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汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动（制动）扭矩和行驶过程中所产生的各种应力，它是高速回转运动的零件、要求尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻，并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。因此要求车轮具有足够的负载能力及速度能力、良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性、精美的外观和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等。车轮材料的选用，车轮结构和制造工艺与上述要求密切相关，是决定车轮性能好坏的关键因素。
2车轮材料的选用
目前，全世界的汽车车轮，不管是载重汽车车轮还是轿车车轮，所用材料基本分为两种，即钢材和铝合金材料，这两种材料制造的车轮所占市场份额为95％，研究汽车车轮的各种工艺特性与这两种
材料的特性是分不开的。随着世界各国政府对节能、安全、环保的要求日趋严格，车轮材料的选择就成为一个焦点问题，即铝合金和钢的选择问题。
此外，随着材料技术的发展和人们对车轮质量的要求不断提高，一些新型材料也被用于制造汽车车轮。
2.1钢制车轮
长期以来，钢制车轮在汽车车轮中占主导地位，但是自上世纪80年代起，钢轮的市场份额逐步减小，被铝合金所代替。钢轮份额快速下跌的原因有多方面的因素，而外观吸引力是最主要的因素。钢制车轮在低成本和安全性方面较铝合金车轮具有很大的优势，因此，目前的载重汽车车轮大部分是钢材制造的。但钢制车轮的缺点也是非常明显的，钢材的加工成型性能和制造工艺决定了钢轮难以做到铝合金车轮那样的结构和外形多样化。同时，钢车轮质量大，制造和使用钢车轮消耗的能量都比铝制车轮大得多。
近年来，面对替代品的渗透和挑战，国际钢轮行业在技术方面进行一系列的革新，包括：(1)新材料微合金钢HSLA，双相钢(DP)和贝氏体钢等高强度和先进高强度钢种成功开发并逐步应用于制造车轮，为钢轮减轻质量和更加大胆的款式设计创造了条件。据统计，HSLA车轮比一般碳素钢车轮重量轻约15％。(2)新工艺，国际钢轮行业与设备制造商紧密合作研究发展了旋压生产工艺，应用到钢制车轮生产中。目前商用车无内胎车轮的轮辐使用旋压生产工艺已非常普遍，Magnetto Wheels的法国工厂和Hayes Lemmerz International的西班牙工厂开始投入小批量生产，日本Topy和美国Arvin Meritor称已掌握了这项技术[1]。
在巨大的成本压力和钢制车轮的制造技术和材料技术革新的局势之下，国际汽车业也开始重新评估钢轮和铝轮的价值。
2.2铝制车轮
据统计，轿车使用铝合金车轮的比例高达90％以上[1]。铝合金车轮与钢轮相比，具有如下优势：
（1）美观、舒适和节能等优势；
（2）非载荷质量小，从而提高了抓地性表现出更为精确的转向动作和更好的转弯性能；
（3）惯性小，改善了加速性和制动性；铝合金具有良好的导热性能，提高了制动系统的散热性能，大幅度降低了由高热导致的制动失灵。
除此之外，铝合金车轮还有耐腐蚀、成形性好、减震性能好、轮胎寿命长、尺寸精确、平衡好、加工精准、材料利用率高等显著优点，符合现代汽车安全、节能、环保三大主题的要求。这对降低汽车自重、减少油耗、减轻环境污染与改善操作性能等有着重大意义，因此铝合金已成为汽车车轮的首选材料[2]。
2.3其它材料的车轮
（1）镁合金车轮镁在实用金属中密度最小，它带给汽车的好处一是能减轻整车重量，减少油耗。二是强度高于铝合金和钢，刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。三是具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，降低了生产成本。四是具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用作轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。
随着汽车工业的发展,轿车车轮开始采用铸造镁合金。但由于这类铸件试验条件十分严格和气密性要求高,同时还要求工艺出品率高,生产成本低,给铸造生产带来极大困难，因此成本仍偏高于铝合金。尽管如此，镁合金的应用前景仍然看好，在欧美镁压铸件的采用量近几年来呈上升趋势。当前，发达国家的赛车及部分民用高档车正在使用镁合金轮毂，大幅度提高镁合金锻造轮毂的用量。用镁合金制造车轮，是高档汽车发展的一个趋势[3]。
汽车车轮是汽车的重要部件，汽车与地面之间的所有相互作用力和力矩(例如驱动力、制动力、侧向力、垂直力以及回力矩等)都是通过车轮传递，因此车轮对汽车的多种性能有重要的影响，尤其是安全性和可靠性。由于车轮是回旋体，所以要求尺寸精度高，平衡度好，支撑轮胎的轮辋外形(包括轮廓、尺寸、形状)正确，而且具有一定的刚度和弹性，耐疲劳，重量轻，经历适用。
本文在分析了车轮结构特点之后，介绍了应用CATIA V5 有限元法对车轮进行结构分析时的力学模型简化方法，然后对车轮的弯曲和径向疲劳台架试验工况进行了有限元分析，来指导车轮结构的修改，获得了较为理想的结果。
1 汽车车轮结构与特点
汽车车轮钢圈由轮辋和轮辐组成，两者用焊接的形式组合而成。其结构随着使用要求和设计布局的不同而不同。本文所研究的车轮钢圈如下图所示。其辐板上面挖去9 个减重孔，轮缘和轮辋底部便于安装轮胎。
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图1 汽车车轮钢圈模型
2 CATIA V5 有限元分析的特点
CATIA 是法国达索公司开发的一种CAD/CAE/CAM 软件。CATIA 软件以其强大的功能在飞机、汽车、轮船等设计领域享有很高的声誉。创成式有限元分析(Generative Structure Analysis)是CATIA V5 软件一个比较成熟的模块，它能够同CATIA 其他模块进行数据共享，在同一个界面下进行有限元分析操作。同专业的有限元分析软件相比较，它具有操作简单，分析结果可靠性好，同时不需要对分析模型进行数据转化，因而受到越来越广泛的关注和应用。
在CATIA V5 种进行有限元分析的流程如下图所示：
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3 汽车车轮钢圈有限元分析
3.1 车轮钢圈有限元分析模型建立
(1).结构。
车轮钢圈模型完全按照图纸尺寸建立，几乎未做简化，防止产生以外误差，避免影响分析结果。
(2).边界条件和载荷。
针对汽车车轮钢圈弯曲疲劳台架试验和径向疲劳台架试验工况，对车轮钢圈进行计算机有限元模拟强度和刚度分析。参照给定的试验条件，我们进行了如下两种工况条件下的有限元分析
工况一：模拟汽车车轮钢圈的弯曲疲劳台架试验。
约束方式：轮辐支撑面接触区固定
负荷方式：(a). 轮缘周边施加弯矩M，弯矩大小为：M=2683N.m；(b). 紧固孔锥面施加轴向力F；轴向力大小为：F=25000N×6。
工况二：模拟车轮钢圈的径向疲劳台架试验。
约束方式：轮辐紧固孔接触区固定
负荷方式：a. 轮缘垂直平面施加两个轴向力L，这两个轴向力大小相等、方向相反，沿周边均匀分布；轴向力L 的大小为：L=49478N；b. 轮辋两侧胎圈座中轴线左右各20mm 范围内均匀施加径向力P1、P2，径向力P1、P2 分别为：P1、P2=3528N；中轴线左右各20~50mm 范围内施加径向力P3、P4、P5、P6，其值大小为：P3、P4、P5、P6=1176N。
3.2 车轮钢圈有限元网格划分
CATIA 提供了丰富的有限元单元类型，如壳单元、梁单元、杆单元、实体单元等。根据车轮钢圈的工件特点和分析精度要求，本文采用采用软件默认工程精度进行网格划分，选用四面体立体单元。单元网格的大小为10mm。在定义网格属性之前，我们需要对其进行材料定义，此模型为碳钢材料模型，弹性模量为：2.0e+5Mpa; 泊松比为：0.27。单元网格属性为实体属性。手孔、紧固孔、轮缘等重点部位单元细化，以求提高分析结果的精确度。
车轮钢圈共划分实体单元52,251 个，节点数位17,760 个。如下图所示：
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图3 汽车车轮钢圈模型
3.3 有限元模型计算及数据输出分析
运用CATIA V5 创成式结构分析模块，对对上面建立的钢圈有限元分析模型进行分析求解。此模型的计算目的就是分析汽车车轮钢圈在这俩种工况条件下的应力分布情况，得到它们的应力大小及分布图。图3 为弯曲疲劳台架试验工况下的应力云图，图4 为径向疲劳台架试验工况下的应力云图。
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从图4 中可以得到，变形集中区域位置主要位于轮辋边缘和轮辐中心孔边缘，应力集中区域位置主要在轮辐支撑面、螺栓孔周围、手孔边缘，最大应力点数值，8.55e+8N/m2(螺栓孔锥面)。从图5 中可以得到，变形集中区域位置主要位于轮缘径向受力一侧，应力集中区域位置主要在轮辋轮缘、螺栓孔锥面、手孔边缘，最大应力点数值：3.63e+8N/m2(螺栓孔锥面)。
4 结束语
通过对该型汽车车轮钢圈进行有限元分析，验证了车轮钢圈在弯曲疲劳台架试验和径向疲劳台架试验结果的正确定，用应力云图形象地表示了车轮钢圈在弯曲和径向工况下的应力大小及分布，为车轮设计开发提供了有利的依据，从而避免了设计中的盲目性，减少设计成本，缩短设计周期。
