基于有限元的铝合金车轮疲劳分析

陈 毅，侯存满，赵海新

(承德石油高等专科学校 汽车工程系,河北 承德 067000)

车轮是汽车的重要旋转类支撑零部件，不仅支撑着车辆本身的全部重量，而且还要受到汽车在行驶中因减速、转弯、风阻和路面不平等来自多个方向的各种动态载荷。车轮是簧下高速旋转质量元件，其旋转时质量增加所产生的耗能相当于非旋转件的1.2～1.5倍，同时车轮转动惯量增大也严重的影响整车的平顺性和加速性能[1]。汽车车轮的失效形式主要有强度断裂和疲劳失效，其中由于疲劳断裂引起的车轮破坏占80%以上。利用集CAD/CAE/CAM功能于一体的设计软件Solidworks建立了铝合金车轮的三维模型，并对车轮进行弯曲疲劳分析和径向疲劳分析进行仿真分析。

1 车轮疲劳理论

在交变载荷的作用下，即使零件所承受的应力低于材料的屈服应力，但经过长时间的工作周期后产生裂纹或断裂的现象称为金属零件的疲劳[2]。车轮受到的载荷可以分为内部载荷和外部载荷。内部载荷有铸造生产过程中产生的残余应力、充气压力和车轮螺栓预紧力等。外部载荷有行驶中地面激励的随机载荷、车辆重力作用于车轮的径向力以及弯曲力矩等。车轮长期运转过程中，轮辐和轮辋在内外部载荷的交替作用下容易出现疲劳破坏。利用应力寿命疲劳分析方法对车轮进行疲劳分析，并利用适用于脆性材料的Goodman应力修正方法对仿真结果进行修正。

2 车轮静应力分析

汽车车轮的受力状态有两种情况：1)汽车在静止状态下受到的重力静应力作用；2)汽车在行驶过程中受到动态循环载荷作用[3]。在铝合金车轮三维模型基础上建立其有限元模型，在分析过程中可以施加各种载荷和约束的边界条件，为了提高分析的准确性和高效性，将车轮轮辋表面进行分割以便于加载约束和载荷，并去除较小的圆角等[4]。铝合金车轮轮毂直径是16寸，材料牌号选用A356，其弹性模量E=72 400 N/mm2，泊松比μ=0.33，密度ρ=2.7 g/cm3，屈服强度σs=150 MPa，抗拉强度σb=256 MPa。

由于该车轮结构对称，取1/5圆周72度作为研究对象，即轮辐中心线到最近的窗口中心线，那么设轮辐中心线为0度的话，窗口中心线就为36度。在车辆重力径向载荷的作用下，在不忽略充气压力对轮辋的作用情况下，车辆在0度和36度时的应力分布图见图1所示。

0度时的应力分布图显示车轮最大应力为68.144 MPa，最大应力出现在0度载荷所对的轮辐上，并且靠近螺栓孔处。36度时的应力分布图显示车轮最大应力为60.711 MPa，最大应力出现在36度载荷所对窗口的两侧轮辐上，并且靠近轮毂处。除了承载轮辐其余轮辐受力也较大，轮辐和轮辋相联接的地方应力也较大。0度载荷时最大应力显然大于36度时的最大应力，说明车轮在0度载荷时的承载能力弱于36度时的承载能力，但是均远小于车轮材料的屈服强度极限，说明车轮在静应力载荷下安全系数较高。

3 车轮弯曲疲劳分析

根据国家标准GB/T 5334-2005对乘用车车轮的性能要求和试验方法及标准的要求，轻合金材料车轮动态弯曲疲劳试验循环次数不少于105次，动态径向疲劳试验循环次数不少于5×105次。在进行铝合金车轮的弯曲疲劳分析有限元模型时，需要给车轮施加一个弯矩。根据试验要求有限元模型设计成车轮和加载臂两个部分，车轮和加载臂之间通过车轮螺栓联接。考虑到车轮的实际使用要求并结合试验要求，加载臂的长度选取为500 mm。车轮和加载臂的有限元模型见图2所示。

图3是车轮在动态循环弯曲载荷下的生命图解和损坏图解。生命图解显示车轮生命周期最小的节点寿命值是6.068×105次。损坏因子也被称为利用率，代表结构消耗寿命的比率，由损坏图解可以看出最大损坏百分比是1.648%。由此可以看出车轮的寿命值远高于标准值，车轮设计满足弯曲疲劳安全的要求，同时说明该车轮轮辐厚度较大可以进一步进行车轮轻量化设计。

4 车轮径向疲劳分析

在车辆的动态径向疲劳试验中，需要给车轮作用一个大小恒定的径向载荷，但是作用在车轮上的位置是随着车轮的转动时刻变化着。径向力在某一方向上静应力较大的区域就是动态径向疲劳试验中应力幅值较大的地方[5]。通过图1对车轮的静应力分析的结果，说明在0度方向载荷时的最大应力要大于36度时的最大应力。所以在径向疲劳分析中选择0度载荷方向作为研究对象，换言之如果0度载荷方向满足设计要求，其余方向安全系数则会更高。

图4是径向疲劳分析结果，生命图解表明车轮生命周期总数最少1.001×108次，可以近似认为寿命趋于无限，由损坏图解可以看出最大损坏百分比是0.5005%。结果表明车轮的径向疲劳寿命要远高于径向疲劳试验标准的1×105，表明车轮的安全系数较高满足性能要求。

5 结论

在车轮静应力分析的基础上，对车轮的弯曲疲劳寿命和径向疲劳寿命进行了仿真预测，结果表明无论是弯曲疲劳分析还是径向疲劳分析车轮的寿命要远高于国家标准的试验要求和性能使用。可以得出车轮的径向疲劳寿命又远高于弯曲疲劳寿命，所以在车轮长期运转时弯曲疲劳给车轮带来的疲劳失效损害更大。在车轮静应力分析中，0度载荷方向的最大应力大于36度时的最大应力，远小于材料的屈服极限。该车轮除轮胎座圈、轮辐靠近轮毂处和轮辐与轮辋的联结处外，其余部位疲劳寿命值富裕过多，可以继续进行优化设计，以提高汽车的燃油经济性和安全性。

参考文献：

[1] 王维平. 钢制车轮与铝合金车轮对比仿真分析与优化设计[D].镇江：江苏大学,2016.

[2] 杨磊. 镁合金汽车轮毂的轻量化设计及有限元分析[D].青岛：山东科技大学,2011.

[3] 王燕平. 基于疲劳强度的铝合金车轮结构设计及分析[D].广州：华南理工大学,2012.

[4] 陈毅，杜蔚华，张全逾，等. 基于CATIA的路面养护车副车架设计[J]. 承德石油高等专科学校学报，2015，17(1)：52-57.

[5] 周渝庆. 镁合金车轮疲劳寿命预测与优化设计[D].重庆：重庆大学,2008.