铝合金车轮设计及结构分析

【摘要】：车轮是汽车行驶系统中重要的安全部件,汽车前进的驱动力通过车轮传递,车轮的结构性能对整车的安全性和可靠性有着重要的影响。另外,车轮还是汽车外观的重要组成部分。传统车轮设计多凭借经验展开,存在着设计盲目性大、设计制造周期长、成本高等诸多弊端。面对日益激烈的市场竞争,企业迫切需要采用科学的手段改善设计方法,本文所采用的CAD技术和有限元分析方法是解决上述问题的理想方法。 本文运用工业设计理论,将造型设计构思表现的方法与技能应用于车轮设计中,结合车轮结构尺寸优化和形状优化,使工程技术与形式美密切结合,综合表现了车轮的性能、结构和外观美。 结构强度是车轮重要的性能指标。鉴于车轮弯曲疲劳试验是车轮三项性能试验中失效频率较高的一个,本文采用有限元技术对铝合金车轮弯曲疲劳试验进行强度分析。首先根据试验工况建立起16×6.5J车轮的有限元模型,通过静力分析研究螺栓预紧力、旋转离心力和试验弯矩对车轮结构强度的影响以及车轮结构的应力应变分布规律。为验证有限元计算结果的准确性,本文进行了实验应力分析,利用动态应变仪采集危险点的应力信号。结果表明,计算值与实测值间误差只有4%,有限元计算结果是可靠的,为后续的疲劳分析奠定了基础。 疲劳破坏是车轮破坏的主要形式,在设计阶段预测车轮的疲劳寿命有着重要的意义。决定结构疲劳强度的是危险点的最大最小应力值,本文利用有限元动力学分析得出车轮在旋转弯矩下的动态响应,确定危险点的位置及其应力极值。在此基础上根据疲劳寿命预测理论,采用名义应力法、局部应力应变法结合Miner修正法则和Smith-Waston-topper损伤公式预测危险点的疲劳寿命。通过与实测车轮极限疲劳寿命比较,证明了局部应力应变法和Smith-Waston-topper损伤公式更适用于预测车轮结构的疲劳寿命,尤其是低周疲劳寿命,与实测结果非常吻合。 本文关于铝合金车轮的造型设计、结构优化、强度分析和疲劳分析的研究工作,其思路和方法具有较大的通用性和工程实践价值,在与浙江万丰奥威汽轮有限公司的合作项目取得了较大的经济效益。