轻量化无内胎轮辋失效分析与改进

袁丽，刘晓敏

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

轻量化无内胎轮辋失效分析与改进

袁丽，刘晓敏

（陕西重型汽车有限公司，陕西 西安 710200）

为解决轻量化无内胎轮辋总成失效率高的问题，采用质量工具及理化分析方法，找出了影响轮辋总成失效的关键影响因子，提出从设计方面对轮辋总成进行改进，并通过CAE分析方法对改善前后的轮辋总成结构进行了应力应变分析及验证，改进效果佳。

轻量化无内胎轮辋总成；有限元分析；径向疲劳；弯曲疲劳

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2014)10-96-02

引言

轻量化车辆的设计初衷是通过降低车身重量增加货物运输量，降低用户运输成本来实现用户利益最大化。随着国民经济逐渐发展，商用车轻量化渐成风潮，为配合轻量化车型的开发，轻量化无内胎轮辋总成目前已被广泛采用。近两年在轻量化车型市场销量不断增长的同时，超载现象比较严重，与之配套的轻量化车轮也出现了开裂、变形等诸多问题，引起了用户抱怨。

1、问题概述

2013年度A公司无内胎轮辋总成的“三包”数量总计为1614只，其中轻量化1495只，占到了总损坏量的93%；而非轻量化轮辋损坏量只有119只，仅占7%。由此可见，损坏的无内胎车轮绝大多数是轻量化无内胎车轮。经统计发现，随着车辆运行时间增加，失效率显著增加，如不改进产品质量，索赔金额会继续加大。经对2013年全年售后市场返回的轮辋总成失效模式进行识别，断裂失效图片见图1，失效模式统计表如表1所示。

从表1可知，断裂损坏累计比例高达83.2%，超过了80%，按照“关键的少数”原则，对其实施改进。

表1 轻量化轮辋总成失效模式统计

2、轻量化无内胎轮辋总成失效分析[1]及改进措施

经对售后旧件进行理化分析发现，材料成分及强度符合图纸要求，进一步进行潜在失效模式与后果分析，轮辋总成断裂损坏的是由于结构不合理，承受冲击强度不够，在冲击载荷的交变作用下发生疲劳断裂、损坏。因此，轻量化车轮总成自身承载力差是造成轮辋损坏的主要原因。要降低轮辋总成失效率，只能是从轮辋自身解决，即提高材料强度、降低应力集中。车轮失效部位集中在轮辐，因此强度分析主要关注幅板的力学性能。

通过分析，选用TQ420低合金钢作为轮辐材料。这种钢材由山西太钢不锈钢有限公司生产，抗拉强度480～620MPa，屈服强度≥420MPa，断后伸长率≥21%，机械性能大大优于原来的420CL抗拉强度410～520MPa，屈服强度≥290MPa，断后伸长率≥24%。同时，根据损坏的车轮状态分析，车轮的受力点位于散热风孔向螺栓孔延展方向，60%车轮损坏于该部位。经分析认为，将风孔自中心线整体下移，将受力点部位加高（风孔中心线到辐板外平面），旋压成型时再适当加厚该受力点厚度，可增强轮辋总成的抗疲劳性。此外，对散热风孔内外边挤压圆角，可降低此处残余应力，控制散热孔处开裂导致的轮辋失效。

3、设计改进并对改进前后轮辋总成进行有限元分析[2]

根据GB/T 5909-2009《商用车辆车轮性能要求和试验方法》中幅板式车轮的动态弯曲疲劳试验的要求，按公式确定弯矩：

其中摩擦系数 μ 取0.7；R 取该车轮配用最大轮胎静载半径613mm；偏距 d 根据图纸取133.4mm；车轮额定负载Fv 取4500kg；强化试验系数 S 按最大值取1.6。计算得：M = 40500N∙m。

我们对改进前后产品的径向及弯曲强度进行有限元分析，结果如下：

（1）对材料及结构改进前后径向分析结果表明可见（见图1、图2所示），未改风孔前径向疲劳结果2.61E6转。更改风孔后采用新结构后，此处应力有很大改善，径向疲劳可达到3.15E6转，较之老状态约提升22%左右。

（2）对材料及结构改进前后弯曲疲劳分析结果表明可见（见图3、图4所示），未改风孔前弯曲疲劳结果3.9E5转，由应力云图可看出，采用新结构后，此处应力有很大改善，弯曲疲劳可达到4.71E5转，较之老状态约提升18%左右。

4、结论

对比轮辋总成更改材质及结构前后的应力云图可知，车轮辐板局部的强度增加20%左右，可以提高轮辋总成的抗疲劳性，降低损坏率，经对改进件进行型式试验鉴定，产品性能满足设计要求。

[1]马林,何桢.六西格玛管理[M].第二版.北京：中国人民大学出版社,2007.

[1]王霄锋.汽车底盘设计[M].北京：清华大学出版社,2010.

Lightweight tubeless rims Failure Analysis and Improvement

Yuan Li, Liu Xiaomin
(Shaanxi Heavy-Duty Truck Co., Ltd., Shaanxi Xi'an 710200)

To solve the lightweight tubeless rim assembly failure rate issues, the use of quality tools and chemical analysis methods to identify the key influence rim assembly failure factor, made from the design aspects of the rim assembly to improve, with CAE analysis methods for structural improvements to the front and rear rim assembly were stress-strain analysis and verification, improved results were obvious.

lightweight tubeless rim assembly；finite element analysis；radial fatigue；bending fatigue

U463.3

A

1671-7988(2014)10-96-02

袁丽，助理工程师，就职于陕西重型汽车有限公司质量管理部，主要从事质量技术工作。