申富強　石勝文

摘 要：輪轂影響著車輛的形式，是其重要的組成部分。輪轂的疲勞壽命與汽車的安全質(zhì)量有著千絲萬縷的關(guān)系，其擔負著汽車的重量，又與外形息息相關(guān)。輪轂對其性能和外形要求較高，進行制作的過程難度很大。現(xiàn)在的汽車在很多方面追求高速行駛，時速在不斷提高，高速行駛的汽車最容易發(fā)生損壞的是輪轂，高速行駛中的輪轂疲勞破壞不僅對轎車本身有嚴重的影響，更影響著駕乘者安全。

關(guān)鍵詞：轎車輪；疲勞壽命；試驗

中圖分類號：THl33.33；TH87 文獻標識碼：A 文章編號：1006-8937（2016）18-0056-02

1 概 述

汽車輪轂長時間行駛之后會產(chǎn)生疲勞狀態(tài)，并且在行駛中所發(fā)生的碰撞，都讓其成為工程設(shè)計人員在進行設(shè)計時候所需要考慮的重要因素。疲勞壽命是衡量輪轂質(zhì)量的一個非常重要的汽車使用的頻率，以及人們對汽車的要求都讓其壽命試驗成為非常重要的產(chǎn)品檢驗途徑。疲勞試驗的過程需要耗費的人力、物力較為嚴重，并且需要占用很長的時間，對于一些復雜實驗則還需要增加相應(yīng)的支出，并且該實驗目前尚無法在試驗機上實現(xiàn)。當前階段，在輪轂實驗方面所使用的方法主要包括以下幾種，即：有限元法、邊界元法、離散單元法和有限差分法。有限元法相對于實際情況來說，應(yīng)用較為廣泛。

可以說，有限元法的試驗已經(jīng)開始呈現(xiàn)出越來越廣泛的取代之勢，其代替了大量的實物試驗，具有“虛擬實驗”的代表性。并且，依據(jù)相關(guān)資料顯示，一個產(chǎn)品的應(yīng)用只有在設(shè)計階段進行有效實驗，大部分問題都可以予以解決。因此，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，計算方法的應(yīng)用，以及典型的驗證性，能夠讓試驗的成本呈現(xiàn)出下降的趨勢，并提高其相應(yīng)的試驗效率。

2 輪轂的疲勞壽命研究

輪轂的臺架試驗主要包括疲勞強度的測試（彎曲疲勞和徑向疲勞試驗）和沖擊強度的測試（沖擊試驗）。輪轂是汽車的重要組成部分，其對于企業(yè)的安全駕駛，平穩(wěn)形式，以及相關(guān)的牽引作用都具有重要影響，與能源消耗，駕駛員的勞動強度等等方面關(guān)系密切。輪轂的疲勞壽命已經(jīng)成為研制中最為關(guān)系的問題，也就是說，讓其在使用過程中不會因為疲勞發(fā)生破壞。這就需要對輪轂進行使用壽命的預測，這也是人們所關(guān)心的重要問題。通過實驗對輪轂的彎曲疲勞斷裂問題進行研究，則需要在應(yīng)力法和局部應(yīng)力方法對其疲勞壽命進行檢測，從而了解其實際情況。這些方法的應(yīng)用在計算準確性方面并沒有呈現(xiàn)出優(yōu)勢，也難以真正對輪轂的實際使用情況進行評測，更加難以提供有效數(shù)據(jù)讓開發(fā)人員進行研究和使用。因此，針對輪轂曲疲勞試驗的計算機仿真系統(tǒng)應(yīng)運而生，此系統(tǒng)所應(yīng)用的基礎(chǔ)便是有限元分析，由該算法分析程序，接口程序，和疲勞壽命估算程序三部分組成，通過有限元分析法結(jié)果，以及名義應(yīng)力法，以及局部應(yīng)力應(yīng)變法相結(jié)合的方式，對鋼制輪轂彎曲壽命進行相應(yīng)的預測。其所使用的工具是有限元分析軟件ANSYS，將輪轂的設(shè)計和使用壽命有效結(jié)合起來，建立相應(yīng)的CAE平臺，該平臺比較適合企業(yè)使用。但時，該系統(tǒng)也有自身的缺陷，那就是因為有限元力學模型是線性力學模型，對于元件之間的關(guān)系還需要進一步進行考慮，對于螺栓預緊力影響方面也呈現(xiàn)出考慮不周的情況。因此，在進行法蘭盤及螺栓孔附近的應(yīng)力分布情況計算的時候，就會容易出現(xiàn)所檢測的數(shù)據(jù)不準確的情況。此平臺的應(yīng)用受到的局限性較大，只能依托于較為可靠的數(shù)據(jù)支撐對輪轂的彎曲疲勞壽命進行檢測。

3 疲勞和疲勞壽命分析

3.1 疲勞壽命

疲勞壽命是指結(jié)構(gòu)或機械直至破壞作用的循環(huán)載荷的次數(shù)或時間。從其發(fā)展來看，包括二階段疲勞壽命模型，三階段疲勞壽命模型和多疲勞壽命模型。在實驗中，三階段疲勞壽命模型分析的方法應(yīng)用最為廣泛，認為疲勞損傷過程由無裂紋、小裂紋和大裂紋三個階段組成，如圖1所示。

上述裂紋的情況與材料力活應(yīng)變的反應(yīng)關(guān)系密切，是在其反復作用下發(fā)生的變化，雖然一般情況下，此術(shù)語也應(yīng)用在非金屬材料中。

3.2 影響結(jié)構(gòu)疲勞壽命的主要因素

對于輪轂疲勞壽命的影響因素主要包括以下幾類：①對于局部會產(chǎn)生影響的因素，主要包括荷載特性（涉及到應(yīng)力狀態(tài)、殘余應(yīng)力、循環(huán)特性、高載效應(yīng)），零件的幾何形狀（缺口應(yīng)力集中、尺寸大?。┑?；②對于微觀結(jié)構(gòu)有影響的因素，比如材料種類，對材料的熱處理（影響材料的延性、缺陷的種類、缺陷分布等）、機械加工等；③疲勞傷源的影響因素，比如表面粗糙度、腐蝕和應(yīng)力腐蝕。

3.3 確定疲勞壽命的方法

汽車輪轂疲勞壽命的檢測方法依據(jù)的是材料的疲勞性能，其需要綜合考慮材料的載荷程度進行分析輪轂的使用壽命，并依據(jù)模型對其疲勞程度進行劃定。其主要包括三個方面：材料疲勞行為的描述；循環(huán)載荷下結(jié)構(gòu)的響應(yīng)；疲勞累積損傷法則，具體如圖2所示。

通過該試驗方法，我們可以看出，其目標是降低疲勞分析對數(shù)據(jù)的依賴性，盡量減少試驗中經(jīng)驗的運用。設(shè)計人員可以通過疲勞壽命的校核對設(shè)計進行相應(yīng)的改進。這就需要設(shè)計人員在進行實驗之前，首先對輪轂的疲勞危險部位進行分析，從而對試驗的關(guān)鍵程序或者部位進行確定。

4 轎車輪轂疲勞分析

該汽車輪轂疲勞壽命的檢測設(shè)備的機械部分主要為主軸，伺服電機和皮帶輪。伺服電機實現(xiàn)多種速度下的檢測。下面主要是主軸、伺服電機和皮帶輪各個零部件的設(shè)計計算和選用。

4.1 軸的參數(shù)計算和軸徑選擇

4.1.1 計算中所用到的參數(shù)

①pd為電動機輸出功率，5.0 kW；

②ηc為電動機和輸入軸之間皮帶傳動的效率，0.95；

③ηr為一對滾動軸承傳動的效率，0.99。

4.1.2 軸的功率計算

4.1.4 初估軸徑

軸徑一般先按許用扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力的計算方法估算， 估算公式為：

由于n4=800 r/min>600 r/min以及n4=1 000 r/min>600 r/min故只要滿足d≥21.84 mm即可，取最小軸徑為滿足要求。

初估直徑d常作為軸的最小直徑，若該軸段由鍵槽，應(yīng)將軸徑增大，并圓整為標準尺寸系列值。

4.2 電動機的選擇

按已知的工作條件和要求，可以選用松下MDMA系列（中慣量）伺服電動機，即可滿足要求。

使用環(huán)境溫度（使用時）：0～40 ℃；-20～80 ℃（無結(jié)露）濕度（使用時）85%RH以下（無結(jié)露）耐震：5G以下。

4.3 皮帶輪的選擇

確定設(shè)計功率Pd·Pd=KA.由于載荷變動最小，且為輕載啟動故有KA=1.0根據(jù)設(shè)計要求可以按Pd=4.5 kW計算。

選擇V帶型號： 因為對結(jié)構(gòu)尺寸無嚴格要求，可選用普通V帶即可。

5 結(jié) 語

本文通過對轎車輪轂疲勞壽命方面的學習和研究，設(shè)計了一套用于轎車輪轂可靠性試驗的試驗臺，利用該試驗臺對公司的轎車輪轂進行了一系列的批量可靠性試驗。試驗結(jié)果表明，此試驗臺能夠滿足試驗任務(wù)的技術(shù)要求，為轎車輪轂的質(zhì)量品質(zhì)改善提供試驗了保證和依據(jù)，為后續(xù)新產(chǎn)品的研發(fā)提供了很好的試驗基礎(chǔ)。

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