铝合金轮毂造型设计论文

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1轮毂造型分析

1．1铝合金轮毂的特点

随着科技的不断进步，汽车越来越多地使用铝合金轮毂。铝合金轮毂相比钢制车轮有如下4大特点：（1）节能。铝合金密度低，轮毂质量轻，加工精度高，高速转动时的阻力小、变形小，可提高汽车的行驶性能，减少油耗。（2）安全。铝合金的导热系数是钢的3倍，散热效果非常好，可增强制动性能，提高使用寿命，保障汽车行驶安全。（3）舒适。一般与铝合金轮毂配用的是扁平轮胎，其缓冲和吸震性能均优于普通轮胎，使汽车坎坷道路上或快速行驶时，舒适性提高。（4）美观。铝合金轮毂外观设计精美，造型多样化，可做到对比突出、车毂合一，提高整车的视觉效果。

1．2轮毂的结构特点

轮毂由轮辋、轮辐、轮芯及轮毂盖、附件等组成，如图1所示。轮毂一方面通过轮辋与轮胎配合，另一方面通过轮辐与车桥相连，发挥其承载、行驶、转向、驱动和制动等作用［2］。其中，轮辋的设计应按照标准规定选用与整车要求相配的轮辋规格，尤其是宽度和直径尺寸应严格按标准检测，以确认轮辋能否满足与轮胎的配合要求。轮芯的设计则根据轮毂与车桥车轴上的安装盘等安装定位要求进行。可见轮毂造型中最关键的是轮辐，其造型可随意变化，无标准和规律可循。轮辐作为轮辋与轮芯的中间连接件，主要起到支承和传递载荷的作用，在保证具有足够的承载、抗弯、抗冲击强度性能前提下，其造型应具有美观、动感和时尚性。而附件、轮毂盖对轮毂造型美观起衬托、辅助的作用，可根据情况适当添加。

1．3轮毂造型设计目标

轮毂造型设计应以轮毂的材质、轮毂造型数量、轮毂的尺寸、轮毂外观工艺的设定和输入为指导［2］。结合轮毂的结构特点、配套车型、目标客户群的审美特点和汽车品牌的文化特征，确定轮毂造型设计的目标：（1）满足结构性能要求；（2）按车型选定车轮结构尺寸；（3）结合品牌文化的美观造型；（4）彰显用户心理特征；（5）可制造加工性。

2造型与结构一体化设计

2．1性能要求

根据轮毂装配于整车后的功能，针对铸铝合金轮毂各国均有相应的标准，考虑轮毂使用中的功能需求，SAE，JASO及ISO等标准和我国标准主要对轮毂的强度及疲劳性能提出了具体要求［3］，轮毂制造企业必须要对每一批制造出的产品进行如表1所示的性能试验。

2．2尺寸设计

汽车轮毂的主要参数有胎环直径、胎环宽度、螺栓孔节圆直径、偏距、中心孔等，一般常根据胎环直径和胎环宽度来划分不同尺寸型号。直径和宽度通常是在整车设计方案中确定的，综合考虑了汽车动力、自身质量及阻力等方面因素，选择使车辆性能最优的轮毂尺寸，轿车原车轮毂主要的直径尺寸为381mm（15inch），406．4mm（16inch）和431．8mm（17inch），也有越野型轿车的轮毂直径达到508mm（20inch），533．4mm（21inch）和558．8mm（22inch）。直径和宽度确定后，轮毂的轮辋部分便可根据标准进行造型设计。螺栓孔节圆直径、偏距及中心孔的尺寸亦由整车设计中轮毂的安装要求确定，从而决定了轮毂的轮芯部分的造型要求。因此，轮毂的造型以轮辐部分的设计为主。

2．3造型与结构一体化设计

随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，有限元法已成为求解科学技术和工程问题的有力工具［4］。将有限元分析方法应用于工业产品设计，用仿真引领设计，改变传统仿照设计的方法，可增强产品设计的创新性。在轮毂的造型设计中，由于轮辐是造型的关键，也是承受载荷的关键部位，因此，非常适合将有限元分析的方法引入轮毂的造型设计中来，进行造型与结构的一体化设计。传统的轮毂造型设计，首先进行二维造型草图设计，设计中融入品牌文化及车型特征，经过反复在整车模型侧面上的贴图评审确定下来；其次进行三维模型的构建，根据车轮尺寸设计要求构建轮辋的三维模型，根据车轮的安装配合尺寸设计轮芯的三维造型，主要是根据评审确定下来的二维造型草图进行轮辐部分的三维模型设计，此阶段更多考虑的是外观造型；再次根据三维数据制作油泥模型，反复调整模型，更新三维数据，甚至在实车上评审造型；最后是制作硬质轮毂样件，通常用ABS工程塑料，进一步检验轮毂设计的细节，完成造型设计。之后整车厂会将以上完成的造型设计提供给轮毂供应商制作小批真实样件，通常这时轮毂制造厂在试制生产前会对客户提供的模型进行有限元分析以保证样件的试验通过率，避免直接开模、试制、试验不通过造成的报废、修模、重新试制等过程的浪费，主要是针对结构性能的分析。可见，传统设计中造型设计与结构设计是分开进行的，有限元分析并未发挥其最大的作用，没能用于指导造型设计，因此可能会导致后期有限元分析验证结构设计合理性时对前期造型设计方案的推翻，或者独立的造型设计导致结构的安全裕度过大，造成材料的浪费，不能实现最优的轻量化设计。因此，将有限元分析提前到造型设计的过程中，一旦二维造型方案确定，构造出三维模型就对其进行有限元分析，将避免一些不必要的尝试，并带来更加创新优化的设计结果。造型与结构一体化设计方法的流程如图2所示。

3案例

以福特2015年新款Focus车型431．8mm×177．8mm（17inch×7．0inch）的轮毂设计为例，展示由于有限元分析方法的引入而形成的造型与结构一体化设计方法的应用。轮毂造型效果如图3所示。采用福特产品设计通用的I－DEAS有限元分析软件在轮毂造型设计的各阶段对其进行有限元分析，分析中采用10节点四面体单元进行网格划分，材料属性取铝合金材料的机械性能参数，弹性模量6．9×1010Pa，泊松比0．33。对13°冲击试验，根据前述试验条件，在轮毂安装盘面及5个PCD孔锥面上施加6个自由度的全约束，使车轮相对于水平o-xy平面旋转翘起13°，在最高轮辋边缘向轮芯偏移19mm的位置以外的轮辋上施加载荷，冲击试验的载荷是使质量为547kg的冲击锤自230mm高度落下。弯曲疲劳试验则根据前述试验条件，在无轮辐支撑侧的轮辋边缘施加固定约束，在轮芯的安装面及PCD孔上通过建模添加加载臂结构，加载臂长度为660mm，根据试验要求的载荷3587N•m计算出加载臂末端应施加的力为5435N，根据不同的轮型结构通常根据旋转一周的情况选定几个方向进行加载计算，取分析所得最危险的结果进行评判。径向载荷疲劳试验按前述试验条件，分析中对轮芯的安装盘面和PCD孔锥面分别进行全约束，在60°夹角范围内的轮辋两侧胎圈座上分别施加呈半正弦函数分布的径向载荷q1和q2，根据试验要求径向载荷15007N和轮毂尺寸参数由以下公式计算得到，并在整个外轮辋上施加充气压力300kPa，同弯曲疲劳试验，根据轮型结构选取几个位置分别加载分析，取最危险的分析结果进行评判。该型轮毂最终造型设计在三性能试验条件下的有限元分析结果分别如图4a，4b，4c所示。其中，图4a为在以上冲击试验约束和载荷条件下的vonMises应力分析结果，其最大值为56．8MPa，发生在冲击部位正对的辐条根部；图4b为以上弯曲试验约束和载荷条件下的vonMises应力分析结果，其最大值为105MPa，发生在辐条背面根部位置；图4c为以上径向载荷试验约束和载荷条件下的vonMises应力分析结果，其最大值为40．7MPa，发生在无辐条支撑侧的轮辋外缘处。铝合金材料的屈服强度为178MPa，根据文献［3］中通过实验验证建立的分析模型和评价标准，以上3个性能试验有限元分析的vonMises应力最大值分别小于70MPa，110MPa（30万转）和70MPa（100万转）为合格。从有限元分析的结果可以看出该设计可全部通过标准要求的轮毂性能试验，在达到造型设计的同时满足了结构设计的要求。在结合车型特点等因素确定初步的设计方向和设计尺寸后，首先根据标准要求的轮辋形状、尺寸进行轮辋造型设计，其次进行轮辐的造型设计，设计中通过以上有限元分析结果，逐步实现了轮毂的最终造型设计。

4结论

汽车轮毂既是汽车行驶安全的关键承重部件，又是整车造型设计中的画龙点睛之笔，其合理性设计尤为重要。在分析了汽车轮毂的功能特点与外观结构特点及轮毂的设计流程后，提出综合考虑结构功能性与造型美观性的一体化设计思想，并运用计算机辅助设计中的有限元分析方法实现了一款轮毂产品的设计，该方法优化了轮毂造型设计及流程，提高了轮毂造型设计的效率。

作者:闫胜昝刘伟鹏单位:安庆师范学院