王利梅，李建，陳紅平，孫惠學(xué),3

(1.秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司,河北秦皇島 066004;2.秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司,

河北秦皇島 066004；3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北秦皇島 066004)

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鋁合金客車車輪螺栓孔開裂影響因素研究

王利梅1，李建2，陳紅平2，孫惠學(xué)2,3

(1.秦皇島戴卡興龍輪轂有限公司,河北秦皇島 066004;2.秦皇島燕大現(xiàn)代集成制造技術(shù)開發(fā)有限公司,

河北秦皇島 066004；3.燕山大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院,河北秦皇島 066004)

摘要：針對某款鍛造鋁合金客車車輪在使用過程中出現(xiàn)的螺栓孔附近位置開裂情況，利用有限元分析軟件模擬車輪彎曲臺架試驗過程，考察螺栓預(yù)緊力及試驗彎矩2個因素對車輪螺栓孔附近區(qū)域應(yīng)力的影響。結(jié)果表明：有限元分析計算得到的危險位置與實際車輪開裂位置吻合，螺栓預(yù)緊力對螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力影響不大，而試驗彎矩影響相對較大，即客車超載可能是螺栓孔開裂的原因。此研究為鋁合金車輪的設(shè)計提供了依據(jù)，對增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

關(guān)鍵詞：鋁合金客車車輪；螺栓孔開裂；有限元分析

0引言

作為汽車的重要安全部件，對車輪的強(qiáng)度和疲勞壽命具有較高的要求，車輪的質(zhì)量將直接影響汽車的安全性和可靠性。車輪在行駛過程中，承受著來自各個方向因起動、制動、轉(zhuǎn)彎、物體沖擊等各種載荷所產(chǎn)生的復(fù)雜力的作用，因此為了保證車輪產(chǎn)品的安全性能，在使用前必須通過多項臺架試驗測試，其中車輪彎曲疲勞試驗是一個重要的測試環(huán)節(jié)。但進(jìn)行車輪實際臺架實驗所需設(shè)備投入大，測試周期長，不適應(yīng)現(xiàn)代化設(shè)計開發(fā)的要求。利用有限元分析軟件建立虛擬臺架試驗，可在車輪設(shè)計階段預(yù)測出車輪的疲勞破壞位置，為車輪開發(fā)和設(shè)計提供可靠依據(jù)，降低試驗成本[1-4]。

某款鍛造鋁合金客車輪轂在使用過程中出現(xiàn)螺栓孔開裂情況，開裂位置如圖1所示，裂紋從螺栓孔附近位置向中心孔延伸。出現(xiàn)開裂情況的車輪基本以客車前輪為主，而汽車前輪起到承重及轉(zhuǎn)向的作用，在行駛過程中受到較大的彎矩作用。作者采用有限元分析軟件建立車輪虛擬彎曲臺架試驗，模擬分析車輪在彎曲試驗中螺栓孔附近位置的受力情況，考察螺栓預(yù)緊力及試驗彎矩2個因素對車輪螺栓孔附近應(yīng)力的影響。

1車輪虛擬彎曲臺架試驗建立

車輪彎曲疲勞試驗是標(biāo)準(zhǔn)的試驗方法，用于檢驗車輪的疲勞壽命和可靠性。具體的試驗方法依據(jù)此款車輪規(guī)定的彎曲試驗標(biāo)準(zhǔn)(SAEJ267a)執(zhí)行，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定：臺架試驗臺包括1個被驅(qū)動的旋轉(zhuǎn)裝置，車輪輪輞固定不動，力臂桿在固定彎矩作用下旋轉(zhuǎn)，臂長0.5～1.04 m，加載力臂和連接件用雙頭螺栓和螺母連接到車輪的安裝平面上。圖2為車輪徑向疲勞試驗示意圖，試驗彎矩和螺栓預(yù)緊力的大小可以按照以下公式確定[5]：

試驗彎矩：

M=(μR+h)FS

其中：μ為輪胎與道路的摩擦因數(shù)；

R為靜載半徑(汽車制造廠與該輪轂配用輪胎的靜載半徑)；

h為車輪內(nèi)偏距或外偏距；

F為汽車制造廠規(guī)定的車輪最大載荷；

S為強(qiáng)化試驗系數(shù)。

螺栓預(yù)緊力:

其中：T為螺栓扭矩；

d為螺栓直徑；

K為擰緊力矩系數(shù)。

文中采用UG軟件對車輪及力臂加載桿建模，車輪模型如圖3所示。分析采用ABAQUS有限元分析軟件。車輪材料為6061鋁合金，密度為2.7×10-9kg/mm3，彈性模量取69 GPa，泊松比取0.33，力臂桿長度為1 000 mm，車輪模型網(wǎng)格采用四面體劃分。

虛擬臺架試驗在車輪的輪輞底部加載固定約束，在10個螺栓孔處分別施加螺栓預(yù)緊力，在力臂桿底部施加徑向載荷，此虛擬臺架試驗與實際臺架試驗具有等效的邊界條件施加方法，有限元分析采用靜態(tài)隱式算法，保證仿真模型的準(zhǔn)確性。模型載荷及邊界條件的設(shè)置如圖4所示。

2有限元分析結(jié)果

分析計算得到鋁合金車輪螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)Mises及最大主應(yīng)力云圖，如圖5、圖6所示。

可以看出：螺栓孔附近位置的Mises較大，且該區(qū)域最大主應(yīng)力為拉應(yīng)力(圖6中I區(qū)域位置)，此位置位于螺栓與車輪螺栓孔接觸邊緣，該區(qū)域節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力較大，為可能發(fā)生裂紋區(qū)域，此區(qū)域與車輪實際開裂(圖1)位置吻合。

車輪彎曲疲勞試驗中影響因素主要包括螺栓預(yù)緊力及試驗彎矩的大小，以下分別考察螺栓預(yù)緊力及試驗彎矩的大小對車輪螺栓孔附近區(qū)域Mises及拉應(yīng)力的影響。首先固定試驗彎矩，預(yù)緊力大小分別取0.5T、0.75T、T、1.25T、1.5T，其中T為標(biāo)準(zhǔn)螺栓預(yù)緊力，經(jīng)計算螺栓預(yù)緊力大小取109 773 N；然后螺栓預(yù)緊力大小保持不變，加載彎矩分別取0.5M、0.75M、M、1.25M、1.5M，其中M為標(biāo)準(zhǔn)試驗彎矩，大小取2 893 kg·m；經(jīng)分析計算，螺栓預(yù)緊力及試驗彎矩的大小對車輪螺栓孔附近區(qū)域Mises及拉應(yīng)力的影響關(guān)系分別如圖7、圖8所示。

從圖7可以看出:螺栓預(yù)緊力的改變對螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力影響不大，而Mises應(yīng)力的變化主要取決于螺栓預(yù)緊所產(chǎn)生的壓應(yīng)力，不是導(dǎo)致車輪開裂的因素。從圖8可以看出:螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力隨著試驗彎矩的增大而增大，而實際車輪行駛過程中，超載會導(dǎo)致彎矩的提升，而且車輪在轉(zhuǎn)彎過程中，車輪螺栓孔附近區(qū)域所受拉應(yīng)力的大小是不斷變化的，所以可推測客車超載導(dǎo)致彎矩增大可能是螺栓孔附近區(qū)域產(chǎn)生開裂的主要原因。

3結(jié)論

(1)基于有限元分析軟件建立了車輪虛擬彎曲臺架試驗，分析得到的危險位置與車輪實際發(fā)生開裂位置吻合，此研究為鋁合金車輪的開發(fā)設(shè)計提供了依據(jù)，對增強(qiáng)產(chǎn)品可靠性具有重要意義。

(2)螺栓預(yù)緊力對螺栓孔附近節(jié)點(diǎn)拉應(yīng)力影響不大，而試驗彎矩影響相對較大，即客車超載導(dǎo)致彎矩增大可能是螺栓孔附近區(qū)域產(chǎn)生開裂的主要原因。

參考文獻(xiàn):

【1】閆勝昝，童水光，張響，等.汽車車輪徑向試驗分析研究[J].機(jī)械強(qiáng)度，2008,30(4)：687-691.

【2】王良模，陳玉發(fā)，王晨至，等.鋁合金車輪彎曲疲勞壽命的仿真分析與試驗研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2009，33(5)：571-575.

【3】周堃，趙玉濤，蘇大為，等.轎車鋁合金車輪彎曲疲勞性能的有限元分析[J].機(jī)械設(shè)計與制造，2009(5):6-8.

【4】支瑞紅.基于彎曲疲勞試驗的鋁合金車輪有限元分析[J].機(jī)械管理開發(fā)，2009,24(6):26-28.

【5】韓兵，朱茂桃，張永建.鋁合金車輪動態(tài)彎曲疲勞壽命預(yù)測[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報，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

作者簡介：王利梅(1983—)，女，碩士研究生，工程師，主要研究方向為車輪鍛造成型模具研發(fā)。E-mail：wanglimei925820@163.com。 通信作者：李建， E-mail：cae006@163.com。

中圖分類號:TH164

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1674-1986(2016)03-053-03