重型货车轮毂有限元分析0428

重型货车轮毂有限元分析重型货车轮毂有限元分析摘 要轻量化是世界汽车工业发展的主要趋势，轻质材料铝及其合金等的使用是一种有效的途径。目前，大部分汽车轮毂已使用铝及其合金做作为材料，利用现代设计方法，在此基础上进一步实现重型货轮毂毂的轻量化则是本文的研究所在。在研究了CAD软件CATIA以及有限元分析软件CATIA的功能及其主要特点后，着重进行了了应用CATIA对汽车轮毂进行结构强度分析的具体过程。首先使用CATIA软件，按照轮辋的国家标准，建构重型货轮毂毂的实体模型;然后把模型导入CATIA，按2008年中国汽车行业标准中的汽车轻合金轮毂的性能要求和实验方法所规定的疲劳实验要求施加荷载;然后进行强度分析和模态分析，分析结果表明，轮毂的最大应力远小于铝合金的许用应力，轮毂的固有频率满足要求，存在进一步改进的可能和必要。最后，改进轮毂模型，改进结果表明，轮毂的重量有了显著的减少。利用有限元分析技术有助于提高汽车轮毂的设计水平、缩短设计周期、减少开发成本。该方法具有普遍性，适用于指导任何其言型号轮毂的设计和分析。关键词：货轮毂毂；结构设计；有限元分析；强度分析；模态分析ABSTRACTLightweight is the main trend of the development of the world automobile industry. The use of lightweight materials such as aluminium and its alloys is an effective way. At present, most automobile wheels have been made of aluminium and its alloys. Based on modern design methods, further lightening of wheels is the research focus of this paper.After studying the functions and main characteristics of CAD software CATIA and finite element analysis software CATIA, the concrete process of structural strength analysis of aluminium alloy wheels by using CATIA is emphasized.Firstly, CATIA software is used to construct the solid model of heavy truck wheel hub according to the national standard of rim; then the model is imported into CATIA to apply load according to the performance requirement of light alloy wheel in 2008 China Automobile Industry Standard and the fatigue test requirement stipulated by the experimental method; then the strength analysis and modal analysis are carried out, and the results show that the maximum stress of the wheel is far less. It is possible and necessary to improve the allowable stress of aluminium alloy and the natural frequencies of wheels. Finally, the improved wheel model shows that the weight of the wheel has been significantly reduced.The use of finite element analysis technology can help to improve the design level of automobile wheels, shorten the design cycle and reduce development costs. This method is universal and suitable for guiding the design and analysis of wheels of any type.Key words: Aluminum Alloy Wheels; Structural Design; Finite Element Analysis; Strength Analysis; Modal AnalysisII目 录摘 要IAbstractII第1章 绪论11.1课题研究的目的意义11.2汽车轮毂行业现状及发展趋势11.2.1汽车轮毂的发展及其现状11.2.2汽车轮毂的发展趋势31.3国内外研究方法41.4主要研究内容5第2章 轮毂制备工艺以及模型的建立62.1轮毂制备工艺设计62.2轮毂CATIA模型的建立72.2.1轮毂构造、种类及装配72.2.2 轮毂三维模型建立过程9第 3 章 轮毂强度有限元分析16第 4 章 改进轮毂的模态分析304.1 模态分析定义304.2 模态分析的步骤304.3 结果分析314.3.1 不考虑速度影响的自由振动计算结果314.3.2 不考虑速度影响的约束振动计算结果35结 论55参考文献56致 谢57第1章 绪论1.1课题研究的目的意义实现汽车轻量化，提高燃油经济性，是汽车节能的最有效途径之一。汽车减轻自重，不仅可减小汽车的行驶阻力，降低油耗，还有利于改善汽车的转向、加速、制动等性能，有利于降低噪声、减轻振动，为实现大功率创造条件。同时轻量化带来的低油耗，使汽车的废气排放减少，对环境的污染程度也减小。汽车轻量化有两大途径：一是采用轻量化材料，例如采用超高强度钢板，铝合金、镁合金等轻质材料代替传统的钢铁材料；一是优化、更改汽车的结构，缩小零部件尺寸，最大限度地减轻零部件的质量。全球汽车工业越来越注重汽车的轻量化，表现在铝及其合金在汽车材料中所占的比重越来越大。铝的比重是铁的1/3，具有良好的导热、导电性能，其机械加工性能比铁高4.5倍，且其表面自然形成的氧化膜具有良好的耐蚀性；铝的铸造工业性能也比较好，可以获得薄壁复杂铸件。现代重型日益广泛使用铝材，已经成为一种趋势，例如轿轮毂圈就是一个最明显的例子，80年代初，大部分重型还是使用钢质轮圈，而今绝大部分重型都是用铝合金轮圈了。本课题借助CAD软件CATIA，有限元分析软件CATIA作为虚拟样机工具对给定的汽车轮毂进行强度分析，在保证强度和可靠性的前提下，对轮毂进行优化，以进一步减少轮毂质量，降低成本。1.2汽车轮毂行业现状及发展趋势1.2.1汽车轮毂的发展及其现状轮毂好比汽车上的“脚”不可或缺。它不仅在静态下承受自身重量和载重的压力，同时在启、制动时要受到扭矩的载荷，而且在行驶过程中轮毂受到来自不同方面产生的不规则变力的作用，如艰难的路况、极度转弯、障碍物的冲撞等等，因此，在研究轮毂的结构设计和复杂的力学特征都有很大阻碍，尤其是在重型汽车轮毂上，其结构截面的应力变化更大，而到目前为止国内还没有任何精确的解析方法对其进行描述。目前，对于汽车轮毂有限元研究有两种方法：一是有限元分析法；另一个是实验法。在早期时轮毂的研究主要使用实验测试方法，这种方法经发觉研究时间周期长、成本高，不利于新产品的研发和设计。随着计算机软件和有限元分析软件的不断发展，汽车轮毂动、静态强度的有限元分析和疲劳分析能力开始逐步成熟，轮毂结构中如果存在一些问题通过软件可以直接解决，并可以对其进行分析和优化。如今随着软件精度不断提高，在企业普遍应用有限元分析方法，大大提高了企业经济效益。目前基于轮毂有限元分析的研究现状有如下：1956年Turner和Clough等13,14,15人在分析飞机结构时他们首次将刚架位移的方法和原理推广应用于弹性力学平面问题中，将连续体划分成单元格形式，然后将单元格位移用数学表达式表示最后推导出单元刚度方程，也是第一次涉及到有限元法。1960年，Clough 对这种解决平面弹性问题首次提出了“有限元法”定义。轮毂进行优化设计国外在六十年代就开始研究了。其中Miloslav和Riesner等16人通过MSC/NASTRAN软件对汽车轮毂进行结构分析和优化设计。他们选用辐板式、外环加厚薄壁和成轴对称的轮毂结构形式为研究对象。然后建立轮毂有限元模型，采用板壳单元，最后对轮毂进行动态弯曲疲劳试验模拟，并对轮毂施加与实际相符合载荷和边界约束条件，计算分析轮毂受到应力分布情况。Marron 和 Teracher 等17,18人通过对不同的钢制材料试验，指出钢制材料在没有损伤的情况下设计冲压工序可以使钢到达极限强度，并在保证轮毂强度和寿命的前提下，对轮毂结构作出最大优化设计。2001 年土耳其的U.Kocabicak 和 M.Firat 等19人利用有限元仿真方法对钢制轮毂进行静态弯曲疲劳仿真分析，并得出应力集中区域。2003 年美国的 Ganesh Babu 写了一篇利用软件分析钢制轮毂的疲劳寿命博士论文。H.Akbulut 基于汽车轮毂的冲击试验54，对汽车轮毂进行优化设计。他将轮毂机构单元的重点节点的位移变化量为设计变量，结构应力最小为目标函数进行结构优化。P.Ramamurty 和 Ruju 等人利用有限元方法模拟铝合金轮毂在径向载荷应力应变的分布。计算结果得到：轮毂上轮辐内部处变形最大，应力集中位置在轮辐根部，预测结果与试验结果非常接近。还有美国的 J.Stearns 用有限元法模拟铝合金车轮的径向疲劳试验，考虑了气压的影响，建立模型求出应力应变分布。2007 年德国 Eckhard 采用试验方法和有限元方法对钢制轮毂形状优化。结果得到这两种方法非常实用且最终致每个钢轮材料减少大约 250 克，意味着每辆车可节省 1 公斤，循环利用次数达到 50%。日本汽车轮毂工业是在1970年后至1984年之间快速发展起来的，在1984年的年产量达640万件。意大利在1979年曾生产150万件。到1980年，西欧共生产700多万件汽车轮毂(其中50%是铸造汽车轮毂)，并以年产6%7%的速度递增。1988年，美国生产的车辆中，汽车轮毂已作为好几种车型的系列部件，Pontiac SE车型的Grand Prix车更是采用了涂装彩色条带状的汽车轮毂。通用汽车公司生产的Gorvette车和另外两种Grand Prix车型也采用了汽车轮毂;Pontiao Fiero的一种新车采用了表面为黑色的汽车轮毂;Dodge Dynasty车也把花边式样的汽车轮毂装了上去。同年，福特公司在Merkur Scorprio重型上也装上了汽车轮毂，并把汽车轮毂定为公司系列的标准件。20世纪80年代初，美国原装重型汽车轮毂装车率大约4%一5%，如今已超过40%。而日本目前重型汽车轮毂装车率超过45%，欧洲国家超过50%。我国汽车轮毂工业起步较晚，最早使用汽车轮毂是在20世纪80年代初，国营洪都机械厂将砂型铸造的汽车轮毂装在边三轮摩托车上，但是数量很少，未形成气候。到加世纪80年代末，我国出现了第一个具有现代规模的戴卡轮毂制造有限公司，其规模和设备都进入了世界先进行列。加世纪90年代初，在广东出现了既生产汽车，又生产摩托车汽车轮毂的南海中南汽车轮毂有限公司，这两个生产厂的生产设备都已达到国际水平。但这段时期，因国内汽车和摩托车对汽车轮毂的装车欲望还很低，钢圈仍占据着绝对统治市场的地位。随着我国公路设施的飞速发展，这两个企业也分别在汽车、摩托车行业中积极地宣传，汽车轮毂开始以极其迅猛之势在全国得到推广，生产汽车轮毂的工厂也像雨后春笋般出现，蔓延至全国。2002年，我国重型的汽车轮毂装车率已接近45%;摩托车的汽车轮毂装车率已逾50%。综上所述，不难看出，汽车轮毂是现代车辆轻量化、高速化、现代化的必然产物。1.2.2汽车轮毂的发展趋势轮毂规格方面，汽车的高速化迫使轮毂朝“三化”(扁平化、子午线化、无内胎化)迅猛发展。国外重型轮毂己日趋大直径、宽轮辋发展的格局，原来多见的1213in的小直径轮已越来越少，有逐步被淘汰的趋势，目前主流是15x7in以上的规格，并逐步朝1719ni大直径宽轮辋发展，甚至己出现2026in的轮毂大直径轮毂与轮胎组合，比小直径轮毂与轮胎组合更显现代、霸气和时髦。由于直径大、轮辋宽，使轮胎与地面的接触面积更大，从而增加了汽车与地面的附着力，使汽车的操纵性能更好，提高了汽车的安全性。但是大直径、宽轮辋也会产生使轮胎磨损加快的不利影响。结构方面，基本上以整体铸造的汽车轮毂为主，除特殊场合装用二片式和三片式的复合轮毂，如为了减小轮毂质量，提高强度，采用锻造钢轮辋和铸造铝合金轮辐组装式工艺生产的轮毂;或为了降低轮毂噪声，提高汽车操纵稳定性在轮辐和轮辋之间加上特殊橡胶结合件等。外观方面，作为象征整车档次之一的轮毂外观，在点缀整车的时尚化作用中越来越向着艺术化方向发展，多变的轮毂轮辐形态和迷人的色泽越来越为人们所关注。轮毂由单调的辐条式、辐板式向着带空间曲面和弧形面状态，甚至由中心对称演变成中心不对称的图案，另外对轮毂与整车的匹配和色泽的协调、表面处理(全涂亚光色、抛光轮、电镀轮、真空镀膜轮等)要求也日益提高。材料方面，有向镁合金轮毂发展的趋势，许多学者正研究使镁合金能适应大量生产的工艺和设备。镁具有质量轻(密度1.8kg/m3，是铝的2/3，铁的1/4)、比强度大、尺寸稳定、抗变形、机械加工性能好、吸收振动性能好的特点，有利于提高整车运行速度，降低能耗，承受较高冲击载荷，此外镁在地球上储量相当丰富，占金属的第8位，还可以从海水中无限量地提取，综合来说镁能在各方面很好的满足人类各方面的要求。但是这类铸件的试验条件非常严格和气密性要求高，成品率低，生产成本高。此外，有人在不断探索降低半凝固铸造温度的新材料途径，甚至已有人在尝试镶嵌式的中空复合轮(即在轮毂中衬嵌一种高强度的轻质骨材，让铝液填充时将骨材全部包住)，来进一步提高轻量化效果，而且可获得比汽车轮毂更佳的比强度和弹性模量。1.3国内外研究方法结构的优化设计产生于20世纪60年代，到90年代，许多新的概念如遗传算法、形状优化、拓扑优化等被应用到结构优化过程中，其中利用有限元方法进行优化分析是一种常规的选择。因为它不仅能处理大范围的结构类型，而且它在可选择的分析类型中是一种可利用的最通用的方法。它不只限于结构问题，也能应用到能用偏微分方程表示的任何问题中。结构优化研究历程中，出现过以直觉的满应力为设计准则的准则法和以数学规划为理论支柱的规划法。这两种方法互相融合，演变成序列近似概念和相应的序列近似规划法，在结构尺寸优化中获得很大的成功，序列二次规划就是这样一种重要方法，许多通用的结构优化软件也以此方法为基础。我国结构优化设计的研究和应用在80年代中后期发展起来，迄今已取得一定的成绩，部分高等院校和科研院所根据不同的条件和需要，自主开发了一批通用的结构优化软件和专用软件。例如大连理工大学、北京农业工程大学及北京航空航天大学等单位开发的多单元、多工况、多约束结构优化程序DDDU，计算机辅助结构优化程序系统MCADS和MAS等，这些系统适用于汽车及其零部件、飞机部件、火车部件等结构的优化设计。近年来由于汽车工业的迅猛发展，对汽车各零部件的优化成为研究的热点，如车身、车架、车轴、发动机活塞、制动器等结构的优化。国内对轮毂结构优化方面的研究尚少，东风汽车有限公司的翁运忠、轧制技术及连轧自动化国家重点实验室的崔青玲等人对车轮毂结构优化设计进行了初步研究，他们运用有限元软件SDRC/I-DEAS、CATIA对两种不同形态结构的轮毂进行结构强度分析通过受力状态的比较证明其中一种设计更为合理。哈尔滨工业大学的崔胜民、杨占春采用独立的优化程序和有限元程序分别进行轮毂形状优化设计和仿真分析。他们在优化程序中建立起轮毂优化的数学模型，以控制辐板形状的弧段半径、弧段圆心角等参数为设计参数，以辐板弧面长度最小为优化目标并进行优化，把优化结果通过接口程序输入有限元程序中进行网格的重新划分和应力分析计算。通过优化前后有限元分析结果比较，优化后结构受力情况有了明显的改善。军事交通学院的王立辉和唐山学院的齐铁力等人采用商业软件MSC.PATRAN和MSC.NASTRAN为基本工具，在完成轮毂结构强度分析前在Design Study模块中进行轮毂结构的尺寸优化。他们以轮辋和轮辐的厚度为设计变量，以结构总体质量最轻为优化目标进行优化。结果表明优化后结构应力接近于材料的强度极限，材料性能得到充分利用，结构重量有所降低。国外在轮毂结构优化方面有所研究的主要是土耳其的H.Akbulut，他研究轮毂冲击试验工况下结构的优化，他以关键节点的位移量为设计变量，通过给定设计变量的变化范围及变化步长，分别进行计算，观察结构应力随设计变量变化而变化的情况，利用分析结果指导设计，保证轮毂结构的安全性。1.4主要研究内容本文主要对轮毂造型设计及其改进设计展开论述，并运用有限元法对轮毂弯曲疲劳试验进行仿真分析和轮毂的模态分析，研究轮毂结构在螺栓预紧力、弯矩及离心力作用下结构受力情况和轮毂自由振动和约束振动的固有频率，具体内容如下:（1）汽车轮毂制备工艺设计。（2）用CATIA软件进行轮毂三维模型的建立。（3）对轮毂结构弯曲疲劳试验的进行有限元分析，研究试验工况下轮毂结构应力分布规律及螺栓预紧力、旋转离心力和试验弯矩三种载荷对轮毂结构强度的影响。（4）先对轮毂进行有限元分析，然后对改进后的轮毂进行模态分析，分析轮毂的固有频率，研究轮毂的是否与发动机产生共振。第2章 轮毂制备工艺以及三维模型的建立2.1 汽车轮毂制备工艺设计2.1.1汽车铝合金轮毂的设计要求为了满足使用功能和市场的需求, 铝合金轮毂在结构上有整体式和多件组合式等多种结构设计；在外观造型上有宽轮辐、窄轮辐、多轮辐、少轮辐等多种造型设计。出于安全的原因, 在铝合金轮毂的外观造型和结构设计时必须要以满足安全和使用功能的要求为前提。对于普通乘用车而言, 整体式铝合金轮毂足以满足其性能要求。3.1、汽车铝合金轮毂结构设计要求与轮胎的胎圈接触, 支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。 汽车轮毂的结构如下表所示：汽车轮毂与车胎连接部分与车体连接部分胎圈座轮 缘气门孔槽 底保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。安装轮胎气门嘴的孔。为方便轮胎装拆, 在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。偏 距轮 辐轮辋中心面到轮辐安装面的距离。有正偏距、零偏距、负偏距。 之分与车轴车轮实施安装连接,支撑轮辋的车轮部分2.1.2、汽车铝合金轮毂的性能要求铝合金轮毂的种类、结构较多, 其要求因车种,车型而异, 但强度与精度兼备是最基本的共同要求。通过市场调研得知, 车轮毂应具备以下性能:1) 材质、形状和尺寸正确合理, 能充分发挥轮胎的功能, 与轮胎互换, 具有国际通用性；2) 行驶时, 纵、横向振摆小, 失衡量与惯性矩小；3) 在轻量化的前提下, 具有足够的强度、刚度和动态稳定性；4) 与轴、轮胎的可分离性好；5) 具有优良的耐久性；6) 其制造工艺能达到产品质量稳定、成本低、多品种、可大规模生产等要求。2.1.3、汽车铝合金轮毂的成形方法目前铝合金轮毂的生产方法主要有铸造法、锻造法、冲压法和旋压法等。我国的铝合金轮毂制造仍以低压铸造为主, 一些先进的制造工艺还未采用。但铝合金轮毂的制造技术在不断的发展, 为了提高其性能, 现在向挤压铸造(液态模锻) 成形、半固态模锻成形方向发展的趋势。铸造法铸造法生产铝合金轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点, 所以铸造法仍是生产铝合金轮毂最普遍的方法, 在目前全世界生产的铝合金轮毂中, 铸造的占80%以上。其工艺方法有重力铸造、低压铸造、压力铸造和挤压铸造等。锻造法锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一, 具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点，一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1/2或更低一些。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致, 其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时, 性能具有很好地再现性, 几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%17%，因而能很好地吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力, 但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂,锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外, 锻造铝轮毂表面无气孔, 因而具有很好的表面处理能力, 不但能保证涂层均匀一致, 结合牢靠, 而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多, 生产成本比铸造的高得多。半固态模锻法半固态模锻是锻造的一种, 介于固态成形和液态成形之间的崭新工艺。零件在模内收缩较小, 机械加工量减少, 半固态模锻件表面平整光滑、内部组织致密, 晶粒细小, 力学性能高于压铸和挤压铸造件, 成形不易裹气, 宏观气孔和显微疏松比常规铸件中的少得多, 成形温度低, 模具寿命长等许多独特的优点。在国外主要应用在汽车铝合金零件制造方面, 被称为21 世纪新一代新兴的金属成形技术。国内对这种技术的研究起步较晚, 实际应用得很少。旋压法旋压成形的轮毂可以保持金属的致密度和整个轮毂的动平衡, 轮毂在具有足够刚度的同时, 能大大减少材料的厚度, 使轮毂变得更轻、更耐用。与普通低压铸造的铝合金轮毂相比, 同尺寸的轮毂重量可减少15%。轮毂旋压的主要变形方式有普通旋压和强力旋压( 变薄旋压) , 轮毂旋压的主要生产方法有管材轮辋旋压、板坯劈开式旋压和预铸( 锻) 件毛坯强力旋压等。目前采用低压铸造技术生产的轮毂产品无法满足大尺寸、高负荷以及高端产品市场的需求, 采用锻造技术生产的轮毂成本较高。铝合金轮毂旋压成形具有不受尺寸制约、产品美观、性能良好、安全性高、节省材料等优点, 是新颖的成形技术并且发展势头良好。汽车铝合金轮毂生产工艺流程 随着家用轿车品种的增加和价格的下调, 汽车正在成为当今中国老百姓消费的热点产品。对汽车的要求也开始从实用和认知向汽车的审美功能过渡。人们不仅要求汽车的性能优良, 驾驶操作方便,还要求汽车外观符合自己的审美品位和身份定位。然而, 轮毂的美观程度对于汽车整车的形象有着很大的影响, 如果企业没有自己设计开发轮毂的能力,是很难在市场上长久立足的。因此轮毂的设计开发是企业发展的关键所在, 汽车铝轮毂进行设计开发的主要方法和流程如下图所示。2.2、汽车铝合金轮毂的生产工艺流程由于低压铸造是最基本和较经济的生产方法,所以目前低压铸造已成为铝合金轮毂生产的首选,日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所和美国福特汽车公司等企业均采用此工艺生产铝合金轮毂,国内的铝合金轮毂制造企业也多数采用此生产工艺。通过分析获得高质量的汽车铝合金轮毂的生产过程, 选用合理的生产工艺。如下图所示。2.3、铝合金轮毂的制造技术2.3.1、普通铝合金轮毂的生产工艺普通铝合金轮毂主要的生产和检验工艺流程是: 配料铝合金熔炼铝液AlSr 变质+AlTiB 细化处理光谱铝液成分分析铝液Ar2 气精炼除气铝液热分析+密度分析低压铸造毛坯毛坯X 射线探伤淬火+时效连续式热处理( 材料金相及力学性能分析抽查) 钻孔车加工立式动平衡检验( 径向跳动及三坐标尺寸检验抽查) 清洗氦气气密性检验打磨抛光前处理烘干喷涂底粉加热固化喷涂水性漆加热固化喷涂透明粉加热固化( 尺寸、盐雾、耐候、碎石、漆膜厚度、十字划格、力学性能、冲击、弯曲疲劳、径向疲劳等试验抽查) 最终检验包装入库。2.3.2、锻造铝合金轮毂的生产工艺锻造铝合金轮毂主要的生产工艺流程是: 下料( 材料金相及力学性能分析抽查) 锻坯加热预锻成形锻热处理( 材料金相及力学性能分析抽查) 粗加工旋压成形钻孔车加工立式动平衡检验( 径向跳动及三坐标尺寸检验抽查) 清洗氦气气密性检验打磨抛光前处理 烘干 喷涂底粉 加热固化 喷涂水性漆加热固化喷涂透明粉加热固化( 尺寸、盐雾、耐候、碎石、漆膜厚度、十字划格、力学性能、冲击、弯曲疲劳、径向疲劳等试验抽查)最终检验包装入库。2.3.3、铸造和热处理低压铸造是一项要求极高的生产工艺技术,它是在密闭的状态下用大约0.1MPa 的压力把金属液压进模具, 这样有利于保持恒温和排除杂质,保证铸件内没有气孔且金属密度均匀、强度高,从而有效地克服了陈旧的重力铸造轮毂方法所造成的铸造缺陷。在铸造过程中, 采用多种严格的铝合金配方(AlSi7Mg、AlSi11、AlSi11Mg、AlSi12Mg等) 、严格控制微量元素及杂质的含量(Fe0.15%) 、采用Al - 10Sr 变质、采用Al - 5Ti - 1B 细化处理、Ar2 气精炼除气处理工艺, 每一炉合金液都要在经过温度、光谱分析、热分析、密度当量分析等项验证合格后方可投入使用, 从而确保了材料及力学性能的一致性; 设计独特的“斜插式”低压铸造模具, 通过带有模具温度控制的全自动铸造设备的精密冷却控制, 确保高效率地铸造出尺寸精确高品质的铸件, 并且轮毂的表面光滑细腻；随后的连续式热处理过程( 淬火+时效)，确保能够生产制造出高品质的毛坯；铸件要100%经过X 射线探伤检测, 合格的毛坯作为下一步深加工的坯件备用。为了减轻工人的劳动强度, 毛坯均采用自动传输系统输送。2.3.4、机加工机加工采用先进的CNC 全自动加工生产单元加工轮毂, 生产线自动上下工件, 采用自动传输系统向各个生产工位输送工件, 加工过程是“干切”。加工时采用独特的螺栓孔定位夹紧系统和先钻后车的生产工艺顺序, 车床一次装夹即可完成轮毂内外部的加工, 车床主轴转速达3000rpm, 这不但提高了生产效率, 而且还提高了中心孔的精度、螺栓孔的位置精度, 确保了轮毂的同轴度精度和动平衡性能这两项行驶动力学中最重要的性能。“干切”技术是环保型的干式机加工技术, “干切”这种干式机加工技术避免了过去机加工时切削液的回收处理系统和废液排放问题, 也避免了切削液对机床的腐蚀, 确保了对环境的保护, 使得铝屑的熔化回收更加简洁方便、回收率高, 降低了制造成本。当然,“干切”这种干式机加工方式对刀具的要求比较高,为了避免刀具积屑, 刀具要采用压缩空气冷却。为了增加轮毂外观的精致感, 有些产品使用金刚石刀具精加工轮毂的正外表面( 轮辐表面) , 可使轮毂具有独特而明亮的金属表面的光泽, 产品外观表现的更加精致高雅。2.3.5、打磨抛光为了确保轮毂的外观质量, 每一个加工过的轮毂都要在去毛刺机上经过打磨后, 再由工人进行精心的打磨抛光, 将工件的铸造表面打磨抛光的光滑平整, 有的产品还要经过独特的“球体抛光”, 以确保轮毂外在质量与内在质量更加完美的结合和统一, 体现出产品的精致。2.3.6、涂装轮毂是在先进和环保的涂装自动生产线采用高级静电喷枪和高速(20000rpm 以上)旋杯喷枪进行喷涂, 涂层厚度均匀、色彩光泽均匀,不但喷涂质量好, 而且节省涂料。涂料采用汽车厂认可的环保型粉质和水性涂料。轮毂在喷涂之前先进行前处理, 使之形成一层化学转化膜, 这样可以提高涂料的附着性能, 前处理是采用环保型的无铬化处理。涂层的喷涂顺序是: 喷底粉- - 喷水性漆- - 喷透明粉, 每喷一层涂层都要进行一次加热固化处理, 并进行相关的性能试验。少量也有喷两层或一层的, 但效果稍差一些。2.3.7、检验与包装 成品进行最终检测，主要是gt测轮毂的表面质量是否符合客户要求，各种附件是否齐全等。其后对成品进行包装，对OEM用户采用木托架的大包装，而对最终零售用户单只纸箱包装。2.4汽车铝合金轮毂的各种制备工艺2.4.1、铸造法铝合金轮毂的铸造法成形具有适应性强、品种多样、生产成本较低的优点, 已经成为生产铝合金轮毂最普遍的方法, 在全世界的铝合金轮毂中,采用铸造法生产的占80%以上.2.4.2、金属型重力铸造法常压下, 液体金属靠重力作用充填金属铸型而获得铸件的一种铸造方法, 也是一种古老的铸造方法。由于金属液在金属铸型中冷却速度较快, 因而铸件比砂型铸造的组织致密, 该法工序简单, 设备投资少, 生产成本较低, 适用于中小规模生产。但此方法生产的铝轮毂内部质量较差, 缩孔缩松严重, 浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件,有时也会卷入气体而形成气孔缺陷, 同时金属液的收得率也较低。国外铝轮毂生产此工艺已趋于淘汰, 但国内有一些厂家仍在采用此工艺。2.4.3、金属型低压铸造法低压铸造是用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的铝液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中, 保持一定压力(一般为20 60 kPa)直到铸件凝固后释放压力。因在压力下充型和凝固, 所以充填性好, 铸件缩松少,致密性高。该法中, 坩埚表面的氧化膜不会被破坏, 与其它铸造方法比较, 气孔和夹渣缺陷少, 产品内部质量好。由于低压铸造利用压力充型和补充, 大大简化了浇冒系统的结构, 使金属液收得率大大提高, 一般可达90%, 而金属型重力铸造仅40%60%。目前低压铸造已成为铝轮毂生产的首选工艺, 日本的丰田汽车公司、东京轻合金制作所、美国福特汽车公司的W iru厂和Amcast工业有限公司的WW heelTek分公司等均采用此工艺生产铝轮毂, 国内的铝合金轮毂制造企业多数也采用此工艺生产, 现有数十家企业用低压铸造工艺生产铝合金汽车及摩托车轮毂。低压铸造法的缺点是铸造时间较长, 加铝料、更换模具费时间, 设备投资大, 低压铸造机使用的升液管成本较高且易损坏。但是较采用其它铸造方法生产的同类产品重量减少了15%, 机加工切削量由原来的23mm减少到0.75mm,轮毂价格降低了10%。2.4.4、压力铸造法压力铸造使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔, 并在压力作用下凝固而获得铸件。该工艺生产的铸件组织致密, 力学性能好,强度和表面硬度较高, 铸件的尺寸精确、表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过热处理来进一步提高性能, 由于液体金属充型速度极快,型腔中气体很难完全排除, 常以气孔形式存留铸件中,这些铸件孔隙中气体在热处理过程中会发生膨胀, 使得铸件“起泡”。为使压铸件也能适用于汽车保安件, 近年来出现无气孔压铸新工艺, 最有代表的是充氧压铸法。充氧压铸法是使压室和压型型腔内的金属液相间的空间充氧置换, 并在高速高压下进行压铸, 当液体金属充填时, 一方面排气槽排出氧气, 另一方面喷散的铝液与未排出的氧气发生反应, 形成氧化铝小微粒, 这种A l2O3质点颗粒细小, 约在1m以下, 其质量占铸件总质量的0.1%0.2%,不影响力学性能和加工性能, 并分散在铸件内部, 使铸件内不产生气孔。用充氧压铸法生产的铸件, 可进行固溶处理和焊接。与传统压铸法相比, 充氧压铸具有以下特点:消除或减少了压铸件内部气孔, 提高了铸件致密度；充氧压铸件比普通压铸件铸态强度可提高10%,伸长率增加30%50%。并可对充氧压铸件进行热处理进一步提高力学性能, 热处理后强度能提高30% 以上,伸长率增加80%100%,屈服极限及冲击韧性也有显著提高；充氧压铸件可在200300的环境中工作；充氧压铸对合金成分烧损甚微；充氧压铸需附加充氧控制装置,给压铸型充氧不但消耗氧气, 也会增加压铸循环时间, 这将使充氧压铸件比普通压铸件的成本要高10%15%。但对质量要求较高的铸件,采用充氧压铸后降低了铸件废品率和减少了质量控制费用, 综合起来考虑, 成本反而可以降低。2.4.5、挤压铸造法挤压铸造也称为液态模锻, 是一种集铸造和锻造特点于一体的新工艺, 该工艺是将一定量的金属液体直接浇入敞开的金属型内, 通过冲头以一定的压力作用于液体金属上, 使之充填、成形和结晶凝固, 并在结晶过程中产生一定量的塑性变形。挤压铸造充型平稳, 没有湍流和不包卷气体, 金属直接在压力下结晶凝固, 所以铸件不会产生气孔、缩孔和缩松等铸造缺陷, 且组织致密、晶粒细化, 力学性能比低压铸造件高产品既有接近锻件的优良力学性能, 又有精铸件一次精密成形的高效率、高精度, 且投资大大低于低压铸造法。挤压铸造特别适合于生产汽车工业中的安全性零件, 汽车铝轮毂是一种要求较高的保安件, 金属型重力铸造、低压铸造、压力铸造工艺生产的产品虽能满足使用要求, 但整体质量比挤压铸造铝轮毂相差一个档次。2.4.6、锻造法 分常规锻造法、铸造锻造法和半固态模锻法。6.1.5.1、常规锻造法 锻造是铝轮毂应用较早的成形工艺之一。锻造铝轮毂具有强度高、抗蚀性好、尺寸精确、加工量小等优点, 一般情况其重量仅相当于同尺寸钢轮的1 /2或更低。锻造铝轮毂的晶粒流向与受力的方向一致, 其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造铝轮毂。同时, 性能具有很好地再现性, 几乎每个轮毂具有同样的力学性能。锻造铝轮毂的典型伸长率为12%17%,因而能很好的吸收道路的震动和应力。通常铸造轮毂具有相当强的承受压缩力的能力, 但承受冲击、剪切与拉伸载荷的能力则远不如锻造铝轮毂。锻造轮毂具有更高的强度重量比。另外, 锻造铝轮毂表面无气孔, 因而具有很好的表面处理能力, 不但能保证涂层均匀一致, 结合牢靠, 而且色彩也好。锻造铝轮毂的最大缺点是生产工序多, 生产成本比铸造的高得多。2.2轮毂CATIA模型的建立2.2.1轮毂构造、种类及装配1、轮毂构造轮毂与轮胎是汽车行驶系统中的重要部件,通过轮毂与轮胎直接与地面接触,在道路上行驶。其主要功用是：支撑整车；缓和由路面传来的冲击力；保证轮胎同路面间良好的附着作用，提高汽车的动力性、制动性和通过性；汽车转弯行驶时产生平衡离心力的侧抗力，在保证汽车正常转向行驶的同时，通过轮毂产生的自动回正力矩，使汽车保持直线行驶方向。轮毂为固定轮胎内缘、支承轮胎并与轮胎共同承受整车负荷的刚性轮子。轮毂通常由轮毂、轮辋以及连接这两元件的轮辐所组成。轮毂通过滚动轴承支承在车桥或转向节轴颈上。轮辋也叫轮圈，用来安装轮胎。轮辐有辐板式和辐条式两种。其构造如图2.1和表2.1所示。图2.1 整体式轮毂构造表2.1 整体式轮毂各部分名称1轮辋宽度10螺栓孔节圆直径2轮辋名义直径11螺栓孔直径3轮缘12轮辐安装面4胎圈座13安装面直径5凸峰14后距6槽底15轮辐7气门孔16轮辋8偏距17轮辋中心线9中心孔182、轮毂的种类按轮辋和轮辐结合形式的不同，轮毂可分为如下结构，其代表型结构如下：（1）整体式：轮辐和轮辋是由一个整体组成的，如图2.2所示。（2）组合式：由2个以上的零件组合而成的轮毂，其组成的零件可以分开，按其组合形式可分为三类：两片式轮毂：由轮辋和轮辐结合起来的结构，如图2.3；三片式轮毂：由两个轮辋零件和一个轮辐结合起来的结构，如图2.4;辐条式轮毂：轮辋与中央轮盘部件，通过很多辐条实现连结的轮毂结构。图2.2 整体式图2.3 两片式图2.4 三片式3、轮毂的基本装配知识轮毂的有关装配主要有以下的几种装配情况，如图2.5和表2.2所示。图2.5 轮毂装配关系表2.2 轮毂装配关系1轮毂轮辋与轮胎之间的装配2轮毂与装饰钉之间的装配3轮毂与刹车钳之间的装配4轮毂安装面与车轴之间的装配5轮毂螺栓孔与螺母之间的装配6轮毂螺栓孔与车轴之间的装配7轮毂与装饰盖之间的装配8轮毂中心孔与车轴之间的装配9轮毂气门孔与气门嘴之间的装配10轮毂与平衡块之间的装配2.2.2 轮毂三维模型建立过程本设计中选择的参考车辆为重型货车。其主要参数如下：驱动型式：6*2总质量：16t驱动桥满载：11.5T;最高车速90km/h最大爬坡：30%最大输入转矩：1000N.m轮胎规格：9R20（1） 打开CATIA机械设计零件设计，进入绘制轮毂截面工作模块，如图2.1.1;图2.1.1 轮毂设计模块（2） 选择XY面，点击进入工作台图标，进入草图绘制模块。单击图标建轮毂中心轴线参考线，端点位置坐标(-50,0),(150,0)点击直线绘制图标建立轮毂乱轮廓中间一阶槽宽58mm，距离中心轴线参考线175mm，槽高25mm,如图2.1.2 图2.1.2 轮毂外轮廓截面一阶槽的建立与约束（3） 点击直线绘制图标建立轮毂外轮廓，采用约束中间二阶槽宽138mm，距离中心轴线参考线200mm，槽高25mm,槽沿5mm如图2.1.3图 2.1.3 轮毂外轮廓截面二阶槽的建立与约束（4） 点击平移命令，选取轮毂的槽的外轮廓建立厚度为5mm的内轮廓，方向为竖直方向。如图2.1.4图2.1.4 轮毂内轮廓截面建立（5） 修改内轮廓中间槽宽为48mm，二阶槽沿宽为10mm，内外轮廓厚度均匀为5mm，连接内外轮廓槽沿线端点。如图2.1.5图2.1.5 轮毂内轮廓截面修改与约束（6） 由于轮胎的外形限制，从而使得轮胎与轮毂配合良好，现在对轮毂的内外轮廓线转角处进行倒圆角处理，点击选择需要到圆角的两条线，其中轮毂边沿外轮廓圆角半径为4mm，内轮廓圆角半径为8mm，内外轮廓连接处圆角半径为1mm，其他地方大弧圆角半径为12mm，小圆弧圆角半径为8mm。如图2.1.6 图2.1.6 对内外轮廓进行倒圆角处理（7） 设计轮毂盘中间盖，其中盖厚也为5mm，点击虚线命令建立PCD边缘参考线，点击等距点命令将中间槽宽线等分为3部分，创建三个点距点。点击虚线命令与第一个等分点建立竖直虚直线与PCD参考线相交，并适当移动条件使其与网格竖直线重合，方便取点。如图2.1.7图2.1.7 建立中间盖的参考点线（8） 构建中间盖轮廓线，点击直线命令，从第一个等分点建立直线，与竖直参考线夹角为60，长度为50，然后以这条线的端点继续建立直线，与上条直线夹角为80，相交与竖直参考线，然后建立竖直线与PCD边缘参考线相交；然后平移命令点击将这条轮廓线水平平移并约束处处厚度为5mm。如图2.1.8图2.1.8 构建轮毂中间盖轮廓（9） ，然后点击按钮将槽底线在两轮廓间断开，然后点击倒圆角命令，将轮廓与槽底、转折点进行到圆角处理，其中左边轮廓与槽底圆角半径为2mm，右边轮廓与地槽圆角半径为20mm。依次对下面轮廓线进行倒圆角处理，其中第一个拐角大圆角半径为22mm，小圆角半径为20mm，第二个拐角圆角半径均为30，点击直线命令对中间盖的轮廓进行连接底端。如图2.1.9图2.1.9 轮毂中间盖轮廓的整理约束2.2轮毂立体建模（1） 完成轮毂截面草图后条件坐标，使草图的最底虚参考线与坐标水平相重合，删除不必要后，点击退出工作台命令，退出草图，得到如图2.2.1图2.2.1 退出草图所得到的图形（2） 点击草图，使草图处于选中状态（一般选中后颜色为橘黄色），然后点击旋转体命令，选择第一角度为360，草图1，轴线为X轴。如图2.2.2图2.2.2 根据草图建立轮毂旋转体（3） 点击确定得到轮毂基体立体外形，如图2.2.3图2.2.3 轮毂基体模型（4） 进行制作螺孔，其轮毂PCD与孔位参数代号为5X106，点击YZ平面，点击进人YZ平面草图设计，如图2.2.4图2.2.4 进入YZ平面草图（5） 点击圆命令，在坐标原点建立直径为140mm的圆，点击等距点命令选择刚生成的圆将其分为5个等距点，作为参考点。如图2.2.5图2.2.5 生成5个等距点（6） 点击圆命令，分别以等距点为圆心建立五个直径为13.5的等距圆，然后将等距点以及大圆删除。如图2.2.6图2.2.6生成5个等距圆（7） 点击退出工作台命令，退出YZ平面草图，点击凹槽命令在轮毂基体上生成5个等距孔位，如图2.2.7图2.2.7 生成5个等距孔位（8） 点击确定，生成轮毂模型，如图2.2.8图2.2.8 轮毂模型（9） 点击YZ平面，点击草图命令，建立轮毂面孔草图，其中轮毂面孔为矩形，点击命令生成矩形，其数据为80mmX40mm,均匀分布。如图2.2.9图2.2.9 生成轮毂面孔及气口孔草图（10） 点击退出草图，点击凹槽命令，生成轮毂槽如图2.2.10图2.2.10轮毂槽的生成（11） 再次进人YZ草图，点击圆命令绘制气口槽草图，退出草图，点击凹槽命令，生成气口槽。如图2.2.11图2.2.11生成气口槽（12） 轮毂模型完全生成，保存文件为LUNGU.IGS 和 LUNGU.CATPART2.3 本章小结本章研究了CATIA软件的组成及功能和轮毂结构、种类及装配。按照轮辋的国家标准GB/T 34872005，根据本设计中轮毂的具体型号、参数，运用CATIA进行轮毂三维模型的建立。阐述了使用CATIA软件进行轮毂造型设计的具体流程。第 3 章 轮毂强度有限元分析3.1网格划分进入【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）工作台点击菜单中的【开始】【分析与模拟】【Advanced Meshing Tools】（高级网格划分工具）选项，如图3-1所示。点击后进入了【高级网格划分工具】工作台。进入工作台后，生成一个新的分析文件，并且弹出一个【新分析算题】对话框，如图7-1所示。点击后，在对话框内选择【Static Analysis】（静态分析算题），然后点击【确定】按钮导入模型。图3-1 网格划分在左边的模型树上右击【OCTREE Tetrahedron Mesher.1】元素。在弹出的右键快捷菜单中选择【Update Mesh】（更新网格）选项。程序开始划分网格，划分后的四面体网格如图3-2所示图3.2 网格划分CATIA Main MenuMeshingMeshTool，勾选SmartSize=8，Mesh各项为Volumes，Tet，Free，然后点击Mesh， 选择轮毂实体 约束5个螺孔，CATIA Main MenuDefine LoadsApplyStructualDisplacementSymmetry B.COn Areas，选择安装螺孔的10个柱面，点击OK；如图3.3图3.3 约束5个螺孔约束安装盘，整个安装盘时间位移约束(UX=0), CATIA Main MenuDefine LoadsApplyStructualDisplacementOn Lines,选择安装盘的两条圆弧线；如图3.4 图3.4 选取安装盘的轮廓线选取UX方向作为约束自由度，如图3.5图3.5选取安装盘UX方向约束图3.6选择轮沿作为受力面在轮毂安装轮胎槽上施加推力载荷（等效为轮毂所承受的压力），CATIA Main MenuDefine LoadsApplyStructualPressureOn Areas，拾取轮沿，如图3.12（1） 假设车轮轮毂承受的压力为5000N，在输入面上的压力为5000；如图3.6图3.6施加压力点击OK得到添加压力图；如图3.7图3.8 添加压力图3.5分析求解（1） 进行求解：MainSolutionCurrent LS，求解如图3.9图3.9 求解（2） 选择绘制等效应力图，点击MainGeneral PostprocPlot ResultsContour PlotNodal SoluStressVon Misess Stress，如图3.10 图3.10 选择等效应力（3） 点击OK，获得等效应力图，如图3.11 图3.11 等效应力图（4） 选择