Vol. 37 No. 5Oct. 2 0 2 0
第37卷第5期2020年1 0月沈阳航空航天大学学报Journal  of  Shenyang  Aerospace  University 文章编号：2095 -1248（2020）05 -0042-04
铝车轮轻量化仿真分析与台架试验对比研究
田崇，刘艳华
（华晨汽车工程研究院底盘部，沈阳112122）
摘要：在汽车设计过程中，如何实现底盘重要零部件的轻量化是设计成败的关键问题之一，
尤其是对簧载质量影响大的车轮、转向节、制动盘、制动钳和轮毂轴等部件来说，实现轻量化 更是重中之重。从轻量化结构设计、轻量化材料应用以及新制造工艺技术3个方面对原有车
轮进行结构改进及轻量化设计，并通过CAE 仿真分析手段对车轮进行冲击强度分析、弯曲疲
劳及径向疲劳分析，在前期利用虚拟技术验证了该方案的可靠性；在后期实际样件完成后，又 通过对该样件进行相应的台架验证，最终确认了该分析方法是可信的。通过理论和试验的对
比方法，我们为底盘关键零部件的轻量化设计摸索岀了一套确实可行的方法，并逐渐应用到 了底盘零部件轻量化设计中。
关键词：铝车轮轻量化；冲击强度；弯曲疲劳；径向疲劳；虚拟技术；台架验证中图分类号：U463.343
文献标志码：A
doi : 12. 3465/j. issn. 2095 - 1223. 2422. 05. 046
Research  on  simulation  analysis  and  bench  test  of  the
lightweight  alumioum  alloy  wheel
TIAN  Chong , LIU  Yan-hua
(Chassis  Department ,Brilliance  AUTO  A&D  Center ,Shenyang  114141,Chi-n )
Abstrcct : In  er  design  of  antomobile , it  is  key  te  rerlize  the  lightweight  of  importane  chassis  parts  such ns  wheel , steering  knuckle , brane  dise , brane  clamp  and  hut  shaft, which  have  a  greai  impaei  on  the
sprung  masSi  Impravep  We  structure  ang  design  ot  the  origigei  wheel  from  three  aspects  including  lighi-
weighi  structiuo  design , lightweighs  material  appUcation  v C  new  manufactiuinn  WchnoUoy* The  impact
sWepgth, beedinn  fatigue  ang  raPial  fatigue  ot  We  wheel  wero  analyzee  by  CAE  simuUtiou. The  reliaPii- ity  ot  the  scheme  wm  verified  by  virtual  technoUoZ  in  ie  previous  stage. After  ie  p W c I  sample  is
1X1^3—01 in  the  later  s W vc  , the  ckrresnonding  beech  verification  is  carriee  of  for  he  sample , and  final ­
ly  the  relianilitf  of  Wc  analysis  method  is  confOmeP. ThTough  the  1X1131)80- between  WeoTy  and  ex-
perimenf , c  sef  of  feasible  meWobs  have  beee  exploree  for  We  lightweighs  design  of  key  chassis  pets.
These  methods  hwe  been  granually  anplien  to  the  lightweigh- design  of  chassis  pttSi
Key  worCt : aluminum  P U z  wheel  lightweight  ； impacf  strength  ； benUing  fatigue  ； rania- fatigue  ； virtud
techuolooz  z  bench  verification
收稿日期：2022 -04 -12
作者简介：田崇（1974 -）男，辽宁鞍山人，助理工程师，主要研究方向：底盘悬架系统,E-mail : chony. tian@ brilliancc-hn-
tu. cam,
第5期田崇，等：铝车轮轻量化仿真分析与台架试验对比研究43
随着汽车保有量的不断增加，人类正面临严重的环境污染和能源危机问题。据统计，交通能耗占石油消耗总量的30%以上。目前，新能源和车辆轻量化是人们能想到的最直接有效的节能环保的方法。车轮作为汽车行驶系统的关键零部件，它的轻重直接影响了非簧载质量的大小，而非簧载质量大小对汽车行驶平顺性具有重要影响，因此，车轮的轻量化设计在底盘设计过程中显得尤为重要。本文主要从轻量化结构设计、轻量化材料应用和新制造工艺技术应用3个方向对车轮部件展开轻量化技术研究。
1铝车轮轻量化设计
(1)从轻量化结构设计方向。考虑改进车轮结构。由于车轮法兰厚度较小，所以厚度不变，而是将法兰直径变小。辐条正表面造型不变，辐条深度加深，轮辐厚度和轮辋壁厚适当减薄。
(2)从轻量化材料应用方向，本文设计的轮毂采用材料牌号为A336的铝合金。
(3)从新制造工艺技术方向。由于铸造旋压技术相对简单，优势较为明显，因此本文设计的轮毂采用铸造旋压技术。采用铸造旋压技术使铝车轮的重量降低7%，延伸率提升127%，强度提高6%。
2铝车轮仿真分析
对车轮来说，主要需要进行垂直冲击、径向疲劳、弯曲疲劳等3个方面的台架实验验证，在前期设计，也同样需要做这3个方面的有限元分析进行虚拟验证。
2.1铝车轮冲击试验仿真分析
首先应用HyperWorks软件［1_2］Hypermesh 模块建立车轮有限元模型［3-4］，模型中车轮的材料定义为铝合金，弹性模量为7.8xl24MPa，泊松比为0.33，密度为2.8x12_6kg/mm30为了进行冲击分析创建了冲击块模型，冲击块与轮毂径向平面成13。角［5］o
本文采用ABAQUS/Explicit［6-7］求解器对分析模型进行求解E9］，结果如图1所示。LE,Max,Frincipal
SNEG,(fraction=-1.0)
(Average-oomoute)
+5.338e-02
+4.893e-02
+4.448e-02
+4.003e-02
1=1+2.669e-02
―+2.224e-02
—+1.779e-02
S+1.334e-02
+8.896e-02
+4.448e-02
+0.000e-02
Max汁5.338e-02
Elem:PAET-l-l
Node:3847
图1铝车轮冲击试验仿真结果云图
从分析结果可以看出［10-13］，垂直冲击最大主应变为5.338%，满足最大主应变不应超过9.5%的目标要求，不会产生可见裂纹。
2.2铝车轮弯曲疲劳试验仿真分析
在弯曲试验中，车轮固定不动，试验台有一个被驱动的旋转轴使车轮承受一个旋转的弯矩。由于车轮为旋转周期结构，因此需要创建多个弯曲分析工况，弯曲分析工况数量根据车轮轮辐对称度来确定。本文将车轮在圆周方向上等分36等份，即力的方向每10。变化一次，共36个方向。
在仿真分析模型中，创建螺栓有限元模型山］，螺栓预紧力为37kN，在螺栓、车轮、旋转轴法兰面之间建立接触面定义接触，轮辋内侧边缘全约束。疲劳分析结果如图2、图3所示，上下两个云图分别对应轻载2985N-m和重载3655N-m两种工况。计算得到的疲劳寿命如表1所示，从弯曲疲劳仿真结果可以看出，车轮疲劳耐久寿命均大于10万次，既100万次循环次数内不会产生可见裂纹。
表1弯曲疲劳仿真结果
目标循环最大应仿真寿载何
次数/万力/MPa命/万轻载2955N-m10113.3>100重载3650N-m44132.7
>10
44沈阳航空航天大学学报第37卷
2.00+001
1.91+001
default_Fringe:
Max2.00+001@Nd541.83+001 1.74+001 1.65+001 1.56+001 1.48+001 1.39+001 1.30+001 1.22+001 1.13+001 1.04+001 9.54+000 8.67+000 7.80+000
Min6.93+000@Nd405617  6.93+000图2铝车轮轻载弯曲疲劳仿真寿命云图
default_Fringe:
Max2.00+001@Nd54
Min6.04+000@Nd4056172.00+001!
1.91+001!
1.81+001!
1.72+001j 1.63+001* 1.53+001 1.44+001j 1.35+001 1.26+001■
1.16+001 1.07+001-9.76+000■
8.83+000 7.90+000 6.97+000J 6.04+000I
图3铝车轮重载弯曲疲劳仿真寿命云图
2.3铝车轮径向疲劳试验仿真分析
在径向疲劳实验分析中，为了施加轮胎胎压需要建立部分轮胎模型。为了模拟车轮在转动时受到的恒定的径向载荷，在车轮和转鼓的中心连线方向上施加交变的径向载荷14945N，要求循环次数40万次。计算应力为34MPa，仿真分析结果见图4所示。Contour P lot
S-Stress components(Max P rincipal,Max)
3.046E+01
-2.665E+01
—2.285E+01
■-1.904E+01
—1.523E+01
1.142E+01
■7.615E+00
■3.808E+00
■-0.000E+00
No result
PART-1-18427
Min=0.000E+00
PART-1-166
Simple A verage
■-3.427E+01
图4铝车轮径向疲劳应力仿真结果云图
7铝车轮台架试验验证
从分析结果来看，铝车轮的应力和疲劳实验均满足设计要求，因此，可以对该方案进行样件试制；在依照车轮生产工艺流程［14］制作出车轮样件后，对该车轮按照冲击实验、弯曲疲劳和径向疲劳试验逐项进行相应的台架验证。
3.3冲击试验
冲击试验［4］采用的试验设备为13。冲击试验机，将试验车轮安装到试验机上，车轮的轴线应与铅直方向成13°角，轮缘最高点应正对冲锤，冲锤应与轮缘重叠25mm，冲锤分别与气门嘴成0。和140°角。冲锤质量为550kg，提升冲锤到轮缘最高点上方234mm处释放冲锤进行冲击。该实验条件和CAE分析条件完全一致。试验后结果如图5所示，实验后的轮毂无可见裂纹，与冲击分析结果相符。
33弯曲疲劳试验
弯曲疲劳试验［4］采用的试验设备为弯曲疲劳试验机，按照轻载和重载两种工况分别进行实验。轻载试验后结果如图6所示，轮毂无可见裂纹，螺栓扭矩衰减低于5%，与分析结果相同。33径向疲劳试验
径向疲劳试验［14］采用的试验设备为径向疲劳试验机，施加径向载荷14945N，循环次数
第5期田崇，等：铝车轮轻量化仿真分析与台架试验对比研究45要求大于155万次。试验后结果如图7所示,
轮毂无可见裂纹，轮胎胎压和螺栓扭矩衰减低于5%，与径向分析结果相符。
图513。冲击试验后图片
图6弯曲疲劳试验后图片
图7径向疲劳试验后图片4结论
本文从轻量化结构设计、轻量化材料应用以及新制造工艺技术3个方向对车轮结构进行轻量化设计，实现了改进后的车轮降低0.6kg 的减重目标。通过CAE分析和台架验证对比，验证了CAE方法的有效性和使用性。这些方法也可以为今后类似的结构设计提供相应的参考，具有一定的参考价值。
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(责任编辑：吴萍英文审校：侯宁)

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