李波　臧进

摘要：本文采用三维设计软件CATIA设计了不同结构车轮，利用有限元法计算出了车轮固有频率，分析了不同轮辐厚度、轮辋厚度和法兰厚度对车轮固有频率的影响。研究结果指导产品设计，改善车轮固有频率，使的产品固有频率满足工程需求。

关键词：有限元;固有频率;车轮

0  引言

汽车作为现代交通和代步工具，已不仅仅局限于整车的安全性，对乘坐舒适性和行使平稳性的要求也越来越高。轮毂的固有频率（固有频率及振型）与路面载荷的关联作用是产生路面噪声和振动的重要影响因素，对整车行驶的平稳性将产生很大的影响，进而影响乘坐的舒适性，甚至会对整车产生破坏性损伤。 [1]

现今许多汽车厂越来越重视车轮固有频率研究，并给配套供应商提出了车轮固有频率的要求。车轮供应商在设计车轮时必须改变思想，与主机厂同步，把车轮固有频率做为必要指标加以考虑。因此，有必要研究车轮结构对车轮固有频率的影响，找出主要的影响因素，指导车轮设计，节省设计时间，使车轮快速推向市场。

固有频率作为车轮本身固有的特性，其主要影响因素有材料（弹性模量和密度）、约束情况（有约束和无约束）、结构等。通过工艺改善来改变车轮材料的特性非常困难且不稳定。通过改变车轮结构来改善车轮固有频率是目前采用的主要方法。故本文主要是研究车轮的不同结构对车轮固有频率的影响，找出其中的主要影响因素，发现规律，为车轮设计提供方向，满足工程要求。

铝合金车轮主要由三部分组成：轮芯，轮辐，轮辋。本文以此三部分作为研究对象，找出其对车轮固有频率的影響。

分析过程如下：

1  建立车轮模型

利用三维设计软件CATIA设计车轮三维模型，以19寸车轮为例，忽略气门孔的影响。

①分析轮辋结构对车轮固有频率的影响，保持法兰厚度，轮辐厚度不变，设计不同轮辋壁厚的三维数模。

②分析轮辐结构对车轮固有频率的影响，保持法兰厚度，轮辋厚度不变，设计不同轮辐结构的三维数模。

③分析法兰厚度对车轮固有频率的影响，保持轮辐厚度，轮辋厚度不变，设计不同法兰厚度的三维数模。

车轮三维模型如图1。

2  利用有限元方法计算车轮固有频率

2.1 建立固有频率有限元模型

本文采用ANSYS作为计算工具。车轮与汽车刹车盘连接，故约束车轮的安装面。车轮网格采用实体四面体网格如图2，材料设置铝合金材料属性如图3。计算车轮前3阶固有频率。

2.2 计算不同结构车轮的固有频率

2.2.1 计算不同轮辐厚度的车轮固有频率

不同轮辐厚度的三维模型分析计算结果如表1。

2.2.2 数据分析

由图4、图5可以发现，在其他尺寸不变的情况下，轮辐厚度发生变化时，车轮固有频率也相应发生变化，基本是线性关系。

2.2.3 计算不同法兰厚度的车轮固有频率

不同法兰厚度的三维数模固有频率分析计算结果如表2。

2.2.4 数据分析

由图6、图7可以发现，在其他尺寸不变的情况下，车轮法兰厚度和车轮重量发生变化时，车轮固有频率也相应发生变化，基本是线性关系。

2.2.5 计算不同轮辋厚度的固有频率

不同轮辋厚度的三维模型固有频率分析计算结果如表3。

2.2.6 数据分析

由图8、图9可以发现，在其他尺寸不变的情况下，车轮轮辋厚度和车轮重量发生变化时，轮辋壁厚和固有频率呈反比关系，即轮辋壁厚越厚车轮的固有频率越小。

2.3 试验检测车轮固有频率

对车轮进行试验检测，本文采用的低压铸造铝合金车轮，材料为铸造铝合金A356。把车轮安装面固定在钢制平台上，轮缘放置加速度传感器，用橡皮锤敲击轮缘，检测车轮固有频率。为了方便测量，本文中只检测一阶固有频率。

检测数据如表4。从检测数据可以看出，其测量结果和有限元分析结果基本相符，但是还是有一定差距，需要进一步完善有限元分析模型。

3  结论

①车轮轮辐厚度、轮辋厚度和法兰厚度对车轮固有频率都有影响，其中轮辐和法兰厚度与固有频率呈正比关系，轮辋壁厚与车轮固有频率呈反比关系，其中轮辐对固有频率的影响最大。

②车轮固有频率直接关系到车轮重量，固有频率要求较高时，一般情况下车轮重量会相应增高，影响车轮制作成本。同时，车轮重量增加，会影响汽车的耗油量。

③本文给出了改善车轮固有频率的设计方向，为车轮前期设计提供了设计依据。

参考文献：

[1]李力重，王军.固有频率在车轮设计有限元分析中的应用.

[2]刘晓东.重型轨道车车轮异常磨耗原因分析及应对措施[J].内燃机与配件，2019（07）：124-125.

[2]吴晓东.基于ANSYS的轮毂模态分析[J].内燃机与配件，2019（16）：42-43.