轮毂弯曲疲劳试验的仿真分析

　　1　引　言

　　为了使车轮满足安全性要求,轮毂行业要求所有的成品车轮,都必须通过3项试验,即弯曲疲劳试验,径向疲劳试验和冲击试验之后才可以进行销售。如果初始产品的结构设计不合理, 3项试验就很难通过。

　　大多数生产厂家,试验一次通过率低,存在一次或者多次修改产品、试模、修模的问题,针对此问题,笔者对弯曲试验失效提出了一种新的解决方案,在产品设计完毕,进行后续的工作之前,进行试验的仿真分析,根据分析结果,判断产品结构的合理性,指导产品的修改,使产品满足结构强度要求,提高了效率,节约了成本。

　　2　疲劳基本概念

　　疲劳是工程中最常见的一种零件破坏方式[1]。金属零件在交变载荷作用下,经过长期运转后发生的破坏,称为疲劳。对于轮毂来说,正常使用情况下产生的破坏也主要是疲劳破坏。工程上将疲劳分为高周疲劳和低周疲劳,在使用周期内,应力循环次数超过105次产生的疲劳,称为高周疲劳;应力循环次数在102~105次之间的疲劳,称为低周疲劳。

　　疲劳强度的影响因素主要有:①加载频率,一般来说随着加载频率的增高,疲劳极限或疲劳强度增高;②表面粗糙度,表面越粗糙疲劳极限越低,材料的强度越高,表面粗糙度的影响越明显;③尺寸因素,尺寸增大疲劳极限降低,材料强度越高,尺寸效应越大;④夹杂物,夹杂物是萌生裂纹的部位之一;⑤表面状态的影响,提高表层材料强度和在表层造成压应力可以提高疲劳强度,表面强度可以通过渗碳、氮化,碳氮共渗,表面淬火,喷丸来提高,并且可以显著的提高疲劳强度。

　　在资料上所看到的S-N曲线,ε-N曲线都是在实验室中严格控制实验条件下用标准试样测得的。S-N曲线,ε-N曲线上不同应力或者应变下对应的寿命是材料寿命。试样的表面的光滑程度要求很高,需要经过表面磨削或抛光,试验载荷的应力幅大多是恒定的,即便是交变的也是对称的。

　　而在实际中使用的构件,尺寸形状是变化的,表面状态和标准试棒也相差很大,并且载荷也很复杂,用实际的构件,在实际的工作条件下测得的寿命才是构件的寿命。从疲劳的影响因素可知,构件的寿命和材料的寿命有很大的差异。

　　3　弯曲试验标准及试验方法

　　弯曲试验的标准很多,常用的有日本的JWL标准,美国的DOT标准, ISO标准等,虽然可以遵循的标准很多,但是所有标准的原理都是一样的,都是模拟汽车转弯时轮毂的受力情况,试验时试验用弯矩的计算公式如下:

　　式(1)中:W为车轮制造商定义的车轮的额定载荷;R为轮胎的最大直径的一半;μ为轮胎和道路间的摩擦系数,一般取0.7;d为车轮的内移距或者外移距,当为内移距时用正值,为外移距时用负值;S为加速试验系数。当计算力矩时,所有的单位必须一致。试验的装置如图1所示。