馮棟梁, 趙 寧， 王永麗， 段國柱， 常 豐， 梁經芝

(中國北方車輛研究所，北京 100072)

某輪式車采用了輪轂電機驅動的電動輪方案，每個電動輪主要集成外定子輪轂電機、行星減速器和電磁鼓式制動器.由于安裝三者所需軸向空間較大，同時輪輞需要和制動鼓盤直接連接，還需滿足整車輕量化要求，市面上現(xiàn)有輪輞無法適用，故需要設計滿足電動輪結構與功能需求的新輪輞.

1 輪輞新結構

該輪式車的驅動控制單元采用輪轂電機加減速器的方案，輪轂電機一側需要和轉向節(jié)直接連接，制動器安裝在減速器那一側，具體結構見圖1.輪轂電機、減速器和鼓式制動器三者最大外殼處直徑270 mm，軸向尺寸總長達335 mm，輪輞需要匹配斷面寬度280 mm的26寸越野胎，則輪輞的輪輻需要向輪外凸出以包覆制動器，同時輪輻安裝面需要直接連接制動鼓盤，故而新輪輞的結構設計需要同時滿足如下幾點：1)軸向與徑向空間滿足電動輪空間需求；2)輪輞部分要和輪胎嚴格匹配；3)輪輻安裝面要和制動鼓盤緊固連接.

圖1 電動輪二維裝配結構示意簡圖

綜合考慮上述需求，根據電動輪給出的空間具體尺寸，參照國標GB_T 3487-2005《汽車輪輞規(guī)格系列》，結合制動鼓盤連接的結構和尺寸需求，設計了如圖2所示的輪輞.

圖2 輪輞結構示意圖

圖2中，輪輞與輪胎配合，輪輻連接輪輞與輪輻安裝面，氣門嘴用于向輪胎充氣，輪輻安裝面和制動鼓盤相連，這4部分結構是新輪輞結構中最主要的4部分.

2 剛強度校核

2.1 輪輞有限元模型建立

為了滿足輕量化需求，新設計的輪輞選用了鋁合金材料ZL201A[1]，它是鋁銅錳系列的合金，采用T6熱處理工藝后，具有非常好的強度、塑性和韌性，滿足車輪的使用要求.ZL201A屬于塑性材料，在進行強度計算時，采用屈服極限σs作為該材料的極限應力.材料特性參數(shù)見表1.

表1 材料特性參數(shù)

鋁合金輪輞的剛強度靜力學性能分析[2-7]需要計算兩種情況：一是在胎壓作用下的應力應變，二是考慮負載和胎壓時的應力應變.整個輪輞的胎壓取實際充氣壓強0.12 MPa，負載胎壓則根據車輛滿載狀態(tài)時單個車輪簧上質量310 kg時在3g的沖擊工況來考慮.假設地面通過輪胎傳遞給輪輞的載荷，對稱地分布在輪胎接地印跡線兩側大約40°角的位置上，計算3g沖擊工況下需要在整個輪輞上施加0.12 MPa的均布氣壓載荷，再在輪胎與地面接觸線左右兩側約40°的位置施加0.24 MPa大小的負載.有限元中施加約束時將螺栓孔的自由度全部約束.

圖3是輪輞的有限元分析示意圖.

圖3 輪輞有限元分析示意圖

2.2 考慮胎壓時的輪輞剛強度分析

圖4和圖5是只考慮胎壓作用時輪輞的應力應變示意圖.

圖4 僅受胎壓0.12 MPa時應力示意圖

圖5 僅受胎壓0.12 MPa時應變示意圖

根據分析結果可知，只受0.12 MPa胎壓作用時，輪輞上最大應力只有2.4 MPa，出現(xiàn)在輪輞內圈表面和氣門嘴孔內側壁上；應變最大也只有0.006 mm，出現(xiàn)在有氣門孔那一側的輪輞支承面上，靠近內輪輞處.最大應力應變的位置提示由于氣門嘴對材料的削減，所以此處是整個輪輞上最薄弱的環(huán)節(jié).后面加入路面沖擊后如果輪輞最大應力超過材料的屈服極限，則氣門孔位置需要相應增補材料.

2.3 同時考慮負載和胎壓時的輪輞剛強度分析

車輛行駛過程中，輪輞部分要同時承受胎壓和路面通過車輪對輪輞的各種激勵，對照圖1所示的輪輞具體結構，車輪在正常行駛時與地面接觸位置可分為3種狀態(tài)：1)輪輻位置正對地面；2)通風口位置正對地面；3)氣門嘴位置正對地面.圖6至圖11是3種工況下的輪輞應力應變示意圖.

圖6 3g工況下輪輻正對地面時應力示意圖

圖7 3g工況下輪輻正對地面時應變示意圖

圖8 3g工況下通風口正對地面時應力示意圖

圖9 3g工況下通風口正對地面時應變示意圖

圖10 3g工況下氣門嘴正對地面時應力示意圖

圖11 3g工況下氣門嘴正對地面時應變示意圖

表2是3種加載方式下應力應變計算結果.

表2 3種加載方式下的剛強度計算結果

從表2可以看出:3種狀態(tài)下的應力應變幾乎不變，說明輪輞結構具有比較均勻的受力特性.采用鑄造成型方式，取鑄件系數(shù)1.25，材料系數(shù)1.1，則材料的安全系數(shù)γm=1.25×1.1=1.375，對應的許用應力σ=σs/γm，代入相關值求得σ=160 MPa.有限元計算的最大應力為129 MPa，小于許用應力，說明在3g的沖擊工況下，該結構輪輞剛強度滿足要求.

3 模態(tài)分析

從圖1可以看出，電動輪中制動鼓盤需要與輪輞的輪輻安裝面采用螺栓直接固聯(lián).輪輞需要承受車輪傳過來的各種路面激勵，當路面激勵與輪輞的固有頻率接近或是成倍數(shù)關系時，輪輞會發(fā)生共振，產生噪聲與疲勞破壞.電磁鼓式制動器制動時，制動鼓會受到制動蹄和電磁鐵二者的接觸摩擦，易產生制動尖叫.當輪輞與制動鼓結構不合理時，二者可能引發(fā)共振，帶來更為復雜的噪聲情況，容易引起結構疲勞破壞或斷裂，故而需要對輪輞和制動鼓盤的模態(tài)進行分析[8-10].

將輪輞上12個螺栓孔施加全約束后，在有限元軟件中進行模態(tài)分析.由于工程上2 000 Hz以上的頻率很難激發(fā)出來，輪輞的第11階模態(tài)頻率超過了兩千，故而在表3中只羅列了前10階固有頻率值，并與制動鼓的前10階固有頻率值進行了對比.從表3可以看出，輪輞與制動鼓盤的前10階頻率并沒有接近的值，二者并不會引起共振.

表3 輪輞與制動鼓模態(tài)分析結果列表

輪輞前10階固有頻率對應的模態(tài)振型圖如圖12至圖21所示.

圖12 一階模態(tài)329 Hz示意圖(10倍效果圖)(A型)

圖13 二階模態(tài)330 Hz示意圖(10倍效果圖)(B型)

圖14 三階模態(tài)499Hz示意圖(A型)

圖15 四階模態(tài)500Hz示意圖(B型)

圖16 五階模態(tài)989 Hz示意圖(10倍效果圖)

圖17 六階模態(tài)1 019 Hz示意圖(10倍效果圖)

圖18 七階模態(tài)1 209 Hz示意圖(A型)

圖19 八階模態(tài)1 210 Hz示意圖(B型)

圖20 九階模態(tài)1 860 Hz示意圖(3倍效果圖)(A型)

圖21 十階模態(tài)1 862 Hz示意圖(3倍效果圖)(B型)

其具體振型圖說明見表4.表4中的“A”和“B”不代表實際真實含義，僅為了區(qū)別不同振動方向而已.

表4 鋁合金輪輞各階頻率和振型說明列表

4 結束語

通過對某輪式車輪輞的結構設計、剛強度校核和模態(tài)分析，初步驗證了新設計輪輞結構的合理性.目前該輪輞已經裝配到樣車上，在整車的制動、轉向、越障等各種性能測試中表現(xiàn)良好，其耐久性需要后期進一步地考察，根據實際跑車情況從材料、工藝、疲勞壽命等角度進一步優(yōu)化.