铝合金轮毂轻量化设计研究

铝合金轮毂轻量化设计研究

李文彩1,毛国荣,2 ,牛建坤3

1今飞控股集团有限公司  2浙江今飞摩轮有限公司 3浙江今泰汽车零部件制造有限公司浙江  金华 321000

【摘要】：在保证轮毂在满足使用需求和性能的基础上，本文对铝合金轮毂进行轻量化设计，其缩短了产品研发周期，降低了产品生产成本。通过UG和尺寸优化分析软件的分析找出了轮毂最大应力集中区域，经过优化分析降低其应力水平，满足了寿命和强度需求，提高了材料使用率，最终实现产品的轻量化目的。

【关键词】：铝合金；轮毂；轻量化

    汽车轻量化是指在对汽车强度和安全性进行保证的基础上，使汽车装备质量得到降低，以提高汽车动力性的一种方法。轮毂为汽车行驶系统的主要部件，其轻量化也能够直接降低汽车的装备质量。为此，使用新型材料或者现代设计方法实现轮毂的轻量化设计，降低轮毂自身质量就有十分迫切的需求。

1轮毂有限元分析

1.1 轮毂结构分析

    LX-1AC-1660轮毂造型如图1所示，其重量为9.666kg。将同造型的铸造铝合金轮毂设计成锻造铝合金轮毂，轮毂重量会相对较轻。通过对铸造轮毂力学性能进行最小安全系数计算，得知锻造轮毂力学性能高于铸造轮毂，因此，相同重量的锻造轮毂会导致材料浪费。所以，必须要减少锻造轮毂轮辋和轮辐厚度，传统方法是通过修改轮毂轮辋和轮辐厚度，同时对锻造轮毂最小安全系数进行不断的重新计算，最后使其接近铸造轮毂最小安全系数，以实现轻量化设计，此方法费时费力且精度较低已逐渐被舍弃；本文将通过新式的计算机仿真分析方法来实现铝合金轮毂的轻量化设计。

图1  轮毂造型

1.2 轮毂弯曲疲劳分析

    根据实际情况固定内轮缘弧面来作为约束，施加相应的弯矩载荷进行疲劳计算分析，由分析结果可知，见图2，轮毂最大等效应力为91.5MPa，低于汽车行业标准的最大应力值120MPa。轮辐中段处为应力集中区域，进一步对弯曲疲劳寿命进行分析，轮毂弯曲疲劳寿命圈数达到62万转，高于疲劳寿命为50万次的要求，满足设计要求。

  图2  轮毂弯曲疲劳寿命分析结果：轮毂应力（左图），轮毂弯曲疲劳寿命圈数（右图）

1.3 轮毂径向疲劳分析

根据实际情况约束轮毂法兰面，施加15.1kN荷载到轮胎处，以汽车行业标准90MPa作为最大应力标准。如图3所示，基于径向荷载作用，应力集中部位为轮辐接近轮芯的圆弧处，最大应力值设置为81.7MPa，且径向疲劳寿命圈数高达116万转，具备优化潜能。

图3  轮毂径向疲劳寿命分析结果：轮毂应力（左图），轮毂径向疲劳寿命圈数（右图）

1.4 轮毂13°冲击分析

依据实际情况将轮毂旋转为和水平面成13°，对法兰面进行约束，在外轮缘处加载492kg冲击荷载。在冲击试验有限元数值模拟中，通过轮胎、冲击块、轮毂三者的构建，充分考虑其耦合关系；以汽车行业标准160MPa的应力作为判断标准。分析结果，如图4显示：轮毂最大应力值为134MPa，位于轮辐靠近安装盘处，未超过轮毂最大许用应力，且轮毂应力水平比较低[1]。

图4  轮毂13°冲击分析结果

1.5 轮毂90°冲击分析

依据实际情况将轮毂与水平面成90°放置进行冲击分析，约束轮毂法兰面，在轮辋处施加1010kg冲击荷载。在90°冲击分析模拟中，以汽车行业标准250MPa的应力作为判断标准。分析结果显示（图5）：轮毂最大应力值为227MPa，位于轮辋轮缘处，并未超过轮毂最大许用应力，且有应力有一定富余。

图5  轮毂90°冲击分析结果

2铝合金轮毂结构的优化

2.1轮毂优化方法

优化设计指的是根据设计所追求的性能目标，建立相应的目标函数，在满足给定的各种约束条件下，寻求最优的设计方案。本文通过使用尺寸优化软件实现结构优化设计，使得轮毂数学模型的相关优化问题得到解决。

优化设计有三要素，即约束条件、设计变量与目标函数。其中，目标函数包含极小值和极大值两种。主要优化设计方法包括零阶优化方法、一阶优化方法，零阶方法指的是通过对目标函数逼近或对目标函数施加罚函数的方法将约束的优化问题转换为非约束的优化问题，不利用一阶导数；一阶方法是是通过对目标函数逼近或对目标函数施加罚函数的方法将约束的优化问题转换为非约束的优化问题，利用一阶导数；因此，一阶优化方法迭代一次的时间大于零阶优化方法。

    本文主要目的是实现铝合金轮毂轻量化设计，在保证轮毂性能指标的前提下降低轮毂总质量，因此，将铝合金轮毂的总质量作为目标函数[2]。

2.2轮毂结构优化参数设计

    本文使用零阶方法实现优化分析，优化模型为：

    2.2.1 目标函数

                              (1)

    式中，指的是轮毂目标质量，指的是单元密度，指的是单元体积。

2.2.2 设计变量

对轮辐厚变量进行设计，表1为设计变量和取值范围。

表1  设计变量和范围

    2.2.3 约束条件

    优化后的轮毂需满足强度的要求，因此，以von mises屈服准则作为应力约束条件：

                  (2)

    式中，、、分别为第一、第二、第三主应力，。

    2.2.4轮毂优化过程

通过对铝合金轮毂模型材料属性进行赋值，得出铝合金轮毂总质量；再经尺寸优化软件分析功能确定轮毂设计变量的取值范围，以此实现优化过程中约束条件范围的设置；最后，将最小质量作为优化目标，在定义其最大优化次数后提交软件进行优化分析。

3 试验验证

    取优化后的轮毂进行弯曲疲劳试验（图6）、径向疲劳试验（图7）、13°冲击试验（图8）和90°冲击试验（图9）。通过对试验之后的轮毂进行渗透探伤检测，结果显示，轮毂辐条和轮辋等区域均未见深色裂纹区域，见图10；说明轮毂并没有出现局部断裂和裂纹等疲劳失效的特征。可以认为优化之后轮毂通过了强度及疲劳试验[3]。

图6  弯曲疲劳试验

图7  径向疲劳试验

图8  13°冲击试验

图9  90°冲击试验

图10  试验结果图

4结束语

    本文以LX-1AC-1660铝合金轮毂为例，使用UG软件建立轮毂有限元模型，并且通过对工作过程中轮毂的典型工况模拟分析，得出轮毂应力分布情况，对是轮毂否需要优化设计进行前期判断。在优化设计过程中，通过保证轮毂性能指标的需求，使轮毂总质量达到最小，实现了轮毂的轻量化设计，对铝合金轮毂设计研发具备参考价值和指导意义。

参考文献

[1]张殿杰、刘建芳、王星、骆俊廷. 轻量化枝杈轮辐铝合金轮毂低压铸造成形有限元模拟及试验分析[J]. 铸造, 2020, 69(10):6.

[2]楼华山, 王大红, 楼江燕,等. 高性能A356铝合金轮毂开发技术研究进展之一——炉内精炼净化技术[J]. 特种铸造及有色合金, 2020, 40(5):6.

[3]熊国源. 轻量化铸造铝合金轮毂生产线的升级改造[J]. 金属加工:热加工, 2021(8):5.