唐珍珍

盐城生物工程高等职业技术学校 江苏省盐城市 224000

当今社会发展中汽车已经成为人类最重要的代步工具，伴随着汽车工业与科学技术的发展持续优化升级汽车的使用性能，促进汽车迭代升级。高速运转中的汽车对车轮的安全性要求较高。汽车的平稳性、可操作性以及安全运行的性能很大程度取决于车轮的性能。本文通过有限元分析法对复合材料车轮进行模态分析与应力分析，综合汽车实用性要求的角度分析车轮结构强度，优化设计汽车结构强度，以期实现在降低车轮总质量、整车质量的同时，提高续航里程。本文研究结论具有较大的参考价值。

1 车轮基本知识

汽车行驶中车轮与地面间会形成附着力，即形成制动力与驱动力，承担簧载质量并解决道路不平而导致冲击力的问题，从而提高汽车操作稳定性。车轮的结合形式主要可分两种：第一种是整体式，即一体化轮辐与轮辋；第二种是组合式，即至少由两个部件构成车轮。

轮辐与轮辋是车轮的基本部件。汽车整车的重量主要依托轮辋与最外侧轮胎承载。轮缘，即轮辋的最外沿。轮缘与轮胎相配合，形成轴向载荷并作用于轮胎，能够保护轮胎。从结构上看，常见的轮辋有三种类型：第一种是对开式；第二种是平底式；第三种是深槽式。在设计车轮结构时，需要充分考虑如下两个参数：第一个是轮辋名义直径；第二个是轮辋宽度。上述两个参数共同决定了轮胎对地面的单位压力。一般认为轮辋的宽度越大，运转中的车轮就会受到越大的摩擦阻力，由此造成较大的油耗。综上，从燃油的经济性的角度分析应落实轻量化设计、轮辋结构参数设计，这有利于减少能耗。轮辐可通过铆接或者焊接的方式将轮辋与轮盘固定为一个整体，并借助轮盘的中心孔以及周围的螺栓孔在轮毂安装轮辐，主要可分为盘式、辐式。本文研究中的车轮都为螺栓孔，共计5个。车轮的整体结构，如图1 所示。

图1 车轮结构图

一般可按照国家指定的尺寸选配设计轮辋与轮胎，两者都属于标准件。在车轮中，作为支撑结构的轮辐一般是由设计者决定尺寸与外形的，其没有可参考的国家标准。在整个设计过程中，应该确保行驶中的汽车可均匀的受到轮辐，避免应力集中的情况。轮辐中心的厚度大于轮缘的厚度，整体呈现出递减的趋势。具体设计时应该综合外观设计要求以及各种工况下车轮对强度的要求。车轮的重量主要取决于轮辐与轮辋。后续计算时可按照两者质量在车轮中的占比为80%进行计算。建模平台在参数化模型构建车轮方面主要运用了CreoParametric 软件。

2 汽车车轮结构有限元建模

为了降低有限元建模的求解误差，应合理选择网格。壳体部件属于汽车零部件的一部分，通常以四边形网格进行网格划分。如果是实体部件则多采用六面体网格、四面体网格。COMSOL Multiphysics 为了避免误差的影响，通常采用多种网格尺寸控制法。车轮不适宜划分为规则网格，这是因为其包含较多曲面，具有不规则性。本次运用软件自带的自适应网络划分工具实现自动生成网格，可计算离散误差。在此基础上，结合误差大小对网格的大小、密度进行调整，从而提高有限元分析的精度。在划分好网格后，需要检查网格的质量。这是因为计算有限元分析数据的周期及计算准确性很大程度取决于网格的密度、大小及其所属类型。在COMSOL软件中包含多种网格检查的标准，比如最大角度、条件数、偏斜度、体积vs 长度等。操作时可借助软件获取网格单元质量正态分布图，一般情况下其拟合性越好，则代表网格质量越好。本次研究中车轮所使用的为四面体单元，其单元大小为2mm。车轮整体网格划分如图2 所示。

图2 车轮网格划分图

设定以碳纤维-环氧树脂作为轮毂材料，表1 为基本材料属性。

表1 轮毂材料属性

3 车轮的模态分析

如行驶中的汽车出现共振是一件很危险的事，它不仅会直接影响汽车正常行驶，影响车轮的NVH 性能乃至整个生命周期的使用，严重的还有可能演变成为车毁人亡的事故。车轮是否发生共振主要与外部激振频率有关。如该值接近汽车固有频率即很有可能发生共振。基于此，为了确保汽车整车平稳运行，应以车轮的结构力学特性作为研究重点。作为汽车最重要的部件之一车轮具有多自由度的属性特点，可通过模态合成车轮的运动状态，故此需要模态分析车轮。在研究动力学问题方面，模态分析也具有较大的价值，主要是按照设计结构的振动频率以及振型设计的。如图2 所示，本文主要以复合材料车轮为例，对其进行模态分析。

分析各阶段材料轮毂的频率值如表2 所示，复合材料车轮一般不会受到外界较大的影响，其能够远离共振频率。另外，相较于低频振动，高频振动所需的能耗较小，更符合燃油经济性要求。

表2 碳纤维-环氧树脂轮毂各阶模态对应的频率值

分析图3 可知，轮辋与轮辐相邻的振动频率复合材料车辆对应的振型有正交性。在模态计算时，可将频率相近的振型视为振动方程的重根。一阶阵型、二阶阵型存在类似的固有频率，四阶阵型的固有频率也接近于五阶阵型，车轮出现一阶弯曲。三阶、六阶阵型与相邻阵的振动频率差距较大。车轮的轮辐在这两个振动频率的作用下，其朝着轴向偏移。轮辋一般不会发生较大的变化。三阶、六阶阵型的轮辐分别向内侧、外侧偏移。从振动频率方面分析，七阶接近于八阶，轮辋与轮辐受到上述两阶模态的影响会出现偏移，但是偏移的幅度一般较小。九阶模态、十阶模态也有较为接近的振动频率，车轮出现二阶弯曲。综上充分说明本次设计是合理的。

图3 碳纤维-环氧树脂车轮模态计算

4 结语

本文在设计复合材料车轮时充分考虑了材料（碳纤维-环氧树脂复合材料）的结构特性以及设计车轮的标准，并紧扣车辆轻量化的发展趋势。本次研究中所建立的车轮参数模型是参照Creo 这一三维设计软件形成的。在模态分析与强度分析方面，主要运用了COMSOL 多物理场仿真软件。最后分析认为本次所选择的车轮材料有利于减少车轮的质量。另外，从结构模态变化的规律来看，也符合实际使用与设计要求。