车轮支架结构设计和有限元分析

车轮支架结构和有限元 车轮支架结构设计和有限元分析 摘要:为了保证车轮冲击试验的安全和稳定，有必要对车轮支架进行三维模型的结构设计和有限元分析。充分考虑冲击试验机的静态和动态受力效果，本文使用catia软件完成车轮支架模型设计，采用ansysworkbench有限元软件对车轮支架工作过程的仿真分析。 关键词:冲击试验;车轮支架;结构设计;有限元分析 引言 随着国民经济的快速发展和汽车的需求量得迅猛增长，我国汽车产业发展迅速，并且相继提高汽车技术水平，使得人们日益更加地关注汽车车轮对汽车行驶安全性和操纵稳定性的影响程度。车轮试验机作为检验车轮性能的重要设备也在根据汽车的结构调整而不断发展，由于车轮性能的好坏直接影响到整个车辆的运行操作性能，并在对汽车的安全性和舒适性方面起至关重要的作用，因此，检验车轮性能也就变得尤为重要。车轮试验机是检验车轮性能的设备，它一般包括车轮径向疲劳试验机、车轮弯曲疲劳试验机、车轮冲击试验机等。 一、车轮冲击试验机原理和标准 车轮冲击试验机的基本原理是对安装在车轮支架上试验车轮施加一个相应的冲击力，用这个外加的冲击力模拟车轮在汽车实际运行中所承受到的外界给予车轮的侧向冲击载荷。车轮试验机的基本操作过程，首先将试验车轮安装在具有倾斜角度的冲击实验工作台 上，然后用国家规定的质量冲头，按照试验机国家标准所规定的高度自由落下，从而产生一个对试验车轮的冲击作用。根据试验机国家相关标准要求，试验车轮在受到冲击试验后，该车轮轮辐不得出现有目测可见的穿透裂纹，同时其轮辐也不能与轮辋出现分离现象，并且试验车轮的轮胎气压不能在试验后的60秒的时间内出现漏尽现象。如表1-1所示为车轮冲击试验的国际标准和国家标准。 通过对不同试验机标准进行分析，为了保证车轮冲击试验的数据可信和可靠，必须保证下面两个条件，一是冲击试验的下落物体的质量，另外一个就是冲击试验的下落高度。为此，本冲击试验机的车轮支架受到的冲击力全部来源于由按照规定高度自由下落的冲击板所具备的动能而产生的，因此，可以通过模拟冲击板下落的高度和冲击板的质量，进而分析车轮支架的受力和变形情况。 二、车轮支架的结构设计 在车轮冲击试验过程中，车轮支架用于安装冲击试验车轮的安装装置。在结构设计角度方面，为了保证垂直自由下落的冲击板和车轮轮辋的最高点接触，车轮支架的结构设计必须保证按车轮轴线与冲头板垂直下落方向成角度的方向安装试验车轮。根据不同的试验车轮的各种不同规格和形状，车轮试验机的安装车轮支架的位置设计为可调，为了更加精确试验数据和试验的稳定性，车轮支架应该具备校正功能。车轮支架的校正过程为，将重量为1000kg物体的作用于车轮安装中心，测量钢板梁中心在垂直方向的弯曲变形量， 并且保证钢板梁的弯曲变形量处于7.5mm10%的范围之内。根据车轮安装具体要求和国家标准，针对车轮支架的结构设计主要有调整块、钢板梁、连接盘、校对块、拉杆、平导轨、挡板、侧滑轨、橡胶支架、支架座、底板构成。如图2.1所示为车轮支架结构示意图。车轮支架轴线与冲头板垂直方向角度可通过调整块实现角度调节。 图2.1 车轮支架结构示意图 通过采用catia三维软件，对车轮之间进行三维建模，如图2.2(见下页)所示，为车轮之间的三维模型。在完成车轮支架的模型设计后，可以在对车轮支架的各个零部件更加直观的设计和分析，并且可以为后续有限元分析提供模型数据。 图2.2 车轮支架模型 三、车轮支架的仿真分析和校正 为了更好验证车轮支架的结构设计安全和稳定，同时也可以更好地模拟车轮支架校正数据，进而使用有限元软件对车轮支架进行仿真分析，有限元分析软件中ansysworkbench模块功能适合于结构较为简单静力学模拟分析，并且属于步骤过程模块化，分析的理论数据较为接近真实值。在运用ansysworkbench有限元分析时，主要有这么几个步骤，首先将在catia软件中建立好的车轮支架3d模型数据，通过ansysworkbench与catia软件的数据连接接口，将车轮支架模型数据导入到有限元分析ansysworkbench中的模型 后台，如图3.1所示，为车轮支架导入有限元分析ansysworkbench 的效果图。其次就是开始有限元分析，主要包括有车轮支架的各个零部件材料选择设定，网格划分，施加载荷和分析结果。 图3.1 车轮支架导入模型 在有限元分析设定过程中，车轮支架零部件材料主要设定为碳钢和橡胶，通过查询设计手册，碳钢弹性模量设定为210gpa，泊松比为0.3，橡胶属于弹性材料，不需要设定其弹性模量和泊松比。其次划分网格，划分网格时采用系统推荐的自适应划分网格方法，如图3.2所示，为车轮支架划分完网格效果图。在车轮支架的钢板梁的安装中心施加加载1000kg重锤力量，设置重力加速度g为9.8n/kg，因此，施加的外力大小为9.8kn。通过ansysworkbench 的有限元分析结果图，如图3.3所示，为车轮支架模拟仿真结果图，在左侧的变形数据的分布中，钢板梁安装中心处在在竖直受力方向上的的最大值变形量为7.92mm，通过分析比较，最大变形量处于车轮试验机的标准的7.5mm?10%范围之内，因此，车轮支架的结构设计符合技术要求。 四、结论 按照仿真后的车轮支架设计图，完成好车轮支架零部件的加工，以及车轮试验机的安装。从而对车轮试验机的车轮支架进行实际值 的校正。校正的基本操作过程:将带有磁力表座的百分表，量程为10mm，吸附在车轮支架的滑板上，同时将百分表的触头对正车轮支架连接座下端平面上，然后施加重锤加为标准值1000kg，从而测出钢板梁的安装中心的实际形变量。如图4.1所示，为百分表的校长过程，百分表显示的车轮支架钢板梁安装中心的变形量为7.85mm，其数值处于7.5mm10%范围之内，符合设计配置要求，同时也验证了车轮支架仿真数据的准确。 参考文献: [1]秦宇，蔡敢为，等.车轮强度试验有限元仿真[j].装备制造技术，2008，(4):10-11. [2]张国智.轿车铝合金轮毂台架试验的有限元数值模拟[d].秦皇岛:燕山大学机械工程学院，2005. [3]彭理志.铝合金车轮的90?冲击试验[j].mc现代零部件，2009，(8):82-84. [4]张响.铝合金车轮数字化仿真及工艺优化[d].浙江:浙江大学，2008. [5]轿车车轮冲击试验方法.gb/t15074-1995. [6]道路车辆,载货汽车,车轮/轮辋,试验方法.iso3894. [7]臧孟炎，秦滔.铝合金车轮13?冲击试验仿真分析[j].机械工 46(2):83-87. 程学报，2010，