基于數據采集分析對800 MPa高強鋼車輪的設計優化

(上海汽車集團股份有限公司商用車技術中心，上海 200438)

0 前言

近幾年，關于800 MPa以上高強鋼車輪技術已經被歐洲和日本幾大車輪廠率先研發并投入應用，目前國內尚屬空白。國內市場上鋼制車輪材料的抗拉強度基本在300～600 MPa之間，如常見的B500CL、SPFH590、SPFH540、SPFH440、DP600、BR330/580DP、B380CL等車輪材料，這些傳統鋼制車輪材料性能可靠，成本相對低廉，但在輕量化方面很難有重大突破。

針對一款大型SUV開發了17 in(1)為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。鋼制車輪，此款大型SUV的總質量(GVW)將近3 t，車輪承受的輪荷將近900 kg,考慮到此款車輪的負荷太大，如果采用國內市場上常見的車輪材料，車輪將會超重。為了實現車輪輕量化，開發了800 MPa高強度鋼制車輪。800 MPa以上高強度鋼制車輪初步選材為S700MC鋼材，S700MC是上海寶鋼車輪股份有限公司開發的1種特高強度冷成型熱軋鋼板，該鋼種相比傳統鋼種的屈服強度有了大幅度提升，同時也具有非常好的延伸性能、冷彎性能、焊接性能及抗沖擊性能。

高強鋼在疲勞性能方面有了顯著提升，也體現出高強度車輪安全方面的優越性能。強度和疲勞破壞是車輪破壞的主要形式，其中80%以上由疲勞破壞引起，因此車輪的疲勞壽命是車輪最重要的性能指標之一[1]。車輪的結構性能對整車安全性和可靠性有著重要的影響[2]。車輪強度試驗在開發階段主要通過車輪三大強度試驗來保證，即車輪彎曲疲勞試驗、車輪徑向疲勞試驗以及13°沖擊試驗。其中，車輪彎曲疲勞試驗失效概率最大，所以在開發設計階段，重點考慮對車輪彎曲疲勞性能的驗證。由于S700MC高強度鋼的屈強比過高，數值接近1，車輪加工硬化率高，車輪結構更容易發生脆性破壞，成型工藝十分困難。由于前期試驗中徑向疲勞和沖擊試驗合格，但是彎曲疲勞多次失效，為了避免模具反復修改，所以結合了數據采集分析，測出此高強度鋼車輪在重載工況下進行彎曲疲勞臺架試驗的應變水平，對比出車輪結構更改前后的受力情況。

1 800 MPa高強鋼車輪的結構設計

該項目鋼制車輪采用S700MC高強鋼，此種材料的屈服強度和抗拉強度都在800 MPa以上，通過對S700MC材料進行拉伸試驗，得出屈服極限為837 MPa，抗拉強度為838 MPa，伸長率達到20%。在設計初期輪輻的型面結構設計如圖1所示。

圖1 初期輪輻的型面

2 高強鋼車輪彎曲疲勞試驗有限元模型

在項目前期開發階段，為了節省開發周期，有限元分析(FEA)是不可缺少的環節之一，但是FEA分析的精度受到的影響較大，再加上高強鋼的疲勞曲線(S-N)模糊，對高強鋼車輪的FEA分析并不準確。結合數據分析，大幅提高了前期開發的工作效率，節省了試驗時間。按照傳統的開發模式，前期對車輪進行FEA分析，鋼制車輪彎曲試驗圖如圖2所示。圖2中在鋼制車輪內輪緣位置加固定約束，并在桿的端部分X和Y2個方向加負荷。

圖2 鋼制車輪彎曲試驗圖

圖3 有限元模型

該車輪的實體模型在CATIA軟件中建立，采用前處理軟件Hypermesh繪制網格，繪制網格的模型為中性面，網格大小為3 mm，之后將網格模型導入Abaqus進行材料屬性、邊界條件、負荷等的定義及計算。輪輻材料為S700MC，彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3。將輪輻的安裝面、螺孔錐面和應力施加點進行耦合約束，將輪輞輪緣部位進行固定全約束。采用靜態加載方式將負荷作用于加載軸的末端，建成的有限元模型如圖3所示。在彎曲載荷作用下，初期車輪輪輻的應力分布結果如圖4所示，應力的最大受力點位于輪輻應力環內側。

圖4 優化前彎曲載荷作用下的應力分布情況

3 高強鋼車輪數據采集分析

根據FEA分析結果，選擇一些所受應力較大的區域，在高強鋼車輪進行彎曲疲勞強度試驗時，對車輪受力情況進行數據采集分析。試驗條件參照GB/T 5909商用車輛車輪性能要求和試驗方法，在滿載情況下進行彎曲疲勞試驗，通過在輪輻表面粘貼應變片，研究車輪在不同測點下的應變水平。傳感器布置圖如圖5所示。

圖5 傳感器布置圖

4 車輪輪輻的型面優化設計及FEA分析

通過FEA分析，結合數據采集分析情況，發現車輪緩沖環內部和2個螺栓孔中間的安裝盤面所受應力較大，所以針對輪輻型面進行了優化，輪輻外型面從凸面改為凹面，輪輻內型面從3段圓弧改為1段圓弧，優化后的輪輻型面結構設計如圖6所示。

圖6 優化后的輪輻型面

優化后的車輪FEA分析結果顯示，彎曲受力比優化前的模型降低了139 MPa，改善效果明顯。優化后的彎曲疲勞分析見圖7。

圖7 優化后彎曲載荷作用下應力分布

5 車輪數采對比及試驗分析

對初期車輪輪輻采集了16個測點，布置了16個傳感器，通過16個通道采集了不同測點位置的最大應變。數采設備為eDAQ，采樣率為1 000 Hz。

在彎曲疲勞試驗下對鋼制車輪進行數據采集，對比車輪輪輻型面優化前后所測得最大應變情況可知(見表1)，車輪輪輻型面優化后，緩沖環內部13、14、15應變測點的應變減小，有較大的改善，位于2個螺栓孔中間的安裝盤面2、5、8測點應變情況也出現較大改變，總體而言，優化的車輪受力更均勻，最大受力點相對較小。

通過對更改前后車輪進行彎曲疲勞試驗，更改前車輪分析出的最大應力為566.2 MPa，彎曲試驗達40 000多次，更改后車輪分析出的最大應力為427.2 MPa，但是彎曲達到80 000多次,彎曲疲勞壽命提高了將近1倍。

6 結語

針對抗拉強度近800 MPa的特高強冷成型鋼板(S700MC)在鋼車輪上的應用，開展了一系列研究和大量試驗。結果表明，臺架試驗和整車耐久路試情況較好，在項目上應用較為成功。

表1 彎曲疲勞試驗數采分析

通過本文的分析和研究，FEA分析依然存在一定的不確定性，如能結合數據采集分析對可能應力最大處進行數據采集分析，能更為準確地發現車輪最大應力區域，更好地指導車輪的前期開發，縮短開發周期，節省試驗成本。如果將夠結合數采分析所得車輪應力危險點應力對輪輻進行曲面優化，最終得到的車輪疲勞試驗能實現進一步優化，這對車輪的結構改進有一定指導意義。研究過程中發現，工藝對高強度車輪的疲勞性能改善較大，后續將對工藝路徑對高強度鋼的疲勞性能產生的影響進行深入研究。