王燕，盛枫，吴兵华，龚洪鑫

（浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

在过去的100年里，汽车的发展发生了巨大的变化，对汽车的需求逐渐增加。随着科学技术的不断进步，汽车在人类发展史上做出了突出贡献，为人类的日常生活提供了便捷服务。在经济发达的今天，无论是人类出行，还是货物运输，都离不开汽车。汽车是目前世界范围内非常重要的交通工具，不仅为生活带来了便利，同时，也对不同文明、不同地域之间的文化交流起到了桥梁作用。由于汽车在早期结构都非常简单，汽车的制造及钢轮设计在很大程度上都是基于经验值，很少通过实验来模拟。因此，在整个汽车的制造过程中，其设计数据及计算方法都很缺乏，钢制车轮的安全性能评估已不能满足当代汽车发展的需要。作为汽车安全性的一个重要方面，疲劳效率对安全性能有很大影响。如果在设计阶段注重汽车钢制车轮的疲劳性能，可以大大缩短产品的设计周期，提高经济效益，增强企业竞争力。

1 钢制车轮发展概述

随着德国汽车工程师卡尔·本茨制造了世界上第一辆现代汽车，汽车工业以惊人的速度增长。钢制车轮在汽车设计领域得到了不断的应用。特别是微电子技术，越来越多地用于汽车和各种新型轻材料研发。随着汽车的不断推广，汽车已经变得更安全、更方便、更易使用、更自动化、更智能、更舒适，越来越适合人们的生活。随着汽车工业的快速发展，轻量化日益成为人们关注的焦点，钢在汽车工业中逐渐被设计师所忽视。随着世界经济的迅速繁荣，汽车市场也随之繁荣起来。如何提供更好的产品也成为大型汽车制造商关注的焦点，尤其是作为汽车安全的重要部件。如何保证车轮使用的安全性是一个难题，钢制车轮发展强劲，具有广阔的发展前景。

2 钢制车轮疲劳分析的意义

车轮作为汽车的重要安全部件，将地面提供的能量传递给汽车。车轮的性能对使用者的生命安全起着重要作用。车轮承载车辆重量，并在行驶过程中提供动力和制动。离心力和横向阻力确保车辆的正常方向，从而确保车辆的舒适性，克服障碍物，提高车辆的通行能力，这在交通运输中起着非常重要的作用。车轮是汽车上重要的旋转钢制车轮。它通常由轮辋和轮辐组成，有时还包括轮毂。钢制车轮在行驶时，它的受力非常复杂，包括垂直、横向、制动和行驶力矩。为确保车辆安全，车轮必须具有足够的刚度和强度。钢制车轮通常会因为疲劳产生局部小裂纹，并延伸至突然断裂。实际情况表明，疲劳损伤在车轮损伤中起着非常重要的作用，因此，车轮的疲劳时间是保证人身安全的重要条件。

3 国内外研究现状

3.1 国外研究现状

国外研究机构对汽车车轮性能的研究历史悠久，但他们的研究主要集中在铝合金车轮。20世纪70年代，在日本和欧洲对铝合金和钢车轮进行了广泛的研究。随着美国和德国疲劳预期寿命预测系统的逐步发展，国外在20世纪80年代和90年代开始对车轮疲劳进行研究。随着MSC公司开发的MSC.FATIGUE下的”WHEELS”模块的诞生，为车轮疲劳时间的分析打开了大门。日本学者对钢制车轮的冲击强度进行研究，并对试验结果进行分析。结果表明，轮辋厚度对钢制车轮的冲击强度有显著影响。通过在螺栓孔上施加载荷，并考虑轮胎气压的影响，建立了有效的有限元模型。获得车轮的张力和应变分布，从而有效预测钢制车轮的径向疲劳时间。

3.2 国内研究现状

钢制车轮疲劳性能分析在我国起步较晚，但随着我国制造业的发展和有限元技术的不断进步，在工程实践中的应用越来越多，发展迅速。湖南大学的谢秀松首先用有限元法分析了钢制车轮的疲劳性。然而，由于当时条件的限制，分析结果并不理想。然而，近年来，随着科学技术的不断进步，使用正确的加载方法和应力条件确定的，实验结果与理论计算的比较表明，钢制车轮疲劳分析具有很大的参考价值。早在2008年，浙江大学的严胜赞博士就讨论了不同疲劳形式之间的分析方法，主要包括径向疲劳、循环疲劳及不同疲劳方式的有限元分析。但是，根据相关研究，疲劳对钢制轮胎的寿命影响非常显著，并为未来的研究提供了有价值的指示。尽管在上述研究中对车轮进行了深入分析，但仍存在一些主要问题没有得到解决。

4 钢制车轮疲劳分析理论

4.1 疲劳的基本概念

19世纪中叶，人们就已经发现了疲劳现象的产生，疲劳的概念距今已有100多年的历史。在历史的发展过程中，一直伴随着人们对疲劳现象及其机理的探索。经过科学家不断的研究，逐渐揭开了疲劳所产生的原因及其特征。在众多研究机构及各行各业的不断努力探索的过程中，经过大量的实验，取得了丰硕的成果。尤其是在机械行业中，疲劳已成为机械工件早期失效、严重影响工件使用寿命的主要原因。超过80%的钢制车轮损坏是由疲劳损坏引起的，由此产生的载荷远低与静强度的安全载荷。深入分析和研究疲劳现象具有重要意义。准确预测疲劳持续时间，控制疲劳的一般规律，有利于提高资源利用率，节约生产成本，提高机械产品的安全性。

4.2 疲劳的定义

在对疲劳过程研究的100多年的历程中，人们对疲劳现象及发展机理有了较为深刻的认识。对疲劳过程有了清晰的判断。通常，汽车在行驶过程，在可变荷载的作用下，钢制车轮受到的载荷也不是恒定的，同样是可变的。在可变的荷载下，虽然荷载力值远远低于其本身应力值，甚至比钢铁材料的弹性极限还要低，但是，仍能发生断裂。这种在交变载荷作用下钢制车轮出现破坏的现象，称作疲劳破坏。

4.3 疲劳的特点

4.3.1 疲劳破坏的前提条件是有扰动载荷

如果材料或钢制车轮承受周期性可变载荷，当载荷超过材料的疲劳极限，钢制车轮会出现疲劳。扰动载荷会随时间的变化而变化。疲劳载荷谱是描述疲劳荷载随时间变化的图表，也称为荷载时间。如果载荷与时间之比具有一定的规律性，则可以称为疲劳载荷谱，它可以是规则的，也可以是不规则的。

4.3.2 疲劳破坏具有局部性

钢制车轮通常采用不同的加工工艺。工艺痕迹和划痕导致材料缺陷。此外，由于设计要求，钢制车轮中可能出现局部几何突变。在疲劳情况下，钢制车轮的失效通常始于应力集中，导致局部小裂纹，然后累积。疲劳损伤的一个重要特征是局部性。在钢制车轮的加工过程中，应特别注意细节。

4.3.3 疲劳是一个发展的过程

疲劳损伤的形成是一个发展过程。如果钢制车轮经历多个疲劳循环，钢制车轮会经历裂纹萌生、裂纹拓展、裂纹失稳拓展或完全断裂。预测钢制车轮的疲劳持续时间不是主要目的，而主要目的是防止钢制车轮的疲劳损坏。疲劳的长期分析必须考虑两个阶段：裂纹开始和裂纹扩展。对于一些高强度脆性材料，裂纹萌生时间相对较短，并且裂纹损伤经常发生在转鼓上。因此，脆性材料应考虑开裂过程的耐久性。对于韧性材料，它具有良好的强度和高抗断性。对于一些焊接和铸钢车轮，由于裂纹或类似缺陷，没有裂纹萌生阶段。因此，仅考虑裂纹扩展阶段的持续时间。

4.4 疲劳分析的基本步骤

分析疲劳破坏在钢制车轮的发展过程通常分为三个阶段。首先，应当对钢制车轮材料的疲劳应力进行确定，通过分析确定钢制车轮的抗疲劳时间。为疲劳分析和分析过程选择合适的疲劳分析。如果无法模拟实际工况，则可以根据设计要求，即所谓的设计载荷谱，估算钢车轮的疲劳承载力。目前，我国拥有大量的材料疲劳性能数据。当有条件进行抗疲劳试验时，对合适的材料进行选择，通过相应的疲劳试验，测定不同状态下的疲劳应力曲线。根据具体设计要求选择不同的疲劳分析方法。在低周疲劳的情况下，可以选择局部电压变化来设计抗疲劳性和高周疲劳。分析方法的确定通常应基于一般设计目标、经济效益和适用性。钢制车轮必须采用尽可能少的材料进行设计，以最大限度地提高经济效益和安全性。

5 钢制车轮疲劳性能的影响因素及措施

5.1 平均应力

材料疲劳性能通常是通过对小试样进行疲劳试验得到，在平均应力的影响下，试验发现钢制车轮所受的疲劳荷载在车轮轴向并不是对称分布的。汽车在道路上行驶的过程中，车轮在转动，外部载荷在不断地发生变化，随着平均应力的增大，钢制车轮的抗疲劳性能在降低。通过实验，验证了不同的应力状态对车轮疲劳性能的影响。在相同的应力水平下，平均压应力能够显著增强钢制车轮的抗疲劳性能。但是，当应力状态为拉应力时，就会显著降低钢制车轮的抗疲劳性能。

5.2 尺寸效应

通过相应的实验研究，钢铁材料的抗疲劳性能同样受外形尺寸的影响较大。当钢制车轮的外径尺寸较大时，对抗疲劳性能产生不良影响，钢制车轮更容易出现疲劳。当钢制车轮直径较小时，随着外部应力近似平均分布，使钢制车轮的抗疲劳性能明显提高。

5.3 载荷形式

钢制车轮的外部载荷在不断变化，随着外部载荷的不同，疲劳应力曲线同样会发生变化。不同的载荷方式会严重影响材料的抗疲劳性能。在不同的参数变化中，材料的疲劳曲线在拉伸、弯曲及扭转荷载下会发生不同的变化方式。载荷形状对疲劳效率的影响，可以用载荷系数、不同载荷模式下的疲劳极限来表示。钢制样品疲劳极限与拉伸强度密切相关。

5.4 表面光洁度

疲劳通常发生在钢制车轮的应力集中区域，并在该区域延伸，导致疲劳损坏。如果钢制车轮表面粗糙，则应力集中处最明显，疲劳损伤的可能性增加。钢制车轮表面光洁度是影响钢制车轮疲劳性能的重要因素。当钢制车轮应力水平低、寿命长时，表面光洁度对其影响越大，当材料的强度越高时，表面光洁度对其影响也越大。

5.5 表面处理

与表面光洁度一样，表面处理对钢制车轮的疲劳性能也有重大影响。表面处理一般可以分为机加工、热处理、电镀三种形式，其中机加工和热处理可以为钢制车轮提供压缩残余应力，而电镀则提供拉伸残余应力。如果塑性变形在钢制车轮的横截面上分布不均匀，则在外力作用下车轮发生塑性变形。如果卸除外力，由于弹性变形恢复到原始状态，而塑性变形区则无法恢复，塑性变形区产生残余压应力，整个部件的残余应力尽量保持低水平。

6 结语

在不同负载下，钢制车轮损坏的主要原因之一就是疲劳。在车轮疲劳的情况下，载荷形式影响螺栓孔附近的区域，而不影响车轮整体的疲劳性能。而平均应力对车轮径向疲劳载荷的影响很小，而轮辐尺寸对车轮张力分布的影响很明显，因此，在进行径向疲劳分析时，必须考虑平均应力分布。疲劳分析是评估钢制车轮性能的有效手段。通过试验分析，不仅能够指导钢制车轮的选型、设计，规范钢制车轮的生产，还能缩短车轮制造的周期，提高钢制车轮的开发效率。钢制车轮制造中，应该积极开展疲劳试验与寿命估算，改进钢制车轮的设计过程，从而保障车轮运行时的性能，提高车轮的安全性。