李慧 曲文君

摘 要：本文基于Pro/E軟件技術(shù)，在鋁合金輪轂產(chǎn)品設(shè)計(jì)的初級(jí)階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)分析，并且在鋁合金輪轂產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和研發(fā)時(shí)，將材料本身的力學(xué)性能合理利用進(jìn)來(lái)，從而優(yōu)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)，較早的找到模具和結(jié)構(gòu)中存在的問(wèn)題或者潛在問(wèn)題，這樣才能夠提高修改的針對(duì)性。不但能夠讓產(chǎn)品更加輕量化和美觀化，還能夠在提高質(zhì)量的同時(shí)，降低成本、縮短時(shí)間。

關(guān)鍵詞：Pro/E；鋁合金輪轂

通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，由疲勞損壞導(dǎo)致的車輪輪轂損壞概率已經(jīng)超了80%。并且輪轂損壞往往是兩個(gè)原因?qū)е碌?，分別是疲勞和強(qiáng)度。在對(duì)輪轂質(zhì)量進(jìn)行衡量時(shí)，疲勞性能非常重要[ 1 ]。根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，在檢測(cè)輪轂疲勞性能時(shí)，一般都采取徑向或者彎度疲勞測(cè)試，并且彎度疲勞測(cè)試結(jié)果比較接近實(shí)際情況。

筆者在本文中，主要對(duì)輪轂彎曲疲勞試驗(yàn)進(jìn)行了分析，并研究了輪轂各個(gè)部位實(shí)際受力情況，科學(xué)預(yù)測(cè)了車輪輪轂彎曲破壞和疲勞的實(shí)際情況。

1 鋁合金輪轂的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1）做好加強(qiáng)筋的設(shè)計(jì)。在輪轂中，輪輻邊緣和安裝面之間突起，呈現(xiàn)出環(huán)狀的部分便是加強(qiáng)筋，也被稱為凸環(huán)。進(jìn)行加強(qiáng)筋設(shè)計(jì)的目的是進(jìn)行安裝面輪輻邊緣以及高應(yīng)力區(qū)彎曲彈性變形的區(qū)分，改變其受力。在設(shè)計(jì)的過(guò)程中，可以進(jìn)行輪輻抗彎剛度的增加，避免出現(xiàn)彎曲變形的情況。2）進(jìn)行車輪安裝面的設(shè)計(jì)。對(duì)于車輪而言，輪轂和法蘭面二者之間鏈接非常緊密，其中包含了螺栓孔、中心孔、螺母座以及支撐面等內(nèi)容。中心孔間隙必須夠?qū)捤?，這樣在環(huán)境較差時(shí)，才不會(huì)銹死車輪輪轂。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該擰緊螺栓，確保其緊力能夠均勻傳遞，并且最高夾緊力符合應(yīng)該在安裝面直徑最大的地方。螺栓孔通常做成錐形或球形。3）設(shè)計(jì)輪輞。此處選擇的輪輞屬于標(biāo)準(zhǔn)化輪輞。在設(shè)計(jì)氣門時(shí)應(yīng)該認(rèn)真分析氣門制動(dòng)空間以及里程表，在確定輪輞形狀時(shí)，應(yīng)該全面的考慮到壁厚、輪胎以及制動(dòng)系統(tǒng)等方面。4）通風(fēng)孔和輪輻邊緣。通風(fēng)孔可以減輕車輪質(zhì)量，散發(fā)由于傳動(dòng)軸、制動(dòng)鼓零部件間互相摩擦而產(chǎn)生的熱量，同時(shí)便于接近氣門嘴，作為安裝時(shí)的把手處，增強(qiáng)造型美感。在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該有意識(shí)的減小邊緣剛度，減小輪輻和輪輞合成焊縫符合。輪輻和輪輞邊緣相連，若是輪輻受到較大的沖擊負(fù)荷，那么輪輻邊緣容易出現(xiàn)彎曲或者變形，這也能夠緩沖負(fù)荷。圓角半徑和拔模斜度等要素，在設(shè)計(jì)車輪結(jié)構(gòu)也要依據(jù)實(shí)際情況研究[ 2 ]。

1.1 低壓鑄造鋁合金輪轂的幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文中的輪輞設(shè)計(jì)是根據(jù)國(guó)家相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，研究和分析了鋁合金車輪參數(shù)化，進(jìn)行了車輪的Pro/Engineer實(shí)體模型的構(gòu)建[ 3 ]，以15×7J為應(yīng)用實(shí)例，輪轂為整體鑄造輻條式的鋁合金輪轂，輪轂材料為A356.2，相當(dāng)于國(guó)內(nèi)ZL101A。輪轂上有五個(gè)直徑為Φ15mm的PCD孔，均部在直徑為Φ114.3mm的圓周上，輪輞最薄厚度為4.3mm，輪輻最大厚度為26.65mm。圖1a便是車輪結(jié)構(gòu)。將那些對(duì)結(jié)構(gòu)應(yīng)力造成影響較小的一些結(jié)構(gòu)，比如氣門孔、圓角等，不必進(jìn)行仿真計(jì)算，其車輪基本結(jié)構(gòu)尺寸是五根雙輻條型構(gòu)。不但其抗沖擊性能更加出色，并且整個(gè)車輪非常美觀，在提高結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)。減輕了車輪的重量，輻條表面形狀是弧形。優(yōu)化輪轂的幾何模型，優(yōu)化后的輪轂結(jié)構(gòu)如圖1b。

在分析相關(guān)模型時(shí)，為了保證其精確度，還需要加入五個(gè)固定螺栓和加載軸，其能夠幫助車輪更好的傳遞負(fù)荷。

1.2 邊界條件的處理

合理利用夾具，通過(guò)夾具加進(jìn)加載軸斷面和輪轂的安裝盤，這樣能夠固定車輪的輪緣，將其固定在旋轉(zhuǎn)試驗(yàn)臺(tái)上面。這樣僅僅允許轉(zhuǎn)動(dòng)輪轂中心軸，會(huì)約束輪轂螺栓孔內(nèi)表面和三個(gè)平移自由度。

1.3 載荷的處理

在進(jìn)行動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)時(shí)，荷載主要包含了三個(gè)，筆者主要分析了彎曲荷載，忽略了輪轂高速旋轉(zhuǎn)過(guò)程中出現(xiàn)的離心力以及緊固輪轂時(shí)出現(xiàn)的預(yù)緊力。求得車輪輪轂的設(shè)計(jì)參數(shù)及試驗(yàn)參數(shù)分別為：

設(shè)計(jì)載荷Fv：690kg

靜載荷半徑R： 256mm

偏距d： 32mm

安全系數(shù)S：1.5

1）試驗(yàn)彎距

彎矩大小我們可通過(guò)公式計(jì)算：M=W（R × μ+d）×S （1）

其中：

W—輪轂的載荷，N；

R—裝上輪胎后靜載荷半徑，可通過(guò)輪胎和輪輞協(xié)會(huì)的年度手冊(cè)查得；或根據(jù)汽車/輪轂生產(chǎn)商規(guī)定，mm；

μ—輪胎和地面的摩擦系數(shù)，通常取μ=0.7；

d—輪轂偏距的絕對(duì)值，mm；

S—安全系數(shù)，根據(jù)所用的標(biāo)準(zhǔn)不同而不同；

對(duì)于最小循環(huán)次數(shù)，也可以通過(guò)VIA J2530的查詢得出。

2）輪轂的試驗(yàn)參數(shù)：

試驗(yàn)彎矩Nm： 3415

試驗(yàn)轉(zhuǎn)速rpm：1700

要求壽命h： 200000

通過(guò)試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，在載荷作用相同的情況下，應(yīng)力最大值往往會(huì)出現(xiàn)在輪輻最狹窄的地方，所以，在輪輻中，其最狹窄的地方，最容易出現(xiàn)疲勞裂紋，這和實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)的情況是一樣的。

2 結(jié)論

本文應(yīng)用Pro/E軟件對(duì)鋁合金輪轂進(jìn)行參數(shù)化研發(fā)，并和試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了簡(jiǎn)要的對(duì)比，同樣載荷作用下，輪輻最狹窄的地方受到的應(yīng)力值是最大的。在進(jìn)行輪轂動(dòng)態(tài)疲勞試驗(yàn)時(shí)，疲勞裂紋最容易出現(xiàn)的位置也是輪輻最狹窄的地方。

參考文獻(xiàn)：

[1] 趙玉濤.鋁合金車輪制造技術(shù)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2004.

[2] 景仁坤.基于Pro/Engineer的三維參數(shù)化設(shè)計(jì)研究與開發(fā)[D].湖北武漢：武漢理工大學(xué)碩士論文，2005.

[3] 鐘翠霞.鋁合金車輪設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)分析[D].浙江杭州：浙江大學(xué)，2006.

本項(xiàng)目由大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練項(xiàng)目資助

項(xiàng)目編號(hào)：201410452088