乘用车轮毂疲劳分析及优化设计

针对轮毂结构采用SolidWorks中建立轮毂模型，选取钢制材料轮毂为研究对象，在ANSYS中分别进行弯矩载荷和径向载荷仿真，得到轮毂的静力学结果。基于静力学应力结果通过疲劳分析组件得到轮毂的疲劳寿命云图，再进行模态分析提取出轮毂的前几阶固有频率和振型。为了提高轮毂的性能对在原有基础尺寸进行合理优化，优化结果显示轮毂的质量减少了，符合轻量化设计要求；轮毂的应力应变减少，符合轮毂刚性和强度要求；轮毂的固有频率提升了，减少了结构共振的可能性，符合轮毂的舒适性要求。

汽车在行驶过程中，车轮承受车体的垂直载荷和侧向载荷以及轴承传递的驱动，制动扭转力。汽车转向是通过车轮实现转向， 车辆在高速行驶过程中对车轮的性能要求更高。

车轮不仅影响汽车行驶性能， 还影响行驶过程中的舒适性和安全性。因此对车轮在保持良好的轮廓、尺寸和形状的同时还要求具有极其高的刚性和疲劳性。常见的车轮是主要有轮辐和轮辋组成，由于轮毂模型的复杂性，简化了轮缘、槽底、偏距等。轮毂的国际性能实验主要包括轮毂的弯矩疲劳实验，径向载荷疲劳试验等，相对于传统的采用实验室实际实验来检验轮毂性能是否合格，耗费大量人力物力，周期长成本高等特点，采用有限元方法和仿真技术可以符合汽车行业快速发展的需求。通过预测结果和轮毂实验结果对比，验证仿真分析结果的正确性。进而对轮毂优化设计，大大缩短了研发周期，降低了成本。肖占龙等人[1]研究了钢制轮毂和铝合金轮毂的受力和模态分析并轻量化了轮毂。

任山等人[2]通过弯曲疲劳实验和冲击试验进行考核。

陆洋等人[3]运用ANSYS 进行参数化建模和有限元分析，进行结构化设计得到轮毂的最优参数。

2. 结构形式 2.1. 轮毂结构 车轮是通过轮辋和轮辐焊接而成，如图1 所示。轮辋主要用于支撑轮胎和承受轮胎内气压和来自径向的作用力，轮辐主要用于保护轮圈和加强强度的作用。气门孔用于伸出轮胎气门。一般轮毂采用辊压工艺成型，轮辐上有止口，通风孔等特征，结构较为复杂，轮辋和轮辐都属于薄壁构件，为方便后续的有限元分析，将不重要的部位进行简化。

Figure 1. Wheel hub parts drawing 图1. 轮毂零件图