蒋万标，郝艳华，李 嘉

（华侨大学 机电及自动化学院，厦门 361021）

轻量化趋势是未来汽车的必然选择，而汽车钢圈的轻量化，必然通过提高材料强度，同时减薄材料厚度来实现。为了保证材料的焊接性能，目前的钢材主要通过添加微量合金元素、改进轧制方法等细化晶粒来实现强度的提高，但其主要成份的含量变动很小。由于弹性模量只与材料的成份有关，而与其他因素，包括组织形态、晶粒大小等无关，因此，在车轮专用钢中，不同强度的材料，其弹性模量差异并不大。而材料厚度的减薄势必引起钢圈刚度的下降，因此，在钢圈的轻量化过程中，其结构也必须作出相应改变以提高钢圈的刚度。

1 钢圈简介

钢圈由轮辋轮辐焊合而成，轮辐有中孔、螺孔、风孔等组成，轮辋则由轮缘、胎圈座、安装面、槽底等部分组成，并以R角连接各部分。其名称如图1所示。

图1 钢圈各部分的名称

2 有限元模型的建立

有限元仿真模型参照GB/T 5909-2009(中国商用车辆车轮性能要求和试验方法)中的径向疲劳试验方法建立[1]。

在试验中，钢圈主要受径向负载及轮胎气压。径向负载通过轮胎传递，此力在圆周方向上沿中间向两侧依余弦规律递减[2]，其合力为设备对轮胎施加的载荷，如图2所示。

图2 钢圈的径向受力示意图

气压则作用于整个轮辋表面，且通过轮胎对轮缘有侧向压力。车轮重力、转动时的离心力，忽略不计。

运用有限元分析软件ANSYS建立车轮实体，采用Solid单元对车轮进行网格划分[3]，材料的弹性模量取值206 800 MPa，泊松比取值0.3。依据径向疲劳试验某一瞬间状态受力情况，建立有限元模型，并算出最大应力点的数值和位置。而后将车轮所受载荷沿车轮模型转过多个小角度，以模拟车轮在旋转过程中不同时刻的受力状况，得出车轮旋转时所受的最大应力。

初始设定，轮辋厚度为6 mm，轮辐厚度为11 mm。因车轮受力情况复杂，以当量应力表示其受力状态。当车轮旋转一周时，其最大应力出现在风孔附近[4]，最大形变量出现在轮缘处，其最大应力191.913 MPa，最大形变量0.647 9 mm，如图3所示。

图3 6 mm轮辋的钢圈应力云图

3 钢圈结构分析

3.1 轮辋厚度影响分析

改变初始轮辋的厚度，计算同等受力下，不同厚度轮辋的钢圈所受应力与形变量，结果如表1所列。

表1 不同板厚轮辋的应力、形变量

从表1可以看出，轮辋的减薄势必引起钢轮刚度下降，钢轮所受应力、形变量随厚度下降而上升，其变化与厚度近似成线性关系。

3.2 槽深影响分析

在轮辋设计中，槽的深度在满足装胎和轮毂安装的情况下是可变的。改变槽深，计算结果如表2所列。

表2 不同槽深轮辋的应力、形变量

从表2中可以看出，应力、形变量随槽加深而减小，基本成线性关系。适度增加槽的深度，可以提高钢圈的刚度，改善钢圈的受力情况。

3.3 轮缘高度影响分析

轮缘是轮辋两侧用于固定轮胎防止轮胎脱落的部分。为保证装配和避免滑胎，其高度值可取12.7 mm～13.2 mm。轮缘的高度对最大当量应力和变形的影响如下：

表3 不同轮缘高度时的应力、形变量

从表3中可以看出，应力、形变量随轮缘高度增高而减小。考虑到钢圈的减薄引起的轮辋形变量增强[5]，因此，在实际制造过程中，轮缘的高度可以取上偏差，即能减小一部分应力，同时可以防止车轮轮胎脱落。

3.4 槽宽与安装面长度分配

胎圈座须与轮胎配合，其变化较小，而轮辋的总宽一定，剩余长度由槽宽和安装面分配。在本文选用的钢圈中，槽宽可在25 mm至31 mm间变化，则安装宽度也相应从26.6 mm变化至20.6 mm。因此，考虑槽宽变化对钢圈的影响，其结果如表4所列。

表4 不同槽宽时的应力、形变量

从表4中可以看出，应力、形变量随槽宽增加而增加。同时，槽宽降低，则安装面会加长，较长的安装面成型时圆度更佳，有利于焊接的稳定性。因此在设计时，应结合装胎的要求，适度减小槽的宽度。

依上述分析，各部分均取最优值，即轮缘高度取13.2 mm，槽宽取25 mm，槽深取36 mm，相比原结构，其结果如表5所列。

表5 钢圈结构优化前后对比

从表5中可以看出，优化后的产品，应力相比优化前降低了7.2%，而形变量下降了7.9%。

3.5 试验结果

目前，车轮工厂已有一些产品设计，通过加高轮缘、降低槽宽、加大槽深等方法对原车轮进行了改进。随机抽取4个改进前的车轮和四个改进后的车轮进行径向疲劳试验，改进前平均寿命为8.6E+5转，改进后平均寿命为1.17E+6转，失效形式均为风孔开裂，试验对比如表6所示。

表6 径向实验对比

由此可见，产品的未来的设计方向，将是以有限元模拟分析为基础，通过模拟求出较优参数，并通过试验验证[6]。

4 结束语

以某款钢圈为例，应用ANSYS软件建模，计算出钢圈薄弱处。计算分析结果表明：减小板厚，会大大降低轮辋的刚度，而加高轮缘，加大槽深，减小槽宽等，可以有效提高钢圈刚度，从而减小了钢圈的最大应力与形变量。通过实际测试，表明此方法是可行的。

[1]GB/T5909-2009.商用车辆汽车车轮性能要求和试验方法[S].

[2]刘海澄，柳玉起.车轮结构强度的有限元分析及应用[M].武汉：华中科技大学出版社，2004.

[3]张洪信，管殿柱.有限元基础理论与Ansys11.0应用[M].北京：机械工业出版社，2009.

[4]张卡德，等.汽车车轮轮辐疲劳裂纹位置预估[J].华侨大学学报，2009,（11）:610-613.

[5]邱宣怀，等.机械设计[M].北京：高等教育出版社，2001.

[6]赵少汴，王忠保.疲劳设计[M].北京：机械工业出版社,1992.