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铝合金汽车轮毂设计过程探讨

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铝合金汽车轮毂设计过程探讨 摘要:本文介绍了汽车铝合金轮毂结构设计的一般步骤、原则 和方法;并基于 cad、ug 软件的功能和应用阐述了汽车铝合金轮毂 实体造型的设计方法,然后介绍了 ansys 软件应用于轮毂的分析功 能。 关键词:铝合金轮毂 实体造型 结构设计 性能分析 中图分类号:tg292 文献标识码:a 文章编号:1674-098x (2012)08(c)-0018-02 当今的制造业,在产品的开发设计过程中普遍采用了电脑辅助 设计技术,同样汽车行业也不例外。在开发汽车相关产品时,需要 综合考虑到造型、外观、工艺及制造条件的各种限制,同时应结合 以往的经验进行设计。而铝合金轮毂作为汽车的重要零部件之一, 在开发和设计的过程中,相关安全性能参数和结构的制定显得尤为 重要。为了提高铝合金轮毂的质量及在市场中的竞争力,就需要新 开发产品具有:安全可靠的性能保障、美观大方的造型设计、同时 要兼顾节能降耗、成本低廉。这就需要设计人员运用先进的铝合金 轮毂设计手段,进行二维及三维的造型设计。设计完成后,应用有 限元分析软件对铝合金轮毂的性能进行冲击试验和弯曲试验的模 拟验证,了解其应力和应变分布情况;分析后根据结果对结构进行 调整。调整后,再进行分析,如此反复,直至达到理想状态。 1 铝合金轮毂的优势 轮毂作为车辆承载的最重要的安全部件之一,它不仅承受车辆 自重垂直作用到轮毂上的压力,还受到车辆在起动、制动时动态扭 矩的作用以及车辆在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面*锏某 击等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变受力,其受力情况非 常复杂而且是动态变化的。作为行驶中高速旋转的轮毂,其内在的 质量和可靠性关系到车辆和车上人员、物资的安全性,还影响到车 辆在行驶过程中的*稳性、操纵性、舒适性等性能。这就要求轮毂 的尺寸精度高、动*衡好、疲劳轻度高、刚度和弹性好、质量轻、 美观等[1]。而铝轮毂以其良好的综合性能满足了上述要求,在安 全性、舒适性和轻量化等方面表现突出,博得了市场青睐,正逐步 代替钢制轮毂成为最佳选择[2]。 与钢轮毂相比,铝合金轮毂降低了非载荷重量而提高了抓地性; 减小了车轮等旋转部分的热惯性,散热性好;硬度高,刚性好。此 外还具有同心度高、径向端向跳动低、受力合理、耐腐蚀、造型美 观等优点。据统计,铝合金轮毂与传统的钢轮毂相比,重量减轻了 30%~40%,可节约油耗 5%,汽车的振动程度可减轻 12%,加速时间 可缩短 7%,明显提高了整车性能。在摩托车、汽车行业铝合金轮毂 得到了广泛的应用,其装车比例逐年上升,尤其是在轿车行业,整 体式铝合金轮毂几乎一统天下[3]。 整体式铝合金轮毂的铸造冶金质量、x 光探伤及尺寸精度要求很 高,机械性能好、同时成本低,因此很受欢迎。 2 汽车铝合金轮毂铸件的三维实体造型设计 在造型设计过程中,首先对轮辋进行设计,再设计轮辐造型。 由于国标对轮辋的形状、尺寸有要求,所以轮辋的造型必须严格按 照国标的要求进行。在轮辋造型的基础上再进一步做轮辐造型。 ug 软件三维实体造型技术是利用其功能中的建模模块实体特 性,遵循由 2d→3d→2d 的方式进行。 2.1 2d 设计 首先利用 cad 软件建立轮辋的截面曲线:通过绘制直线、圆弧、 自由曲线等基本命令,并做约束、倒角、剪切、镜像等操作,最终 生成所需的曲线形状。然后设计轮辐沿半径方向的剖面曲线,和窗 口的外形曲线,在设计窗口的形状时要考虑窗口的分布及拔模斜度 因素。根据轮辐及法兰盘造型螺栓孔分布等因素设计轮辐套料和中 间盘套料的形状。 2.2 3d 创建 在 2d 设计完成后,要将剖面线导入 ug 软件。(2d 剖面线也可在 ug 草图里制作,但在 cad 里设计更顺手)。然后根据轮辐的截面曲 线和窗口的外形曲线,利用回转、拉伸、拔模、曲面工具,并做修 剪、延伸、倒圆等操作,生成轮辋实体和轮辐实体造型,再利用合 并工具将轮辋与轮辐合为一体。最后利用镜向、阵列等命令即可生 成想要的造型。 2.3 2d 导出 轮毂设计完成后,即可利用 ug 的制图功能生成 2d 正面图、背 面图、主剖视图、及局部剖面图。然后导出 2d *面图格式[4]。 3 铝合金轮毂的性能分析 铝合金轮毂 3d 造型设计完成后,要运用 ansys 软件对其进行模 拟试验分析,以验证其性能状况。目前应用 ansys 软件主要是对轮 毂的冲击和弯曲试验进行模拟分析,经多次与真实试验结果对比, 证明该软件的分析结果是切实有效的。 3.1 轮毂冲击试验模拟分析 步骤概述:做符合实际试验状态的 3d 模型→对重锤和轮毂分别 赋予不同的材质→划网格→添加作用力(包括力的大小和方向)、 约束面及位移量→添加施力方式→分析结果。 分述如下: (1)将 3d 导入;(2)赋予材料:分别赋予冲锤和轮毂的材料 材质。对冲锤赋予结构钢材质,对车轮赋予铝合金材质;(3)划网 格:网格的大小可以调节;(4)施加作用力;①力的大小:计算重 锤与轮毂接触的瞬间作用力的大小;②力的方向:点击黑白按钮可 以选择力的方向;③位移:在施力面的轴向,设定一个参考位移值。 作用力施加后,要选择施力方式;然后开始分析(5)运算结果: 调节应力范围显示运算结果。 3.2 轮毂弯曲试验模拟分析 步骤概述:做符合实际试验状态的 3d 模型→对力臂圆柱和轮毂 分别赋予不同的材质→划网格→添加作用力(包括力的大小和方 向)、约束面→添加施力方式→分析结果。 分述如下: (1)将 3d 导入;(2)赋予材料:分别赋予冲锤和轮毂的材料 材质。对冲锤赋予结构钢材质,对车轮赋予铝合金材质;(3)划网 格:网格的大小可以调节;(其前三个步骤操作方法与模拟冲击试 验是一致的,只是导入的分析模块有区别;(4)施加作用力;①力 的大小:根据弯矩计算作用力的大小,受力点在力臂圆柱的最底面 上;②力的方向:x、y 方向要单独分析;③选择施力方式。(5)开 始分析;(6)运算结果:调节应力范围显示运算结果



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