙面戰(zhàn)戟”等，成為一個系列，并有將繼續(xù)延續(xù)下去的趨勢.

圖3 大眾高爾夫轎車輪轂按排量對比

2 大眾高爾夫轎車輪轂造型設計及有限元分析

2.1 造型設計

Monza，在國內(nèi)有個通俗的名字：戰(zhàn)斧.其富有創(chuàng)意的輪轂設計襯托得該款轎車風度翩翩，在一家海外雜志上被評選進入十佳最受歡迎的原廠輪轂[5].古代的兵器有刀、槍、劍和戟等，目前第六代和第七代高爾夫轎車輪轂已經(jīng)應用了“戰(zhàn)刀”和“雙面戰(zhàn)戟”，“戰(zhàn)刀”更是“戰(zhàn)斧”的延續(xù).

本方案選用古代兵器中的劍，采用中心向內(nèi)凹的圓弧抓手式造型進行設計，目的是設計出此系列的延續(xù)型.方案是基本的五幅輪轂，其中的輪輻經(jīng)過扭曲、旋轉，通過富有節(jié)奏和韻律的造型，體現(xiàn)車輪的速度感[6].輪轂中心的大眾標識用藍底白字，與輪輻邊緣的色彩相呼應.在每條輪輻的右側邊緣分割出一部分賦予其藍色.整個輪轂經(jīng)過電鍍處理，呈現(xiàn)出時尚、現(xiàn)代感.具體設計如圖4所示.

圖4 效果圖

2.2 有限元分析

輪轂的造型最終是要配合其性能.通過Proe三維軟件建模，并用有限元分析軟件Ansys對輪轂進行結構靜力學分析.

通過Proe把二維圖像轉換成三維模型，對輪轂圓角和氣門孔等進行簡化，在Ansys中把簡化的輪轂三維模型再轉換成有限元模型[7]，以便進行分析計算.

有限元分析的基本思想是用有限個單個單元體的組合實體來替代原來的連續(xù)體，將無限個自由度問題改變?yōu)橛邢迋€自由度問題，用有限個參數(shù)的代數(shù)方程組計算求解問題來替代連續(xù)場函數(shù)的微分方程計算求解問題.對于大部分形狀比較復雜的工程問題，想得到解析答案通常十分困難，只能尋找各種近似的解決辦法，而有限元分析則是一種非常有效的計算方法[8].

輪轂的形狀是極不規(guī)則的實體，采用六面體劃分網(wǎng)格既費時又費力，所以采用四面體二階單元劃分網(wǎng)格，單元尺寸選取8 mm，并使用自由劃分網(wǎng)格，所得的節(jié)點是計算機根據(jù)幾何模型的特征自行計算的，精度足夠，運算速度快，不容易出錯.由于輪轂三維結構形狀比較復雜，在試驗載荷作用下，輪轂結構所受的應力狀態(tài)也比較復雜，因此采用Von Mises應力作為計算等效應力[9].

選取輪轂的規(guī)格是225/50 R17，17寸輪轂取車輪的最大額定載荷15 000 N.

一個輪轂中包括很多參數(shù)，每個參數(shù)都會影響到整車的行駛，為了更貼近現(xiàn)實，建模前需要查找資料，確認好這些參數(shù).圖5即輪轂的輪廓圖，表明了輪轂的主要尺寸.

1.輪輞 2.輪輻 3.偏距:有正偏距、零偏距、負偏距之分 4.輪緣 5.胎圈座 6.槽底 7.氣門孔圖5 輪轂輪廓

輪轂尺寸其實就是輪轂的直徑，我們經(jīng)常能聽到人們所說的15寸輪轂、16寸輪轂這樣的用語，其中的15、16寸指的就是輪根據(jù)輪轂尺寸表查出來的相應參數(shù).Proe建模，Ansys創(chuàng)建有限元模型，參數(shù)設定——網(wǎng)格劃分——施加約束和載荷——分析求解[10]，得到等效應力圖和應變位移圖，如圖6所示.

圖6 分析結果

施加在輪轂上的載荷，不應超過輪轂制造廠推薦的最大值.這個值可刻制在輪輞上，當車輪上無此標記或使用條件超過其推薦值時，則應與輪轂廠協(xié)商，以確保在預期使用條件下，輪轂不被破壞.對相同尺寸、相同厚度的輪轂施加相同載荷的條件下，提交分析，計算得到輪轂的MISES應力和應變云圖.從應力分布圖中可以看出，輪轂輪輻的最大應力值多集中在通風孔與通風孔之間,以及通風孔與螺栓孔之間[11]，并且實際情況輪輻主要就是在這些部位容易出現(xiàn)開裂.這說明模型及邊界條件的建立比較符合實際情況，比較合理.

從圖6還可知，在同樣載荷的作用下，輪輻最窄處應力值較大[12].并且可以看出設計的輪轂的最大應力值小于Golf的前兩個輪轂.因此，新設計方案合理.

3 結束語

如今，越來越多的消費者開始注重汽車輪轂的造型，大眾高爾夫轎車所提供的輪轂款式越來越多，并逐漸系列化.

高爾夫系列轎車輪轂映射了輪轂的發(fā)展史，同時也預示著高爾夫輪轂造型未來的發(fā)展將趨向于立體、時尚動感和個性[13].同時，在保證輪轂造型審美的基礎上，應對其結構的合理性進行模擬分析，有效地避免輪轂結構的不合理性.

[1] 曲文君.鑄造鋁合金輪轂的設計與靜力學分析[J].制造業(yè)自動化,2009,31(7):161-163.

[2] 唐立山,別紅玲.汽車輕合金輪轂研究[J].CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2008(2-3)：18-19.

[3] 齊鐵力，王立輝，李海鵬，等.汽車車輪的強度分析及優(yōu)化設計[J].河北工業(yè)大學學報，2002,31(5):95-98.

[4] 范曉輝，劉 璐,張雨滋.大眾高爾夫轎車造型形態(tài)與發(fā)展趨勢研究[J].科技致富向導，2012(26)：47-48.

[5] 楊再舜.漫議汽車文化的氣質[J].汽車與社會，1997(5)：18-19.

[6] 李宏禹.汽車輪轂造型與結構設計一體化方法研究[D].河北：燕山大學，2009：80-85.

[7] 王霄鋒，梁 昭，張小格.基于動態(tài)彎曲疲勞試驗的汽車車輪有限元分析[J].拖拉機與農(nóng)用運輸車，2007,34(1)：45-47.

[8] 王 群，李建國，葉志盛，等.汽車鋁合金輪轂輻條力學性能的統(tǒng)計學分析及預測[J].鑄造，2009,58(9)：894-898.

[9] 孫 利.汽車輪轂造型設計方法分析[J].裝飾, 2007(5)：26-29.

[10] 羅仕鑒，朱上上.工業(yè)設計中基于本體的產(chǎn)品族設計DNA[J].計算機集成制造系統(tǒng)，2009,15(2):226-232.

[11] 王渭新，張 磊，劉智沖.有限元分析在輪轂設計中的應用[J].現(xiàn)代制造技術與裝備，2007(4)：32-33.

[12] 崔勝民，楊占春.基于有限元分析的汽車車輪結構優(yōu)化設計[J].機械設計，2001,18(9):41-42.

[13] 孫大鵬.德國大眾汽車造型演變研究[D].無錫：江南大學, 2008:12-35.