摘 要

本文结合铝合金轮毂发展现状，以一汽-大众高尔夫2013年1.6L时尚型、舒适型及2017年1.6L舒适型铝合金轮毂为研究对象，利用catia软件建立轮毂的三维模型，并使用ANSYS软件对轮毂进行有限元分析，讨论轮毂在径向载荷、弯曲载荷及冲击载荷下的应力分布和等效形变情况，借此对轮毂的性能进行分析与评价。

有限元结果表明此三款轮毂在上述三种情况下均有优秀的表现。三款轮毂上述载荷下出现最大应力的部位均在轮辐与轮圈连接处、轮辐与中间毂连接处或者轮毂螺栓孔处，且在受到冲击载荷时出现最大的应力值。在受到冲击载荷时2013年一汽-大众高尔夫1.6L时尚型、舒适型轿车轮毂和2017年舒适型轿车轮毂出现的最大应力值分别为117.1MPa、134.3MPa和128.9MPa，最大应变值分别为0.1638%，0.1887%和0.1816%。三款轮毂均满足强度要求，同时也存在较大的强度富余，存在轻量化的可能。

借助轮毂的应力分布图对2017年舒适型轿车轮毂强度富余处进行轻量化处理，本文得出两种方案，方案3-3（孔尺寸12mm*60mm*28.545mm）与方案3-7（孔尺寸18mm*60mm*28.545mm）。两种方案均是对原轮毂进行挖孔减重，在满足强度的条件下对原轮毂分别减重了5.82%和8.76%。虽然方案均满足强度要求，但是有不同的偏向，方案3-3牺牲了相对较少的性能换来了较大的减重量，整体上优于方案3-7；而方案3-7是减重量最大的方案，但是大幅度增加了轮毂的最大应力，安全性上劣于方案3-3。对应不同的轮毂需求可以做出不同的方案选择。此次对铝合金轮毂的研究过程可以为铝合金轮毂未来的迭代与优化提供可行的思路。

关键词：铝合金轮毂；有限元；轻量化；结构优化

Abstract

Based on the current development of aluminum alloy wheel hub, this thesis took FAW Volkswagen Golf 2013 1.6L fashionable, comfortable and 2017 1.6L comfortable aluminum alloy wheel hub as research objects, and established the model of the wheel hub by CATIA. The finite element analysis on the wheel hub was carried out by ANSYS to discusses the stress distribution and equivalent deformation of the wheel hub under radial load, bending load and impact load. In this way, the performance of the wheel hub was analyzed and evaluated.

The results of finite element analysis show that the three wheels have excellent performance in the above three cases. The maximum stress of the three hubs under the above load appears at the connection between the spoke and the rim, the connection between the spoke and the middle hub or the bolt hole of the hub. And the maximum stress occurs when the hub is impacted. Under the impact load, the maximum stress values of FAW Volkswagen Golf 2013 1.6L fashionable, comfortable car hub and 2017 comfortable car hub are 117.1Mpa, 134.3Mpa and 128.9Mpa, and the maximum equivalent deformation are 0.1638%, 0.1887% and 0.1816% respectively. All of the three hubs meet the strength requirements, but there is also a large strength surplus and the possibility of lightweight.

By stress distribution diagram of the wheel hub, the strength surplus of the 2017 fashionable car wheel hub was lightened. In this paper, two schemes were obtained, scheme 3-3 (hole size of 12mm * 60MM * 28.545mm) and scheme 3-7 (hole size of 18mm * 60MM * 28.545mm). Both of the two schemes are to reduce the weight of the original hub by digging holes, and the weight of the original hub is reduced by 5.82% and 8.76% respectively under the condition of meeting the strength. Although the schemes all meet the strength requirements, there are different biases. Scheme 3-3 sacrifices relatively less performance for larger weight reduction, which is better than scheme 3-7 on the whole. Scheme 3-7 is the scheme with the largest weight reduction, but it greatly increases the maximum stress of the hub, and its safety is worse than scheme 3-3. Different schemes can be selected according to different hub requirements. The research process of aluminum alloy hub can provide feasible ideas for the future iteration and optimization of aluminum alloy hub.

Keywords: Aluminum alloy wheel hub; Finite element; Lightweight; Structure optimization

目录

摘要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1研究背景 1

1.2铝合金轮毂研究现状 1

1.3研究目的及意义 3

第2章 轮毂有限元模型建立与加载条件 4

2.1一汽-大众高尔夫汽车轮毂 4

2.1.1一汽-大众高尔夫轿车发展历程 4

2.1.2轮毂的结构特征与主要参数 5

2.2轮毂有限元模型建立 7

2.2.1轮毂三维模型建立 7

2.2.2轮毂模型的网格划分 9

2.2.3轮毂材料属性 10

2.3轮毂性能实验标准及边界条件 10

2.3.1径向载荷疲劳性能实验标准与边界条件 10

2.3.2弯曲疲劳性能实验标准与边界条件 11

2.3.3冲击性能实验标准与边界条件 13

2.4本章小结 14

第3章 轮毂有限元模拟结果与分析 15

3.1轮毂径向载荷有限元模拟结果与分析 15

3.1.1径向加载条件 15

3.1.2应力模拟结果与分析 15

3.1.3应变模拟结果与分析 20

3.2轮毂弯曲载荷有限元模拟结果与分析 26

3.2.1弯曲加载条件 26

3.2.2应力模拟结果与分析 26

3.2.3应变模拟结果与分析 32

3.3轮毂冲击载荷有限元模拟结果与分析 37

3.3.1应力模拟结果与分析 37

3.3.2应变模拟结果与分析 41

3.4本章小结 44

第4章 轮毂结构优化与有限元分析 45

4.1轮毂结构尺寸的优化 45

4.1.1尺寸变量设置 45

4.1.2边界条件 46

4.1.3轮毂模拟结果与分析 46

4.2轮毂结构优化后有限元模拟结果与分析 49

4.2.1轮毂径向载荷有限元模拟结果与分析 49

4.2.2轮毂弯曲载荷有限元模拟结果与分析 53

4.2.3轮毂冲击载荷有限元模拟结果与分析 55

4.3轮毂结构优化结果分析 57

4.4本章小结 58

第5章 总结与展望 59

5.1总结 59

5.2展望 60

参考文献 61

致谢 63

绪论

1.1研究背景

目前安全问题与能源问题成为了全世界都重视的问题。这些问题影响了许多行业的发展，其中就包括汽车行业。安全上车企为了满足消费者对于安全和舒适性的需求，汽车零件增加导致整车质量不断上升。所以汽车的轻量化在汽车行业显得很重要。一般汽车轻量化有两种可行方案，一是改变汽车结构进行减重，另一种是使用新的材料。汽车结构方面已经经过多年的探索，一直在慢慢进步；材料方面近年来很多高性能材料的出现带来了很多进步，其中铝合金因为优良的性能被汽车行业广泛应用，成为汽车轻量化发展中的重要材料^[1]。

轮毂是重要的汽车安全零部件。在汽车行驶过程中，轮毂的正常工作是保证人员安全的基础。汽车轮毂的发展伴随着人类科技水平的发展。最开始出现的汽车轮毂类似于马车车轮，轮毂的承重主要依靠又多又密的辐条。在19世纪末20世纪初期随科技的进步、工业的发展，出现了铸造的轮毂。于是慢慢的出现了长时间占领市场的钢轮毂。最初的钢轮毂是没有装饰的，非常的沉重与敦实，但是不怎么美观。所以后面便有人发明了“轮毂罩”，一般为塑料制品。1930年左右，德国人开始将铝合金与钢搭配起来，使用钢制辐条和铝质轧制迈出了铝合金车轮发展的基础。二战之后科技水平与生产水平迅速发展，铝合金轮毂出现了。在1958年出现了整体铸造的铝合金轮毂。后面随着汽车工业蓬勃发展，铝合金车轮越来越普及。如今人们对铝合金轮毂款型不断追求，特别在一些改装车专用轮毂上，辐条简洁有力，轮辋精致优美。