汽车轻量化铝合金轮毂设计

锻造铝合金轮毂与铸造铝合金轮毂相比，性能指标上有明显优势，如重量轻、安全性能高、节能等，但锻造轮毂的应用却处于刚刚起步阶段，仅个别车型中有应用。对现有铸造结构的铝合金轮毂进行减重，通过有限元模拟软件对轻量化轮毂的结构进行性能评价，得出**化的轻量化设计。

1 铸造轮毂结构介绍

研究载体结构如图1所示，轮毂重9.66kg。把铸造铝合金轮毂设计成锻造铝合金轮毂时，重量至少比铸造铝合金轮毂重量轻10%。

铸造轮毂结构

根据标准《GB/T5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法》计算出铸造轮毂的**等效应力，根据铸造轮毂的力学性能计算出铸造轮毂的最小安全系数。若锻造轮毂与铸造轮毂数模相同，因锻造轮毂的力学性能比铸造轮毂高，锻造轮毂的最小安全系数大于铸造轮毂，造成材料浪费。因此需要对轮毂进行减重分析，减小锻造轮毂轮辐或轮辋的厚度，重新计算锻造轮毂的最小安全系数，直至与铸造轮毂的最小安全系数相等或相近。

2 设计过程

对研究载体进行轻量化设计，设计过程图2所示。

轮毂轻量化流程

2.1 优化前的弯曲试验有限元模拟

按照标准《GB/T5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法》的规定，对铸造轮毂进行弯曲试验的强度分析。

弯曲试验中通过试验台夹具将车轮的内轮辋边缘加紧固定，因此有限元前处理中需要对内轮辋边缘进行固定。根据上面描述，弯曲试验的弯矩为M=2670.5N·m，试验装置中力臂长度为1m，因此，施加在力臂端面的载荷大小为2670.5N。因轮毂形状，按照图3所示的方向分别对力臂施加载荷。

由图4可知，A、B、C、D方向的载荷分布作用到力臂上时，轮毂的**应力载荷分别是169.54MPa、167.21MPa、158.57MPa和153.46MPa，**等效应力均在轮辐背面，在轮辐交点处。A方向载荷作用到力臂上时，轮毂的等效应力**。

铸造轮毂的抗拉强度σb=299MPa，屈服强度σs=199MPa，延伸率δ=12.8%。弯曲试验时，轮毂**等效应力为169.54 MPa，最小安全系数为1.17。

2.2 轮毂轻量化设计

轮毂轻量化后重8.69kg，比铸造轮毂轻0.97kg。轻量化后的轮毂与铸造轮毂相比有以下变化：

1）从轮辐内侧对轮辐厚度进行减薄，轮辐减薄10mm，具体位置如图5中红色位置所示；