轿车轮毂疲劳寿命试验研究

申富强　石胜文

摘 要：轮毂影响着车辆的形式，是其重要的组成部分。轮毂的疲劳寿命与汽车的安全质量有着千丝万缕的关系，其担负着汽车的重量，又与外形息息相关。轮毂对其性能和外形要求较高，进行制作的过程难度很大。现在的汽车在很多方面追求高速行驶，时速在不断提高，高速行驶的汽车最容易发生损坏的是轮毂，高速行驶中的轮毂疲劳破坏不仅对轿车本身有严重的影响，更影响着驾乘者安全。

关键词：轿车轮；疲劳寿命；试验

中图分类号：THl33.33；TH87 文献标识码：A 文章编号：1006-8937（2016）18-0056-02

1 概 述

汽车轮毂长时间行驶之后会产生疲劳状态，并且在行驶中所发生的碰撞，都让其成为工程设计人员在进行设计时候所需要考虑的重要因素。疲劳寿命是衡量轮毂质量的一个非常重要的汽车使用的频率，以及人们对汽车的要求都让其寿命试验成为非常重要的产品检验途径。疲劳试验的过程需要耗费的人力、物力较为严重，并且需要占用很长的时间，对于一些复杂实验则还需要增加相应的支出，并且该实验目前尚无法在试验机上实现。当前阶段，在轮毂实验方面所使用的方法主要包括以下几种，即：有限元法、边界元法、离散单元法和有限差分法。有限元法相对于实际情况来说，应用较为广泛。

可以说，有限元法的试验已经开始呈现出越来越广泛的取代之势，其代替了大量的实物试验，具有“虚拟实验”的代表性。并且，依据相关资料显示，一个产品的应用只有在设计阶段进行有效实验，大部分问题都可以予以解决。因此，通过大量的数据统计，计算方法的应用，以及典型的验证性，能够让试验的成本呈现出下降的趋势，并提高其相应的试验效率。

2 轮毂的疲劳寿命研究

轮毂的台架试验主要包括疲劳强度的测试（弯曲疲劳和径向疲劳试验）和冲击强度的测试（冲击试验）。轮毂是汽车的重要组成部分，其对于企业的安全驾驶，平稳形式，以及相关的牵引作用都具有重要影响，与能源消耗，驾驶员的劳动强度等等方面关系密切。轮毂的疲劳寿命已经成为研制中最为关系的问题，也就是说，让其在使用过程中不会因为疲劳发生破坏。这就需要对轮毂进行使用寿命的预测，这也是人们所关心的重要问题。通过实验对轮毂的弯曲疲劳断裂问题进行研究，则需要在应力法和局部应力方法对其疲劳寿命进行检测，从而了解其实际情况。这些方法的应用在计算准确性方面并没有呈现出优势，也难以真正对轮毂的实际使用情况进行评测，更加难以提供有效数据让开发人员进行研究和使用。因此，针对轮毂曲疲劳试验的计算机仿真系统应运而生，此系统所应用的基础便是有限元分析，由该算法分析程序，接口程序，和疲劳寿命估算程序三部分组成，通过有限元分析法结果，以及名义应力法，以及局部应力应变法相结合的方式，对钢制轮毂弯曲寿命进行相应的预测。其所使用的工具是有限元分析软件ANSYS，将轮毂的设计和使用寿命有效结合起来，建立相应的CAE平台，该平台比较适合企业使用。但时，该系统也有自身的缺陷，那就是因为有限元力学模型是线性力学模型，对于元件之间的关系还需要进一步进行考虑，对于螺栓预紧力影响方面也呈现出考虑不周的情况。因此，在进行法兰盘及螺栓孔附近的应力分布情况计算的时候，就会容易出现所检测的数据不准确的情况。此平台的应用受到的局限性较大，只能依托于较为可靠的数据支撑对轮毂的弯曲疲劳寿命进行检测。

3 疲劳和疲劳寿命分析

3.1 疲劳寿命

疲劳寿命是指结构或机械直至破坏作用的循环载荷的次数或时间。从其发展来看，包括二阶段疲劳寿命模型，三阶段疲劳寿命模型和多疲劳寿命模型。在实验中，三阶段疲劳寿命模型分析的方法应用最为广泛，认为疲劳损伤过程由无裂纹、小裂纹和大裂纹三个阶段组成，如图1所示。

上述裂纹的情况与材料力活应变的反应关系密切，是在其反复作用下发生的变化，虽然一般情况下，此术语也应用在非金属材料中。

3.2 影响结构疲劳寿命的主要因素

对于轮毂疲劳寿命的影响因素主要包括以下几类：①对于局部会产生影响的因素，主要包括荷载特性（涉及到应力状态、残余应力、循环特性、高载效应），零件的几何形状（缺口应力集中、尺寸大小）等；②对于微观结构有影响的因素，比如材料种类，对材料的热处理（影响材料的延性、缺陷的种类、缺陷分布等）、机械加工等；③疲劳伤源的影响因素，比如表面粗糙度、腐蚀和应力腐蚀。

3.3 确定疲劳寿命的方法

汽车轮毂疲劳寿命的检测方法依据的是材料的疲劳性能，其需要综合考虑材料的载荷程度进行分析轮毂的使用寿命，并依据模型对其疲劳程度进行划定。其主要包括三个方面：材料疲劳行为的描述；循环载荷下结构的响应；疲劳累积损伤法则，具体如图2所示。

通过该试验方法，我们可以看出，其目标是降低疲劳分析对数据的依赖性，尽量减少试验中经验的运用。设计人员可以通过疲劳寿命的校核对设计进行相应的改进。这就需要设计人员在进行实验之前，首先对轮毂的疲劳危险部位进行分析，从而对试验的关键程序或者部位进行确定。

4 轿车轮毂疲劳分析

该汽车轮毂疲劳寿命的检测设备的机械部分主要为主轴，伺服电机和皮带轮。伺服电机实现多种速度下的检测。下面主要是主轴、伺服电机和皮带轮各个零部件的设计计算和选用。

4.1 轴的参数计算和轴径选择

4.1.1 计算中所用到的参数

①pd为电动机输出功率，5.0 kW；

②ηc为电动机和输入轴之间皮带传动的效率，0.95；

③ηr为一对滚动轴承传动的效率，0.99。

4.1.2 轴的功率计算

4.1.4 初估轴径

轴径一般先按许用扭转剪应力的计算方法估算， 估算公式为：

由于n4=800 r/min>600 r/min以及n4=1 000 r/min>600 r/min故只要满足d≥21.84 mm即可，取最小轴径为满足要求。

初估直径d常作为轴的最小直径，若该轴段由键槽，应将轴径增大，并圆整为标准尺寸系列值。

4.2 电动机的选择

按已知的工作条件和要求，可以选用松下MDMA系列（中惯量）伺服电动机，即可满足要求。

使用环境温度（使用时）：0～40 ℃；-20～80 ℃（无结露）湿度（使用时）85%RH以下（无结露）耐震：5G以下。

4.3 皮带轮的选择

确定设计功率Pd·Pd=KA.由于载荷变动最小，且为轻载启动故有KA=1.0根据设计要求可以按Pd=4.5 kW计算。

选择V带型号： 因为对结构尺寸无严格要求，可选用普通V带即可。

5 结 语

本文通过对轿车轮毂疲劳寿命方面的学习和研究，设计了一套用于轿车轮毂可靠性试验的试验台，利用该试验台对公司的轿车轮毂进行了一系列的批量可靠性试验。试验结果表明，此试验台能够满足试验任务的技术要求，为轿车轮毂的质量品质改善提供试验了保证和依据，为后续新产品的研发提供了很好的试验基础。

参考文献：

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