某鋁合金鋼圈螺栓孔的疲勞壽命研究

尹顯波++李健++張南媚++李盡力

摘 要：某鋁合金鋼圈容易在螺栓孔附近形成應(yīng)力集中和疲勞開裂。為了預(yù)測鋼圈的疲勞性能，以彎曲疲勞試驗為依據(jù)，選取螺栓孔附近的兩個試樣點進行有限元分析。根據(jù)分析結(jié)果，選用局部應(yīng)力應(yīng)變法，利用史密斯公式預(yù)測疲勞壽命。通過彎曲疲勞試驗對比得出鋼圈的設(shè)計滿足疲勞壽命要求，驗證了計算方法的可行性，為今后鋼圈的優(yōu)化改善提供重要的參考依據(jù)。

關(guān)鍵詞：鋼圈；彎曲疲勞；應(yīng)力分析；壽命預(yù)測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.24.249

0 前言

鋼圈（輪轂）是連接車橋與輪胎的重要行駛部件，主要用于安裝輪胎，承受隨機載荷，并傳遞力與力矩。汽車行駛時，鋼圈受到了彎曲載荷和交變扭轉(zhuǎn)載荷，所以彎曲力矩下的疲勞破壞是鋼圈最主要的失效形式。某鋁合金鋼圈容易在螺栓孔位形成應(yīng)力集中，對危險點采取有限元應(yīng)力分析，利用局部應(yīng)力應(yīng)變法和史密斯公式進行疲勞研究，驗證其設(shè)計的可靠性，以此為后續(xù)的優(yōu)化提供重要的理論依據(jù)。

1 試驗載荷計算

鋼圈一般由輪輞和輪輻組成，某鋁合金鋼圈采用性能良好的A356合金材料整體鍛造而成，如圖1。鋼圈上開設(shè)有十個通風(fēng)孔，起到通風(fēng)散熱以及輕量化的作用。其中，十個螺栓孔和通風(fēng)孔均勻交叉的分布在輪輻上，相近通風(fēng)孔和螺栓孔間夾角為18?。

在有限元分析中，以彎曲疲勞試驗為依據(jù)對鋼圈進行靜力分析。試驗中鋼圈靜止不動，而承受一個旋轉(zhuǎn)彎曲力矩作用，如圖2所示。試驗彎矩，根據(jù)鋼圈的型號，其中=0.507m，=0.176m，=39200N，=1.2代入公式得=24873.5N·m，取=25KN·m。軸末端載荷，根據(jù)疲勞試驗機選型得加載臂長=0.679m，求解=16966.98N。

2 疲勞壽命研究

2.1 螺栓孔的應(yīng)力分析

根據(jù)廠方反饋的信息，應(yīng)力集中部位主要集中在螺栓孔附近，一般容易在螺栓孔附近形成開裂。對螺栓孔附近關(guān)鍵點進行應(yīng)力提取和計算，為下面的疲勞預(yù)測提供重要的研究基礎(chǔ)。選取最大應(yīng)力處螺栓孔試樣點1、2，為了模擬周期性載荷，以正對螺栓孔為Y軸，輪輻表面為X-Z平面，分別對鋼圈施加8個不同方向的載荷，等間距45?，將計算結(jié)果繪成如圖3的曲線圖。

對試樣點應(yīng)力分析可得：（1）在彎矩作用下，鋼圈受到對稱循環(huán)的周期性載荷作用，且以Mises應(yīng)力和X軸應(yīng)力為主；（2）第一載荷方向為輪輻應(yīng)力最大方向，將該方向的應(yīng)力最大點將作為下面疲勞壽命計算的危險點。

2.2 疲勞壽命預(yù)測

而在實際應(yīng)用中，往往是應(yīng)變集中處的最大局部應(yīng)變與應(yīng)力情況最終來決定某個零件疲勞壽命，所以采用局部應(yīng)力應(yīng)變法對其進行疲勞研究。基于局部應(yīng)力應(yīng)變法，使用史密斯公式進行疲勞壽命的理論計算。試樣點1的Mises，X、Y、Z軸應(yīng)力對應(yīng)的疲勞壽命分別為4.36E+05、2.15E+06、9.45E+09和2.14E+07；試樣點2的分別為4.78E+05、2.68E+06、1.03E+07和5.02E+07。

分析可得Mises應(yīng)力對應(yīng)的疲勞壽命最短，為4.36E+06次，其次是X軸應(yīng)力。因此Mises應(yīng)力是影響輪轂疲勞壽命的主要因素。兩個螺栓孔壽命大小相差不大，內(nèi)外兩側(cè)壽命基本相同，鋼圈設(shè)計比較合理。

3 彎曲疲勞試驗

鋼圈動態(tài)彎曲疲勞試驗包括動態(tài)彎曲疲勞試驗和動態(tài)徑向疲勞試驗。大量實際經(jīng)驗表明，彎曲疲勞是鋼圈破壞的主要原因。試驗彎矩設(shè)置為25Kn·m，記錄試驗結(jié)果。結(jié)果顯示，交變載荷次數(shù)在401833次時在螺栓孔處發(fā)生疲勞開裂，滿足國家對鋼圈使用壽命的規(guī)定。將測試數(shù)據(jù)與理論計算對比，相對誤差8.50%。

4 結(jié)論

針對鋼圈螺栓孔應(yīng)力集中問題，選取試樣點進行有限元分析得出鋼圈在彎矩作用下，主要受到Mises應(yīng)力和X軸應(yīng)力的周期載荷影響，第一載荷方向影響較大。以螺栓孔位為危險點進行疲勞分析，通過理論計算和試驗證明鋼圈的設(shè)計滿足疲勞壽命要求，由此可得史密斯公式對疲勞的預(yù)測具有一定的參考價值。

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基金項目：本文系廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃資助項目“汽車鋼圈的研發(fā)”（項目編號：10100026）的研究成果。

作者簡介：尹顯波（1992-），男，湖北孝感人，碩士研究生，研究方向：數(shù)字化設(shè)計與制造。endprint