重型載貨車車輪失效分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

馬生平，王靜，溫娟，劉曉敏，申國偉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

重型載貨車車輪失效分析及設(shè)計(jì)優(yōu)化

馬生平，王靜，溫娟，劉曉敏，申國偉

（陜西重型汽車有限公司，陜西 西安 710200）

車輪是重型載貨車的重要承載部件，其性能直接影響整車的安全性、可靠性、平順性等，文章通過對某公司車輪故障模式進(jìn)行列舉，對故障原因進(jìn)行分析并給出了解決方案，部分方案已得到了市場驗(yàn)證，有效提升了車輪的可靠性。

車輪；輪輻；散熱孔；開裂

10.16638/j.cnki.1671-7988.2015.09.010

CLC NO.: U463.3 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2015)09-26-03

引言

由于現(xiàn)階段重型車運(yùn)輸市場還不規(guī)范，超載現(xiàn)象還很普遍，尤其是工程車輛超載嚴(yán)重。某公司重型車用8.5-20、22.5 ×9.0車輪故障率較高，嚴(yán)重影響用戶的使用，售后索賠較大，造成較大的經(jīng)濟(jì)損失，如圖1所示。本文主要從車輪故障形式進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，結(jié)合CAE分析，對車輪輪輻散熱孔開裂的故障提出了優(yōu)化方案。

1、車輪故障模式分析

車輪主要由輪輞、輪輻組成（有的車輪還焊接擋圈），輪輻上有散熱孔和螺栓孔，如圖2所示。通過對售后故障件的統(tǒng)計(jì)發(fā)現(xiàn)：車輪故障模式有輪輻散熱孔裂紋（如圖 3、圖 4所示）、螺栓孔開裂（如圖5）、焊縫開裂（如圖6）等，據(jù)統(tǒng)計(jì)車輪故障中主要以散熱孔開裂為主，8.5-20車輪故障率占比見表1。

表1 某公司8.5-20車輪優(yōu)化前一年故障率統(tǒng)計(jì)

表2 某公司8.5-20輪輻優(yōu)化前一年故障率統(tǒng)計(jì)

由表1、表2的數(shù)據(jù)可以看出，車輪故障中我們主要解決輪輻的故障，而輪輻故障中我們重點(diǎn)解決散熱孔開裂的故障。

1.1車輪強(qiáng)度分析

我們應(yīng)用CAE對優(yōu)化前的車輪進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度的分析。CAE分析：前處理工具采用HyperMesh，求解器采用Radioss、FEMFAT，后處理工具采用HyperView。

建模和載荷加載方法見圖7，工況是在一規(guī)定距離處（力臂選取1000mm）施加一平行于車輪安裝面的力 F，分析約束如圖8所示：按照國標(biāo)GB/T 5909-2009試驗(yàn)臺架中對車輪的約束方法，對車輪一端處節(jié)點(diǎn)進(jìn)行全約束。

按公式確定彎矩：M=(μR + d)FvS，

式中：

μ——輪胎和路面間設(shè)定的摩擦系數(shù)：取0.7；

R——最大輪胎的靜態(tài)負(fù)載半徑（mm）：8.5-20車輪 R取516，22.5×9.0車輪R取500；

d——車輪偏距（mm）：8.5-20車輪d取175，22.5×9.0車輪d 取172；

Fv——車輪額定負(fù)荷（N)：8.5-20車輪Fv取40000，22.5 ×9.0車輪Fv 取37500；

S——強(qiáng)化試驗(yàn)系數(shù)：S取1.1。

1.1.1靜強(qiáng)度工況

靜強(qiáng)度工況我們在分析時(shí) F按照垂向 3.5g沖擊工況加載， 8.5-20車輪負(fù)載取140000N，計(jì)算得：M=82575N·m，由于力臂為1000mm，所以F=82575N； 22.5×9.0車輪負(fù)載取131250N，計(jì)算得：M=75364N·m，F(xiàn)=75364N。

分析結(jié)果：8.5-20車輪最大應(yīng)力出現(xiàn)在散熱孔處，如圖9所示，最大應(yīng)力值為294.2MPa，安全系數(shù)為1.27；22.5× 9.0車輪最大應(yīng)力也出現(xiàn)在散熱孔處，如圖10所示，最大應(yīng)力值為403.3Mpa，安全系數(shù)為0.93。

1.1.2彎曲疲勞工況

彎曲疲勞工況我們在分析時(shí) F是按照車輪額定負(fù)荷加載，8.5-20車輪負(fù)載取 40000N，計(jì)算得：M=23593N·m，F(xiàn)=23593N；22.5×9.0車輪負(fù)載取 37500N，計(jì)算得：M=21533N·m，F(xiàn)=21533N。

分析結(jié)果：8.5-20車輪優(yōu)化前最小疲勞次數(shù)出現(xiàn)在散熱孔上，如圖11所示，最小疲勞次數(shù)為2.6E+13，22.5×9.0車輪優(yōu)化前最小疲勞次數(shù)也出現(xiàn)在散熱孔上，如圖12所示，最小疲勞次數(shù)為9.9E+08。

2、優(yōu)化方案

CAE的分析結(jié)果和我們分析的故障模式是一致的，故障主要出現(xiàn)在輪輻散熱孔上，尤其是22.5×9.0車輪輪輻散熱孔處的最大應(yīng)力值達(dá)到了403.3MPa，必須進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。因此我們主要對輪輻材料、輪輻厚度、散熱孔結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝幾個(gè)方面進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化后的方案我們同樣進(jìn)行了CAE分析，具體如下。

2.1材料改進(jìn)

8.5-20車輪和22.5×9.0車輪輪輻最初材料為Q235B，我們分別對380CL、420CL、TQ420幾種材料進(jìn)行了對比及分析，最終選用材料TQ420。材料性能如表3：

表3

2.2輪輻加強(qiáng)

車輪輪輻厚度最早的設(shè)計(jì)均是12mm，隨著重型車的超載，特別是工程自卸車的超載，這一厚度已不能滿足車輪的承載，因此我們將其加強(qiáng)到了14mm，通過CAE分析可以看出，這一改進(jìn)可以有效降低輪輻的工作應(yīng)力。

2.3散熱孔結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

通過有限元分析車輪的受力，在不影響車輪散熱的情況下對散熱孔的位置、大小進(jìn)行調(diào)整可以改善車輪散熱孔的應(yīng)力分布，增強(qiáng)車輪的抗疲勞性。8.5-20車輪散熱孔結(jié)構(gòu)如圖13，尺寸長短由60×35改為53×42。如圖14，將22.5×9.0車輪散熱孔由Φ70調(diào)整為75×60，將散熱孔整體下移5mm，這樣受力點(diǎn)部位由53.25mm加高至58.25mm，再適當(dāng)加厚該受力點(diǎn)厚度，如圖15所示，由原來的10.2mm改為11.6mm，6.8mm改為7.4mm，從分析結(jié)果來看優(yōu)化是有效的。

2.4散熱孔擠壓圓角

散熱孔周邊沒有進(jìn)行倒角，有毛刺，如圖16所示，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象，容易形成疲勞源，如圖17所示。因此，我們對兩種車輪的散熱孔內(nèi)、外邊增加R2圓角，要求擠壓成型，如圖18所示，這樣可以有效提升車輪散熱孔處的疲勞壽命。

2.5優(yōu)化后CAE分析結(jié)果

分析工況與優(yōu)化前一樣，分析結(jié)果如下：

靜強(qiáng)度工況：8.5-20車輪優(yōu)化后最大應(yīng)力還是出現(xiàn)在散熱孔處，如圖19，應(yīng)力值為246.3MPa，安全系數(shù)為1.95；22.5×9.0車輪優(yōu)化后最大應(yīng)力也還是出現(xiàn)在散熱孔處，如圖20，應(yīng)力值為350.7MPa，安全系數(shù)為1.37。

分析結(jié)果：8.5-20車輪優(yōu)化后最小疲勞次數(shù)還是出現(xiàn)在散熱孔上，如圖21所示，最小疲勞次數(shù)為1.6E+15，22.5× 9.0車輪優(yōu)化后最小疲勞次數(shù)也還是出現(xiàn)在散熱孔上，如圖22所示，最小疲勞次數(shù)為8.8E+11。

3、結(jié)論

通過對車輪故障模式的統(tǒng)計(jì)，并結(jié)合CAE分析，我們對車輪輪輻材料、輪輻厚度、散熱孔結(jié)構(gòu)尺寸、加工工藝幾個(gè)方面進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化。由CAE分析可以看出，優(yōu)化后車輪輻板散熱孔處應(yīng)力值明顯降低，散熱孔疲勞壽命數(shù)有了顯著提升。8.5-20車輪輪輻材料、輪輻厚度、散熱孔尺寸和擠壓圓角已得到了驗(yàn)證，故障率由之前的0.9%降低到了0.6%，22.5 ×9.0車輪散熱孔的設(shè)計(jì)優(yōu)化正在驗(yàn)證中。

[1] GB/T 5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗(yàn)方法》.

[2] 歐笛聲.汽車鋼圈輪輻裂紋成因分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造,2015(04).

[3] 焦鵬飛.某載重貨車鋼制車輪輪輻斷裂失效分析[J].裝備制造技術(shù),2013(09).

Failure Investigation and Improvement of Heavy-Duty TruckWheel

Ma Shengping, Wang Jing, Wen Juan, Liu Xiaomin, Shen Guowei
（Shaanxi Heavy-Duty Automobile Co., Ltd., Shaanxi Xi’an 710200）

Wheel is the important load bearing part of heavy-duty truck, it affects the safety、reliability,smooth-going performance of the vehicle directly. In this paper, we illustrate a wheel failure mode of one company, analyse the failure reason and give a solution, part of the solution have been verified by market, the solution improved the reliability of the wheel prominently.

wheel; spoke; heat eliminationhole; crazing

U463.3

A

1671-7988（2015）09-26-03

馬生平，就職于陜西重型汽車有限公司汽車工程研究院，主要負(fù)責(zé)汽車底盤系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作。