車輪在動(dòng)態(tài)彎曲載荷作用下的應(yīng)力分析

濮一康，王露芬

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

對于汽車行駛系統(tǒng)整體構(gòu)成來講，車輪屬于最重要的一種安全部件，承擔(dān)著汽車的承載轉(zhuǎn)向及驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等多種功能，對汽車運(yùn)行過程中的整體安全性產(chǎn)生嚴(yán)重影響，也影響到駕駛員駕駛過程中的舒適性。而造成車輪失效的主要形式，就是在彎曲載荷作用下所出現(xiàn)的疲勞破壞。因此在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作時(shí)，需要通過安區(qū)載荷作用下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將其應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)預(yù)知，則能夠?yàn)檐囕v結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)提供參考依據(jù)。

1 構(gòu)建仿真模型

1.1 模型構(gòu)建單元類型及車輪材料

建立鋼制車輪的彎曲試驗(yàn)系統(tǒng)，包括成分有加載軸、連接盤、輪輞及輪輻和螺栓。實(shí)體模型的建立要在Solidworks中完成，實(shí)體模型建立結(jié)束之后，將其導(dǎo)入到Abaqus 有限元軟件之中，然后通過四面體單元，對實(shí)體模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格的劃分。該四面體單元擁有二次為一特性，能夠?qū)Σ煌?guī)則形狀的結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬。在模型建立過程中，輪輻及輪輞所使用的材料是BG380CL，其彈性模量是2 萬MPa，泊松比是0.3。

1.2 三種加載方式下的結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化情況

第一，不考慮螺栓載荷的靜態(tài)作用分析。若忽視螺栓預(yù)緊力的存在，將螺栓結(jié)構(gòu)去除，讓輪輻及連接盤之間的約束方式轉(zhuǎn)變成綁定約束。在旋轉(zhuǎn)彎曲載荷和加載的過程中使用靜態(tài)加載方式，在360°范圍內(nèi)施加靜態(tài)作用力，作用力與作用力之間間隔保持在45°。通過對輪輻應(yīng)力分布結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)輪輻安裝面上所存在的應(yīng)力非常小，應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)的集中區(qū)域，在很大程度上是在通風(fēng)孔的內(nèi)外兩側(cè)圓角附近，同時(shí)緩沖管內(nèi)外側(cè)也屬于應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)集中區(qū)域。

第二，不考慮螺栓載荷的動(dòng)態(tài)作用分析。輪輻和連接盤之間的約束方式仍是綁定約束，而旋轉(zhuǎn)彎曲載荷進(jìn)行增加時(shí)，所在部位是加載軸端部垂直加載軸的平面位置。從x以及y兩方向進(jìn)行載荷的施加，兩方向力共同作用下產(chǎn)生的力就是旋轉(zhuǎn)載荷力，用F表示。但實(shí)際測試的過程中，旋轉(zhuǎn)載荷轉(zhuǎn)速設(shè)置為1000 r/min，頻率為104.72 r/s，旋轉(zhuǎn)周期為0.06 s。對于增量步的設(shè)置，在進(jìn)行步中設(shè)置的分析過程中確定為0.001s。若忽視螺栓預(yù)緊力的存在，則車輪處所施加的旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)載荷應(yīng)力，所帶來的應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)變化規(guī)律和余弦曲線具有極高相似度，應(yīng)力最大值為322 MPa，比動(dòng)態(tài)加載方式理論最大值多了20 MPa。

第三，螺栓預(yù)緊力作用下的動(dòng)態(tài)應(yīng)力研究。在不考慮螺栓預(yù)緊力存在的影響情況下進(jìn)行應(yīng)力情況分析，用例進(jìn)行計(jì)算的過程中不會涉及到非線性問題，在計(jì)算過程中效率非常高。但是在實(shí)際情況下，對于車輛來講再進(jìn)行具體的運(yùn)作過程中，需要螺栓對各結(jié)構(gòu)之間進(jìn)行連接，而在試驗(yàn)過程中也同樣如此，需要通過螺栓使輪輻和車輪其他結(jié)構(gòu)進(jìn)行緊密結(jié)合。為了能夠更有效并且更加真實(shí)的對車輪所受到的應(yīng)力變化情況進(jìn)行反饋，需要將螺栓存在的預(yù)見力考慮進(jìn)去，而預(yù)緊力的計(jì)算則按如下公式進(jìn)行。

式中：T1T2所指的是螺紋擰緊后出現(xiàn)的力矩及螺母支撐面所存在的力矩。F所代表的是螺栓預(yù)緊力。d2代表的是螺紋的中直徑。λ 代表的是螺紋自身的升角。ρv代表的是螺紋自身的當(dāng)量摩擦角。f則是接觸臉之間的摩擦因子。dm所指的是螺母支撐面直徑的平均值。指的是螺紋頭數(shù)量，此處數(shù)值為1，p是指螺距。此處β 為30 度。

經(jīng)過計(jì)算所得的螺栓預(yù)緊力數(shù)值為F=25964N.在考慮螺栓載荷產(chǎn)生的影響下，對模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)載荷的施加，仍按照不考慮螺栓載荷所產(chǎn)生影響下的施加方式，發(fā)現(xiàn)在此時(shí)應(yīng)力的最大值變?yōu)?30.89 MPa，同不考慮螺栓預(yù)緊力所產(chǎn)生的影響下，動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)載荷所產(chǎn)生的應(yīng)力增長8 MPa。

2 結(jié) 語

在上述仿真實(shí)驗(yàn)分析中，能夠發(fā)現(xiàn)車輪彎曲疲勞動(dòng)態(tài)旋轉(zhuǎn)載荷加載的方式，所產(chǎn)生的應(yīng)力變化要更加接近實(shí)際，并且和實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)更為接近，尤其是在螺栓預(yù)緊力影響的情況下。相比較于靜態(tài)加載方式以及無螺栓預(yù)緊力影響，其在計(jì)算后所得應(yīng)力變化數(shù)值更加真實(shí)，有利于產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改進(jìn)。