悬臂式车轮动态弯曲疲劳试验机加载臂的研究

悬臂式车轮动态弯曲疲劳试验机加载臂的研究

刘杨1,2,苏成志1

(1.长春理工大学机电工程学院，长春130022； 2.长春汽车工业高等专科学校,长春130013)

摘要：车轮是汽车的重要部件之一，其稳定性与安全性对汽车的行驶安全至关重要。车轮在使用之前必须经过疲劳试验测试，悬臂式车轮动态弯曲试验机是一种被广泛采用的车轮疲劳特性测试设备。加载臂是车轮弯曲疲劳试验机的核心部件，使用过程中处于交变载荷作用下， 常易发生破坏。 因此， 对悬臂式车轮动态弯曲加载臂的相关特性进行分析，得出其破坏原因，并对其进行相关力学分析有重要意义。本文利用三维设计软件对其进行三维建模，借助有限元分析软件对试验机加载臂进行了结构特性分析计算， 并分析了其破坏的原因。

关键词：加载臂；疲劳；有限元分析；旋转机械

收稿日期:2014-05-28

作者简介:刘杨(1986-)，男，辽宁抚顺人，硕士研究生，主要从事数字化设计与制造方面研究；苏成志(1977-)，男，吉林桦甸人，副教授，博士，主要从事机电系统、光电检测方面的研究。

中图分类号：TG111.8文献标志码：A

0引言

车轮作为汽车的重要的旋转部件,处于轴和轮胎之间承受各种载荷。车轮弯曲疲劳试验机是检测车轮弯曲疲劳的重要设备，加载臂是弯曲疲劳试验机的核心部件，由于加载臂所承受较大的载荷、工作时转速较高而且旋转次数要超过100万次，所以弯曲疲劳试验机加载臂的可靠性显得尤为重要[1-3]。弯曲疲劳试验机加载臂未达到预期寿命就发生破坏，会给试验人员的安全造成威胁。另外，当加载臂出现小破坏且尚未断裂时，会影响车轮弯曲疲劳试验的可靠性，因此对车轮加载臂系统的疲劳强度的研究具有重要意义[4]。与此同时，车轮弯曲疲劳试验机加载臂系统是一种旋转轴系机构，对其力学性能的研究对提高其它旋转轴系系统运行的稳定性有重要借鉴意义[5]。

1车轮动态弯曲疲劳试验机设计原理

在本文所研究的汽车车轮弯曲疲劳试验机中， 车轮位于试验机顶端固定不动，加载臂顶部与车轮固结，底端与伺服电机和不平衡块连接。伺服电机直接驱动不平衡块旋转产生离心力，进而产生一个旋转弯矩作用在车轮上。这种试验方法的原理如图1 所示。车轮弯曲疲劳试验机加载臂长期处于高周交变载荷作用下， 极易发生如图2 所示的破坏，因此应对加载臂进行合理结构设计，以保证其可靠性和疲劳强度。

图1　车轮动态弯曲疲劳试验机设计原理图

2加载臂的结构设计

加载臂的结构设计包括合理外形和全部结构尺寸的设计。本文以加载臂的工作强度计算为基础，考虑到伺服电机及其它零件在加载臂的安装位置等因素，设计了如图3所示加载臂的结构。

图3　加载臂的结构示意图

3加载臂的受力分析

试验机在工作时，空心轴电机带动悬臂与不平衡块的旋转，产生垂直于加载臂轴线方向的离心力，通过加载臂的传递，最终形成供被测车轮使用的实验弯矩，加载臂受不平衡质量块提供的离心力。不平衡质量块质量为m，旋转半径为r，空心轴电机转速为ω，Fr为离心力，由公式知道，加载臂离心力为

Fr=mω2r

(1)

4材料参数设置与网格的划分

实验系统的加载臂材料为40CrNiMoA圆钢，40CrNiMo圆钢有高的强度、韧度和良好的淬透性和抗过热的稳定性， 常用于强度高、塑性好的重要零部件。将该种材料添加到ANSYS workbench软件的材料库中，并将其参数添加到Engineering Data模块中， 其材料参数如表1所示。

表1　系统设定材料参数

系统实体模型的有限元网格的划分对仿真的精度和效率至关重要， 为保证分析精度同时提高分析效率，本文以高质量的六面体网格为主，对实体的网格进行划分，各实体几何参数以及有限元网格节点和单元详情如表2所示，网格划分如图4所示。

表2　模型参数

图4　加载臂的网格划分

图5　系统局部低刚度疲劳

5加载臂疲劳特性分析

实验设备在10000N载荷作用下， 应变和应力为3.0493×10-4mm、63.831 MPa。在ANSYS workbench静态结构分析中可以插入疲劳分析工具箱，对结构进行疲劳分析。

在10000N交变应力下，结构疲劳分析结果如图5所示，疲劳分析结果与实验设备调试过程中加载臂疲劳破坏位置完全吻合。

6模态分析

模态分析就是系统结构的固有频率和振型分析，即确定结构的振动特性。ANSYS workbench软件中的模态分析属于线性分析，动力学方程为：

(2)

其中：M为结构的质量矩阵；K为结构的刚度矩阵；u为结构的位移矢量。

通过对实验系统的模态分析，实验系统横向振动的一阶模态频率为58.7Hz，实验系统的额定的工作频率范围为5Hz～40Hz，加载臂整体一阶振型和二阶振型如图6所示。

图6　系统横向振动一阶振型

由加载臂模态分析得到的振型结果云图可知，模态分析得到的整体一阶频率和二阶频率为加载臂的在水平面内横向振动的一阶频率， 加载臂横向振动的三阶频率和四阶频率，如图7所示，通过云图结果，其振型显示在结构容易放生疲劳的位置是相位变形最大位置。

图7　系统横向振动三阶、四阶振型

由图的分析得知，虽然不会达到使疲劳位置发生最大变形的共振频率，但是此位置的响应中容易在系统整体响应增大时发生疲劳破坏，因此，在结构优化时应加固加载臂应力集中的位置。系统的三阶模态频率和四阶模态频率为加载臂横向振动的二阶模态频率。 因此， 加载臂系统工作时的频率应尽可能避开其固有频率。

7结语

本文对悬臂式车轮动态弯曲疲劳试验机的工作原理进行了简单的介绍，并设计了悬臂式车轮动态弯曲疲劳试验机的加载臂，并对其进行了三维建模与疲劳分析及模态等工作。根据有限元仿真的分析结果，确定了加载臂的设计符合使用要求，并且得到这种加载臂的薄弱环节，对今后改进加载臂结构的设计工作，延长其使用寿命，提高其 疲劳强度提供了有力依据，同时对于降低研发成本，缩短研发周期有重要意义。

参考文献:

[1]闫胜昝,童水光,张响,等.汽车车轮弯曲疲劳试验分析研究[J].机械强度，2008,30(4):687-691.

[2]凌桂龙,丁金滨,温正. ANSYS Workbench 13.0从入门到精通[M].北京:清华大学出版社,2012.

[3]GB/T 14786-2008农林拖拉机和机械 驱动车轮扭转疲劳试验方法[S]2008.

[4]任山,朱其文,杜天强. 汽车车轮性能试验方法及标准[J]. 天津汽车,2003(2):21-25.

[5]Gantar M，Florjancic D.Hydraulic axial thrust in multistage pumps-origins and solutions[J]. Fluids Eng Trans，2002，124(2): 336-341.

责任编辑：吴旭云

Research of Loading Arm on Cantilever Wheel Dynamic Bending Fatigue Testing Machine

LIU Yang1，2， SU Chengzhi1

(1.School of Mechatronical Engineering, Changchun University of Science and Technology, Changchun 130022, China;

2. Changchun Automobile Industry Institute， Changchun 130013, China)

Abstract：The wheels, as important parts of a car, the stability and security of which are critical to the safe driving. Wheels must be tested by the fatigue test machine before using. The cantilever wheel dynamic bending test machine is an equipment that has been widely used for testing the wheel fatigue features. The loaded arm is the core component of wheel bending fatigue testing machine，which is under the function of alternating load and is often prone to failure. Therefore, it is of great significance to make related analysis of loading arm on cantilever wheel dynamic bending machine, know the reason for its broken and carry out relevant mechanical analysis. This paper uses the three-dimensional design software to build a three-dimensional modeling, makes a structural characterization calculation by finite element analysis software, and analyzes the causes for its destruction.

Keywords：loading arm; fatigue; finite element analysis; rotating machinery