钢制车轮弯曲疲劳试验与寿命估算

黄　岗

（杭州科技职业技术学院，杭州 311402）

钢制车轮弯曲疲劳试验与寿命估算

黄岗

（杭州科技职业技术学院，杭州 311402）

疲劳破坏是引起钢制车轮失效的主要原因。在钢制车轮应用中，应该评估好其性能特征，降低车轮失效机率，同时保护好车轮的安全度。根据钢制车轮的使用标准，设计弯曲疲劳试验，在此基础上估算车轮的寿命，加强钢制车轮的性能控制力度。本文以钢制车轮为研究对象，分析弯曲疲劳试验与寿命估算。

钢制车轮 弯曲 疲劳试验 寿命估算

弯曲疲劳与寿命，是钢制车轮的性能指标。实际中，车轮在制造过程中容易受到过盈配合等因素的干扰，干预弯曲疲劳，缩短车轮运行的寿命期。因此，需要根据钢制车轮的状态，规划弯曲疲劳试验，评估车轮的性能，合理估算车轮的寿命，以规避车轮潜在的失效风险。

1　钢制车轮弯曲疲劳的影响因素

钢制车轮弯曲疲劳研究有利于估算车轮的寿命，找出比较容易出现疲劳裂纹的区域。钢制车轮的疲劳破坏是影响寿命的主要因素。当车轮受到外力、机械破坏时，都潜在弯曲疲劳的风险，无法保障预期寿命[1]。分析钢制车轮弯曲疲劳的影响因素，如：微动疲劳，是指钢制车轮在运行过程中，运动与摩擦共同引起的疲劳；接触疲劳，是由钢制车轮的材料、荷载等，在滑动、滚动多次接触下发生的疲劳，此类疲劳中存在反复的荷载受力；腐蚀疲劳，车轮接触有腐蚀性化学物质后出现的疲劳表现；热机械疲劳，受热与机械疲劳相结合后的总称，常见于循环状态下的受热变化，对钢制车轮的寿命影响极大，进而破坏钢制车轮的整体性能。

2　钢制车轮弯曲疲劳试验

钢制车轮承载着汽车的重量，同时受到侧向力、摩擦力的影响，干扰着钢制车轮的性能。目前，我国汽车行业的快速发展，对钢制车轮的要求越来越高。采取弯曲疲劳试验的分析方法，可估算钢制车轮的使用寿命。试验中，采用ANSYS软件构造仿真的试验环境，准确估算疲劳寿命，进而改进钢制车轮的生产过程。

2.1建模与材料

钢制车轮的弯曲疲劳试验中，通过ANSYS构建试验模型，以获取车轮的应力荷载，得出疲劳应变-寿命曲线，从而做为钢制车轮的设计标准[2]。ANSYS模型中，钢制车轮分为轮辋和轮轴两个部分，厚度分别为2.8mm、4.0mm，利用UG设计实体模型。车轮采取薄壁构成，经过壳单元划分有限元，选择车轮中面，导入ANSYS内的数据，划分软件单位。建模中，钢制车轮划分为21121个网络单元，组成仿真模型，泊松比为0.33，钢制车轮材料的弹性模量为2.07×105MPa，仿真构成模型如图1所示。

图1　钢制车轮的仿真模型

2.2边界与载荷

钢制车轮的弯曲疲劳试验中，边界与载荷的计算应该按照国标GB/T5909-1995中的相关规定执行。弯曲载荷弯矩M，单位N·m，是指力称力臂，具体的计算公式为：

其中，μ为固定系数，是指钢制车轮的轮胎与道路之间的摩擦系数；R为静负荷半径，钢制轮胎制造过程中，车轮会配置一定负荷的静半径；d为内外偏距；F为额定负荷，测量于最大垂直静负荷；S为强化试验的系数。

试验中，根据ANSYS设计的模型，R=0.285m，d=0.045m，F=3577N，μ=0.7，S=1.6，则实际计算公式为：

ANSYS有限元分析中，模拟钢制车轮360°作用提供循环的模拟条件，将整体圆周状态的车轮规划为8个单位，每个单位负责一个方向上的加载弯矩试验，从而计算出8组数据，明确8个方向的车轮弯矩作用[3]。钢制车轮加载试验中的响应，8个方向具有对称性，例举0°、45°、90°、135°的响应受力，如表1所示。由表中数据可知，轮辋、轮轴的受力不高，荷载应力集中在轮毂的螺栓附近，对应节点列数据应力并未达到235MPa的屈服应力，表明了弯曲疲劳损坏的地方。

表1　四个方向的应力值及节点号

2.3 试验求解分析

钢制车轮弯曲疲劳试验内，由ANSYS提供试验求解的过程。ANSYS软件设置是：静态应力分析Static、求解方式From LS Files，选取96个荷载步，计算1次；根据钢制车轮在动态状态下弯曲疲劳的应力，得出最大应力表现在车轮通风孔边缘位置；边缘有两个位置，均存在高应力状态，属于高风险位置，最高值为248MPa。

3　钢制车轮弯曲疲劳寿命分析

3.1预测过程

钢制车轮的弯曲寿命分析不仅要使用有限元模拟软件，还要配合损伤模型。模型中，车轮处在多轴应力的情况下，利用平面临界，得出车轮弯曲疲劳寿命的判断准则。以Brown-Miller为准则依据，得出贴近实际的参数。应变-寿命分析的公式为：

γmax为最大剪应变；εn为γmax状态下，平面的法向应变；△为变化范围；为疲劳延性指数；E为弹性模量；2Nf为反向疲劳寿命。因为钢制车轮弯曲疲劳寿命的预测中，还受到平均应力的影响，所以公式需要修正为：

其中，σnm是指平均正应力。加入钢制车轮表面无损坏、无缺陷，材料的拉伸强度为400MPa，屈服应力为253MPa，得出钢制车轮材料的应变-寿命曲线，如图2所示。

图2　应变-寿命曲线

3.2寿命结果分析

钢制车轮疲劳寿命较低的区域，表明车轮处于危险的状态。经试验分析后表明，螺栓、导圆处，短寿命的节点分布密集；车轮通风孔设计了圆弧过度位置，此部分存有一个节点，寿命较短。由此，汇总钢制车轮寿命较低的几个危险点，如表2所示。其中，685号节点，对数寿命为4.5041，可循环31923次，远小于安全循环次数18000次，计算得出疲劳安全系数=0.575[4]。钢制车轮的弯曲疲劳及寿命估算虽然可以达到生产的标准，但是危险系数较高，存在很大的安全隐患。因此，钢制车轮生产与制造中，可以适度改进通风孔的构造、形状，也可以增加车轮内的辐板厚度，加强车轮的强度，以延长弯曲疲劳的寿命。

表2　钢制车轮弯曲疲劳寿命的危险点

4　结束语

弯曲疲劳试验与寿命估算是评估钢制车轮性能的有效手段。通过试验分析，不仅能够指导钢制车轮的选型、设计，规范钢制车轮的生产，还能缩短车轮制造的周期，提高钢制车轮的开发效率。钢制车轮制造中，应该积极落实弯曲疲劳试验与寿命估算，改进钢制车轮的设计过程，从而保障车轮运行时的性能，提高车轮的安全性。

[1]郝琪，蔡芳.钢制车轮弯曲试验多轴疲劳寿命预测研究[J].汽车技术，2011，（2）：47-50.

[2]鄢奉林，陆兵，倪利勇.钢制车轮动态弯曲试验疲劳寿命预测[J].机械设计与制造，2010，（6）：117-119.

[3]王健行，郝艳华，颜伟泽.接触分析在车轮弯曲疲劳有限元分析中的应用[J].机械设计与制造，2012，（8）：58-60.

[4]李忱钊，郭永进，朱平，孟瑾，石磊.钢制车轮弯曲疲劳寿命的影响因素[J].机械设计与研究，2011，（2）：44-47，51.

Steel Wheels and Bending Fatigue Life Estimation Test

HUANG Gang
(Hangzhou Vocational and Technical College of Science and Technology, Hangzhou 311402)

The fatigue damage is a major cause of failure of steel wheels, st eel wheels i n applications, should evaluate good performance characteristics, reduci ng the probabil ity of failure of the wheel at the same time, protect the safety of the wheel well. According to the use of standard steel wheels, design bending fatigue tes t to es timate the life of the wheels on this bas is, to strengthen efforts t o control the performance of st eel wheels. Therefore, this paper steel wheels for the study, analysis of bending fatigue tests and service life estimates.

steel wheels, bending fatigue test, life estimation

杭州科技职业技术学院校级重点课题（HKYZD-2013-3）。