機械彈性車輪疲勞壽命及其影響因素研究

張明杰, 趙又群, 杜現斌, 王強, 肖振

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

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機械彈性車輪疲勞壽命及其影響因素研究

張明杰, 趙又群, 杜現斌, 王強, 肖振

(南京航空航天大學 能源與動力學院，江蘇 南京 210016)

為提高機械彈性車輪的可靠性和耐久性，對其疲勞壽命進行了研究。結合機械彈性車輪的結構及承載方式，建立了疲勞試驗的有限元模型；采用幅值、頻率相同的正弦載荷和余弦載荷模擬車輪骨架載荷循環過程；基于Miner線性疲勞累積損傷理論進行疲勞壽命預測。分析表明：車輪骨架的疲勞破壞主要集中在彈性環組合卡與鉸鏈組的連接部位，最小疲勞壽命為4.03×105次；隨著鉸鏈組個數、鉸鏈組橫截面積的增加，疲勞壽命呈非線性增加；隨著實際負荷的增加，疲勞壽命呈下降趨勢。

機械彈性車輪；疲勞試驗；有限元模型；應力分析；Miner損傷理論；疲勞壽命

車輪是車輛的重要安全部件，是車輛與地面接觸的唯一媒介，車輪的可靠性和耐久性直接關系到車輛的安全運行[1]。近年來，灌注式實心輪胎、內支撐體輪胎、內沉陷限制器輪胎等各種安全輪胎已逐步運用到安全防護性高的車輛中[2]。此外，安全車輪發展的新技術也層出不窮，如本田公司的防漏輪胎(TUFFUP TIRE)[3]、米其林公司的蜂窩板式車輪(TWEEL)[4]、負泊松比N-輪[5]。文獻[6-8]探索了一種新型非充氣式機械彈性安全車輪，并進行了一系列模型建立、徑向剛度特性、力學特性等方面的理論和試驗研究。為加速機械彈性車輪應用于某型越野車，在前期研究的基礎上，本文進一步研究其疲勞壽命。結合機械彈性車輪的結構及承載方式，建立適用于機械彈性車輪疲勞壽命分析的有限元模型；基于Miner線性疲勞累積損傷理論，模擬動態彎曲疲勞試驗對機械彈性車輪骨架進行疲勞壽命預測；探討了疲勞壽命影響因素，為其設計優化和推廣應用提供指導。

1 車輪結構及其承載方式

1.1 車輪結構

機械彈性車輪的總體結構如圖1所示，主要由胎圈、輪轂、銷軸、鉸鏈組、彈性環、彈性環組合卡等部件構成，具體的組合關系如下：

1)將五束彈性環并列排放，利用等角度安裝的12組彈性環組合卡將彈性環鎖卡在一起，構成彈簧鋼圈，如圖2所示。

圖1 機械彈性車輪外觀Fig.1 Mechanical elastic wheel appearance

圖2 機械彈性車輪骨架Fig.2 Mechanical elastic wheel skeleton

2)彈簧鋼圈和輪轂對心安置，鉸鏈組外端和彈性環組合卡連接，內端和輪轂連接。

3)彈簧鋼圈外側嵌入硫化的簾布層，其周圍用橡膠層包裹，構成機械彈性車輪的胎圈。

1.2 車輪承載方式

車輪的承載方式有底部承載和頂部承載，機械彈性車輪承載方式類似于頂部承載，區別在于底部無受力[3](如圖3)。

圖3 機械彈性車輪的承載方式Fig.3 Loading mode of mechanical elastic wheel

機械彈性車輪在實際運轉時，承受來自不平路面的載荷激勵以及通過半軸傳遞的車重和彎矩。車輪胎圈承載變形，起到支撐作用，而鉸鏈組則拉直或壓彎變形。當鉸鏈組受拉時，與二力桿相似，起到軸向傳力作用；當鉸鏈組受壓時，則因繞鉸接點轉動彎曲變形而不承力。

2 車輪疲勞壽命研究的理論依據

車輪的疲勞壽命，可通過試驗法和分析法來確定。試驗法成本高、周期長、受偶然因素干擾，而分析法則可以預先進行疲勞分析和優化，節約成本并縮短車輪推向市場的時間。

2.1 車輪動態彎曲疲勞試驗

車輪動態彎曲疲勞試驗是國際上通行的、標準的試驗方法[9-11]，國家標準GB/T 5334-2005 《乘用車車輪性能要求和試驗方法》規定動態彎曲疲勞試驗彎矩計算公式為

M=(μR+d)FvS

(1)

式中：μ是輪胎與路面間的設定摩擦系數，R是輪胎靜負荷半徑，d是車輪內偏距或外偏距，Fv是車輪或汽車制造廠規定的車輪上的最大垂直靜負荷或車輪的額定負荷，S是強化試驗系數。

2.2 疲勞累積損傷理論

疲勞累積損傷理論可歸納為以下三類：線性疲勞累積損傷理論、修正的線性疲勞累積損傷理論和非線性疲勞累積損傷理論[12]。工程上廣泛使用的是Miner線性疲勞累積損傷理論，其法則為

(2)

式中：D為總疲勞損傷，ni為各應變水平下的循環次數，Ni為疲勞壽命。

3 車輪有限元模型的建立

3.1 模型假設條件

為提高計算效率，在保證結果精度的前提下，對機械彈性車輪有限元模型進行了適度簡化：

1)不考慮連接和接觸部位的摩擦作用，按無摩擦接觸處理；

2)忽略銷軸結構，不研究其疲勞壽命，用轉動副模擬其運動特性；

3)胎圈結構為非線性材料，特性復雜，不考慮其對機械彈性車輪骨架應力歷程的影響；

4)假設所有材料屬性為各向同性，車輪骨架結構相對輪心完全對稱；

5)不考慮溫度變化對機械彈性車輪骨架各項性能的影響。

3.2 材料特性及單元類型

車輪骨架材料采用7075-T651鋁合金[13]，其密度為2 770 kg/m3，抗拉強度為580 MPa，屈服強度為σs=570 MPa，選取所選用鋁合金材料的安全系數為2，則許用應力[σ]=σs/2=285 MPa，楊氏模量為71 GPa，泊松比為0.33。車輪骨架采用Solid186和Solid187單元，接觸面處采用Conta174和Targe170單元。

3.3 網格劃分

為避免出現畸形單元，模型中主要采用六面體和掃略方法進行網格劃分，得到了較為工整的網格，以加強收斂性和計算精度。試驗時關注鉸鏈組和輪轂的應力分布，該部分網格劃分較細，而其他部分網格較粗，對于加載軸，只利用它施加載荷，對其應力分布不感興趣，故將其設置為剛體。該有限元簡化模型劃分網格后，模型單元數為50 680，節點數為40 512，網格劃分效果如圖4所示。

圖4 機械彈性車輪有限元模型Fig.4 Finite element model of mechanical elastic wheel

3.4 基于動態疲勞彎曲試驗的邊界條件

車輪可在一固定不動的彎矩作用下旋轉，或者車輪固定不動，而承受一個旋轉的彎矩，試驗彎矩由式(1)確定。

為了對車輪骨架施加旋轉彎矩，可在加載軸末端施加大小不變，但方向隨時間而改變的載荷[12-13]。機械彈性車輪載荷計算參數為：R=0.815 m，d=0.040 m，Fv=10 kN，S=1.6，加載軸長度L=0.8 m，取μ=0.7。求得彎矩M=

9.768kN·m，試驗加載載荷F=M/L=1.221 kN。該載荷可分解相互垂直的兩個力，分別為Fx=Fsin(ωt)和Fy=Fcos(ωt)，其中ω為由實際試驗轉速求得的角速度，t為時間變量。圖5為動態疲勞彎曲試驗的載荷歷程曲線，圖中橫軸表示車速為60 km/h時車輪旋轉一周所需要的時間。

圖5 動態疲勞彎曲試驗的載荷歷程曲線Fig.5 Load history curve of dynamic fatigue bending test

具體地，邊界條件為固定車輪骨架彈性環組合卡的外端面，通過螺栓連接車輪輪轂和加載軸法蘭盤，同時在加載軸末端面的中心節點施加相互垂直的載荷：Fx=1.221sin(40.90t)和Fy=1.221cos(40.90t)。

4 有限元模型的結果分析

4.1 動態疲勞彎曲試驗仿真結果分析

1)應力分析

受模擬旋轉載荷的影響，應力云圖發生周期變化。圖6為某時刻的應力分布圖，在加載軸法蘭盤與輪轂的連接處附近產生一定的應力集中，同時輪轂邊緣銷軸孔附近應力集中也很明顯。在鉸鏈組第一節鉸鏈內側產生最大應力，最大應力值為270.51 MPa。最大應力小于材料的許用應力，但可推斷此處最易發生疲勞破壞。

圖6 動態疲勞彎曲試驗某時刻的應力分布圖Fig.6 The stress distribution diagram of dynamic fatigue bending test at a certain time

為了研究車輪在動態彎曲疲勞試驗仿真過程中所承受的應力循環情況和疲勞破壞的機理，提取車輪上應力水平較高的危險點的應力狀態進行分析。圖7表示危險點應力隨加載角度的變化情況，即動態彎曲疲勞試驗中試驗彎矩旋轉一周，危險點的應力變化情況。可以看出該危險點所承受的是非對稱應力循環。

圖7 危險點應力隨加載角度的變化情況Fig.7 Variation of the stress at dangerous point with loading angle

2)疲勞壽命預測

基于Miner線性疲勞累積損傷理論并采用Goodman修正模型，計算出疲勞壽命值與疲勞破壞的位置。動態疲勞彎曲試驗的壽命分布情況如圖8所示，最小疲勞壽命為4.03×105次，在鉸鏈組第一節鉸鏈內側最先發生疲勞破壞，此結果與車輪骨架應力分布情況相符。

圖8 動態疲勞彎曲試驗的疲勞壽命分布圖Fig.8 Fatigue life distribution diagram of dynamic fatigue bending test

4.2 疲勞壽命的影響因素分析

車輪的疲勞壽命對車輛的可靠性影響重大。由動態彎曲疲勞試驗的應力分析可知，車輪疲勞壽命主要取決于鉸鏈組結構特征和車輛運行工況。因此基于車輪有限元模型對鉸鏈組個數、鉸鏈組橫截面積和車輪實際負荷等變量進行參數化分析，得出它們與車輪骨架疲勞壽命之間的變化規律。

利用有限元模型分別計算了車輪骨架在90%、100%、120%、140%的額定負荷下，鉸鏈組個數、橫截面積對車輪疲勞壽命的影響。

鉸鏈組橫截面積為288 mm2，鉸鏈組個數對疲勞壽命的影響如圖9所示。由圖9可知，隨著鉸鏈組個數的增加，車輪骨架的疲勞壽命值呈非線性增加。鉸鏈組個數為6時，車輪骨架在100%的額定負荷下即發生破壞，可見鉸鏈組個數太少時車輪骨架易發生破壞。

鉸鏈組個數為12，鉸鏈組橫截面積對疲勞壽命的影響如圖10所示。由圖10可知，隨著鉸鏈組橫截面積的增大，車輪骨架疲勞壽命值呈非線性增加。鉸鏈組橫截面積從288 mm2增加到408 mm2，車輪骨架疲勞壽命值緩慢增加，在鉸鏈組第一節鉸鏈內側最先發生疲勞破壞；當鉸鏈組橫截面積增加到432 mm2時，輪轂中心附近的螺栓孔先發生破壞。

由圖9和圖10可知，隨著車輪的實際負荷增加，車輪骨架的疲勞壽命呈下降趨勢；相對于增大鉸鏈組橫截面積，增加鉸鏈組個數提升車輪骨架疲勞壽命更明顯。

圖9 鉸鏈組個數對疲勞壽命的影響Fig.9 Influence of hinge number on fatigue life

圖10 鉸鏈組橫截面積對疲勞壽命的影響Fig.10 Influence of cross section area of hinge group on fatigue life

5 結論

基于Miner線性疲勞累積損傷理論和車輪動態彎曲疲勞試驗對機械彈性車輪的疲勞壽命進行了預測和影響因素分析。

1)車輪動態彎曲疲勞試驗中，機械彈性車輪骨架結構的危險點承受非對稱應力循環，在鉸鏈組第一節鉸鏈內側產生最大應力。

2)機械彈性車輪的疲勞壽命與鉸鏈組的結構特征和車輛運行工況有關。隨著鉸鏈組個數、鉸鏈組橫截面積的增加，機械彈性車輪骨架的疲勞壽命呈非線性增加，且適當增加鉸鏈組個數能更顯著的提高車輪骨架疲勞壽命；隨著實際負荷的增加，機械彈性車輪骨架的疲勞壽命呈下降趨勢。

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Fatigue life and influencing factors of a mechanical elastic wheel

ZHANG Mingjie, ZHAO Youqun, DU Xianbin, WANG Qiang, XIAO Zhen

(College of Energy and Power Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, Nanjing 210016, China)

In this paper, the fatigue life of a mechanical elastic wheel is studied to improve its reliability and durability. The finite element model of the fatigue tests is established by combining the structure and the loading mode of a mechanical elastic wheel. Sine and cosine loads with the same amplitude and frequency are applied to simulate a load cycle process of the wheel skeleton. The fatigue life is predicted on the basis of Miner linear fatigue cumulative damage theory. The analysis results show that the fatigue failures of the wheel skeleton is mainly centered on the connection of the flexible ring composite clip and hinge group. The minimum fatigue life is 4.03 × 105times. The fatigue life nonlinearly increases as the number and cross-section area of the hinge group increase. The fatigue life decreases as the actual load increases.

mechanical elastic wheel; fatigue tests; finite element model; stress analysis; Miner damage theory; fatigue life

2015-09-09.

日期：2016-09-28.

總裝探索研究項目(NHA13002); 江蘇省普通高校研究生科研創新計劃項目(KYLX_0241).

張明杰(1990-), 男, 碩士研究生; 趙又群(1968-), 男, 教授,博士生導師.

趙又群, E-mail: yqzhao@nuaa.edu.cn.

10.11990/jheu.201509026

U463.3

A

1006-7043(2016) 11-1560-05

張明杰, 趙又群, 杜現斌, 等. 機械彈性車輪疲勞壽命及其影響因素研究[J]. 哈爾濱工程大學學報, 2016, 37(11): 1560-1564. ZHANG Mingjie, ZHAO Youqun, DU Xianbin, et al. Fatigue life and influencing factors of a mechanical elastic wheel[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(11): 1560-1564.

網絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160928.1419.040.html