懸臂式車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載臂的研究

劉楊1,2,蘇成志1

(1.長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春130022； 2.長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校,長春130013)

摘要：車輪是汽車的重要部件之一，其穩(wěn)定性與安全性對汽車的行駛安全至關(guān)重要。車輪在使用之前必須經(jīng)過疲勞試驗(yàn)測試，懸臂式車輪動(dòng)態(tài)彎曲試驗(yàn)機(jī)是一種被廣泛采用的車輪疲勞特性測試設(shè)備。加載臂是車輪彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的核心部件，使用過程中處于交變載荷作用下， 常易發(fā)生破壞。 因此， 對懸臂式車輪動(dòng)態(tài)彎曲加載臂的相關(guān)特性進(jìn)行分析，得出其破壞原因，并對其進(jìn)行相關(guān)力學(xué)分析有重要意義。本文利用三維設(shè)計(jì)軟件對其進(jìn)行三維建模，借助有限元分析軟件對試驗(yàn)機(jī)加載臂進(jìn)行了結(jié)構(gòu)特性分析計(jì)算， 并分析了其破壞的原因。

關(guān)鍵詞：加載臂；疲勞；有限元分析；旋轉(zhuǎn)機(jī)械

收稿日期:2014-05-28

作者簡介:劉楊(1986-)，男，遼寧撫順人，碩士研究生，主要從事數(shù)字化設(shè)計(jì)與制造方面研究；蘇成志(1977-)，男，吉林樺甸人，副教授，博士，主要從事機(jī)電系統(tǒng)、光電檢測方面的研究。

中圖分類號(hào)：TG111.8文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0引言

車輪作為汽車的重要的旋轉(zhuǎn)部件,處于軸和輪胎之間承受各種載荷。車輪彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)是檢測車輪彎曲疲勞的重要設(shè)備，加載臂是彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的核心部件，由于加載臂所承受較大的載荷、工作時(shí)轉(zhuǎn)速較高而且旋轉(zhuǎn)次數(shù)要超過100萬次，所以彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載臂的可靠性顯得尤為重要[1-3]。彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載臂未達(dá)到預(yù)期壽命就發(fā)生破壞，會(huì)給試驗(yàn)人員的安全造成威脅。另外，當(dāng)加載臂出現(xiàn)小破壞且尚未斷裂時(shí)，會(huì)影響車輪彎曲疲勞試驗(yàn)的可靠性，因此對車輪加載臂系統(tǒng)的疲勞強(qiáng)度的研究具有重要意義[4]。與此同時(shí)，車輪彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載臂系統(tǒng)是一種旋轉(zhuǎn)軸系機(jī)構(gòu)，對其力學(xué)性能的研究對提高其它旋轉(zhuǎn)軸系系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性有重要借鑒意義[5]。

1車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)原理

在本文所研究的汽車車輪彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)中， 車輪位于試驗(yàn)機(jī)頂端固定不動(dòng)，加載臂頂部與車輪固結(jié)，底端與伺服電機(jī)和不平衡塊連接。伺服電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)不平衡塊旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生離心力，進(jìn)而產(chǎn)生一個(gè)旋轉(zhuǎn)彎矩作用在車輪上。這種試驗(yàn)方法的原理如圖1 所示。車輪彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)加載臂長期處于高周交變載荷作用下， 極易發(fā)生如圖2 所示的破壞，因此應(yīng)對加載臂進(jìn)行合理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以保證其可靠性和疲勞強(qiáng)度。

圖1　車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)設(shè)計(jì)原理圖

2加載臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

加載臂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括合理外形和全部結(jié)構(gòu)尺寸的設(shè)計(jì)。本文以加載臂的工作強(qiáng)度計(jì)算為基礎(chǔ)，考慮到伺服電機(jī)及其它零件在加載臂的安裝位置等因素，設(shè)計(jì)了如圖3所示加載臂的結(jié)構(gòu)。

圖3　加載臂的結(jié)構(gòu)示意圖

3加載臂的受力分析

試驗(yàn)機(jī)在工作時(shí)，空心軸電機(jī)帶動(dòng)懸臂與不平衡塊的旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生垂直于加載臂軸線方向的離心力，通過加載臂的傳遞，最終形成供被測車輪使用的實(shí)驗(yàn)彎矩，加載臂受不平衡質(zhì)量塊提供的離心力。不平衡質(zhì)量塊質(zhì)量為m，旋轉(zhuǎn)半徑為r，空心軸電機(jī)轉(zhuǎn)速為ω，F(xiàn)r為離心力，由公式知道，加載臂離心力為

Fr=mω2r

(1)

4材料參數(shù)設(shè)置與網(wǎng)格的劃分

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的加載臂材料為40CrNiMoA圓鋼，40CrNiMo圓鋼有高的強(qiáng)度、韌度和良好的淬透性和抗過熱的穩(wěn)定性， 常用于強(qiáng)度高、塑性好的重要零部件。將該種材料添加到ANSYS workbench軟件的材料庫中，并將其參數(shù)添加到Engineering Data模塊中， 其材料參數(shù)如表1所示。

表1　系統(tǒng)設(shè)定材料參數(shù)

系統(tǒng)實(shí)體模型的有限元網(wǎng)格的劃分對仿真的精度和效率至關(guān)重要， 為保證分析精度同時(shí)提高分析效率，本文以高質(zhì)量的六面體網(wǎng)格為主，對實(shí)體的網(wǎng)格進(jìn)行劃分，各實(shí)體幾何參數(shù)以及有限元網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)和單元詳情如表2所示，網(wǎng)格劃分如圖4所示。

表2　模型參數(shù)

圖4　加載臂的網(wǎng)格劃分

圖5　系統(tǒng)局部低剛度疲勞

5加載臂疲勞特性分析

實(shí)驗(yàn)設(shè)備在10000N載荷作用下， 應(yīng)變和應(yīng)力為3.0493×10-4mm、63.831 MPa。在ANSYS workbench靜態(tài)結(jié)構(gòu)分析中可以插入疲勞分析工具箱，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行疲勞分析。

在10000N交變應(yīng)力下，結(jié)構(gòu)疲勞分析結(jié)果如圖5所示，疲勞分析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)設(shè)備調(diào)試過程中加載臂疲勞破壞位置完全吻合。

6模態(tài)分析

模態(tài)分析就是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的固有頻率和振型分析，即確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性。ANSYS workbench軟件中的模態(tài)分析屬于線性分析，動(dòng)力學(xué)方程為：

(2)

其中：M為結(jié)構(gòu)的質(zhì)量矩陣；K為結(jié)構(gòu)的剛度矩陣；u為結(jié)構(gòu)的位移矢量。

通過對實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模態(tài)分析，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)橫向振動(dòng)的一階模態(tài)頻率為58.7Hz，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的額定的工作頻率范圍為5Hz～40Hz，加載臂整體一階振型和二階振型如圖6所示。

圖6　系統(tǒng)橫向振動(dòng)一階振型

由加載臂模態(tài)分析得到的振型結(jié)果云圖可知，模態(tài)分析得到的整體一階頻率和二階頻率為加載臂的在水平面內(nèi)橫向振動(dòng)的一階頻率， 加載臂橫向振動(dòng)的三階頻率和四階頻率，如圖7所示，通過云圖結(jié)果，其振型顯示在結(jié)構(gòu)容易放生疲勞的位置是相位變形最大位置。

圖7　系統(tǒng)橫向振動(dòng)三階、四階振型

由圖的分析得知，雖然不會(huì)達(dá)到使疲勞位置發(fā)生最大變形的共振頻率，但是此位置的響應(yīng)中容易在系統(tǒng)整體響應(yīng)增大時(shí)發(fā)生疲勞破壞，因此，在結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)應(yīng)加固加載臂應(yīng)力集中的位置。系統(tǒng)的三階模態(tài)頻率和四階模態(tài)頻率為加載臂橫向振動(dòng)的二階模態(tài)頻率。 因此， 加載臂系統(tǒng)工作時(shí)的頻率應(yīng)盡可能避開其固有頻率。

7結(jié)語

本文對懸臂式車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的工作原理進(jìn)行了簡單的介紹，并設(shè)計(jì)了懸臂式車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)的加載臂，并對其進(jìn)行了三維建模與疲勞分析及模態(tài)等工作。根據(jù)有限元仿真的分析結(jié)果，確定了加載臂的設(shè)計(jì)符合使用要求，并且得到這種加載臂的薄弱環(huán)節(jié)，對今后改進(jìn)加載臂結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作，延長其使用壽命，提高其 疲勞強(qiáng)度提供了有力依據(jù)，同時(shí)對于降低研發(fā)成本，縮短研發(fā)周期有重要意義。

參考文獻(xiàn):

[1]閆勝昝,童水光,張響,等.汽車車輪彎曲疲勞試驗(yàn)分析研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2008,30(4):687-691.

[2]凌桂龍,丁金濱,溫正. ANSYS Workbench 13.0從入門到精通[M].北京:清華大學(xué)出版社,2012.

[3]GB/T 14786-2008農(nóng)林拖拉機(jī)和機(jī)械 驅(qū)動(dòng)車輪扭轉(zhuǎn)疲勞試驗(yàn)方法[S]2008.

[4]任山,朱其文,杜天強(qiáng). 汽車車輪性能試驗(yàn)方法及標(biāo)準(zhǔn)[J]. 天津汽車,2003(2):21-25.

[5]Gantar M，F(xiàn)lorjancic D.Hydraulic axial thrust in multistage pumps-origins and solutions[J]. Fluids Eng Trans，2002，124(2): 336-341.

責(zé)任編輯：吳旭云

Research of Loading Arm on Cantilever Wheel Dynamic Bending Fatigue Testing Machine

LIU Yang1，2， SU Chengzhi1

(1.School of Mechatronical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;

2. Changchun Automobile Industry Institute， Changchun 130013, China)

Abstract：The wheels, as important parts of a car, the stability and security of which are critical to the safe driving. Wheels must be tested by the fatigue test machine before using. The cantilever wheel dynamic bending test machine is an equipment that has been widely used for testing the wheel fatigue features. The loaded arm is the core component of wheel bending fatigue testing machine，which is under the function of alternating load and is often prone to failure. Therefore, it is of great significance to make related analysis of loading arm on cantilever wheel dynamic bending machine, know the reason for its broken and carry out relevant mechanical analysis. This paper uses the three-dimensional design software to build a three-dimensional modeling, makes a structural characterization calculation by finite element analysis software, and analyzes the causes for its destruction.

Keywords：loading arm; fatigue; finite element analysis; rotating machinery