Optymalizacja topologii wnęk szprych felgi dla lekkiej konstrukcji przy zmęczeniu zginającym i obciążeniach udarowych

Dlaczego lżejsze koła mają znaczenie

Za każdym razem, gdy samochód przyspiesza, hamuje lub przejeżdża po krawężniku, jego koła są narażone na obciążenia. Odchudzenie tych kół pomaga zmniejszyć zużycie paliwa i emisje, a także może poprawić wrażenia z jazdy. Jednak zbyt duże odchudzenie grozi pęknięciami, wgnieceniami lub awarią w testach bezpieczeństwa. W tym badaniu rozwiązano praktyczny problem producentów: jak subtelnie przeprojektować ukrytą stronę szprych felgi aluminiowej, aby lepiej znosiły powtarzalne zginanie i uderzenia o krawężnik — przy jednoczesnym zmniejszeniu masy — nie zmieniając widocznego wyglądu, na którym zależy klientom.

Wyzwanie: bezpieczne i lekkie koła

Producenci pojazdów wiedzą, że redukcja masy jest jednym z najskuteczniejszych sposobów na zwiększenie efektywności. Usunięcie niewielkiej ilości masy z koła — części tzw. masy niewsprężonej pojazdu — ma znaczący efekt, bo bezpośrednio wpływa na pracę zawieszenia. Koło musi jednak także przejść ostre testy odtwarzające lata pokonywania zakrętów i nagłe uderzenia o krawężnik. Podstawowa felga w tym badaniu, 18-calowy projekt aluminiowy użyty jako rzeczywisty przykład przemysłowy, nie zaliczyła dwóch kluczowych norm: długotrwałego testu zmęczeniowego przy zginaniu oraz testu uderzenia pod kątem 13 stopni, symulującego trafienie w krawężnik. W obu przypadkach wysokie naprężenia wewnętrzne występowały w okolicach szprych, a pęknięcia w testach fizycznych pokrywały się z miejscami o największych naprężeniach wskazanymi przez obliczenia.

Inteligentny sposób poszukiwania lepszych kształtów

Zamiast polegać na metodzie prób i błędów przy dodawaniu rowków i kieszeni z tyłu szprych, badacze zastosowali technikę matematyczną zwaną optymalizacją topologii. W prostych słowach wypełnili istniejące wnęki służące redukcji masy na ukrytej, tylnej stronie każdej szprychy, a następnie pozwolili komputerowi „wyrzeźbić” materiał tam, gdzie pomagał najbardziej, i usunąć tam, gdzie miał niewielki wkład. Kluczowe było to, że zachowali przód felgi — część widoczną dla klienta — i pozwolili na zmiany jedynie w starannie określonym obszarze tylnej wnęki. Uwzględnili też ograniczenia praktyczne: minimalne grubości ścianek, łagodne kąty odchylenia formy umożliwiające odlewanie oraz symetrię, by każda szprycha powtarzała ten sam wzór.

Równoważenie dwóch wymagających warunków badawczych

Felga musi wytrzymać zarówno miliony cykli zginania, jak i gwałtowne uderzenie pod kątem; poprawa w jednym teście czasem pogarsza drugi. Aby tego uniknąć, zespół potraktował zadanie jako skorelowany problem projektowy. Wykonali szczegółowe symulacje dla obu obciążeń, a następnie zastosowali metodę „kompromisu”, która waży, jak bardzo każdy przypadek obciążenia przyczynia się do zgromadzonej energii w strukturze. Ta energia pełni rolę miary sztywności i marginesu bezpieczeństwa. Przy takim zintegrowanym kryterium algorytm optymalizacji poszukiwał kształtu, który jednocześnie poprawia wyniki w obu testach, zamiast wymieniać jedno na drugie.

Co zmieniło się wewnątrz szprych

Odpowiedź komputera nie była radykalnie nową felgą, lecz subtelnym przebudowaniem wnętrza. Płytkie, szerokie wnęki na tylnej stronie szprych zastąpiono głębszymi kieszeniami, których głębokość zmienia się stopniowo wzdłuż szprychy. Te kieszenie o gradiencie głębokości prowadzą siły łagodniej od obręczy do piasty, zmniejszając koncentracje naprężeń, w których zwykle zaczynają się pęknięcia. Po przekształceniu kształtu wyprowadzonego przez komputer na gładki, możliwy do odlania model 3D, zespół ponownie przeprowadził symulacje bezpieczeństwa. Szczytowe naprężenie przy zmęczeniu zginającym spadło o 19,25%, a szczytowe naprężenie przy uderzeniu pod kątem 13 stopni zmalało o 14,57% — w obu przypadkach wartości znalazły się wygodnie poniżej wymaganych limitów. Masa zmniejszyła się jedynie nieznacznie — o około 0,5% — ale felga, która wcześniej nie spełniała norm, teraz przeszła oba testy wirtualne.

Co to oznacza dla pojazdów codziennego użytku

Dla kierowcy przeprojektowana felga wygląda niezmiennie z zewnątrz. Korzyści wynikają z precyzyjnie ukształtowanego metalu tam, gdzie zwykle nikt nie zagląda: głęboko we wnękach szprych. Dzięki rygorystycznemu poszukiwaniu komputerowemu zamiast domysłów badanie pokazuje, jak producenci mogą zamienić felgę niezgodną z normami w bezpieczną, jednocześnie nieznacznie zmniejszając masę i zachowując styl. Główną korzyścią nie jest spektakularne odchudzenie, lecz eliminacja niebezpiecznych punktów koncentracji naprężeń, co zwiększa odporność felgi na długotrwałe zginanie i nagłe uderzenia o krawężnik. To samo podejście — ograniczanie zmian projektowych do ukrytych obszarów przy jednoczesnym spełnieniu zasad odlewania — może pomóc inżynierom w cichym ulepszaniu wielu innych elementów krytycznych dla bezpieczeństwa w samochodach, pociągach i innych pojazdach.

Cytowanie: Zhang, G., Cui, X., Zang, Y. et al. Topology optimization of wheel spoke cavities for lightweight design under bending fatigue and impact load cases. Sci Rep 16, 10817 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-026-46183-9

Słowa kluczowe: lekka konstrukcja kół, optymalizacja topologii, felgi ze stopów aluminium, bezpieczeństwo przy zmęczeniu i uderzeniach, inżynieria konstrukcji samochodowych