中空大跨度车轮毂外造型结构施工仿真技术分析

中空大跨度车轮毂外造型结构施工仿真技术分析

张志伟 吕少明 梁利东

浙江万丰奥威汽轮股份有限公司  312500

摘要：轮毂在车辆行驶系统中发挥着承载、制动、驱动等重要作用，其结构造型设计合理性，对轮毂结构性能有着显著影响。基于此，本文进一步分析了车轮毂的作用以及造型结构特点，并对目前车轮毂用材状况加以阐述，提出一种以仿真技术为基础的车轮毂造型结构设计优化研究思路，从车轮毂的模态和刚度性能两方面深入探究其造型结构性能表现，为制定整车振动及噪声降低的技术措施提供参考依据，同时又能指导相关人员改善和提升轮毂材质性能加以指导，以推动汽车轻量化设计，助力我国“双碳”目标早日实现、

关键词：车轮毂；造型结构；仿真技术；力学性能

引言：由于轮毂需要与轮胎共同承受载荷，其具有良好的承载负荷性能，不仅可以确保车辆行驶安全性、稳定性以及舒适性，又能从侧面反映出轮毂造型结构设计合理性。本文提出应用仿真技术，对某种工况载荷条件下的轮毂造型结构性能表现进行模拟，根据仿真结果，判定轮毂造型结构设计是否合理、各项性能是否达到设计要求等，为进一步改进和优化车轮毂造型结构设计提供依据。

1.车轮毂作用以及造型结构特点

1.1作用

轮毂属于安装在汽车轮胎和轮轴中间的一种转动装置，其具有一定刚性，是支撑汽车轮胎内缘的关键要素，可以与轮胎共同承受载荷。从目前汽车工业制造发展情况来看，轮毂具有良好的承载负荷性能，有利于更好地保证行驶状态下的汽车安全性和驾驶舒适性；随着科学技术水平不断提高，轮毂材质类型选择也愈加多样化，在“双碳”目标背景下，要求在保障质量前提下，轮毂材质使用也要具有节能性、环保性以及经济性，其中碳纤维、镁合金等是现阶段较为常见的轮毂类型[1]。

1.2轮毂造型和结构特点

1.2.1造型

在科技水平不断提高支持下，合金材料、碳纤维被广泛应用于汽车轮毂加工生产中，相较于钢材质轮毂，合金轮毂造型特点，具体表现在以下几个方面：

（1）安全性。合金材料的导热系数较高，是钢材的3倍，使其具有良好的散热效果，若使用合金轮毂，有利于提升其制动性能和使用期限，并为安全驾驶汽车提供保障。

（2）节能性。密度低是合金材料的明显特征，在一定程度上能够减轻整个轮毂质量，让其加工精度得到进一步改善，处于高转速状态下，能够有效降低阻力、变形等因素对其产生的影响，以达到改善汽车行驶性能、降低油耗的效果。同等大小下，相较于钢材质，此车轮能够有效降低质量，约35%左右，满足现阶段汽车轻量化设计需求。

（3）美观性。其中镁合金具有良好的加工性能、铸造性能等，使其能够提高轮毂尺寸精度，充分满足造型多样的轮毂外观设计要求，进而提升整车美观性。

1.2.2结构

分别由轮辋、轮辐、轮芯、轮毂盖等附件共同构成汽车轮毂，轮毂与轮辋、轮胎相互配合，另一方面则是利用轮毂实现与车桥相互连接，发挥轮毂在汽车行驶系统中承载、转向、驱动、制动等重要作用。轮毂结构示意参考图1。

图 1 轮毂结构示意

轮辐是车轮毂造型结构设计中最为关键的内容，是将轮辋和轮芯相连接的重要附件，负责支撑以及传递载荷，其造型结构设计合理性，对车轮毂承载能力、抗弯性能、抗冲击性能、强度性能等均有着明显影响，也直接关系着造型的美观性、动感性。

2.车轮毂用材状况

2.1合金材料

铝合金材料是现阶段航天、汽车、机械等行业中主要应用的材料之一，属于一种有色金属材料，相较于其他金属材料，铝合金具有高强度、可塑性强、耐腐蚀、导电导热性能良好等特点。铝合金在高温条件下，其力学性能、耐腐蚀性也会发生明显变化。质量大、惯性阻力强、散热效果差等是钢轮毂最大缺点，其中合金轮毂在整车设计中应用，不仅可以满足其节能降耗需求，又能提升车辆行驶稳定性和抗震性。

从节能角度来看，该类型材料的密度、质量相对较小，且惯性阻力不大，对车辆直线行驶状态下的性能表现能够起到有效改善作用，以增加轮胎滚动阻力方式，减少行驶过程中车辆的油耗。从稳定性角度来看，该类型材料的热传导率较高，使其具备良好的散热消耗，可以让处于制动状态下的车辆降低一定热损耗，满足整个车辆制动性能、行驶安全性进一步提升的需求，同时也能适当延长车轮、制动盘等附件的使用期限。从抗震性角度来看，合金轮毂与扁平轮胎有着较高匹配性，相较于普通轮胎，前者在减振方面具有明显优势，在相对较差的路面上行驶时，使用合金轮毂的车辆也能保持一定舒适度，给予使用者良好驾车体验。

现阶段车轮毂生产制造中均会涉及铝合金与镁合金这两种合金材料使用，与该类型材料的性能优点相关，在实际使用过程中，合金轮毂具有较高的散热系数，能够降低其表面通风散热加工难度，即使处于连续制动状态下，也能有效控制爆胎问题发生。再加上良好的加工性能、铸造性能，有效精简了过去繁琐的轮毂表面加工流程，可以更好地提升车辆的美观性、动感性以及时尚性[2]。

2.2碳纤维材料

轻量化是新时代下我国汽车行业发展主流趋势，从轻量化角度出发设计汽车，不仅可以有效降低整个车辆的质量，对节约能耗、减少尾气排放以及改善车辆行驶性能等方面均能起到一定作用，同时也能为我国尽早实现“双碳”目标提供助力。其中碳纤维属于一种碳元素含量超过95%的纤维类新型材料，从材料显微组织来看，其内部存在片状石墨微晶，且属于有机纤维，沿着轴向进行堆砌，并经过碳化以及石墨化处理，逐渐形成具有高强度、弹性模量大、小密度等特点的纤维结构，即微晶石墨材料。碳纤维材料能够在无氧化条件下也能表现出较强的耐高温、耐疲劳等性能优势，将其使用于车轮毂铸造中，可以有效改善轮毂表层耐腐蚀性和导电导热性能，提升整个车轮毂使用性能。

相较于铝合金、钢材，虽然其密度大于铝合金，但其强度明显优于钢材，使碳纤维材料的综合性能较好，有极大的发展潜力和空间。综合考虑当前汽车轻量化设计要求，碳纤维材料的应用，能够让轮毂具有轻质量，即可作用于整车操纵性能优化和提升，从目前该材料应用情况以及相关研究成果，轮毂生产制造中使用碳纤维材料仍面临着较大的技术难题，且前期成本投入大，现有技术水平及成本是阻碍碳纤维轮毂研发的关键要素；该材料最大优点是质量轻，仅是钢材的四分之一，其拉伸强度也会因质量降低而受到影响。

3.基于车轮毂造型结构设计优化的仿真技术

3.1车轮毂造型结构仿真需求

3.1.1车轮毂造型结构的强度与刚度仿真分析。

通过应用仿真技术，对车轮毂造型结构的强度与强度进行分析，主要是对某种工况载荷条件下轮毂的强度和刚度性能变化进行仿真模拟，以检验轮毂受到该工况载荷作用影响后，其强度和刚度性能是否符合预期设计的性能要求。对其结构强度和刚度的力学性能仿真分析，主要涉及非线性问题、非线性接触问题两部分分析内容。

3.1.2车轮毂疲劳仿真分析

将前期车轮毂结构强度性能分析结构，在相应的分析软件中导入，以获取被定义的疲劳载荷图谱，在此基础上综合分析轮毂材质的疲劳特性，根据最终疲劳计算结果，确定并掌握车轮毂在弯曲或径向工况条件下的疲劳寿命。

3.1.3轮毂显示动力学仿真分析

应用仿真技术，对外力冲击、碰撞等一瞬间所产生的物理现象进行模拟，预测该情况下轮毂的抗冲击性能是否与预期设计要求相一致，可根据仿真分析结果，制定车轮毂造型结构设计优化方案，对不符合设计要求的轮毂抗冲击性能进行改善，以减少外力冲击、碰撞等突发情况发生对车辆行驶安全性和稳定性的影响。

3.1.4轮毂优化仿真分析

在轮毂造型结构设计中，除了要考虑其强度、刚度等力学性能以外，若强度和刚度性能超过规定标准，极有可能导致后期加工生产环节使轮毂局部结构尺寸增加等问题发生，不仅造成了材料浪费，其自重增加，在一定程度上也会降低后期运输、安装工作的便利性。

3.3仿真模拟

3.3.1轮毂刚度仿真

车辆振动、噪音以及轮毂刚度性能等均是影响车轮毂模态特性的主要因素，其中轮毂刚度性能是否符合设计要求，则直接关系着行驶状态下车辆的噪声、振动以及声振粗糙度。可结合原点频响函数对轮毂侧向刚度进行计算：

式中表示轮毂侧向刚度；表示轮毂质量（单个），kg；表示轮毂共振模态，Hz；表示轮毂反共振模态，Hz。以仿真模拟试验方式对轮毂原点频响进行分析，从该轮毂的原点频响曲线变化情况来看，发现处于波谷段的轮毂原点频响数值未超过380Hz，波峰段则是760Hz[3]。利用上述公式计算其原点频响函数，获得仿真模拟试验中该轮毂的侧向刚度，其数值为61kN/mm。

图2 轮毂原点频响曲线

从汽车整体设计角度分析，属性性能不同，其目标分解体系也有一定差异，就车辆的噪声、振动以及声振粗糙度性能而言，轮毂侧向刚度性能好坏必然对其有着明显影响；因此，提出分解和解耦整车各级子系统目标，并结合仿真所得侧向刚度原点频响曲线及最终计算结果，判定本文研究中轮毂侧向刚度与提出的整车噪声、振动以及声振粗糙度性能分解目标体系相符合，且超过58kN/mm，说明该车轮毂造型结构设计合理性，同时也能为今后开展汽车整体设计与开发工作提供科学依据。

3.3.2轮毂模态仿真

（1）车轮毂连接着传动轴、制动盘、轮胎，其中与传动轴相连，则是产生驱动力；与制动盘相连，则是确保处于制动状态下能够产生制动力；与轮胎相连，轮毂所承受的力均来自轮胎与地面直接接触后产生的作用和反作用力，而轮胎与轮毂共同将路面振动反馈于车身。由此可见，轮毂作为对汽车行驶系统有着较大影响的关键部件，通过应用仿真技术，对其有限元模态特性展开进一步分析，根据模态分析结果，为规避轮毂共振现象的结构设计方案优化提供参考依据，防止行驶状态下的车辆轮毂失效，营造一个安静、舒适的驾驶环境，进而实现整车的噪声、振动以及声振粗糙度性能得到有效改善。模态分析是一种以结构动力特性为切入点的研究方法，可利用所建立的运动微分方程对轮毂动态特性进行分析。

（2）在分析轮毂动态特性基础上，评估模态分析结果，以确定频率耦合对轮毂发生共振现象的影响，并为该现象的规避措施制定提供依据，降低对轮毂结构性能的负面影响。利用软件平台中的后处理模块，对各种结果云图进行输出，将其作为分析轮毂动态特性的参考数据，同时经过一系列计算获取轮毂模态频率结果。根据本人以往工作经验，以及所掌握的各项数据，可以确定路面对车辆激励频率具有一定规律，其频率不超过11Hz；因运行状态下的发动机自带振动，可通过下述公式计算其振动频率：

式中表示发动机振动频率，Hz；表示发动机转速度，r/min；表示汽车的气缸数量；表示冲程数，四行程=2。怠速状态下发动机转速度不超过650-850r/min范围内，该范围对应振动频率不超过21.7—28.3Hz；高转速条件下发动机的振动频率最大不超过200Hz

[4]。

（3）从路面对车辆的激励频率角度来看，仿真分析中该轮毂的固有频率是285Hz，明显超过任何状态下路面（平坦、较差）的激励频率，和轮毂模态并不存在相互交错关系，且能够避免轮毂共振现象；就发动机对应的激励频率而言，怠速或最高转速条件下发动机振动频率若小于轮毂固有频率，则完全可以有效规避共振现象，提升车辆行驶安全性、稳定性以及舒适性。同时也可以根据模态分析评估结果检验轮毂造型结构设计是否合理。

结束语：综上所述，轮毂是汽车制造中极为重要的传动装置，轮毂造型结构设计合理，是保证车辆行驶安全性、稳定性以及舒适性的前提。随着经济与科技水平迅速发展和提高，逐渐出现了诸多不同材质类型的轮毂，材质对整个轮毂造型结构设计、性能表现均有着一定影响；因此，本文提出应用仿真技术，对车轮毂造型结构进行仿真模拟，分析不同工况下轮毂各方面性能情况，为判断轮毂结构性能设计是否符合规定标准提供参考依据。

参考文献：

[1]夏志东, 杨建军, 向峻伯. 镁合金汽车轮毂的表面防护层与性能研究[J]. 机械设计与制造, 1-7.

[2]靖娟, 王友华. 汽车轮毂模态及刚度性能有限元分析[J]. 汽车实用技术, 2023, 48 (19): 112-115.

[3]黄佳男. 重卡汽车轮毂轴承外圈滚道超精加工工艺参数优化研究[D]. 浙江农林大学, 2023.

[4]胡桂领, 叶艳秋. 汽车轮毂加工工艺及表面处理探讨[J]. 汽车测试报告, 2023, (03): 74-76.