【汽車輪轂輕量化探究11000字（論文）】

汽車輪轂輕量化研究摘要：在社會飛速發(fā)展的今天，汽車行業(yè)也加快了發(fā)展的步伐，為人們帶來了便利的生活方式，但汽車新趨勢更向著節(jié)能、環(huán)保、安全、等方面發(fā)展。節(jié)能、環(huán)保這一課題在全球范圍內(nèi)都得到了不斷的努力，也關(guān)系到我國汽車、汽車零件制造廠商，輕量化更成為眾多汽車行業(yè)及輪轂廠商關(guān)注的焦點。本論文以重卡輪轂為主要研究對象，通過有限元方法對其進行靜力學(xué)分析以實現(xiàn)質(zhì)量，成本及性能三方面的綜合考慮，并在確保輪轂強度，剛度及不會降低車輛性能的基礎(chǔ)上，通過結(jié)構(gòu)分析及輕量化設(shè)計來實現(xiàn)車輛前橋的輕量化，去除了輪轂中的某些冗余部位，以較少的可靠性試驗數(shù)據(jù)獲得較為可信的可靠性評價結(jié)果，降低設(shè)計及試驗成本，從而為載重車用高性能輕量化輪轂的研制提供技術(shù)方法及理論支撐。關(guān)鍵詞：汽車輪轂；高性能；輕量化目錄TOC\o"1-3"\h\u283621.緒論 396481.1選題背景和研究意義 3320171.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 4224982輪轂表面點云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理 5258562.1點云數(shù)據(jù)采集方法 5255092.2點云數(shù)據(jù)測量 6147592.3點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理 7138263UG輪轂幾何建模 8105563.1UG軟件建模功能分析 8113593.2輪轂結(jié)構(gòu)造型分析 929263.3重構(gòu)模型誤差檢測 10307324優(yōu)化后輪轂的試驗分析 1128814.1輪轂試驗要求 1189974.2彎曲疲勞試驗有限元分析 1243244.3輪轂輕量化改進 13270305.結(jié)論 1529473參考文獻 171.緒論1.1選題背景和研究意義在科技與現(xiàn)代化飛速發(fā)展的今天，汽車以其方便快捷己經(jīng)成了人們出行的第一選擇，尤其是21世紀后，汽車在世界范圍內(nèi)的年銷售量呈現(xiàn)不斷上升的態(tài)勢，統(tǒng)計顯示2019年世界汽車年銷量將超過1億。中國作為世界上人口最多的國家,GDP排名第二，在這樣一個大環(huán)境下，我國汽車行業(yè)有著巨大的需求空間，而汽車輪轂又是我國汽車中最重要的組成部分之一，因此，在未來幾年內(nèi)，我國的汽車需求都會帶動國內(nèi)輪轂行業(yè)的發(fā)展。汽車行業(yè)在近些年來取得了長足的進步，但與此同時，由于汽車尾部產(chǎn)生大量的汽車尾氣對大氣環(huán)境造成了嚴重的污染和破壞,溫室效應(yīng)就是其中的罪魁禍首之一。汽車尾氣排放已被列入我國《中國制造2025規(guī)劃》中的綠色發(fā)展的基本方針之一。目前世界上有很多國家都在大力發(fā)展汽車制造業(yè)，但是由于汽車尾氣排放所導(dǎo)致的大氣污染問題已經(jīng)嚴重影響到人類賴以生存的環(huán)境。汽車尾氣排放中含有大量有害物質(zhì)如二氧化碳、一氧化碳以及氮氧化物等。這些有害氣體會造成環(huán)境污染。加劇氣候變暖。威脅著人類健康。破壞自然環(huán)境。危害生態(tài)系統(tǒng)。污染環(huán)境。所以，降低汽車尾氣污染物排放量就成了汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向，汽車輕量化研究能控制汽車油耗，繼而有效地控制污染物排放，更為重要的是能緩解石油和其他不可再生資源需求，有效保護大氣環(huán)境。從資源有效利用與生態(tài)環(huán)境兩個角度來分析，輕量化研究己經(jīng)是今后汽車工業(yè)的主要任務(wù)。汽車零部件輕量化研究有兩方面內(nèi)容：一方面要選用質(zhì)量較輕、性能較好的原材料（例如鋁合金），另一方面要優(yōu)化原結(jié)構(gòu)以減少原材料用量，同時要滿足零部件使用要求及安全性能。這就需要對現(xiàn)有零部件進行重新設(shè)計，以達到降低成本的目的。而目前，許多零部件都采用常規(guī)方法來解決這些問題。這種做法不但浪費材料，而且增加制造工序，縮短生產(chǎn)周期。因此必須加以改進。逆向工程就是其中之一。技術(shù)成熟。應(yīng)用廣泛。前景廣闊。成效顯著。勢在必行。在汽車零件的開發(fā)過程中，通過對市場的調(diào)研與分析，結(jié)合用戶的反饋信息，經(jīng)過充分的市場調(diào)研以及合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計后，采用循環(huán)再設(shè)計的方法來縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，從而節(jié)約企業(yè)的人力及經(jīng)濟成本，這就是逆向工程技術(shù)。飛速發(fā)展的逆向工程技術(shù)節(jié)約了新產(chǎn)品開發(fā)所需的大量時間和減少了開發(fā)費用，由于它能快速準確地獲得零件表面信息，現(xiàn)已經(jīng)被汽車行業(yè)廣泛應(yīng)用。本專題探索的主旨是在汽車時代飛速發(fā)展的今天，越來越多的汽車向智能化、環(huán)?；⒐?jié)能化、輕量化的方向邁進，輕量化一詞首先來源于賽車運動，由于賽車對速度、操控性的追求，輕量化能夠讓汽車簧下重量降低，帶來較好的操控效果，同時發(fā)動機輸出的動力還能產(chǎn)生較高水平的加速運動效果，為賽車帶來良好的比賽效果。因此，汽車行業(yè)對輕量化技術(shù)的研究逐漸成為熱點，并取得了良好的效果。如今，世界上許多國家都將降低油耗作為汽車行業(yè)最重要的指標之一；與此同時，減少污染排放已成為汽車行業(yè)關(guān)注的焦點。節(jié)能減排勢在必行。保護環(huán)境迫在眉睫。低碳經(jīng)濟勢在必行。綠色經(jīng)濟勢在必行。儲蓄迫在眉睫。環(huán)境保護迫在眉睫。我們每天使用的轎車、貨車和卡車也需要輕量化，我們每天所使用的車輛也需要節(jié)能、環(huán)保和可操控。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀自2010年以來，重慶大學(xué)，吉林大學(xué)，南京航空航天大學(xué)，燕山大學(xué)，江蘇大學(xué)先后啟動了汽車輪轂結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究工作。通過查閱大量文獻并結(jié)合自身多年來的研究經(jīng)驗，提出了一種新的基于現(xiàn)代設(shè)計方法——參數(shù)化建模技術(shù)的新型輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計理論。該理論將先進的CAD/CAM技術(shù)相結(jié)合。提高了工作效率。縮短了研發(fā)周期。節(jié)約成本。提高效率。降低成本。降低風(fēng)險。節(jié)省時間。方便實用。2010年張寧采用現(xiàn)代化設(shè)計方法對已建輪轂?zāi)Ｐ?個基礎(chǔ)性能分析并優(yōu)化，優(yōu)化模型質(zhì)量降低5.50700.2013年康淑賢采用工業(yè)設(shè)計美學(xué)與中國傳統(tǒng)文化相結(jié)合設(shè)計“鳳舞”，“禪意”，“火輪”，“中式”4種圖案輪轂，并探索輪轂造型及輕量化相結(jié)合的設(shè)計手法，以滿足輪轂造型優(yōu)美多樣為目標。孫建鵬，2014。以UG,ANSYS為平臺對輪轂進行參數(shù)化設(shè)計及性能分析，經(jīng)驗證其對輪轂設(shè)計有指導(dǎo)作用。2015年馬曉康在模擬輪轂3個基礎(chǔ)實驗與實際試驗結(jié)合下，分別進行輪轂輕量化研究，在實現(xiàn)輕量化目標下驗證有限元模擬精度。2016年李家要對某款重型汽車輪轂進行調(diào)研，在提高輪轂性能方面效果更佳。2017年，王龍等人利用輕型載貨車作為研究平臺，通過有限元計算分析，將強度與剛度作為約束，開展輪轂結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計研究，優(yōu)化輪轂成功完成整車可靠性試驗并達到降重、降成本總目標，提升產(chǎn)品競爭力。2016年何建民研究并開發(fā)了一種新型輪轂材料——碳纖維復(fù)合材料（CFRP），該輪轂不僅具有高強度高剛度以及良好的散熱能力，還可避免因應(yīng)力集中造成疲勞裂紋。目前已經(jīng)應(yīng)用到多個車型中。受到用戶好評并得到市場認可以及廣泛應(yīng)用。其前景廣闊市場潛力大。李豐在2018年對汽車輪轂輕量化優(yōu)點與必要性進行分析，并在此基礎(chǔ)上提出使用鋁合金輪轂可以有切實提升汽車輕量化水平、綠色環(huán)保、操縱性好等優(yōu)點。國外在輪轂輕量化方面也有很大發(fā)展，包括國外部分輪轂生產(chǎn)廠家（BulletinBoardSystem,MoMo,WheelPros）都利用功能強大的計算機輔助設(shè)計軟件CATIA,Solidworks設(shè)計輪轂外形，并利用ANSYS,Abaqus,HyperMesh分析輪轂性能，優(yōu)化輪轂結(jié)構(gòu)。美國福特公司借鑒車輪動態(tài)彎曲疲勞模擬結(jié)果對其進行了優(yōu)化以降低模型承受的最大應(yīng)力值。國內(nèi)對于輪轂的減重研究還處于起步階段，主要是通過對現(xiàn)有車型的改進來達到減輕車身重量的目的。在實際應(yīng)用中存在著不少問題。如輪座處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中；輻板強度不夠等等。這些都需要解決，解決問題才能實現(xiàn)，降低成本，提高效率，節(jié)約成本，節(jié)省時間。M.M.Topac,S.Ercan于2012年又采用有限元分析對一個鋼制車輪做了壽命分析，結(jié)果表明輪輻處容易產(chǎn)生疲勞破壞，經(jīng)過優(yōu)化使輪轂疲勞壽命極限值得到改善。2輪轂表面點云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理2.1點云數(shù)據(jù)采集方法接觸式測量從字面上理解，即掃描設(shè)備中的某個部件通過間接或者直接方式和待測物體進行接觸，最典型的測量設(shè)備為三坐標測量機（CMM）。三坐標測量機主要由控制和測量兩部分組成，其中機械系統(tǒng)包括測量平臺、手動及電控等模塊，測量探頭用于對待測物體進行測量并將測得的數(shù)據(jù)傳遞給計算機，而計算機則負責(zé)對數(shù)據(jù)進行處理。隨著計算機技術(shù)和工業(yè)自動化技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對三坐標測量機也提出了更高要求。首先，要提高其精度；其次，要降低測量所需的時間。這就離不開機械結(jié)構(gòu)方面的改進。減少測量誤差。減小誤差。簡化操作。提高效率。降低成本。節(jié)省成本?？s短周期。三坐標測量機具有精度高、速度快、外形尺寸小、精準度高以及測量時間短等優(yōu)點，但由于其無法獲取被測對象的內(nèi)部表面數(shù)據(jù)，因此限制了三坐標測量機的應(yīng)用范圍。非接觸測量是指通過對待測模型的模型表面施加一定的力，利用聲學(xué)和光學(xué)反射原理來實現(xiàn)對待測模型內(nèi)表面的測量。近些年來，越來越多的科研人員開始研究和開發(fā)各種新型的非接觸測量設(shè)備來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的測量設(shè)備。一、激光散斑測量法（LaserDistributionMethod,簡稱LDA）該方法是一種簡單有效的測量方法，可以通過改變激光器發(fā)射光線和探測器接收光線之間夾角來實現(xiàn)被測對象三維形貌參數(shù)的檢測。主要用于曲面重建。結(jié)構(gòu)比較簡單。成本低。易操作。激光三角法以光線的反射原理為基礎(chǔ)，待測物表面反射裝置投射出來的藍光或者紅光至內(nèi)部接收器處，待測物的輪廓信息由相機獲得，依據(jù)待測物外部輪廓形狀改變，在裝置接收器處反射的對應(yīng)位置隨之改變，相機可以記錄待測物表面不同部位的變化信息，并依據(jù)記錄所得激光在待測物表面的投影位置變化信息進行處理，即可獲得待測物表面信息。投影光柵法是利用兩個CCD相機組成一個光柵投射機來獲得光柵影線；超聲波法實質(zhì)就是發(fā)射超聲波脈沖到達所需測量模型表面，經(jīng)過反射波信息處理后再獲取被測模型表面信息。工業(yè)CT法是利用射線照射在待檢測對象表面上，因?qū)ο蟊砻娓鞑课磺拾l(fā)生變化，身寸線照射在待檢測模型上各部位衰減程度不同，所以該裝置探測器在各部位接收透射能量并不相同，依據(jù)透射能量變化進行處理可獲得待檢測對象各部位信息。激光三角法是基于光的反射原理，待測物體表面將設(shè)備投射出的藍光或紅光反射給內(nèi)部的接收器，待測物體的輪廓信息被相機獲取，根據(jù)待測物體外輪廓形狀的變化，反射到UG設(shè)備接收器上的相應(yīng)位置也會發(fā)生變化，相機可記錄待測物體表面不同位置的變化情況，根據(jù)記錄得到的激光投射到待測物體表面位置的變化情況處理后可得到待測量模型的表面信息。2.2點云數(shù)據(jù)測量本專題選取的車型為某車型的輪轂，實物如圖1，輪轂內(nèi)徑14英寸、寬度5.5英寸。由于其形狀為扭曲狀，所以在實際應(yīng)用中，必須要有一定數(shù)量的螺栓安裝孔以滿足不同的測量條件，同時為了實現(xiàn)輪轂的拼接功能，還需要獲取大量的點云數(shù)據(jù)。輪轂反射回來的反射光中含有大量的顯像劑，具有很強的反光能力，這就使得該相機在使用過程中很容易受到外界環(huán)境影響而出現(xiàn)各種問題，例如：拍攝時光線太暗或太亮都會導(dǎo)致拍照式掃描儀無法正常工作，同時還會因為工作環(huán)境惡劣或者外界環(huán)境中存在一些噪聲點而誤拍；但是因為掃描過程中不可避免地存在大量的冗余和重復(fù)采樣，造成整個系統(tǒng)效率低下。為了提高掃描儀的工作效率，本文采用了一種快速有效的方法——最小二乘擬合算法實現(xiàn)對點云數(shù)據(jù)的重建。但這種方法精度不高；計算量大；耗時長。且操作繁瑣。費時費工。浪費人力。此外，這種掃描儀主要是利用兩側(cè)攝像機采集待檢測對象的照片，所以光照強等外在因素對掃描儀使用效果也有很大影響使得無法正常采集待檢測對象信息。本論文在輪轂點云數(shù)據(jù)采集中，選取光線較暗室為掃描位置，以降低外部環(huán)境對于掃描結(jié)果造成的影響。圖1輪轂實物圖輪轂?zāi)Ｐ头治鐾瓿珊螅€要進行掃描儀的校準工作，將標志點貼附到輪轂表面上，而貼附標志點又是掃描之前很重要的任務(wù)。標志點為表面包覆特殊反光材料，能夠反射來自設(shè)備的光，通過標志點反射光由計算機對數(shù)據(jù)進行接收處理，最后處理獲得待測模型點云數(shù)據(jù)，標志點還能夠提高掃描精度及圖形圖像拼接效率。標志點通常貼附于模型易識別骨架位置處，標志點疏密程度應(yīng)適度，標志點密度過大會加大掃描后數(shù)據(jù)處理難度，過稀標志點無法使裝置得到完整模型數(shù)據(jù)，通常掃描儀相機攝像范圍內(nèi)4個標志點不位于同一直線時可同時觀察到點云數(shù)據(jù)。2.3點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理為方便掃描時未被徹底掃描的表面的修復(fù)以及掃描后點云數(shù)據(jù)的光順，需要封裝精簡的點云數(shù)據(jù)，從而將點云數(shù)據(jù)變換為三角形網(wǎng)格。在點云封裝之前需要先將模型數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為三角形面片，然后再利用工具欄上自帶的封裝操作按鈕來實現(xiàn)對輪轂的修復(fù)工作。由于輪轂掃描時輪轂本身的遮擋效應(yīng)和點云數(shù)據(jù)在過渡過程中在不同部位的拼接，難免會出現(xiàn)部分缺失或斷裂數(shù)據(jù)，可利用軟件本身的修補功能來修復(fù)該部分點云數(shù)據(jù)。本文采用了一種簡單而有效的方法來實現(xiàn)上述目的。首先根據(jù)所要提取的輪廓信息確定待裁剪區(qū)域；然后利用OpenGL技術(shù)構(gòu)建輪廓線；最后運用Delaunay三角網(wǎng)法生成曲面。算法步驟如下：創(chuàng)建頂點文件。2.添加邊界元素。3.設(shè)置屬性參數(shù)。人工在多邊形工具欄上選取填充孔指令，根據(jù)曲率變化情況對缺失網(wǎng)格數(shù)據(jù)進行補全，在補全后輪轂?zāi)Ｐ途植勘砻孑^粗糙或者存在局部釘狀物的情況下，選取刪除釘狀物并清除特征按鈕來光順粗糙且不正常網(wǎng)格，并利用網(wǎng)格醫(yī)生指令檢查并修補被加工網(wǎng)格，最后獲得修補且曲面光順后輪轂局部擴增。3UG輪轂幾何建模3.1UG軟件建模功能分析鋁合金輪轂作為汽車行駛過程中重要構(gòu)成零件，對質(zhì)量要求十分苛刻，對外形及結(jié)構(gòu)設(shè)計也有較高要求，所以在設(shè)計中需要借助計算機輔助設(shè)計技術(shù)。UG軟件在輪轂設(shè)計過程中主要應(yīng)用于幾何造型方面,parasol公司開發(fā)了基于parasolID的幾何建模與特征建模相結(jié)合的復(fù)合建模技術(shù)；同時該系統(tǒng)具有良好的人機界面；另外，使用參數(shù)化編程語言VisualC++編寫了用戶界面友好的程序；而且能夠方便地建立各種標準件庫和變型零件庫，可滿足不同客戶需求；具備一定的數(shù)據(jù)庫支持；便于維護與更新。功能強大。使用方便；應(yīng)用廣泛；易于推廣；快捷高效。而且還有很強的處理復(fù)雜曲面建模功能，該方面的功能是UG軟件freeformmodeling模塊，它使用Bezier,B樣條,Nurbs作為解析幾何實體造型的數(shù)學(xué)基礎(chǔ)，因此造型能力很強。在曲面建模實際操作過程中，使用UG可直接生成或者修改三維實體幾何模型（簡稱三維幾何模型）.在曲面殼體生成過程中，現(xiàn)將該部分分別設(shè)置為實體，再將它與幾何實體界定為一個完整的實體模型，那么在建模過程中就可將它置于實體建模中同時生成并進行獨立運算，這種建模方式就是當(dāng)前最先進的三維幾何建模技術(shù)。UG軟件提供了一一個強大的工具來輔助計算機輔助設(shè)計，它不僅能幫助用戶快速完成零件的重新建模工作，提高設(shè)計效率；這使得UG成為了目前CAD/CAM領(lǐng)域使用最為廣泛的工具之一，尤其是在產(chǎn)品設(shè)計階段,UG不僅具有強大的三維建模能力；而且能很好地處理復(fù)雜零件之間的干涉問題；并能自動生成加工軌跡；提供各種數(shù)據(jù)格式的接口；方便快捷；功能強大；易于擴充。實用性強。并能有效地對實體模型中任意部位進行編輯修改，能靈活便捷地對自由形狀曲面上實體進行由特征向自由形狀曲面上轉(zhuǎn)換，可隨時添加參數(shù)，將傳統(tǒng)實體，線框及曲面造型等優(yōu)點充分地表現(xiàn)。此外,UG復(fù)合建模功能相比于其它純參數(shù)化系統(tǒng)更自由靈活，該系統(tǒng)內(nèi)部含有基本特征造型庫（例如內(nèi)腔，凸臺，腹板，孔口，槽口等），只需確定它們最終的形狀，材質(zhì)及大小，便可對這些基本特征造型進行識別，當(dāng)設(shè)計人員對系統(tǒng)特征信息了如指掌時，便可直接使用，能最大限度地滿足設(shè)計人員需求，并能讓設(shè)計人員將設(shè)計思想在盡可能短時間內(nèi)表達清楚。3.2輪轂結(jié)構(gòu)造型分析國標（GB3487-1996）對鋁合金輪轂有一些尺寸要求。通過對輪轂結(jié)構(gòu)進行分析可知，輪轂主要采用平底輪轂與深槽輪轂兩種結(jié)構(gòu)形式，此外常用半深槽輪轂與對開式輪轂等多種輪轂。該項目開發(fā)設(shè)計的鋁合金輪轂為某工廠開發(fā)的目標，屬深槽寬輪轂形式，其平面圖形如圖2。從輪轂平面圖形可看出該車型鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在設(shè)計時研發(fā)人員嚴格執(zhí)行國家標準規(guī)定，即輪轂寬度、直徑等設(shè)計規(guī)格與其配合輪胎尺寸特性一致，對其進行優(yōu)化設(shè)計分析并將其達到輪轂要求，制成成品并按國家標準規(guī)定測試校驗，以證實制造出鋁合金輪轂?zāi)芊襁_到同一配合輪胎要求無誤。應(yīng)用UG對鋁合金輪轂進行三維模型的構(gòu)建，結(jié)構(gòu)設(shè)計需著重關(guān)注如下幾個問題：1.輪轂設(shè)計需根據(jù)標準化制動系統(tǒng)，輪轂壁厚以及輪胎等約束盡量選用標準化輪轂。2.鋁合金輪轂安裝面為輪轂與車軸聯(lián)接處，由中心孔，支撐面，螺母座及螺栓孔組成。在對它進行合理設(shè)計時，應(yīng)能把螺栓擰緊力矩勻速傳遞給安裝面，使最大夾緊力負荷出現(xiàn)在安裝面的最大直徑。此外，還應(yīng)保證中心孔預(yù)留出足夠大的縫隙，以保證在不良環(huán)境情況下消除輪轂與車軸之間銹死現(xiàn)象。3.在輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計中，還應(yīng)根據(jù)具體情況綜合考慮圓角半徑及拔模斜度的設(shè)計過程。4.應(yīng)注意輪輻的邊緣通風(fēng)孔的設(shè)計。本實用新型旨在降低鋁合金輪轂質(zhì)量，在輪轂安裝過程中起到把手處的作用，同時也可以散去傳動軸，制動鼓以及其他零部件之間摩擦所帶來的巨大熱量，同時也可以提高輪轂造型美感。此外，輪輻邊緣作為連接輪輞的部位，其設(shè)計中也需要降低輪轂邊緣部位的剛度，在外界較大幅度沖擊載荷作用下，會發(fā)生一定程度的彎曲變形以達到緩沖的作用。圖2汽車輪輞平面圖形3.3重構(gòu)模型誤差檢測利用UG軟件對鋁合金車輪進行幾何建模有兩種方法，一種是整體幾何建模，另一種是單獨幾何建模。整體幾何建模是指輪輻和輪輞作為一個整體的三維幾何建模。該方法簡單、快速。它還可以避免考慮輪輻和輪輞組合部分的約束，避免輪輻與輪輞之間的裝配關(guān)系以及它們之間的布爾運算。然而，當(dāng)拉伸輻條邊緣的通風(fēng)口時，這種方法的效果并不理想，并且很難對鋁合金輪轂進行CAE分析。相反，單獨的幾何建模正好相反，它只適用于具有更復(fù)雜輻條的三維幾何建模。它可以突出輪轂三維幾何模型的美。因此，在本課題中，鋁合金車輪的三維幾何建模采用單獨的幾何建模方法。進入UG軟件建模窗口，建立UG平面圖形。圖3UG軟件中的輪輞平面圖形4優(yōu)化后輪轂的試驗分析4.1輪轂試驗要求汽車行業(yè)對鋁合金輪轂需求猛增的同時，對于鋁合金輪轂的性能要求更加苛刻，尤其對于高檔汽車來說，對于鋁合金輪轂疲勞性能有了更加苛刻的要求。在汽車速度需求不斷提高的情況下，對輪轂提出了更高的要求。由于輪轂作為車輛行駛系統(tǒng)中的一個主要組成部分，作為車輛與地面間傳力元件直接關(guān)系到車輛運行制動安全性，運行舒適性以及運行穩(wěn)定性。運行時，要受到垂直載荷，橫向載荷以及驅(qū)動，制動扭矩的作用，轉(zhuǎn)動著的輪轂要受到周期變化著的彎曲扭矩及徑向應(yīng)力；此外輪轂既是輪胎形狀骨架又是輪胎連接車軸的轉(zhuǎn)動部分。輪轂工作時主要表現(xiàn)為強度破壞與疲勞破壞，統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示輪轂上述損傷均為疲勞破壞造成，因此輪轂疲勞性能對輪轂質(zhì)量有重要影響。所謂“疲勞”（fatigue）是指受循環(huán)載荷作用時，材料發(fā)生破壞與失效。就是來形容造成開裂或者性能受到損害的情況。在彎曲疲勞，螺栓預(yù)緊力以及動態(tài)徑向力等多重因素影響下鋁合金輪轂自身所產(chǎn)生的性能改變。輪轂在承受多次反復(fù)變化載荷時，其應(yīng)力大小不大于鋁合金材料許用應(yīng)力[o]=240MPa時，輪轂自身就存在損傷的可能性。由此可以看出，疲勞有一個不斷累積的過程。從疲勞的性質(zhì)來看，疲勞所造成的損傷，往往出現(xiàn)在應(yīng)力、應(yīng)變相對集中的部分地區(qū)。疲勞累積至一定程度時，裂紋由應(yīng)力較大區(qū)開始向應(yīng)變較大區(qū)發(fā)展。當(dāng)載荷持續(xù)施加時裂紋逐步擴展直至斷裂。通常以疲勞極限作為量度。通過了。以上講述可知道鋁合金輪轂承受著一個循環(huán)變化載荷，循環(huán)載荷次數(shù)到達一定值后鋁合金輪轂表面就出現(xiàn)了裂紋，載荷持續(xù)施加為，裂紋擴大，最后造成輪轂出現(xiàn)局部斷裂。當(dāng)輪轂表面出現(xiàn)裂紋時，稱為疲勞破壞。由第四章的描述得知，輪轂輪輞與輪輻連接處區(qū)域應(yīng)力與應(yīng)變比較集中，因此輪轂出現(xiàn)疲勞破壞最早出現(xiàn)于此區(qū)域。輪轂受循環(huán)載荷時，輪輞與輪輻連接處鋁合金晶粒表面最高應(yīng)力產(chǎn)生微觀裂紋進而發(fā)展為宏觀裂紋并最終產(chǎn)生斷裂。因此，輪轂疲勞破壞分為輪輞與輪輻連接區(qū)裂紋產(chǎn)生，擴展，局部斷裂3個階段。4.2彎曲疲勞試驗有限元分析在實際的臺架試驗中有兩種不同的試驗方法:一種方法是固定車輪，偏心在電機的帶動下旋轉(zhuǎn)，將彎矩通過加載軸施加到車輪上;另外一種方法是開始時就施加一個固定的彎矩，然后輪毅與加載軸一同旋轉(zhuǎn)。我國目前基本上采用第一種試驗方法。但無論采取哪種試驗方法，系統(tǒng)都是在一定的轉(zhuǎn)速下運行，為避免外界激勵與系統(tǒng)自身頻率相同發(fā)生共振，因此有必要對該仿真模型進行模態(tài)分析。模態(tài)分析是動力學(xué)分析的基礎(chǔ)，其將系統(tǒng)的振動微分方程中物理坐標(矩陣)轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標或者剛度陣，使方程組解藕，是其轉(zhuǎn)化成模態(tài)坐標和模態(tài)參數(shù)描述的一組獨立方程組，經(jīng)計算分析求出系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析通常用于確定結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型(特征值和特征向量)。做實驗前準備，把待測鋁合金輪轂置于彎曲疲勞實驗測試機中，通過專用螺釘把待測輪轂鎖附到測試軸中，并在鎖附過程中添加指定鎖附扭力。再為最大限度地確保試驗結(jié)果精度，采用水平儀對被測輪轂進行水平狀態(tài)下的檢驗檢測，避免測試機抖動導(dǎo)致被測輪轂對測試結(jié)果不精確，同時避免測試機損壞。本實用新型采用專用夾具將輪轂與測試機工作臺固定時，待測試輪轂鎖緊時，首先將相對應(yīng)的螺絲鎖緊，避免待測試輪轂所受負載不均。當(dāng)測試機開始工作時，測試機上旋轉(zhuǎn)軸速度繼續(xù)提高，被測輪轂承受彎曲力矩也隨之增大。待被測輪轂所受載荷滿足指定受測載荷后，啟動旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)計算。在旋轉(zhuǎn)軸到達指定的轉(zhuǎn)數(shù)時停止試驗。測試時輪轂可持續(xù)承載測試到指定循環(huán)次數(shù)且測試循環(huán)次數(shù)到達前加載點偏移不大于初始全加載偏移。取出試驗后輪轂，采用滲透探傷時著色法對損傷情況進行觀測。先對被測件輪轂表面進行清潔，再向易發(fā)生疲勞破壞部位噴灑滲透劑，靜置5～15min,沖洗滲透劑，再向滲透劑噴灑部位噴灑完全搖勻顯像劑，觀測測試結(jié)果如表1。表1輪轂彎曲疲勞試驗結(jié)果失效形式裂紋斷裂試驗結(jié)果無無通過對采用著色滲透對測試輪轂結(jié)果進行細致觀察，發(fā)現(xiàn)被測輪轂各部分均未出現(xiàn)裂痕。因此認為，對車輛進行強度分析時，必須考慮到材料的疲勞極限。但是由于受到試驗設(shè)備條件等因素的影響，試驗過程中受測試對象所承受的荷載并不能完全反映實際情況。這使得其可靠性降低。這種可能性較大。不可忽視?？赡艽嬖陲L(fēng)險。不可取。值得商榷。結(jié)論錯誤。而在測試一次循環(huán)之后之測試結(jié)果，細心觀察可發(fā)現(xiàn)在輪轂與螺栓孔間之位置以及輪轂輪惘與輪輻相連之部位，呈現(xiàn)比周邊顏色更深之色彩，此結(jié)果顯示此部位所承受之高強度循環(huán)載荷，并無導(dǎo)致疲勞失效之顯著特點—開裂或部分破裂，且輪轂已透過彎曲測試之考驗。但是這一區(qū)域破壞概率仍然不可忽略，這一區(qū)域就是輪轂最大應(yīng)力集中區(qū)，即這一區(qū)域?qū)儆谧钗ｋU區(qū)，距安全區(qū)及破壞區(qū)接近等大，且出現(xiàn)在輪惘與輪輻銜接區(qū)，這一結(jié)果與有限元模擬結(jié)果吻合。在鋁合金輪轂徑向疲勞試驗裝置中，設(shè)有驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓其光滑表面較承載試驗輪轂截面寬度更大，建議最小轉(zhuǎn)鼓直徑在1700mm左右。輪轂沿垂直于加載方向布置在驅(qū)動轉(zhuǎn)鼓上。連接件材料與輪轂同材質(zhì)，并與輪轂用相同規(guī)格的螺栓、螺母連接。試驗時把輪轂放入被測試件中并施加一定扭矩，使其產(chǎn)生軸向變形。當(dāng)載荷達到預(yù)定值時，啟動電機帶動旋轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動，從而對被測輪轂施加壓力。然后停止轉(zhuǎn)動。直到試樣斷裂為止。輪轂上的螺母由輪轂廠或汽車制造廠提供，用規(guī)定的螺栓和螺母對其進行緊固，并要求達到規(guī)定的轉(zhuǎn)矩極限值；實驗過程中對螺母轉(zhuǎn)矩進行周期性檢查與調(diào)節(jié)，彌補螺母與螺栓孔配合面磨損，螺栓，螺母不得潤滑。通過對采用著色滲透方式對測試輪轂進行細致觀察，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過1個周期測試輪轂?zāi)艹掷m(xù)承受徑向載荷且輪轂表面未發(fā)現(xiàn)疲勞裂紋，僅與輪轂輪惘及輪輻相連部位處，呈現(xiàn)比周邊色澤更深色澤，此結(jié)果表明此部位所承受高強度循環(huán)載荷并不會導(dǎo)致疲勞失效顯著特征—開裂或者局部破裂，表明輪轂已經(jīng)過徑向疲勞測試。4.3輪轂輕量化改進在能源和資源日益緊張的今天，為能降低油耗，車輛輕量化研究逐漸引起了人們的普遍重視。輪轂作為汽車的重要部件之一，其質(zhì)量對汽車的安全性能有很大的影響；它不僅要滿足汽車在行駛制動時的安全性和舒適性，還要保證汽車行駛過程中的穩(wěn)定性。輪轂的疲勞強度、剛性、動平衡以及尺寸精度等都是非常重要的指標。為了實現(xiàn)輪轂的輕量化，在輪轂的制造過程中需要考慮到以下兩個因素：形狀和大??；目前，在減輕車身重量方面，主要采用減重措施；在提高車輪剛度方面，主要采用輪輻減薄等方法。這些措施都不能達到預(yù)期效果。因此，需要尋找一種新的方式來解決這個問題。結(jié)構(gòu)優(yōu)化就是其中之一。節(jié)約成本，降低成本，提高效率，節(jié)能減排，節(jié)約資源，環(huán)保。在眾多的材料性能中，鋁合金具有重量輕、強度高、質(zhì)量小等優(yōu)點。鋁合金輪轂的輕量化是其結(jié)構(gòu)設(shè)計中最關(guān)鍵的部分之一。鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)的輕量化對實現(xiàn)汽車節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。鋁合金輪轂由于其自身質(zhì)量輕、強度高、原材料來源廣泛、生產(chǎn)成本低、燃油消耗低以及尾氣排放少等優(yōu)點而被越來越多的廠家所采用，在汽車上得到了廣泛應(yīng)用并取得了良好的節(jié)能和環(huán)保效果。當(dāng)前，我國汽車鋁合金輪轂設(shè)計研究己經(jīng)逐步由主要依賴傳統(tǒng)經(jīng)驗設(shè)計方法向應(yīng)用有限元這類現(xiàn)代設(shè)計方法發(fā)展。但是在實際生產(chǎn)過程中，由于各種原因造成輪轂強度不足或者性能不佳而不能滿足使用要求。這不僅會影響整車的行駛安全，而且還會帶來巨大的經(jīng)濟損失。同時也不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。嚴重制約著行業(yè)進步。經(jīng)濟效益低下。競爭力下降。社會效益不高。影響力不大。前景堪憂。因此汽車鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化仍然是汽車輕量化中的一個重要的研究方向。因為人的審美情趣越來越高，人與人的審美觀點也不一樣，因此鋁合金輪轂在外觀造型上也是千差萬別，盡可能少地滿足了人的要求。所以目前階段鋁合金輪轂外觀造型設(shè)計存在寬輪輻，窄輪輻，多輪輻和少輪輻多種類型，那么在外觀結(jié)構(gòu)造型設(shè)計方面也有著極為廣泛的發(fā)展空間。但是無論哪種外觀結(jié)構(gòu)造型都要使鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)設(shè)計符合安全及使用功能。所以，對汽車鋁合金輪轂開展優(yōu)化及輕量化設(shè)計研究以大幅度降低自重，改善綜合性能尤為重要與緊迫。為使鋁合金輪轂質(zhì)量得到較大程度的降低，可以采用的設(shè)計方法主要包括以下幾個方面：對產(chǎn)品進行結(jié)優(yōu)構(gòu)方面，本文設(shè)計了減重腔以滿足輪轂強度，使得鋁合金輪轂輪惘，輪輻及輪緣處厚度得到適當(dāng)減薄。此外，基于減薄將輪轂輪輻結(jié)構(gòu)再設(shè)計成窄輪輻式并將鋁輪轂輪輻內(nèi)，外輪緣或者凸肩等部位設(shè)計為空腔結(jié)構(gòu)。如今鋁合金輪轂輕量化步伐加快，己經(jīng)有2種設(shè)計思想較為成熟并運用于具體實踐，即窄輪輻鋁合金輪轂與內(nèi)置空氣鋁合金輪轂。5.結(jié)論輪轂輕量化是指在確保輪轂強度與安全性能同時盡量減輕輪轂整體質(zhì)量。隨著汽車工業(yè)的迅速發(fā)展，對輪胎的要求越來越高，而輪胎的結(jié)構(gòu)決定了車輛行駛時產(chǎn)生的振動以及噪音。所以，減輕輪胎重量已成為提高汽車乘坐舒適性及安全性的一個重要因素。同時減少能耗。降低成本。節(jié)約能源。保護環(huán)境。促進社會可持續(xù)發(fā)展。節(jié)約材料。節(jié)約資源。目前，出于環(huán)保、節(jié)能等要求，輪轂輕量化已是世界潮流。所以輪轂輕量化問題也逐漸受到人們的關(guān)注。通過本論文的敘述可以得知，可以利用兩種實現(xiàn)輪轂的輕量化的措施，一是選用滿足使用要求的新型輕量化材料;二是采用先進的加工工藝，利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，達到輪轂減重的目的。從選用材料的趨勢來看，鎂合金密度為1.74留cm3，比鋁合金的2.73g/cm3還要小很多，它是國際上最輕便的金屬結(jié)構(gòu)材料之一，鎂合金強度高，剛度大，阻尼減震，導(dǎo)熱及電磁屏蔽等性能優(yōu)越，易回收利用且環(huán)保性能良好，凡能采用鋁合金者基本可被鎂合金取代。在汽車工業(yè)中，鎂合金被廣泛應(yīng)用于車身骨架、車輪等零部件，以及發(fā)動機缸體、缸蓋等結(jié)構(gòu)件；在航空領(lǐng)域，鎂合金已經(jīng)成為飛機機翼的重要組成部分，在航天事業(yè)中也得到了廣泛的運用。尤其在汽車行業(yè)。用量越來越大。用途非常廣泛。發(fā)展前景非常廣闊。市場前景十分樂觀。大有可為。鎂合金還具有良好的抗蠕變和耐高溫性能，而且在加工過程中不需要任何復(fù)雜的后處理，降低了加工成本。隨著世界科學(xué)的發(fā)展以及材料性能技術(shù)的進步，鎂合金輪轂將成為今后的發(fā)展趨勢之一。在眾多的加工工藝中，由于