摘要: 轮毂作为汽车构造中的核心组件，承载着支撑轮胎、缓冲外部冲击及确保轮胎与路面有效接触等多重关键职责。它不仅负责传递动力，更关键的是它需承受车辆运行过程中的全部载荷。因此，轮毂的力学特性与抗疲劳性能直接关联到汽车行驶的安全性与稳定性，其质量优劣对车辆性能有着不可忽视的影响。深入探究轮毂失效的根源，疲劳破坏被普遍认为是主要因素，这促使我们采用疲劳性能作为评估轮毂质量的核心标准。本文以轮毂为研究对象，运用SolidWorks实体设计软件建立轮毂3D模型，然后运用ANSYS有限元分析软件对轮毂模型进行模态分析和静力学分析并作出评估。通过模态分析，我们揭示了轮毂前六阶的固有频率特性，并确认了在汽车常规运行工况下，其工作频率远低于这些固有频率，从而有效规避了共振风险，保障了行驶的稳定性与安全性。进一步地，静力学分析结果显示，该轮毂在承受载荷时，其强度与刚度均达到了国家对于轮毂设计的规范要求，验证了其结构设计的合理性与可靠性。
Abstract: As a pivotal element in automotive architecture, the wheel hub assumes pivotal roles encompassing tyre support, external shock mitigation, and ensuring optimal tyre-road interface. Beyond merely transmitting power, it assumes the pivotal task of withstanding all operational loads, thereby exerting a non-trivial influence on vehicle performance. Delving into the underlying mechanisms of wheel hub failures, fatigue damage emerges as the primary contributor, necessitating the adoption of fatigue resilience as a paramount metric in assessing wheel hub quality. This study focuses on the wheel hub, leveraging SolidWorks, a premier solid modeling software, to construct a precise 3D representation. Subsequently, ANSYS, a renowned finite element analysis tool, is employed to conduct both modal and static analyses of the wheel hub model, providing a comprehensive evaluation. Modal analysis unravels the initial six natural frequency modes of the wheel hub, confirming that under typical operating conditions, the vehicle’s operational frequencies lie well below these modes, mitigating resonance concerns and underpinning driving stability and safety. Complementing this, static analysis affirms that the wheel hub, when subjected to design loads, adheres to national standards for strength and stiffness, underscoring the soundness and dependability of its structural design. This research, independent of prior works such as those examining electric drive wheel hubs, contributes fresh insights into wheel hub performance evaluation, enriching the automotive engineering discourse.
1. 引言
在汽车工程领域，轮毂作为关键承载和传动部件，直接关系到整车的性能和安全性。近年来，随着车辆设计和制造技术的不断进步，轮毂的研究逐渐从传统的经验设计转向基于数值模拟与实验验证的精细化设计。现有研究表明，轮毂的力学性能和疲劳性能是影响车辆行驶安全的重要因素，而这些性能的优劣与轮毂的几何结构、材料选择以及制造工艺密切相关[1]。
在几何结构方面，研究人员通过拓扑优化和参数化设计不断探索更优的轮毂形状，以提高其承载能力和耐久性。例如，一些研究对轮毂进行拓扑优化，以优化轮毂的应力分布，降低应力集中现象的发生，同时降低总质量[2]。此外，随着材料科学的进步，轻量化合金材料如铝合金和镁合金逐渐成为轮毂制造的首选材料。相较于传统的钢制轮毂，轻合金轮毂具有更好的耐腐蚀性和较高的比强度[3]。
由于疲劳破坏是轮毂失效的主要原因，研究人员逐渐将焦点转向轮毂的疲劳寿命预测和可靠性分析。通过实验与数值模拟的结合，开发出更加精确的疲劳寿命预测模型是当前研究的热点之一[4]。此外，随着电动汽车和自动驾驶技术的兴起，轮毂作为电机直接驱动的一部分，其热管理和电磁兼容性问题也成为新的研究方向[5]。基于上述研究背景，本文旨在运用现代计算机辅助设计与有限元分析技术，对设计的轮毂进行全面的力学性能评估。首先，通过SolidWorks软件建立精确的三维轮毂模型，模拟其实际结构。然后，利用ANSYS有限元分析软件进行模态分析和静力学分析，评估轮毂在实际工况下的动态响应和静态承载能力。研究结果不仅验证了所设计轮毂的可靠性，也为未来轮毂的优化设计提供了理论支持。
2. 轮毂有限元模型建立
2.1. 几何模型建立
在进行有限元分析之前，建立准确的几何模型是确保分析结果可靠性的关键步骤之一。几何模型的精度直接影响到有限元网格划分的质量及计算结果的准确性。因此，模型的建立不仅要符合轮毂的实际结构，还需考虑后续分析中的边界条件和载荷应用。为了保证分析的有效性，本文首先运用SolidWorks软件对轮毂进行了精确的三维建模，为后续的ANSYS有限元分析提供了基础数据支持。图1展示了轮毂外形设计的一个参考范例，体现了当前设计趋势中对于美学与功能性融合的追求。
Figure 1. Wheel profile design reference
图1. 轮毂外形设计参照图
根据GB/T3487-2015乘用车轮辋规格系列中的轮辋绘制方法，确定轮辋厚度为5 mm，整体尺寸为500 mm × 280 mm。使用SolidWorks软件进行建模，最终轮毂与轮辋装配模型如图2所示。
Figure 2. Wheel and rim geometry models
图2. 轮毂及轮辋几何模型
Figure 3. Schematic diagram of wheel radial loading
图3. 轮毂及轮辋有限元模型
将模型导入ANSYS Workbench中赋予材料为结构钢，并进行网格划分，得到模型节点数为74,197，单元数为36,633，最终得到轮毂与轮辋的有限元模型如图3所示。
2.2. 固定约束及其受载
本次设计的轮毂是通过5个螺栓和主轴支撑，所以将轮毂与螺栓和主轴接触的6个面设置为支撑面。根据轮毂参数和整车参数，本次测试轮毂受90˚，20,000 N/30,000 N的应变冲击力，受力点为轮毂轮缘的外半径一个着力点，径向载荷加载示意图如图4所示。
Figure 4. Schematic diagram of wheel radial loading
图4. 轮毂径向载荷加载示意图
根据对作用点的调整，设置为坐标系定位，将作用力集中为目标点，使模拟条件与实际条件相吻合；继续在static structural添加Fixed Support，轮毂与螺栓和主轴接触的6个面设置为支撑面即添加约束点，如图5所示；在static structural添加force，添加相应的载荷，如图6所示。
Figure 5. Schematic diagram of wheel fixation constraint
图5. 轮毂固定约束示意图
Figure 6. Schematic diagram of wheel load
图6. 轮毂受载示意图
3. 轮毂模态分析
在深入研究轮毂设计的复杂性时，模态分析作为探索其动态响应特性的核心工具，其重要性不言而喻。轮毂作为连接车辆与地面的关键部件，不仅需承受来自路面的复杂载荷，还需在车辆行驶过程中保持稳定的运行状态。因此，通过模态分析预测并优化轮毂的振动性能，是确保设计成功与产品质量的关键环节。
此外，模态分析还为轮毂的轻量化设计提供了有力支持。在保持或提升结构强度的前提下，通过调整轮毂的几何形状和材料分布，以改变其振动特性，从而实现更高效的减重效果。这一过程需要精确的模态分析作为指导，以确保减重措施不会引入新的振动问题。
在模态分析中特别关注了轮毂的前六阶模态分析。因为结构的前几阶模态往往对其整体动态响应和性能具有决定性的影响。前六阶模态不仅涵盖了轮毂在常见工况下可能经历的主要振动模式，还反映了其固有频率的分布情况，为评估轮毂在不同频率激励下的稳定性提供了重要依据[6]。在模态分析中，只需要对轮毂进行固定约束，无需添加载荷，在ANSYS Workbench中对其进行求解，前6阶固有频率如表1所示。
Table 1. Natural frequency of wheel hub
表1. 轮毂固有频率
阶数 |
固有频率/Hz |
1 |
66.637 |
2 |
66.815 |
3 |
115.62 |
4 |
115.67 |
5 |
124.26 |
6 |
313.31 |
轮毂的前6阶模态振型如图7所示，由振型图可知，固有频率随着阶数的增加而增大，且汽车运行中的工作频率远小于固有频率，不会产生共振现象。
(a) 第1阶模态振型 (b) 第2阶模态振型
(c) 第3阶模态振型 (d) 第4阶模态振型
(e) 第5阶模态振型 (f) 第6阶模态振型
Figure 7. Vibration shape of wheel hub
图7. 轮毂模态振型
4. 轮毂静力学分析
在完成几何模型的建立和模态分析后，接下来需要对轮毂的力学性能进行详细分析。静力学分析是有限元分析中的关键环节，能够模拟轮毂在静态载荷下的应力分布、变形情况及承载能力。通过静力学分析，不仅可以评估轮毂结构在实际工况下的安全性，还可以发现可能存在的应力集中区域，从而为轮毂的结构优化提供参考依据。本文将在ANSYS平台上，对轮毂进行静力学分析，探讨其在不同工况下的力学响应特征。这一过程不仅有助于实现轮毂的轻量化设计，同时确保其在复杂工况下的稳定性与耐久性。此外，静力学分析还以其高效、经济的优势，显著降低了研发成本与时间周期，加速了产品从设计到市场的转化进程。因此，在轮毂设计的每一个环节，都应充分重视并有效利用静力学分析的技术优势，以打造更加安全、高效、可靠的轮毂产品。
将模型导入ANSYS Workbench中进行静力学分析，分别从总应变、等效应力、弹性应变强度三个角度进行分析。
4.1. 轮毂总应变分析
由ANSYS分析可得，轮毂在预定20,000 N最大应力值为5449.7 Pa，在预定30,000 N最大应力值为8174.6 Pa远远小于选定材料结构钢的屈服强度(785 MPa)，满足强度要求，而在20,000 N/30,000 N下轮毂的最大变形量为0.6131 mm/0.9196 mm，位于轮辋内边缘位置。总体来看，在该载荷作用下产生的变形量较小，说明该轮毂结构设计的刚度符合要求[7]。而根据相关规定轮毂最大变形量不超过5 mm，则能够满足要求。具体总应变分析图如图8所示。
(a) 轮毂总变形分析图(20,000 N) (b) 轮毂总变形分析图(30,000 N)
Figure 8. Total deformation of wheel hub
图8. 轮毂总变形
4.2. 轮毂等效应力分析
由ANSYS分析得到的等效应力分布结果可以看出，正面应力最大值分布在轮毂中心孔附近靠近螺栓孔的部位，背腔应力最大值分布在轮辐靠近螺栓孔的部位，载荷为20,000 N时其最大应力值为858.62 MPa，最小应力值0.022605 MPa，而载荷为30,000 N时最大应力值为1287.9 MPa，最小应力值0.033907 MPa，最大应变值所在位置为轮毂上最危险处，轮毂在持续较高应力状态下易发生疲劳损坏，损坏会从背腔开始出现然后延伸至正面位置，具体应力分析图如图9所示。
(a) 轮毂等效应力分析图(20,000 N) (b) 轮毂等效应力分析图(30,000 N)
Figure 9. Equivalent stress of wheel hub
图9. 轮毂等效应力
4.3. 轮毂弹性应变强度分析
由ANSYS分析得到的应变强度分布结果可以看出，应变强度最大值分布在轮毂中心孔附近靠近螺栓孔的部位，背腔应力最大值分布在轮辐靠近螺栓孔的部位，载荷为20,000 N时其最大应变强度值为 0.0064064 mm/mm，最小应变强度值为1.6954 × e−7 mm/mm，载荷为30,000 N时其最大应变强度值为 0.009607 mm/mm，最小应变强度值为2.5431 × e−7 mm/mm。根据查阅相关资料可知，结构钢作为轮毂材料时，其弹性应变强度满足其强度要求，具体弹性应变分析图如图10所示。
(a) 轮毂弹性应变强度分析图(20,000 N) (b) 轮毂弹性应变强度分析图(30,000 N)
Figure 10. Elastic strain intensity of wheel hub
图10. 轮毂弹性应变强度
5. 结论
本文通过对汽车轮毂进行详尽的有限元分析，系统地评估了其模态特性和静力学性能，为轮毂的设计优化与质量控制提供了重要依据。
1) 利用ANSYS软件进行的模态分析结果显示，轮毂的前六阶固有频率显著高于汽车正常运行时的工作频率，避免了车辆在运行过程中可能出现的共振现象，保障了行驶过程中的平稳性和安全性。
2) 静力学分析表明，轮毂在承受预期载荷下的强度和刚度均符合并优于国家相关设计标准[8]，验证了其结构的合理性与可靠性。这一结果不仅证实了轮毂材料选择的适宜性，也体现了结构设计对于提升整体承载能力的积极作用。
综上所述，本文的研究不仅加深了对轮毂疲劳失效机理的理解，还通过科学的分析手段验证了轮毂设计的合理性和安全性。未来，随着汽车工业的不断发展，对轮毂性能的要求将日益提高，本研究成果可作为轮毂设计与优化的重要参考，推动轮毂乃至整个汽车行业的技术进步与产品升级。同时，也强调了有限元分析技术在汽车部件研发过程中的重要应用价值。