某輕型卡車車輪輕量化設計分析

周科

摘 要：車輪彎曲載荷有限元仿真計算模型的創建離不開ABAQUS工具的支持。輕量化的分析要通過如某輕型卡車車輪的情況進行展開，這是為了預測卡車車輪疲勞仿真試驗和預測彎曲疲勞壽命。原有的8毫米的380CL材料被6毫米的490CL材料取代是輪輻在仿真分析彎曲疲勞壽命時所進行的內容。為了使本次實驗方案的可行性增加，在使用輕量化車輪的同時，也要使用疲勞合格的以及符合要求的實驗室臺架。并且，下降車輪成本的目的是要將減重設計成功。

關鍵詞：車輪輕量化設計;彎曲疲勞試驗;仿真

1 車輪參數以及試驗方法

在零部件中，輪胎的重量在支撐車方面是最重要的，其作為不可缺少的汽車的一個重要組成部分，介于車橋和輪胎之間的就是車輪，其組件為旋轉式，由輪輻和輪輞兩部分組成。其中裝在橋上的是前者，將用來進行輪胎的安裝作為主要目的的是后者，其將承受與輪胎一樣大的負荷。

2 現有車輪彎曲疲勞試驗的仿真分析

2.1 車輪有限元仿真的建立

M=4733.5Nm是根據車輪相關參數可求得的試驗彎矩;85000N是其螺栓預緊力，按45萬次執行的氣壓標準是最低疲勞循環次數所參照的對象，30萬次為GB/T 5909 的要求次數。

試驗工況的彎曲為了被模擬出來，應建立加載軸與安裝盤模型。將螺栓孔與輪輻連接安裝盤，最后將輪輻加載軸傳遞到安裝盤上。

2.2 模型的簡化

分布存在影響在彎曲載荷作用下應力對螺栓預緊力的實驗：工具ABAQUS是被本仿真所運用到的，車輪仿真模型被建立，密度7.9g/cm3是車輪材料所設置的，2×105Mpa是其輪輻彈性模量的數值，2.11×105MPa是加載盤與螺栓取彈性模量的值，0.3是泊松比均設值。螺栓預緊力進行85000N的施加是通過ABAQUS中的bolt load。

車輪的一階固有頻率在彎曲疲勞試驗時被軸端載荷的旋轉頻率遠遠低于的原因是，作用于加載軸端分析的一系列靜態加載方式將旋轉彎曲載荷時還要進行仿真分析。且工程需要的滿足離不開其誤差產生的很小。由于整個車輪的對稱性（0°和180°有所差別的原因是不完全對稱的輪輻通風口處局部開口位置），將靜態作用力依次施加的選取為90°，范圍為每隔30°進行一次，5個方向的完成結果的計算離不開其作用力周期下車輪受力狀態完整這一原因才會造成。這提供了其疲勞壽命預測的寶貴基礎。

2.3 結果分析

將應力分布對于車輪動態彎曲疲勞的分析后，可以在考慮螺栓預緊力后看出現在螺栓孔附近區域的最大應力是輪輻，但由于應力集中往往存在于螺栓孔處倒角處，且224MPa是除一圈應力集中單元后的應力值，小于材料的許用應力（380CL屈服強度：235MPa），說明鋼圈在靜載條件下是安全的。

2.4 彎曲疲勞結果分析

為了預測進行的車輪彎曲疲勞的壽命，應力值應在不同加載方向被讀取。應力結果代入輪輻材料B380CL的S-N曲線lgN=27.5786-9.5300lgS中可知：當要求疲勞壽命滿足45萬次時的循環應力水平為199.8MPa，191.68MPa是其彎曲疲勞試驗模擬的最大循環應力，彎曲疲勞循環要求故被仿真結果所滿足。

3 輕量化車輪臺架試驗

依據GB/T5909《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》進行實施檢測工作對于實驗室的彎曲疲勞進行測試檢驗有很大準確性的保障，車輪狀態的檢驗在不同受力狀態下也是不同的，30、60、90萬次的受力檢測的分析情況是在疲勞極限范圍內輪胎能夠按照實際要求符合運行的重要保證，達到疲勞極限次數的數據信息的確認是其成為參考的重要保障。最終結果通過實驗得以顯示：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。結論在此可以被我們得出：試驗要求的基本符合是使用輕量化的車輪，并且將結果和仿真分析保持一致。

4 實現輕量化設計的研究分析

對比結果在輪胎性能和降本額度以及進行處理后的優化實現如表所示：

在對性能和降本額度中需要解釋說明的論述和分析中基本的輪輻價格的確定是通過市場行情依據的，高約0.25元/kg的價格是490CL材料比380CL材料的價格差。

6mm是490CL輪輻材料運用時能夠被合理控制的輪輻厚度。在實驗分析中有關疲勞仿真的部分可以得到，要求至少達到45萬次疲勞循環的輪胎才能實現優化處理。只有1.6kg的重量是經過優化處理后相應的零部件所特有的質量，同時3.7元也是大約在每個輪胎上單獨所花費的成本，為了將使用壽命得以延長這一目的所達到必須要實現一些基本要求如：輪胎輕量化和減少成本額度。

5 結束語

車輪動態彎曲疲勞試驗標準是被本文主要使用的試驗標準，分析仿真方法是用來將車輪所確立的，ABAQUS工具也是本文所運用的主要方法，車輪彎曲載荷有限元仿真計算模型在本文也被得以建立，車輪受力狀況在彎曲載荷的作用下的得出離不開本文的仿真實驗是車輪進行彎曲的疲勞實驗。壽命預測在彎曲車道對車輪的檢測中也進行的很成功。原有的8毫米的380CL材料被6毫米的490CL材料取代是輪輻在仿真分析彎曲疲勞壽命時所進行的內容，為了使本次實驗方案的可行性增加，在使用輕量化車輪的同時，也要使用疲勞合格的以及符合要求的實驗室臺架。并且，下降車輪成本的目的是要將減重設計成功。

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