鋼制車輪彎曲疲勞試驗與壽命估算

黃　崗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，杭州 311402）

鋼制車輪彎曲疲勞試驗與壽命估算

黃崗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學院，杭州 311402）

疲勞破壞是引起鋼制車輪失效的主要原因。在鋼制車輪應(yīng)用中，應(yīng)該評估好其性能特征，降低車輪失效機率，同時保護好車輪的安全度。根據(jù)鋼制車輪的使用標準，設(shè)計彎曲疲勞試驗，在此基礎(chǔ)上估算車輪的壽命，加強鋼制車輪的性能控制力度。本文以鋼制車輪為研究對象，分析彎曲疲勞試驗與壽命估算。

鋼制車輪 彎曲 疲勞試驗 壽命估算

彎曲疲勞與壽命，是鋼制車輪的性能指標。實際中，車輪在制造過程中容易受到過盈配合等因素的干擾，干預(yù)彎曲疲勞，縮短車輪運行的壽命期。因此，需要根據(jù)鋼制車輪的狀態(tài)，規(guī)劃彎曲疲勞試驗，評估車輪的性能，合理估算車輪的壽命，以規(guī)避車輪潛在的失效風險。

1　鋼制車輪彎曲疲勞的影響因素

鋼制車輪彎曲疲勞研究有利于估算車輪的壽命，找出比較容易出現(xiàn)疲勞裂紋的區(qū)域。鋼制車輪的疲勞破壞是影響壽命的主要因素。當車輪受到外力、機械破壞時，都潛在彎曲疲勞的風險，無法保障預(yù)期壽命[1]。分析鋼制車輪彎曲疲勞的影響因素，如：微動疲勞，是指鋼制車輪在運行過程中，運動與摩擦共同引起的疲勞；接觸疲勞，是由鋼制車輪的材料、荷載等，在滑動、滾動多次接觸下發(fā)生的疲勞，此類疲勞中存在反復(fù)的荷載受力；腐蝕疲勞，車輪接觸有腐蝕性化學物質(zhì)后出現(xiàn)的疲勞表現(xiàn)；熱機械疲勞，受熱與機械疲勞相結(jié)合后的總稱，常見于循環(huán)狀態(tài)下的受熱變化，對鋼制車輪的壽命影響極大，進而破壞鋼制車輪的整體性能。

2　鋼制車輪彎曲疲勞試驗

鋼制車輪承載著汽車的重量，同時受到側(cè)向力、摩擦力的影響，干擾著鋼制車輪的性能。目前，我國汽車行業(yè)的快速發(fā)展，對鋼制車輪的要求越來越高。采取彎曲疲勞試驗的分析方法，可估算鋼制車輪的使用壽命。試驗中，采用ANSYS軟件構(gòu)造仿真的試驗環(huán)境，準確估算疲勞壽命，進而改進鋼制車輪的生產(chǎn)過程。

2.1建模與材料

鋼制車輪的彎曲疲勞試驗中，通過ANSYS構(gòu)建試驗?zāi)Ｐ停垣@取車輪的應(yīng)力荷載，得出疲勞應(yīng)變-壽命曲線，從而做為鋼制車輪的設(shè)計標準[2]。ANSYS模型中，鋼制車輪分為輪輞和輪軸兩個部分，厚度分別為2.8mm、4.0mm，利用UG設(shè)計實體模型。車輪采取薄壁構(gòu)成，經(jīng)過殼單元劃分有限元，選擇車輪中面，導(dǎo)入ANSYS內(nèi)的數(shù)據(jù)，劃分軟件單位。建模中，鋼制車輪劃分為21121個網(wǎng)絡(luò)單元，組成仿真模型，泊松比為0.33，鋼制車輪材料的彈性模量為2.07×105MPa，仿真構(gòu)成模型如圖1所示。

圖1　鋼制車輪的仿真模型

2.2邊界與載荷

鋼制車輪的彎曲疲勞試驗中，邊界與載荷的計算應(yīng)該按照國標GB/T5909-1995中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行。彎曲載荷彎矩M，單位N·m，是指力稱力臂，具體的計算公式為：

其中，μ為固定系數(shù)，是指鋼制車輪的輪胎與道路之間的摩擦系數(shù)；R為靜負荷半徑，鋼制輪胎制造過程中，車輪會配置一定負荷的靜半徑；d為內(nèi)外偏距；F為額定負荷，測量于最大垂直靜負荷；S為強化試驗的系數(shù)。

試驗中，根據(jù)ANSYS設(shè)計的模型，R=0.285m，d=0.045m，F(xiàn)=3577N，μ=0.7，S=1.6，則實際計算公式為：

ANSYS有限元分析中，模擬鋼制車輪360°作用提供循環(huán)的模擬條件，將整體圓周狀態(tài)的車輪規(guī)劃為8個單位，每個單位負責一個方向上的加載彎矩試驗，從而計算出8組數(shù)據(jù)，明確8個方向的車輪彎矩作用[3]。鋼制車輪加載試驗中的響應(yīng)，8個方向具有對稱性，例舉0°、45°、90°、135°的響應(yīng)受力，如表1所示。由表中數(shù)據(jù)可知，輪輞、輪軸的受力不高，荷載應(yīng)力集中在輪轂的螺栓附近，對應(yīng)節(jié)點列數(shù)據(jù)應(yīng)力并未達到235MPa的屈服應(yīng)力，表明了彎曲疲勞損壞的地方。

表1　四個方向的應(yīng)力值及節(jié)點號

2.3 試驗求解分析

鋼制車輪彎曲疲勞試驗內(nèi)，由ANSYS提供試驗求解的過程。ANSYS軟件設(shè)置是：靜態(tài)應(yīng)力分析Static、求解方式From LS Files，選取96個荷載步，計算1次；根據(jù)鋼制車輪在動態(tài)狀態(tài)下彎曲疲勞的應(yīng)力，得出最大應(yīng)力表現(xiàn)在車輪通風孔邊緣位置；邊緣有兩個位置，均存在高應(yīng)力狀態(tài)，屬于高風險位置，最高值為248MPa。

3　鋼制車輪彎曲疲勞壽命分析

3.1預(yù)測過程

鋼制車輪的彎曲壽命分析不僅要使用有限元模擬軟件，還要配合損傷模型。模型中，車輪處在多軸應(yīng)力的情況下，利用平面臨界，得出車輪彎曲疲勞壽命的判斷準則。以Brown-Miller為準則依據(jù)，得出貼近實際的參數(shù)。應(yīng)變-壽命分析的公式為：

γmax為最大剪應(yīng)變；εn為γmax狀態(tài)下，平面的法向應(yīng)變；△為變化范圍；為疲勞延性指數(shù)；E為彈性模量；2Nf為反向疲勞壽命。因為鋼制車輪彎曲疲勞壽命的預(yù)測中，還受到平均應(yīng)力的影響，所以公式需要修正為：

其中，σnm是指平均正應(yīng)力。加入鋼制車輪表面無損壞、無缺陷，材料的拉伸強度為400MPa，屈服應(yīng)力為253MPa，得出鋼制車輪材料的應(yīng)變-壽命曲線，如圖2所示。

圖2　應(yīng)變-壽命曲線

3.2壽命結(jié)果分析

鋼制車輪疲勞壽命較低的區(qū)域，表明車輪處于危險的狀態(tài)。經(jīng)試驗分析后表明，螺栓、導(dǎo)圓處，短壽命的節(jié)點分布密集；車輪通風孔設(shè)計了圓弧過度位置，此部分存有一個節(jié)點，壽命較短。由此，匯總鋼制車輪壽命較低的幾個危險點，如表2所示。其中，685號節(jié)點，對數(shù)壽命為4.5041，可循環(huán)31923次，遠小于安全循環(huán)次數(shù)18000次，計算得出疲勞安全系數(shù)=0.575[4]。鋼制車輪的彎曲疲勞及壽命估算雖然可以達到生產(chǎn)的標準，但是危險系數(shù)較高，存在很大的安全隱患。因此，鋼制車輪生產(chǎn)與制造中，可以適度改進通風孔的構(gòu)造、形狀，也可以增加車輪內(nèi)的輻板厚度，加強車輪的強度，以延長彎曲疲勞的壽命。

表2　鋼制車輪彎曲疲勞壽命的危險點

4　結(jié)束語

彎曲疲勞試驗與壽命估算是評估鋼制車輪性能的有效手段。通過試驗分析，不僅能夠指導(dǎo)鋼制車輪的選型、設(shè)計，規(guī)范鋼制車輪的生產(chǎn)，還能縮短車輪制造的周期，提高鋼制車輪的開發(fā)效率。鋼制車輪制造中，應(yīng)該積極落實彎曲疲勞試驗與壽命估算，改進鋼制車輪的設(shè)計過程，從而保障車輪運行時的性能，提高車輪的安全性。

[1]郝琪，蔡芳.鋼制車輪彎曲試驗多軸疲勞壽命預(yù)測研究[J].汽車技術(shù)，2011，（2）：47-50.

[2]鄢奉林，陸兵，倪利勇.鋼制車輪動態(tài)彎曲試驗疲勞壽命預(yù)測[J].機械設(shè)計與制造，2010，（6）：117-119.

[3]王健行，郝艷華，顏偉澤.接觸分析在車輪彎曲疲勞有限元分析中的應(yīng)用[J].機械設(shè)計與制造，2012，（8）：58-60.

[4]李忱釗，郭永進，朱平，孟瑾，石磊.鋼制車輪彎曲疲勞壽命的影響因素[J].機械設(shè)計與研究，2011，（2）：44-47，51.

Steel Wheels and Bending Fatigue Life Estimation Test

HUANG Gang
(Hangzhou Vocational and Technical College of Science and Technology, Hangzhou 311402)

The fatigue damage is a major cause of failure of steel wheels, st eel wheels i n applications, should evaluate good performance characteristics, reduci ng the probabil ity of failure of the wheel at the same time, protect the safety of the wheel well. According to the use of standard steel wheels, design bending fatigue tes t to es timate the life of the wheels on this bas is, to strengthen efforts t o control the performance of st eel wheels. Therefore, this paper steel wheels for the study, analysis of bending fatigue tests and service life estimates.

steel wheels, bending fatigue test, life estimation

杭州科技職業(yè)技術(shù)學院校級重點課題（HKYZD-2013-3）。