钢制车轮有限元分析

盛枫，王燕，叶燕飞

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

随着科学技术的不断进步，汽车在人类发展史上做出了突出贡献。在经济发达的今天，无论是人类出行，还是货物运输，都离不开汽车。汽车是目前世界范围内非常重要的交通工具，不仅为生活带来了便利，同时也为不同文明、不同地域之间的文化交流起到了桥梁作用。由于汽车在早期结构都非常简单，汽车的制造及钢轮设计在很大程度上都是基于经验值，很少通过实验来模拟。在计算方法和数据缺乏科学性及精确性的背景下，采用传统的设计方法尤其是在可靠性方面通常无法满足相应要求。

近年来，有限元法已成为现代计算机辅助工程的一部分，并在汽车设计领域得到广泛应用。有限元技术不仅可以准确模拟汽车的静态强度、动态性能和碰撞安全性，而且可以模拟疲劳时间。如果在设计阶段采用有限元技术分析汽车钢制车轮的疲劳性能，可以大大缩短产品设计周期，降低设计成本。

1 钢制车轮发展概述

钢制车轮在汽车设计领域得到了不断的应用。随着汽车的不断推广，汽车已经变得更安全、更方便，越来越适合人们的生活。随着世界经济的迅速繁荣，汽车市场也随之繁荣起来。如何提供更好的产品也成为大型汽车制造商关注的焦点，尤其是作为汽车安全的重要部件。钢制车轮在保证车辆使用安全性方面具有至关重要的作用。

2 钢制车轮疲劳有限元分析的意义

车轮作为汽车的重要安全部件，将地面提供的能量传递给汽车。车轮的性能对使用者的生命安全起着重要作用。车轮承载车辆重量，并在行驶过程中提供动力和制动。车轮是汽车上重要的旋转部件。它通常由轮辋和轮辐组成，有时还包括轮毂。为确保车辆安全，车轮必须具有足够的刚度和强度。钢制车轮通常会因为疲劳产生局部小裂纹，并延伸至突然断裂。实际情况表明，疲劳损伤在车轮损伤中起着非常重要的作用。汽车在上路正常行驶的过程中，疲劳载荷对车轮的安全可靠性会产生严重的影响，然而在汽车车轮设计的过程中，采用有限元分析法进行疲劳寿命分析具有非常重要的作用。

3 钢制车轮有限元分析国内外研究现状

3．1 国外研究现状

国外研究机构对汽车车轮性能的研究历史悠久，但他们的研究主要集中在钢制车轮。20世纪70年代，在日本和欧洲对钢制和钢车轮进行了广泛的研究。随着美国和德国疲劳预期寿命预测系统的逐步发展，国外在20世纪80年代和90年代开始对车轮疲劳进行研究。随着MSC公司开发的MSC.FATIGUE下的”WHEELS”模块的诞生，为车轮疲劳时间的分析打开了大门。

最早，日本学者使用有限元分析软件ABAQUS。对钢制车轮的强度进行了分析，并对试验结果进行汇总。结果表明，轮辋厚度对钢制车轮的强度有显著影响。后来，美国学者对钢制车轮进行了有限元分析。通过在轮辋座螺栓孔上施加载荷，并考虑轮胎气压的影响，建立了有效的有限元模型。此外，许多国外科学家也对钢制车轮疲劳分析做出了重要贡献。在2003年研究人员GaneshBabuThiyagarajan利用ANSYS对钢圈进行了疲劳寿命分析。采用了弹塑性有限元分析的方法对其进行了准确的预测。

3．2 国内研究现状

钢制车轮疲劳性能分析在我国起步较晚，但随着我国制造业的发展和有限元技术的不断进步，在工程实践中的应用越来越多，发展迅速。湖南大学的谢秀松首先用有限元法分析了钢制车轮的疲劳性。然而，由于当时条件的限制，分析结果并不理想。近年来，随着科学技术的不断进步，使用正确的加载方法和应力条件确定的，实验结果与理论计算的比较表明，钢制车轮疲劳分析具有很大的参考价值。早在2008年，浙江大学的严胜赞博士就讨论了不同疲劳形式之间的分析方法，主要包括径向疲劳、循环疲劳及不同疲劳方式的有限元分析，并为未来的研究提供了有价值的指示。

4 钢制车轮受力分析

车轮是汽车中重要的旋转钢制车轮。它们对汽车的行驶稳定性、驾驶舒适性和动态性能起着非常重要的作用，直接影响着使用者的生命安全。

4．1 钢制车轮载荷分类

车轮不仅承载车辆的重量，而且还承载由驾驶行为、制动、转弯和路面不平引起的非常复杂的外力。因此，车轮受力分析对车轮制造具有重要意义。由于车轮载荷的复杂性，相关科学家将载荷力分为两类。

4．1．1 内部载荷

钢制车轮内部载荷通常指车轮在生产制造过程中所形成的内应力，即为内部载荷。车轮包括轮辐和轮辋，在生产过程中残余应力较大，通常与装备过程及焊接方法有关。钢制车轮在焊接过程中由于焊接应力的存在，产生较大的内部载荷。其它还包括螺栓的预紧力及轮胎的充气压力，都属于内应力。

4．1．2 外部载荷

钢制车轮在外部载荷的作用下产生的作用力，成为外部载荷。在汽车行驶过程中，首先考虑的是地面对车轮产生的作用力。作用力通过轮胎影响轮辋的轮缘和胎圈座的，从而影响着轮辐。其次是轴对车轮的作用力。整个车轮的性能受车轮大小和接口件的影响，包括垂直力，轴端分布的总载荷、纵向力、制动、驾驶和移动时作用在车轮上的惯性力。

4．2 钢制车轮力学特性分析

4．2．1 车轮生产过程中的作用力

根据国外研究机构和科学家的研究，车轮在生产过程中的作用力对疲劳的影响。其中主要包括装配和焊接应力。焊接应力对车轮的弯曲和疲劳时间影响不大，然而径向疲劳对循环疲劳寿命的影响不容忽视。

4．2．2 车轴对车轮的作用力

在作用力中，车轴对车轮的影响力最大，直接对车轮的疲劳性能产生影响。通过一系列的实验研究表明，车轮载荷的分量一般分为横向分量和纵向分量。横纵向分量对车轮最大压力位置产生影响，但是车轮的尺寸没有影响。然而钢制车轮最大压力通常出现在螺栓孔附近，因此对车轮的疲劳性能影响显著。驱动扭矩和垂直分量会导致过度的压力集中，因此会对车轮的疲劳产生显著影响。

4．2．3 轮胎充气压力

轮胎是车轮的弹性部分，带有减震器以吸收振动。在功能上，它可以提高车辆的驾驶舒适性、牵引力、制动性能和操纵性。相关研究表明，充气压力直接影响轮辋的张力，影响车轮的疲劳效率。轮胎上的充气压力越高，轮座和轮辋上的压力越大，轮胎充气压力对轮胎疲劳效率影响较大。

4．2．4 螺栓预紧力

车轮用螺栓固定在车轴上，车轮与车轴之间的力主要通过螺栓传递。车轮装配时，车轮制造商已经确定了螺栓的扭矩，以确保车轮装配的准确性。螺栓的变形将导致螺栓孔处的压力集中，影响车轮的疲劳强度。在有限元分析中，有时车轮直接与轴连接，而螺栓预紧力的影响往往被忽略。

5 汽车钢制车轮疲劳的有限元分析试验

5．1 针对汽车钢制车轮进行车轮有限元模型

在汽车的各种零部件中，汽车车轮看似结构简单，但其受力状态较为复杂。在车轮的不同部位存在多处可变受力点。当钢制车轮在较为复杂的路况上行驶时，在车轮不同的部位通常会出现应力突变点，易引发应力集中现象。当受力突变点一旦作用在应力集中部位，通常会引发疲劳现象。在长期疲劳载荷的作用下，常常会引发疲劳破坏。尤其当观察车轮疲劳破坏的形式时，在不同的受力状态下会出现不同形式的疲劳破坏方式。利用现代科技手段，对汽车钢制车轮采用有限元分析，并建立了有限元分析模型，如图1所示。为车轮疲劳寿命及设计提供数据支撑。

图1 钢制车轮有限元模型

5．2 汽车钢制车轮的车轮有限元模型分析及结果

钢制车轮在投入使用前应当进行相关的性能试验，主要包括径向疲劳试验、车轮动态的弯曲疲劳试验。在进行上述性能试验前，无论是国外厂家还是国内厂家都对相应的试验过程有严格的要求。对于冲击性能试验要求来说，利用锤头的自由落体来测试钢材的冲击韧性，对钢制车轮的冲击同样如此。在有限元模型测试过程中，通过对约束条件的限制，对车轮结构的静态受力情况进行分析，从而模拟应力、应变条件下的疲劳寿命预测。如图2所示。

图2 有限元分析曲线

通过对受力情况进行分析，结合S-N特性曲线，经系数修正对车轮进行寿命预测。

5．3 基于车轮有限元建模分析结果的疲劳寿命预测

通过对车轮的受力情况进行分析，在模拟条件下通过建模对实际情况进行模拟。通过有限元分析方法，对结构位置进行了受力分析。对一般情况而言，在钢制车轮的最大应力点位置最容易出现疲劳破坏。但是需要指出的是，在对基本参数求取的过程中，相应选材的性能指标直接与S-N特性曲线相关。只有通过相应的参数修正，才能得出完整且精确的材料特性曲线。在对车轮模拟情况进行整合的基础上，对S-N特性曲线进行修正，就可以很好的完成车轮疲劳寿命的预测。

6 结语

在不同负载下，钢制车轮损坏的主要原因之一就是疲劳。在车轮疲劳的情况下，载荷形式影响螺栓孔附近的区域，从而影响车轮整体的疲劳性能。利用有限元分析手段，分析了车轮应力分布的影响效果，尤其是轮辐尺寸带来的影响。因此，在考虑径向疲劳的应力分布时，首先应当对车轮的受力情况进行分析。然后，再评估钢制车轮性能中疲劳有限元分析是非常有效的分析手段。钢制车轮在改进设计过程中，要对车轮运行中的性能进行保障，以提高其安全性能。