轎車輪轂疲勞壽命試驗研究

申富強　石勝文

摘 要：輪轂影響著車輛的形式，是其重要的組成部分。輪轂的疲勞壽命與汽車的安全質量有著千絲萬縷的關系，其擔負著汽車的重量，又與外形息息相關。輪轂對其性能和外形要求較高，進行制作的過程難度很大。現在的汽車在很多方面追求高速行駛，時速在不斷提高，高速行駛的汽車最容易發生損壞的是輪轂，高速行駛中的輪轂疲勞破壞不僅對轎車本身有嚴重的影響，更影響著駕乘者安全。

關鍵詞：轎車輪；疲勞壽命；試驗

中圖分類號：THl33.33；TH87 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0056-02

1 概 述

汽車輪轂長時間行駛之后會產生疲勞狀態，并且在行駛中所發生的碰撞，都讓其成為工程設計人員在進行設計時候所需要考慮的重要因素。疲勞壽命是衡量輪轂質量的一個非常重要的汽車使用的頻率，以及人們對汽車的要求都讓其壽命試驗成為非常重要的產品檢驗途徑。疲勞試驗的過程需要耗費的人力、物力較為嚴重，并且需要占用很長的時間，對于一些復雜實驗則還需要增加相應的支出，并且該實驗目前尚無法在試驗機上實現。當前階段，在輪轂實驗方面所使用的方法主要包括以下幾種，即：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法。有限元法相對于實際情況來說，應用較為廣泛。

可以說，有限元法的試驗已經開始呈現出越來越廣泛的取代之勢，其代替了大量的實物試驗，具有“虛擬實驗”的代表性。并且，依據相關資料顯示，一個產品的應用只有在設計階段進行有效實驗，大部分問題都可以予以解決。因此，通過大量的數據統計，計算方法的應用，以及典型的驗證性，能夠讓試驗的成本呈現出下降的趨勢，并提高其相應的試驗效率。

2 輪轂的疲勞壽命研究

輪轂的臺架試驗主要包括疲勞強度的測試（彎曲疲勞和徑向疲勞試驗）和沖擊強度的測試（沖擊試驗）。輪轂是汽車的重要組成部分，其對于企業的安全駕駛，平穩形式，以及相關的牽引作用都具有重要影響，與能源消耗，駕駛員的勞動強度等等方面關系密切。輪轂的疲勞壽命已經成為研制中最為關系的問題，也就是說，讓其在使用過程中不會因為疲勞發生破壞。這就需要對輪轂進行使用壽命的預測，這也是人們所關心的重要問題。通過實驗對輪轂的彎曲疲勞斷裂問題進行研究，則需要在應力法和局部應力方法對其疲勞壽命進行檢測，從而了解其實際情況。這些方法的應用在計算準確性方面并沒有呈現出優勢，也難以真正對輪轂的實際使用情況進行評測，更加難以提供有效數據讓開發人員進行研究和使用。因此，針對輪轂曲疲勞試驗的計算機仿真系統應運而生，此系統所應用的基礎便是有限元分析，由該算法分析程序，接口程序，和疲勞壽命估算程序三部分組成，通過有限元分析法結果，以及名義應力法，以及局部應力應變法相結合的方式，對鋼制輪轂彎曲壽命進行相應的預測。其所使用的工具是有限元分析軟件ANSYS，將輪轂的設計和使用壽命有效結合起來，建立相應的CAE平臺，該平臺比較適合企業使用。但時，該系統也有自身的缺陷，那就是因為有限元力學模型是線性力學模型，對于元件之間的關系還需要進一步進行考慮，對于螺栓預緊力影響方面也呈現出考慮不周的情況。因此，在進行法蘭盤及螺栓孔附近的應力分布情況計算的時候，就會容易出現所檢測的數據不準確的情況。此平臺的應用受到的局限性較大，只能依托于較為可靠的數據支撐對輪轂的彎曲疲勞壽命進行檢測。

3 疲勞和疲勞壽命分析

3.1 疲勞壽命

疲勞壽命是指結構或機械直至破壞作用的循環載荷的次數或時間。從其發展來看，包括二階段疲勞壽命模型，三階段疲勞壽命模型和多疲勞壽命模型。在實驗中，三階段疲勞壽命模型分析的方法應用最為廣泛，認為疲勞損傷過程由無裂紋、小裂紋和大裂紋三個階段組成，如圖1所示。

上述裂紋的情況與材料力活應變的反應關系密切，是在其反復作用下發生的變化，雖然一般情況下，此術語也應用在非金屬材料中。

3.2 影響結構疲勞壽命的主要因素

對于輪轂疲勞壽命的影響因素主要包括以下幾類：①對于局部會產生影響的因素，主要包括荷載特性（涉及到應力狀態、殘余應力、循環特性、高載效應），零件的幾何形狀（缺口應力集中、尺寸大小）等；②對于微觀結構有影響的因素，比如材料種類，對材料的熱處理（影響材料的延性、缺陷的種類、缺陷分布等）、機械加工等；③疲勞傷源的影響因素，比如表面粗糙度、腐蝕和應力腐蝕。

3.3 確定疲勞壽命的方法

汽車輪轂疲勞壽命的檢測方法依據的是材料的疲勞性能，其需要綜合考慮材料的載荷程度進行分析輪轂的使用壽命，并依據模型對其疲勞程度進行劃定。其主要包括三個方面：材料疲勞行為的描述；循環載荷下結構的響應；疲勞累積損傷法則，具體如圖2所示。

通過該試驗方法，我們可以看出，其目標是降低疲勞分析對數據的依賴性，盡量減少試驗中經驗的運用。設計人員可以通過疲勞壽命的校核對設計進行相應的改進。這就需要設計人員在進行實驗之前，首先對輪轂的疲勞危險部位進行分析，從而對試驗的關鍵程序或者部位進行確定。

4 轎車輪轂疲勞分析

該汽車輪轂疲勞壽命的檢測設備的機械部分主要為主軸，伺服電機和皮帶輪。伺服電機實現多種速度下的檢測。下面主要是主軸、伺服電機和皮帶輪各個零部件的設計計算和選用。

4.1 軸的參數計算和軸徑選擇

4.1.1 計算中所用到的參數

①pd為電動機輸出功率，5.0 kW；

②ηc為電動機和輸入軸之間皮帶傳動的效率，0.95；

③ηr為一對滾動軸承傳動的效率，0.99。

4.1.2 軸的功率計算

4.1.4 初估軸徑

軸徑一般先按許用扭轉剪應力的計算方法估算， 估算公式為：

由于n4=800 r/min>600 r/min以及n4=1 000 r/min>600 r/min故只要滿足d≥21.84 mm即可，取最小軸徑為滿足要求。

初估直徑d常作為軸的最小直徑，若該軸段由鍵槽，應將軸徑增大，并圓整為標準尺寸系列值。

4.2 電動機的選擇

按已知的工作條件和要求，可以選用松下MDMA系列（中慣量）伺服電動機，即可滿足要求。

使用環境溫度（使用時）：0～40 ℃；-20～80 ℃（無結露）濕度（使用時）85%RH以下（無結露）耐震：5G以下。

4.3 皮帶輪的選擇

確定設計功率Pd·Pd=KA.由于載荷變動最小，且為輕載啟動故有KA=1.0根據設計要求可以按Pd=4.5 kW計算。

選擇V帶型號： 因為對結構尺寸無嚴格要求，可選用普通V帶即可。

5 結 語

本文通過對轎車輪轂疲勞壽命方面的學習和研究，設計了一套用于轎車輪轂可靠性試驗的試驗臺，利用該試驗臺對公司的轎車輪轂進行了一系列的批量可靠性試驗。試驗結果表明，此試驗臺能夠滿足試驗任務的技術要求，為轎車輪轂的質量品質改善提供試驗了保證和依據，為后續新產品的研發提供了很好的試驗基礎。

參考文獻：

[1] 于俊一，鄒青.機械制造技術基礎[M].吉林：吉林機械工業出板社，2004.

[2] 譚慶昌，趙洪志，曾平主編，機械設計[M].吉林：吉林科學技術山版社，1999.

[3] 鄒青.機械制造技術基礎課程設計指南[M].吉林：機械工業出版社，2002.

[4] 秦榮榮，崔可維.機械原理[M].吉林：吉林科學技術山版社，2000.