孫躍，茅海強

（1.東?？h科教創(chuàng)業(yè)園區(qū)管理委員會，江蘇 連云港222300；2.江蘇省東海中等專業(yè)學校，江蘇 連云港222300）

受汽車輕量化設(shè)計的影響，作為傳動件的車輪，通過減重可以有效改善汽車操作性，提高燃油經(jīng)濟性。車輪承受道路和負載間復雜的作用力，在各種隨機載荷作用下，疲勞破壞是其主要的失效形式。商用車輪中，無內(nèi)胎鋼制車輪結(jié)構(gòu)簡單，一般由鋼板卷制成桶形的輪輞、鋼板旋壓成碗形的輪輻結(jié)構(gòu)焊接而成。大量試驗和裝車使用證明，輪輻板螺栓孔和通風孔處容易出現(xiàn)疲勞裂紋。［1］文中對車輪輪輞輪緣處、輪輻通風孔處進行結(jié)構(gòu)強化，設(shè)置加強筋，構(gòu)建車輪三維模型，結(jié)合有限元仿真分析，對比優(yōu)化前后的彎曲和徑向疲勞試驗疲勞壽命。

1 車輪模型

1.1 基本模型

根據(jù)GB/T31961—2015中對輪輞幾何尺寸的要求［2］，設(shè)計的無內(nèi)胎鋼制車輪采用15°深槽輪輞結(jié)構(gòu)，規(guī)格為22.5 in×9.0 in。輪輞厚度為7mm，材質(zhì)為380CL；輪輻厚度為14mm，材質(zhì)為Q235；10個直徑為26mm的螺栓連接孔均布，分度圓直徑為335mm；10個直徑為68mm的通風孔均布。利用Creo2.0 建立的車輪三維模型如圖1所示。

圖1 車輪結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 改進模型

鋼輪一般由輪輻和輪輞焊接而成，輪輞由輪輞鋼卷制、滾壓成型，為桶形結(jié)構(gòu)，輪輻焊接在輪胎安裝側(cè)。無輪輻支撐開口側(cè)抗沖擊性較差，考慮在槽底增加環(huán)形加強筋，但是由于離胎圈座較遠，對開口側(cè)強度提升有限。參考GB/T31961—2015中對輪緣處尺寸要求，將沿輪緣邊緣圓角切線方向延長，并且向內(nèi)翻邊，對輪緣處進行結(jié)構(gòu)強化，提升徑向承載能力，如圖2a所示。

輪輻一般由鋼板下料、旋壓和沖孔成型。在旋壓過程中，厚度由連接孔處向邊緣逐漸減薄，為變截面結(jié)構(gòu)。在一些有內(nèi)胎輕型鋼制車輪上，采用沖壓制造工藝，板材薄可以采用反拉延增加輪輻深度、在螺栓孔沖壓凸包的方式提高鋼輪的彎曲疲勞性能。受現(xiàn)有制造工藝限制，在邊緣彎曲變形較大處，無內(nèi)胎鋼制車輪輪輻難以通過在通風孔周圍沖壓凸包的方式提高抗疲勞性能，在彎曲和徑向疲勞試驗中，通風孔處最容易出現(xiàn)裂紋導致車輪失效。針對輪輻旋壓工藝特點，在2個通風孔之間增加徑向加強筋，提高邊緣部分的抗彎曲變形能力，從而提高疲勞強度，如圖2b所示。

圖2 輪緣和通風孔處改進前后對比

2 疲勞性能試驗方法

彎曲疲勞試驗是模擬車輪在承受一彎矩下連續(xù)轉(zhuǎn)彎，徑向疲勞試驗是模擬車輪在一徑向載荷下直線行駛，試驗原理如圖3所示，其中徑向疲勞試驗需要安裝輪胎且充氣。根據(jù)GB/T5909—2009［3］，試驗后的車輪在滲透測試法下無明顯可見裂紋或者加載點的偏移量不超過初始完全加載時偏移量的20%，則認為車輪通過試驗，安全性能合格。

圖3 疲勞試驗示意圖

彎曲疲勞試驗中彎矩M根據(jù)式（1）確定：

式中：μ為摩擦系數(shù)，取0.7；R為輪胎靜負荷半徑；d為車輪的偏距；Fv為車輪最大額定載荷；S為強化試驗系數(shù)，鋼制車輪取1.6。徑向疲勞試驗中徑向載荷Fr由式（2）確定：

式中：Fv為車輪最大額定載荷；K為強化試驗系數(shù)，取1.6 。根據(jù)輪胎設(shè)計載荷，F(xiàn)v取35.5 kN；計算得M為20kN·m，F(xiàn)r為56.8 kN。

3 邊界和約束條件

將構(gòu)建的車輪模型進行必要的簡化，去除氣門嘴安裝孔和除倒角特征，導入Ansys Workbench中利用網(wǎng)格劃分模塊進行網(wǎng)格劃分。輪輞和輪輻的材料屬性定義如表1所示，加載軸和螺栓采用系統(tǒng)默認的材料屬性［4］。

表1 輪輞和輪輻的材料性能

按照GB/T5909—2005中的彎曲疲勞試驗要求構(gòu)建仿真模型，采用加載軸加載，螺栓施加預緊力為70kN，將開口側(cè)輪緣施加固定約束。彎曲疲勞試驗是一個動態(tài)過程，為便于仿真收斂求解，采用多載荷步靜態(tài)仿真的方法模擬動態(tài)過程，將車輪旋轉(zhuǎn)1周的過程分解成36個載荷步，每10°加載力變化1次、加載方式為一載荷步，逐載荷步進行求解。力加載在加載軸的末端，方向變化采用分力求解合力的方式。相關(guān)研究表明離心力對疲勞壽命影響不大，在仿真中不予考慮［5］，如圖4a所示。

對于徑向疲勞試驗，考慮到胎圈座與輪胎非線性接觸的復雜性，尚未有較完美的模擬方法。這里不建立輪胎模型，根據(jù)Stearns等［6］的研究成果，直接對胎圈座處施加余弦分布載荷等效代替輪胎對車輪作用。采用靜態(tài)分析的方式，車輪固定、外載荷繞車輪旋轉(zhuǎn)，等效車輪旋轉(zhuǎn)過程中的徑向受載，在輪輻內(nèi)側(cè)面和輪輻中心孔內(nèi)側(cè)面施加固定約束。車輪轉(zhuǎn)動1周內(nèi)，每10°設(shè)置1個求解步，依次求解當次受力情況，共設(shè)置36個求解步。為便于加載，利用軟件的印記面功能，將車輪內(nèi)側(cè)和外側(cè)胎圈座的2個承載面平均分成36份。輪胎充氣壓力取1MPa，加載在整個輪輞上，如圖4b所示。

圖4 仿真疲勞試驗示意圖

4 仿真分析結(jié)果

4.1 等效應力分析

車輪的輪輞、輪輻板和螺栓孔等在試驗中處于復雜的應力狀態(tài)，以Von-Mises應力狀態(tài)作為分析求解的判斷標準。

彎曲疲勞試驗仿真分析見圖5a～b，最大等效應力都出現(xiàn)在輪輻螺栓連接孔處，與實際物理試驗結(jié)果一致。2種模型的最大等效應力都小于Q235的屈服強度，滿足設(shè)計要求?；灸Ｐ妥畲蟮刃?95.8 MPa，比改進模型的最大等效應力（218.09 MPa）小，可能是輪輻延伸邊緣風孔間的加強筋導致。增加加強筋后，風孔處截面積增加，抵抗變形的能力提高，加載力矩更多作用在結(jié)構(gòu)未發(fā)生變化的輪輻螺栓連接孔處，導致等效應力變大。

圖5 彎曲試驗和徑向試驗應力圖

徑向疲勞試驗仿真分析見圖5c～d，最大等效應力都出現(xiàn)風孔靠近輪輞一側(cè)，與實際物理試驗結(jié)果一致。由于輪輞輪緣和輪輻風孔內(nèi)側(cè)加強筋的作用，改進模型的最大等效應力為194.41 MPa，比基本模型的最大等效應力（205.32 MPa）小，都小于380CL材料的屈服強度，符合設(shè)計要求。

4.2 疲勞壽命分析

采用名義應力法，根據(jù)材料S-N（應力-壽命）曲線估算車輪的高周疲勞壽命。根據(jù)經(jīng)驗公式近似求出材料S-N曲線，一般采用雙對數(shù)公式形式［7］：

根據(jù)極限抗拉強度Su和疲勞極限強度Se的經(jīng)驗比例公式來計算S6(106次循環(huán)時的應力)和S3（103次循環(huán)時的應力）。［8］當Su小于1400MPa時，

車輪S-N曲線需要對材料S-N曲線進行修正：［9］

式中：kf為疲勞缺口系數(shù)，對于焊接結(jié)構(gòu)取值1；ε為尺寸系數(shù)，取0.8 ；β為表面質(zhì)量系數(shù)，取0.98 ；CL為加載方式，對鋼取0.85［10］。根據(jù)表1、式（3）和式（5）求得修正后Q235的S-N曲線公式為

修正后380CL的S-N曲線公式為

利用Workbench中的疲勞分析模塊Fatigue Module和修正后的S-N曲線，設(shè)定彎曲試驗最低循環(huán)次數(shù)為30萬次、徑向試驗最低循環(huán)次數(shù)為100萬次，求得彎曲試驗和徑向試驗疲勞的壽命和安全系數(shù)。彎曲疲勞壽命仿真分析如圖6a～b所示，基本模型的循環(huán)次數(shù)為458萬次，改進模型的循環(huán)次數(shù)為296萬次，疲勞危險點出現(xiàn)在螺栓孔周圍，2種模型的理論疲勞壽命都遠超過30萬次，符合標準要求。加強筋的存在導致改進模型的彎曲疲勞壽命要低于基本模型。從圖6c～d可知，基本模型的安全系數(shù)為1.42 ，改進模型的安全系數(shù)為1.34 ，都大于1，說明安全性都很高。

圖6 彎曲壽命和安全系數(shù)圖

徑向疲勞壽命仿真分析如圖7a～b所示，基本模型的循環(huán)次數(shù)為96.6 萬次，改進模型的循環(huán)次數(shù)為148萬次，疲勞危險點出現(xiàn)在風孔靠近輪輞側(cè)?；灸Ｐ偷睦碚搹较蚱趬勖粷M足標準的最低次數(shù)要求。從圖7c～d可知，基本模型的安全系數(shù)為0.996 ，改進模型的安全系數(shù)為1.05 ，基本模型的安全系數(shù)小于1，存在一定的風險。可見輪緣和輪輻的加強筋設(shè)計能有效提高徑向試驗疲勞壽命。

圖7 徑向壽命和安全系數(shù)圖

5 結(jié)論

按照車輪相關(guān)設(shè)計規(guī)范要求，設(shè)計了無內(nèi)胎鋼制車輪的基本型和改進型；根據(jù)試驗規(guī)范建立了仿真分析模型，采用靜態(tài)模擬動態(tài)的方式，對2種模型進行了等效應力和疲勞壽命的仿真對比分析。結(jié)果表明，采用加強筋結(jié)構(gòu)設(shè)計的改進型，能夠有效提高徑向疲勞壽命。文中車輪材料采用理想均質(zhì)狀態(tài)，但實際制造過程中，旋壓、滾壓等工藝會導致材料局部的硬度、屈服強度、疲勞壽命等性能會發(fā)生變化；車輪徑向試驗仿真方法進行了一定的簡化，輪胎對車輪施加的徑向載荷進行了等效替代，存在誤差，后續(xù)將進一步研究。