1.1设计目的及意义

随着日益严重的能源危机以及环境恶化，无论是在内燃机汽车还是新能源汽车领域，汽车轻量化都已成为汽车厂商关注的焦点，这也逐渐成为汽车公司的核心竞争力之一。汽车轻量化是在保证汽车性能和安全性的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排放。一辆轿车通常需要装备四到五个轮毂，而钢制轮毂重量一般是汽车整车重量的 5-9%左右，因此汽车轮毂的轻量化对汽车整体的减重有重大意义。根据有关资料，减少旋转部件质量比减少静态部件质量更有利于降低汽车燃油消耗。

目前，汽车轮毂的轻量化主要体现在使用轻质材料并进行结构优化上，而且轻量化技术己比较成熟。随着新材料技术的不断进步，轮毂的材料选用也将不断发生变化，例如镁合金材料在汽车轮毂上的轻量化应用。在轮毂设计中,应设计合理的轮毂结构,以保证轮毂有足够的刚度。在保证轮毂的刚度的同时,可以适当地降低轮毂的变形量,以保证其轮辋的圆度,改善驾驶性能,提高其安全性能。此外,造型美观的轮毂还会带来很好的市场效应。总之,在轮毂设计时,以足够的强度为前提,以轻量化设计为主导方向,同时兼顾满足一些其它性能。

1.2国内外研究现状

镁合金的耐腐蚀性差，镁合金在多盐环境下耐水腐蚀性与铝合金差不多，但它的耐电化学腐蚀性能非常差。因此当镁合金部件与钢部件连接在一起时，或者两个镁合金部件使用钢紧固件进行连接时，镁合金的腐蚀会加快。但从材料属性的角度看，镁合金的密度比铝合金要低三分之一，而且比强度和比刚度都比较高，因此在降低汽车整车重量，提升整车性能方面，镁合金无论从短期，还是长期来看都具有巨大的开发价值。

在汽车轮毂的结构优化方面,燕山大学的孙红梅基于有限元法综合考虑了汽车轮毂模态、轮辋刚度以及轮毂弯曲疲劳寿命等因素的影响,建立了汽车轮毂优化设计模型,获得了较为满意的汽车轮毂结构参数。重庆大学的周渝庆和河北工业大学的王利辉,分别利用有限元软件ANSYS和NASTRAN,以轮辐厚度和轮辋的厚度作为设计变量,弯曲疲劳强度作为状态变量,整个汽车轮毂的重量作为目标函数,进行了优化设计,达到了轻量化设计的目的。

目前，由于镁的众多优越的特性，众多汽车制造大国镁合金在汽车中的使用是越来越多了，在不降低汽车整体性能的前提下，不断提高镁合金在汽车制造中的使用，甚至以镁合金的使用量来评价一辆汽车的技术指标。目前一些著名的汽车品牌如法拉利、华晨宝马、奔驰、通用等都在使用镁合金材料作为为汽车中的重要材料之一。美国和欧洲的众多汽车制造行业目前正使用 AM60B 镁合金作为汽车轮毂铸造的重要材料，而且使用量越来越多。德国大众汽车制造业发现使用镁合金生产的轮毂比之前铝合金轮毂疲劳性能显著提高，而且能减 1/4 的质量。

土耳其的H.Akbulut基于汽车的冲击试验,以轮毂结构单元的重要节点的位移变化量作为设计变量,结构应力最小为目标函数进行结构优化。Hamid Jahed,Behrooz Farshi等建立了三次样条曲线的轮毂模型,以曲线函数的各项参数为设计变量,利用MATLAB优化工具进行优化。

2. 研究的基本内容与方案

2.1研究设计的基本内容及目标

本文以参考的轮毂型号为研究对象,以镁合金为汽车轮毂材料,采用一体化的铸造方式,并利用分析软件ANSYS进行结构优化设计,达到轻量化设计的目的。通过三维设计软件CATIA来建立轮毂实体模型。在汽车轮毂的结构设计方面,通过有限元应力分析得出了螺栓孔设计为锥面的合理性,为轮毂的承载和轻量化的后期设计提供了储备。在轮毂的形状尺寸优化方面,选取轮辋形状厚度、轮辐形状厚度以及安装凸台的形状厚度这些对轻量化设计影响较大的参数作为设计变量。为了更精确地减少轮毂材料,将安装凸台的径向尺寸也作为设计变量。同时,根据镁合金的材料性质,设置不超过其强度极限和变形极限的变化范围作为状态变量,以满足轮毂安全使用性能,以及尽可能地符合实际工况。