铝合金客车车轮螺栓孔开裂影响因素研究

王利梅，李建，陈红平，孙惠学,3

(1.秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司,河北秦皇岛 066004;2.秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司,

河北秦皇岛 066004；3.燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛 066004)



铝合金客车车轮螺栓孔开裂影响因素研究

王利梅1，李建2，陈红平2，孙惠学2,3

(1.秦皇岛戴卡兴龙轮毂有限公司,河北秦皇岛 066004;2.秦皇岛燕大现代集成制造技术开发有限公司,

河北秦皇岛 066004；3.燕山大学机械工程学院,河北秦皇岛 066004)

摘要：针对某款锻造铝合金客车车轮在使用过程中出现的螺栓孔附近位置开裂情况，利用有限元分析软件模拟车轮弯曲台架试验过程，考察螺栓预紧力及试验弯矩2个因素对车轮螺栓孔附近区域应力的影响。结果表明：有限元分析计算得到的危险位置与实际车轮开裂位置吻合，螺栓预紧力对螺栓孔附近节点拉应力影响不大，而试验弯矩影响相对较大，即客车超载可能是螺栓孔开裂的原因。此研究为铝合金车轮的设计提供了依据，对增强产品可靠性具有重要意义。

关键词：铝合金客车车轮；螺栓孔开裂；有限元分析

0引言

作为汽车的重要安全部件，对车轮的强度和疲劳寿命具有较高的要求，车轮的质量将直接影响汽车的安全性和可靠性。车轮在行驶过程中，承受着来自各个方向因起动、制动、转弯、物体冲击等各种载荷所产生的复杂力的作用，因此为了保证车轮产品的安全性能，在使用前必须通过多项台架试验测试，其中车轮弯曲疲劳试验是一个重要的测试环节。但进行车轮实际台架实验所需设备投入大，测试周期长，不适应现代化设计开发的要求。利用有限元分析软件建立虚拟台架试验，可在车轮设计阶段预测出车轮的疲劳破坏位置，为车轮开发和设计提供可靠依据，降低试验成本[1-4]。

某款锻造铝合金客车轮毂在使用过程中出现螺栓孔开裂情况，开裂位置如图1所示，裂纹从螺栓孔附近位置向中心孔延伸。出现开裂情况的车轮基本以客车前轮为主，而汽车前轮起到承重及转向的作用，在行驶过程中受到较大的弯矩作用。作者采用有限元分析软件建立车轮虚拟弯曲台架试验，模拟分析车轮在弯曲试验中螺栓孔附近位置的受力情况，考察螺栓预紧力及试验弯矩2个因素对车轮螺栓孔附近应力的影响。

1车轮虚拟弯曲台架试验建立

车轮弯曲疲劳试验是标准的试验方法，用于检验车轮的疲劳寿命和可靠性。具体的试验方法依据此款车轮规定的弯曲试验标准(SAEJ267a)执行，标准规定：台架试验台包括1个被驱动的旋转装置，车轮轮辋固定不动，力臂杆在固定弯矩作用下旋转，臂长0.5～1.04 m，加载力臂和连接件用双头螺栓和螺母连接到车轮的安装平面上。图2为车轮径向疲劳试验示意图，试验弯矩和螺栓预紧力的大小可以按照以下公式确定[5]：

试验弯矩：

M=(μR+h)FS

其中：μ为轮胎与道路的摩擦因数；

R为静载半径(汽车制造厂与该轮毂配用轮胎的静载半径)；

h为车轮内偏距或外偏距；

F为汽车制造厂规定的车轮最大载荷；

S为强化试验系数。

螺栓预紧力:

其中：T为螺栓扭矩；

d为螺栓直径；

K为拧紧力矩系数。

文中采用UG软件对车轮及力臂加载杆建模，车轮模型如图3所示。分析采用ABAQUS有限元分析软件。车轮材料为6061铝合金，密度为2.7×10-9kg/mm3，弹性模量取69 GPa，泊松比取0.33，力臂杆长度为1 000 mm，车轮模型网格采用四面体划分。

虚拟台架试验在车轮的轮辋底部加载固定约束，在10个螺栓孔处分别施加螺栓预紧力，在力臂杆底部施加径向载荷，此虚拟台架试验与实际台架试验具有等效的边界条件施加方法，有限元分析采用静态隐式算法，保证仿真模型的准确性。模型载荷及边界条件的设置如图4所示。

2有限元分析结果

分析计算得到铝合金车轮螺栓孔附近节点Mises及最大主应力云图，如图5、图6所示。

可以看出：螺栓孔附近位置的Mises较大，且该区域最大主应力为拉应力(图6中I区域位置)，此位置位于螺栓与车轮螺栓孔接触边缘，该区域节点拉应力较大，为可能发生裂纹区域，此区域与车轮实际开裂(图1)位置吻合。

车轮弯曲疲劳试验中影响因素主要包括螺栓预紧力及试验弯矩的大小，以下分别考察螺栓预紧力及试验弯矩的大小对车轮螺栓孔附近区域Mises及拉应力的影响。首先固定试验弯矩，预紧力大小分别取0.5T、0.75T、T、1.25T、1.5T，其中T为标准螺栓预紧力，经计算螺栓预紧力大小取109 773 N；然后螺栓预紧力大小保持不变，加载弯矩分别取0.5M、0.75M、M、1.25M、1.5M，其中M为标准试验弯矩，大小取2 893 kg·m；经分析计算，螺栓预紧力及试验弯矩的大小对车轮螺栓孔附近区域Mises及拉应力的影响关系分别如图7、图8所示。

从图7可以看出:螺栓预紧力的改变对螺栓孔附近节点拉应力影响不大，而Mises应力的变化主要取决于螺栓预紧所产生的压应力，不是导致车轮开裂的因素。从图8可以看出:螺栓孔附近节点拉应力随着试验弯矩的增大而增大，而实际车轮行驶过程中，超载会导致弯矩的提升，而且车轮在转弯过程中，车轮螺栓孔附近区域所受拉应力的大小是不断变化的，所以可推测客车超载导致弯矩增大可能是螺栓孔附近区域产生开裂的主要原因。

3结论

(1)基于有限元分析软件建立了车轮虚拟弯曲台架试验，分析得到的危险位置与车轮实际发生开裂位置吻合，此研究为铝合金车轮的开发设计提供了依据，对增强产品可靠性具有重要意义。

(2)螺栓预紧力对螺栓孔附近节点拉应力影响不大，而试验弯矩影响相对较大，即客车超载导致弯矩增大可能是螺栓孔附近区域产生开裂的主要原因。

参考文献:

【1】闫胜昝，童水光，张响，等.汽车车轮径向试验分析研究[J].机械强度，2008,30(4)：687-691.

【2】王良模，陈玉发，王晨至，等.铝合金车轮弯曲疲劳寿命的仿真分析与试验研究[J].南京理工大学学报(自然科学版)，2009，33(5)：571-575.

【3】周堃，赵玉涛，苏大为，等.轿车铝合金车轮弯曲疲劳性能的有限元分析[J].机械设计与制造，2009(5):6-8.

【4】支瑞红.基于弯曲疲劳试验的铝合金车轮有限元分析[J].机械管理开发，2009,24(6):26-28.

【5】韩兵，朱茂桃，张永建.铝合金车轮动态弯曲疲劳寿命预测[J].农业机械学报，2008,39(5):208-210.

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Research on Influencing Factors of Aluminum Alloy Bus Wheel Bolt Hole Crack

WANG Limei1,LI Jian2,CHEN Hongping2，SUN Huixue2,3

(1.Qinhuangdao Dicastal Xinglong Wheel Co.,Ltd.,Qinhuangdao Hebei 066004,China;2.Qinhuangdao Yanda Modern CIMS Technology Development Co., Qinhuangdao Hebei 066004,China;3.College of Mechanical Engineering, Yanshan University, Qinhuangdao Hebei 066004,China)

Keywords:Aluminum alloy bus wheel；Cracking of bolt hole；Finite element analysis

Abstract:Due to the cracking near the location of the bolt holes of a subsection forged aluminum alloy wheel during use on a passenger car, the wheel bent bench test process was simulated using finite element analysis software, to view the influence of bolt preload and bending moment to stress. The results show that: dangerous position obtained by the finite element analysis is consistent with the actual wheel cracking position; bolt preload has little effect on the tensile stress near the bolt hole; the pilot moment impact is relatively large, so the passenger overloading may lead to the bolt hole cracking. The study provides a basis for the design of the aluminum alloy wheels, and is of great significance for enhancing product reliability.

收稿日期：2015-12-10

作者简介：王利梅(1983—)，女，硕士研究生，工程师，主要研究方向为车轮锻造成型模具研发。E-mail：wanglimei925820@163.com。 通信作者：李建， E-mail：cae006@163.com。

中图分类号:TH164

文献标志码：A

文章编号：1674-1986(2016)03-053-03