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基于疲劳寿命的汽车铝合金车轮轻量化研究
来源: | 作者:chinacaw | 发布时间: 2020-03-07 | 1034 次浏览 | 分享到:

由图4应力分布云图可以看出：径向工况仅仅反映了车轮旋转一周的试验结果中最大的加载区域的应力情况，而弯曲工况显示的则是载荷旋转一周的应力分布情况。从图4中基本可以判定在动态载荷下车轮可能存在危险的位置是辐条倒角处、辐条较薄弱区域以及轮缘上。但是，不能根据强度结果确定车轮是否会发生疲劳破坏，因为径向和弯曲仿真试验的强度结果均小于材料的屈服极限。然而，车轮材料的强度能够满足要求不一定表示会发生疲劳破坏，因为发生疲劳破坏的机制是指在远低于材料强度极限甚至屈服极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象。而实际车轮的工作载荷是在复杂路面上周期性变化的，所以文中采用交变应力的方式对车轮进行疲劳寿命分析。

图4 仿真试验应力分布云图


2.2 疲劳寿命分析


文中采用疲劳软件对车轮进行疲劳寿命分析，一般情况下需要车轮的应力时间历程和材料疲劳性能参数。应力时间历程是根据上文强度仿真试验得到，而材料性能参数根据材料的拉伸试验获得(见表2)，A356材料拉伸试验曲线如图5所示。


表2 A356材料机械性能参数


图5 A356材料拉伸试验曲线


在疲劳软件中用单位交变正弦函数作为输入通道进行疲劳试验仿真，如图6所示。对于径向疲劳试验考虑胎压的作用使用11个输入通道，而弯曲试验仅仅是旋转载荷的作用使用10个输入通道，进行一次仿真得到一个循环作用下车轮的损伤情况，然后根据GB 5334-2005，径向工况的仿真试验循环50万次，弯曲工况的仿真试验循环10万次，最终得到车轮的损伤情况，如图7所示。


图6 交变载荷输入通道

图7 车轮疲劳损伤云图


由图7车轮损伤云图可知，径向工况出现损伤值大于1的位置主要在辐条和轮缘上，而弯曲工况主要是在辐条倒角“R”处，这与强度分析结果中应力较大位置基本相符，但是并不是应力大的位置损伤结果就一定大，因为这与交变载荷的作用频率和大小密切相关。从损伤云图分析可知，车轮在实际使用中存在发生疲劳破坏的可能性，具有较大的风险。该分析对象是轻量化车轮的初始方案，在没有减小轮缘和辐条厚度的原始方案之前，该车轮的疲劳分析结果能够满足性能要求，同时，也得到了试验验证。后续将在此基础上优化出既能满足性能目标要求，又能达到轻量化减重的目的方案。


3 轻量化优化
汽车轻量化一直以来是汽车生产商赖以追求的目标，而车轮轻量化是其中的重要一项，传统的轻量化方式基本已经达到极限，再想继续减轻车轮质量，同时也能满足性能要求基本上难以实施。现在以传统方式轻量化车轮，虽然仿真分析能够满足性能要求，但是实际路试中基本会有破坏发生，这是因为车轮实际受到的载荷是交变载荷，易发生疲劳破坏。所以，文中提出以疲劳寿命作为轻量化的目标，能够将车轮交变载荷作用频率降低，同时又能满足强度要求的位置，适当减薄以达轻量化的目的。另外，以改变材料工艺的方式提高屈服和抗拉极限，同样可以适当减薄车轮局部厚度，实现车轮轻量化。