汽车轮毂3

北堂叶离

上次介绍了轮毂的建模及相关的一些参数，这节介绍轮毂受力与有限元分析，轮毂的加工。关于有限元分析与轮毂的受力可以分为两部分，一部分是轮毂在静态下受力对应静态载荷的有限元分析；另外一部分是轮毂受到交变载荷下对应的动态疲劳有限元分析。
1、静态载荷之应变、应力
车轮在汽车静止时起到支撑作用，假定汽车满载时的总质量为2500kg，则在汽车静止时每一个车轮受到的承载力F=6125N。支撑力通过轮胎传递给轮毂，轮毂受到的支撑力分布在轮辋上胎圈座部分。轮胎施加在轮毂上胎圈座部分的支撑力分布情况比较复杂，主要分布在轮毂的下部靠近地面的部分。本研究中轮毂受到的支撑力分布区域取在轮毂胎圈座下部弧度为π/3的弧面上。则轮毂胎圈座部分受到的压强P1=F/S.
S为轮圈座靠近地面π/3弧度上的弧面在地面上的投影面积，S=6404.69mm2，P1=0.96MPa。
轮毂还受到轮胎胎压：P2=0.45 MPa. 胎压分布于轮辋上位于胎圈座之间的部分。
由于所设计轮毂为轴对称式，每两个辐板之间存在一个窗口，因此，在进行受力分析时需要对两个临界状态进行分析：（1）支撑力中心位于窗口中心线上；（2）支撑力中心位于辐板中心线上。两种不同临界状态的载荷如图下图。

由于轮毂通过螺栓固定在汽车车轴上，在汽车静止时，轮毂的螺栓孔可视为受到固定约束。模型中，将四个螺栓孔表面设置为六个自由度为零的固定面。模型的约束分布如下面的图，就是设置成固定铰链就好啦啦：

具体的有限元操作就不介绍了了，模型建好了，设置模型材料参数（见下图，还是镁合金的乐了），再划分网格，然后加上上面讲的受力，剩下的就是计算处结果了

看看我在网上找的一位研究生做的支撑力中心位于窗口中心线上的时候应力分布图：


从图中可以看出，轮毂的最大应力为47.76MPa，小于材料的屈服强度142MPa，轮毂不会发生塑性变形，属于安全范围。
从整体上来看，靠近轮辋的辐板部分要比靠近轮毂中心孔的辐板部分的应力大。轮辋上越靠近受力部位应力越大。应力较大的区域主要分布在离受力窗口最近的两个辐板与轮辋相交处以及螺栓孔处。最大应力点出现在离受力窗口较近的螺栓孔处。该处受力大的主要原因是几何形状发生突变，产生应力集中现象。最靠近受力窗口的两个辐板的应力要明显大于其他几个辐板，说明这两个辐板起到主要的支撑作用。
再看看它的应变图：

可以看出整个轮毂上的最大位移量为0.2979mm，位移量较小。较大位移的部分位于轮辋上受到载荷力且离轮辐较远的一端。
还有一种情况，这里就不做说明了了。大家可以想象大致的一个结果,给个图给大家：
  

总结一下：我其实有时候会问自己这个有限元分析有什么具体的意义，通过受力的分析以及一下审美或者什么的我们也可以看出，或者预估计出那些地方应变大，那些地方应力集中，为什么还要它呢？我想也许这就是设计吧，我学校学的工业设计，那么是不是工业设计的外形，模型可以通过这个来判断它是不是会超过材料的屈服强度；另外从设计上来看，要是有有限元分析的话，那么建模部分应该采用关联参数化的建模方式才更加好，应该细化到每一个参数尺寸，以方便后面对分析结果的反馈修改，大家说是吧？（我还没有做过研发了了，所以猜的。。。）
2、动态载荷之疲劳强度
机械零部件的失效形式主要有三种：磨损失效、腐蚀失效以及断裂失效，这里主要看断裂失效对应的疲劳强度。
疲劳是指材料在循环应力或循环应变作用下，由于某点或某些点逐渐产生了局部的结构损伤，从而在一定的循环次数以后材料的损伤不断积累，形成裂纹或发生断裂的过程。
汽车轮毂的疲劳分析时候，首先需要材料的疲劳特性的一些参数，如下图：

汽车的轮毂疲劳分析主要是施加循环出现的弯矩，分析其动态弯曲疲劳强度以及径向载荷疲劳强度分析。
根据附录《乘用车车轮性能要求和试验方法》中规定的动态弯曲疲劳试验性能要求和试验方法，将汽车轮毂动态弯曲疲劳强度的有限元分析模型设计成两部分，一部分是汽车轮毂，另一部分是弯矩的加载力臂。图下图：

汽车轮毂与加载力臂之间通过螺栓连接，加载力臂的长度取为400mm。
主要是弯矩取值问题：根据M=（μ*R+d）*Fv*S，（S为强化细数1.6、d轮毂偏距20mm，Fv——轮毂最大额定载荷6125N，R——汽车轮毂的静负荷半径16英寸，40.64cm、）参数根据国家标准试验表来设置的，如下图：

可以计算出：M=2983.90N*M，取3000，由于加载臂长为400mm，则力臂末端施加力为F1=M/L=3000/0.4=7500N。
这样就可以再有限元模型中间添加约束了了：
轮毂受到一个旋转的力矩作用，分析时将轮毂设置为固定不动的，在轮毂的轮缘上施加一个固定约束，约束六个自由度。模型的边界条件施加情况如下：

下面是对疲劳安全因子，应力安全因子，疲劳寿命评估三个方面的有限分析，这里我还是不太理解的，因为我学有限元不就，也不知道怎么去模拟，这个地方不知道在ansys中那个是可以计算疲劳安全因子，应力安全因子和疲劳寿命三个参数。还有在哪儿设置载荷的循环次数取为100000，小编等待高手指点。
但是还是继续讲述这三个因子的作用：
疲劳强度因子反映模型的某些相关特性的影响，如表面光洁度、表面处理、载荷类型等。
疲劳安全因子预测结构的任何部分是否会由于周期载荷而被破坏。它的值小于或者等于1时，表明在给定的疲劳载荷周期的反复作用下，最终会发生破坏。当其值大于1时，表明在给定的疲劳载荷周期的反复作用下，不会发生破坏。本例子中的疲劳安全因子模拟计算图：

的疲劳安全因子的最小值为1.257，大于1。因此，载荷循环100000次时，轮毂不会发生破坏。疲劳安全因子较小的部分主要分布在辐板上。这说明在所设计的镁合金汽车轮毂受到循环弯矩作用时，容易发生疲劳破坏的部位是辐板。
应力安全因子：用于衡量零件的总体强度。应力安全因子是决定结构破坏指标的一个量，其值大于1时表示不会发生破坏，否则会发生破坏。结果见下图：

可以所设计的镁合金汽车轮毂的应力安全因子的最小值为1.337，大于1。因此，当载荷循环100000次时，轮毂不会发生破坏，轮毂的总体强度满足疲劳安全的要求。
疲劳寿命：评估结构按给定的寿命准则是否仍然可用，是指结构在刚开始产生裂纹时疲劳载荷的循环次数。这里疲劳寿命准则为常用的Smith-Watson-Topper准则。分析：

图中的寿命为5.0*105次。
这里还是分析了一个极限位置，另外一部分就不列举了了。对于疲劳这块，我确实还没有完全的搞明白。大家有什么指点的可以联系我。
3、轮毂性能试验：


具体的判断什么，操作试验方法小编就不说明了，以后有需要的可以@我。
4、轮毂的加工
轮毂的加工方法主要还是采用模具冲压的方法来制造的，这个我也不太确定，但是查资料是这样的：他应该是热模冲压的方法成的。

whj1375

在轮毂设计中没有涉及到轮毂刚度的设计要求，不知道楼主对车轮刚度有什么样的理解？

qqharlem

很久不来了，再怎么也要顶起

暮暮馨

太强大了 不错不错 学习了

hk5858000

可以好好学学的，毕竟不用积分就可以看了，楼主好人啊

bjklnm

楼主好人呀好人好人好人呀

rl1988

非常不错，感谢

auto4951

轮辋 轮毂 为什么总是混着说

Georshxie

这有限元用solidworks做的？

贝西多拉

楼主，顶你。