一種鋼車輪輻底高耐久性設計方法研究

袁飛 王賢付 劉旭

摘? 要：輪輻由輻底非回轉體和輻底之外的回轉體結構兩部分組成，它們共同決定了輪輻的疲勞強度和剛度，本文主要研究一種鋼車輪輻底高耐久性設計方法，利用HS高壓感壓紙對輻底進行安裝面拓印試驗，然后以試驗結果為參考依據，通過對輪輻5段外安裝面采用軸向擺角度、周向帶高度差設計;螺栓孔凸包、尾筋與輪輻外安裝面呈斷開設計，以此來提升輻底疲勞強度和剛度，使試驗失效點避開輻底，后續通過對樣件進行試驗驗證，證明了該設計方法的可靠性。本文以東風本田2WB項目為研究對象，結果表明：采用該設計方法后，失效位置從輻底轉變為輻頂區域，疲勞壽命從26.5萬次提升至76萬次，通過了整車性能試驗評價，獲得了項目定點開發資格，研究結果可以為其它同類產品設計提供參考。

關鍵詞：輻底;安裝面;拓印;高耐久性

中圖分類號：U465? ? 文獻標識碼：A? ? 文章編號：1005-2550（2020）03-0036-05

Abstract： The spokes are composed of non-rotating body at the bottom of the spoke and the structure of the rotating body other than the bottom of the spoke. They jointly determine the fatigue strength and stiffness of the spokes. Press the paper to carry out the mounting surface extension test on the bottom of the spoke， and then use the test results as the reference basis， by using the axial swing angle and the circumferential height difference design for the 5 sections of the outer mounting surface of the spoke; the bolt hole convex hull， the tail rib and the spoke The outer mounting surface is designed to be disconnected to improve the fatigue strength and stiffness of the spoke bottom， so that the test failure point avoids the spoke bottom. Subsequent test verification on the sample proves the reliability of the design method. This paper takes the Dongfeng Honda 2wb project as the research object. The results show that after adopting this design method， the failure position is changed from the spoke bottom to the spoke top area， and the fatigue life is increased from 231，000 times to 760，000 times. It has passed the vehicle performance test evaluation. Obtained the project's designated development qualification， and the research results can provide a reference for the design of other similar products.

1? ? 前言

隨著人們生活水平的不斷提高，汽車使用量越來越多，同時人們對汽車安全性能要求也越來越高，而整車的安全性主要體現在關鍵零部件上，零部件的性能水平已成為企業技術和汽車安全水平的重要衡量標志之一。

車輪是汽車的重要零部件，其疲勞壽命和剛性直接影響整車安全性，鋼車輪主要由輪輻和輪輞2部分進行裝配焊接組成，在前期進行產品設計時，CAE工程師主要針對輪輻結構進行優化設計，而輪輻由輻底非回轉體和輻底之外的回轉體結構兩部分組成，它們共同決定輪輻整體的疲勞強度和剛度，而市場上現有的鋼車輪輪輻輻底基本上就3-5種固有的結構形式，產品開發人員在進行產品設計時，輻底一般會直接采用其中的某種形式，在做結構優化設計時只針對回轉體部分進行參數優化，找出最優的回轉結構曲線來提升車輪的疲勞壽命，但對于這幾種常見輻底結構形式來說，雖然輻底之外回轉體部分的耐久性大大提升了，但輻底非回轉體部分可能因耐久性不夠而先發生失效，導致輻底會成為整個車輪疲勞壽命提升的瓶頸，即使回轉體部分結構再優，對提升車輪疲勞壽命意義也不大。如何設計一種高耐久性輪輻輻底結構，讓失效點避開輪輻輻底是設計工程師一直關注的技術難點。

本文以輪輻安裝面為突破點，通過安裝面拓印試驗，找出輻底安裝面疲勞失效可能存在的原因，然后通過對輪輻輻底進行工藝研究、設計改進、樣件試制和試驗驗證，總結出一種輪輻輻底高耐久性設計方法并驗證了其可靠性，該設計方法突破了傳統輪輻輻底設計模式，讓輻底耐久性大大提升，對提升車輪的疲勞壽命提供了很大的幫助，滿足了客戶對產品苛刻的要求。

2? ? 研究對象

本文以東風本田2WB項目為研究對象，該項目是我司為東風本田開發的首款鋼行駛輪項目，前期CAE工程師對輪輻回轉體結構曲線進行了優化設計，但因輻底始終提前失效，導致疲勞壽命無法提升，在東風本田首次性能對比試驗中，疲勞壽命低于BASE件59.3%而被判NG，具體如表1所示：

2.1? ?研究思路

①通過對輪輻輻底采用HS高壓感壓紙進行安裝面拓印試驗，如圖1所示，探究輪輻螺栓在扭矩108N.m的作用下，車輪安裝面應與制動盤安裝面是否緊密貼合，隨機選取2件試制樣件進行試驗。

②研究彎曲加載力傳遞到外安裝面的方式。

2.2? ?失效分析

根據圖3拓印試驗結果可知，每段外安裝面與安裝盤貼合較差，中間幾乎未接觸。但理論上，輪輻在螺栓預緊力的作用下，外安裝面在整個彎曲試驗過程中都會與安裝盤緊密貼合，安裝面始終受到壓應力的作用而不會發生疲勞失效，如果每段安裝面兩邊接觸，中間部分未接觸，未接觸部分會因受到拉壓交替應力而發生疲勞失效;另一方面，彎曲加載力是通過螺栓凸包向周圍進行傳遞的，目前，國內外輪輻螺栓凸包與外安裝面都是采用圓角過渡連接，加載力很容易傳到外安裝面，如果安裝面接觸不充分，很容易發生疲勞失效。

3? ? 輪輻輻底高耐久性設計

通過輻底失效分析確定設計思路，以螺栓凸包和外安裝面的連接方式及外安裝面與制動盤的貼合度兩方面為突破口，對2WB輪輻輻底進行設計突破，同時進行成形工藝性研究，確保工藝可行性，具體設計方法如下：

3.1? ?輻底主體部分設計

輪輻輻底主體部分由a、b、c三段環形平面組成，平面寬度分別為4mm，29mm，4mm，相鄰平面之間由圓角過渡變為采用直角階梯過渡，且3段平面相互之間存在一個高度差，a與b高度差為0.6mm，c與b高度差為0.4mm，如圖4所示：

3.2? ?螺栓孔尾筋、凸包設計

一般螺栓孔尾筋、螺栓凸包都是以外環形面a為設計基準，通過圓角過渡，這樣設計兩者都會與外安裝面直接相連，力很容易傳遞到外安裝面，導致外安裝面容易發生疲勞失效，現通過以a環形平面為基準，在上面開5個相同且沿周向均勻分布的矩形凹槽，每個矩形凹槽底面d與外環形面a之間高度差為0.5mm，槽寬為25mm，開槽后環形平面a由一整圈變成5段，然后以凹槽底面d為基準進行螺栓孔尾筋和螺栓凸包設計，尾筋寬度為20mm，尾筋最低處與矩形槽底面d之間高度差為0.5mm，和尾筋相連的5個螺栓孔凸包與外環形面a呈斷開設計，且凸包圓角不能與外環形面a相連，如圖5所示：

3.3? ?內安裝面與獨立筋設計

內安裝面呈分段式設計，以環形平面c為設計基準，在上面設計5個沿軸向均勻分布的扇形凹槽，凹槽深度為0.4mm，凹槽底面與環形平面b共面，扇形凹槽夾角為42-45°，開槽后環形面c由一整圈變成5段;然后再以環形平面b為基準，在上面設計5個沿周向均勻分布的獨立筋，獨立筋與內、外安裝面不能相連，位置盡可能處在螺栓孔分布圓附近，獨立筋高度控制在5-7mm，如圖6所示：

3.4? ?外安裝面設計

為克服外安裝面在螺栓預緊力的作用下因發生變形而導致與安裝盤不能完全接觸的情況，項目組通過反復的工藝研究和試驗驗證，總結出了一種工藝創新設計方法，在滿足工藝可行的條件下，對輪輻成形模、翻邊模的外安裝面通過軸向擺角度、周向帶高度差進行設計，將現有的5段外環形平面a向下擺角度1-1.5°，如圖7所示，通過工藝調整和設計改進來彌補輪輻成形過程中所產生的不足。

然后通過以每段外安裝面中間為基準，左右兩邊分別向下擺一個高度差，每段高度差均為Δh=h1-h2=（0.1-0.2）mm，如圖8所示。通過對外安裝面同時采用軸向擺角度和周向帶高度差設計，保證外安裝面在施加螺栓預緊力后完全貼在加載盤上。

4? ? 設計方法驗證

通過采用HS高壓感壓紙對2WB輻底改進后的樣件進行了安裝面拓印試驗、彎曲疲勞試驗及橫、動剛度對比試驗，通過以上幾個方面的試驗結果來驗證該設計方法的可靠性。

4.1? ?安裝面拓印試驗及結果

對改進后的樣件進行安裝面拓印試驗，試驗結果可知，采用上述設計方法后，輪輻安裝面拓印明顯優于改進前2WB件和BASE件，拓印效果非常理想，安裝面與安裝盤接觸完全，達到了預期效果。對比結果如圖9所示：

4.2? ?彎曲疲勞試驗及結果

采用本文設計方法改進后，2WB樣件彎曲疲勞壽命從改進前的26.5萬次提升至76萬次，失效部位避開了輻底區域，從外安裝面變為輻頂區域。同時，彎曲疲勞壽命相比BASE件也提升了16.4%，如圖11所示：

4.3? ?橫剛度試驗及結果

橫剛度指標不僅影響影響整車操控性，也是影響車輪疲勞壽命的一個關鍵因素，通過對改進前后2WB件及BASE件進行橫剛度對比試驗，改進后的2WB件相比改進前剛度有明顯的提升，而且優于BASE件水平，對比結果如圖12所示：

4.4? ?動剛度試驗及結果

對改進前后2WB件及BASE件進行動剛度對比試驗，改進后的2WB件相比改進前提升了15.1%，且優于BASE件6.1%，對比結果如表2所示：

5? ? 結論

本文主要研究一種鋼車輪輪輻輻底高耐久性設計方法，以東風本田2WB項目為研究對象，通過利用HS高壓感壓紙對輻底進行安裝面拓印試驗，然后以試驗結果為參考依據，通過對輪輻外安裝面采用軸向擺角度、周向帶高度差設計;螺栓孔凸包、尾筋與輪輻外安裝面呈斷開設計，以此來提升輻底疲勞強度和剛度，使失效點避開輻底，具體結論如下：

（1）該設計方法能明顯提升輻底耐久性，使失效部位避開輻底;

（2）該設計方法能明顯提升車輪整體橫、動剛度，從而提升整車操控性;

（2）該設計方法突破了傳統輻底設計方法局限性，采用多階梯分段分層式設計，目前在國內同行業屬于首創;

（4）為后續輕量化、操控性要求嚴格的中高端產品開發提供了很大的技術支撐，具有較大的參考價值。

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