摘要：轮毂作为运载工具的关键安全构件，其内部质量的可靠性不仅对汽车及其乘员的安全起着至关重要的作用，而且对汽车的平稳性、操控性、舒适性等有着重要的作用。这就需要高精度的尺寸，良好的动平衡，高的疲劳强度，良好的刚度和弹性。在这些情况下，对轮毂的疲劳强度有特殊的苛刻要求。在世界范围内，各国都会根据自己的地理环境，天气，道路等情况来确定自己的标准。如欧美各国的汽车电子系统规范、德国的 TUV系统、日本的 JWL＼JWL-T系统等。而且，针对不同的轮胎型号等具体情况，又有不同的 ATV标准。由此可见，车轮的各项指标是否达到标准，是判断车轮质量的一个重要标准。

关键词：铝合金轮毂；结构优化；疲劳试验

引言

铝合金轮毂质量轻，散热性好，减震性能好，外形美观，加工容易，耐腐蚀，可以减少燃料消耗，延长轮胎使用寿命。但是国产铝合金轮毂的研制周期较长，生产成本较高。利用有限元法对产品进行设计，可以及早地检测出产品在设计过程中可能出现的问题，并对其进行修正，从而大大缩短了研制周期，提高了产品的可靠性。项目面向工程需求，以轻质高强度铝合金车轮为目标，采用 ANSYS软件，开展铝合金车轮的数值仿真和结构优化研究。

1汽车轮毂的结构

轮毂是一种安装在汽车半轴与轮胎之间，起到承载车辆重量和外部荷载作用的转动构件，其结构由胎圈座，胎架，轮缘，中心孔，安装凸台，中心线，通风口等组成。但最重要的部分，就是轮圈和辐条了。轮毂通过轮圈与轮胎配合，也通过辐条与车轴相连，起到承载、行驶、转向、驱动、制动等功能。[1]

1.1轮毂有限元分析

在对轮毂进行有限元法计算时，仅考虑了在实验条件下引起的结构应力。由于车轮是由车轮支承的，所以对车轮进行有限元计算时，需要对车轮的受力进行计算，这些载荷包括弯矩载荷、螺栓对车轮的预紧力以及车轮在高速转动时的径向载荷。作为实例，利用 ANSYS的函数，对轮缘的半周进行加载。通过 ANSYS软件对轮毂进行后处理，得出了轮毂的受力情况，并得出了轮毂上的应力分布不均的结论。[2]

结果表明，该方法的最大应力值为110 MPa，比铝合金240 MPa小得多，许用屈服强度低得多。结果表明，该结构具有较高的强度余度，并有进一步的优化空间。

2铝合金轮毂结构优化

采用 ANSYS优化分析的参数化方案，实现了铝合金轮毂的结构尺寸优化。以车轮的强度、刚度为目标，以最小的车轮质量为目标，对车轮进行了优化。在结构优化设计过程中，引入了设计变量和状态变量的目标函数。

2.1铝合金轮毂的优化设计

在对轮毂进行结构优化时，以辐条和轮圈的厚度作为设计变量，在有限元计算中，各构件的设计应力不能低于材料的允许应力，并且要尽量减少各构件上的设计应力。以最小化轮毂结构的质量形状为目标，采用的方式如下：

利用ANSYS软件的优化分析功能，确定轮毂设计变量的取值范围，设置优化时约束条件的范围，以质量最小为优化目标，定义好最大优化次数后，再次利用ANSYS软件进行优化分析，最后读出结构优化结果。[3]

2.2铝合金轮毂的优化设计结果

在满足限制条件的情况下，可以看到，结构优化前和后轮毂的轮辋厚度几乎没有改变，但是辐条的厚度却大大减少，由18毫米减至10毫米，并且优化后的铝合金轮毂重量降低了1.259公斤。由优化前后的应力应变云图可以看到，应力的波动有所减小，并且变得更为均匀，最大的应力仍然发生在辐条与轮缘的结合部，其值为159 MPa，比铝合金的容许应力240 MPa要小，并且在实验增强因子 S=1.5的情况下的160 MPa。

3优化后轮毂试验分析

车轮在使用中的主要破坏方式为强度破坏与疲劳破坏，然而大量数据表明，车轮的损伤破坏占到了80%，因而其疲劳性能成为评价轮毂质量的主要指标。

根据国家标准（GB/T15704-1995）和汽车行业标准（QC/T221-1997），在装配上车之前，必须通过三种强度试验，即弯曲疲劳、径向疲劳和碰撞试验，每个轮毂只能进行一次试验，每次试验只使用一次。

3.1弯曲疲劳试验

在此基础上，对铝合金轮毂进行了弯曲疲劳实验。介绍了一种用于轮毂疲劳试验的转动装置。当施加在被测试车轮上的负荷到达所要求的测试负荷后，就可以进行转轴转动次数的计算。当所要求的周期到达时，停止试验。在测试周期结束前，必须保证载荷点的位移值不得大于初始总载荷位移的20%。

将被测试车轮拆下，采用渗透检测中的着色法对其损坏情况进行检查，发现被测试的车轮并无开裂或破裂，但是，在轮圈与辐条的接合处，却有一条黑色的线条，而这条线条的长度，比三次划痕的宽度要小得多，所以，这一区域不存在裂缝等缺陷。测试结果显示，虽然已通过弯折疲劳实验，但其边缘及辐条结合部的失效几率仍然不可忽视，这一点是测试车轮受力最大的部位，这一点与有限元数值计算相吻合。

3.2径向疲劳试验

轮毂径向疲劳测试仪是通过驱动转筒对被测轮毂施加一个恒定的径向负荷，同时要确保该传动轴与被测轮毂的轴线是互相平行的，并且在一个平面中，所受的负载方向与被测轮毂的中心是一致的。对被测试的轮毂，采用专用的螺栓和螺母进行组装，并将螺母旋紧至指定的扭矩限值。在测试时，应定期对螺母扭矩进行检测并调节，以便对螺母与螺栓孔处的啮合表面进行磨损补偿，不允许使用润滑油。[4]

将被测车轮拆下，采用渗透检测中的着色法对车轮进行检测，发现被测车轮未出现开裂、断裂等情况，测试结果显示，被测车轮已通过了径向疲劳测试。

3.3冲击试验

对铝合金轮毂进行撞击实验，主要有13度、30度、90度等不同的角度。在实验过程中，以13度及30度的碰撞实验来模拟车辆在运动过程中受到外部力的影响；90度的碰撞实验是在车辆行驶过程中，当车辆在行驶过程中遇到突起物或凹坑时，碰撞产生的反弹力对车轮的影响。作为一个例子，在测试的车轮上加载满足标准的测试轮胎，并在轮胎上输入一定的试验压力。试验之前，重锤与试毂轮缘最高之间为230±2mm，并且它的冲击表面的刀缘圆角与轮毂的边缘是一致的。在试验中，用重锤对车轮进行自由落体碰撞，并确保在试验结束后，对车轮进行冲击。

将被测试的轮毂拆下来，对其进行撞击实验，发现轮毂表面没有开裂。

结语

采用 ANSYS软件，对铝合金轮毂进行了结构优化，使其既能保证车轮的结构安全性，又能保证其强度富余。通过结构优化，铝合金轮毂的轮圈厚度几乎没有改变，但是辐条的厚度却大幅降低，由18毫米降至10毫米，而优化后的轮毂重量降低了1.259公斤。采用着色渗析法对所设计的轮毂进行弯曲疲劳、径向疲劳及撞击实验，检测轮毂无开裂、部分断裂等故障，实现了轮毂的安全与轻量化的统一。在弯曲疲劳实验中，车轮与辐条结合处产生了一条直线状暗斑，其尺寸远小于其正常宽度的三倍，说明其承受着较高的反复荷载，虽未产生开裂、局部断裂等破坏形态，但其失效几率仍然不可忽视，即为轮毂最大应力集中处。

参考文献

[1] 童水光，赵航，徐稷旺.采用代理模型的汽车铝合金轮毂优化设计[J].机械设计与研究， 2021（006）：037.

[2] 莫文锋.基于ProCAST汽车铝合金轮毂铸造数值模拟及其优化[J].河南科技， 2022， 41（4）：7.

[3] 池慧，燕猛，项鹏飞，等.轻质铝合金轮毂分级淬火形性调控策略[J].中国机械工程， 2023， 34（10）：1214-1219.