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基于疲劳寿命的汽车铝合金车轮轻量化研究
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作者:chinacaw
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发布时间: 2020-03-07
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摘要：为了达到车轮轻量化的目的，同时满足疲劳寿命的要求，以某轿车规格255/45R20车轮为研究对象，对铝合金车轮疲劳寿命及路面行驶情况进行研究，得到一种采用交变载荷仿真车轮疲劳的方式。建立有限元模型并加载进行疲劳分析，得到车轮疲劳损伤结果；根据车轮的疲劳损伤位置，采用改变不同区域材料工艺、增减辐条倒角“R”大小及增减料厚的方式进行优化以实现车轮的减重。这种结合疲劳寿命的试验在工程上可以减少成本、节省试验周期、实现车轮轻量化、降低油耗，对车轮轻量化的研究具有指导意义和普遍性。
关键词：疲劳寿命；车轮轻量化；仿真试验；材料工
0 引言
汽车车轮是位于半轴和轮胎之间，用于承受主要负荷的转动部件，具有承载车身质量、半轴驱动、转向节转动和制动器制动等重要功能，所以车轮对汽车的可靠性能和安全性能至关重要。一般情况下，车轮在随机交变载荷作用下工作，因此疲劳破坏是车轮失效的主要模式，所以车轮的疲劳耐久性能在研发前期需要重点关注。目前，车轮的疲劳性能主要是按GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》[1]中提出的动态径向疲劳性能试验和动态弯曲疲劳性能试验方法和相关要求来衡量。采用疲劳软件按真实的试验工况进行仿真分析，能够快速得到比较准确的疲劳损伤数据，并将仿真结果与目标值对比分析，既可以判断设计是否合理，又可以快速提出轻量化改进方案，从而节省试验周期，减少成本，实现车轮轻量化。
车轮疲劳试验主要是模拟汽车正常行驶过程中的载荷情况，来验证车轮承受弯曲和径向动载的能力。目前，国内外学者主要采用数值模拟动态载荷的方式对车轮试验进行研究。朱颀等人[2]采用有限元方法对钢车轮径向疲劳试验进行分析，得到疲劳破坏的危险区主要发生在车轮轮缘处，并通过优化为设计提供了有效的改进方法，减少了设计时间，降低了开发成本；汪谟清等[3]采用有限元法从径向和弯曲两个方面对卡车车轮进行疲劳寿命分析，验证了有限元方法的正确性，为后续的研究奠定了基础；吉军等人[4]对铝合金车轮进行动态径向疲劳仿真，研究结果表明车轮主要的疲劳损伤部位集中在轮缘、辐条根部、胎圈座处，为设计提出改进建议；J STEARMS等[5-6]考虑了轮胎气压对车轮的影响，采用有限元法，建立合理的力学模型模拟铝合金车轮径向疲劳试验，得到了车轮的强度结果；P R RAJU等[7]使用有限元法完成了车轮轮毂径向载荷作用下寿命的预测；王良模等[8]采用ABAQUS软件仿真车轮的弯曲疲劳，得到易于产生疲劳破坏的集中点，代入S-N曲线预测出车轮的寿命，然后用疲劳台架试验验证仿真结果的正确性。
