王利梅，李建，陳紅平，孫惠學(xué),3

(1.秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司,河北秦皇島 066004;2.秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,

河北秦皇島 066004；3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北秦皇島 066004)

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鋁合金客車車輪螺栓孔開(kāi)裂影響因素研究

王利梅1，李建2，陳紅平2，孫惠學(xué)2,3

(1.秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司,河北秦皇島 066004;2.秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開(kāi)發(fā)有限公司,

河北秦皇島 066004；3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北秦皇島 066004)

摘要：針對(duì)某款鍛造鋁合金客車車輪在使用過(guò)程中出現(xiàn)的螺栓孔附近位置開(kāi)裂情況，利用有限元分析軟件模擬車輪彎曲臺(tái)架試驗(yàn)過(guò)程，考察螺栓預(yù)緊力及試驗(yàn)彎矩2個(gè)因素對(duì)車輪螺栓孔附近區(qū)域應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：有限元分析計(jì)算得到的危險(xiǎn)位置與實(shí)際車輪開(kāi)裂位置吻合，螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力影響不大，而試驗(yàn)彎矩影響相對(duì)較大，即客車超載可能是螺栓孔開(kāi)裂的原因。此研究為鋁合金車輪的設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，對(duì)增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金客車車輪；螺栓孔開(kāi)裂；有限元分析

0引言

作為汽車的重要安全部件，對(duì)車輪的強(qiáng)度和疲勞壽命具有較高的要求，車輪的質(zhì)量將直接影響汽車的安全性和可靠性。車輪在行駛過(guò)程中，承受著來(lái)自各個(gè)方向因起動(dòng)、制動(dòng)、轉(zhuǎn)彎、物體沖擊等各種載荷所產(chǎn)生的復(fù)雜力的作用，因此為了保證車輪產(chǎn)品的安全性能，在使用前必須通過(guò)多項(xiàng)臺(tái)架試驗(yàn)測(cè)試，其中車輪彎曲疲勞試驗(yàn)是一個(gè)重要的測(cè)試環(huán)節(jié)。但進(jìn)行車輪實(shí)際臺(tái)架實(shí)驗(yàn)所需設(shè)備投入大，測(cè)試周期長(zhǎng)，不適應(yīng)現(xiàn)代化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的要求。利用有限元分析軟件建立虛擬臺(tái)架試驗(yàn)，可在車輪設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)出車輪的疲勞破壞位置，為車輪開(kāi)發(fā)和設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)，降低試驗(yàn)成本[1-4]。

某款鍛造鋁合金客車輪轂在使用過(guò)程中出現(xiàn)螺栓孔開(kāi)裂情況，開(kāi)裂位置如圖1所示，裂紋從螺栓孔附近位置向中心孔延伸。出現(xiàn)開(kāi)裂情況的車輪基本以客車前輪為主，而汽車前輪起到承重及轉(zhuǎn)向的作用，在行駛過(guò)程中受到較大的彎矩作用。作者采用有限元分析軟件建立車輪虛擬彎曲臺(tái)架試驗(yàn)，模擬分析車輪在彎曲試驗(yàn)中螺栓孔附近位置的受力情況，考察螺栓預(yù)緊力及試驗(yàn)彎矩2個(gè)因素對(duì)車輪螺栓孔附近應(yīng)力的影響。

1車輪虛擬彎曲臺(tái)架試驗(yàn)建立

車輪彎曲疲勞試驗(yàn)是標(biāo)準(zhǔn)的試驗(yàn)方法，用于檢驗(yàn)車輪的疲勞壽命和可靠性。具體的試驗(yàn)方法依據(jù)此款車輪規(guī)定的彎曲試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)(SAEJ267a)執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：臺(tái)架試驗(yàn)臺(tái)包括1個(gè)被驅(qū)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)裝置，車輪輪輞固定不動(dòng)，力臂桿在固定彎矩作用下旋轉(zhuǎn)，臂長(zhǎng)0.5～1.04 m，加載力臂和連接件用雙頭螺栓和螺母連接到車輪的安裝平面上。圖2為車輪徑向疲勞試驗(yàn)示意圖，試驗(yàn)彎矩和螺栓預(yù)緊力的大小可以按照以下公式確定[5]：

試驗(yàn)彎矩：

M=(μR+h)FS

其中：μ為輪胎與道路的摩擦因數(shù)；

R為靜載半徑(汽車制造廠與該輪轂配用輪胎的靜載半徑)；

h為車輪內(nèi)偏距或外偏距；

F為汽車制造廠規(guī)定的車輪最大載荷；

S為強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)。

螺栓預(yù)緊力:

其中：T為螺栓扭矩；

d為螺栓直徑；

K為擰緊力矩系數(shù)。

文中采用UG軟件對(duì)車輪及力臂加載桿建模，車輪模型如圖3所示。分析采用ABAQUS有限元分析軟件。車輪材料為6061鋁合金，密度為2.7×10-9kg/mm3，彈性模量取69 GPa，泊松比取0.33，力臂桿長(zhǎng)度為1 000 mm，車輪模型網(wǎng)格采用四面體劃分。

虛擬臺(tái)架試驗(yàn)在車輪的輪輞底部加載固定約束，在10個(gè)螺栓孔處分別施加螺栓預(yù)緊力，在力臂桿底部施加徑向載荷，此虛擬臺(tái)架試驗(yàn)與實(shí)際臺(tái)架試驗(yàn)具有等效的邊界條件施加方法，有限元分析采用靜態(tài)隱式算法，保證仿真模型的準(zhǔn)確性。模型載荷及邊界條件的設(shè)置如圖4所示。

2有限元分析結(jié)果

分析計(jì)算得到鋁合金車輪螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)Mises及最大主應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示。

可以看出：螺栓孔附近位置的Mises較大，且該區(qū)域最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力(圖6中I區(qū)域位置)，此位置位于螺栓與車輪螺栓孔接觸邊緣，該區(qū)域節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力較大，為可能發(fā)生裂紋區(qū)域，此區(qū)域與車輪實(shí)際開(kāi)裂(圖1)位置吻合。

車輪彎曲疲勞試驗(yàn)中影響因素主要包括螺栓預(yù)緊力及試驗(yàn)彎矩的大小，以下分別考察螺栓預(yù)緊力及試驗(yàn)彎矩的大小對(duì)車輪螺栓孔附近區(qū)域Mises及拉應(yīng)力的影響。首先固定試驗(yàn)彎矩，預(yù)緊力大小分別取0.5T、0.75T、T、1.25T、1.5T，其中T為標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力，經(jīng)計(jì)算螺栓預(yù)緊力大小取109 773 N；然后螺栓預(yù)緊力大小保持不變，加載彎矩分別取0.5M、0.75M、M、1.25M、1.5M，其中M為標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)彎矩，大小取2 893 kg·m；經(jīng)分析計(jì)算，螺栓預(yù)緊力及試驗(yàn)彎矩的大小對(duì)車輪螺栓孔附近區(qū)域Mises及拉應(yīng)力的影響關(guān)系分別如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出:螺栓預(yù)緊力的改變對(duì)螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力影響不大，而Mises應(yīng)力的變化主要取決于螺栓預(yù)緊所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，不是導(dǎo)致車輪開(kāi)裂的因素。從圖8可以看出:螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力隨著試驗(yàn)彎矩的增大而增大，而實(shí)際車輪行駛過(guò)程中，超載會(huì)導(dǎo)致彎矩的提升，而且車輪在轉(zhuǎn)彎過(guò)程中，車輪螺栓孔附近區(qū)域所受拉應(yīng)力的大小是不斷變化的，所以可推測(cè)客車超載導(dǎo)致彎矩增大可能是螺栓孔附近區(qū)域產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因。

3結(jié)論

(1)基于有限元分析軟件建立了車輪虛擬彎曲臺(tái)架試驗(yàn)，分析得到的危險(xiǎn)位置與車輪實(shí)際發(fā)生開(kāi)裂位置吻合，此研究為鋁合金車輪的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)提供了依據(jù)，對(duì)增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

(2)螺栓預(yù)緊力對(duì)螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力影響不大，而試驗(yàn)彎矩影響相對(duì)較大，即客車超載導(dǎo)致彎矩增大可能是螺栓孔附近區(qū)域產(chǎn)生開(kāi)裂的主要原因。

參考文獻(xiàn):

【1】閆勝昝，童水光，張響，等.汽車車輪徑向試驗(yàn)分析研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2008,30(4)：687-691.

【2】王良模，陳玉發(fā)，王晨至，等.鋁合金車輪彎曲疲勞壽命的仿真分析與試驗(yàn)研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2009，33(5)：571-575.

【3】周堃，趙玉濤，蘇大為，等.轎車鋁合金車輪彎曲疲勞性能的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009(5):6-8.

【4】支瑞紅.基于彎曲疲勞試驗(yàn)的鋁合金車輪有限元分析[J].機(jī)械管理開(kāi)發(fā)，2009,24(6):26-28.

【5】韓兵，朱茂桃，張永建.鋁合金車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞壽命預(yù)測(cè)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008,39(5):208-210.

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Research on Influencing Factors of Aluminum Alloy Bus Wheel Bolt Hole Crack

WANG Limei1,LI Jian2,CHEN Hongping2，SUN Huixue2,3

(1.Qinhuangdao Dicastal Xinglong Wheel Co.,Ltd.,Qinhuangdao Hebei 066004,China;2.Qinhuangdao Yanda Modern CIMS Technology Development Co., Qinhuangdao Hebei 066004,China;3.College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004,China)

Keywords:Aluminum alloy bus wheel；Cracking of bolt hole；Finite element analysis

Abstract:Due to the cracking near the location of the bolt holes of a subsection forged aluminum alloy wheel during use on a passenger car, the wheel bent bench test process was simulated using finite element analysis software, to view the influence of bolt preload and bending moment to stress. The results show that: dangerous position obtained by the finite element analysis is consistent with the actual wheel cracking position; bolt preload has little effect on the tensile stress near the bolt hole; the pilot moment impact is relatively large, so the passenger overloading may lead to the bolt hole cracking. The study provides a basis for the design of the aluminum alloy wheels, and is of great significance for enhancing product reliability.

收稿日期：2015-12-10

作者簡(jiǎn)介：王利梅(1983—)，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向?yàn)檐囕嗗懺斐尚湍＞哐邪l(fā)。E-mail：wanglimei925820@163.com。 通信作者：李建， E-mail：cae006@163.com。

中圖分類號(hào):TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1674-1986(2016)03-053-03