鋼制車輪彎曲疲勞試驗與壽命估算

黃　崗

（杭州科技職業技術學院，杭州 311402）

鋼制車輪彎曲疲勞試驗與壽命估算

黃崗

（杭州科技職業技術學院，杭州 311402）

疲勞破壞是引起鋼制車輪失效的主要原因。在鋼制車輪應用中，應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。根據鋼制車輪的使用標準，設計彎曲疲勞試驗，在此基礎上估算車輪的壽命，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，干預彎曲疲勞，縮短車輪運行的壽命期。因此，需要根據鋼制車輪的狀態，規劃彎曲疲勞試驗，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，找出比較容易出現疲勞裂紋的區域。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、滾動多次接觸下發生的疲勞，此類疲勞中存在反復的荷載受力；腐蝕疲勞，車輪接觸有腐蝕性化學物質后出現的疲勞表現；熱機械疲勞，受熱與機械疲勞相結合后的總稱，常見于循環狀態下的受熱變化，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，我國汽車行業的快速發展，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軟件構造仿真的試驗環境，準確估算疲勞壽命，進而改進鋼制車輪的生產過程。

2.1建模與材料

鋼制車輪的彎曲疲勞試驗中，通過ANSYS構建試驗模型，以獲取車輪的應力荷載，得出疲勞應變-壽命曲線，從而做為鋼制車輪的設計標準[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設計實體模型。車輪采取薄壁構成，經過殼單元劃分有限元，選擇車輪中面，導入ANSYS內的數據，劃分軟件單位。建模中，鋼制車輪劃分為21121個網絡單元，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該按照國標GB/T5909-1995中的相關規定執行。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，是指鋼制車輪的輪胎與道路之間的摩擦系數；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。

試驗中，根據ANSYS設計的模型，R=0.285m，d=0.045m，F=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°作用提供循環的模擬條件，將整體圓周狀態的車輪規劃為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組數據，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，8個方向具有對稱性，例舉0°、45°、90°、135°的響應受力，如表1所示。由表中數據可知，輪輞、輪軸的受力不高，荷載應力集中在輪轂的螺栓附近，對應節點列數據應力并未達到235MPa的屈服應力，表明了彎曲疲勞損壞的地方。

表1　四個方向的應力值及節點號

2.3 試驗求解分析

鋼制車輪彎曲疲勞試驗內，由ANSYS提供試驗求解的過程。ANSYS軟件設置是：靜態應力分析Static、求解方式From LS Files，選取96個荷載步，計算1次；根據鋼制車輪在動態狀態下彎曲疲勞的應力，得出最大應力表現在車輪通風孔邊緣位置；邊緣有兩個位置，均存在高應力狀態，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，得出貼近實際的參數。應變-壽命分析的公式為：

γmax為最大剪應變；εn為γmax狀態下，平面的法向應變；△為變化范圍；為疲勞延性指數；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測中，還受到平均應力的影響，所以公式需要修正為：

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

圖2　應變-壽命曲線

3.2壽命結果分析

鋼制車輪疲勞壽命較低的區域，表明車輪處于危險的狀態。經試驗分析后表明，螺栓、導圓處，短壽命的節點分布密集；車輪通風孔設計了圓弧過度位置，此部分存有一個節點，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號節點，對數壽命為4.5041，可循環31923次，遠小于安全循環次數18000次，計算得出疲勞安全系數=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的標準，但是危險系數較高，存在很大的安全隱患。因此，鋼制車輪生產與制造中，可以適度改進通風孔的構造、形狀，也可以增加車輪內的輻板厚度，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，不僅能夠指導鋼制車輪的選型、設計，規范鋼制車輪的生產，還能縮短車輪制造的周期，提高鋼制車輪的開發效率。鋼制車輪制造中，應該積極落實彎曲疲勞試驗與壽命估算，改進鋼制車輪的設計過程，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測研究[J].汽車技術，2011，（2）：47-50.

[2]鄢奉林，陸兵，倪利勇.鋼制車輪動態彎曲試驗疲勞壽命預測[J].機械設計與制造，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用[J].機械設計與制造，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

杭州科技職業技術學院校級重點課題（HKYZD-2013-3）。