某輕型卡車車輪輕量化設(shè)計(jì)分析

梁宏舉

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某輕型卡車車輪輕量化設(shè)計(jì)分析

梁宏舉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕型商用車營銷公司帥鈴營銷公司，安徽 合肥 230601）

通過利用ABAQUS工具，創(chuàng)建了車輪彎曲載荷有限元仿真計(jì)算模型，針對(duì)卡車車輪展開疲勞仿真試驗(yàn)和彎曲疲勞壽命預(yù)測(cè)，以某輕型卡車車輪為例，展開輕量化分析；在輪輻利用6毫米的490CL材料來取代原有的8毫米的380CL材料，對(duì)彎曲疲勞壽命做仿真分析，滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，實(shí)驗(yàn)室臺(tái)架疲勞合格，車輪輕量化分析方案可行，發(fā)現(xiàn)車輪輕量化設(shè)計(jì)減重成功的同時(shí)，也使車輪成本有所下降。

車輪輕量化設(shè)計(jì)；彎曲疲勞試驗(yàn)；仿真

引言

當(dāng)前，對(duì)整車性能進(jìn)行考核的一個(gè)非常重要的指標(biāo)就是汽車燃油經(jīng)濟(jì)性。燃料降低一方面能夠有效節(jié)約能源，另一方面能夠有效降低尾氣排放量，實(shí)現(xiàn)環(huán)保。當(dāng)前階段，使整車燃耗降低的非常有效的方式包括對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能加以改善，使燃料效率能夠提高；提升汽車空氣動(dòng)力學(xué)性能，使?jié)L動(dòng)阻力下降；使動(dòng)力轉(zhuǎn)動(dòng)效率提高，從而降低功耗；對(duì)整車做輕量化設(shè)計(jì)，使汽車自重降低。而在所有方式中，更為有效實(shí)現(xiàn)降低燃耗的方式就是輕量化設(shè)計(jì)。

輕量化設(shè)計(jì)基本思想就是立足于不降低性能以及質(zhì)量的基礎(chǔ)上，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)用新材料以及新工藝，與此同時(shí)還有考慮性能、質(zhì)量和成本三方面，從而讓經(jīng)濟(jì)效益得到最大化發(fā)揮。

汽車車輪是高速旋轉(zhuǎn)的非簧載質(zhì)量，后雙胎車型一共有7件車輪，在質(zhì)量方面比較大一些，對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)能夠有效實(shí)現(xiàn)整車輕量化設(shè)計(jì)。本文以某輕型卡車車輪鋼圈總成為例，通過利用高強(qiáng)度材料，運(yùn)用CAE仿真分析手段，針對(duì)車輪鋼圈總成展開輕量化設(shè)計(jì)以及分析。

1 車輪參數(shù)以及試驗(yàn)方法

作為支撐車重以及輪胎重量的關(guān)鍵零部件，車輪對(duì)于車輛來說是不可或缺的一個(gè)部位。車輪介于車橋和輪胎之間，為一個(gè)旋轉(zhuǎn)組件，由兩部分構(gòu)成，分別是輪輻和輪輞，前者主要是裝在橋上，而后者主要是用來進(jìn)行輪胎的安裝，和輪胎一起承受載荷，并散發(fā)輪胎在高速行駛時(shí)形成的熱量和保證車輪擁有適宜的斷面寬度以及橫向剛度[1]。

1.1 車輪參數(shù)

某輕型卡車車輪主要有擋圈、輪輻、輪輞三部分構(gòu)成，輪輞型號(hào)為5.50F-16，材料是YB/T5227；擋圈材料是YB/T 039；輪輻材料是YB/T 4151，一共有六個(gè)通風(fēng)孔，基本參數(shù)情況如下表所示：

表1 車輪基本參數(shù)

1.2 車輪試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)

GB/T 5909中對(duì)商用車車輪疲勞試驗(yàn)性能要求以及試驗(yàn)方法做出了規(guī)定，具體如下：

（1）動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)，其主要對(duì)輪輻疲勞強(qiáng)度進(jìn)行考核；

（2）動(dòng)態(tài)徑向疲勞試驗(yàn)，其主要對(duì)輪輞疲勞強(qiáng)度進(jìn)行考核[2]。

無論是車輪在實(shí)際使用中，還是在臺(tái)架試驗(yàn)中，針對(duì)5.50 F-16 型車輪來說，主要表現(xiàn)出來的失效形式還是動(dòng)態(tài)彎曲疲勞所引起的輻板損壞。因此，本次在分析中主要針對(duì)彎曲疲勞試驗(yàn)展開，在此方面構(gòu)建了有限元仿真模型，并以此為基礎(chǔ)來展開疲勞壽命預(yù)測(cè)，從而給后續(xù)優(yōu)化奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)[3]。

1.3 車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)

讓車輪承載一個(gè)旋轉(zhuǎn)彎矩，從而模擬車輪在行駛過程中所受到的彎矩載荷，這種測(cè)試方法被叫做動(dòng)態(tài)彎矩疲勞試驗(yàn)，試驗(yàn)加載方式如下圖所示：

圖1 動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)-90°加載法

標(biāo)準(zhǔn)要求為車輪在做試驗(yàn)彎矩以后雖然受到一定疲勞循環(huán)，但其上沒有產(chǎn)生裂紋，彎矩以及載荷通過公式（2-1）來進(jìn)行確定：

公式（1）中M是彎矩，單位為Nm；是輪胎與道路間的摩擦系數(shù)，假定為0.7；R是靜負(fù)荷半徑，單位為m；d是車輪偏距，單位為m，內(nèi)偏距為正；Fv是最大限定載荷，單位為N；S是強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)[4]。

2 當(dāng)前車輪彎曲疲勞試驗(yàn)的仿真分析

2.1 建立車輪有限元仿真

結(jié)合車輪有關(guān)參數(shù)能夠得到試驗(yàn)彎矩為4733.5Nm以及螺栓預(yù)緊力是85000N，根據(jù)氣壓標(biāo)準(zhǔn)，確定最低疲勞循環(huán)次數(shù)為45萬次，而GB/T 5909 要求次數(shù)是30萬次。

2.2 簡(jiǎn)化模型

螺栓預(yù)緊力會(huì)影響到車輪受到彎曲載荷作用力所形成的應(yīng)力分布情況，本次仿真通過ABAQUS工具，創(chuàng)建車輪仿真模型，該模型考慮到了螺栓預(yù)緊力影響。本次仿真中所設(shè)置的車輪材料密度是7.9g/cm3，加載盤和螺栓取彈性模量為2.11×105MPa，輪輻模型彈量為2×105MPa，泊松比都設(shè)定為0.3螺栓預(yù)緊力利用ABAQUS中的bolt load所施加的力為85000N[5]。

進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)的過程中，軸端載荷在旋轉(zhuǎn)頻率上要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于一階固有頻率，所以仿真分析過程中把旋轉(zhuǎn)完全載荷進(jìn)行轉(zhuǎn)換，變成一系列靜態(tài)加載方式在加載軸端進(jìn)行作用分析，這樣所取得的結(jié)果在誤差上會(huì)比較小一些，能夠符合工程標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)檐囕唽?duì)稱性，選取90范圍之內(nèi)每間隔30度陸續(xù)施加靜態(tài)作用力，最后在一個(gè)完整周期下車輪受力計(jì)算分為五個(gè)方向完成。這樣就能夠得到彎曲載荷作用下一個(gè)完整的作用周期下-所有危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力變化規(guī)律[6]。

2.3 結(jié)果分析

車輪動(dòng)態(tài)彎曲疲勞試驗(yàn)后應(yīng)力分布情況如下圖所示：

圖2 輪輻應(yīng)力分布圖

由圖2可知，在考慮到螺栓預(yù)緊力之后，輪輻最大應(yīng)力主要集中在螺栓孔附近，然而因?yàn)槁菟椎菇翘帒?yīng)力過于集中，刨除一圈應(yīng)力集中單元以后，所得到的應(yīng)力值是224MPa，這和材料許用應(yīng)力235MPa相比要小，所以鋼圈在該狀態(tài)下為安全的[7]。

2.4 彎曲疲勞結(jié)果分析

表2 不同加載方向下各危險(xiǎn)點(diǎn)處應(yīng)力值

為做車輪彎曲疲勞壽命預(yù)測(cè)，讀取到的不同加載方向下輪輻應(yīng)力值如表2所示：

由表格可知疲勞壽命滿足45萬次的時(shí)候循環(huán)應(yīng)力水平是199.8MPa，而試驗(yàn)所得最大循環(huán)應(yīng)力為 191.68 MPa，所以本次仿真結(jié)果能夠符合彎曲疲勞循環(huán)要求。

3 基于彎曲疲勞仿真試驗(yàn)的車輪輕量化分析

目前運(yùn)用的輪輻材料規(guī)格為380CL，厚度是8mm，在對(duì)于輪輻材料價(jià)格、性能進(jìn)行考慮的基礎(chǔ)上，在輪輻選取方面使用高強(qiáng)度材料490CL車輪專用鋼，降低輪輻的厚度至6mm。對(duì)于輪輻材料的試驗(yàn)的對(duì)比分析結(jié)果如表3所示。

表3 材料 380CL以及490CL性能對(duì)比表

通過類似的方式方法，對(duì)于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化處理的輪胎分析疲勞模擬分析，主要的試驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4 不同加載方向時(shí)危險(xiǎn)點(diǎn)處的應(yīng)力值（490CL）

在沒有490CL材料的 S-N 曲線的基本情況下，通過相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)公式，依據(jù)極限抗拉強(qiáng)度(Su)和疲勞極限 Se（即1×10６次循環(huán)時(shí)的應(yīng)力幅S），對(duì)于疲勞強(qiáng)度的折減系數(shù) Kf=1.5進(jìn)行充分的考慮，修正和完善曲線，最終得到490CL材料的 S-N 曲線為:lg N=27.16-9.09lgS。實(shí)現(xiàn)優(yōu)化前后的相應(yīng)材料S-N 曲線對(duì)比如圖9，依據(jù)GB/T5909《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》，對(duì)于輪胎循環(huán)的最低次數(shù)按照45萬次進(jìn)行計(jì)量，得出等效循環(huán)應(yīng)力的比對(duì)分析如表5所示[8]。

表5 優(yōu)化前后材料許用循環(huán)應(yīng)力對(duì)比

通過表4能夠分析得出，輪輻產(chǎn)生危險(xiǎn)為位置的等效循環(huán)應(yīng)力最高可至231.47MPa，通過490CL 的S-N曲線走向能夠得出相應(yīng)結(jié)論，等效循環(huán)應(yīng)力水平在循環(huán)次數(shù)為45萬次時(shí)是232.3 MPa，砸達(dá)到45萬疲勞循環(huán)的次數(shù)要求時(shí)，疲勞壽命為46.4萬次。注：運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)公式得到的490CL材料的S-N 曲線只是理論上的數(shù)據(jù)信息，實(shí)際過程中的材料曲線和檢驗(yàn)的數(shù)據(jù)可能會(huì)存在一定的差異性，對(duì)于疲勞壽命要進(jìn)行精準(zhǔn)化的預(yù)測(cè)和分析應(yīng)該通過不斷的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)信息進(jìn)行完善，獲得準(zhǔn)確真實(shí)的檢測(cè)數(shù)據(jù)。

4 輕量化車輪臺(tái)架試驗(yàn)

為了對(duì)于實(shí)驗(yàn)室的彎曲疲勞進(jìn)行測(cè)試檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 5909《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》實(shí)施了檢測(cè)工作，對(duì)于車輪狀態(tài)進(jìn)行了不同受力下的檢驗(yàn)，來分析情況，檢驗(yàn)的受力分別是30、60、90 萬次，保證輪胎能夠符合運(yùn)行的實(shí)際要求并控制在疲勞極限的范圍內(nèi)，對(duì)于達(dá)到疲勞極限的次數(shù)進(jìn)行確定，成為參考的數(shù)據(jù)信息。通過試驗(yàn)的最終結(jié)果顯示：進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)的過程中60萬次相應(yīng)的數(shù)據(jù)信息和車輪狀態(tài)顯示良好；但受力達(dá)到90萬次就會(huì)有裂紋產(chǎn)生。我們就可以得出結(jié)論：輕量化車輪的試驗(yàn)基本符合要求，并且和仿真分析的結(jié)果保持一致性[9]。

5 實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的研究分析

對(duì)于輪胎性能和降本額度實(shí)現(xiàn)優(yōu)化處理后的對(duì)比結(jié)果如表6所示：

表6 優(yōu)化處理對(duì)比結(jié)果

需要進(jìn)行解釋說明的是：在性能和降本額度的論述和分析當(dāng)中，依據(jù)市場(chǎng)定價(jià)確定了基本的輪輻價(jià)格，490CL 材料比 380CL 材料價(jià)格高約 0.25 元/kg。運(yùn)用490CL 輪輻材料，能夠合理的控制輪輻厚度到6mm。經(jīng)過疲勞仿真的實(shí)驗(yàn)分析，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化處理后的輪胎能夠至少達(dá)到45萬次疲勞循環(huán)要求。經(jīng)過優(yōu)化處理后相應(yīng)零部件的重量只有1.6kg，在單獨(dú)的輪胎運(yùn)用成本上每個(gè)大概花費(fèi)3.7 元，實(shí)現(xiàn)了輪胎輕量化和減少成本額度的基本需求，能夠在一定程度上延長輪胎的使用壽命。

6 結(jié)束語

本篇文章對(duì)于車輪的分析仿真的方式方法進(jìn)行了確立，主要根據(jù)車輪的動(dòng)態(tài)彎曲的疲勞檢驗(yàn)測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行確定，通過對(duì)于ABAQUS工具的實(shí)際應(yīng)用，建立了車輪彎曲的負(fù)荷仿真計(jì)算模型，更好的對(duì)車輪的疲勞度進(jìn)行基本的計(jì)算和檢驗(yàn)。通過相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和信息得出了受到彎曲負(fù)荷影響下的車輪的受力情況，通過得到的檢驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果預(yù)測(cè)車輪疲勞使用壽命；目前運(yùn)用輪輻6mm的490CL材料，對(duì)于原先使用的材料和模型進(jìn)行了改進(jìn)處理，滿足預(yù)測(cè)疲勞壽命的一系列標(biāo)準(zhǔn)化要求。為了實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)的要求，使車輛的油耗能夠得到控制，對(duì)于輕型卡車輪胎的輕量化運(yùn)行方案要分析可行性，保證實(shí)驗(yàn)室的臺(tái)架疲勞合格。通過相應(yīng)的方式，使車輪運(yùn)行使用的成本有效降低，達(dá)到經(jīng)濟(jì)效益最大化的基本目的[10]。

[1] 張帥.車輪疲勞—沖擊—?dú)鈩?dòng)性能多學(xué)科輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法研究[D].吉林大學(xué),2018.

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[4] 趙來杰.電動(dòng)汽車同軸一體化電驅(qū)動(dòng)橋有限元分析及輕量化設(shè)計(jì)[D].重慶大學(xué),2017.

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[9] 墨海波.基于ANSYS Workbench的FSAE賽車輪芯輕量化設(shè)計(jì)[J].河北農(nóng)機(jī),2016(01):55-56.

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Analysis of Light Weight Design of Wheel of a Light Truck

Liang Hongju

（Anhui Jianghuai Automobile Group Co., Ltd., Light Commercial Vehicle Marketing Company, Shuailing marketing company, Anhui Hefei 230601）

Based on ABAQUS tool, a finite element simulation model for wheel bending load was established. The fatigue simulation test and fatigue life prediction were carried out for truck wheels. In the spokes use 6 mm 490CL material to replace the original 8 mm 380CL material, simulation analysis of bending fatigue life is done, meet the standard requirements, the laboratory platform fatigue is qualified, the wheel lightweight analysis scheme is feasible, and it is found that the wheel lightweight design is successful. At the same time, It also reduced the cost of the wheel.

wheel lightweight design; Bending fatigue test; simulation

A

1671-7988(2018)24-192-04

U462

A

1671-7988(2018)24-192-04

U462

梁宏舉，就職于安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司輕型商用車營銷公司帥鈴營銷公司。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.069