基于數(shù)據(jù)采集分析對(duì)800 MPa高強(qiáng)鋼車輪的設(shè)計(jì)優(yōu)化

(上海汽車集團(tuán)股份有限公司商用車技術(shù)中心，上海 200438)

0 前言

近幾年，關(guān)于800 MPa以上高強(qiáng)鋼車輪技術(shù)已經(jīng)被歐洲和日本幾大車輪廠率先研發(fā)并投入應(yīng)用，目前國(guó)內(nèi)尚屬空白。國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上鋼制車輪材料的抗拉強(qiáng)度基本在300～600 MPa之間，如常見(jiàn)的B500CL、SPFH590、SPFH540、SPFH440、DP600、BR330/580DP、B380CL等車輪材料，這些傳統(tǒng)鋼制車輪材料性能可靠，成本相對(duì)低廉，但在輕量化方面很難有重大突破。

針對(duì)一款大型SUV開(kāi)發(fā)了17 in(1)為了符合原著本意，本文仍沿用原著中的非法定單位——編注。鋼制車輪，此款大型SUV的總質(zhì)量(GVW)將近3 t，車輪承受的輪荷將近900 kg,考慮到此款車輪的負(fù)荷太大，如果采用國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上常見(jiàn)的車輪材料，車輪將會(huì)超重。為了實(shí)現(xiàn)車輪輕量化，開(kāi)發(fā)了800 MPa高強(qiáng)度鋼制車輪。800 MPa以上高強(qiáng)度鋼制車輪初步選材為S700MC鋼材，S700MC是上海寶鋼車輪股份有限公司開(kāi)發(fā)的1種特高強(qiáng)度冷成型熱軋鋼板，該鋼種相比傳統(tǒng)鋼種的屈服強(qiáng)度有了大幅度提升，同時(shí)也具有非常好的延伸性能、冷彎性能、焊接性能及抗沖擊性能。

高強(qiáng)鋼在疲勞性能方面有了顯著提升，也體現(xiàn)出高強(qiáng)度車輪安全方面的優(yōu)越性能。強(qiáng)度和疲勞破壞是車輪破壞的主要形式，其中80%以上由疲勞破壞引起，因此車輪的疲勞壽命是車輪最重要的性能指標(biāo)之一[1]。車輪的結(jié)構(gòu)性能對(duì)整車安全性和可靠性有著重要的影響[2]。車輪強(qiáng)度試驗(yàn)在開(kāi)發(fā)階段主要通過(guò)車輪三大強(qiáng)度試驗(yàn)來(lái)保證，即車輪彎曲疲勞試驗(yàn)、車輪徑向疲勞試驗(yàn)以及13°沖擊試驗(yàn)。其中，車輪彎曲疲勞試驗(yàn)失效概率最大，所以在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)階段，重點(diǎn)考慮對(duì)車輪彎曲疲勞性能的驗(yàn)證。由于S700MC高強(qiáng)度鋼的屈強(qiáng)比過(guò)高，數(shù)值接近1，車輪加工硬化率高，車輪結(jié)構(gòu)更容易發(fā)生脆性破壞，成型工藝十分困難。由于前期試驗(yàn)中徑向疲勞和沖擊試驗(yàn)合格，但是彎曲疲勞多次失效，為了避免模具反復(fù)修改，所以結(jié)合了數(shù)據(jù)采集分析，測(cè)出此高強(qiáng)度鋼車輪在重載工況下進(jìn)行彎曲疲勞臺(tái)架試驗(yàn)的應(yīng)變水平，對(duì)比出車輪結(jié)構(gòu)更改前后的受力情況。

1 800 MPa高強(qiáng)鋼車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目鋼制車輪采用S700MC高強(qiáng)鋼，此種材料的屈服強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度都在800 MPa以上，通過(guò)對(duì)S700MC材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，得出屈服極限為837 MPa，抗拉強(qiáng)度為838 MPa，伸長(zhǎng)率達(dá)到20%。在設(shè)計(jì)初期輪輻的型面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示。

圖1 初期輪輻的型面

2 高強(qiáng)鋼車輪彎曲疲勞試驗(yàn)有限元模型

在項(xiàng)目前期開(kāi)發(fā)階段，為了節(jié)省開(kāi)發(fā)周期，有限元分析(FEA)是不可缺少的環(huán)節(jié)之一，但是FEA分析的精度受到的影響較大，再加上高強(qiáng)鋼的疲勞曲線(S-N)模糊，對(duì)高強(qiáng)鋼車輪的FEA分析并不準(zhǔn)確。結(jié)合數(shù)據(jù)分析，大幅提高了前期開(kāi)發(fā)的工作效率，節(jié)省了試驗(yàn)時(shí)間。按照傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)模式，前期對(duì)車輪進(jìn)行FEA分析，鋼制車輪彎曲試驗(yàn)圖如圖2所示。圖2中在鋼制車輪內(nèi)輪緣位置加固定約束，并在桿的端部分X和Y2個(gè)方向加負(fù)荷。

圖2 鋼制車輪彎曲試驗(yàn)圖

圖3 有限元模型

該車輪的實(shí)體模型在CATIA軟件中建立，采用前處理軟件Hypermesh繪制網(wǎng)格，繪制網(wǎng)格的模型為中性面，網(wǎng)格大小為3 mm，之后將網(wǎng)格模型導(dǎo)入Abaqus進(jìn)行材料屬性、邊界條件、負(fù)荷等的定義及計(jì)算。輪輻材料為S700MC，彈性模量為206 000 MPa，泊松比為0.3。將輪輻的安裝面、螺孔錐面和應(yīng)力施加點(diǎn)進(jìn)行耦合約束，將輪輞輪緣部位進(jìn)行固定全約束。采用靜態(tài)加載方式將負(fù)荷作用于加載軸的末端，建成的有限元模型如圖3所示。在彎曲載荷作用下，初期車輪輪輻的應(yīng)力分布結(jié)果如圖4所示，應(yīng)力的最大受力點(diǎn)位于輪輻應(yīng)力環(huán)內(nèi)側(cè)。

圖4 優(yōu)化前彎曲載荷作用下的應(yīng)力分布情況

3 高強(qiáng)鋼車輪數(shù)據(jù)采集分析

根據(jù)FEA分析結(jié)果，選擇一些所受應(yīng)力較大的區(qū)域，在高強(qiáng)鋼車輪進(jìn)行彎曲疲勞強(qiáng)度試驗(yàn)時(shí)，對(duì)車輪受力情況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析。試驗(yàn)條件參照GB/T 5909商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法，在滿載情況下進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，通過(guò)在輪輻表面粘貼應(yīng)變片，研究車輪在不同測(cè)點(diǎn)下的應(yīng)變水平。傳感器布置圖如圖5所示。

圖5 傳感器布置圖

4 車輪輪輻的型面優(yōu)化設(shè)計(jì)及FEA分析

通過(guò)FEA分析，結(jié)合數(shù)據(jù)采集分析情況，發(fā)現(xiàn)車輪緩沖環(huán)內(nèi)部和2個(gè)螺栓孔中間的安裝盤(pán)面所受應(yīng)力較大，所以針對(duì)輪輻型面進(jìn)行了優(yōu)化，輪輻外型面從凸面改為凹面，輪輻內(nèi)型面從3段圓弧改為1段圓弧，優(yōu)化后的輪輻型面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖6所示。

圖6 優(yōu)化后的輪輻型面

優(yōu)化后的車輪FEA分析結(jié)果顯示，彎曲受力比優(yōu)化前的模型降低了139 MPa，改善效果明顯。優(yōu)化后的彎曲疲勞分析見(jiàn)圖7。

圖7 優(yōu)化后彎曲載荷作用下應(yīng)力分布

5 車輪數(shù)采對(duì)比及試驗(yàn)分析

對(duì)初期車輪輪輻采集了16個(gè)測(cè)點(diǎn)，布置了16個(gè)傳感器，通過(guò)16個(gè)通道采集了不同測(cè)點(diǎn)位置的最大應(yīng)變。數(shù)采設(shè)備為eDAQ，采樣率為1 000 Hz。

在彎曲疲勞試驗(yàn)下對(duì)鋼制車輪進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對(duì)比車輪輪輻型面優(yōu)化前后所測(cè)得最大應(yīng)變情況可知(見(jiàn)表1)，車輪輪輻型面優(yōu)化后，緩沖環(huán)內(nèi)部13、14、15應(yīng)變測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變減小，有較大的改善，位于2個(gè)螺栓孔中間的安裝盤(pán)面2、5、8測(cè)點(diǎn)應(yīng)變情況也出現(xiàn)較大改變，總體而言，優(yōu)化的車輪受力更均勻，最大受力點(diǎn)相對(duì)較小。

通過(guò)對(duì)更改前后車輪進(jìn)行彎曲疲勞試驗(yàn)，更改前車輪分析出的最大應(yīng)力為566.2 MPa，彎曲試驗(yàn)達(dá)40 000多次，更改后車輪分析出的最大應(yīng)力為427.2 MPa，但是彎曲達(dá)到80 000多次,彎曲疲勞壽命提高了將近1倍。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)抗拉強(qiáng)度近800 MPa的特高強(qiáng)冷成型鋼板(S700MC)在鋼車輪上的應(yīng)用，開(kāi)展了一系列研究和大量試驗(yàn)。結(jié)果表明，臺(tái)架試驗(yàn)和整車耐久路試情況較好，在項(xiàng)目上應(yīng)用較為成功。

表1 彎曲疲勞試驗(yàn)數(shù)采分析

通過(guò)本文的分析和研究，F(xiàn)EA分析依然存在一定的不確定性，如能結(jié)合數(shù)據(jù)采集分析對(duì)可能應(yīng)力最大處進(jìn)行數(shù)據(jù)采集分析，能更為準(zhǔn)確地發(fā)現(xiàn)車輪最大應(yīng)力區(qū)域，更好地指導(dǎo)車輪的前期開(kāi)發(fā)，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)省試驗(yàn)成本。如果將夠結(jié)合數(shù)采分析所得車輪應(yīng)力危險(xiǎn)點(diǎn)應(yīng)力對(duì)輪輻進(jìn)行曲面優(yōu)化，最終得到的車輪疲勞試驗(yàn)?zāi)軐?shí)現(xiàn)進(jìn)一步優(yōu)化，這對(duì)車輪的結(jié)構(gòu)改進(jìn)有一定指導(dǎo)意義。研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，工藝對(duì)高強(qiáng)度車輪的疲勞性能改善較大，后續(xù)將對(duì)工藝路徑對(duì)高強(qiáng)度鋼的疲勞性能產(chǎn)生的影響進(jìn)行深入研究。