某輕型卡車車輪輕量化設計分析

梁宏舉

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某輕型卡車車輪輕量化設計分析

梁宏舉

（安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型商用車營銷公司帥鈴營銷公司，安徽 合肥 230601）

通過利用ABAQUS工具，創建了車輪彎曲載荷有限元仿真計算模型，針對卡車車輪展開疲勞仿真試驗和彎曲疲勞壽命預測，以某輕型卡車車輪為例，展開輕量化分析；在輪輻利用6毫米的490CL材料來取代原有的8毫米的380CL材料，對彎曲疲勞壽命做仿真分析，滿足標準要求，實驗室臺架疲勞合格，車輪輕量化分析方案可行，發現車輪輕量化設計減重成功的同時，也使車輪成本有所下降。

車輪輕量化設計；彎曲疲勞試驗；仿真

引言

當前，對整車性能進行考核的一個非常重要的指標就是汽車燃油經濟性。燃料降低一方面能夠有效節約能源，另一方面能夠有效降低尾氣排放量，實現環保。當前階段，使整車燃耗降低的非常有效的方式包括對發動機性能加以改善，使燃料效率能夠提高；提升汽車空氣動力學性能，使滾動阻力下降；使動力轉動效率提高，從而降低功耗；對整車做輕量化設計，使汽車自重降低。而在所有方式中，更為有效實現降低燃耗的方式就是輕量化設計。

輕量化設計基本思想就是立足于不降低性能以及質量的基礎上，對結構進行優化，應用新材料以及新工藝，與此同時還有考慮性能、質量和成本三方面，從而讓經濟效益得到最大化發揮。

汽車車輪是高速旋轉的非簧載質量，后雙胎車型一共有7件車輪，在質量方面比較大一些，對其進行輕量化設計能夠有效實現整車輕量化設計。本文以某輕型卡車車輪鋼圈總成為例，通過利用高強度材料，運用CAE仿真分析手段，針對車輪鋼圈總成展開輕量化設計以及分析。

1 車輪參數以及試驗方法

作為支撐車重以及輪胎重量的關鍵零部件，車輪對于車輛來說是不可或缺的一個部位。車輪介于車橋和輪胎之間，為一個旋轉組件，由兩部分構成，分別是輪輻和輪輞，前者主要是裝在橋上，而后者主要是用來進行輪胎的安裝，和輪胎一起承受載荷，并散發輪胎在高速行駛時形成的熱量和保證車輪擁有適宜的斷面寬度以及橫向剛度[1]。

1.1 車輪參數

某輕型卡車車輪主要有擋圈、輪輻、輪輞三部分構成，輪輞型號為5.50F-16，材料是YB/T5227；擋圈材料是YB/T 039；輪輻材料是YB/T 4151，一共有六個通風孔，基本參數情況如下表所示：

表1 車輪基本參數

1.2 車輪試驗標準

GB/T 5909中對商用車車輪疲勞試驗性能要求以及試驗方法做出了規定，具體如下：

（1）動態彎曲疲勞試驗，其主要對輪輻疲勞強度進行考核；

（2）動態徑向疲勞試驗，其主要對輪輞疲勞強度進行考核[2]。

無論是車輪在實際使用中，還是在臺架試驗中，針對5.50 F-16 型車輪來說，主要表現出來的失效形式還是動態彎曲疲勞所引起的輻板損壞。因此，本次在分析中主要針對彎曲疲勞試驗展開，在此方面構建了有限元仿真模型，并以此為基礎來展開疲勞壽命預測，從而給后續優化奠定數據基礎[3]。

1.3 車輪動態彎曲疲勞試驗

讓車輪承載一個旋轉彎矩，從而模擬車輪在行駛過程中所受到的彎矩載荷，這種測試方法被叫做動態彎矩疲勞試驗，試驗加載方式如下圖所示：

圖1 動態彎曲疲勞試驗-90°加載法

標準要求為車輪在做試驗彎矩以后雖然受到一定疲勞循環，但其上沒有產生裂紋，彎矩以及載荷通過公式（2-1）來進行確定：

公式（1）中M是彎矩，單位為Nm；是輪胎與道路間的摩擦系數，假定為0.7；R是靜負荷半徑，單位為m；d是車輪偏距，單位為m，內偏距為正；Fv是最大限定載荷，單位為N；S是強化試驗系數[4]。

2 當前車輪彎曲疲勞試驗的仿真分析

2.1 建立車輪有限元仿真

結合車輪有關參數能夠得到試驗彎矩為4733.5Nm以及螺栓預緊力是85000N，根據氣壓標準，確定最低疲勞循環次數為45萬次，而GB/T 5909 要求次數是30萬次。

2.2 簡化模型

螺栓預緊力會影響到車輪受到彎曲載荷作用力所形成的應力分布情況，本次仿真通過ABAQUS工具，創建車輪仿真模型，該模型考慮到了螺栓預緊力影響。本次仿真中所設置的車輪材料密度是7.9g/cm3，加載盤和螺栓取彈性模量為2.11×105MPa，輪輻模型彈量為2×105MPa，泊松比都設定為0.3螺栓預緊力利用ABAQUS中的bolt load所施加的力為85000N[5]。

進行彎曲疲勞試驗的過程中，軸端載荷在旋轉頻率上要遠遠低于一階固有頻率，所以仿真分析過程中把旋轉完全載荷進行轉換，變成一系列靜態加載方式在加載軸端進行作用分析，這樣所取得的結果在誤差上會比較小一些，能夠符合工程標準。因為車輪對稱性，選取90范圍之內每間隔30度陸續施加靜態作用力，最后在一個完整周期下車輪受力計算分為五個方向完成。這樣就能夠得到彎曲載荷作用下一個完整的作用周期下-所有危險點應力變化規律[6]。

2.3 結果分析

車輪動態彎曲疲勞試驗后應力分布情況如下圖所示：

圖2 輪輻應力分布圖

由圖2可知，在考慮到螺栓預緊力之后，輪輻最大應力主要集中在螺栓孔附近，然而因為螺栓孔倒角處應力過于集中，刨除一圈應力集中單元以后，所得到的應力值是224MPa，這和材料許用應力235MPa相比要小，所以鋼圈在該狀態下為安全的[7]。

2.4 彎曲疲勞結果分析

表2 不同加載方向下各危險點處應力值

為做車輪彎曲疲勞壽命預測，讀取到的不同加載方向下輪輻應力值如表2所示：

由表格可知疲勞壽命滿足45萬次的時候循環應力水平是199.8MPa，而試驗所得最大循環應力為 191.68 MPa，所以本次仿真結果能夠符合彎曲疲勞循環要求。

3 基于彎曲疲勞仿真試驗的車輪輕量化分析

目前運用的輪輻材料規格為380CL，厚度是8mm，在對于輪輻材料價格、性能進行考慮的基礎上，在輪輻選取方面使用高強度材料490CL車輪專用鋼，降低輪輻的厚度至6mm。對于輪輻材料的試驗的對比分析結果如表3所示。

表3 材料 380CL以及490CL性能對比表

通過類似的方式方法，對于實現優化處理的輪胎分析疲勞模擬分析，主要的試驗結果如表4所示。

表4 不同加載方向時危險點處的應力值（490CL）

在沒有490CL材料的 S-N 曲線的基本情況下，通過相應的經驗公式，依據極限抗拉強度(Su)和疲勞極限 Se（即1×10６次循環時的應力幅S），對于疲勞強度的折減系數 Kf=1.5進行充分的考慮，修正和完善曲線，最終得到490CL材料的 S-N 曲線為:lg N=27.16-9.09lgS。實現優化前后的相應材料S-N 曲線對比如圖9，依據GB/T5909《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》，對于輪胎循環的最低次數按照45萬次進行計量，得出等效循環應力的比對分析如表5所示[8]。

表5 優化前后材料許用循環應力對比

通過表4能夠分析得出，輪輻產生危險為位置的等效循環應力最高可至231.47MPa，通過490CL 的S-N曲線走向能夠得出相應結論，等效循環應力水平在循環次數為45萬次時是232.3 MPa，砸達到45萬疲勞循環的次數要求時，疲勞壽命為46.4萬次。注：運用經驗公式得到的490CL材料的S-N 曲線只是理論上的數據信息，實際過程中的材料曲線和檢驗的數據可能會存在一定的差異性，對于疲勞壽命要進行精準化的預測和分析應該通過不斷的試驗和數據信息進行完善，獲得準確真實的檢測數據。

4 輕量化車輪臺架試驗

為了對于實驗室的彎曲疲勞進行測試檢驗依據GB/T 5909《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》實施了檢測工作，對于車輪狀態進行了不同受力下的檢驗，來分析情況，檢驗的受力分別是30、60、90 萬次，保證輪胎能夠符合運行的實際要求并控制在疲勞極限的范圍內，對于達到疲勞極限的次數進行確定，成為參考的數據信息。通過試驗的最終結果顯示：進行彎曲疲勞試驗的過程中60萬次相應的數據信息和車輪狀態顯示良好；但受力達到90萬次就會有裂紋產生。我們就可以得出結論：輕量化車輪的試驗基本符合要求，并且和仿真分析的結果保持一致性[9]。

5 實現輕量化設計的研究分析

對于輪胎性能和降本額度實現優化處理后的對比結果如表6所示：

表6 優化處理對比結果

需要進行解釋說明的是：在性能和降本額度的論述和分析當中，依據市場定價確定了基本的輪輻價格，490CL 材料比 380CL 材料價格高約 0.25 元/kg。運用490CL 輪輻材料，能夠合理的控制輪輻厚度到6mm。經過疲勞仿真的實驗分析，實現優化處理后的輪胎能夠至少達到45萬次疲勞循環要求。經過優化處理后相應零部件的重量只有1.6kg，在單獨的輪胎運用成本上每個大概花費3.7 元，實現了輪胎輕量化和減少成本額度的基本需求，能夠在一定程度上延長輪胎的使用壽命。

6 結束語

本篇文章對于車輪的分析仿真的方式方法進行了確立，主要根據車輪的動態彎曲的疲勞檢驗測試的標準進行確定，通過對于ABAQUS工具的實際應用，建立了車輪彎曲的負荷仿真計算模型，更好的對車輪的疲勞度進行基本的計算和檢驗。通過相應的實驗數據和信息得出了受到彎曲負荷影響下的車輪的受力情況，通過得到的檢驗數據和結果預測車輪疲勞使用壽命；目前運用輪輻6mm的490CL材料，對于原先使用的材料和模型進行了改進處理，滿足預測疲勞壽命的一系列標準化要求。為了實現輕量化設計的要求，使車輛的油耗能夠得到控制，對于輕型卡車輪胎的輕量化運行方案要分析可行性，保證實驗室的臺架疲勞合格。通過相應的方式，使車輪運行使用的成本有效降低，達到經濟效益最大化的基本目的[10]。

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Analysis of Light Weight Design of Wheel of a Light Truck

Liang Hongju

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Light Commercial Vehicle Marketing Company, Shuailing marketing company, Anhui Hefei 230601）

Based on ABAQUS tool, a finite element simulation model for wheel bending load was established. The fatigue simulation test and fatigue life prediction were carried out for truck wheels. In the spokes use 6 mm 490CL material to replace the original 8 mm 380CL material, simulation analysis of bending fatigue life is done, meet the standard requirements, the laboratory platform fatigue is qualified, the wheel lightweight analysis scheme is feasible, and it is found that the wheel lightweight design is successful. At the same time, It also reduced the cost of the wheel.

wheel lightweight design; Bending fatigue test; simulation

A

1671-7988(2018)24-192-04

U462

A

1671-7988(2018)24-192-04

U462

梁宏舉，就職于安徽江淮汽車集團股份有限公司輕型商用車營銷公司帥鈴營銷公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.069