隨著整車產(chǎn)銷規(guī)模不斷擴(kuò)大，車輪配套需求量迅速增加。用戶有時(shí)為了提高工作效率，追求更多的經(jīng)濟(jì)效益，不斷提高載貨汽車的裝載量，進(jìn)行超限超載運(yùn)輸。車輪承載著載貨車自身和所裝載貨物的重量，負(fù)荷相當(dāng)大，如果負(fù)荷超過(guò)了車輪自身強(qiáng)度的承受極限，會(huì)造成輪輞（安裝輪胎部分）或輪輻（車輪與輪轂聯(lián)接部分）的損壞。
針對(duì)車輪總成產(chǎn)品失效情況，我公司對(duì)原有結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，在小幅增加成本的前提下，產(chǎn)品強(qiáng)度有了近50%的大幅提升，有力地保證了車輛運(yùn)行安全，基本消除了輪輻破裂造成的舊件索賠問(wèn)題。
對(duì)車輪原有結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改進(jìn)
目前重型商用車車輪大部分為型鋼車輪。傳統(tǒng)型鋼車輪一般由輪輞、輪輻和擋圈三部分組成。其中，輪輞一般采用型材，通過(guò)圈圓、對(duì)焊而成。輪輻一般采用鋼板沖壓成型，基本呈等厚度、不等強(qiáng)度狀態(tài)，重量較大。
根據(jù)我國(guó)實(shí)際運(yùn)輸及環(huán)境狀況，因輪輻或輪輞體損壞而造成的索賠率約為3.3%，經(jīng)濟(jì)損失巨大。為了避免巨額索賠，我們?cè)谠薪Y(jié)構(gòu)上進(jìn)行了改進(jìn)和優(yōu)化，以提高車輪的強(qiáng)度，適應(yīng)我國(guó)目前運(yùn)輸狀況的需要。原有結(jié)構(gòu)的改進(jìn)包括輪輻和輪輞體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。
1.輪輻結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
原有輪輻的輻底厚度為12mm，開(kāi)有5個(gè)通風(fēng)手孔。因這種輪輻輻底較薄，手孔沿輪輻圓周方向的長(zhǎng)度較大，沖頭不易符合輪輻曲面，且沖制手孔時(shí)剪切力較大，極易產(chǎn)生毛刺，造成應(yīng)力集中，使輪輻實(shí)際疲勞強(qiáng)度大大低于理論值。
經(jīng)對(duì)索賠返回舊件的分析和統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)絕大部分是因?yàn)檩嗇検挚滋幊霈F(xiàn)撕裂或疲勞裂紋造成的。為解決應(yīng)力集中問(wèn)題，我們開(kāi)發(fā)了新輪輻結(jié)構(gòu)。新輪輻擬采用減小單個(gè)手孔面積，增加手孔個(gè)數(shù)的方法。最終方案為將手孔由原有的5個(gè)增至10個(gè)，同時(shí)把輻底厚度由12mm增至14mm，通過(guò)增加材料厚度來(lái)提高輪輻強(qiáng)度。手孔增至10個(gè)后，單個(gè)手孔面積較小，沖裁邊線縮短，沖裁力也相應(yīng)減小，模具凸模、凹模與輪輻曲面可以較好地符合在一起，可減輕斷面毛刺現(xiàn)象。手孔改進(jìn)前后參數(shù)如表所示。
為研究五手孔結(jié)構(gòu)與十手孔結(jié)構(gòu)對(duì)車輪強(qiáng)度的影響，我們通過(guò)有限元分析方法進(jìn)行驗(yàn)證。
2.輪輞體結(jié)構(gòu)的改進(jìn)
在原8.5-20輪輞體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，首先加長(zhǎng)輪輞體輪緣端的長(zhǎng)度，同時(shí)將較為薄弱的鎖圈槽端和輪緣端厚度加大，使輪輞體內(nèi)腔兩端壁厚增加，從而在較少增加輪輞體自重的基礎(chǔ)上，大大提高輪輞體的承載量（見(jiàn)圖1）。將擋圈輪緣端尺寸相應(yīng)增加，使之與加強(qiáng)輪輞體相配套。
性能分析
1.有限元分析建模
根據(jù)輪胎對(duì)車輪的作用力在車輪表面的分布情況進(jìn)行模擬仿真，在負(fù)載相同的條件下對(duì)改進(jìn)前后車輪的安全系數(shù)進(jìn)行分析比較。
（1）建模過(guò)程說(shuō)明：
環(huán)境：Solidworks Simulation。
建模流程：創(chuàng)建幾何模型→劃分載荷分布區(qū)域→創(chuàng)建有限元算例→添加應(yīng)用材料→設(shè)定接觸面組連接方式→添加約束及載荷→有限元網(wǎng)格劃分。
①車輪幾何模型的建立：為保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，幾何模型完全按照?qǐng)D紙尺寸建立（見(jiàn)圖2），未作模型輕化和特征壓縮。
圖2 兩種車輪幾何模型
②載荷分布：根據(jù)輪胎氣壓對(duì)車輪的非均勻分布，設(shè)定了81000MPa壓力非均勻分布。載荷分布后測(cè)得普通型車輪和加強(qiáng)車輪模型所受的合力分別為74215N和74468N，非常接近真實(shí)試驗(yàn)徑向載荷（7580kg）。
③網(wǎng)格劃分：采用標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)格器劃分，采用4點(diǎn)雅克比點(diǎn)的形式劃格。為優(yōu)化運(yùn)算速度，單元格大小按照各部件體積的大小分別設(shè)定：輪輞及輪輻單元格為10mm；擋圈單元格為8mm。
④分析類型：靜態(tài)（代替動(dòng)態(tài)）。
⑤材質(zhì)設(shè)定：輪輞：12LW，輪輻：Q235B，擋圈：Q345(16Mn)。
⑥約束位置及形式：輻底固定。
⑦接觸面連接形式：接合。
⑧解算器：FFEPLUS。
（2）五手孔改為十手孔的必要性驗(yàn)證
為了驗(yàn)證五手孔改為十手孔以后的結(jié)構(gòu)對(duì)車輪強(qiáng)度的影響，在此建立一個(gè)14mm厚五手孔式的加強(qiáng)型車輪模型（14mm厚五手孔式輪輻與加強(qiáng)型輪輞體、擋圈配合）。
圖3 五手孔式加強(qiáng)型車輪安全系數(shù)
應(yīng)力云圖顯示該模型的最小安全系數(shù)為2.71（見(jiàn)圖3），位置在輪輻手孔兩端。
根據(jù)前面的應(yīng)力分析，我們已經(jīng)得出：十手孔式加強(qiáng)車輪的最小安全系數(shù)為3.17，較五手孔式加強(qiáng)型車輪提高了17%。
根據(jù)手孔面積計(jì)算，在沖制手孔時(shí)十手孔加強(qiáng)型輪輻的材料去除量略多于五手孔加強(qiáng)輪輻，而分析顯示加強(qiáng)型輪輻強(qiáng)度較高，可見(jiàn)十手孔結(jié)構(gòu)更為合理。
（3）普通型車輪的有限元分析：
車輪總體重量為55.6kg，整體安全系數(shù)滿足強(qiáng)度要求?？梢源_定輪輻斷裂現(xiàn)象為車輛嚴(yán)重超載或極惡劣使用條件造成的疲勞破壞所致。
圖4 普通型8.5-20車輪安全系數(shù)及應(yīng)力云圖
通過(guò)觀察輪輻的應(yīng)力云圖可以得出：輪輻的應(yīng)力分布不均衡，輪輻手孔邊緣處有嚴(yán)重的應(yīng)力集中，應(yīng)力值最大。產(chǎn)品中最小安全系數(shù)的位置在輪輻手孔沿輪輻圓周方向的兩端。在設(shè)定載荷下得出的輪輻最小安全系數(shù)為2.17。
通過(guò)在模型表面設(shè)置探測(cè)器我們還可以得出：輪輞體的最小安全系數(shù)為6.21（見(jiàn)圖4），位置在輪緣大耳外側(cè)根部。擋圈最小安全系數(shù)為11.04（見(jiàn)圖5），位置在擋圈大耳內(nèi)側(cè)根部。
圖5 普通型8.5-20車輪擋圈最小安全系數(shù)位置
經(jīng)統(tǒng)計(jì)，索賠返回舊件中絕大多數(shù)產(chǎn)品失效形式為從手孔兩端產(chǎn)生疲勞性裂紋損傷。模型分析結(jié)果與實(shí)際吻合，說(shuō)明建模設(shè)定條件基本符合實(shí)際工況。
（4）加強(qiáng)型車輪的有限元分析及改進(jìn)效果對(duì)比：
加強(qiáng)型車輪的總體質(zhì)量為61.4kg，質(zhì)量較普通型車輪增加10.4%。查看輪輻的應(yīng)力云圖可以發(fā)現(xiàn)加強(qiáng)型車輪輪輻表面的應(yīng)力分布得到優(yōu)化，分布相對(duì)均衡，手孔邊緣應(yīng)力值大大降低，經(jīng)模擬傳感器測(cè)定，輪輻依然是最為薄弱的部位，但輪輻最小安全系數(shù)提高為為3.17（見(jiàn)圖6），總體最小安全系數(shù)較普通型車輪提高了46.1%，車輪強(qiáng)度顯著提高。
圖6 加強(qiáng)型8.5-20車輪最小安全系數(shù)及應(yīng)力云圖
通過(guò)探測(cè)器還可以測(cè)得輪輞體的最小安全系數(shù)為7.96（見(jiàn)圖7），位置在輪緣大耳內(nèi)側(cè)根部，較普通型車輪大耳根部強(qiáng)度明顯加強(qiáng)。
圖7 加強(qiáng)型車輪輪輞最小安全系數(shù)位置
擋圈最小安全系數(shù)為10.40（見(jiàn)圖8），考慮可能是大耳高度增加，輪胎氣壓形成的軸向壓力增大，故安全系數(shù)略有下降。
圖8 加強(qiáng)型車輪擋圈最小安全系數(shù)位置
2.實(shí)物試驗(yàn)論證
根據(jù)結(jié)構(gòu)改進(jìn)，對(duì)新結(jié)構(gòu)車輪進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證。對(duì)車輪總成做了性能試驗(yàn)，對(duì)輪輻彎曲、輪輞徑向以及總成的焊接強(qiáng)度進(jìn)行了試驗(yàn)。
（1）輪輻彎曲實(shí)驗(yàn)：
樣件進(jìn)行了車輪性能實(shí)驗(yàn)—輪輻彎曲實(shí)驗(yàn)，按照GB/T5909-1995（《載貨汽車車輪性能要求和實(shí)驗(yàn)方法》），連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了額定轉(zhuǎn)數(shù)6萬(wàn)轉(zhuǎn)后，實(shí)驗(yàn)品均未出現(xiàn)裂紋及其他失效特征等缺陷，滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的性能要求。
（2）加強(qiáng)輪輞體徑向?qū)嶒?yàn)：
為了提高車輪的載重能力，我們加強(qiáng)了輪輞體的部分厚度，為此我們專門進(jìn)行了車輪性能實(shí)驗(yàn)—輪輞體徑向?qū)嶒?yàn)，按照GB/T5909-1995，連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)了額定轉(zhuǎn)數(shù)50萬(wàn)轉(zhuǎn)后，實(shí)驗(yàn)品均無(wú)失效狀態(tài)，達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的對(duì)循環(huán)轉(zhuǎn)數(shù)的性能要求，產(chǎn)品合格。
結(jié)束語(yǔ)
加強(qiáng)型8.5-20車輪總成是結(jié)合我國(guó)運(yùn)輸業(yè)現(xiàn)狀，針對(duì)普通型車輪存在的問(wèn)題，在薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行適當(dāng)加強(qiáng)，在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行改進(jìn)，面向客戶的新產(chǎn)品。通過(guò)合理改進(jìn)，在小幅增加成本的前提下，產(chǎn)品強(qiáng)度有了近50%的大幅提升，有力地保證了車輛運(yùn)行安全，基本消除了輪輻破裂造成的舊件索賠問(wèn)題。
（轉(zhuǎn)載）
