輪轂試驗
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輪轂試驗的實例教程
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作者：褚廷杰 上海安世亞太結構應用工程師
本文共計1712字，閱讀時間預計6分鐘
編者按
作者分析了利用ACT基于以上輪轂試驗標準進行開發和封裝輪轂標準試驗常用的三種工況；并將彎曲疲勞工況具體展開演示。
輪轂試驗標準專用分析程序
輪轂設計時需要遵循國內相關試驗標準，以汽車輪轂為例，在國標《GB/T 26036-2020 汽車輪轂用路和金模鍛件》中，詳細規定了汽車輪轂用鋁合金模鍛件的要求、試驗方法、檢驗規則及標志等內容。
26036標準中要求了汽車輪轂的動態彎曲疲勞試驗、動態徑向疲勞試驗應符合GB/T 5334（乘用車）及GB/T 5909（商用車）的規定。沖擊試驗應符合GB/T 15704的規定。
針對以上疲勞試驗、沖擊試驗要求，可利用CAE仿真技術進行虛擬樣機快速校核，大大提高現場試驗通過率，降低試驗成本。再進一步基于ANSYS ACT二次開發，可實現對CAE仿真技術和方法的進一步封裝，提高仿真效率。
本專用分析程序利用ACT基于以上輪轂試驗標準進行開發，封裝了輪轂標準試驗常用的三種工況：
13°沖擊試驗；
彎曲疲勞試驗；
徑向疲勞試驗。
基于此專用程序可以快速校核標準工況下的輪轂設計方案。該專用分析程序的主要特色：
專用的分析模板，降低了輪轂結構分析的難度，提高了效率；
依據26036標準，集成了3種輪轂測試工況，可進行相關虛擬試驗；
計算報告一鍵生成；
下文將以彎曲疲勞工況為例展示本程序。
展開 3.2.2 拓撲優化結果解讀及重構
如圖 3-3 所示，密度值 0.1 時的一個優化結果，從拓撲優化結果可以看出，輪轂可以 設計成 10 輻條的輪轂，下面將根據輪轂的拓撲優化結果進行幾何的模型重構，最終幾何 模型如圖 3-4 所示。
4 輪轂沖擊強度靜態驗證
輪轂的沖擊試驗是將輪轂安裝在與水平地面成角度 13°±1°的臺架上，然后沿垂直向下施加沖擊力，模擬車輪在實際行駛受到來自軸向的沖擊力或者石塊等物的沖擊。根據國家標準[5]判斷其實驗結果，當出現有以下某一種情形則判斷輪轂破壞：
（1）輪輻的任一斷面處有目測可見的穿透裂紋；
（2）輪輻從輪輞上分離或者出現明顯的裂紋；
（3）輪胎氣壓在1.0min內漏盡。
若試驗后輪轂未出現以上幾種情形，就判斷輪轂合格。本文建立輪轂沖擊仿真模型， 對其進行模態分析以及沖擊試驗靜力學分析。
4.1 模態分析
本文利用 SimSolid 軟件建立輪轂模態分析的過程為：導入輪轂幾何，定義材料屬性， 建立模態分析類型，建立約束，求解。整個過程不到一分鐘即可完成。得到的前 6 階振型 結果如下：
從輪轂的模態變形圖可知：安裝凸臺與輪輻的變形很小，輪輞的變形則很大，主要是 因為在安裝凸臺處施加了約束，同時輪輻和凸臺的厚度較大，能夠承受較大的強度，輪輞 的剛度較差，主要是沒有輻板的支撐造成的。同時是符合設計要求的，因此輪轂結構設計 較為合理。
4.2 沖擊試驗靜力學分析
輪轂沖擊試驗實際上是瞬態動力學問題，為了方便設計模型快速性能校核，本文建立簡化模型，利用 SimSolid 軟件進行靜態分析。
展開 建模方法和結果：圖1所示的建模方法采用了GBDT、隨機森林和AIAgent等多種算法進行回歸分析，最終選取精度最高的模型；
圖1 基于DTEmpower軟件平臺的輪轂強度分析建模流程和結果。首先利用AIPOD的智能采樣功能計算生成數據集，然后在DTEmpower中進行建模分析
3. 建模結果分析：結合DTEmpower數據建模工具，使用 AIAgent擬合輸入輸出變量之間的映射關系，可使模型的R2指標達到99%以上，優于其他訓練算法。
輪轂強度分析建模試驗2
1. 數據集介紹：某頭部風機制造商提供的結構應力評估數據集，含有15維輸入，為5個測點在三個方向上的載荷；輸出為9個測點的應力，共27維。數據集中有2400個樣本，目標是快速評估測點的結構應力；
2. 建模方法和結果：圖3所示的建模方法在試驗1的基礎上綜合使用了ROD、MDI/MDA等數據和特征的預處理技術。然后在不同的實驗條件下對比模型的評價指標。其中ROD是一種基于回歸分析并搭配使用天洑軟件自研的tf_accuracy作為評價指標的異常點檢測方法。ROD在本數據集上的檢測結果如圖2所示；
圖2 ROD的異常點檢測結果，ROD成功的檢測出部分樣本的輸出變量量綱較小，發現數據集中存在樣本采樣不均衡的問題，并得到客戶認可
圖3 基于ROD的輪轂強度分析建模對比結果：試驗中使用了普通的異常點檢測算法和ROD進行異常點的篩選。對比結果表明了ROD在挖掘工業數據集中 “潛在異常點”的優秀性能
3. 建模結果分析：結合DTEmpower數據建模工具，并綜合使用ROD、MDA和AIAgent，通過層層遞進式的數據挖掘探索和建模，可使最終模型的R2指標達到0.94左右。
展開 輪轂軸承安裝到芯軸上，芯軸固定在傳動主軸上，伺服電機通過傳動主軸、輪轂軸承連接，各部件通過對測試部件進行徑向和軸向加載，產生的旋轉扭矩傳遞到外圈和襯套，再由連桿傳遞到扭矩傳感器，然后通過扭矩傳感器測出相應的數值，從而得到輪轂軸承的摩擦力矩。輪轂軸承的摩擦力矩測試設備，如圖4所示。
圖4 汽車輪轂軸承摩擦力矩試驗機
Fig.4 Friction Torque Testing Machine of Automobile Hub Bearing
圖5 輪轂軸承摩擦力矩檢測原理
Fig.5 Friction Torque Detection Principle of Hub Bearing
試驗中按照圖5的檢測原理圖將汽車輪轂軸承裝上工裝，一側連接旋轉主軸，主軸通過電機轉動，另一側連接連桿，軸承選裝后通過連桿傳導力矩至力矩傳感器，進而輸出力矩值。
4.2 試驗工況
本試驗的測試對象為某車型第三代汽車雙列角接觸球輪轂軸承。在生產線上挑選出不同負游隙的輪轂軸承作為試驗測試樣件，在實際生產過程中，由于各種誤差的存在，且輪轂軸承鉚接后的負游隙目前還難以準確檢測，因此試驗中的負游隙為根據鉚接前游隙得到的理論計算值，并且軸承的負游隙值比較隨機，不能保證等范圍選取，試驗選取的測試樣本負游隙值分別為（-0.036）mm、（-0.030）mm、（-0.023）mm、（-0.020）mm、（-0.014）mm 及（-0.010）mm。
展開 模態分析與試驗是其中關鍵技術之一，通過模態試驗分析，得到產品結構的模態參數，可為結構設計部門進行結構系統的振動特性分析、結構動力特性優化設計和修改提供準確的參數依據和方向。
輪轂是汽車運動的重要部件，在行駛過程中，承受來自路面不同幅值、不同頻率的激勵以及動力系統傳遞到輪轂的各種激勵，從而引起輪轂不同形態的變形。其性能的優劣將直接關系到汽車的操縱穩定性、行駛安全性和乘坐舒適性等，而當動態變形波動的次數累積到某一個固定值，就會造成材料的永久變形和疲勞裂紋，繼而導致永久失效。
圖1 輪轂
從結構疲勞的角度來看，在輪轂設計時應盡量避免因其固有頻率與其它系統共振引起的失效和乘車舒適性不佳的問題；從噪聲振動傳遞特性的角度來看，汽車在行駛過程中，路面激勵首先作用到輪胎上，再由輪轂傳遞到輪輻，進而通過懸架傳遞到車內，所以輪輻和輪轂之間的傳遞特性是整條傳遞路徑中關鍵的一環，因此獲得并優化車胎的傳遞特性，可有效的消除車內的振動噪音。
另一方面，輪轂的側向剛度也是影響車內噪音和振動的關鍵參數，側向剛度越大，車輪抵抗變形的能力越強，其大小也決定著輪胎的隔振性能。同時，這些關鍵參數之間相互影響，因此準確地獲得這些試驗參數，分析輪轂的振動噪音特性，為最終輪轂的設計、優化提供可靠的試驗依據，并能有效地解決汽車的振動噪聲問題，改善乘車舒適性。
2 應用案例
東風汽車采用漢航Hunter Box硬件和NTS.LAB模態測試分析及輪胎力傳遞率和側向剛度分析軟件，通過試驗方法獲取結構的模態信息、力傳遞率及剛度參數，并與有限元結果進行對比，從而驗證有限元模型的準確性以及可供優化設計的方向。
2.1 車輪模態試驗分析
輪轂的約束條件一般有：自由懸掛和柔性支撐。
展開 
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根據輪轂的受力工況來看，車輪在彎曲載荷的作用下造成的失效要比徑向載荷造成的破壞大，所以本次分析主要是根據彎曲疲勞試驗中輪轂的受力情況，對汽車輪轂進行有限元分析。
同時，這些關鍵參數之間相互影響，因此準確地獲得這些試驗參數，分析輪轂的振動噪音特性，為最終輪轂的設計、優化提供可靠的試驗依據，并能有效地解決汽車的振動噪聲問題，改善乘車舒適性。
電動汽車用輪轂電機性能試驗臺設計[J]. 儀器與設備, 2015, 3(2): 28-34.
http://dx.doi.org/10.12677/IaE.2015.32005
文章來源：漢斯出版社
輪轂強度分析建模試驗1
1. 數據集介紹：根據客戶提供的計算程序，結合AIPOD中的智能采樣功能生成輪轂強度數據集。數據集的3維輸入表示輪轂上的三個扭矩，5維輸出表示五個節點的應力。目標是得到輸入輸出變量之間的映射關系；
2.
本專用分析程序利用ACT基于以上輪轂試驗標準進行開發，封裝了輪轂標準試驗常用的三種工況：
13°沖擊試驗；
彎曲疲勞試驗；
徑向疲勞試驗。
基于此專用程序可以快速校核標準工況下的輪轂設計方案。
軸承壽命理論分析與大量的壽命試驗表明：輪轂軸承的工作游隙設計在（-0.01～-0.06）mm范圍內時，軸承會有更長的壽命。
4 輪轂沖擊強度靜態驗證
輪轂的沖擊試驗是將輪轂安裝在與水平地面成角度 13°±1°的臺架上，然后沿垂直向下施加沖擊力，模擬車輪在實際行駛受到來自軸向的沖擊力或者石塊等物的沖擊。
c.輪轂顯式動力學分析
通過ANSYS STR強大的顯式動力學分析功能可以快速模擬輪轂的臺架沖擊試驗，從而預測產品的抗沖擊性能是否滿足設計要求。
d.輪轂優化設計分析
來源：安世亞太
