铝合金车轮动态弯曲疲劳寿命预测

引言

车轮是汽车的重要安全部件，对汽车的行驶安全性、平顺性和乘员舒适性有重要影响。车轮一般在随机动载荷作用下工作，造成车轮失效的主要形式为疲劳破坏。车轮在使用前必须通过多项性能试验，其中动态弯曲疲劳试验是一项重要的测试环节。文献[1]指出，车轮的疲劳破坏主要是由弯矩作用引起，弯曲疲劳成为车轮破坏的主要原因。如果能在设计阶段预测出车轮的疲劳寿命和破坏部位，将有利于结构改进和优化设计。

近年来，铝合金车轮已经得到广泛使用，铝制车轮不仅可以提供较高的承载能力，节省能源消耗，而且还能满足外观个性化设计的要求。凭借经验的传统设计模式已经不能适应现代化的开发要求，目前已逐渐过渡到运用有限元技术的发展阶段。

本文以某款22X8.5JJ铝合金车轮为例，模拟动态弯曲疲劳试验过程，并预测车轮的疲劳寿命和破坏部位。

1 车轮动态疲劳寿命预测分析过程

分析流程如图1所示，首先对车轮进行有限元静态计算，得到试验条件下一个载荷循环的结果响应，然后提取各载荷步的应力、应变作为疲劳损伤载荷。疲劳寿命分析时采用主应变准则，并考虑平均应力的影响，最后应用Miner法则对单个载荷循环造成的损伤进行累积并计算疲劳寿命。

图1 车轮疲劳寿命预测流程图

2 车轮动态弯曲疲劳试验

车轮动态弯曲疲劳试验常用的标准有JWL标准、DOT标准和ISO标准等，这些标准都是模拟车轮在弯短作用下的受载情况。试验装置如图2所示，车轮固定在试验台上，通过加载杆对车轮施加旋转弯矩。

图2 弯曲疲劳试验装置示意图

汽车行业标准QC/T 221-1997规定轻合金车毂轮动态弯曲疲劳试验弯短计算公式为

M = ( uR + h) FS (1)

式中U ——轮胎与道路的摩擦因数
R——静载半径(汽车制造厂规定与该轮毂配用轮胎的静载半径)
h——车轮内偏距或外偏距
F——汽车制造厂规定的军轮额定负荷
S——强化试验系数

3 车轮静态有限元计算

建立精确的有限元模型是分析问题的基础，直接影响计算结果的准确性。轮毂法兰盘和加载轩之间用螺栓连接，建模时用接触单元分别模拟螺栓与法兰盘、螺母与加载杆的接触面，摩擦因数取0.2;连接螺栓采用ANSYS软件提供的特殊预紧单元(PRETS179)和求解方法进行模拟。在该模型中轮毂、螺栓结构和加载杆均采用实体单元建模，其中加载杆仅起到施加弯矩的作用，采用较大的单元尺寸以减小计算量;法兰盘部位采用较密的单元划分以得到精确的计算结果，有限元模型如图3所示。

图3 弯曲疲劳试验有限元模型

在有限元计算时，按照车轮固定，而在加载梓末端施加旋转载荷的方式设置边界条件。根据车轮在试验台上的固定情况，约束轮铜下边缘上各节点的所有自由度。

在进行弯曲疲劳试验时，车轮螺栓孔部位容易出现应力集中，轮毂与加载杆连接螺栓预紧力的不同对结果有较大影响，一般通过调整施加给螺栓的扭矩来控制预紧力的大小。该车轮选用MIS x28.SX60 的螺栓，施加的扭矩为110N·m，螺栓预紧力为

F0 = T/Kd

式中 T-螺栓扭矩 d-螺栓直径 K-拧紧力矩系数

对车轮施加的弯矩等效为在加载抨末端施加一个恒定的周向变化的载荷，载荷每旋转一周完成一次加载循环，随着载荷转动角度的变化，车轮各处的应力、应变也随着不断变化。在加载抨末端困心节点上以15°间隔沿圆周方向依次施加大小相同的载荷，得到24个结果序列，用来近似表示车轮每个节点在一个载荷循环内的受力变化情况，载荷分布如图3加载杆末端所示。

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