鋁合金輪轂造型設(shè)計(jì)論文

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1輪轂造型分析

1．1鋁合金輪轂的特點(diǎn)

隨著科技的不斷進(jìn)步，汽車越來越多地使用鋁合金輪轂。鋁合金輪轂相比鋼制車輪有如下4大特點(diǎn)：（1）節(jié)能。鋁合金密度低，輪轂質(zhì)量輕，加工精度高，高速轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的阻力小、變形小，可提高汽車的行駛性能，減少油耗。（2）安全。鋁合金的導(dǎo)熱系數(shù)是鋼的3倍，散熱效果非常好，可增強(qiáng)制動(dòng)性能，提高使用壽命，保障汽車行駛安全。（3）舒適。一般與鋁合金輪轂配用的是扁平輪胎，其緩沖和吸震性能均優(yōu)于普通輪胎，使汽車坎坷道路上或快速行駛時(shí)，舒適性提高。（4）美觀。鋁合金輪轂外觀設(shè)計(jì)精美，造型多樣化，可做到對(duì)比突出、車轂合一，提高整車的視覺效果。

1．2輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

輪轂由輪輞、輪輻、輪芯及輪轂蓋、附件等組成，如圖1所示。輪轂一方面通過輪輞與輪胎配合，另一方面通過輪輻與車橋相連，發(fā)揮其承載、行駛、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等作用［2］。其中，輪輞的設(shè)計(jì)應(yīng)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用與整車要求相配的輪輞規(guī)格，尤其是寬度和直徑尺寸應(yīng)嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)檢測(cè)，以確認(rèn)輪輞能否滿足與輪胎的配合要求。輪芯的設(shè)計(jì)則根據(jù)輪轂與車橋車軸上的安裝盤等安裝定位要求進(jìn)行。可見輪轂造型中最關(guān)鍵的是輪輻，其造型可隨意變化，無標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)律可循。輪輻作為輪輞與輪芯的中間連接件，主要起到支承和傳遞載荷的作用，在保證具有足夠的承載、抗彎、抗沖擊強(qiáng)度性能前提下，其造型應(yīng)具有美觀、動(dòng)感和時(shí)尚性。而附件、輪轂蓋對(duì)輪轂造型美觀起襯托、輔助的作用，可根據(jù)情況適當(dāng)添加。

1．3輪轂造型設(shè)計(jì)目標(biāo)

輪轂造型設(shè)計(jì)應(yīng)以輪轂的材質(zhì)、輪轂造型數(shù)量、輪轂的尺寸、輪轂外觀工藝的設(shè)定和輸入為指導(dǎo)［2］。結(jié)合輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、配套車型、目標(biāo)客戶群的審美特點(diǎn)和汽車品牌的文化特征，確定輪轂造型設(shè)計(jì)的目標(biāo)：（1）滿足結(jié)構(gòu)性能要求；（2）按車型選定車輪結(jié)構(gòu)尺寸；（3）結(jié)合品牌文化的美觀造型；（4）彰顯用戶心理特征；（5）可制造加工性。

2造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

2．1性能要求

根據(jù)輪轂裝配于整車后的功能，針對(duì)鑄鋁合金輪轂各國(guó)均有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，考慮輪轂使用中的功能需求，SAE，JASO及ISO等標(biāo)準(zhǔn)和我國(guó)標(biāo)準(zhǔn)主要對(duì)輪轂的強(qiáng)度及疲勞性能提出了具體要求［3］，輪轂制造企業(yè)必須要對(duì)每一批制造出的產(chǎn)品進(jìn)行如表1所示的性能試驗(yàn)。

2．2尺寸設(shè)計(jì)

汽車輪轂的主要參數(shù)有胎環(huán)直徑、胎環(huán)寬度、螺栓孔節(jié)圓直徑、偏距、中心孔等，一般常根據(jù)胎環(huán)直徑和胎環(huán)寬度來劃分不同尺寸型號(hào)。直徑和寬度通常是在整車設(shè)計(jì)方案中確定的，綜合考慮了汽車動(dòng)力、自身質(zhì)量及阻力等方面因素，選擇使車輛性能最優(yōu)的輪轂尺寸，轎車原車輪轂主要的直徑尺寸為381mm（15inch），406．4mm（16inch）和431．8mm（17inch），也有越野型轎車的輪轂直徑達(dá)到508mm（20inch），533．4mm（21inch）和558．8mm（22inch）。直徑和寬度確定后，輪轂的輪輞部分便可根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行造型設(shè)計(jì)。螺栓孔節(jié)圓直徑、偏距及中心孔的尺寸亦由整車設(shè)計(jì)中輪轂的安裝要求確定，從而決定了輪轂的輪芯部分的造型要求。因此，輪轂的造型以輪輻部分的設(shè)計(jì)為主。

2．3造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元法已成為求解科學(xué)技術(shù)和工程問題的有力工具［4］。將有限元分析方法應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，用仿真引領(lǐng)設(shè)計(jì)，改變傳統(tǒng)仿照設(shè)計(jì)的方法，可增強(qiáng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的創(chuàng)新性。在輪轂的造型設(shè)計(jì)中，由于輪輻是造型的關(guān)鍵，也是承受載荷的關(guān)鍵部位，因此，非常適合將有限元分析的方法引入輪轂的造型設(shè)計(jì)中來，進(jìn)行造型與結(jié)構(gòu)的一體化設(shè)計(jì)。傳統(tǒng)的輪轂造型設(shè)計(jì)，首先進(jìn)行二維造型草圖設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中融入品牌文化及車型特征，經(jīng)過反復(fù)在整車模型側(cè)面上的貼圖評(píng)審確定下來；其次進(jìn)行三維模型的構(gòu)建，根據(jù)車輪尺寸設(shè)計(jì)要求構(gòu)建輪輞的三維模型，根據(jù)車輪的安裝配合尺寸設(shè)計(jì)輪芯的三維造型，主要是根據(jù)評(píng)審確定下來的二維造型草圖進(jìn)行輪輻部分的三維模型設(shè)計(jì)，此階段更多考慮的是外觀造型；再次根據(jù)三維數(shù)據(jù)制作油泥模型，反復(fù)調(diào)整模型，更新三維數(shù)據(jù)，甚至在實(shí)車上評(píng)審造型；最后是制作硬質(zhì)輪轂樣件，通常用ABS工程塑料，進(jìn)一步檢驗(yàn)輪轂設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)，完成造型設(shè)計(jì)。之后整車廠會(huì)將以上完成的造型設(shè)計(jì)提供給輪轂供應(yīng)商制作小批真實(shí)樣件，通常這時(shí)輪轂制造廠在試制生產(chǎn)前會(huì)對(duì)客戶提供的模型進(jìn)行有限元分析以保證樣件的試驗(yàn)通過率，避免直接開模、試制、試驗(yàn)不通過造成的報(bào)廢、修模、重新試制等過程的浪費(fèi)，主要是針對(duì)結(jié)構(gòu)性能的分析。可見，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是分開進(jìn)行的，有限元分析并未發(fā)揮其最大的作用，沒能用于指導(dǎo)造型設(shè)計(jì)，因此可能會(huì)導(dǎo)致后期有限元分析驗(yàn)證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理性時(shí)對(duì)前期造型設(shè)計(jì)方案的推翻，或者獨(dú)立的造型設(shè)計(jì)導(dǎo)致結(jié)構(gòu)的安全裕度過大，造成材料的浪費(fèi)，不能實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的輕量化設(shè)計(jì)。因此，將有限元分析提前到造型設(shè)計(jì)的過程中，一旦二維造型方案確定，構(gòu)造出三維模型就對(duì)其進(jìn)行有限元分析，將避免一些不必要的嘗試，并帶來更加創(chuàng)新優(yōu)化的設(shè)計(jì)結(jié)果。造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法的流程如圖2所示。

3案例

以福特2015年新款Focus車型431．8mm×177．8mm（17inch×7．0inch）的輪轂設(shè)計(jì)為例，展示由于有限元分析方法的引入而形成的造型與結(jié)構(gòu)一體化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用。輪轂造型效果如圖3所示。采用福特產(chǎn)品設(shè)計(jì)通用的I－DEAS有限元分析軟件在輪轂造型設(shè)計(jì)的各階段對(duì)其進(jìn)行有限元分析，分析中采用10節(jié)點(diǎn)四面體單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，材料屬性取鋁合金材料的機(jī)械性能參數(shù)，彈性模量6．9×1010Pa，泊松比0．33。對(duì)13°沖擊試驗(yàn)，根據(jù)前述試驗(yàn)條件，在輪轂安裝盤面及5個(gè)PCD孔錐面上施加6個(gè)自由度的全約束，使車輪相對(duì)于水平o-xy平面旋轉(zhuǎn)翹起13°，在最高輪輞邊緣向輪芯偏移19mm的位置以外的輪輞上施加載荷，沖擊試驗(yàn)的載荷是使質(zhì)量為547kg的沖擊錘自230mm高度落下。彎曲疲勞試驗(yàn)則根據(jù)前述試驗(yàn)條件，在無輪輻支撐側(cè)的輪輞邊緣施加固定約束，在輪芯的安裝面及PCD孔上通過建模添加加載臂結(jié)構(gòu)，加載臂長(zhǎng)度為660mm，根據(jù)試驗(yàn)要求的載荷3587N•m計(jì)算出加載臂末端應(yīng)施加的力為5435N，根據(jù)不同的輪型結(jié)構(gòu)通常根據(jù)旋轉(zhuǎn)一周的情況選定幾個(gè)方向進(jìn)行加載計(jì)算，取分析所得最危險(xiǎn)的結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。徑向載荷疲勞試驗(yàn)按前述試驗(yàn)條件，分析中對(duì)輪芯的安裝盤面和PCD孔錐面分別進(jìn)行全約束，在60°夾角范圍內(nèi)的輪輞兩側(cè)胎圈座上分別施加呈半正弦函數(shù)分布的徑向載荷q1和q2，根據(jù)試驗(yàn)要求徑向載荷15007N和輪轂尺寸參數(shù)由以下公式計(jì)算得到，并在整個(gè)外輪輞上施加充氣壓力300kPa，同彎曲疲勞試驗(yàn)，根據(jù)輪型結(jié)構(gòu)選取幾個(gè)位置分別加載分析，取最危險(xiǎn)的分析結(jié)果進(jìn)行評(píng)判。該型輪轂最終造型設(shè)計(jì)在三性能試驗(yàn)條件下的有限元分析結(jié)果分別如圖4a，4b，4c所示。其中，圖4a為在以上沖擊試驗(yàn)約束和載荷條件下的vonMises應(yīng)力分析結(jié)果，其最大值為56．8MPa，發(fā)生在沖擊部位正對(duì)的輻條根部；圖4b為以上彎曲試驗(yàn)約束和載荷條件下的vonMises應(yīng)力分析結(jié)果，其最大值為105MPa，發(fā)生在輻條背面根部位置；圖4c為以上徑向載荷試驗(yàn)約束和載荷條件下的vonMises應(yīng)力分析結(jié)果，其最大值為40．7MPa，發(fā)生在無輻條支撐側(cè)的輪輞外緣處。鋁合金材料的屈服強(qiáng)度為178MPa，根據(jù)文獻(xiàn)［3］中通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證建立的分析模型和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，以上3個(gè)性能試驗(yàn)有限元分析的vonMises應(yīng)力最大值分別小于70MPa，110MPa（30萬轉(zhuǎn)）和70MPa（100萬轉(zhuǎn)）為合格。從有限元分析的結(jié)果可以看出該設(shè)計(jì)可全部通過標(biāo)準(zhǔn)要求的輪轂性能試驗(yàn)，在達(dá)到造型設(shè)計(jì)的同時(shí)滿足了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。在結(jié)合車型特點(diǎn)等因素確定初步的設(shè)計(jì)方向和設(shè)計(jì)尺寸后，首先根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)要求的輪輞形狀、尺寸進(jìn)行輪輞造型設(shè)計(jì)，其次進(jìn)行輪輻的造型設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)中通過以上有限元分析結(jié)果，逐步實(shí)現(xiàn)了輪轂的最終造型設(shè)計(jì)。

4結(jié)論

汽車輪轂既是汽車行駛安全的關(guān)鍵承重部件，又是整車造型設(shè)計(jì)中的畫龍點(diǎn)睛之筆，其合理性設(shè)計(jì)尤為重要。在分析了汽車輪轂的功能特點(diǎn)與外觀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及輪轂的設(shè)計(jì)流程后，提出綜合考慮結(jié)構(gòu)功能性與造型美觀性的一體化設(shè)計(jì)思想，并運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中的有限元分析方法實(shí)現(xiàn)了一款輪轂產(chǎn)品的設(shè)計(jì)，該方法優(yōu)化了輪轂造型設(shè)計(jì)及流程，提高了輪轂造型設(shè)計(jì)的效率。

作者:閆勝昝劉偉鵬單位:安慶師范學(xué)院