浅谈轮毂结构对车轮强度的影响

李 飞，徐论意

浅谈轮毂结构对车轮强度的影响

李 飞，徐论意

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 231200）

车轮是汽车的安全部件，不仅影响汽车的行驶性能，还影响汽车的行驶安全性，应具有足够的刚度和疲劳强度。车轮的强度不仅与轮胎气压、车辆重量、轮胎最大载荷、车辆速度、使用温度和腐蚀等使用环境有关，还受到与之连接零件轮毂的结构影响。文章对不同轮毂结构对车轮强度的影响进行分析和验证，通过优化轮毂结构可以提升车轮的安全率和使用寿命，给解决车轮开裂问题和车轮轻量化设计提供新的思路。

车轮；轮毂；强度；疲劳

引言

汽车的轮胎与支撑它的车轮是汽车的重要部件，承受车辆的垂直载荷、侧向载荷以及驱动、制动扭转力矩等在行驶中所产生的各种力，以及转向时通过轮胎实现转向。

车轮不仅影响汽车的行驶性能，还影响汽车的行驶安全性，是汽车重要的安全部件。因此要求车轮在保持轮廓、尺寸和形状具有良好精度的同时，还要具有足够的刚性和疲劳性[1]。

车轮的强度的影响因素有很多，如轮胎的气压、车辆重量、轮胎最大载荷、车辆速度、使用温度和腐蚀等。当然，轮辋和轮辐作为车轮的重要组成部件，大量的研究表明通过优化其材料和结构可以显著提升车轮强度，如优化通风孔和截面结构使车轮强度提升20%[2]。但是，对于车轮的配合件——轮毂对车轮强度影响的研究很少。

本文采用不同结构尺寸的轮毂，借助CAE分析和台架试验，分析轮辋结构对车轮强度的影响。

1 结构形式

1.1 车轮结构

车轮由轮辋和轮辐通过焊接组合而成，见图1。轮胎装在轮辋上，为了使轮辋能牢固装配轮胎，要求轮辋是国际通用的标准部件，通常根据轮胎型号参照国家标准[3]进行选取。轮辋结构简单，钢制轮辋一般采用辊压工艺成型。而轮辐则经过轮胎螺栓固定到轮毂上。轮辐上有止口、螺栓孔、通风孔等特征，结构较为复杂，是车轮故障的多发部位[4]。

图1 车轮结构

1.2 轮毂结构

轮毂一端采用图2方式与车轮及制动鼓固定，另一端通过轴承和转向节连接，实现支撑和承载。经分析可知，影响车轮强度的轮毂结构参数有法兰盘面积和车轮安装紧固点的法兰盘厚度，本文主要研究前者对车轮强度的影响。

图2 车轮与轮毂连接简图

在轻型载货汽车上，常用的配合车轮安装的轮毂法兰盘结构有两种：带槽和不带槽，这就造成配合面积不同。两种结构的主要区别在于车轮固定螺栓的防跟转限位方式不同，带槽结构采用螺栓上的台阶与轮毂上的凹槽配合，起到限位作用，不带槽结构采用螺栓上的滚花，增加螺栓与轮毂的装配过盈量达到限位目的，如图3所示。

为研究轮毂上车轮安装面接触面积对车轮强度的影响，采用上述两种结构及增大轮毂法兰盘直径（增加接触面积）结构，对比分析三种结构对车轮强度的影响，三种方案说明见表1。

表1 三种轮毂结构参数

参数结构A结构B结构C 槽特征带槽不带槽不带槽 法兰盘直径ΦDΦDΦ1.1×D 其他相同

1.3 连接方式

车轮与轮毂连接方式主要考虑三点：定位方式、连接螺栓数量及规格、连接螺栓分度圆。常用的定位方式有止口定位和球面定位两种，本文研究采用前一种定位方式。连接螺栓数量及规格和连接螺栓分度圆根据车轮承载能力、整车平台及通用化设计需求进行选择。

为控制变量，针对不同的轮毂结构，采用相同的连接方式，如图3所示。

图3 轮毂结构及螺栓限位结构

2 有限元模型

2.1 几何模型导入

车轮采用CATIA软件建模，采用HyperWorks进行CAE分析，包括前处理、求解和后处理。将在CATIA软件中建好的车轮CAD数型以IGS格式导入HyperMesh中，进行前处理，通过软件自带的几何清理功能对存在问题曲面、点、线等进行修复和简化，以便获得优质的有限元模型。

2.2 网格划分

采用体单元对车轮进行网格划分，严格控制长宽比、雅克比及扭曲角等指标已获得高质量的网格，并赋予车轮使用的材料和属性。车轮有限元模型共创建267 736个节点和401 404个单元。

2.3 工况及边界

车轮主要失效模式疲劳破坏，考察车轮可靠性的主要指标有车轮的弯曲疲劳寿命和径向疲劳寿命，其中弯曲疲劳试验的失效率较高[5]。

车轮弯曲疲劳试验是在车轮上施加一个模拟车辆行驶中受到的旋转弯矩，经过一定的疲劳循环后而失效的试验。

根据国家标准要求，车轮弯曲疲劳试验应按图4所示方法将车轮固定在试验夹具上并加载，载荷弯矩大小按式（1）计算，具体见GB/T 5909—2009[6]。

=（+）FS （1）

式中：

为弯矩，N·m；为轮胎与路面间设定的摩擦系数；为车轮或车轮制造商规定的该车轮配用的最大轮胎的静态负荷半径，m；为车辆的内偏距或外偏距，m；为车辆或车轮制造商规定的车轮额定负载值；为强化试验系数。

图4 弯曲疲劳试验

图5 车轮有限元模型

本文有限元模拟弯曲疲劳试验的加载方式，进行静力学分析。为便于加载，本文选定力臂长度，将弯矩等效为载荷。采用RBE2刚性单元模型模拟加载臂，并在端点处施加载荷；抓取轮辋边缘处节点并施加6个自由度的全约束模拟轮辋与试验台的装夹，采用REB2刚采用节点融合模拟车轮与轮毂螺栓连接；选择上述载荷和约束，完成载荷步的添加，完成后的车轮有限元分析模型如图5所示。

然后分别采用HyperWorks软件自带的求解器OptiStruct和后处理HyperView进行计算和结果查看。

3 计算与试验

从车轮应力云图上可以看出最大应力点出现在螺栓连接处，如图6所示。

图6 车轮应力云图

采用GB/T5909方法对结构B和结构C车轮进行弯曲疲劳试验，结果显示结构B的失效模式为轮辐螺孔外圆开裂，与CAE分析一致；结构C失效模式为焊接部位轮辋开裂，反映故障从漏气开始，如图7所示。

图7 车轮开裂图示

CAE结果显示：相对于结构A，结构B和结构C安全率分别提升12.1%和26.7%；台架疲劳试验结果显示，结构C相对与结构B寿命提升46.9%，结果见表2。因结构A台架试验涉及试验工装变动，难以实现，所以未进行台架试验。

表2 不同轮毂结构CAE分析和台架试验结果

项目结构A结构B结构C 安全率/%1.651.852.09 疲劳寿命/万次 3247

4 总结

本文采用CAE和台架试验方法对不同轮毂结构对车轮强度的影响进行分析和验证，结果表明：轮毂结构对车轮强度有显著影响，通过优化轮毂结构可以提升车轮的安全率和使用寿命；如果保持现有安全率不变，可对车轮材料厚度进行减薄，给解决车轮开裂问题和车轮轻量化设计提供新的思路。

[1] 刘惟信.汽车设计[M].北京:清华大学出版社,2001.

[2] 马波.基于HyperWorks的某轻卡轮辋总成结构优化设计[J].汽车实用技术,2017(06):12-13+50.

[3] 全国轮胎轮辋标准化技术委员会.汽车轮辋规格系列:GB/T 3487—2005[S].北京:全国轮胎轮辋标准化技术委员会,2005.

[4] 张卡德,黄致建,郝艳华,等.汽车车轮轮辐疲劳裂纹位置预估[J].华侨大学学报.2009,30(6),610-613.

[5] 刘恩泽.钢制车轮设计与疲劳分析的有限元仿真与验证[D].长春:吉林大学,2014.

[6] 全国汽车标准化技术委员会.商用车辆车轮性能要求和试验方法:GB/T 5909—2009[S].北京:全国轮胎轮辋标准化技术委员会,2009.

Discuss the Influence of Hub Structure on Wheel Strength

LI Fei, XU Lunyi

( Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Anhui Hefei 231200 )

Wheel is the safety part of the car, not only affects the performance of the car, but also affects the safety of the car, should have enough stiffness and fatigue strength. The strength of the wheel is not only related to the tire pressure, vehicle weight, maximum tire load, vehicle speed, service temperature and corrosion, but also affected by the structure of the hub connected with the parts. In this paper, the influence of different hub structure on wheel strength is analyzed and verified, and the safety rate and service life of wheel can be improved by optimizing hub structure, which provides a new idea for solving the problem of wheel cracking and wheel lightweight design.

Wheel; Hub; Strength; Fatigue

U463

A

1671-7988(2022)02-119-04

U463

A

1671-7988(2022)02-119-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2022.002.027

李飞，男，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司，研究方向：轻型商用汽车设计与研究。