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对汽车钢圈的强度分析和模态分析
http://www.diamondswheel.com 发布时间:2014年12月17日 阅读:2649

概述

轿车行驶时,由路面不平以及发动机、传动系和车轮等部件引起的振动问题,激发了汽车的振动,影响着汽车行驶的平顺性。通常情况下,汽车在凹凸不平的路面行驶时其振动会增大很多。路面不平引起的振动作为轿车振动的基本输入,其频率范围约为0.5-25Hz。虽然轿车通过的时间很短,但会对轿车形成较大的冲击,立刻会使乘坐的人员感觉不舒服,影响乘坐的舒适程度,严重时会损害乘坐人员的健康或者对运输的货物造成损坏。解决在随机不平路面激励下的振动问题,是提高汽车行驶平顺性、安全性及零部件可靠性的重要基础。本文应用三维实体造型软件Pro/EN-GINEER对某型轿车车轮钢圈进行了三维建模,并与有限元软件ABAQUS无缝集成,进行了强度分析和模态分析。

1.钢圈实体模型

由于轿车钢圈的结构比较复杂,轮毂和轮辐边上的倒角对模型动力学分析影响不大。于是,将轮毂和轮辐边的倒角忽略掉,以减少有限元模型的规模,仅将其质量折算到相应位置。本文应用常用于汽车研究领域的三维造型软件Pro/ENGI-NEER对某型车轮钢圈进行了三维建模,如图1所示。该钢圈模型主要由以下三部分组成:轮辐、轮芯、轮毂。轮毂、轮辐均由优质板料冲压而成,为提高轮辐刚性,常冲压成起伏多变的形状,同时为减轻重量,在钢圈上设有长弧形孔。

2.钢圈有限元模型

把Pro/ENGINEER建立的钢圈实体模型另存为x__t格式通过ABAQUS进行导入,实现Pro/ENGINEER和ABAQUS的无缝集成。钢圈材料为AM91D,弹性模量E=45Gpa,泊松比μ=0.35,许用最大弯曲应力[σ]=250Mpa。钢圈的最大外径为406x182(mmxmm)。在螺栓孔上加Y方向和Z方向的移动约束和X方向和Z方向的转动约束。用于一阶四面体(C3D4)对钢圈模型进行离散,形成167502个单元格。图2为轿车钢圈有限元模型。

3.数据处理及结果分析

3.1轿车钢圈的静力特性分析

静力分析是不考虑惯性和阻尼影响,用来计算结构受到固定不变载荷作用的应力、应变大小的。在ABAQUS中将弯矩等效化,作用在轮毂上的力的形式使它们按60。的余弦分布规律分布在轮毂面上,并利用公式将力转换为一定面积上的压力:

式中WO为加载到轮毂上的压力;W为作用在轮毂上的力;b为载荷作用在轮辋上的宽度,mm;ro为载荷作用面的半径,mm;θ0为载荷分布角。

在轮辋上加载力的余弦函数为:11.986xcos(3xarcsin(y/180.3)/2)[2]

式中,y为坐标值。

图3分析云图可见,轿车钢圈在弯曲载荷的作用下,轮毂内侧的变形最大,最大值为0.2mm,轮辐的变形量较小,为0.04mm。图4的云图分析可以得出:在钢圈轮辐孔处的应力值最大,为81.641MPa,轮辐的压力达到18.14MPa。钢圈的应变和应力值均在极限值250MPa范围内,可以满足实际工作的要求。

3.2轿车钢圈的振动模态分析计算

典型的无阻尼模态分析求解的基本方程[5]是经典的特征值问题:

其中:[K]为刚度矩阵;{Φi}为第i阶模态的振型向量(特征向量);ωi为第i阶模态的固有频率;[M]为质量矩阵。

有许多数值方法可用于求解上面的方程,本文采用的是子空间(Subspace)法。子空间法使用子空间迭代技术,对计算机的内存要求低,计算精度很高,适用于大型特征值的求解问题。

现对钢圈进行振动模态分析,轿车钢圈一般工作的频率在0.5-25Hz之间,属于低阶频率。因此在对结构进行模态分析时,重点考虑汽车钢圈在此范围内的振型,对低阶频率进行分析,在分析中给出了前六阶振型图5所示。

图5(a)为钢圈在频率为0.51628Hz的模态分析结果图,可以看出轮毂的变形量最大,达到1.2mm,轮辐上的振幅是0.5mm,在轮芯处振幅为0。(b)图为钢圈在频率为0.53045Hz的模态分析结果图,经分析得出轮辐孔的变形量最大,达到l.OOlmm,轮辐上的振幅是0.583mm,在轮芯处振幅为0。(c)图为钢圈在频率为5.0007Hz的模态分析结果图,轮毂内侧的变形量最大,最大值为1.115mm,轮芯处的变形量最小,最小为0.0058mm。(d)图(e)图和(f)图分别为钢圈在频率为10.004Hz,15.003Hz和19.995Hz时的模态分析结果图,从图中分析得出它们最大变形量的最大值分别为1.031mm,1.017mm和1.008mm。最小值分别达到0.003mm,0.006mm和O.OOlmm。模态分析的结果如图5和表1的分析结果可知,与轿车在正常行驶时相比较,最大振幅由0.2mm,增加到Imm以上,共振现象明显。

4.结论

(1)通过对轿车钢圈静力分析钢圈在轿车正常行驶的情况下,钢圈受到的应力和应变值满足实际要求。

(2)针对某轿车钢圈建立有限元模型分析可以得出在轿车行驶时共振现象明显。钢圈在频率0.5Hz到0.53Hz范围内最大振幅的位置变化明显,且振幅集中在轮毂上。随着钢圈频率的增大,振幅集中的现象逐渐减少,钢圈的振幅范围逐渐向轮芯扩散,在频率为10Hz以上振幅集中的现象明显减少。

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