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，汽車的發展發生了巨大的變化，對汽車的需求逐漸增加。隨著科學技術的不斷進步，汽車在人類發展史上做出了突出貢獻，為人類的日常生活提供了便捷服務。在經濟發達的今天，無論是人類出行，還是貨物運輸，都離不開汽車。汽車是目前世界范圍內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。由于汽車在早期結構都非常簡單，汽車的制造及鋼輪設計在很大程度上都是基于經驗值，很少通過實驗來模擬。因此，在整個汽車的制造過程中，其設計數據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代汽車發展的需要。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。如果在設計階段注重汽車鋼制車輪的疲勞性能，可以大大縮短產品的設計周期，提高經濟效益，增強企業競爭力。

1 鋼制車輪發展概述

隨著德國汽車工程師卡爾·本茨制造了世界上第一輛現代汽車，汽車工業以驚人的速度增長。鋼制車輪在汽車設計領域得到了不斷的應用。特別是微電子技術，越來越多地用于汽車和各種新型輕材料研發。隨著汽車的不斷推廣，汽車已經變得更安全、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。隨著汽車工業的快速發展，輕量化日益成為人們關注的焦點，鋼在汽車工業中逐漸被設計師所忽視。隨著世界經濟的迅速繁榮，汽車市場也隨之繁榮起來。如何提供更好的產品也成為大型汽車制造商關注的焦點，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，鋼制車輪發展強勁，具有廣闊的發展前景。

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，這在交通運輸中起著非常重要的作用。車輪是汽車上重要的旋轉鋼制車輪。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度。鋼制車輪通常會因為疲勞產生局部小裂紋，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 國內外研究現狀

3.1 國外研究現狀

國外研究機構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70年代，在日本和歐洲對鋁合金和鋼車輪進行了廣泛的研究。隨著美國和德國疲勞預期壽命預測系統的逐步發展，國外在20世紀80年代和90年代開始對車輪疲勞進行研究。隨著MSC公司開發的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。日本學者對鋼制車輪的沖擊強度進行研究，并對試驗結果進行分析。結果表明，輪輞厚度對鋼制車輪的沖擊強度有顯著影響。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變分布，從而有效預測鋼制車輪的徑向疲勞時間。

3.2 國內研究現狀

鋼制車輪疲勞性能分析在我國起步較晚，但隨著我國制造業的發展和有限元技術的不斷進步，在工程實踐中的應用越來越多，發展迅速。湖南大學的謝秀松首先用有限元法分析了鋼制車輪的疲勞性。然而，由于當時條件的限制，分析結果并不理想。然而，近年來，隨著科學技術的不斷進步，使用正確的加載方法和應力條件確定的，實驗結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，浙江大學的嚴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、循環疲勞及不同疲勞方式的有限元分析。但是，根據相關研究，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世紀中葉，人們就已經發現了疲勞現象的產生，疲勞的概念距今已有100多年的歷史。在歷史的發展過程中，一直伴隨著人們對疲勞現象及其機理的探索。經過科學家不斷的研究，逐漸揭開了疲勞所產生的原因及其特征。在眾多研究機構及各行各業的不斷努力探索的過程中，經過大量的實驗，取得了豐碩的成果。尤其是在機械行業中，疲勞已成為機械工件早期失效、嚴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，由此產生的載荷遠低與靜強度的安全載荷。深入分析和研究疲勞現象具有重要意義。準確預測疲勞持續時間，控制疲勞的一般規律，有利于提高資源利用率，節約生產成本，提高機械產品的安全性。

4.2 疲勞的定義

在對疲勞過程研究的100多年的歷程中，人們對疲勞現象及發展機理有了較為深刻的認識。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，雖然荷載力值遠遠低于其本身應力值，甚至比鋼鐵材料的彈性極限還要低，但是，仍能發生斷裂。這種在交變載荷作用下鋼制車輪出現破壞的現象，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，當載荷超過材料的疲勞極限，鋼制車輪會出現疲勞。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律性，則可以稱為疲勞載荷譜，它可以是規則的，也可以是不規則的。

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。工藝痕跡和劃痕導致材料缺陷。此外，由于設計要求，鋼制車輪中可能出現局部幾何突變。在疲勞情況下，鋼制車輪的失效通常始于應力集中，導致局部小裂紋，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，應特別注意細節。

4.3.3 疲勞是一個發展的過程

疲勞損傷的形成是一個發展過程。如果鋼制車輪經歷多個疲勞循環，鋼制車輪會經歷裂紋萌生、裂紋拓展、裂紋失穩拓展或完全斷裂。預測鋼制車輪的疲勞持續時間不是主要目的，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：裂紋開始和裂紋擴展。對于一些高強度脆性材料，裂紋萌生時間相對較短，并且裂紋損傷經常發生在轉鼓上。因此，脆性材料應考慮開裂過程的耐久性。對于韌性材料，它具有良好的強度和高抗斷性。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，僅考慮裂紋擴展階段的持續時間。

4.4 疲勞分析的基本步驟

分析疲勞破壞在鋼制車輪的發展過程通常分為三個階段。首先，應當對鋼制車輪材料的疲勞應力進行確定，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，則可以根據設計要求，即所謂的設計載荷譜，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據。當有條件進行抗疲勞試驗時，對合適的材料進行選擇，通過相應的疲勞試驗，測定不同狀態下的疲勞應力曲線。根據具體設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計抗疲勞性和高周疲勞。分析方法的確定通常應基于一般設計目標、經濟效益和適用性。鋼制車輪必須采用盡可能少的材料進行設計，以最大限度地提高經濟效益和安全性。

5 鋼制車輪疲勞性能的影響因素及措施

5.1 平均應力

材料疲勞性能通常是通過對小試樣進行疲勞試驗得到，在平均應力的影響下，試驗發現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，車輪在轉動，外部載荷在不斷地發生變化，隨著平均應力的增大，鋼制車輪的抗疲勞性能在降低。通過實驗，驗證了不同的應力狀態對車輪疲勞性能的影響。在相同的應力水平下，平均壓應力能夠顯著增強鋼制車輪的抗疲勞性能。但是，當應力狀態為拉應力時，就會顯著降低鋼制車輪的抗疲勞性能。

5.2 尺寸效應

通過相應的實驗研究，鋼鐵材料的抗疲勞性能同樣受外形尺寸的影響較大。當鋼制車輪的外徑尺寸較大時，對抗疲勞性能產生不良影響，鋼制車輪更容易出現疲勞。當鋼制車輪直徑較小時，隨著外部應力近似平均分布，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，疲勞應力曲線同樣會發生變化。不同的載荷方式會嚴重影響材料的抗疲勞性能。在不同的參數變化中，材料的疲勞曲線在拉伸、彎曲及扭轉荷載下會發生不同的變化方式。載荷形狀對疲勞效率的影響，可以用載荷系數、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度密切相關。

5.4 表面光潔度

疲勞通常發生在鋼制車輪的應力集中區域，并在該區域延伸，導致疲勞損壞。如果鋼制車輪表面粗糙，則應力集中處最明顯，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。當鋼制車輪應力水平低、壽命長時，表面光潔度對其影響越大，當材料的強度越高時，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加工、熱處理、電鍍三種形式，其中機加工和熱處理可以為鋼制車輪提供壓縮殘余應力，而電鍍則提供拉伸殘余應力。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生塑性變形。如果卸除外力，由于彈性變形恢復到原始狀態，而塑性變形區則無法恢復，塑性變形區產生殘余壓應力，整個部件的殘余應力盡量保持低水平。

6 結語

在不同負載下，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域，而不影響車輪整體的疲勞性能。而平均應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，在進行徑向疲勞分析時，必須考慮平均應力分布。疲勞分析是評估鋼制車輪性能的有效手段。通過試驗分析，不僅能夠指導鋼制車輪的選型、設計，規范鋼制車輪的生產，還能縮短車輪制造的周期，提高鋼制車輪的開發效率。鋼制車輪制造中，應該積極開展疲勞試驗與壽命估算，改進鋼制車輪的設計過程，從而保障車輪運行時的性能，提高車輪的安全性。