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力集中和疲勞開裂。為了預測鋼圈的疲勞性能，以彎曲疲勞試驗為依據，選取螺栓孔附近的兩個試樣點進行有限元分析。根據分析結果，選用局部應力應變法，利用史密斯公式預測疲勞壽命。通過彎曲疲勞試驗對比得出鋼圈的設計滿足疲勞壽命要求，驗證了計算方法的可行性，為今后鋼圈的優化改善提供重要的參考依據。

關鍵詞：鋼圈；彎曲疲勞；應力分析；壽命預測

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力集中，對危險點采取有限元應力分析，利用局部應力應變法和史密斯公式進行疲勞研究，驗證其設計的可靠性，以此為后續的優化提供重要的理論依據。

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。鋼圈上開設有十個通風孔，起到通風散熱以及輕量化的作用。其中，十個螺栓孔和通風孔均勻交叉的分布在輪輻上，相近通風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，而承受一個旋轉彎曲力矩作用，如圖2所示。試驗彎矩，根據鋼圈的型號，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 螺栓孔的應力分析

根據廠方反饋的信息，應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。對螺栓孔附近關鍵點進行應力提取和計算，為下面的疲勞預測提供重要的研究基礎。選取最大應力處螺栓孔試樣點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?，將計算結果繪成如圖3的曲線圖。

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

2.2 疲勞壽命預測

而在實際應用中，往往是應變集中處的最大局部應變與應力情況最終來決定某個零件疲勞壽命，所以采用局部應力應變法對其進行疲勞研究。基于局部應力應變法，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軸應力對應的疲勞壽命分別為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應力對應的疲勞壽命最短，為4.36E+06次，其次是X軸應力。因此Mises應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，內外兩側壽命基本相同，鋼圈設計比較合理。

3 彎曲疲勞試驗

鋼圈動態彎曲疲勞試驗包括動態彎曲疲勞試驗和動態徑向疲勞試驗。大量實際經驗表明，彎曲疲勞是鋼圈破壞的主要原因。試驗彎矩設置為25Kn·m，記錄試驗結果。結果顯示，交變載荷次數在401833次時在螺栓孔處發生疲勞開裂，滿足國家對鋼圈使用壽命的規定。將測試數據與理論計算對比，相對誤差8.50%。

4 結論

針對鋼圈螺栓孔應力集中問題，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應力和X軸應力的周期載荷影響，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計滿足疲勞壽命要求，由此可得史密斯公式對疲勞的預測具有一定的參考價值。

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基金項目：本文系廣西科學研究與技術開發計劃資助項目“汽車鋼圈的研發”（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：數字化設計與制造。endprint