【正文】 究已經(jīng)成為汽車研究、設(shè)計(jì)、制造和使用部門所關(guān)心的重要課題。車輪的技術(shù)發(fā)展方向是在保證足夠強(qiáng)度和可靠性的前 提下，盡可能減輕其質(zhì)量和美化其外觀 [1]。 關(guān)鍵詞 : 鋁合金車輪 ， 強(qiáng)度 分析 ， 有限元分析 ， 模態(tài)分析 ， CATIA 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 2 Small Displacement Passenger Vehicle Wheel Structural Modal Finite Element Analysis ABSTRACT The subject is to discuss “Small displacement passenger vehicle wheel structural modal finite element analysis”. The major content is (1) design and modeling (2) finite element of the wheel. First, introduce the basic knowledge and technology requirement of the wheel, according to the technology requirement. At the same time refer to other small displacement vehicle wheel, then design four new wheel, through CATIA software to acplish the modeling. Use CATIA to analysis the model and analysis the four wheel, include strength analysis 、 modal analysis, to calculator every wheel’s stress distribution、 natural frequency、 vibration patterns, pare with the result, with the fitness of the basic performance, choose the structure to design a more reasonable wheel design project. The analysis result indicated that, The conclusion obtains which after the finite element analysis basically tallies with the actual situation, also design proposal one and design proposal four spokes structures more reasonable, the spoke structure stress is even also far is smaller than uses the material the allowable stress, conforms to the design requirement This subject research work can use as a refer for the research and development for the Al wheel. 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 3 Key Words: aluminum alloy wheels， intension analysis， finite analysis，frequency analysis， CATIA 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 4 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 王 劍 062103255 0 引言 車輪是汽車的重要部件，汽車與地面之間的所有互相作用力和力矩（例如驅(qū)動力、制動力、側(cè)向力、垂直力、回正力矩等）都通過車輪傳遞，所以車輪對汽車的多種性能有重要影響，特別是安全性和可靠性。 分析結(jié)果表明：經(jīng)有限元分析得到的結(jié)論基本與實(shí)際情況相符合，且設(shè)計(jì)方案 一 和設(shè)計(jì)方案 二 的輪輻結(jié)構(gòu)較為合理，輪輻結(jié)構(gòu)的受力均勻且遠(yuǎn)小于所用材料的許用應(yīng)力，符合設(shè)計(jì)的要求。 首先介紹車輪的基本知識和設(shè)計(jì)技術(shù)要求，根據(jù)技術(shù)要求，同時(shí)參考其它相似小排量轎車車輪，設(shè)計(jì)出四款新車輪，然后通過 CATIA 軟件 完成實(shí)體模型的幾何建模工作 。上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 1 摘 要 本課題的研究內(nèi)容是“小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析”。其主要內(nèi)容是 : (1)車輪的設(shè)計(jì)與建模； (2)車輪的有限元分析。 借助 CATIA 的仿真分析模塊 對所設(shè)計(jì)的四款車輪進(jìn)行有限元分析，包括靜強(qiáng)度分析和模態(tài)分析，仿真計(jì)算出各個(gè)車輪的等效應(yīng)力分布、固有頻率和振型，對結(jié)果進(jìn)行分析比較。 本論文的研究工作可以為鋁合金車輪的研制和開發(fā)提供一定的參考。除此之外，車輪還是汽車外觀的重要組成部分。隨著我國家加入 WTO，汽車工業(yè)參與國際競爭，盡快提高我們的汽車設(shè)計(jì)制造水平，是非常迫切的任務(wù)。傳統(tǒng)的車輪設(shè)計(jì)是靠經(jīng)驗(yàn)取值或依靠安全系數(shù)來增加疲勞強(qiáng)度，不僅導(dǎo)致 多 出來的疲勞強(qiáng)度白白浪費(fèi)，而且會增加 汽車重量，降低整車的燃油經(jīng)濟(jì)性。 由于車輪外觀形狀的不規(guī)則性，不能按照常 規(guī)的機(jī)械設(shè)計(jì)方法，將其簡化成規(guī)則的力學(xué)模型后再進(jìn)行設(shè)計(jì)。通過常規(guī)的設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)出車輪的幾何形狀，為有限元分析建立模型時(shí)提供車輪的幾何尺寸。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，改善車輪的幾何形狀，從而上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 5 設(shè)計(jì)出符合要求的產(chǎn)品。作為高速旋轉(zhuǎn)的車輪，影響著車輛的平穩(wěn)性、操縱性等性能。 車輪的種類 按輪輞和 輪輻結(jié)合形式的不同，車輪可分為如下結(jié)構(gòu) ： 1） 整體式：輪輻和輪輞是由一個(gè)整體組成的。 （ 3）輻條式車輪： 輪輞與中央輪盤部件，通過很多輻條實(shí)現(xiàn)連結(jié)的車輪結(jié)構(gòu)。 車輪對材料的要求 至今 ， 車輪用的材料有鋼材和輕合金材料兩大類。后者 是近年來新興起的輕合金車輪， 一般用于高、中級轎車。 鎂和鋁是最適宜制造車輪的理想輕合金材料，他們有著傳統(tǒng)鋼車輪所無法比擬的許多優(yōu)點(diǎn)，更能適應(yīng)整車高速化、節(jié)能化、現(xiàn)代化、高檔次發(fā)展的需要。使用鎂合金制造的車輪具有極佳的減振性能。 無論是鋼車輪還是輕合金車輪，確保安全是選材的根本原則。 精確的圓形提供了更強(qiáng)的舒適性，同時(shí)減少了輪胎磨損。此外還改善了剎車?yán)鋮s性能。轎車裝配鋁合金車圈，具有散熱快，重量輕，舒適性好，外觀漂亮等優(yōu)點(diǎn) [13， 18]。 車輪結(jié)構(gòu)各部位名稱 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 7 （ 1） 輪輞：與輪胎裝配配合，支撐輪胎的車輪部分。 （ 3） 輪緣：保持并支撐輪胎方向的輪輞部分。 （ 5） 凸峰 （ 6） 槽 底：為方便輪胎裝拆，在輪輞上留有一定深度和寬度的凹坑。 （ 8） 偏距 ： 輪輞中心面到輪輻安裝面間的距離。 （ 9）中心孔 （ 10）螺栓孔節(jié)圓直徑 （ 11）螺栓孔直徑 （ 12）輪輻安裝面 （ 13）安裝面直徑 （ 14）后距 （ 15）輪輻 （ 16）輪輞 （ 17）輪輞中心線 具體標(biāo)注和各部位名稱 對應(yīng)位置 如下圖所示。良好的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不僅能減少性能分析后帶來的結(jié)構(gòu)參數(shù)的修改次數(shù)，而且還容易形成快捷的生產(chǎn)加工流程 [5， 18]。這種設(shè)計(jì)方法也是車輪設(shè)計(jì)行業(yè)中使用最廣泛的一種方法，該方法具有設(shè)計(jì)目標(biāo)明確，設(shè)計(jì)參照標(biāo)準(zhǔn)合理，設(shè)計(jì)過程簡潔等突出優(yōu)點(diǎn)。針對這樣的問題，本課題在研究過程中采用了一種 “ 實(shí)體對比 ” 的修正方法，這種修正方法主要是在明確了設(shè)計(jì)任務(wù)書的各項(xiàng)要求以后，在參考相關(guān)設(shè)計(jì)資料和設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)的同時(shí)，以相似車型所使用的 輪轂 作為實(shí)體參照模型，并從這些已成型的產(chǎn)品入手，對比車輪結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)主要參數(shù)，這里將重點(diǎn)考慮 輪輞 的厚度、通風(fēng)孔尺寸的大小和位置、螺栓的布置形式、輪輻曲面的變化情況等等。當(dāng)然，這樣的設(shè)計(jì)工程會增加設(shè)計(jì)的內(nèi)容和步驟 ，使設(shè)計(jì)過程變得更加復(fù)雜一些 [13， 18]。 圖 車輪 圖 奇瑞 車輪 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 10 圖 POLO_05 款車輪 設(shè)計(jì)的總體要求 考慮到本課題所研究的是整體式鋁合金車輪，又是通過鑄造后機(jī)械加工 成型，所有在確定結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)之前，必須要明確一系列總體的設(shè)計(jì)要求這主要包括： 1） 外型要求 :對于鋁合金車輪，顧客要求的不僅僅是卓越的使用性能，悅目的外觀造型也是很重要的一面，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須認(rèn)真考慮顏色、刀紋、加工表面粗糙度以及非加工表面的位置等每一處細(xì)節(jié)。由于鋁合金車輪采用剛螺栓和鍍鉻螺母直接與鋼或鑄件聯(lián)結(jié)在一起，所以要考慮潛在的電化學(xué)腐蝕。同時(shí)考慮到車輪在使用過程中，由于環(huán)境或操作人員錯(cuò)誤使用洗滌劑、錯(cuò)誤使用輪胎安裝機(jī)、不正常維護(hù)等等，所以設(shè)計(jì)時(shí)必須充分預(yù)見到這些潛在的問題，將危害降到最低。同時(shí)，為了定時(shí)維護(hù)輪胎、剎車系統(tǒng)及軸承，車輪應(yīng)該易于拆裝，緊固螺母既要能緊固車輪免于松動，又要避免嚴(yán)重擦傷車輪，還不能與螺栓銹死。 設(shè)計(jì)參數(shù)的確定 在確定了設(shè)計(jì)方法以后，根據(jù)總體的設(shè)計(jì)要求，就要進(jìn)一步確定鋁合金車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)參數(shù) ， 這里的設(shè)計(jì)參數(shù)主要包括整體設(shè)計(jì)參數(shù)和局部設(shè)計(jì)參數(shù)兩部分。對于這些尺寸數(shù)據(jù)，要參照不同的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和相關(guān)的車輪成型產(chǎn)品來加以確定。 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 12 表 輪輞直徑（ J型輪輞） 輪輞輪廓種類 輪輞名稱（ in） 名義直徑（ mm） 5 度深槽輪輞 10 12 304 13 14 15 16 17 18 462 19 20 21 22 23 589 24 26 28 716 表 輪輞寬度（ J 型輪輞） 輪輞輪廓種類 輪輞名稱（ in） 輪輞寬度（ mm） 5度深槽輪輞 5 127 6 7 178 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 13 8 203 216 9 10 254 11 12 305 13 330 表 輪輞厚度規(guī)定（只適用于壓鑄輪輞） 尺寸（ in） 載荷（ LBS） 輪輞厚度（ mm） ＜ 15 ≤ 1600 15～ 17 18～ 19 20～ 22 ≥ 23 ＜ 15 2100～ 2500 15～ 17 18～ 19 20～ 22 ≥ 23 ＜ 15 ≥ 3100 15～ 17 18～ 19 20～ 22 上海工程技術(shù)大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 小排量轎車車輪結(jié)構(gòu)的有限元模態(tài)分析 14 ≥ 23 中心孔結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要是需要更多的考慮裝配的關(guān)系，即中心孔與車軸之間、中心孔與卡口蓋之間、中心孔與杯蓋之間的配合。 圖 中心孔安裝面倒角 車輪中心孔與車軸之間的配合為間隙配合，假使車軸直徑為 D1，中心孔直徑為 D，則兩者正常的裝配關(guān)系可用下面的公式表示： D＝ D1＋ ～ ????????????????????? （ ） 當(dāng)車軸與中心孔之間進(jìn)行配合時(shí)，除了保證車輪中心孔與車軸之間的配合為間隙配合外，還要求中心孔有足夠的高度，以保證中心孔或裝飾蓋和車軸頂部不會干涉。 （ 1） 使用覆蓋螺栓孔的裝飾蓋設(shè)計(jì)時(shí)，中心孔結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： 此時(shí)中心孔設(shè)計(jì)可采用簡單的通孔型設(shè)計(jì)，安裝面處設(shè)計(jì)一個(gè) 度的倒角即可。 當(dāng)車輪應(yīng)用于轎車時(shí)，中心孔安裝面到裝飾蓋底部的距離設(shè)計(jì) H2最好為 45mm 以上。 (A) (B) (C) 圖 使用裸露螺栓孔的裝飾蓋時(shí)的三種中心孔結(jié)構(gòu) 當(dāng)使用裸露螺栓孔的裝飾蓋時(shí)，應(yīng)盡量應(yīng)用中心孔結(jié)構(gòu)（ A）、（ B）這兩種常用性設(shè)計(jì)，因?yàn)檫@兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠提供更大的空間以避免與車軸的干涉，同樣的： 當(dāng)車輪應(yīng) 用于轎車時(shí)，中心孔安裝面到裝飾蓋底部的距離設(shè)計(jì) H2最好為 45mm 以上； 當(dāng)車輪應(yīng)用于卡車或 SUV 時(shí)， H2 最好為 65mm 以上。若非特別需要，或裝車的情況不清楚，這種結(jié)構(gòu)應(yīng)該盡量免用，同樣的： 車輪應(yīng)用于轎車時(shí)，中心孔安裝面到裝飾蓋底部的距離設(shè)計(jì) H2 最好為 45mm 以上；而 H1 最好為 14mm 以上。 螺栓孔結(jié)構(gòu)根據(jù)車