某鋁合金鋼圈螺栓孔的疲勞壽命特征

孫鵬峰

某鋁合金鋼圈螺栓孔的疲勞壽命特征

孫鵬峰

（廈門日上集團(tuán)股份有限公司，福建 廈門 361000）

鋁合金鋼圈作為當(dāng)前輪轂設(shè)計(jì)中主流產(chǎn)品，其疲勞度的實(shí)驗(yàn)對于產(chǎn)品的性能檢測非常重要。螺栓孔作為鋼圈應(yīng)力的集中區(qū)，其疲勞開裂可以用力預(yù)測鋼圈的疲勞壽命。采用彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法，對鋼圈螺栓孔進(jìn)行有限元分析，進(jìn)而用史密斯公式預(yù)測疲勞壽命。通過分析，可以為優(yōu)化鋼圈設(shè)計(jì)和分析預(yù)測鋼圈壽命提供借鑒。

鋼圈；螺栓孔；疲勞壽命；應(yīng)力分析

汽車行駛過程中會受到多重的應(yīng)力作用，鋼圈作為力矩傳導(dǎo)的關(guān)鍵部件，其受力特征十分復(fù)雜，鋼圈承受的力根據(jù)路況的不同而隨機(jī)施加到輪毅上。從載荷類型來看，主要有彎曲載荷和交變扭轉(zhuǎn)載荷，因此極易造成鋼圈疲勞失效。根據(jù)受力特征分析，鋼圈所受載荷會在螺栓孔周圍形成應(yīng)力集中，是導(dǎo)致疲勞開裂的主要誘因。因此，借助有限元分析對鋼圈螺栓孔進(jìn)行復(fù)雜的受力分析，然后采用疲勞度建模分析鋼圈螺栓孔的疲勞程度，以此指導(dǎo)未來產(chǎn)品進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 鋁合金鋼圈疲勞實(shí)驗(yàn)方法選擇

1.1 徑向疲勞實(shí)驗(yàn)

徑向疲勞試驗(yàn)是針對鋼圈的徑向受力進(jìn)行的分析，徑向作用力主要來自輪胎胎壓和外部擠壓力，會對鋼圈的疲勞強(qiáng)度產(chǎn)生影響。因此徑向疲勞度實(shí)驗(yàn)需要給輪胎施加1.2～1.7倍的正常胎壓，然后在實(shí)驗(yàn)臺上通過轉(zhuǎn)鼓施加給鋼圈徑向的力γ，不斷增加徑向載荷，直到鋼圈螺栓孔出現(xiàn)疲勞裂紋。徑向載荷公式如下所示：

（Z）=Z·=γ·（1）

式（1）中：（Z）為垂直于鋼圈半徑的力矩；Z為方向的垂直力；為安裝平面間的偏距。

徑向?qū)嶒?yàn)要求在沒有達(dá)到實(shí)驗(yàn)?zāi)康牡幕A(chǔ)上，鋼圈具有承載不小于50萬次的等量受力能力。但是，通過大量的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在徑向受力實(shí)驗(yàn)中，鋼圈的焊接總是先于螺栓孔開裂，因此，該實(shí)驗(yàn)無法穩(wěn)定地檢測到鋼圈螺栓孔的疲勞強(qiáng)度。

1.2 彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)

彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)是考察鋼圈承受扭矩作用力下的疲勞強(qiáng)度，鋼圈所承受的扭矩主要來源于螺栓的擰緊力矩和彎矩。在彎曲實(shí)驗(yàn)中不需要考慮胎壓對鋼圈的作用，因此實(shí)驗(yàn)中只需要施加螺栓擰緊力矩即可。

實(shí)驗(yàn)過程中需要施加彎矩，彎矩通過液壓缸和加載軸進(jìn)行加載。彎矩大小由以下公式計(jì)算得出：

式（2）中：為加載軸的長度。

彎曲實(shí)驗(yàn)要求在鋼圈極限承受能力下至少可以承載 30 000次的同等載荷。該實(shí)驗(yàn)可以對螺栓的擰緊力矩以及來自側(cè)向的彎矩進(jìn)行考察，通過大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析可知，在該實(shí)驗(yàn)中鋼圈首先在螺栓孔處開裂，其他部位極少會出現(xiàn)裂紋。因此，可以認(rèn)為螺栓孔的疲勞度對于彎矩比較敏感，因此該實(shí)驗(yàn)方法可以用于分析鋼圈螺栓孔的疲勞壽命。

1.3 雙軸疲勞實(shí)驗(yàn)

徑向疲勞實(shí)驗(yàn)和彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)是在雙軸疲勞實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的兩個軸向的受力簡化模型。簡化后的模型不能充分考慮兩個軸向作用力的交互，因此分析的疲勞度精確性還有待提升。另外，兩個實(shí)驗(yàn)采用不同的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，不能在同一個鋼圈上進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，得出的實(shí)驗(yàn)結(jié)論也略有差異，還增加了實(shí)驗(yàn)的成本。德國弗勞恩霍夫在此基礎(chǔ)上提出的全新雙軸疲勞實(shí)驗(yàn)方法，可以有效避免以上弊端。采用的實(shí)驗(yàn)設(shè)備可以同時(shí)施加垂直和側(cè)向力，實(shí)驗(yàn)條件更加接近實(shí)際工況。但是該實(shí)驗(yàn)設(shè)備比較昂貴，且實(shí)驗(yàn)周期較長，因此，沒有得到大規(guī)模應(yīng)用。鑒于此，本文采用彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)分析鋼圈螺栓孔的疲勞壽命。

2 鋁合金鋼圈螺栓孔應(yīng)力特征及壽命分析

2.1 載荷計(jì)算

鋼圈的設(shè)計(jì)中充分考慮了鋼圈的受力強(qiáng)度、重量以及行駛過程中的熱傳導(dǎo)情況，因此采用A35G高性能鋁合金材料設(shè)計(jì)而成。鋁合金材料保證了鋼圈對于受力強(qiáng)度的要求，同時(shí)還可以滿足輕量化的設(shè)計(jì)初衷。同時(shí)，鋼圈上預(yù)留了10個通風(fēng)孔可以有效地進(jìn)行鋼圈散熱，通風(fēng)孔與螺栓孔內(nèi)外交叉排列，中心夾角為18°。

根據(jù)公式（2），可以計(jì)算出彎矩：

=（+）s×=24 873.5 N·m

實(shí)驗(yàn)設(shè)備的加載軸長為0.679 m，因此可以得到軸末端載荷為：

該實(shí)驗(yàn)中的受力分析是基于鋼圈的靜態(tài)分析模型。實(shí)驗(yàn)中鋼圈處于靜止?fàn)顟B(tài)，外力通過旋轉(zhuǎn)彎曲力矩的形式施加給鋼圈?；谝陨嫌?jì)算數(shù)據(jù)可以對螺栓孔的應(yīng)力和疲勞度進(jìn)行進(jìn)一步的分析。

2.2 螺栓孔應(yīng)力分析

實(shí)際運(yùn)行工況下鋼圈是通過螺栓與剎車盤連接的，螺栓通過擰緊力將兩個貼合面按壓在一起。由于螺母和螺栓的受力情況比較復(fù)雜，因此，需要進(jìn)行模型的簡化，在兩個貼合面上設(shè)置應(yīng)變化分析其受力情況。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

圖1 螺栓擰緊力對輪副的作用

根據(jù)鋼圈的受力分析以及大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，螺栓孔附近是應(yīng)力的集中區(qū)，因此，對于螺栓孔的應(yīng)力分析，可以在螺栓孔周圍選取不同的觀測點(diǎn)，進(jìn)行應(yīng)力的提取。

選取應(yīng)力集中區(qū)的可能最大的應(yīng)力受力點(diǎn)進(jìn)行取樣，施加25 kN·m＞=24.873 525 kN·m的彎矩。然后建立模型，取輪輻表面為～平面，螺栓孔垂直方向?yàn)檩S。

通過圖1可知，在上述實(shí)驗(yàn)條件下，從8個不同的方向施加周期性的載荷，螺栓孔受到的應(yīng)力主要來自于Mises應(yīng)力和軸應(yīng)力，其軸和軸應(yīng)力較小，且二者趨于一致；另外，輪輻應(yīng)力的最大方向?yàn)榈谝惠d荷方向，因此，在螺栓孔的疲勞度實(shí)驗(yàn)中要以該方向的應(yīng)力作為極限承受點(diǎn)。

2.3 疲勞壽命預(yù)測

鋼圈在實(shí)際工況下，決定其壽命的往往是來自于局部的應(yīng)變力集中點(diǎn)，該點(diǎn)的疲勞度即為整個鋼圈的疲勞度。因此在鋼圈的疲勞度壽命分析中采用局部應(yīng)力應(yīng)變法，通過史密斯公式進(jìn)行其壽命的計(jì)算。2個采樣點(diǎn)在最大應(yīng)力方向的疲勞度壽命如表1所示。

表1 疲勞壽命計(jì)算結(jié)果

序號采樣點(diǎn)1采樣點(diǎn)2 Mises應(yīng)力4.36E+054.78E+05 X軸應(yīng)力2.15E+062.68E+06 Y軸應(yīng)力9.45E+091.03E+07 Z軸應(yīng)力2.14E+075.02E+07

從表1可以看出，在四個方向應(yīng)力的壽命疲勞度分析中，其壽命的疲勞度從小到大依次為：Mises應(yīng)力、軸應(yīng)力、（軸應(yīng)力/軸應(yīng)力）。

由此可見，影響鋼圈螺栓孔疲勞度壽命的主要因素是Mises應(yīng)力，其次是軸應(yīng)力。軸應(yīng)力和軸應(yīng)力對于鋼圈螺栓孔的疲勞度壽命影響最小。另外，從兩個采樣點(diǎn)的疲勞度壽命來看，不同方向的疲勞度壽命相差不大，因此，也可以反映出該實(shí)驗(yàn)鋼圈實(shí)際的合理性。

3 疲勞實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

通過上述分析可知，考察鋼圈的螺栓孔疲勞度壽命，中國普遍采用彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)。通過計(jì)算鋼圈所能承受的最大彎矩為24 873.5 N·m，因此實(shí)驗(yàn)彎矩取25 kN，當(dāng)周期性施加載荷時(shí)，在401 833次螺栓孔處發(fā)生開裂現(xiàn)象?？梢哉J(rèn)為該鋼圈螺栓孔的疲勞壽命為401 833次。中國國標(biāo)中對于鋼圈的使用壽命規(guī)定為，最大載荷下極限承受次數(shù)不低于 30 000次。由此可以說明，該鋼圈滿足中國國標(biāo)要求。

由于彎曲疲勞試驗(yàn)忽略了不同方向應(yīng)力的交互作用，因此對于疲勞度的預(yù)測由于實(shí)際情況會略有差異。通過實(shí)測值與理論值的分析發(fā)現(xiàn)，其相對誤差為8.5%。因此，彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)作為鋼圈螺栓孔疲勞壽命的預(yù)測方法具有一定的可行性。

4 總結(jié)

綜上所述，螺栓孔作為鋼圈的應(yīng)力集中部分，其壽命與鋼圈的壽命直接相關(guān)。因此，螺栓孔的疲勞度壽命分析對于鋼圈的失效分析具有實(shí)用價(jià)值。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，螺栓孔在彎矩作用下，其受到的應(yīng)力主要來自于Mises應(yīng)力和軸應(yīng)力。采用史密斯公式預(yù)測的壽命值與實(shí)測值誤差不大，由此可見，在鋼圈的疲勞度實(shí)驗(yàn)中可以采用彎曲疲勞實(shí)驗(yàn)方法和史密斯公式進(jìn)行其壽命的分析。

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U463.34

A

10.15913/j.cnki.kjycx.2019.24.028

2095－6835（2019）24－0069－02

孫鵬峰（1981—），男，福建寧化人，本科，中級工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械工程。

〔編輯：嚴(yán)麗琴〕