輕量化無內(nèi)胎輪輞失效分析與改進

袁麗，劉曉敏

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

輕量化無內(nèi)胎輪輞失效分析與改進

袁麗，劉曉敏

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

為解決輕量化無內(nèi)胎輪輞總成失效率高的問題，采用質(zhì)量工具及理化分析方法，找出了影響輪輞總成失效的關(guān)鍵影響因子，提出從設(shè)計方面對輪輞總成進行改進，并通過CAE分析方法對改善前后的輪輞總成結(jié)構(gòu)進行了應(yīng)力應(yīng)變分析及驗證，改進效果佳。

輕量化無內(nèi)胎輪輞總成；有限元分析；徑向疲勞；彎曲疲勞

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-96-02

引言

輕量化車輛的設(shè)計初衷是通過降低車身重量增加貨物運輸量，降低用戶運輸成本來實現(xiàn)用戶利益最大化。隨著國民經(jīng)濟逐漸發(fā)展，商用車輕量化漸成風(fēng)潮，為配合輕量化車型的開發(fā)，輕量化無內(nèi)胎輪輞總成目前已被廣泛采用。近兩年在輕量化車型市場銷量不斷增長的同時，超載現(xiàn)象比較嚴重，與之配套的輕量化車輪也出現(xiàn)了開裂、變形等諸多問題，引起了用戶抱怨。

1、問題概述

2013年度A公司無內(nèi)胎輪輞總成的“三包”數(shù)量總計為1614只，其中輕量化1495只，占到了總損壞量的93%；而非輕量化輪輞損壞量只有119只，僅占7%。由此可見，損壞的無內(nèi)胎車輪絕大多數(shù)是輕量化無內(nèi)胎車輪。經(jīng)統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，隨著車輛運行時間增加，失效率顯著增加，如不改進產(chǎn)品質(zhì)量，索賠金額會繼續(xù)加大。經(jīng)對2013年全年售后市場返回的輪輞總成失效模式進行識別，斷裂失效圖片見圖1，失效模式統(tǒng)計表如表1所示。

從表1可知，斷裂損壞累計比例高達83.2%，超過了80%，按照“關(guān)鍵的少數(shù)”原則，對其實施改進。

表1 輕量化輪輞總成失效模式統(tǒng)計

2、輕量化無內(nèi)胎輪輞總成失效分析[1]及改進措施

經(jīng)對售后舊件進行理化分析發(fā)現(xiàn)，材料成分及強度符合圖紙要求，進一步進行潛在失效模式與后果分析，輪輞總成斷裂損壞的是由于結(jié)構(gòu)不合理，承受沖擊強度不夠，在沖擊載荷的交變作用下發(fā)生疲勞斷裂、損壞。因此，輕量化車輪總成自身承載力差是造成輪輞損壞的主要原因。要降低輪輞總成失效率，只能是從輪輞自身解決，即提高材料強度、降低應(yīng)力集中。車輪失效部位集中在輪輻，因此強度分析主要關(guān)注幅板的力學(xué)性能。

通過分析，選用TQ420低合金鋼作為輪輻材料。這種鋼材由山西太鋼不銹鋼有限公司生產(chǎn)，抗拉強度480～620MPa，屈服強度≥420MPa，斷后伸長率≥21%，機械性能大大優(yōu)于原來的420CL抗拉強度410～520MPa，屈服強度≥290MPa，斷后伸長率≥24%。同時，根據(jù)損壞的車輪狀態(tài)分析，車輪的受力點位于散熱風(fēng)孔向螺栓孔延展方向，60%車輪損壞于該部位。經(jīng)分析認為，將風(fēng)孔自中心線整體下移，將受力點部位加高（風(fēng)孔中心線到輻板外平面），旋壓成型時再適當加厚該受力點厚度，可增強輪輞總成的抗疲勞性。此外，對散熱風(fēng)孔內(nèi)外邊擠壓圓角，可降低此處殘余應(yīng)力，控制散熱孔處開裂導(dǎo)致的輪輞失效。

3、設(shè)計改進并對改進前后輪輞總成進行有限元分析[2]

根據(jù)GB/T 5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》中幅板式車輪的動態(tài)彎曲疲勞試驗的要求，按公式確定彎矩：

其中摩擦系數(shù) μ 取0.7；R 取該車輪配用最大輪胎靜載半徑613mm；偏距 d 根據(jù)圖紙取133.4mm；車輪額定負載Fv 取4500kg；強化試驗系數(shù) S 按最大值取1.6。計算得：M = 40500N?m。

我們對改進前后產(chǎn)品的徑向及彎曲強度進行有限元分析，結(jié)果如下：

（1）對材料及結(jié)構(gòu)改進前后徑向分析結(jié)果表明可見（見圖1、圖2所示），未改風(fēng)孔前徑向疲勞結(jié)果2.61E6轉(zhuǎn)。更改風(fēng)孔后采用新結(jié)構(gòu)后，此處應(yīng)力有很大改善，徑向疲勞可達到3.15E6轉(zhuǎn)，較之老狀態(tài)約提升22%左右。

（2）對材料及結(jié)構(gòu)改進前后彎曲疲勞分析結(jié)果表明可見（見圖3、圖4所示），未改風(fēng)孔前彎曲疲勞結(jié)果3.9E5轉(zhuǎn)，由應(yīng)力云圖可看出，采用新結(jié)構(gòu)后，此處應(yīng)力有很大改善，彎曲疲勞可達到4.71E5轉(zhuǎn)，較之老狀態(tài)約提升18%左右。

4、結(jié)論

對比輪輞總成更改材質(zhì)及結(jié)構(gòu)前后的應(yīng)力云圖可知，車輪輻板局部的強度增加20%左右，可以提高輪輞總成的抗疲勞性，降低損壞率，經(jīng)對改進件進行型式試驗鑒定，產(chǎn)品性能滿足設(shè)計要求。

[1]馬林,何楨.六西格瑪管理[M].第二版.北京：中國人民大學(xué)出版社,2007.

[1]王霄鋒.汽車底盤設(shè)計[M].北京：清華大學(xué)出版社,2010.

Lightweight tubeless rims Failure Analysis and Improvement

Yuan Li, Liu Xiaomin
(Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

To solve the lightweight tubeless rim assembly failure rate issues, the use of quality tools and chemical analysis methods to identify the key influence rim assembly failure factor, made from the design aspects of the rim assembly to improve, with CAE analysis methods for structural improvements to the front and rear rim assembly were stress-strain analysis and verification, improved results were obvious.

lightweight tubeless rim assembly；finite element analysis；radial fatigue；bending fatigue

U463.3

A

1671-7988(2014)10-96-02

袁麗，助理工程師，就職于陜西重型汽車有限公司質(zhì)量管理部，主要從事質(zhì)量技術(shù)工作。