鋼制車輪疲勞壽命的影響因素及改善方法

王燕，盛楓，吳兵華，龔洪鑫

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

在過去的100年里，汽車的發(fā)展發(fā)生了巨大的變化，對汽車的需求逐漸增加。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，汽車在人類發(fā)展史上做出了突出貢獻(xiàn)，為人類的日常生活提供了便捷服務(wù)。在經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)的今天，無論是人類出行，還是貨物運(yùn)輸，都離不開汽車。汽車是目前世界范圍內(nèi)非常重要的交通工具，不僅為生活帶來了便利，同時，也對不同文明、不同地域之間的文化交流起到了橋梁作用。由于汽車在早期結(jié)構(gòu)都非常簡單，汽車的制造及鋼輪設(shè)計在很大程度上都是基于經(jīng)驗值，很少通過實驗來模擬。因此，在整個汽車的制造過程中，其設(shè)計數(shù)據(jù)及計算方法都很缺乏，鋼制車輪的安全性能評估已不能滿足當(dāng)代汽車發(fā)展的需要。作為汽車安全性的一個重要方面，疲勞效率對安全性能有很大影響。如果在設(shè)計階段注重汽車鋼制車輪的疲勞性能，可以大大縮短產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高經(jīng)濟(jì)效益，增強(qiáng)企業(yè)競爭力。

1 鋼制車輪發(fā)展概述

隨著德國汽車工程師卡爾·本茨制造了世界上第一輛現(xiàn)代汽車，汽車工業(yè)以驚人的速度增長。鋼制車輪在汽車設(shè)計領(lǐng)域得到了不斷的應(yīng)用。特別是微電子技術(shù)，越來越多地用于汽車和各種新型輕材料研發(fā)。隨著汽車的不斷推廣，汽車已經(jīng)變得更安全、更方便、更易使用、更自動化、更智能、更舒適，越來越適合人們的生活。隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，輕量化日益成為人們關(guān)注的焦點，鋼在汽車工業(yè)中逐漸被設(shè)計師所忽視。隨著世界經(jīng)濟(jì)的迅速繁榮，汽車市場也隨之繁榮起來。如何提供更好的產(chǎn)品也成為大型汽車制造商關(guān)注的焦點，尤其是作為汽車安全的重要部件。如何保證車輪使用的安全性是一個難題，鋼制車輪發(fā)展強(qiáng)勁，具有廣闊的發(fā)展前景。

2 鋼制車輪疲勞分析的意義

車輪作為汽車的重要安全部件，將地面提供的能量傳遞給汽車。車輪的性能對使用者的生命安全起著重要作用。車輪承載車輛重量，并在行駛過程中提供動力和制動。離心力和橫向阻力確保車輛的正常方向，從而確保車輛的舒適性，克服障礙物，提高車輛的通行能力，這在交通運(yùn)輸中起著非常重要的作用。車輪是汽車上重要的旋轉(zhuǎn)鋼制車輪。它通常由輪輞和輪輻組成，有時還包括輪轂。鋼制車輪在行駛時，它的受力非常復(fù)雜，包括垂直、橫向、制動和行駛力矩。為確保車輛安全，車輪必須具有足夠的剛度和強(qiáng)度。鋼制車輪通常會因為疲勞產(chǎn)生局部小裂紋，并延伸至突然斷裂。實際情況表明，疲勞損傷在車輪損傷中起著非常重要的作用，因此，車輪的疲勞時間是保證人身安全的重要條件。

3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

國外研究機(jī)構(gòu)對汽車車輪性能的研究歷史悠久，但他們的研究主要集中在鋁合金車輪。20世紀(jì)70年代，在日本和歐洲對鋁合金和鋼車輪進(jìn)行了廣泛的研究。隨著美國和德國疲勞預(yù)期壽命預(yù)測系統(tǒng)的逐步發(fā)展，國外在20世紀(jì)80年代和90年代開始對車輪疲勞進(jìn)行研究。隨著MSC公司開發(fā)的MSC.FATIGUE下的”WHEELS”模塊的誕生，為車輪疲勞時間的分析打開了大門。日本學(xué)者對鋼制車輪的沖擊強(qiáng)度進(jìn)行研究，并對試驗結(jié)果進(jìn)行分析。結(jié)果表明，輪輞厚度對鋼制車輪的沖擊強(qiáng)度有顯著影響。通過在螺栓孔上施加載荷，并考慮輪胎氣壓的影響，建立了有效的有限元模型。獲得車輪的張力和應(yīng)變分布，從而有效預(yù)測鋼制車輪的徑向疲勞時間。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

鋼制車輪疲勞性能分析在我國起步較晚，但隨著我國制造業(yè)的發(fā)展和有限元技術(shù)的不斷進(jìn)步，在工程實踐中的應(yīng)用越來越多，發(fā)展迅速。湖南大學(xué)的謝秀松首先用有限元法分析了鋼制車輪的疲勞性。然而，由于當(dāng)時條件的限制，分析結(jié)果并不理想。然而，近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，使用正確的加載方法和應(yīng)力條件確定的，實驗結(jié)果與理論計算的比較表明，鋼制車輪疲勞分析具有很大的參考價值。早在2008年，浙江大學(xué)的嚴(yán)勝贊博士就討論了不同疲勞形式之間的分析方法，主要包括徑向疲勞、循環(huán)疲勞及不同疲勞方式的有限元分析。但是，根據(jù)相關(guān)研究，疲勞對鋼制輪胎的壽命影響非常顯著，并為未來的研究提供了有價值的指示。盡管在上述研究中對車輪進(jìn)行了深入分析，但仍存在一些主要問題沒有得到解決。

4 鋼制車輪疲勞分析理論

4.1 疲勞的基本概念

19世紀(jì)中葉，人們就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了疲勞現(xiàn)象的產(chǎn)生，疲勞的概念距今已有100多年的歷史。在歷史的發(fā)展過程中，一直伴隨著人們對疲勞現(xiàn)象及其機(jī)理的探索。經(jīng)過科學(xué)家不斷的研究，逐漸揭開了疲勞所產(chǎn)生的原因及其特征。在眾多研究機(jī)構(gòu)及各行各業(yè)的不斷努力探索的過程中，經(jīng)過大量的實驗，取得了豐碩的成果。尤其是在機(jī)械行業(yè)中，疲勞已成為機(jī)械工件早期失效、嚴(yán)重影響工件使用壽命的主要原因。超過80%的鋼制車輪損壞是由疲勞損壞引起的，由此產(chǎn)生的載荷遠(yuǎn)低與靜強(qiáng)度的安全載荷。深入分析和研究疲勞現(xiàn)象具有重要意義。準(zhǔn)確預(yù)測疲勞持續(xù)時間，控制疲勞的一般規(guī)律，有利于提高資源利用率，節(jié)約生產(chǎn)成本，提高機(jī)械產(chǎn)品的安全性。

4.2 疲勞的定義

在對疲勞過程研究的100多年的歷程中，人們對疲勞現(xiàn)象及發(fā)展機(jī)理有了較為深刻的認(rèn)識。對疲勞過程有了清晰的判斷。通常，汽車在行駛過程，在可變荷載的作用下，鋼制車輪受到的載荷也不是恒定的，同樣是可變的。在可變的荷載下，雖然荷載力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其本身應(yīng)力值，甚至比鋼鐵材料的彈性極限還要低，但是，仍能發(fā)生斷裂。這種在交變載荷作用下鋼制車輪出現(xiàn)破壞的現(xiàn)象，稱作疲勞破壞。

4.3 疲勞的特點

4.3.1 疲勞破壞的前提條件是有擾動載荷

如果材料或鋼制車輪承受周期性可變載荷，當(dāng)載荷超過材料的疲勞極限，鋼制車輪會出現(xiàn)疲勞。擾動載荷會隨時間的變化而變化。疲勞載荷譜是描述疲勞荷載隨時間變化的圖表，也稱為荷載時間。如果載荷與時間之比具有一定的規(guī)律性，則可以稱為疲勞載荷譜，它可以是規(guī)則的，也可以是不規(guī)則的。

4.3.2 疲勞破壞具有局部性

鋼制車輪通常采用不同的加工工藝。工藝痕跡和劃痕導(dǎo)致材料缺陷。此外，由于設(shè)計要求，鋼制車輪中可能出現(xiàn)局部幾何突變。在疲勞情況下，鋼制車輪的失效通常始于應(yīng)力集中，導(dǎo)致局部小裂紋，然后累積。疲勞損傷的一個重要特征是局部性。在鋼制車輪的加工過程中，應(yīng)特別注意細(xì)節(jié)。

4.3.3 疲勞是一個發(fā)展的過程

疲勞損傷的形成是一個發(fā)展過程。如果鋼制車輪經(jīng)歷多個疲勞循環(huán)，鋼制車輪會經(jīng)歷裂紋萌生、裂紋拓展、裂紋失穩(wěn)拓展或完全斷裂。預(yù)測鋼制車輪的疲勞持續(xù)時間不是主要目的，而主要目的是防止鋼制車輪的疲勞損壞。疲勞的長期分析必須考慮兩個階段：裂紋開始和裂紋擴(kuò)展。對于一些高強(qiáng)度脆性材料，裂紋萌生時間相對較短，并且裂紋損傷經(jīng)常發(fā)生在轉(zhuǎn)鼓上。因此，脆性材料應(yīng)考慮開裂過程的耐久性。對于韌性材料，它具有良好的強(qiáng)度和高抗斷性。對于一些焊接和鑄鋼車輪，由于裂紋或類似缺陷，沒有裂紋萌生階段。因此，僅考慮裂紋擴(kuò)展階段的持續(xù)時間。

4.4 疲勞分析的基本步驟

分析疲勞破壞在鋼制車輪的發(fā)展過程通常分為三個階段。首先，應(yīng)當(dāng)對鋼制車輪材料的疲勞應(yīng)力進(jìn)行確定，通過分析確定鋼制車輪的抗疲勞時間。為疲勞分析和分析過程選擇合適的疲勞分析。如果無法模擬實際工況，則可以根據(jù)設(shè)計要求，即所謂的設(shè)計載荷譜，估算鋼車輪的疲勞承載力。目前，我國擁有大量的材料疲勞性能數(shù)據(jù)。當(dāng)有條件進(jìn)行抗疲勞試驗時，對合適的材料進(jìn)行選擇，通過相應(yīng)的疲勞試驗，測定不同狀態(tài)下的疲勞應(yīng)力曲線。根據(jù)具體設(shè)計要求選擇不同的疲勞分析方法。在低周疲勞的情況下，可以選擇局部電壓變化來設(shè)計抗疲勞性和高周疲勞。分析方法的確定通常應(yīng)基于一般設(shè)計目標(biāo)、經(jīng)濟(jì)效益和適用性。鋼制車輪必須采用盡可能少的材料進(jìn)行設(shè)計，以最大限度地提高經(jīng)濟(jì)效益和安全性。

5 鋼制車輪疲勞性能的影響因素及措施

5.1 平均應(yīng)力

材料疲勞性能通常是通過對小試樣進(jìn)行疲勞試驗得到，在平均應(yīng)力的影響下，試驗發(fā)現(xiàn)鋼制車輪所受的疲勞荷載在車輪軸向并不是對稱分布的。汽車在道路上行駛的過程中，車輪在轉(zhuǎn)動，外部載荷在不斷地發(fā)生變化，隨著平均應(yīng)力的增大，鋼制車輪的抗疲勞性能在降低。通過實驗，驗證了不同的應(yīng)力狀態(tài)對車輪疲勞性能的影響。在相同的應(yīng)力水平下，平均壓應(yīng)力能夠顯著增強(qiáng)鋼制車輪的抗疲勞性能。但是，當(dāng)應(yīng)力狀態(tài)為拉應(yīng)力時，就會顯著降低鋼制車輪的抗疲勞性能。

5.2 尺寸效應(yīng)

通過相應(yīng)的實驗研究，鋼鐵材料的抗疲勞性能同樣受外形尺寸的影響較大。當(dāng)鋼制車輪的外徑尺寸較大時，對抗疲勞性能產(chǎn)生不良影響，鋼制車輪更容易出現(xiàn)疲勞。當(dāng)鋼制車輪直徑較小時，隨著外部應(yīng)力近似平均分布，使鋼制車輪的抗疲勞性能明顯提高。

5.3 載荷形式

鋼制車輪的外部載荷在不斷變化，隨著外部載荷的不同，疲勞應(yīng)力曲線同樣會發(fā)生變化。不同的載荷方式會嚴(yán)重影響材料的抗疲勞性能。在不同的參數(shù)變化中，材料的疲勞曲線在拉伸、彎曲及扭轉(zhuǎn)荷載下會發(fā)生不同的變化方式。載荷形狀對疲勞效率的影響，可以用載荷系數(shù)、不同載荷模式下的疲勞極限來表示。鋼制樣品疲勞極限與拉伸強(qiáng)度密切相關(guān)。

5.4 表面光潔度

疲勞通常發(fā)生在鋼制車輪的應(yīng)力集中區(qū)域，并在該區(qū)域延伸，導(dǎo)致疲勞損壞。如果鋼制車輪表面粗糙，則應(yīng)力集中處最明顯，疲勞損傷的可能性增加。鋼制車輪表面光潔度是影響鋼制車輪疲勞性能的重要因素。當(dāng)鋼制車輪應(yīng)力水平低、壽命長時，表面光潔度對其影響越大，當(dāng)材料的強(qiáng)度越高時，表面光潔度對其影響也越大。

5.5 表面處理

與表面光潔度一樣，表面處理對鋼制車輪的疲勞性能也有重大影響。表面處理一般可以分為機(jī)加工、熱處理、電鍍?nèi)N形式，其中機(jī)加工和熱處理可以為鋼制車輪提供壓縮殘余應(yīng)力，而電鍍則提供拉伸殘余應(yīng)力。如果塑性變形在鋼制車輪的橫截面上分布不均勻，則在外力作用下車輪發(fā)生塑性變形。如果卸除外力，由于彈性變形恢復(fù)到原始狀態(tài)，而塑性變形區(qū)則無法恢復(fù)，塑性變形區(qū)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，整個部件的殘余應(yīng)力盡量保持低水平。

6 結(jié)語

在不同負(fù)載下，鋼制車輪損壞的主要原因之一就是疲勞。在車輪疲勞的情況下，載荷形式影響螺栓孔附近的區(qū)域，而不影響車輪整體的疲勞性能。而平均應(yīng)力對車輪徑向疲勞載荷的影響很小，而輪輻尺寸對車輪張力分布的影響很明顯，因此，在進(jìn)行徑向疲勞分析時，必須考慮平均應(yīng)力分布。疲勞分析是評估鋼制車輪性能的有效手段。通過試驗分析，不僅能夠指導(dǎo)鋼制車輪的選型、設(shè)計，規(guī)范鋼制車輪的生產(chǎn)，還能縮短車輪制造的周期，提高鋼制車輪的開發(fā)效率。鋼制車輪制造中，應(yīng)該積極開展疲勞試驗與壽命估算，改進(jìn)鋼制車輪的設(shè)計過程，從而保障車輪運(yùn)行時的性能，提高車輪的安全性。