某鋁合金鋼圈螺栓孔的疲勞壽命特征

孫鵬峰

某鋁合金鋼圈螺栓孔的疲勞壽命特征

孫鵬峰

（廈門日上集團股份有限公司，福建 廈門 361000）

鋁合金鋼圈作為當前輪轂設計中主流產品，其疲勞度的實驗對于產品的性能檢測非常重要。螺栓孔作為鋼圈應力的集中區，其疲勞開裂可以用力預測鋼圈的疲勞壽命。采用彎曲疲勞實驗方法，對鋼圈螺栓孔進行有限元分析，進而用史密斯公式預測疲勞壽命。通過分析，可以為優化鋼圈設計和分析預測鋼圈壽命提供借鑒。

鋼圈；螺栓孔；疲勞壽命；應力分析

汽車行駛過程中會受到多重的應力作用，鋼圈作為力矩傳導的關鍵部件，其受力特征十分復雜，鋼圈承受的力根據路況的不同而隨機施加到輪毅上。從載荷類型來看，主要有彎曲載荷和交變扭轉載荷，因此極易造成鋼圈疲勞失效。根據受力特征分析，鋼圈所受載荷會在螺栓孔周圍形成應力集中，是導致疲勞開裂的主要誘因。因此，借助有限元分析對鋼圈螺栓孔進行復雜的受力分析，然后采用疲勞度建模分析鋼圈螺栓孔的疲勞程度，以此指導未來產品進行優化設計。

1 鋁合金鋼圈疲勞實驗方法選擇

1.1 徑向疲勞實驗

徑向疲勞試驗是針對鋼圈的徑向受力進行的分析，徑向作用力主要來自輪胎胎壓和外部擠壓力，會對鋼圈的疲勞強度產生影響。因此徑向疲勞度實驗需要給輪胎施加1.2～1.7倍的正常胎壓，然后在實驗臺上通過轉鼓施加給鋼圈徑向的力γ，不斷增加徑向載荷，直到鋼圈螺栓孔出現疲勞裂紋。徑向載荷公式如下所示：

（Z）=Z·=γ·（1）

式（1）中：（Z）為垂直于鋼圈半徑的力矩；Z為方向的垂直力；為安裝平面間的偏距。

徑向實驗要求在沒有達到實驗目的的基礎上，鋼圈具有承載不小于50萬次的等量受力能力。但是，通過大量的實驗發現，在徑向受力實驗中，鋼圈的焊接總是先于螺栓孔開裂，因此，該實驗無法穩定地檢測到鋼圈螺栓孔的疲勞強度。

1.2 彎曲疲勞實驗

彎曲疲勞實驗是考察鋼圈承受扭矩作用力下的疲勞強度，鋼圈所承受的扭矩主要來源于螺栓的擰緊力矩和彎矩。在彎曲實驗中不需要考慮胎壓對鋼圈的作用，因此實驗中只需要施加螺栓擰緊力矩即可。

實驗過程中需要施加彎矩，彎矩通過液壓缸和加載軸進行加載。彎矩大小由以下公式計算得出：

式（2）中：為加載軸的長度。

彎曲實驗要求在鋼圈極限承受能力下至少可以承載 30 000次的同等載荷。該實驗可以對螺栓的擰緊力矩以及來自側向的彎矩進行考察，通過大量的實驗數據分析可知，在該實驗中鋼圈首先在螺栓孔處開裂，其他部位極少會出現裂紋。因此，可以認為螺栓孔的疲勞度對于彎矩比較敏感，因此該實驗方法可以用于分析鋼圈螺栓孔的疲勞壽命。

1.3 雙軸疲勞實驗

徑向疲勞實驗和彎曲疲勞實驗是在雙軸疲勞實驗的基礎上進行的兩個軸向的受力簡化模型。簡化后的模型不能充分考慮兩個軸向作用力的交互，因此分析的疲勞度精確性還有待提升。另外，兩個實驗采用不同的實驗設備，不能在同一個鋼圈上進行實驗，得出的實驗結論也略有差異，還增加了實驗的成本。德國弗勞恩霍夫在此基礎上提出的全新雙軸疲勞實驗方法，可以有效避免以上弊端。采用的實驗設備可以同時施加垂直和側向力，實驗條件更加接近實際工況。但是該實驗設備比較昂貴，且實驗周期較長，因此，沒有得到大規模應用。鑒于此，本文采用彎曲疲勞實驗分析鋼圈螺栓孔的疲勞壽命。

2 鋁合金鋼圈螺栓孔應力特征及壽命分析

2.1 載荷計算

鋼圈的設計中充分考慮了鋼圈的受力強度、重量以及行駛過程中的熱傳導情況，因此采用A35G高性能鋁合金材料設計而成。鋁合金材料保證了鋼圈對于受力強度的要求，同時還可以滿足輕量化的設計初衷。同時，鋼圈上預留了10個通風孔可以有效地進行鋼圈散熱，通風孔與螺栓孔內外交叉排列，中心夾角為18°。

根據公式（2），可以計算出彎矩：

=（+）s×=24 873.5 N·m

實驗設備的加載軸長為0.679 m，因此可以得到軸末端載荷為：

該實驗中的受力分析是基于鋼圈的靜態分析模型。實驗中鋼圈處于靜止狀態，外力通過旋轉彎曲力矩的形式施加給鋼圈。基于以上計算數據可以對螺栓孔的應力和疲勞度進行進一步的分析。

2.2 螺栓孔應力分析

實際運行工況下鋼圈是通過螺栓與剎車盤連接的，螺栓通過擰緊力將兩個貼合面按壓在一起。由于螺母和螺栓的受力情況比較復雜，因此，需要進行模型的簡化，在兩個貼合面上設置應變化分析其受力情況。實驗結果如圖1所示。

圖1 螺栓擰緊力對輪副的作用

根據鋼圈的受力分析以及大量的實驗數據可知，螺栓孔附近是應力的集中區，因此，對于螺栓孔的應力分析，可以在螺栓孔周圍選取不同的觀測點，進行應力的提取。

選取應力集中區的可能最大的應力受力點進行取樣，施加25 kN·m＞=24.873 525 kN·m的彎矩。然后建立模型，取輪輻表面為～平面，螺栓孔垂直方向為軸。

通過圖1可知，在上述實驗條件下，從8個不同的方向施加周期性的載荷，螺栓孔受到的應力主要來自于Mises應力和軸應力，其軸和軸應力較小，且二者趨于一致；另外，輪輻應力的最大方向為第一載荷方向，因此，在螺栓孔的疲勞度實驗中要以該方向的應力作為極限承受點。

2.3 疲勞壽命預測

鋼圈在實際工況下，決定其壽命的往往是來自于局部的應變力集中點，該點的疲勞度即為整個鋼圈的疲勞度。因此在鋼圈的疲勞度壽命分析中采用局部應力應變法，通過史密斯公式進行其壽命的計算。2個采樣點在最大應力方向的疲勞度壽命如表1所示。

表1 疲勞壽命計算結果

序號采樣點1采樣點2 Mises應力4.36E+054.78E+05 X軸應力2.15E+062.68E+06 Y軸應力9.45E+091.03E+07 Z軸應力2.14E+075.02E+07

從表1可以看出，在四個方向應力的壽命疲勞度分析中，其壽命的疲勞度從小到大依次為：Mises應力、軸應力、（軸應力/軸應力）。

由此可見，影響鋼圈螺栓孔疲勞度壽命的主要因素是Mises應力，其次是軸應力。軸應力和軸應力對于鋼圈螺栓孔的疲勞度壽命影響最小。另外，從兩個采樣點的疲勞度壽命來看，不同方向的疲勞度壽命相差不大，因此，也可以反映出該實驗鋼圈實際的合理性。

3 疲勞實驗結果分析

通過上述分析可知，考察鋼圈的螺栓孔疲勞度壽命，中國普遍采用彎曲疲勞實驗。通過計算鋼圈所能承受的最大彎矩為24 873.5 N·m，因此實驗彎矩取25 kN，當周期性施加載荷時，在401 833次螺栓孔處發生開裂現象。可以認為該鋼圈螺栓孔的疲勞壽命為401 833次。中國國標中對于鋼圈的使用壽命規定為，最大載荷下極限承受次數不低于 30 000次。由此可以說明，該鋼圈滿足中國國標要求。

由于彎曲疲勞試驗忽略了不同方向應力的交互作用，因此對于疲勞度的預測由于實際情況會略有差異。通過實測值與理論值的分析發現，其相對誤差為8.5%。因此，彎曲疲勞實驗作為鋼圈螺栓孔疲勞壽命的預測方法具有一定的可行性。

4 總結

綜上所述，螺栓孔作為鋼圈的應力集中部分，其壽命與鋼圈的壽命直接相關。因此，螺栓孔的疲勞度壽命分析對于鋼圈的失效分析具有實用價值。通過實驗發現，螺栓孔在彎矩作用下，其受到的應力主要來自于Mises應力和軸應力。采用史密斯公式預測的壽命值與實測值誤差不大，由此可見，在鋼圈的疲勞度實驗中可以采用彎曲疲勞實驗方法和史密斯公式進行其壽命的分析。

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U463.34

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.028

2095－6835（2019）24－0069－02

孫鵬峰（1981—），男，福建寧化人，本科，中級工程師，主要研究方向為機械工程。

〔編輯：嚴麗琴〕