轿车轮毂造型及结构有限元的分析

董继先， 陈雪娇

(1.陕西科技大学 机电工程学院， 陕西 西安 710021； 2.陕西科技大学 设计与艺术学院， 陕西 西安 710021)

0 引言

轮毂，又叫轮圈或轮辋，是汽车行驶的重要部件.汽车行驶时，会产生横向载荷和纵向载荷，轮毂则需要承受一部分载荷.当前的轿车速度很快，对可靠性和动态稳定性要求高，因此对轮毂的要求也很高.一辆车通常不是只配备一款轮毂造型，厂家会综合考虑成本和整车性能，给消费者提供多种选择.因此，轮毂的种类也越来越多.

对于轿车轮毂的结构设计，国外最初使用的是经验类比法.随着测试技术的发展，逐渐开始使用应变电测技术，脆漆法对轮毂进行试验.1956年，Turner、Clough等人在分析飞机结构时，尝试使用现代有限元法取得成功[1].随着CAD和CAE应用软件的不断开发和完善，有限元法在轮毂结构设计方面得到了充分应用.

铝合金轮毂因其具有重量轻，造型多样、美观，散热性能好等优点[2]，带给轿车轮毂结构造型设计很大的应用空间.轮毂的造型形态关系到整车的和谐统一，在国内车厂中，一汽大众旗下奥迪、宝来、高尔夫、捷达等，所提供的轮毂款式最多.

本文以大众高尔夫轿车轮毂的造型演变为例进行分析,然后根据其特点进行设计实践，并利用Ansys进行有限元静力学分析.

1 大众高尔夫轿车轮毂造型演变分析

大众高尔夫是一款由大众汽车在1974年推出的小型家用车型，目前已经在全球市场推出了七代，成为继甲壳虫之后，大众汽车最成功的产品之一.2003年7月，高尔夫进入中国，一汽“高尔夫”问世.作为大众旗下的热销车型，为了满足消费者的需求，大众根据高尔夫开发出了衍生车型，其中包括捷达和宝来等.因此，高尔夫为我们提供了丰富的实物资料.

随着大众高尔夫轿车的发展，轮毂也经历了很多变化，现在的它有着不同的质感和千变万化的造型.轮毂主要有轮辋和轮辐组成.就轿车轮毂的整体造型而言，本文将重点对轮辐的造型变化进行分析研究.

以1.6 L排量的七代轿车轮毂为研究对象，分析其造型特点，如图1所示.

图1 1.6 L排量大众高尔夫轿车 轮毂演化过程

Golf从第一代到第四代钢制轮毂，逐渐在发生着变化，轮毂支撑的质量慢慢集中在轮毂的中心.对于轮毂来说，动力输出点在轮毂中心，距离轮毂中心最远处就是轮毂的边沿，边沿的质量越小，那么轮毂转动起来需要克服的惯性越小，动力消耗就越小[3].

第一代钢轮毂的中心向外拱出，呈“抓手”状，这种弧度逐渐变小，并且轮毂的中心从第二代开始向内凹，直到第四代的五辐钢轮毂.大众的很多其它种类的轿车轮毂也采用这种造型，如图2所示.

图2 中心向内凹的大众其它品牌轮毂

从第四代到第七代的铝合金轮毂轮辐的形态变得更加多样化，如星型轮辐、Y型轮辐、V型轮辐等.2003年，第五代高尔夫开始生产，在其设计理念中体现出了一种新的活力观.多幅轮毂一般用于长期高速行驶的轿车，它可以提供很好的支撑，能在行驶过程中防止车轮产生较大的变形.

图3显示排量增加，轮毂的尺寸(也就是轮毂的直径)增大.一般对于轿车来说，轮毂的尺寸大轮胎的扁平比高的话，能提高制动散热性能，车辆的稳定性有所增加，相应的油耗也增大.在轮毂的尺寸相同的情况下，排量越大，轮毂裸露的面积就大，轮辐的造型也就更多样[4].

第六代和第七代的部分轮毂设计的造型源自于古代的兵器，如“战斧”、“战刀”、“双面战戟”等，成为一个系列，并有将继续延续下去的趋势.

图3 大众高尔夫轿车轮毂按排量对比

2 大众高尔夫轿车轮毂造型设计及有限元分析

2.1 造型设计

Monza，在国内有个通俗的名字：战斧.其富有创意的轮毂设计衬托得该款轿车风度翩翩，在一家海外杂志上被评选进入十佳最受欢迎的原厂轮毂[5].古代的兵器有刀、枪、剑和戟等，目前第六代和第七代高尔夫轿车轮毂已经应用了“战刀”和“双面战戟”，“战刀”更是“战斧”的延续.

本方案选用古代兵器中的剑，采用中心向内凹的圆弧抓手式造型进行设计，目的是设计出此系列的延续型.方案是基本的五幅轮毂，其中的轮辐经过扭曲、旋转，通过富有节奏和韵律的造型，体现车轮的速度感[6].轮毂中心的大众标识用蓝底白字，与轮辐边缘的色彩相呼应.在每条轮辐的右侧边缘分割出一部分赋予其蓝色.整个轮毂经过电镀处理，呈现出时尚、现代感.具体设计如图4所示.

图4 效果图

2.2 有限元分析

轮毂的造型最终是要配合其性能.通过Proe三维软件建模，并用有限元分析软件Ansys对轮毂进行结构静力学分析.

通过Proe把二维图像转换成三维模型，对轮毂圆角和气门孔等进行简化，在Ansys中把简化的轮毂三维模型再转换成有限元模型[7]，以便进行分析计算.

有限元分析的基本思想是用有限个单个单元体的组合实体来替代原来的连续体，将无限个自由度问题改变为有限个自由度问题，用有限个参数的代数方程组计算求解问题来替代连续场函数的微分方程计算求解问题.对于大部分形状比较复杂的工程问题，想得到解析答案通常十分困难，只能寻找各种近似的解决办法，而有限元分析则是一种非常有效的计算方法[8].

轮毂的形状是极不规则的实体，采用六面体划分网格既费时又费力，所以采用四面体二阶单元划分网格，单元尺寸选取8 mm，并使用自由划分网格，所得的节点是计算机根据几何模型的特征自行计算的，精度足够，运算速度快，不容易出错.由于轮毂三维结构形状比较复杂，在试验载荷作用下，轮毂结构所受的应力状态也比较复杂，因此采用Von Mises应力作为计算等效应力[9].

选取轮毂的规格是225/50 R17，17寸轮毂取车轮的最大额定载荷15 000 N.

一个轮毂中包括很多参数，每个参数都会影响到整车的行驶，为了更贴近现实，建模前需要查找资料，确认好这些参数.图5即轮毂的轮廓图，表明了轮毂的主要尺寸.

1.轮辋 2.轮辐 3.偏距:有正偏距、零偏距、负偏距之分 4.轮缘 5.胎圈座 6.槽底 7.气门孔图5 轮毂轮廓

轮毂尺寸其实就是轮毂的直径，我们经常能听到人们所说的15寸轮毂、16寸轮毂这样的用语，其中的15、16寸指的就是轮根据轮毂尺寸表查出来的相应参数.Proe建模，Ansys创建有限元模型，参数设定——网格划分——施加约束和载荷——分析求解[10]，得到等效应力图和应变位移图，如图6所示.

图6 分析结果

施加在轮毂上的载荷，不应超过轮毂制造厂推荐的最大值.这个值可刻制在轮辋上，当车轮上无此标记或使用条件超过其推荐值时，则应与轮毂厂协商，以确保在预期使用条件下，轮毂不被破坏.对相同尺寸、相同厚度的轮毂施加相同载荷的条件下，提交分析，计算得到轮毂的MISES应力和应变云图.从应力分布图中可以看出，轮毂轮辐的最大应力值多集中在通风孔与通风孔之间,以及通风孔与螺栓孔之间[11]，并且实际情况轮辐主要就是在这些部位容易出现开裂.这说明模型及边界条件的建立比较符合实际情况，比较合理.

从图6还可知，在同样载荷的作用下，轮辐最窄处应力值较大[12].并且可以看出设计的轮毂的最大应力值小于Golf的前两个轮毂.因此，新设计方案合理.

3 结束语

如今，越来越多的消费者开始注重汽车轮毂的造型，大众高尔夫轿车所提供的轮毂款式越来越多，并逐渐系列化.

高尔夫系列轿车轮毂映射了轮毂的发展史，同时也预示着高尔夫轮毂造型未来的发展将趋向于立体、时尚动感和个性[13].同时，在保证轮毂造型审美的基础上，应对其结构的合理性进行模拟分析，有效地避免轮毂结构的不合理性.

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