《汽車輪轂輕量化分析》12000字（論文）

汽車輪轂輕量化分析摘要在社會飛速發(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。本論文以轎車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\u32596摘要 146931緒論 259801.1選題背景和研究意義 2105181.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 3201972輪轂表面點云數(shù)據(jù)的獲取與預(yù)處理 4215502.1點云數(shù)據(jù)采集方法 423392.2點云數(shù)據(jù)測量 5248382.3點云數(shù)據(jù)的預(yù)處理 6259923UG輪轂幾何建模 787513.1UG軟件建模功能分析 74213.2輪轂結(jié)構(gòu)造型分析 818403.3重構(gòu)模型誤差檢測 977344優(yōu)化后輪轂的試驗分析 9265944.1輪轂試驗要求 934734.2彎曲疲勞試驗有限元分析 10183324.3輪轂輕量化改進 1216039結(jié)論 1414002參考文獻 161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(jì)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(yán)重的污染和破壞，溫室效應(yīng)就是其中的罪魁禍?zhǔn)字?。汽車尾氣排放已被列入我國《中國制?025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(yán)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。所以減少汽車尾氣污染物的排放已成為汽車工業(yè)的主要發(fā)展方向。研究汽車輕量化結(jié)構(gòu)可以控制汽車的油耗，進而有效控制污染物排放。更重要的是，它可以減少對石油和其他不可再生資源的需求，并有效保護大氣環(huán)境。從有效利用資源和生態(tài)環(huán)境的角度來看，輕型結(jié)構(gòu)研究已成為未來汽車工業(yè)的主要任務(wù)[1]。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)研和合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用循環(huán)再設(shè)計的方法，縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，從而節(jié)約企業(yè)的人力和經(jīng)濟成本。新開發(fā)節(jié)省了大量時間并降低了開發(fā)成本，由于它能快速準(zhǔn)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)保化、節(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(biāo)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)計方法一一參數(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年張寧運用現(xiàn)代化設(shè)計方法，對已建成輪轂?zāi)Ｐ偷娜齻€基礎(chǔ)性能進行了分析和優(yōu)選，優(yōu)選后的模型質(zhì)量減輕了。2013年康淑賢運用工業(yè)設(shè)計美學(xué)結(jié)合中國傳統(tǒng)文化，設(shè)計出“鳳舞”、“禪意”、“火輪”、“中式”四種圖案輪轂，探索出輪轂造型與輕量化結(jié)合的設(shè)計方法，達到了輪轂造型美觀、形式多樣的目的[2]。2012年劉學(xué)軍提出了基于CAE技術(shù)的輕量型鋁合金輪轂設(shè)計思路和方法，運用Pro/e軟件建立輪轂三維實體模型。應(yīng)用ABAQUS仿真軟件分析輪輞應(yīng)力分布規(guī)律，確定輪轂設(shè)計方案。2014年孫建鵬利用UG和ANSYS作為輪轂參數(shù)化設(shè)計和性能分析的平臺，驗證了其在輪轂設(shè)計中的指導(dǎo)意義[3]。2015年馬曉康分別對模擬輪轂的三個基礎(chǔ)實驗和實際試驗相結(jié)合的方法開展了輪轂輕量化的研究，以達到輕量化的目的為前提驗證了有限元模擬的準(zhǔn)確性[4]。2016年李家準(zhǔn)備研究某重型汽車輪轂，對于改善輪轂的性能有較好的作用。王龍等于2017年以某輕型載貨車為研究平臺，采用有限元計算分析的方法，以強度和剛度為約束條件，對輪轂結(jié)構(gòu)進行了輕量化設(shè)計的研究，優(yōu)化后的輪轂順利完成整車可靠性試驗，實現(xiàn)了降重，降成本的總體目標(biāo)，提升產(chǎn)品競爭力[5]。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(rèn)可以及廣泛應(yīng)用,其前景廣闊市場潛力大[6]。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切實提升汽車輕量化水平、綠色環(huán)保、操縱性好等優(yōu)點[7]。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）均采用強大的計算機輔助設(shè)計軟件CATIA和Solidworks對輪轂外形進行了設(shè)計，運用ANSYS、Abaqus和HyperMesh等軟件對輪轂進行了性能分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。美國福特公司參考車輪動態(tài)彎曲疲勞仿真結(jié)果，優(yōu)化減小模型所受最大應(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[8]。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(biāo)測量機（CMM）。三坐標(biāo)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(fù)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(biāo)測量機也提出了更高要求[9]。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，縮短周期。三坐標(biāo)測量機具有精度高、速度快、外形尺寸小、精準(zhǔn)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(biāo)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[10]。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、激光三角法是根據(jù)光的反射原理，待測物體表面反射設(shè)備投射出的藍光或紅光到內(nèi)部接收器上，待測物體的輪廓信息通過相機得到，根據(jù)待測物體外輪廓形狀的變化，反射到設(shè)備接收器上的相應(yīng)位置也會發(fā)生相應(yīng)變化，相機可記錄待測物體表面上不同區(qū)域的變化情況，根據(jù)記錄得到的激光投影到待測物體表面上位置的變化情況來處理得到待測物體的表面信息[11]。由于激光束與被測物體發(fā)生干涉，會產(chǎn)生光強分布不均現(xiàn)象，因此采用光學(xué)方法或光電方法對其條紋圖像進行采集和分析是非常必要的，目前應(yīng)用最廣泛的方法是激光三角法。激光波長越短越好，光程越長效果越好，距離越近越好。投影光柵法即用兩臺CCD相機構(gòu)成光柵投射機得到光柵影線，超聲波法的本質(zhì)是發(fā)出超聲波脈沖到需要測量的模型表面并對反射波進行信息處理，進而得到被測模型的表面信息[12]。工業(yè)CT法通過射線照射到待測物體的表面，由于物體表面各處曲率的改變，身寸線對待測模型各處的照射衰減也不一樣，因此本裝置的探測器接收到的透射能量也不完全一樣，根據(jù)透射能量的改變來處理就可以得到待測物體各處的信息。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[13]。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，這類掃描儀主要通過雙側(cè)攝像機獲取待測物體的圖片，因此光照強等外界因素也會極大地影響掃描儀的使用效果使其不能正常獲取待測物體的相關(guān)信息。針對此問題，本文提出了一種基于單目視覺和激光雷達相結(jié)合的方法來獲取待檢測對象信息并進行分類處理，從而提高了該系統(tǒng)的準(zhǔn)確性及實時性。最后通過實驗驗證了其可行性與有效性。本文在對輪轂點云進行數(shù)據(jù)采集時，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2.1輪轂實物圖輪轂?zāi)Ｐ头治鐾瓿珊螅€要進行掃描儀的校準(zhǔn)工作，將標(biāo)志點貼附到輪轂表面上，而且貼附標(biāo)志點也是掃描前的一項重要工作。在本文中提出了一種新的方法來解決這一問題：用曲面擬合技術(shù)獲取標(biāo)志點坐標(biāo)。采用該算法不僅能快速有效地實現(xiàn)三維實體建模過程，而且具有較高的計算效率和良好的穩(wěn)定性。標(biāo)志點是一種表面覆蓋有特殊反光材料的標(biāo)志點，它可以反射從裝置中發(fā)出的光線，并將這些光線經(jīng)過標(biāo)志點反射后被計算機接收和處理后最終加工得到待測模型的點云數(shù)據(jù)，同時標(biāo)志點也可以提高掃描精度和圖形圖像拼接效率[14]。標(biāo)志點一般粘貼在模型易于識別的骨架位置上，標(biāo)志點的疏密程度要適中，標(biāo)志點過密會增加掃描后數(shù)據(jù)處理的困難，過稀標(biāo)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(biāo)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)[15]。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、添加邊界元素、設(shè)置屬性參數(shù)。手動選擇“多邊形”工具欄中的“填充孔”命令，并根據(jù)曲率更改完成缺少的網(wǎng)格數(shù)據(jù)。如果輪轂?zāi)Ｐ途哂写植诘木植壳婊蛲瓿珊缶哂芯植恐讣祝堖x擇“Clearnail”和“ClearFeature”按鈕來平滑粗糙和異常的網(wǎng)格，并使用網(wǎng)格醫(yī)生的命令來檢查和修復(fù)處理過的網(wǎng)格。最后，在表面光滑后獲得輪轂的修復(fù)和局部膨脹。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；此外，它可以方便地建立不同的標(biāo)準(zhǔn)零件庫和變體零件庫，以滿足不同的客戶需求；具有特定的數(shù)據(jù)庫支持；易于維護和更新。強大的易于使用，普遍的易于推廣，快速高效。此外，它還具有處理復(fù)雜曲面建模的強大能力，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)合建模功能比其他純參數(shù)化系統(tǒng)更靈活。該系統(tǒng)包含一個基本特征建模庫（例如型腔、凸臺、軌跡、開口、凹口等）。只需確定其最終形狀、材料和尺寸，即可識別此基本特征建模。如果設(shè)計師知道系統(tǒng)功能信息，如手掌，他們可以直接使用，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(biāo)（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(biāo)，屬深槽寬輪轂形式，其平面圖形如圖3.1。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(yán)格執(zhí)行國家標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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：輪轂設(shè)計需根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化制動系統(tǒng)，輪轂壁厚以及輪胎等約束盡量選用標(biāo)準(zhǔn)化輪轂。鋁合金輪轂安裝面為輪轂與車軸連接處，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，它必須能夠以均勻的速度將螺釘?shù)臄Q緊扭矩傳遞到安裝表面，以便最大夾緊力出現(xiàn)在安裝表面的最大直徑上。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。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。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3.1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，一種是通用幾何建模，另一種是個體幾何建模。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局限性，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，并且很難對鋁合金車輪進行CAE分析。相反，單獨的幾何建模恰恰相反，它僅適用于具有更復(fù)雜輻條的三維幾何建模。它可以強調(diào)輪轂三維幾何模型的美觀。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。打開UG軟件建模窗口，建立UG平面圖形。圖3.2UG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，旋轉(zhuǎn)輪轂應(yīng)受到垂直載荷、橫向載荷、驅(qū)動和制動扭矩、彎矩和徑向應(yīng)力的影響，這些都是周期性變化的；此外，輪轂不僅是輪胎的形狀骨架，也是輪胎連接車軸的旋轉(zhuǎn)部件。輪轂在工作時主要表現(xiàn)為強度損傷和疲勞損傷。統(tǒng)計表明，輪轂的上述損傷是由疲勞損傷引起的，因此輪轂的疲勞性能對輪轂的質(zhì)量有重要影響。所謂“疲勞”是指材料在循環(huán)載荷下的失效和破壞。它是指導(dǎo)致裂紋或性能損壞的情況。鋁合金輪轂在彎曲疲勞、螺旋預(yù)緊力和動態(tài)徑向力等因素的影響下，其自身性能發(fā)生變化。如果輪轂受到重復(fù)載荷，其應(yīng)力不大于鋁合金材料的允許載荷[o]=240MPa，輪轂本身很可能損壞?？梢钥闯?，疲勞有一個不斷積累的過程。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。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。在輪轂的循環(huán)載荷作用下，當(dāng)鋁合金顆粒表面受到最大應(yīng)力時，輪輞和輪輻之間的連接處會出現(xiàn)微裂紋，然后發(fā)展為宏觀裂紋，最終導(dǎo)致斷裂。因此，輪轂的疲勞誤差可分為三個階段：裂紋形成，擴展和輪輞與輻條連接區(qū)域的局部斷裂。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：一種是固定車輪，在電機驅(qū)動下旋轉(zhuǎn)偏心，并通過加載軸向車輪施加彎矩；另一種方法是在開始時施加固定彎矩，然后輪轂隨加載軸旋轉(zhuǎn)。目前，中國基本上采用第一種測試方法。無論使用哪種測試方法，系統(tǒng)都會以一定速度運行。為了避免外部激勵和固有頻率之間的共振，需要對仿真模型進行模態(tài)分析。模態(tài)分析是動力分析的基礎(chǔ)。它將系統(tǒng)振動微分方程中的物理坐標(biāo)（矩陣）轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)或剛度矩陣，從而使方程解耦。它是一組獨立的方程，可轉(zhuǎn)換為模態(tài)坐標(biāo)和模態(tài)參數(shù)描述。計算并分析了系統(tǒng)的模態(tài)參數(shù)。模態(tài)分析通常用于確定結(jié)構(gòu)的本征頻率和模態(tài)形式本征值和本征向量。做實驗前準(zhǔn)備，把待測鋁合金輪轂置于彎曲疲勞試驗測試機中，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，水平儀用于在水平狀態(tài)下檢查被測輪轂，以避免因試驗機振動和試驗機損壞而導(dǎo)致被測輪轂測試結(jié)果不準(zhǔn)確。如果使用專用裝置緊固試驗機的輪轂和工作臺，當(dāng)被測輪轂鎖緊時，首先鎖緊相應(yīng)的螺釘，以避免被測輪轂負(fù)載不均勻。當(dāng)測試儀開始工作時，測試儀上的轉(zhuǎn)軸速度繼續(xù)增加，被測輪轂的彎矩也增加。待測輪轂上的載荷達到規(guī)定的待測載荷后，開始計算轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。當(dāng)轉(zhuǎn)軸達到規(guī)定的轉(zhuǎn)數(shù)時，完成測試。在試驗過程中，輪轂可以持續(xù)承載載荷，直到達到規(guī)定的循環(huán)次數(shù)，并且在達到試驗循環(huán)次數(shù)之前加載點的偏差不大于初始滿載偏差。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4.1。表4.1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(rèn)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、可能存在風(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，不存在導(dǎo)致疲勞失效開裂或局部開裂的顯著性能，輪轂已通過彎曲試驗。然而，不能忽略該范圍內(nèi)的失效概率，這是輪轂的最大應(yīng)力集中區(qū)域，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(biāo)。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?。荒壳?，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，輕質(zhì)鋁合金車輪結(jié)構(gòu)對實現(xiàn)汽車節(jié)能環(huán)保具有重要意義。鋁合金輪轂以其重量輕、強度高、原料來源廣、生產(chǎn)成本低、油耗低、廢氣排放低等優(yōu)點，被越來越多的制造商采用。目前，我國汽車鋁合金輪轂的設(shè)計和研究已逐步從主要依靠傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計方法發(fā)展到有限元等現(xiàn)代設(shè)計方法。然而，在實際生產(chǎn)過程中，由于各種原因，輪轂強度不足或性能差，無法滿足應(yīng)用要求。這不僅會影響車輛的駕駛安全，而且會造成巨大的經(jīng)濟損失。同時，也不利于企業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。它嚴(yán)重限制了該行業(yè)的發(fā)展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。由于人們的審美興趣越來越高，人們的審美觀也不同，鋁合金車輪在外觀和形狀上也有很大的差異，盡可能不滿足人們的要求。因此，現(xiàn)階段鋁合金輪轂外觀有寬輻條、窄輻條、多輻條和少輻條，因此外觀結(jié)構(gòu)設(shè)計也有很廣闊的發(fā)展空間。無論是哪種外觀和結(jié)構(gòu)造型，鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計都應(yīng)與安全和使用功能相適應(yīng)。因此，對汽車鋁合金車輪進行優(yōu)化和輕量化設(shè)計研究，以大大減輕自重，提高整體性能，顯得尤為重要和迫切。為了大幅度降低鋁合金輪轂的質(zhì)量，可采用的設(shè)計方法主要包括以下幾個方面：在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，本文設(shè)計了一個重量減輕室，以滿足輪轂的厚度，從而使鋁合金輪轂厚度、，輪輻和輪輞可以適當(dāng)減小。此外，輪轂儲物結(jié)構(gòu)在稀釋的基礎(chǔ)上重新設(shè)計為窄輻條，鋁輪轂儲物的內(nèi)部、外部邊緣或肩部設(shè)計為空腔結(jié)構(gòu)。如今，鋁合金輪轂加速了輕量化的步伐。兩種設(shè)計思想成熟并應(yīng)用于具體實踐，即窄輻鋁合金輪轂和內(nèi)置空氣鋁合金輪轂。

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。通過本文的描述，我們可以知道，可以采用兩種類型的輕質(zhì)結(jié)構(gòu)措施來達到輪轂，一種是選擇符合使用要求的新型輕質(zhì)材料；二是采用先進的加工技術(shù)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，達到減輕輪轂重量的目的。根據(jù)材料選擇趨勢，鎂合金的密度為1.74cm3，遠小于鋁合金的2.73g/cm3。它是世界上最便攜的金屬結(jié)構(gòu)材料之一。鋁合金具有高強度、高硬度、優(yōu)越的阻尼、減震、導(dǎo)熱和電磁屏蔽性能，易于回收利用，具有良好的環(huán)保性能，在汽車工業(yè)中，鋁合金被廣泛應(yīng)用于車身骨架、車輪等零部件、以