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        基于有限元分析底切鋁合金車輪輕量化研究

        2019-09-10 17:31:12郭寶賀
        學(xué)業(yè) 2019年6期
        關(guān)鍵詞:強(qiáng)度分析有限元分析輕量化

        郭寶賀

        摘要:以18X7.5J車輪為研究對象,運(yùn)用三維軟件CATIA建模,采用UG5.0建立車輪的有限元模型,對車輪強(qiáng)度進(jìn)行有限元分析。通過車輪增加底切結(jié)構(gòu)前、后進(jìn)行有限元分析結(jié)果對比,證明底切鋁合金車輪在具備非底切鋁合金車輪同等強(qiáng)度下,可實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化,從而減小汽車油耗。

        關(guān)鍵詞:鋁合金車輪;有限元分析;強(qiáng)度分析;輕量化

        引言

        車輪是介于輪胎和車橋之間承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)件,它不僅承受著靜態(tài)時車輛本身垂直方向的自重載荷,同時也經(jīng)受著車輪行駛過程中來自各個方向因啟動、制動、轉(zhuǎn)彎、物體沖擊、路面凹凸不平等各種動態(tài)載荷所產(chǎn)生不規(guī)則力的作用,是車輛行駛系統(tǒng)中重要的安全結(jié)構(gòu)部件,其結(jié)構(gòu)性能是車輪設(shè)計(jì)中主要因素[1]。車輪通常由輪輻和輪輞組成,輪輻是指在車輪上介于車軸和輪輞之間的支撐部位,輪輞是指在車輪上安裝和支撐輪胎的部位。車輪對汽車的行駛安全性、燃油經(jīng)濟(jì)性和整車的外觀性都有重要意義,目前轎車及乘用車主要采用鋁合金材質(zhì)車輪。

        隨著汽車工業(yè)不斷發(fā)展和環(huán)保要求,汽車制造商對汽車輕量化要求越來越高。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化,提高燃油經(jīng)濟(jì)性,是汽車節(jié)能的最有效途徑之一[2]。根據(jù)相關(guān)資料表明,車輪輕量化的節(jié)能效果相對于非旋轉(zhuǎn)件的1.5倍,因此車輪的輕量化設(shè)計(jì)是未來車輪的重要發(fā)展方向[3]。

        底切鋁合金車輪是將車輪輪輻與輪輞交接部位,加工一定深度,去掉部分材料的一種車輪結(jié)構(gòu)。由于輪輻與輪輞交接部位受力較小,強(qiáng)度過剩,將此部位材料加工掉,可有效降低車輪重量。底切車輪剖面和非底切車輪剖面見圖1和圖2。

        1、強(qiáng)度分析

        鋁合金車輪作為汽車重要的安全件,對汽車的行駛安全和操縱穩(wěn)定性有著重大影響。13°沖擊試驗(yàn)和彎曲疲勞試驗(yàn)是車輪性能的基本試驗(yàn),用來檢驗(yàn)車輪安全性。13°車輪沖擊試驗(yàn)是鋁合金車輪抗沖擊性能的主要測試方法,以模擬車輪在實(shí)際行駛中受到石塊等物的側(cè)向沖擊或車輪撞擊公路牙邊的情況。彎曲疲勞試驗(yàn)是模擬車輛在行駛過程中持續(xù)轉(zhuǎn)彎時車輪承受彎矩的能力。隨著計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)的高速發(fā)展,在鋁合金車輪的設(shè)計(jì)中引入有限元仿真的現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法,可有效提高產(chǎn)品開發(fā)效率,減小開發(fā)周期。本文主要對車輪進(jìn)行13°沖擊和彎曲疲勞進(jìn)行有限元分析,車輪的試驗(yàn)參數(shù)如下:

        13°沖擊試驗(yàn):錘重570kg,高度230mm,輪胎235/55 R18,胎壓230kpa;彎曲試驗(yàn):彎矩2.704KN.m,轉(zhuǎn)數(shù)10萬轉(zhuǎn)

        1.1建立底切車輪和非底切車輪數(shù)模

        CATIA軟件是法國達(dá)索公司開發(fā)的CAD/CAE/CAM一體化軟件,其內(nèi)容涵蓋了產(chǎn)品從概念設(shè)計(jì)、工業(yè)造型設(shè)計(jì)、三維模型設(shè)計(jì)、分析計(jì)算、動態(tài)模擬與仿真、工程圖輸出,到生產(chǎn)加工成產(chǎn)品的全過程,功能強(qiáng)大。本文采用采用CATIA建立底切車輪和非底切車輪數(shù)模,底切車輪數(shù)模只是在非底切數(shù)?;A(chǔ)上,去掉輪輻與輪輞連接部位部分材料,數(shù)模見圖3和圖4。

        1.2 有限元強(qiáng)度分析

        采用UG5.0設(shè)計(jì)仿真模塊對數(shù)模賦予材料、施加約束、施加載荷、劃分網(wǎng)格和計(jì)算處理得到強(qiáng)度分析結(jié)果,具體分析步驟及方法本文不做詳述。

        非底切車輪重量11.03kg,底切車輪重量10.32kg,兩者重量差0.71kg,底切車輪減重明顯,但是強(qiáng)度有所降低。

        在底切車輪和非底切車輪具備同等強(qiáng)度(最大應(yīng)力基本相同)前提下,討論底切產(chǎn)品減重才有意義??刹扇p小非底切車輪輪輻厚度,增大非底切產(chǎn)品應(yīng)力值或增加底切產(chǎn)品輪輻厚度,降低底切產(chǎn)品應(yīng)力值,使兩者應(yīng)力值基本相同。本文采用加厚底切產(chǎn)品輪輻厚度,輪輻厚度加厚2.8mm。

        2、底切車輪減重及降低油耗效果

        非底切車輪重量11.03kg,底切車輪(加厚輪輻)重量10.62kg,兩者重量差0.41kg,兩者應(yīng)力值從表2可知基本相同。

        研究表明,約75%的油耗與整車質(zhì)量有關(guān),降低汽車質(zhì)量就能有效降低油耗及排放。美國在歐洲全順車的實(shí)驗(yàn)表明,在滿足Ⅳ標(biāo)準(zhǔn)條件下,每公里油耗Y與自重X滿足以下關(guān)系:

        Y=0.003X+3.3434[4]??? (1)

        通過增加底切結(jié)構(gòu),單個車輪質(zhì)量減少0.41kg,整車(4個車輪)減重1.64 kg,代入公式(1),每百公里減少油耗0.0049L。

        3、結(jié)論

        本文通過CATIA三維軟件進(jìn)行車輪建模,采用UG5.0對非底切車輪和底切車輪進(jìn)行有限元強(qiáng)度分析,通過強(qiáng)度分析結(jié)果對比,證明產(chǎn)品單純增加底切結(jié)構(gòu)后,產(chǎn)品重量降低較多,但輪輻應(yīng)力會加大即產(chǎn)品強(qiáng)度降低,但可以通過加大輪輻厚度來提高輪輻強(qiáng)度。在兩者具備同等強(qiáng)度前提下,底切車輪可以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化,減低油耗。由于底切車輪加工掉材料遠(yuǎn)離中心孔軸線,因此對減小車輪轉(zhuǎn)動慣量效果更明顯,從而改善汽車加速性能??傊?,底切鋁合金車輪在保證滿足強(qiáng)度性能情況下,可以減小產(chǎn)品重量和轉(zhuǎn)動慣量,是車輪實(shí)現(xiàn)輕量化的一種有效方案。

        參考文獻(xiàn):

        [1]趙玉濤編.鋁合金車輪制造技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2004

        [2]蘇利陽,王毅,陳茜,汝醒君.未來中國純電動汽車的節(jié)能減排效益分析[J].氣候變化研究進(jìn)展,2013,9(4):284 -290

        [3]黃信宏.車身輕量化設(shè)計(jì)研究現(xiàn)狀[J].車身技術(shù).2012,4(5):80-82

        [4]馬鳴圖.論汽車輕量化[J].中國工程科學(xué).2002,24(4):617 -619

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