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汽车轮圈轻量化分析研究
http://www.diamondswheel.com 发布时间:2014年12月20日 阅读:2797

车轮(也称钢圈、汽车轮圈)是介于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转组件,通常由轮辋和轮辐组成。

现在对车轮强度设计分析,多基于经验类比和依靠软件分析,王霄锋等在基于动态弯曲疲劳实验和利用有限元软件对汽车轮结构强度进行了分析;科研人员根据弯曲疲劳试验和软件分析的数据提出车轮寿命的预测方法;科研人员将史密斯公式进行适当改进,然后依据实验和软件对车轮寿命进行预测。

上述文献是不同学者对汽车车轮各个方面进行的分析,主要基于软件和实验。现在对车轮轻量化分析与研究多从轮辐分析计算,从轮辋方向对车轮轻量化进行分析与研究。应用有限元分析软件ANSYSWorkbench对车轮包括加载轴法兰盘和螺栓在内的整体进行有限元建模,通过加载计算车轮疲劳寿命,得到车轮应力应变分布图,预测车轮的疲劳寿命。通过改变轮辋厚度1mm,单个车轮质量将减少0.83kg,每车(4爪)减重3.32kg,车轮质量有所减小,优化设计是可靠合理的。在保证车轮强度性能的情况下,实现了减轻车轮重量的目的。

2建模和网格划分

以16x7J铝合金汽车轮圈为研究对象,汽车轮圈材料为A356,国内牌号为ZL101。材料属性:弹性模量为68.8GJPa,密度为2.77g/cm3,泊松比为0.33。其许用应力σ=240MP。

为节省计算时间和计算量,对汽车轮圈模型进行简化,略去对应力分析影响不大的圆角、气门孔等,简化后的汽车轮圈结构,如图l所示。运用Pro/E软件完成车轮建模之后,建立包含加载轴法兰与螺栓的整体模型。按照Parasolid标准输出“x_t”文件,导入ANSYSWorkbench环境下进行网格划分。设置单元大小为15mm生成网格。轮辋厚度为6mm的模型网格划分结果,如图2所示。共有42500个单元,76388个节点。铝合金车轮的有限元模型,如图2所示。

 

3弯曲疲劳试验

实验台应有一个旋转装置,车轮可在固定不变弯矩作用下旋转,或是车轮静止不动,而承受一个旋转弯曲力矩作用,车轮弯曲疲劳试验装置,如图3所示。按照CB/T5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》循环次数为10万次。车轮由卡盘安装在台架上;加载轴轴端支点处施加径向载荷;借助旋转体旋转施加动态弯曲。

加载弯矩:M=(μR+d)FvS(D

式中:M弯矩,N.m;μ-肛轮胎和道路间的设定摩擦系数;R-轮胎静负荷半径,是车轮或汽车制造厂规定的用在车轮上的最大轮胎静半径,单位(m);d---车轮的内偏距或外偏距,单位(m);Fv车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负荷或车轮的额定负荷,单位(N);S----强化实验系数。

在对模型施加约束和载荷时,应按照实际试验的装置进行,同试验保持一致,这样才能保证计算结果能够代表和接近试验结果。根据弯曲疲劳试验方法,试验中力的加载位置有三处:(1)车轮轮辋边缘,施加的是固定约束;(2)螺栓孔,通过螺栓施加预紧力;(3)加载轴端面,在支点处施加径向载荷,形成弯矩。这样的约束和加载方式是符合实际情况的。建立加载轴和螺栓的车轮有限元模型,加载轴长1m,将有关参数代入式(1)得弯矩,并求得在轴端作用F=2160N的径向载荷;螺栓的数量及分布与试验一致,并施加29300N的预紧力。

4两种轮辋厚度的寿命预测

应用ANSYSWorkhench软件依次对不同轮辋厚度的模型按照相同的边界条件和载荷分布情况进行有限元仿真分析求解,从而得出结果。最终得出汽车轮圈在轮辋不同厚度下的应力云图,如图4、图6所示。应变云图,如图5、图7所示。

通过图4和图5中可以看出轮辋厚度为6mm的应力最大值为87MPa,应变最大值为0.00122mm。

通过图6和图7中可以看出轮辋厚度为Smm的应力最大值为120MPa,应变最大值为0.00174mm。

在车轮优化设计初期,应预测出车轮的疲劳寿命。史密斯提出用最大应力与总应变幅值的乘积作为损伤参数的观点,并考虑零件的表面加工与尺寸等因素对高周疲劳的影响,得到改进后的史密斯修正公式:

式中:σf-疲劳强度系数;εf--疲劳延性系数;b--考虑了零件的表面加工与尺寸影响后的疲劳强度指数;c----疲劳延性指数;△ε---局部应变幅值;σmax---最大应力值;E---弹性模量;N---疲劳寿命。

估算汽车轮圈疲劳寿命的部分参数,如表1所示。

为方便计算,将计算过程程序化,将有关主要参数代入,即可计算出车轮疲劳寿命。不同应力下疲劳寿命可视化的史密斯公式法,如图8、图9所示。

通过图8和图9结果对比可以看出,当轮辋厚度分别为6mm和5mm时,车轮疲劳寿命都超过10万次,这说明通过改变轮辋厚度减轻车轮重量使疲劳寿命仍达到国家标准要求这种方法是可行的。

5轻量化是实现节能减排的有效手段

据中国汽车工业协会2009年下半年的调查报告称:如果整车重量每减少lOOkg,油耗可降低0.3-0.6UlOOkm,把参数代入式(3)可得到验证。

研究表明,约75%的油耗与整车质量有关,降低汽车质量就可有效降低油耗以及排放。美国在欧洲全顺车的实验表明,在满足欧Ⅳ标准条件下,每百公里油耗y与自重X满足以下关系:

Y=0.003X+3.3434(3)

通过改变轮辋厚度1mm,单个车轮质量将减少0.83kg,每车(4个)减重3.32kg,代入式(3),每百公里减少油耗O.O1L,减少了油耗。

汽车轻量化以后,减少了车轮转动惯性,加速性能提高,并减少了制动能量消耗,从而减少了油耗,汽车废气排放就越少,环境污染程度就越轻。

6结论

基于动态弯曲疲劳试验运用ANSYSWorkbench软件建立车轮有限元仿真模型并计算分析。通过对有限元计算结果的分析,得到应力和应变分布情况。用改进后的史密斯公式法对车轮寿命进行预测,通过寿命预测,当轮辋厚度减少1mm时,其疲劳寿命仍可达到国家标准要求。研究表明:该方法可降低成本,减轻车轮重量,节省油耗,节能减排。

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