轎車輪轂疲勞壽命試驗(yàn)研究

申富強(qiáng)　石勝文

摘 要：輪轂影響著車輛的形式，是其重要的組成部分。輪轂的疲勞壽命與汽車的安全質(zhì)量有著千絲萬縷的關(guān)系，其擔(dān)負(fù)著汽車的重量，又與外形息息相關(guān)。輪轂對(duì)其性能和外形要求較高，進(jìn)行制作的過程難度很大?，F(xiàn)在的汽車在很多方面追求高速行駛，時(shí)速在不斷提高，高速行駛的汽車最容易發(fā)生損壞的是輪轂，高速行駛中的輪轂疲勞破壞不僅對(duì)轎車本身有嚴(yán)重的影響，更影響著駕乘者安全。

關(guān)鍵詞：轎車輪；疲勞壽命；試驗(yàn)

中圖分類號(hào)：THl33.33；TH87 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-8937（2016）18-0056-02

1 概 述

汽車輪轂長時(shí)間行駛之后會(huì)產(chǎn)生疲勞狀態(tài)，并且在行駛中所發(fā)生的碰撞，都讓其成為工程設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)候所需要考慮的重要因素。疲勞壽命是衡量輪轂質(zhì)量的一個(gè)非常重要的汽車使用的頻率，以及人們對(duì)汽車的要求都讓其壽命試驗(yàn)成為非常重要的產(chǎn)品檢驗(yàn)途徑。疲勞試驗(yàn)的過程需要耗費(fèi)的人力、物力較為嚴(yán)重，并且需要占用很長的時(shí)間，對(duì)于一些復(fù)雜實(shí)驗(yàn)則還需要增加相應(yīng)的支出，并且該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳吧袩o法在試驗(yàn)機(jī)上實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前階段，在輪轂實(shí)驗(yàn)方面所使用的方法主要包括以下幾種，即：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法。有限元法相對(duì)于實(shí)際情況來說，應(yīng)用較為廣泛。

可以說，有限元法的試驗(yàn)已經(jīng)開始呈現(xiàn)出越來越廣泛的取代之勢(shì)，其代替了大量的實(shí)物試驗(yàn)，具有“虛擬實(shí)驗(yàn)”的代表性。并且，依據(jù)相關(guān)資料顯示，一個(gè)產(chǎn)品的應(yīng)用只有在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行有效實(shí)驗(yàn)，大部分問題都可以予以解決。因此，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，計(jì)算方法的應(yīng)用，以及典型的驗(yàn)證性，能夠讓試驗(yàn)的成本呈現(xiàn)出下降的趨勢(shì)，并提高其相應(yīng)的試驗(yàn)效率。

2 輪轂的疲勞壽命研究

輪轂的臺(tái)架試驗(yàn)主要包括疲勞強(qiáng)度的測(cè)試（彎曲疲勞和徑向疲勞試驗(yàn)）和沖擊強(qiáng)度的測(cè)試（沖擊試驗(yàn)）。輪轂是汽車的重要組成部分，其對(duì)于企業(yè)的安全駕駛，平穩(wěn)形式，以及相關(guān)的牽引作用都具有重要影響，與能源消耗，駕駛員的勞動(dòng)強(qiáng)度等等方面關(guān)系密切。輪轂的疲勞壽命已經(jīng)成為研制中最為關(guān)系的問題，也就是說，讓其在使用過程中不會(huì)因?yàn)槠诎l(fā)生破壞。這就需要對(duì)輪轂進(jìn)行使用壽命的預(yù)測(cè)，這也是人們所關(guān)心的重要問題。通過實(shí)驗(yàn)對(duì)輪轂的彎曲疲勞斷裂問題進(jìn)行研究，則需要在應(yīng)力法和局部應(yīng)力方法對(duì)其疲勞壽命進(jìn)行檢測(cè)，從而了解其實(shí)際情況。這些方法的應(yīng)用在計(jì)算準(zhǔn)確性方面并沒有呈現(xiàn)出優(yōu)勢(shì)，也難以真正對(duì)輪轂的實(shí)際使用情況進(jìn)行評(píng)測(cè)，更加難以提供有效數(shù)據(jù)讓開發(fā)人員進(jìn)行研究和使用。因此，針對(duì)輪轂曲疲勞試驗(yàn)的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)應(yīng)運(yùn)而生，此系統(tǒng)所應(yīng)用的基礎(chǔ)便是有限元分析，由該算法分析程序，接口程序，和疲勞壽命估算程序三部分組成，通過有限元分析法結(jié)果，以及名義應(yīng)力法，以及局部應(yīng)力應(yīng)變法相結(jié)合的方式，對(duì)鋼制輪轂彎曲壽命進(jìn)行相應(yīng)的預(yù)測(cè)。其所使用的工具是有限元分析軟件ANSYS，將輪轂的設(shè)計(jì)和使用壽命有效結(jié)合起來，建立相應(yīng)的CAE平臺(tái)，該平臺(tái)比較適合企業(yè)使用。但時(shí)，該系統(tǒng)也有自身的缺陷，那就是因?yàn)橛邢拊W(xué)模型是線性力學(xué)模型，對(duì)于元件之間的關(guān)系還需要進(jìn)一步進(jìn)行考慮，對(duì)于螺栓預(yù)緊力影響方面也呈現(xiàn)出考慮不周的情況。因此，在進(jìn)行法蘭盤及螺栓孔附近的應(yīng)力分布情況計(jì)算的時(shí)候，就會(huì)容易出現(xiàn)所檢測(cè)的數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確的情況。此平臺(tái)的應(yīng)用受到的局限性較大，只能依托于較為可靠的數(shù)據(jù)支撐對(duì)輪轂的彎曲疲勞壽命進(jìn)行檢測(cè)。

3 疲勞和疲勞壽命分析

3.1 疲勞壽命

疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)或機(jī)械直至破壞作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時(shí)間。從其發(fā)展來看，包括二階段疲勞壽命模型，三階段疲勞壽命模型和多疲勞壽命模型。在實(shí)驗(yàn)中，三階段疲勞壽命模型分析的方法應(yīng)用最為廣泛，認(rèn)為疲勞損傷過程由無裂紋、小裂紋和大裂紋三個(gè)階段組成，如圖1所示。

上述裂紋的情況與材料力活應(yīng)變的反應(yīng)關(guān)系密切，是在其反復(fù)作用下發(fā)生的變化，雖然一般情況下，此術(shù)語也應(yīng)用在非金屬材料中。

3.2 影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素

對(duì)于輪轂疲勞壽命的影響因素主要包括以下幾類：①對(duì)于局部會(huì)產(chǎn)生影響的因素，主要包括荷載特性（涉及到應(yīng)力狀態(tài)、殘余應(yīng)力、循環(huán)特性、高載效應(yīng)），零件的幾何形狀（缺口應(yīng)力集中、尺寸大?。┑?；②對(duì)于微觀結(jié)構(gòu)有影響的因素，比如材料種類，對(duì)材料的熱處理（影響材料的延性、缺陷的種類、缺陷分布等）、機(jī)械加工等；③疲勞傷源的影響因素，比如表面粗糙度、腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

3.3 確定疲勞壽命的方法

汽車輪轂疲勞壽命的檢測(cè)方法依據(jù)的是材料的疲勞性能，其需要綜合考慮材料的載荷程度進(jìn)行分析輪轂的使用壽命，并依據(jù)模型對(duì)其疲勞程度進(jìn)行劃定。其主要包括三個(gè)方面：材料疲勞行為的描述；循環(huán)載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；疲勞累積損傷法則，具體如圖2所示。

通過該試驗(yàn)方法，我們可以看出，其目標(biāo)是降低疲勞分析對(duì)數(shù)據(jù)的依賴性，盡量減少試驗(yàn)中經(jīng)驗(yàn)的運(yùn)用。設(shè)計(jì)人員可以通過疲勞壽命的校核對(duì)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。這就需要設(shè)計(jì)人員在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前，首先對(duì)輪轂的疲勞危險(xiǎn)部位進(jìn)行分析，從而對(duì)試驗(yàn)的關(guān)鍵程序或者部位進(jìn)行確定。

4 轎車輪轂疲勞分析

該汽車輪轂疲勞壽命的檢測(cè)設(shè)備的機(jī)械部分主要為主軸，伺服電機(jī)和皮帶輪。伺服電機(jī)實(shí)現(xiàn)多種速度下的檢測(cè)。下面主要是主軸、伺服電機(jī)和皮帶輪各個(gè)零部件的設(shè)計(jì)計(jì)算和選用。

4.1 軸的參數(shù)計(jì)算和軸徑選擇

4.1.1 計(jì)算中所用到的參數(shù)

①pd為電動(dòng)機(jī)輸出功率，5.0 kW；

②ηc為電動(dòng)機(jī)和輸入軸之間皮帶傳動(dòng)的效率，0.95；

③ηr為一對(duì)滾動(dòng)軸承傳動(dòng)的效率，0.99。

4.1.2 軸的功率計(jì)算

4.1.4 初估軸徑

軸徑一般先按許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計(jì)算方法估算， 估算公式為：

由于n4=800 r/min>600 r/min以及n4=1 000 r/min>600 r/min故只要滿足d≥21.84 mm即可，取最小軸徑為滿足要求。

初估直徑d常作為軸的最小直徑，若該軸段由鍵槽，應(yīng)將軸徑增大，并圓整為標(biāo)準(zhǔn)尺寸系列值。

4.2 電動(dòng)機(jī)的選擇

按已知的工作條件和要求，可以選用松下MDMA系列（中慣量）伺服電動(dòng)機(jī)，即可滿足要求。

使用環(huán)境溫度（使用時(shí)）：0～40 ℃；-20～80 ℃（無結(jié)露）濕度（使用時(shí)）85%RH以下（無結(jié)露）耐震：5G以下。

4.3 皮帶輪的選擇

確定設(shè)計(jì)功率Pd·Pd=KA.由于載荷變動(dòng)最小，且為輕載啟動(dòng)故有KA=1.0根據(jù)設(shè)計(jì)要求可以按Pd=4.5 kW計(jì)算。

選擇V帶型號(hào)： 因?yàn)閷?duì)結(jié)構(gòu)尺寸無嚴(yán)格要求，可選用普通V帶即可。

5 結(jié) 語

本文通過對(duì)轎車輪轂疲勞壽命方面的學(xué)習(xí)和研究，設(shè)計(jì)了一套用于轎車輪轂可靠性試驗(yàn)的試驗(yàn)臺(tái)，利用該試驗(yàn)臺(tái)對(duì)公司的轎車輪轂進(jìn)行了一系列的批量可靠性試驗(yàn)。試驗(yàn)結(jié)果表明，此試驗(yàn)臺(tái)能夠滿足試驗(yàn)任務(wù)的技術(shù)要求，為轎車輪轂的質(zhì)量品質(zhì)改善提供試驗(yàn)了保證和依據(jù)，為后續(xù)新產(chǎn)品的研發(fā)提供了很好的試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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