汽车轮毂有限元分析及优化

汽车轮毂有限元分析及优化
摘要：轮毂是汽车轮胎内用于支撑轮胎和固定轮胎内缘的圆柱形金属部件，与
轮胎一起受到汽车载荷的作用。

本文针对某工厂生产的轮毂进行研究，利用有限
元软件对其进行强度分析和结构优化设计，最终实现轻量化设计。

关键词：汽车轮毂；有限元分析；优化
前言：
为了提高汽车的行驶速度，节省油耗，就要在确保有足够强度的前提下，最
大地降低轮毂自身的质量。

这是本文主要的研究的目的和方向。

在研究轮毂轻量
化设计的同时，也需要考虑到轮毂的刚度，要满足这个性能则应适当地降低轮毂
的变形量，以确保其轮辋圆度，确保汽车行驶的稳定性和可靠性，提高其安全系数。

一、轮毂结构分析设计
在汽车轮毂的结构优化方面，运用CAE软件ANSYS，将轮辐和轮毂的厚度分
别用参数来表示；根据弯曲疲劳试验将轮毂所承受的最大应力值作为约束条件，
将汽车轮毂的总质量作为优化函数，对轮毂的尺寸进行优化，满足轮毂轻量化的
要求。

对低速行驶的载重汽车车轮在超负荷工况下进行了有限元分析，得出，当
其高速行驶时，受到较小的载荷作用，轮毂的失效形式为高周疲劳破坏；当汽车
在低速行驶时，受到较大的载荷，可按低周疲劳计算不同车速下的极限载荷。

运
用ANSYS有限元分析软件对轮毂进行结构强度的分析，根据分析结果，为了避免
出现裂痕，所采取的措施是在螺栓孔和通风孔周围进行加厚。

然后将采取措施前
后的结果进行强度比较，发现在增加轮辐螺栓孔和通风孔周围厚度后，轮辐的强
度比优化前要高，实现轻量化要求。

基于有限元法综合考虑了汽车轮毂模态、轮毂刚度以及轮毂弯曲疲劳寿命的
影响，建立了汽车轮毂优化设计模型，进行模态分析。

通过对汽车轮毂的优化计算，得出了符合轮毂参数要求的结构尺寸。

利用PATRAN软件建立以轮辐、轮毂
的厚度为设计参数，汽车轮毂的质最小为最终结果的函数模型，根据软件的计算
结果，轮毂质量大大减轻。

以辐板式车轮的优化数学模型建立了轮辐上各段圆弧
的曲面半径以及弧面所对应的圆心角作为设计变量，轮辐的整个曲面弧长最小为
目标函数进行优化设计，对其结构尺寸进行了优化，通过优化轮毂的质量明显减
轻且发现优化后轮毂所受到的应力强度较小。

根据轮毂图纸来进行三维软件建模，并且运用CAE软件ANSYS，对铝合金和复合材料汽车车轮应力值进行计算，对比
两种计算数据，证明了在同等应力值时，合成材料的轮毂比铝合金的质量轻。

然
后以复合材料轮毂的轮毂和安装凸缘的厚度为设计变量，优化后发现复合材料的
轮毂质量减小。

二、轮毂的材料选择及其设计参数
轮毂材料为A356（ZAlSi7MgA）合金材料，其化学成分与ZL101合金基本相同，是ZL101的改进型，其特点是具有良好的铸造性能，流动性高，无热裂倾向，气密性高，适合成形结构复杂的轮毂；同时又具有比较高的耐腐蚀性，经过热处
理强化和合金淬火后有自然时效能力，因而具有较高的塑性和强度，满足轮毂高
强度和刚度的性能要求，镁铝合金A356材料具体参数见表1。

本文以某1.6L轿车原厂轮毂为设计基础，不修改主要参数，只对辐条的结构
外形进行适当的修改，再对其进行有限元析。

轮毂的主要参数，见表2所示。

表1 材料参数
三、SolidWorks轮毂建模
轮毂的三维建模流程：利用SolidWorhs绘制轮毂设计草图，首先绘制中心线，根据实际参数绘制草图断面，命令草图断面以中轴线旋转，绘制轮毂辐条部分，
旋转断面形成轮毂外形，然后绘制轮毂的辐条轮廓，设计五根辐条，不仅可以减
轻轮毂的重量，还可以起到扰流作用。

接下来以轮毂中线为中心建立正五边形，
其内切圆半径为50mm，确定安装孔位置。

最后装配各零件部分，得到所需要的
3D模型。

四、轮毂的有限元分析
1.轮毂的载荷计算
本文轮毂是针对斯柯达昕动1.6L车为设计基础，其相关资料见表3。

理论上平均每个轮毂所能承受的最大扭矩应不小于T＝155N•m×3.6×4.534×95％＝2403.5N•m根据实际情况：点刹时的扭矩大约为T×（1＋6％）＝2549.3N•m。

最大速度情况下的扭矩大约增加2.27倍左右，但该款车型是两轮驱动，所以
最大扭矩应该为2500N•m。

2.有限元分析具体步骤
①将SoildWorhs软件建立好的轮毂模型导入ANSYS。

②设定网格划分参数并进行网格划分，定义网格尺寸为15mm。

③添加材料信息，按照表1数据，添加材料属性。

④施加载荷以及约束条件，根据轮毂的受力情况对其施加扭矩，设定接触选项，在本文中接触选项已绑定，添加固定约束。

⑤添加扭矩在轮毂辐条中心面上。

⑥选择参考受力面，载荷类型为standard earthgravity，方向沿负Z轴方向，
大小为15000N。

⑦设定结果参数，即设定要求解的问题及物理量，对安全极限进行求解。

从安全极限分析得出，该轮毂最危险部位是辐条部分，由其分析结论可知：
最大安全极限为14，最小安全极限为1.62。

由此可见，该轮辋在受力状态下产生
的形变是比较大的，所以需要对轮毂的辐条进行优化，建议改变轮毂辐条的厚度
及其边缘过渡方式，这样可以改变零件在受力状态下的分散应力，进而可以增加
零件的强度及其安全系数；另外也可以增加骨架设计，从而增加零件强度。

结论：
基于有限元法的优化设计是当前主要的设计手段，对于汽车轮毂行业来说是
汽车轮毂轻量化设计的重要工具。

本文运用SolidWorhs建立铝合金车轮的参数化
模型，利用有限元分析软件ANSYS对铝合金车轮进行强度分析，找到车轮的最危
险位置，计算结果与实际试验结果基本吻合，说明有限元分析是正确性，应力计
算结果是可靠的。

参考文献：
［1］赵树国，陈建华.汽车镁合金轮毂的优化设计［J］.山东工业技术，208，6.
［2］信义兵，高跃飞，刘海涛，李正伟.基于AnsysWorhbench某轮毂结构的
优化设计［J］.煤矿机械，2017，3.。