一種鋼車(chē)輪輻底高耐久性設(shè)計(jì)方法研究

袁飛 王賢付 劉旭

摘? 要：輪輻由輻底非回轉(zhuǎn)體和輻底之外的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)兩部分組成，它們共同決定了輪輻的疲勞強(qiáng)度和剛度，本文主要研究一種鋼車(chē)輪輻底高耐久性設(shè)計(jì)方法，利用HS高壓感壓紙對(duì)輻底進(jìn)行安裝面拓印試驗(yàn)，然后以試驗(yàn)結(jié)果為參考依據(jù)，通過(guò)對(duì)輪輻5段外安裝面采用軸向擺角度、周向帶高度差設(shè)計(jì);螺栓孔凸包、尾筋與輪輻外安裝面呈斷開(kāi)設(shè)計(jì)，以此來(lái)提升輻底疲勞強(qiáng)度和剛度，使試驗(yàn)失效點(diǎn)避開(kāi)輻底，后續(xù)通過(guò)對(duì)樣件進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，證明了該設(shè)計(jì)方法的可靠性。本文以東風(fēng)本田2WB項(xiàng)目為研究對(duì)象，結(jié)果表明：采用該設(shè)計(jì)方法后，失效位置從輻底轉(zhuǎn)變?yōu)檩楉攨^(qū)域，疲勞壽命從26.5萬(wàn)次提升至76萬(wàn)次，通過(guò)了整車(chē)性能試驗(yàn)評(píng)價(jià)，獲得了項(xiàng)目定點(diǎn)開(kāi)發(fā)資格，研究結(jié)果可以為其它同類(lèi)產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供參考。

關(guān)鍵詞：輻底;安裝面;拓印;高耐久性

中圖分類(lèi)號(hào)：U465? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? 文章編號(hào)：1005-2550（2020）03-0036-05

Abstract： The spokes are composed of non-rotating body at the bottom of the spoke and the structure of the rotating body other than the bottom of the spoke. They jointly determine the fatigue strength and stiffness of the spokes. Press the paper to carry out the mounting surface extension test on the bottom of the spoke， and then use the test results as the reference basis， by using the axial swing angle and the circumferential height difference design for the 5 sections of the outer mounting surface of the spoke; the bolt hole convex hull， the tail rib and the spoke The outer mounting surface is designed to be disconnected to improve the fatigue strength and stiffness of the spoke bottom， so that the test failure point avoids the spoke bottom. Subsequent test verification on the sample proves the reliability of the design method. This paper takes the Dongfeng Honda 2wb project as the research object. The results show that after adopting this design method， the failure position is changed from the spoke bottom to the spoke top area， and the fatigue life is increased from 231，000 times to 760，000 times. It has passed the vehicle performance test evaluation. Obtained the project's designated development qualification， and the research results can provide a reference for the design of other similar products.

1? ? 前言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車(chē)使用量越來(lái)越多，同時(shí)人們對(duì)汽車(chē)安全性能要求也越來(lái)越高，而整車(chē)的安全性主要體現(xiàn)在關(guān)鍵零部件上，零部件的性能水平已成為企業(yè)技術(shù)和汽車(chē)安全水平的重要衡量標(biāo)志之一。

車(chē)輪是汽車(chē)的重要零部件，其疲勞壽命和剛性直接影響整車(chē)安全性，鋼車(chē)輪主要由輪輻和輪輞2部分進(jìn)行裝配焊接組成，在前期進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，CAE工程師主要針對(duì)輪輻結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，而輪輻由輻底非回轉(zhuǎn)體和輻底之外的回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)兩部分組成，它們共同決定輪輻整體的疲勞強(qiáng)度和剛度，而市場(chǎng)上現(xiàn)有的鋼車(chē)輪輪輻輻底基本上就3-5種固有的結(jié)構(gòu)形式，產(chǎn)品開(kāi)發(fā)人員在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，輻底一般會(huì)直接采用其中的某種形式，在做結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)只針對(duì)回轉(zhuǎn)體部分進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，找出最優(yōu)的回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)曲線來(lái)提升車(chē)輪的疲勞壽命，但對(duì)于這幾種常見(jiàn)輻底結(jié)構(gòu)形式來(lái)說(shuō)，雖然輻底之外回轉(zhuǎn)體部分的耐久性大大提升了，但輻底非回轉(zhuǎn)體部分可能因耐久性不夠而先發(fā)生失效，導(dǎo)致輻底會(huì)成為整個(gè)車(chē)輪疲勞壽命提升的瓶頸，即使回轉(zhuǎn)體部分結(jié)構(gòu)再優(yōu)，對(duì)提升車(chē)輪疲勞壽命意義也不大。如何設(shè)計(jì)一種高耐久性輪輻輻底結(jié)構(gòu)，讓失效點(diǎn)避開(kāi)輪輻輻底是設(shè)計(jì)工程師一直關(guān)注的技術(shù)難點(diǎn)。

本文以輪輻安裝面為突破點(diǎn)，通過(guò)安裝面拓印試驗(yàn)，找出輻底安裝面疲勞失效可能存在的原因，然后通過(guò)對(duì)輪輻輻底進(jìn)行工藝研究、設(shè)計(jì)改進(jìn)、樣件試制和試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出一種輪輻輻底高耐久性設(shè)計(jì)方法并驗(yàn)證了其可靠性，該設(shè)計(jì)方法突破了傳統(tǒng)輪輻輻底設(shè)計(jì)模式，讓輻底耐久性大大提升，對(duì)提升車(chē)輪的疲勞壽命提供了很大的幫助，滿(mǎn)足了客戶(hù)對(duì)產(chǎn)品苛刻的要求。

2? ? 研究對(duì)象

本文以東風(fēng)本田2WB項(xiàng)目為研究對(duì)象，該項(xiàng)目是我司為東風(fēng)本田開(kāi)發(fā)的首款鋼行駛輪項(xiàng)目，前期CAE工程師對(duì)輪輻回轉(zhuǎn)體結(jié)構(gòu)曲線進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，但因輻底始終提前失效，導(dǎo)致疲勞壽命無(wú)法提升，在東風(fēng)本田首次性能對(duì)比試驗(yàn)中，疲勞壽命低于BASE件59.3%而被判NG，具體如表1所示：

2.1? ?研究思路

①通過(guò)對(duì)輪輻輻底采用HS高壓感壓紙進(jìn)行安裝面拓印試驗(yàn)，如圖1所示，探究輪輻螺栓在扭矩108N.m的作用下，車(chē)輪安裝面應(yīng)與制動(dòng)盤(pán)安裝面是否緊密貼合，隨機(jī)選取2件試制樣件進(jìn)行試驗(yàn)。

②研究彎曲加載力傳遞到外安裝面的方式。

2.2? ?失效分析

根據(jù)圖3拓印試驗(yàn)結(jié)果可知，每段外安裝面與安裝盤(pán)貼合較差，中間幾乎未接觸。但理論上，輪輻在螺栓預(yù)緊力的作用下，外安裝面在整個(gè)彎曲試驗(yàn)過(guò)程中都會(huì)與安裝盤(pán)緊密貼合，安裝面始終受到壓應(yīng)力的作用而不會(huì)發(fā)生疲勞失效，如果每段安裝面兩邊接觸，中間部分未接觸，未接觸部分會(huì)因受到拉壓交替應(yīng)力而發(fā)生疲勞失效;另一方面，彎曲加載力是通過(guò)螺栓凸包向周?chē)M(jìn)行傳遞的，目前，國(guó)內(nèi)外輪輻螺栓凸包與外安裝面都是采用圓角過(guò)渡連接，加載力很容易傳到外安裝面，如果安裝面接觸不充分，很容易發(fā)生疲勞失效。

3? ? 輪輻輻底高耐久性設(shè)計(jì)

通過(guò)輻底失效分析確定設(shè)計(jì)思路，以螺栓凸包和外安裝面的連接方式及外安裝面與制動(dòng)盤(pán)的貼合度兩方面為突破口，對(duì)2WB輪輻輻底進(jìn)行設(shè)計(jì)突破，同時(shí)進(jìn)行成形工藝性研究，確保工藝可行性，具體設(shè)計(jì)方法如下：

3.1? ?輻底主體部分設(shè)計(jì)

輪輻輻底主體部分由a、b、c三段環(huán)形平面組成，平面寬度分別為4mm，29mm，4mm，相鄰平面之間由圓角過(guò)渡變?yōu)椴捎弥苯请A梯過(guò)渡，且3段平面相互之間存在一個(gè)高度差，a與b高度差為0.6mm，c與b高度差為0.4mm，如圖4所示：

3.2? ?螺栓孔尾筋、凸包設(shè)計(jì)

一般螺栓孔尾筋、螺栓凸包都是以外環(huán)形面a為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，通過(guò)圓角過(guò)渡，這樣設(shè)計(jì)兩者都會(huì)與外安裝面直接相連，力很容易傳遞到外安裝面，導(dǎo)致外安裝面容易發(fā)生疲勞失效，現(xiàn)通過(guò)以a環(huán)形平面為基準(zhǔn)，在上面開(kāi)5個(gè)相同且沿周向均勻分布的矩形凹槽，每個(gè)矩形凹槽底面d與外環(huán)形面a之間高度差為0.5mm，槽寬為25mm，開(kāi)槽后環(huán)形平面a由一整圈變成5段，然后以凹槽底面d為基準(zhǔn)進(jìn)行螺栓孔尾筋和螺栓凸包設(shè)計(jì)，尾筋寬度為20mm，尾筋最低處與矩形槽底面d之間高度差為0.5mm，和尾筋相連的5個(gè)螺栓孔凸包與外環(huán)形面a呈斷開(kāi)設(shè)計(jì)，且凸包圓角不能與外環(huán)形面a相連，如圖5所示：

3.3? ?內(nèi)安裝面與獨(dú)立筋設(shè)計(jì)

內(nèi)安裝面呈分段式設(shè)計(jì)，以環(huán)形平面c為設(shè)計(jì)基準(zhǔn)，在上面設(shè)計(jì)5個(gè)沿軸向均勻分布的扇形凹槽，凹槽深度為0.4mm，凹槽底面與環(huán)形平面b共面，扇形凹槽夾角為42-45°，開(kāi)槽后環(huán)形面c由一整圈變成5段;然后再以環(huán)形平面b為基準(zhǔn)，在上面設(shè)計(jì)5個(gè)沿周向均勻分布的獨(dú)立筋，獨(dú)立筋與內(nèi)、外安裝面不能相連，位置盡可能處在螺栓孔分布圓附近，獨(dú)立筋高度控制在5-7mm，如圖6所示：

3.4? ?外安裝面設(shè)計(jì)

為克服外安裝面在螺栓預(yù)緊力的作用下因發(fā)生變形而導(dǎo)致與安裝盤(pán)不能完全接觸的情況，項(xiàng)目組通過(guò)反復(fù)的工藝研究和試驗(yàn)驗(yàn)證，總結(jié)出了一種工藝創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法，在滿(mǎn)足工藝可行的條件下，對(duì)輪輻成形模、翻邊模的外安裝面通過(guò)軸向擺角度、周向帶高度差進(jìn)行設(shè)計(jì)，將現(xiàn)有的5段外環(huán)形平面a向下擺角度1-1.5°，如圖7所示，通過(guò)工藝調(diào)整和設(shè)計(jì)改進(jìn)來(lái)彌補(bǔ)輪輻成形過(guò)程中所產(chǎn)生的不足。

然后通過(guò)以每段外安裝面中間為基準(zhǔn)，左右兩邊分別向下擺一個(gè)高度差，每段高度差均為Δh=h1-h2=（0.1-0.2）mm，如圖8所示。通過(guò)對(duì)外安裝面同時(shí)采用軸向擺角度和周向帶高度差設(shè)計(jì)，保證外安裝面在施加螺栓預(yù)緊力后完全貼在加載盤(pán)上。

4? ? 設(shè)計(jì)方法驗(yàn)證

通過(guò)采用HS高壓感壓紙對(duì)2WB輻底改進(jìn)后的樣件進(jìn)行了安裝面拓印試驗(yàn)、彎曲疲勞試驗(yàn)及橫、動(dòng)剛度對(duì)比試驗(yàn)，通過(guò)以上幾個(gè)方面的試驗(yàn)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證該設(shè)計(jì)方法的可靠性。

4.1? ?安裝面拓印試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)改進(jìn)后的樣件進(jìn)行安裝面拓印試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果可知，采用上述設(shè)計(jì)方法后，輪輻安裝面拓印明顯優(yōu)于改進(jìn)前2WB件和BASE件，拓印效果非常理想，安裝面與安裝盤(pán)接觸完全，達(dá)到了預(yù)期效果。對(duì)比結(jié)果如圖9所示：

4.2? ?彎曲疲勞試驗(yàn)及結(jié)果

采用本文設(shè)計(jì)方法改進(jìn)后，2WB樣件彎曲疲勞壽命從改進(jìn)前的26.5萬(wàn)次提升至76萬(wàn)次，失效部位避開(kāi)了輻底區(qū)域，從外安裝面變?yōu)檩楉攨^(qū)域。同時(shí)，彎曲疲勞壽命相比BASE件也提升了16.4%，如圖11所示：

4.3? ?橫剛度試驗(yàn)及結(jié)果

橫剛度指標(biāo)不僅影響影響整車(chē)操控性，也是影響車(chē)輪疲勞壽命的一個(gè)關(guān)鍵因素，通過(guò)對(duì)改進(jìn)前后2WB件及BASE件進(jìn)行橫剛度對(duì)比試驗(yàn)，改進(jìn)后的2WB件相比改進(jìn)前剛度有明顯的提升，而且優(yōu)于BASE件水平，對(duì)比結(jié)果如圖12所示：

4.4? ?動(dòng)剛度試驗(yàn)及結(jié)果

對(duì)改進(jìn)前后2WB件及BASE件進(jìn)行動(dòng)剛度對(duì)比試驗(yàn)，改進(jìn)后的2WB件相比改進(jìn)前提升了15.1%，且優(yōu)于BASE件6.1%，對(duì)比結(jié)果如表2所示：

5? ? 結(jié)論

本文主要研究一種鋼車(chē)輪輪輻輻底高耐久性設(shè)計(jì)方法，以東風(fēng)本田2WB項(xiàng)目為研究對(duì)象，通過(guò)利用HS高壓感壓紙對(duì)輻底進(jìn)行安裝面拓印試驗(yàn)，然后以試驗(yàn)結(jié)果為參考依據(jù)，通過(guò)對(duì)輪輻外安裝面采用軸向擺角度、周向帶高度差設(shè)計(jì);螺栓孔凸包、尾筋與輪輻外安裝面呈斷開(kāi)設(shè)計(jì)，以此來(lái)提升輻底疲勞強(qiáng)度和剛度，使失效點(diǎn)避開(kāi)輻底，具體結(jié)論如下：

（1）該設(shè)計(jì)方法能明顯提升輻底耐久性，使失效部位避開(kāi)輻底;

（2）該設(shè)計(jì)方法能明顯提升車(chē)輪整體橫、動(dòng)剛度，從而提升整車(chē)操控性;

（2）該設(shè)計(jì)方法突破了傳統(tǒng)輻底設(shè)計(jì)方法局限性，采用多階梯分段分層式設(shè)計(jì)，目前在國(guó)內(nèi)同行業(yè)屬于首創(chuàng);

（4）為后續(xù)輕量化、操控性要求嚴(yán)格的中高端產(chǎn)品開(kāi)發(fā)提供了很大的技術(shù)支撐，具有較大的參考價(jià)值。

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