車輪在動態彎曲載荷作用下的應力分析

濮一康，王露芬

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

對于汽車行駛系統整體構成來講，車輪屬于最重要的一種安全部件，承擔著汽車的承載轉向及驅動和制動等多種功能，對汽車運行過程中的整體安全性產生嚴重影響，也影響到駕駛員駕駛過程中的舒適性。而造成車輪失效的主要形式，就是在彎曲載荷作用下所出現的疲勞破壞。因此在進行結構設計工作時，需要通過安區載荷作用下的實驗數據進行分析，將其應力危險點預知，則能夠為車輛結構設計改進提供參考依據。

1 構建仿真模型

1.1 模型構建單元類型及車輪材料

建立鋼制車輪的彎曲試驗系統，包括成分有加載軸、連接盤、輪輞及輪輻和螺栓。實體模型的建立要在Solidworks中完成，實體模型建立結束之后，將其導入到Abaqus 有限元軟件之中，然后通過四面體單元，對實體模型結構進行網格的劃分。該四面體單元擁有二次為一特性，能夠對不同規則形狀的結構進行模擬。在模型建立過程中，輪輻及輪輞所使用的材料是BG380CL，其彈性模量是2 萬MPa，泊松比是0.3。

1.2 三種加載方式下的結構應力變化情況

第一，不考慮螺栓載荷的靜態作用分析。若忽視螺栓預緊力的存在，將螺栓結構去除，讓輪輻及連接盤之間的約束方式轉變成綁定約束。在旋轉彎曲載荷和加載的過程中使用靜態加載方式，在360°范圍內施加靜態作用力，作用力與作用力之間間隔保持在45°。通過對輪輻應力分布結果分析，發現輪輻安裝面上所存在的應力非常小，應力危險點的集中區域，在很大程度上是在通風孔的內外兩側圓角附近，同時緩沖管內外側也屬于應力危險點集中區域。

第二，不考慮螺栓載荷的動態作用分析。輪輻和連接盤之間的約束方式仍是綁定約束，而旋轉彎曲載荷進行增加時，所在部位是加載軸端部垂直加載軸的平面位置。從x以及y兩方向進行載荷的施加，兩方向力共同作用下產生的力就是旋轉載荷力，用F表示。但實際測試的過程中，旋轉載荷轉速設置為1000 r/min，頻率為104.72 r/s，旋轉周期為0.06 s。對于增量步的設置，在進行步中設置的分析過程中確定為0.001s。若忽視螺栓預緊力的存在，則車輪處所施加的旋轉動態載荷應力，所帶來的應力危險點變化規律和余弦曲線具有極高相似度，應力最大值為322 MPa，比動態加載方式理論最大值多了20 MPa。

第三，螺栓預緊力作用下的動態應力研究。在不考慮螺栓預緊力存在的影響情況下進行應力情況分析，用例進行計算的過程中不會涉及到非線性問題，在計算過程中效率非常高。但是在實際情況下，對于車輛來講再進行具體的運作過程中，需要螺栓對各結構之間進行連接，而在試驗過程中也同樣如此，需要通過螺栓使輪輻和車輪其他結構進行緊密結合。為了能夠更有效并且更加真實的對車輪所受到的應力變化情況進行反饋，需要將螺栓存在的預見力考慮進去，而預緊力的計算則按如下公式進行。

式中：T1T2所指的是螺紋擰緊后出現的力矩及螺母支撐面所存在的力矩。F所代表的是螺栓預緊力。d2代表的是螺紋的中直徑。λ 代表的是螺紋自身的升角。ρv代表的是螺紋自身的當量摩擦角。f則是接觸臉之間的摩擦因子。dm所指的是螺母支撐面直徑的平均值。指的是螺紋頭數量，此處數值為1，p是指螺距。此處β 為30 度。

經過計算所得的螺栓預緊力數值為F=25964N.在考慮螺栓載荷產生的影響下，對模型進行動態旋轉載荷的施加，仍按照不考慮螺栓載荷所產生影響下的施加方式，發現在此時應力的最大值變為330.89 MPa，同不考慮螺栓預緊力所產生的影響下，動態旋轉載荷所產生的應力增長8 MPa。

2 結 語

在上述仿真實驗分析中，能夠發現車輪彎曲疲勞動態旋轉載荷加載的方式，所產生的應力變化要更加接近實際，并且和實驗所得數據更為接近，尤其是在螺栓預緊力影響的情況下。相比較于靜態加載方式以及無螺栓預緊力影響，其在計算后所得應力變化數值更加真實，有利于產品結構設計改進。