盛楓，王燕，葉燕飛

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

隨著科學技術的不斷進步，汽車在人類發(fā)展史上做出了突出貢獻。在經(jīng)濟發(fā)達的今天，無論是人類出行，還是貨物運輸，都離不開汽車。汽車是目前世界范圍內(nèi)非常重要的交通工具，不僅為生活帶來了便利，同時也為不同文明、不同地域之間的文化交流起到了橋梁作用。由于汽車在早期結構都非常簡單，汽車的制造及鋼輪設計在很大程度上都是基于經(jīng)驗值，很少通過實驗來模擬。在計算方法和數(shù)據(jù)缺乏科學性及精確性的背景下，采用傳統(tǒng)的設計方法尤其是在可靠性方面通常無法滿足相應要求。

近年來，有限元法已成為現(xiàn)代計算機輔助工程的一部分，并在汽車設計領域得到廣泛應用。有限元技術不僅可以準確模擬汽車的靜態(tài)強度、動態(tài)性能和碰撞安全性，而且可以模擬疲勞時間。如果在設計階段采用有限元技術分析汽車鋼制車輪的疲勞性能，可以大大縮短產(chǎn)品設計周期，降低設計成本。

1 鋼制車輪發(fā)展概述

鋼制車輪在汽車設計領域得到了不斷的應用。隨著汽車的不斷推廣，汽車已經(jīng)變得更安全、更方便，越來越適合人們的生活。隨著世界經(jīng)濟的迅速繁榮，汽車市場也隨之繁榮起來。如何提供更好的產(chǎn)品也成為大型汽車制造商關注的焦點，尤其是作為汽車安全的重要部件。鋼制車輪在保證車輛使用安全性方面具有至關重要的作用。

2 鋼制車輪疲勞有限元分析的意義

車輪作為汽車的重要安全部件，將地面提供的能量傳遞給汽車。車輪的性能對使用者的生命安全起著重要作用。車輪承載車輛重量，并在行駛過程中提供動力和制動。車輪是汽車上重要的旋轉部件。它通常由輪輞和輪輻組成，有時還包括輪轂。為確保車輛安全，車輪必須具有足夠的剛度和強度。鋼制車輪通常會因為疲勞產(chǎn)生局部小裂紋，并延伸至突然斷裂。實際情況表明，疲勞損傷在車輪損傷中起著非常重要的作用。汽車在上路正常行駛的過程中，疲勞載荷對車輪的安全可靠性會產(chǎn)生嚴重的影響，然而在汽車車輪設計的過程中，采用有限元分析法進行疲勞壽命分析具有非常重要的作用。

3 鋼制車輪有限元分析國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3．1 國外研究現(xiàn)狀

國外研究機構對汽車車輪性能的研究歷史悠久，但他們的研究主要集中在鋼制車輪。20世紀70年代，在日本和歐洲對鋼制和鋼車輪進行了廣泛的研究。隨著美國和德國疲勞預期壽命預測系統(tǒng)的逐步發(fā)展，國外在20世紀80年代和90年代開始對車輪疲勞進行研究。隨著MSC公司開發(fā)的MSC.FATIGUE下的”WHEELS”模塊的誕生，為車輪疲勞時間的分析打開了大門。

最早，日本學者使用有限元分析軟件ABAQUS。對鋼制車輪的強度進行了分析，并對試驗結果進行匯總。結果表明，輪輞厚度對鋼制車輪的強度有顯著影響。后來，美國學者對鋼制車輪進行了有限元分析。通過在輪輞座螺栓孔上施加載荷，并考慮輪胎氣壓的影響，建立了有效的有限元模型。此外，許多國外科學家也對鋼制車輪疲勞分析做出了重要貢獻。在2003年研究人員GaneshBabuThiyagarajan利用ANSYS對鋼圈進行了疲勞壽命分析。采用了彈塑性有限元分析的方法對其進行了準確的預測。

3．2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

鋼制車輪疲勞性能分析在我國起步較晚，但隨著我國制造業(yè)的發(fā)展和有限元技術的不斷進步，在工程實踐中的應用越來越多，發(fā)展迅速。湖南大學的謝秀松首先用有限元法分析了鋼制車輪的疲勞性。然而，由于當時條件的限制，分析結果并不理想。近年來，隨著科學技術的不斷進步，使用正確的加載方法和應力條件確定的，實驗結果與理論計算的比較表明，鋼制車輪疲勞分析具有很大的參考價值。早在2008年，浙江大學的嚴勝贊博士就討論了不同疲勞形式之間的分析方法，主要包括徑向疲勞、循環(huán)疲勞及不同疲勞方式的有限元分析，并為未來的研究提供了有價值的指示。

4 鋼制車輪受力分析

車輪是汽車中重要的旋轉鋼制車輪。它們對汽車的行駛穩(wěn)定性、駕駛舒適性和動態(tài)性能起著非常重要的作用，直接影響著使用者的生命安全。

4．1 鋼制車輪載荷分類

車輪不僅承載車輛的重量，而且還承載由駕駛行為、制動、轉彎和路面不平引起的非常復雜的外力。因此，車輪受力分析對車輪制造具有重要意義。由于車輪載荷的復雜性，相關科學家將載荷力分為兩類。

4．1．1 內(nèi)部載荷

鋼制車輪內(nèi)部載荷通常指車輪在生產(chǎn)制造過程中所形成的內(nèi)應力，即為內(nèi)部載荷。車輪包括輪輻和輪輞，在生產(chǎn)過程中殘余應力較大，通常與裝備過程及焊接方法有關。鋼制車輪在焊接過程中由于焊接應力的存在，產(chǎn)生較大的內(nèi)部載荷。其它還包括螺栓的預緊力及輪胎的充氣壓力，都屬于內(nèi)應力。

4．1．2 外部載荷

鋼制車輪在外部載荷的作用下產(chǎn)生的作用力，成為外部載荷。在汽車行駛過程中，首先考慮的是地面對車輪產(chǎn)生的作用力。作用力通過輪胎影響輪輞的輪緣和胎圈座的，從而影響著輪輻。其次是軸對車輪的作用力。整個車輪的性能受車輪大小和接口件的影響，包括垂直力，軸端分布的總載荷、縱向力、制動、駕駛和移動時作用在車輪上的慣性力。

4．2 鋼制車輪力學特性分析

4．2．1 車輪生產(chǎn)過程中的作用力

根據(jù)國外研究機構和科學家的研究，車輪在生產(chǎn)過程中的作用力對疲勞的影響。其中主要包括裝配和焊接應力。焊接應力對車輪的彎曲和疲勞時間影響不大，然而徑向疲勞對循環(huán)疲勞壽命的影響不容忽視。

4．2．2 車軸對車輪的作用力

在作用力中，車軸對車輪的影響力最大，直接對車輪的疲勞性能產(chǎn)生影響。通過一系列的實驗研究表明，車輪載荷的分量一般分為橫向分量和縱向分量。橫縱向分量對車輪最大壓力位置產(chǎn)生影響，但是車輪的尺寸沒有影響。然而鋼制車輪最大壓力通常出現(xiàn)在螺栓孔附近，因此對車輪的疲勞性能影響顯著。驅動扭矩和垂直分量會導致過度的壓力集中，因此會對車輪的疲勞產(chǎn)生顯著影響。

4．2．3 輪胎充氣壓力

輪胎是車輪的彈性部分，帶有減震器以吸收振動。在功能上，它可以提高車輛的駕駛舒適性、牽引力、制動性能和操縱性。相關研究表明，充氣壓力直接影響輪輞的張力，影響車輪的疲勞效率。輪胎上的充氣壓力越高，輪座和輪輞上的壓力越大，輪胎充氣壓力對輪胎疲勞效率影響較大。

4．2．4 螺栓預緊力

車輪用螺栓固定在車軸上，車輪與車軸之間的力主要通過螺栓傳遞。車輪裝配時，車輪制造商已經(jīng)確定了螺栓的扭矩，以確保車輪裝配的準確性。螺栓的變形將導致螺栓孔處的壓力集中，影響車輪的疲勞強度。在有限元分析中，有時車輪直接與軸連接，而螺栓預緊力的影響往往被忽略。

5 汽車鋼制車輪疲勞的有限元分析試驗

5．1 針對汽車鋼制車輪進行車輪有限元模型

在汽車的各種零部件中，汽車車輪看似結構簡單，但其受力狀態(tài)較為復雜。在車輪的不同部位存在多處可變受力點。當鋼制車輪在較為復雜的路況上行駛時，在車輪不同的部位通常會出現(xiàn)應力突變點，易引發(fā)應力集中現(xiàn)象。當受力突變點一旦作用在應力集中部位，通常會引發(fā)疲勞現(xiàn)象。在長期疲勞載荷的作用下，常常會引發(fā)疲勞破壞。尤其當觀察車輪疲勞破壞的形式時，在不同的受力狀態(tài)下會出現(xiàn)不同形式的疲勞破壞方式。利用現(xiàn)代科技手段，對汽車鋼制車輪采用有限元分析，并建立了有限元分析模型，如圖1所示。為車輪疲勞壽命及設計提供數(shù)據(jù)支撐。

圖1 鋼制車輪有限元模型

5．2 汽車鋼制車輪的車輪有限元模型分析及結果

鋼制車輪在投入使用前應當進行相關的性能試驗，主要包括徑向疲勞試驗、車輪動態(tài)的彎曲疲勞試驗。在進行上述性能試驗前，無論是國外廠家還是國內(nèi)廠家都對相應的試驗過程有嚴格的要求。對于沖擊性能試驗要求來說，利用錘頭的自由落體來測試鋼材的沖擊韌性，對鋼制車輪的沖擊同樣如此。在有限元模型測試過程中，通過對約束條件的限制，對車輪結構的靜態(tài)受力情況進行分析，從而模擬應力、應變條件下的疲勞壽命預測。如圖2所示。

圖2 有限元分析曲線

通過對受力情況進行分析，結合S-N特性曲線，經(jīng)系數(shù)修正對車輪進行壽命預測。

5．3 基于車輪有限元建模分析結果的疲勞壽命預測

通過對車輪的受力情況進行分析，在模擬條件下通過建模對實際情況進行模擬。通過有限元分析方法，對結構位置進行了受力分析。對一般情況而言，在鋼制車輪的最大應力點位置最容易出現(xiàn)疲勞破壞。但是需要指出的是，在對基本參數(shù)求取的過程中，相應選材的性能指標直接與S-N特性曲線相關。只有通過相應的參數(shù)修正，才能得出完整且精確的材料特性曲線。在對車輪模擬情況進行整合的基礎上，對S-N特性曲線進行修正，就可以很好的完成車輪疲勞壽命的預測。

6 結語

在不同負載下，鋼制車輪損壞的主要原因之一就是疲勞。在車輪疲勞的情況下，載荷形式影響螺栓孔附近的區(qū)域，從而影響車輪整體的疲勞性能。利用有限元分析手段，分析了車輪應力分布的影響效果，尤其是輪輻尺寸帶來的影響。因此，在考慮徑向疲勞的應力分布時，首先應當對車輪的受力情況進行分析。然后，再評估鋼制車輪性能中疲勞有限元分析是非常有效的分析手段。鋼制車輪在改進設計過程中，要對車輪運行中的性能進行保障，以提高其安全性能。