（机械工程专业论文）小型菱形车铝合金轮毂强度与疲劳寿命研究.pdf

小型菱形下锚合令轮毂强度j 疲劳寿命例：究 摘要 车轮的轮毂作为汽车驱动系统最重要的零件之一，直接承受整车及路面产生 的各种载荷，所以，它的强度与疲劳寿命直接影响整车的质量与性能。 本文以某小型菱形车铝合会轮毂设计项目为载体，运用有限元分析法对铝合 金轮毂的设计、强度及疲劳寿命进行研究，具体研究内容包括： ( 1 ) 按照国家标准关于铝合金轮毂设计的详细要求确定菱形车前后轮及中轮 轮毂设计方案，利用三维建模软件u g ( u n i g r a p h i c s ) 对铝合金轮毂四套确定方案进 行三维几何建模，在有限元a n s y s 软件早完成其材料、单元、网格划分等前处 理工作，建立了四套设计方案的有限元模型。 ( 2 ) 按照国家标准关于铝合金轮毂动态弯曲疲劳试验标准设置仿真条件，计 算工况载荷，使用l s d y n a 软件求解得出设计轮毂应力分布情况，结果表明四 套轮毂方案均能满足强度要求。 ( 3 ) 用v p g 疲劳分析模块完成该轮毂设计方案的疲劳寿命仿真分析，结果 表明只有前后轮设计方案_ 具有完美力学结构，最终选用其作为该菱形车的轮毂 结构设计方案。 ( 4 ) 根据四套轮毂设计方案的力学分析结果，对比四套轮毂设计方案的结构 特征，对没有达到疲劳寿命的另外i 套方案制定结构改进措施。 关键词：菱形车；铝合金轮毂；强度；疲劳寿命；仿真分析 i i a b s t r a c t t h ew h e e lh u b ，w h i c hi so n eo ft h em o s ti m p o r t a n tp a r t so fa u t o m o b i l ed r i v i n g 8 y s t e m ，8 u p p o r tv a r i o u sl o a d sp r o d u c e db yt h ev e h i c l ea n dr o a d i t s s t r e n g t ha n d f a t i g u el i f ea f f e c tt h ev e h i c l e sq u a l i t ya n dp e r f o r m a n c ed i r e c t l v i nt h l sp a p e r ，t h ea u t h o rs t u d i e dt h es m a l lr h o m b i cc a r s a l u m i n u ma l l o vw h e e l h u b sd e s i g n ，s t r e n g t ha n df a t i g u el i f e t h r o u g hf i n i t ee l e m e n ta n a l y s i sm e t h o d t h e s p e c i f i cr e s e a r c hc o n t e n ta sf o l l o w s ： ( 1 ) d e c i d ed e s i g ns c h e m e so ff r o n t & r e a ra n dm i d d l ew h e e lh u bi n s t “c t a c c o r d a n c ew i t ht h en a t i o n a ls t a n d a r d sf o ra l u m i n u ma l l o y w h e e lh u bd e s i g n ，a n d g e n e r a t e3 dg e o m e t r ym o d e lo ft h ef o u rd e s i g n so fa l u m i n u ma 1 1 0 vw h e e li n3 du g s o f t w a r e ( u n i g r a p h i c s ) ，t h e nf i n i s ht h ep r e p a r a t i o nw o r kw i t hf i n i t ee l e m e n ts o f t w a r e a n s y ss u c ha sh a n d l i n gm a t e r i a l s ，u n i t ，m e s ha n d b u i l df o u rf i n i t ee l e m e n tm o d e l ( 2 ) s e tu ps i m u l a t i o nc o n d i t i o n sa c c o r d i n gt ot h en a t i o n a l s t a n d a r dc o n c e r n e d w i t hd y n a m i c b e n d i n gf a t i g u et e s t i n go ft h ea l u m i n u ma l l o yw h e e l c a l c u l a t el o a da n d t h es t r e s sd i s t r i b u t i o nb yu s i n gl s d y n as o f t w a r e t h e r e s u l ts h o w st h a ta 1 1t h ef o u r d e s i g n sc a nm e e tt h er e q u i r e m e n t so fs t r e n g t h ( 3 ) t h es i m u l a t i o na n a l y s i so ff a t i g u el i f eo fa l u m i n u ma 1 1 0 yw h e e lh u b i s p e r f o r m e db yv p gf a t i g u ea n a l y s i ss o f t w a r e t h er e s u l ts h o w st h a to n l yt h es e c o n d d e s i g nh a sp e r f e c tm e c h a n i c a ls t r u c t u r ea n dc a nb et h ef i n a l l ys e l e c t e ds o l u t i o n 【4 ) ia k em e a s u r e st oi m p r o v et h er e s to ft h ed e s i g n sw h o s ef a t i g u el i f e i sn o t e n o u g ha c c o r d i n gt ot h ed y n a m i cm e c h a n i c a la n a l y s i sa n d d e s i g n so ft h ef o u rd e s i 蛐s k e yw o r d s ：r h o m b i cc a r ；a l u m i n u ma l l o yw h e e lh u b ；s t r e n g t h ；f a t i g u el i f e ： s i m u l a t i o na n a l y s i s 小型菱彤下锚合会轮毅强度，j 披劳寿命训歹e 插图索引 图1 1w h o l e a 记录的s n 数据4 图1 2 铝轮毂弯曲疲劳寿命仿真分析流程图8 图2 1 动态弯曲疲劳试验装置示意图9 图2 2 动态径向疲劳试验装置示意图11 图2 3l i 型平底轮辋的轮廓形状示意图13 图2 45 。深槽轮辋的轮廓形状示意图1 4 图2 5 前后轮轮辐设计方案1 一1 5 图2 6 前后轮轮辐设计方案2 1 6 图2 7 中轮轮辐设计方案1 1 6 图2 8 中轮轮辐设计方案2 1 7 图3 1 轮辋截面草图绘制2 0 图3 2 回转牛成轮辋辛体2 0 图3 - 3 轮辐截面草图绘制2 1 图3 4 回转生成轮辐主体2 1 图3 5 剪切孔截面草图绘制2 l 图3 6 剪切轮辐孔生成模型2 2 图3 7 前后轮方案一模型前后效果图2 2 图3 8 前后轮方案二模型前后效果图2 3 图3 9 中轮方案一模型前后效果图2 3 图3 1 0 中轮方案二模型前后效果图2 3 图3 1 1 三角形3 节点单元与四边形4 节点单元2 6 图3 12 六而体8 节点单元与四面体4 节点单元2 6 图3 1 3 三角形三节点单元分析2 7 图3 14 整体分析2 7 图3 15 模拟弯曲疲劳试验装置部件图2 9 图3 1 6 前后轮轮毂模型方案一网格划分3 1 图3 1 7 前后轮轮毂模型方案二网格划分3 1 图3 1 8 中轮轮毂模型方案一网格划分3 2 图3 1 9 中轮轮毂模型方案二网格划分0 3 2 图4 1 旋转一周内集中力载荷随时问的变化3 5 图4 2 轮毂载荷及约束示意图3 6 v i t 程坝l 等叫t 论义 图4 3 前后轮方案一在加载过程中0 0 3 6 s 时的应力云图3 7 图4 4 前后轮方案一最大应力区域放大显示图( 白圈为应力最大位置标示) 3 7 图4 5 前后轮方案二在加载过程中0 0 5 6 s 时的应力云图3 8 图4 6 中轮方案一在加载过程中0 0 3 s 时的应力云图3 8 图4 7 中轮方案一最大应力区域放大显示图( 白圈为应力最大位置标示) 3 9 图4 8 中轮方案二在加载过程中0 0 5 3 s 时的应力云图3 9 图5 1 车轮疲劳寿命预测流程图4 1 图5 2 铝合金a 3 5 6 一t 6 的疲劳s n 曲线4 5 图5 3 前后轮方案一疲劳寿命循环次数云图( 外侧) 4 6 图5 4 前后轮方案一疲劳寿命循环次数云图( 内侧) 4 6 图5 5 显示下限为1 5 万次时轮辐根部疲劳寿命( 车轮内侧) 4 7 图5 6 显示下限为15 万次时轮辐根部疲劳寿命( 车轮外侧) 4 7 图5 7 前后轮方案二疲劳寿命循环次数云图( 外侧) 4 8 图5 8 前后轮方案二疲劳寿命循环次数云图( 内侧) 4 8 图5 9 中轮方案一疲劳寿命循环次数云图( 外侧) 4 9 图5 10 中轮方案一疲劳寿命循环次数云图( 内侧) 4 9 图5 1 1 轮辐根部位置的疲劳寿命云图( 显示下限为1 5 万次) 5 0 图5 12 轮辐根部位置的疲劳寿命云图( 显示下限为15 力次) 5 0 图5 1 4 中轮方案二疲劳寿命循环次数云图( 内侧) 5 1 图5 15 轮辐根部位置的疲劳寿命云图( 显示下限为l5 万次) 5 2 图5 1 6 轮辐根部位置的疲劳寿命云图( 显示下限为1 5 万次) 5 2 小型菱形1 j 铝合余轮投强度。j 披劳寿命研究 附表索引 表2 1 动态弯曲疲劳试验要求1 0 表2 2 动态径向疲劳试验要求1 1 表2 3i i 型平底轮辋的轮廓尺寸规格表1 3 表2 45 。深槽轮辋的轮廓尺寸规格表1 4 表2 5 前后轮子午线轮胎规格详表1 4 表2 6 前中后轮载荷分布表1 7 表2 7 压铸铝轮毂轮辋厚度技术规定1 8 表3 ia 3 5 6 合金化学成分( w t ) 2 9 表3 2 材料属性3 0 表3 3 前中后轮毂模型网格数量3 0 表4 1 四套轮辋的试验弯矩3 4 表4 2 加载杆施加合力计算值3 5 v i i l 1 1 选题背景 第1 章绪论 汽车是现代人同常生活代步的必备工具，随着中国私家车的越来越多，整个 中国汽车工业已经成为中国经济增长的突破点。汽车的构成比较复杂，其经济扩 展性广，关联产业多，技术集中度高。汽车工业是目前国家工业发展的最高阶段， 集中了材料、工艺、设备、技术等科技领域的最高水平，其附加的经济效益与增 加值使其成为技术密集型产业。汽车市场的巨大潜力，使其成为多种高新技术预 先试用的优良载体，推动了科技的持续进步，拥有了“万计零件，百万计产量，亿 万计拥有量”的称号。在世界发达国家的发展道路上，都把汽车工业作为其发展 支柱，带动了国民经济的飞速发展。 不管是烧油的传统汽车，还是以新能源技术驱动的新型汽车，通过原动机把 动力传递出来以后，最终还是需要以滚动摩擦一车轮的形式带动整个车身运动， 不管是什么类型的车辆，其构成都是一个复杂的系统，消费者对汽车品质的要求 越来越高，为了满足汽车品质的要求，尤其是中国汽车市场日趋成熟后，汽车的 安全性、舒适性及耐久性作为车辆最被关注的几个性能要求而广泛提及。 由于汽车在公路上运行速度比较快，在此过程中，车的全部零部件都要承受 着静载荷和动载荷作用，其中，车轮是一个高速转动的零部件，它需要承载汽车、 乘客以及为改变整车行驶状态( 如加速、减速和拐弯等) 所产生的载荷口j ，同时， 车轮是所有路感震动的直接反应地，其强度和疲劳寿命直接影响着汽车的使用寿 命和汽车运行的可靠性。 车轮由轮毂和轮胎组成，轮胎产牛摩擦力，轮毂起着支撑作用，由于目前的 轮胎国际国内都是有通用标准的，为了通用化和市场化的需要，汽车的车轮设计 必须遵循相关的国际和国家标准，但是一个车轮的好坏不仅要看轮胎，更要看轮 毂本身设计是否能符合多路况和多载荷的双重检测，作为一个的汽车轮毂，它又 是由轮辋和轮辐组成，在行驶过程中，轮辐和轮辋承受较大的交变扭转载荷和弯 曲载荷，因此需要足够的强度和疲劳寿命，以满足汽车全寿命周期的使用要求， 所以，轮毂的强度和疲劳可靠性仍然是汽车轮毂设计时必须要考虑的非常重要的 问题。 小型菱形下锚合会轮：；| 殳强度j 疲劳寿命研究 1 2 国内外研究现状 1 2 1 有限元分析的国内外研究现状 几乎所有的工程问题，不管是机械产品的设计，还是工程建设的过程，一般 都先从产品或过程中的结构着手，对结构进行一系列的假设与简化进行分析后， 再采用各种力学理论进行全面分析，以此进行设计结构优化。 随着工业化技术的超速发展，在工程实践过程中，面临着遇到的问题越来越 复杂的状态，出现了很多复杂的结构，这些结构有些是几何形状，有些是应力状 态，总之，如果用通常方法去解的话，很难解出其解析解【引。 要解决这些问题，往往有两条通道： 第一是试验法：对问题首先提出几种假设，而这些假设能够避开问题中比较 重要的难点，使之能够对这个复杂问题简化，让它成为能够解决的问题。在计算 过程中由于出现了较多的假设与简化，经常会出现不准确或者错误的答案。 第二是近似求解法：在计算前预判问题的实际存在状况，通过寻找一种近似 的求解方法，找出其最接近的数值解。现有的数值求解方法很多，但目前最优的 解决方法是有限元分析法，因为其特点突出。 由于计算机的普遍使用以及数值计算方法的高度发展，使得利用计算机来辅 助工程计算成为技术主流，即c a e ( c o m p u t e ra i d e de n g i n e e r i n g ) 技术，此技术 主要包含两个模块：分析模块和改进模块，而分析模块，即c a a ( c o m p u t e ra i d e d a n a l y s i s ) 是c a e 技术中的重要关键，在c a a 模块中，有限元法和优化技术是 其主要的数值模拟及计算载体。 目前，以有限单元法等数值方法被广泛用于变形及应力的研究中，有限单元 法，即f e m ( f i n i t ee l e m e n tm e t h o d ) ，其主要思路是把求解结构区域离散为简单 的单元或网格，运用满足边界条件的函数来作为计算控制方程，求解得出数值近 似解，有限元法作为普遍使用计算机年代的新兴技术，其解法的思想实际来至更 早的时代，最早可以追溯到19 4 3 年，c o u r a n t 在研究扭转计算时首先使用其思想， 其后在设计飞机结构时，t u r n e r 和c l o u g h 两位工程师利用有限元法解决飞机弹性 力学的分析，有限元法的正式命名由c l o u g h 在1 9 6 0 年完成，此后有限元法的理 论和应用得到了迅速发展 4 。 近5 0 年的发展，有限元法由单纯的解决弹性力学平面问题发展到能够解决空 间及板壳、静力与动力、稳定与波动、线性和非线性、固体和流体等问题，发展 成为高级及最有效的工程计算方法之一 5 】。 在汽车行业，有限元法也得到了有效的应用，不关在发动机设计过程中能模 拟动力产生过程，而且能够对发动机反复运动零件结构进行强度分析：不仅在车 身结构碰撞预先检测中模拟破坏情况，还能进行噪声、空气动力等模态分析；总 t 程坝i ：学位论文 之，有限元法对于汽车产品的开发提供了较大的便利性，利用其进行分析，可以 改进车轮结构、性能、质量等方面指标，使得汽车的各项指标更为优越【6 1 。 1 2 2 疲劳寿命的国内外研究现状 交变载荷是工程中许多重要零件主要承受的载荷形式，但由于有这种的长期 作用，该类零件主要的实效形式都以疲劳断裂或疲劳裂纹为主，而且越是旧设备 旧零件，这种情况越明显。 疲劳破坏的主要特征，就是在破坏之前很难发现这种破坏的位置，有些能够 发现有破坏，但出于没有具体的工具与方法，很难知道其还能使用的年限，只知 道在零件运动的某个时问点，断裂等破坏会突然出现，一旦这种情况出现，往往 会造成机器设备的整体崩溃，更大的危险隐患会随之 现，使设备的较小故障变 为致命性故障1 7j 。 据统计，疲劳破坏是机器设备失效的主因之一，有八成的事故都是由于疲劳 破坏引起的，所以，在受到交变应力的设备中，分析其疲劳寿命及状态是比较重 要的关键步骤之一j 。 疲劳寿命的具体定义是结构在疲劳破坏之前经历的应力或应变的循环次数， 对于计算这个次数，却是一个超级复杂的事情，首先，要弄清受到的疲劳载荷的 基本情况，同时还需要有精确的载荷谱以及材料的力学特性或疲劳曲线，再利用 合理的损伤积累及裂纹扩展理论，综合考虑其影响因素才能最终得到疲劳寿命一j 。 目前，许多国内外学者都展开了预测疲劳寿命的研究工作，他们在理论和应 用领域成绩斐然，其中，研究主要包括以下几部分【i u j ： ( 1 ) 预测疲劳寿命中的s n 曲线应用 在研究中，用n 代表疲劳寿命，即疲劳失效时总的应力或应变循环次数；用 s 代表材料的强度应力，由实验真实情况得出强度应力与材料试件的疲劳寿命之 间关系的曲线，称为材料s n 曲线，s n 曲线显示，材料的极限强度较高，那么 如果外加应力水平较低，则材料试件的疲劳寿命就愈长，反之则越短。 s n 曲线最早由铁路德国工程师w h o l e a 发现，所以s n 又称为w o h l e 曲线， 其后的18 5 2 年至18 7 0 年问，该工程师又对此理论进行了详细而系统的测试，此 理论逐渐发展并运用起来。图1 3 为w h o l e ，a 记录的s n 数据。 小型凌彤节铝合金轮毁强度j 疲劳寿命研究 循环次数 图1 1w h o l e a 记录的s n 数据 ( 2 ) 估算疲劳寿命中的e n 曲线应用( 局部应力应变法) 在2 0 世纪6 0 年代，c o f f i n 与m a n s o n 两位研究者分别提出了一种以塑性应 变幅为参量的疲劳寿命研究方法来处理热疲劳问题，此伦理的主要内涵式在对塑 性应变幅的对数与疲劳破坏的载荷反向次数的对数做数学函数图时，可以得出其 为一直线，此方法称为e n 曲线疲劳寿命估算法。 ( 3 ) 疲劳寿命分析叶i 的疲劳损伤累积应用( m i n e r 法则) 研究者p a l m g r e n 早在19 2 4 年做滚动轴承研究时，对轴承寿命估算采用了一 种假设，他把损伤积累与转动次数看成一种线性关系，能够较准确的得到轴承寿 命。在19 4 5 年，m i n e r m a 将此线性关系理论研究深化，得到准确公式，由此得 名为p a l m g r e n m i n e r 线性损伤累积法则，也称m i n e r 法则，此理论由于简单、方 便计算，所以在工程中应用广泛。 ( 4 ) 有限元软件计算疲劳寿命 现在有疲劳分析模块的有限元软件很多，在疲劳分析功能模块上比较强大的 还集中在下列几个软件中： 1 ) a n s y s 疲劳寿命分析 使用a n s y s 软件，可以解决结构与流体力学、电磁学、声学、热力学等问 题，其综合性及强大功能使其成为最通用的有限元分析软件。a n s y s 中的疲劳分 析模块采用简化的弹塑性假设与m i n e r 法则，能用强大的后处理云图直观的显示 疲劳寿命位置及大小，具有其优化的应用功能。 运用a n s y s 软件进行有限元分析的研究者较多，如广西大学的韦倾等人在 2 0 0 6 年对柳州钢圈厂某型号轿车钢圈进行研究，采用动态弯曲疲劳测试试验标准 利用a n s y s 仿真计算，得到疲劳寿命，对比真实试验结果，发现结论符合实际 情况，这表明a n s y s 的有限元仿真分析是改进轿车结构部件强度的有效手段【1 1 】。 2 ) l s d y n a 非线性动力分析及v p g 软件 j 0 h a l l q u i s t 博士于1 9 7 6 年丌发完成了l s d y n a 软件，从1 9 8 8 年商业化以 来，长足发展，现在成为以显式为主、隐式为辅的通用非线性动力分析有限元软 件，可以模拟各种复杂工程问题，在国防和民用领域较广，目前，国内l s d y n a 的商业用户已超过1 0 0 家m j 。 v p g 软件是e t a ( e n g i n e e r i n gt e c h n o l o g ya s s o c i a t e s ，i n c ) 公司在最著名的非 线性软件l s d y n a 平台上丌发的产品，保留了大型通用非线性软件l s d y n a 的全部功能，其在对如f o r d 等大汽车制造厂商的合作中，拥有了大量的汽车有 限元分析经验，进而丌发出一整套汽车分析仿真程序。 v p g 软件白1 9 9 5 年出台，以建模过程简单，操作平台清晰而广受用户喜爱， 由于从一个完整的汽车模型中就可以仿真各种道路载荷等情况，所以在汽车领域 应用广泛。 3 ) m s c f a t i g u e 疲劳寿命分析 m s c f a t i g u e 是在m s c s o f t w a r e 公司( 简称m s c ) 与英国n c o d e 困际公司紧密 合作的基础上发展起来的疲劳仿真分析软件系统。在m s c 公司所倡导的产品虚 拟丌发( v p d ) 流程中，m s c f a t i g u e 是一个关键环节。m s c f a t i g u e 与m s c 公司的 其他产品虚拟开发软件相配合，为用户提供疲劳耐久性集成化仿真系统。 m s c f a t i g u e 作为一款专用的疲劳分析软件，由于其适应范围广且有较强的 通用性能，常用于对机械零件及丁程结构进行疲劳寿命的预测。它的特点就是可 以在一丌始设计的时候即可得到其帮助，起到前期优化的作用。目前，m s c f a t i g u e 用于的范围较广，如裂纹的初始及扩展分析、应力应变寿命分析、焊点及各种焊 接寿命分析、振动及多轴疲劳分析、优化设计及虚拟测量等方面都可以得到完美 解决，广泛应用于机械与电子、土木工程、汽车与铁道、航空与航天、兵器与核 能、医疗器械、石油和化工等领域，用户数量庞大。 在国内用m s c f a t i g u e 研究疲劳寿命的研究者中，北京理工人学的陈德民博 士就是佼佼者，在2 0 0 6 年，他对圆柱斜齿轮动态齿面啮合过程进行研究，完美的 运用m s c f a t i g u e 疲劳分析软件完成了轮齿齿根弯曲疲劳寿命，根据研究获得了 齿根安全寿命系数，为后续齿轮设计的研究者提供了理论依据【l 引。 1 2 3 铝合金轮毂的国内外发展及疲劳破坏研究现状 随着汽车行业的发展，汽车铝轮毂产、i k 也壮大发展起来，而在汽车轮毂行业 发展的较长时间段内，汽车常采用钢制车轮，随着铸造技术等各种先进制造技术 的应用，铝合金轮毂以其独特的性能取得了广大汽车消费者的喜爱，逐步替代钢 轮毂成为汽车的标配，铝合金轮毂主要从外观、重量、金属性能、制造性能等方 小型菱形下锚合会轮毁j 虽度j 疲劳寿命研究 面显示出其优点。 综合其各方面，现列举铝合金轮毂优点如下： ( 1 ) 质量轻，能够减小汽车的油耗：相对比钢轮毂，铝合金轮毂质量小，在 汽车加速和减速时，能明显减小其汽车动力损耗，用时由于轻，铝轮毂能很好的 进行转弯等操作动作，最明显的就是能够节油。 ( 2 ) 摩擦产生的热量散发快，保证刹车的有效性：因为铝等轻质材料的热传 导系数比钢材明显较高，在同样受力摩擦效果下，热量的散发更快，刹车更加有 效。 ( 3 ) 减振效果明显，在路面冲击轮毂时，能够较大的吸收冲击能量，使车轮 行驶的舒适性良好。 ( 4 ) 外观可以更加个性，满足消费者对于轮毂美观等要求：因为铝合会轮毂 由铝合金而成，利用模具可以铸成各种较为独特的几何结构，且强度较高。 纵观国内外铝合金轮毂的发展历史，其中最有代表性和时代性的要数以下几 个关键事件，最早使用铝合金车轮的要数布加迪( b u g a t t i ) 公司，在1 9 2 3 年，他们 最先把砂型铸造铝合金车轮装上了赛车的车轮，当然，这样的轮毂肯定存在着很 多铸造缺陷，随着时间的推移，铸造铝轮毂改为钢制与铝制轮毂相结合的车轮用 于宝马及奔驰汽车上，到了19 4 5 年，铝轮毂的制造研究工作被各大汽车厂商重新 提到同程，但由于安全考虑，铝合会轮毅并未批量生产，铝轮毂的春天在19 7 2 年来到，这一年，拜尔发动机公司将轮毂批量配置在其出厂新车上，创造了批量 使用铝轮毂的先河。 铝合金轮毂在我国发展较晚，但从目前规模来看，铝合金轮毂在轿车安装率 己达五成。追溯其发展，我国最早的专业铝轮毂制造公司出现在上世纪8 0 年代末， 名叫戴卡公司，随后在广东出现了南海中南公司，两家公司则成为中国铝轮毂制 造的鼻祖，其产量很高，其中戴卡公司年产量达15 0 万个，国内的热销车型如大 众、广本都采用其产品，产品也远销海外如美国、同本等10 余个国家。近年来， 国内还出现了不少铝轮毂制造公司，为铝轮毂在中国的长足发展奠定了良好的基 础。 铝轮毂作为轮胎与车轴的承接部件，承受了来至车轮动力状态、路面冲击、 载重等较大的载荷，其工作的环境比较糟糕，由于轮毂的载荷都是随机产生的， 所以疲劳破坏是它失效的主要形式。 对于工程设计人员而言，铝轮毂的疲劳失效是其长期的研究对象，纵观历史， 比较早来研究轮毂疲劳寿命国家的要数美国与德国，他们都是汽车制造大国，其 共同开发了f l i p s 系统，利用该有限元分析系统可以直接建模和分析，模拟轮毂 的标准实验，发现铝轮毂结构的缺陷问题，其优化结果良好，由此开创了有限元 技术分析铝轮毂的先河，有限元技术得到最广泛应用。 随后，各大公司与汽车制造商合作，丌发了一一系列针对轮毂的疲劳分析模块 来进行铝轮毂分析，其中较著名的是疲劳分析软件m s c f a t i g u e ，软件可以分析 轮毂等旋转物体，通过计算应力一历程的节点分布情况，绘制云图来显示疲劳寿 命点，由于此模块具有较强的针对性，所以在设计铝轮毂时能够方便快捷的完成 轮毂设计任务。 在外国，有许多专家学者专门从事轮毂疲劳寿命研究，如美国人j s t e a r n s ， t s s r i v a t s a n 采用有限元软件对铝合金轮毂进行径向疲劳试验仿真，在充分的条 件下，完美的完成了其力学与疲劳分析。 在中国国内，利用有限元研究轮毂的学者与专家也不在少数，这些都是国外 有限元软件在中围的普遍推广下形成的，尤其在高等院校，研究轮毂疲劳寿命的 人员较多，其中比较有名的是中国汽牟技术研究中心、哈尔滨工业大学等大学合 作的“汽车车轮结构分析方法与应用”课题，陔课题从静力学、可靠性、结构与 疲劳角度建立了车轮优化设计方法以及计算机模拟和仿真系统，得到广泛应用。 除此以外，国内研究者还采用了i d e a s 、l s d y n a 等各种不同的有限元软 件来进行铝轮毂疲劳研究，如浙江大学钟翠霞就采用i d e a s 进行铝轮毂优化设 计；燕山大学的张国智在与戴卡轮毂有限公司合作中，使用a n s y s 和l s d y n a 完成了模拟铝轮毂各项国家标准试验的仿真分析，研究取得突出成果 1 4 1 。 1 3 课题的研究意义及研究内容 1 3 1 研究意义 在本课题的研究过程中，遵循以有限元法分析为主线，疲劳软件验证为主导 的研究方法，成功的解决了某小型菱形车铝合金轮毂的设计方案选择问题，最终 确定了符合疲劳寿命要求的设计方案。 将先进的有限元分析方法和疲劳理论应用于菱形车及其余小型车俩铝合金轮 毂的丌发中，极大地提高了的开发水平，缩短了产品开发周期，降低了产品丌发 成本，同时大大提高了开发铝合金轮毂的产品质量，提高了其经济性和安全性。 1 3 2 研究内容 本文以某小型菱形车铝合金轮毂为研究对象，针对铝合金轮毂的动态弯曲疲 劳试验标准，以l s t c 公司的非线性动力分析软件l s d y n a 及v p g 模块、三维 建模软件u g 为工具，按照虚拟疲劳耐久性分析流程进行三维实体轮毂造型、轮 毂有限元模型建立、动力学分析和疲劳仿真分析，具体解决方案如下： ( 1 ) 三维建模利用三维建模软件u g ( u n i g r a p h i c s ) 建立菱形车前后、中 小型菱形印锚合余轮投强度j 疲劳寿命研究 铝合金轮毂分别的两种方案精确的三维几何模型。 ( 2 ) 有限元建模利用专业有限元软件a n s y s ，通过导入轮毂三维模型， 选择材料参数、单元类型，确定单元尺寸，完成网格划分等过程，建立了铝合会 轮毂的有限元模型。 ( 3 ) 有限元求解根据铝合金轮毂动态弯曲疲劳实验标准，使用l s d y n a 软件，获取铝轮毂工况载荷谱，通过求解，得出轮毂在加载历程的应力分布数据， 以此确定强度分析结果。 ( 4 ) 疲劳寿命计算一一根据求解得出的应力载荷谱，利用v p g 模块对小型菱 形车铝合金轮毂弯曲疲劳寿命进行仿真计算，得出后处理寿命云图。 ( 5 ) 设计方案改进综合强度性能和疲劳寿命分析结果，根据轮毂动态弯 曲疲劳寿命试验的检验标准，比较小型菱形车铝合金前后、中轮毂两种方案优劣， 以此基础改进轮毂的设计结构。 具体分析流程见图1 4 。 图1 2 铝轮毂弯曲疲劳寿命仿真分析流程图 t 程顺i 学位论文 第2 章汽车轮毂相关国家标准及菱形车轮毂设计要点 2 1 汽车轮毂的性能要求及实验方法的国家标准简介 困家标准q c t 2 2 1 19 9 7 规定了汽车轻合金车轮的疲劳性能要求及试验方法 15 1 ，适用于全部或部分轻合金制造的汽车车轮。此标准试验项目分为两项：动态 弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验，试验样品用的轮毂应是未经试验或未使用过 的新成品轮毂，且每个轮毂只能做一次试验。 2 1 1 动态弯曲疲劳试验 ( 1 ) 试验设备 试验采用一定位安装工作台与旋转施力装置，固定轮毂后由和轮毂固定的加 载杆施加一弯曲力矩。见图2 1 。 图2 1 动态弯曲疲劳试验装置示意图 ( 2 ) 试验程序 1 1 准备工作 通过实验用夹具，用螺栓组件把轮毂边缘固定在实验台上，按照实验规定的 最低值1 1 5 的扭矩经由法兰盘与加载杆螺栓紧固，去除多余灰尘后调整加载载 小型菱彤下销合会轮投强度i j 疲劳寿命研究 荷，使其误差不超过2 5 ，在试验过程中如果螺栓断裂，则可允许更换螺栓。 2 ) 试验弯矩 试验弯矩由式2 1 确定： m = ( u r + d ) f s ( 2 1 ) 式中： m 弯矩，n m ； u 轮胎与道路的摩擦因数，设定为o 7 ； r 静载半径( 国家标准规定的与该轮毂配用轮胎的静载半径) ，m ； d 车轮内偏距或外偏距，按车轮厂规定，m ； f 车轮最大额定负荷，n ； s 强化试验系数，见表2 1 。 表2 1 动态弯曲疲劳试验要求 3 ) 失效判定依据 试验后车轮用着色渗透法或萤光探伤法检查轮毂周阐，在任意部位见到裂纹 即判断失效；在疲劳循环次数达到标准值a 玎破坏即判失效；在疲劳循环次数达到 标准值前加载位置的位移如超过全位移量的2 0 耳1 3 判失效。 2 1 2 动态径向疲劳试验 ( 1 ) 试验设备 试验采用的试验机有两个主要装置，一台比试验轮胎略宽的表面光滑转鼓， 转鼓最小直径为1 7 0 0 m m ，一个给车轮施加固定径向载荷的固定装罟，转鼓旋转， 带动试验车轮旋转，在车轮有径向载荷的情况下完成试验。 ( 2 ) 试验程序 1 ) 试验准备 完成试验所用轮胎，能够承受了标准规定的最大载荷，如采用中空胎，则不 用内胎，常态时轮胎气压4 4 8 35 k p a ，试验中不必放气减压，试验连接件选用与 车轮相配件，用标准螺栓组安装，其扭矩采用最低值的11 5 拧紧，试验中，保 持此扭矩值，加载装置应保持规定的载荷，误差不超过2 5 ，如试验中轮胎损 坏，可以更换轮胎，继续试验。 ：。：二呈呈坠兰竺堡兰：。：。，。：。= 一 = = = = = = = ! ! g ! = ! ! ! ! ! ! ! ! ! = = = = ! = ! ! ! = ! = ! = ! ! ! = = = = 一 图2 2 动态径向疲劳试验装置示意图 2 1 径向载荷 径向载荷按式2 2 确定： f r = f k 式中：f r 径向载荷，n ； f 一车轮最大的额定载荷，n ； k 一强化试验系教，见表2 2 。 ( 2 2 ) 表2 2 动态径向疲劳试验要求 轮辋名义直径代号 堡些苎竺至塑!一一 一塑竺堡翌 _ i 50 0 0 0 0 1 2 、13 、1 4 、1 5 、16 、17 2 2 5 16 、17 选_ l = j 型 ! ! ! ! 竺! 生一 一。 3 ) 失效判定依据 试验后车轮用着色渗透法或萤光探伤法检查轮毂周围，在任意部位见到裂纹 即判断失效；在疲劳循环次数达到标准值前破坏即判失效。 2 1 3 模拟试验标准确定 由于轮毂疲劳试验有动态弯曲疲劳试验和动态径向疲劳试验两项，就小型菱 形车的行驶路况来看，轮毂承受动态弯矩要比径向载荷效果明显，而且动态弯曲 疲劳寿命要比动态径向疲劳寿命循环次数要大得多，以动态弯曲疲劳寿命为设计 小型菱彤1 i 锚合会轮投强度j 疲劳寿命研究 准则对于轮毂寿命设计指导意义大，所以，对于小型菱形车的疲劳寿命分析以有 限元模拟动态弯曲疲劳试验为主要手段，确定轮毂设计方案。 2 2 小型菱形车前后轮与中轮轮毂设计要点 由于前面两节分别介绍了轮毂设计及试验标准要求，设计小型菱形车前后轮 与中轮，必须满足这些要求。针对这些标准，设计要点主要集中在轮毂尺寸和试 验内容上。 根据小型菱形车的前期整体设计方案分析，轮毂设计有如下要点： ( 1 ) 菱形车车轮是菱形分布，前后车轮对称，并可以实现前后车轮互换，中 轮进行驱动，从结构和受力上看，中轮受力大，而前轮负责转向，所以，前后轮 和中轮必然在结构设计上有区别，根据整体设计要求，前后轮毂的轮辐螺栓孔位 置较松散，中轮轮毂轮辐结构厚实，螺栓孔排列较紧凑。 ( 2 ) 因为是小型菱形车，按照整体实际情况，前中后轮的轮辋直径全部选择 一样尺寸，前后中轮轮毂直径尺寸选择不应过大。 ( 3 ) 前后轮支撑点距离中轮两个支撑点较远，出于菱形车稳定性考虑，所以 在确定前后轮与中轮轮辋的宽度有所不同，由于所配轮胎直径尺寸都为标准一样， 所以只能在轮毂宽度设计上有所区别，中轮轮辋宽度较小，而前后轮轮辋宽度大，。 ( 4 ) 轮毂为铝合金整体浇铸，所以从设计角度来看，前后轮与中轮均采用轮 辋和轮辐永久结合的车轮一辐板式车轮。 综合上述轮毂设计特点，针对小型菱形车前后轮和中轮的方案设计，主要有 两部分，一是基本方案确定，二是四车轮受载分析及铸造厚度估算确定，2 3 节 就开始具体确定这两部分。 2 3 前后、中轮轮毂设计方案确定 2 3 1 基本方案确定 ( 1 ) 轮辋轮廓类型确定 由于采用铝合金整体压铸方式获得轮毂，且整体尺寸不能过大，且符合标准 轮胎配换要求，所以轮辋设计必须符合汽车轮辋规格系列国家标准【1 6 】。 国家标准g b t 3 4 8 7 19 9 6 规定了汽车轮辋与轮胎相配合部分的轮辋轮廓( 简 称轮辋轮廓) 形状和尺寸、轮辋直径系列、轮辋标定直径及检验周长，此标准适 用于各种汽车轮辋。 小型菱形车铝合金车轮必须采用国家标准规定的轮胎，所以在轮毂设计时， ：至型坠兰丝垒垒。= = 一 = = = = ! ! ! e ! ! = = ! ! ! = = = = = ! ! = = = ! ! = ! ! = 一 必须参考轮毂国家标准参数。 以下，重点介绍与菱形车轮辋设计相关的两种轮辋： 1 ) i i 型平底轮辋( f b i i ) 型平底轮辋结构比较简单，对于铝合金轮毂铸造有结构上的优势。1 i 型平 底轮辋结 图2 3i i 型平底轮辋的轮廓形状示意图 表2 3i i 型平底轮辋的轮廓尺寸规格表 ( m m ) 轮辋轮廓规格 a 偏茎 ! 竺 ! 三三一 一 1 n 6 5 0 t ”5 3 8 2 2 2 2 ： 7 0 0 t 17 8 3 0 “ 7 5 0 v 1 9 0 8 0 8 0 0 v 2 0 3 4 4 5 2 7 2 7 。1 9 o o v 2 2 8 二二一旦 一 2 ) 5 。深槽轮辋( 5 。d c ) 5 。深槽轮辋适应于尺寸不大的轮辋设计，尺寸过大不便于此类轮毂的轮胎安 装，其轮廓形状和尺寸应符合图2 4 、及表2 4 的规定。 小型菱形车铝合会轮毂强度1 j 疲劳寿命研究 图2 45 。深槽轮辋的轮廓形状示意图 表2 45 。深槽轮辋的轮廓尺寸规格表 ( m i l l ) 蓁馨笔墨b r ，尺：c pr 3 h l r4m15口1 00 兰2 规格 0 8 ，77。 3 0 0 b7 6 3 5 0 b8 9 4 0 0 b1 0 2 4 5 0 bt1 41 4 5l o 一 7 57 5 5 0 0 b1 2 7 5 5 0 b1 4 0 6 0 0 b1 5 2 1 3 1 86 53 4 6 51 6 5 1 9 2 02 2 9 54 5 1 0 。1 01 1 5 综合上述两类轮辋的优点，同时根据前后轮胎可以实现互换的要求，轮胎断面 宽度约为2 0 0 r a m ，中轮轮胎断面宽度约为15 0 r a m 。 参照轮胎国家标准参数的规定17 1 ，确定自仃后轮和中轮在直径和宽度都能满足 小型菱形车车轮基本要求的车轮，选择详细见表2 5 。 表2 5 前后轮子午线轮胎规格详表 主要尺寸， ( m m ) 1 4 压 d搿 能m 增强 负加 标准 最用卜外直径 胎使酞 轮大户断面宽度滚动半径 一， 鹿 擎# 至 桷 静半径 且 、l， 棚 外直径 数 馓潲 刻 浒轮 杉 允 基 准辋标轮 指 增强 荷数 负 标准 胎格 工程硕士学位论文 根据选用轮胎的标准，最终确定轮辋直径为1 3 寸，具体类型与规格如下： 前后轮