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基于威布尔分析的钢车轮弯曲疲劳寿命改善提升
2019-06-09 20:36:05· 来源：EDC电驱未来 作者：叶锦泉
车车轮作为底盘重要的安全件之一，起着支承整车的质量、传递驱动力、制动力和转向力的作用，其安全性和可靠性在很大程度上取决于车轮的制造质量和使用寿命。针对
车车轮作为底盘重要的安全件之一，起着支承整车的质量、传递驱动力、制动力和转向力的作用，其安全性和可靠性在很大程度上取决于车轮的制造质量和使用寿命。针对底盘零部件的疲劳寿命验证，多数汽车企业及零部件供应商只对少数样件进行试验验证，试验结果次数大于设计寿命要求的次数则满足设计要求。但在实际使用过程中，汽车底盘零部件受力情况复杂，环境条件恶劣，单个或几个样件试验测试结果次数不足以充分显示其可靠性寿命，所以，通过数量有限的台架试验样本来评价整批产品的可靠性、失效机制等变得非常有必要。
现有研究中通常采用正态分布或威布尔分布来描述疲劳寿命，而威布尔分布已被证明在许多情况下能够更好地描述疲劳寿命分布。威布尔分布是瑞典科学家威布尔(W WEIBULL)在1951年研究材料强度时，提出的一种概率分布函数。它具有适用性广、覆盖性强、能以较少的试验样本得出较准确的失效分析、能包容其他多种分布形式等特点。在国内外，威布尔分布已在强度、环境研究领域及以损耗为特征的机械零件寿命评估中得到广泛的应用。
威布尔分在数学上可定义如下：
F(t)=1-e-[(t-t0)/η]β
(1)
式中：F(t)为故障密度分布函数；t为故障时间；t0为原点或者分布起点；η为特征寿命或尺度参数；β为斜率或形状参数。F(t)定义了在时间t内将要发生故障的一组部件的累积概率，那么1-F(t)为没有发生故障的概率，用可靠度R(t)来表示：
R(t)=e-([(t-t0)/η]β
(2)
1 车轮弯曲疲劳寿命试验介绍
根据GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》，车轮的弯曲疲劳试验装置如图1所示。将车轮牢固地夹紧在试验夹具上，通过电机带动加载轴转动，产生一定的弯曲力矩，模拟车轮在行驶过程中受到的弯曲力矩。
图1 车轮动态弯曲试验图
弯曲力矩计算如下：
M=(R·μ+d)·F·S
(3)
式中：μ为汽车在行驶时，路面与轮胎之间的摩擦因数；R为轮胎静负荷半径，是汽车厂或者轮胎厂规定的该型车轮上可用的最大轮胎静半径，m；d为车轮的偏置距(内偏距为正值，外偏距为负值)，m；F为车轮最大额定载荷，N；S为强化试验系数，GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》中相关规定如表1所示。
表1 动态弯曲疲劳试验要求
针对两种强化系数，当S1=1.60时称为大弯曲载荷耐久试验，S2=1.33时称为小弯曲载荷耐久试验，两种试验仅是加载载荷的差异，载荷小时疲劳寿命次数多，试验结果的离散型也会大，故文中将针对小弯曲载荷耐久试验来进行研究。
2 分析结果及改善
在某项目的钢车轮开发过程中，根据整车条件及式(3)计算出的弯曲疲劳试验要求如下：
大弯曲疲劳耐久：M1=1.82 kN
小弯曲疲劳耐久：M2=1.30 kN
在钢车轮样件试验阶段，按小弯曲疲劳耐久的条件进行试验， 5个零件的试验结果如表2所示，并对结果进行威布尔分析。
表2 动态弯曲疲劳寿命及威布尔计算结果
依据威布尔分析公式，结合以上数据，可以计算出形状参数β=2.79，尺度参数η=27.89，还可说明单品的试验是满足设计要求的。但经过威布尔分析后，F(t)=5%的结果为9.61×104 次，即从可靠性角度来说，产品被使用到9.61×104 次后，发生故障的概率为5%，或者说产品被使用到1.5×105 次后没有发生故障的概率为83.74%，存在着失效的风险。
为了提升钢车轮的弯曲疲劳寿命，对试验结果进行分析，发现5号产品的寿命次数为3.8×105 次，比其他产品2.0×105 次左右的寿命高出近一倍。为了找出其原因，对所有试验后的产品进行了详细的对比分析，发现寿命较高的车轮在耐久试验后，其安装面的接触面积变大，即非接触面变为了接触面，如表3所示。
表3 耐久后各安装面接触情况
为了确认接触面大小对弯曲疲劳耐久寿命的影响，对车轮安装的接触面与非接触面进行了调查，该处安装面与非接触面之间允许存在一定的高度差，并对最大高度差进行管理，要求如图2所示。
对同批次产品的非接触面进行压印分析，总结发现，安装面与非接触面在产品高度差为0.071 2 mm以上时，车轮螺母拧紧后不会产生接触，低于该值时，会产生接触，如图3所示。
利用三坐标，对试验件的非接触面高度差进行测量，与疲劳寿命绘制关系曲线，如图4所示。
由该拟合的关系曲线发现高度差即非接触面是否接触与弯曲疲劳寿命之间无直接关系。为了进一步确认，借助CAE分析进行再次确认，在3D数据上调整该处的高度差，对车轮的应力进行分析，如图5所示。
图2 安装面与非接触面高度差
图3 非接触面高度差与接触状态
图4 非接触面高度差与寿命之间的关系曲线
图5 非接触面高度差应力图
不同高度差的应力分析结果如表4所示。
表4 非接触面不同高度差应力分析结果
从CAE分析结果也可以看出，接触面积的变化并不会造成应力的变化，即不会影响疲劳耐久寿命的试验结果。综上可知，5号试验件疲劳寿命较其他产品高，并不是因为该零件的安装面接触面积比其他零件大即非接触面变为接触面造成的，而是由于其他原因。
对耐久后的试验件进行再次确认，发现在耐久疲劳失效时，出现裂纹的位置都在散热孔处，如图6所示。
图6 弯曲耐久疲劳失效位置图
猜测散热孔的失效是影响弯曲耐久疲劳的关键因素。为了找出其差异性，分工序对散热孔的一致性进行详细确认：
落料工序：此工序产生的豁口长度差及工艺毛刺会有影响，对制件进行检查，无异常；
拉伸工序：此工序产生的豁口长度会有影响，对制件进行检查，无异常；
修边工序：此工序产生的缺口高度会有影响，对制件进行检查，无异常；
冲散热孔工序：发现部分产品轮辐冲散热孔模具凹模刃口与轮辐制件之间存在着约1.5 mm的间隙，如图7所示。
有间隙的零件，会造成散热孔发生变形，影响散热孔的尺寸，同时也会对下一步工序挤散热孔造成难度：
挤散热孔工序：此工序是为了对上一步冲散热孔工序过程中造成的工艺毛刺进行去除，若去除不完全，散热孔周围将会存在微裂纹，影响产品的弯曲疲劳寿命。
一般情况下，零件的疲劳失效为在外界载荷的作用下，零件内部微观结构表现为错群的产生、驻留滑移带和微裂纹的形成和扩展，宏观裂纹的产生直至疲劳失效。若散热孔表面毛刺未清除完全，相当于散热孔的周围已经存在微裂纹，在试验中，该微裂纹将在弯曲疲劳载荷的作用下，迅速扩展并发展为宏观裂纹，导致疲劳寿命次数大大降低。
图7 冲散热孔后制件与模具之间的间隙图
为了确认毛刺对耐久寿命的影响，验证上述理论的实际试验结果。文中安排制作了2批产品，对其中一批产品不做挤散热孔工序，另外一批产品对散热孔进行打磨，确保毛刺完全去除，并对2批次产品进行弯曲耐久疲劳试验，试验对比数据和威布尔计算结果如表5所示。
表5 不同毛刺状态弯曲疲劳耐久寿命及威布尔计算结果
从试验结果中可以看出，散热孔的毛刺程度对弯曲疲劳耐久寿命的影响非常大，是影响弯曲疲劳寿命的关键。
试验零件中，对散热孔毛刺进行打磨，可以确保毛刺的完全去除，但该方法成本高效率低，不能用于量产方案，需进一步研究以找到量产的对应方案。目前挤散热孔工序示意如图8所示。
图8 挤散热孔示意图
利用冲压设备并配合模具对散热孔周边进行挤压，以达到去除毛刺的目的。冲压设备在运动的过程中，控制的是冲压的行程，因为各个产品的板厚差异及形状差异，在同一行程的作用下，挤压的程度会有所差异，即对毛刺的去除程度不一致，这就能够解释之前产品弯曲疲劳耐久寿命差异的原因。
为了保证冲压设备对产品的挤压程度的一致性，考虑将冲压设备由行程控制更改为压力控制，当控制冲压设备的压力后，对于产品的板厚差异及形状差异，设备将自动控制给予不同的压力，从而达到挤毛刺的程度一致，设备如图9所示。
图9 挤散热孔设备增加压力控制图
增加压力控制及显示装置后，需要再对压力的控制范围进行确认，因为毛刺的挤压程度无法通过CAE进行分析，只能通过实物进行试验验证。为此，又重新制作了一批零件，分别以不同的压力进行挤散热孔毛刺，并对产品进行耐久试验验证，试验结果如表6所示。
表6 不同挤散热孔压力弯曲疲劳耐久寿命及威布尔计算结果
从试验结果中，可以看到23 T时的效果最好，总体的试验寿命较高，寿命的一致性也较好，经过威布尔分析后，F(t)=5%的结果为5.557×105 次，即从可靠性角度来说，产品被使用到5.557×105 次后，发生故障的概率为5%，或者说产品被使用到1.5×105 次后没有发生故障的概率为99.95%，产品的可靠性高，所以最终选择23 T作为设备挤散热孔的压力，并作为量产方案。
3 结束语
根据试验结果，通过威布尔分析工具，分析出产品的疲劳寿命可靠性，文中在早期开发试验中发现各个样件的疲劳寿命虽然满足设计要求，但F(t)=5%的分析结果不满足要求，耐久的可靠性存在风险。对试验后产品进行分析，从工艺的差异角度进行改善，提升产品的可靠性，并在工艺参数不够明确的时候，通过制作不同参数的产品进行试验验证，根据实际的试验结果固化生产工艺参数，从而达到提升产品的疲劳耐久寿命及威布尔分析结果。威布尔分析工具的应用，为产品的疲劳寿命可靠性提供了依据，提升了整车的疲劳耐久寿命，使车辆的可靠性得到进一步提升。
汽车车轮作为底盘重要的安全件之一，起着支承整车的质量、传递驱动力、制动力和转向力的作用，其安全性和可靠性在很大程度上取决于车轮的制造质量和使用寿命。针对底盘零部件的疲劳寿命验证，多数汽车企业及零部件供应商只对少数样件进行试验验证，试验结果次数大于设计寿命要求的次数则满足设计要求。但在实际使用过程中，汽车底盘零部件受力情况复杂，环境条件恶劣，单个或几个样件试验测试结果次数不足以充分显示其可靠性寿命，所以，通过数量有限的台架试验样本来评价整批产品的可靠性、失效机制等变得非常有必要。
现有研究中通常采用正态分布或威布尔分布来描述疲劳寿命，而威布尔分布已被证明在许多情况下能够更好地描述疲劳寿命分布。威布尔分布是瑞典科学家威布尔(W WEIBULL)在1951年研究材料强度时，提出的一种概率分布函数。它具有适用性广、覆盖性强、能以较少的试验样本得出较准确的失效分析、能包容其他多种分布形式等特点。在国内外，威布尔分布已在强度、环境研究领域及以损耗为特征的机械零件寿命评估中得到广泛的应用。
威布尔分在数学上可定义如下：
F(t)=1-e-[(t-t0)/η]β
(1)
式中：F(t)为故障密度分布函数；t为故障时间；t0为原点或者分布起点；η为特征寿命或尺度参数；β为斜率或形状参数。F(t)定义了在时间t内将要发生故障的一组部件的累积概率，那么1-F(t)为没有发生故障的概率，用可靠度R(t)来表示：
R(t)=e-([(t-t0)/η]β
(2)
1 车轮弯曲疲劳寿命试验介绍
根据GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》，车轮的弯曲疲劳试验装置如图1所示。将车轮牢固地夹紧在试验夹具上，通过电机带动加载轴转动，产生一定的弯曲力矩，模拟车轮在行驶过程中受到的弯曲力矩。
图1 车轮动态弯曲试验图
弯曲力矩计算如下：
M=(R·μ+d)·F·S
(3)
式中：μ为汽车在行驶时，路面与轮胎之间的摩擦因数；R为轮胎静负荷半径，是汽车厂或者轮胎厂规定的该型车轮上可用的最大轮胎静半径，m；d为车轮的偏置距(内偏距为正值，外偏距为负值)，m；F为车轮最大额定载荷，N；S为强化试验系数，GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》中相关规定如表1所示。
表1 动态弯曲疲劳试验要求
针对两种强化系数，当S1=1.60时称为大弯曲载荷耐久试验，S2=1.33时称为小弯曲载荷耐久试验，两种试验仅是加载载荷的差异，载荷小时疲劳寿命次数多，试验结果的离散型也会大，故文中将针对小弯曲载荷耐久试验来进行研究。
2 分析结果及改善
在某项目的钢车轮开发过程中，根据整车条件及式(3)计算出的弯曲疲劳试验要求如下：
大弯曲疲劳耐久：M1=1.82 kN
小弯曲疲劳耐久：M2=1.30 kN
在钢车轮样件试验阶段，按小弯曲疲劳耐久的条件进行试验， 5个零件的试验结果如表2所示，并对结果进行威布尔分析。
表2 动态弯曲疲劳寿命及威布尔计算结果
依据威布尔分析公式，结合以上数据，可以计算出形状参数β=2.79，尺度参数η=27.89，还可说明单品的试验是满足设计要求的。但经过威布尔分析后，F(t)=5%的结果为9.61×104 次，即从可靠性角度来说，产品被使用到9.61×104 次后，发生故障的概率为5%，或者说产品被使用到1.5×105 次后没有发生故障的概率为83.74%，存在着失效的风险。
为了提升钢车轮的弯曲疲劳寿命，对试验结果进行分析，发现5号产品的寿命次数为3.8×105 次，比其他产品2.0×105 次左右的寿命高出近一倍。为了找出其原因，对所有试验后的产品进行了详细的对比分析，发现寿命较高的车轮在耐久试验后，其安装面的接触面积变大，即非接触面变为了接触面，如表3所示。
表3 耐久后各安装面接触情况
为了确认接触面大小对弯曲疲劳耐久寿命的影响，对车轮安装的接触面与非接触面进行了调查，该处安装面与非接触面之间允许存在一定的高度差，并对最大高度差进行管理，要求如图2所示。
对同批次产品的非接触面进行压印分析，总结发现，安装面与非接触面在产品高度差为0.071 2 mm以上时，车轮螺母拧紧后不会产生接触，低于该值时，会产生接触，如图3所示。
利用三坐标，对试验件的非接触面高度差进行测量，与疲劳寿命绘制关系曲线，如图4所示。
由该拟合的关系曲线发现高度差即非接触面是否接触与弯曲疲劳寿命之间无直接关系。为了进一步确认，借助CAE分析进行再次确认，在3D数据上调整该处的高度差，对车轮的应力进行分析，如图5所示。
图2 安装面与非接触面高度差
图3 非接触面高度差与接触状态
图4 非接触面高度差与寿命之间的关系曲线
图5 非接触面高度差应力图
不同高度差的应力分析结果如表4所示。
表4 非接触面不同高度差应力分析结果
从CAE分析结果也可以看出，接触面积的变化并不会造成应力的变化，即不会影响疲劳耐久寿命的试验结果。综上可知，5号试验件疲劳寿命较其他产品高，并不是因为该零件的安装面接触面积比其他零件大即非接触面变为接触面造成的，而是由于其他原因。
对耐久后的试验件进行再次确认，发现在耐久疲劳失效时，出现裂纹的位置都在散热孔处，如图6所示。
图6 弯曲耐久疲劳失效位置图
猜测散热孔的失效是影响弯曲耐久疲劳的关键因素。为了找出其差异性，分工序对散热孔的一致性进行详细确认：
落料工序：此工序产生的豁口长度差及工艺毛刺会有影响，对制件进行检查，无异常；
拉伸工序：此工序产生的豁口长度会有影响，对制件进行检查，无异常；
修边工序：此工序产生的缺口高度会有影响，对制件进行检查，无异常；
冲散热孔工序：发现部分产品轮辐冲散热孔模具凹模刃口与轮辐制件之间存在着约1.5 mm的间隙，如图7所示。
有间隙的零件，会造成散热孔发生变形，影响散热孔的尺寸，同时也会对下一步工序挤散热孔造成难度：
挤散热孔工序：此工序是为了对上一步冲散热孔工序过程中造成的工艺毛刺进行去除，若去除不完全，散热孔周围将会存在微裂纹，影响产品的弯曲疲劳寿命。
一般情况下，零件的疲劳失效为在外界载荷的作用下，零件内部微观结构表现为错群的产生、驻留滑移带和微裂纹的形成和扩展，宏观裂纹的产生直至疲劳失效。若散热孔表面毛刺未清除完全，相当于散热孔的周围已经存在微裂纹，在试验中，该微裂纹将在弯曲疲劳载荷的作用下，迅速扩展并发展为宏观裂纹，导致疲劳寿命次数大大降低。
图7 冲散热孔后制件与模具之间的间隙图
为了确认毛刺对耐久寿命的影响，验证上述理论的实际试验结果。文中安排制作了2批产品，对其中一批产品不做挤散热孔工序，另外一批产品对散热孔进行打磨，确保毛刺完全去除，并对2批次产品进行弯曲耐久疲劳试验，试验对比数据和威布尔计算结果如表5所示。
表5 不同毛刺状态弯曲疲劳耐久寿命及威布尔计算结果
从试验结果中可以看出，散热孔的毛刺程度对弯曲疲劳耐久寿命的影响非常大，是影响弯曲疲劳寿命的关键。
试验零件中，对散热孔毛刺进行打磨，可以确保毛刺的完全去除，但该方法成本高效率低，不能用于量产方案，需进一步研究以找到量产的对应方案。目前挤散热孔工序示意如图8所示。
图8 挤散热孔示意图
利用冲压设备并配合模具对散热孔周边进行挤压，以达到去除毛刺的目的。冲压设备在运动的过程中，控制的是冲压的行程，因为各个产品的板厚差异及形状差异，在同一行程的作用下，挤压的程度会有所差异，即对毛刺的去除程度不一致，这就能够解释之前产品弯曲疲劳耐久寿命差异的原因。
为了保证冲压设备对产品的挤压程度的一致性，考虑将冲压设备由行程控制更改为压力控制，当控制冲压设备的压力后，对于产品的板厚差异及形状差异，设备将自动控制给予不同的压力，从而达到挤毛刺的程度一致，设备如图9所示。
图9 挤散热孔设备增加压力控制图
增加压力控制及显示装置后，需要再对压力的控制范围进行确认，因为毛刺的挤压程度无法通过CAE进行分析，只能通过实物进行试验验证。为此，又重新制作了一批零件，分别以不同的压力进行挤散热孔毛刺，并对产品进行耐久试验验证，试验结果如表6所示。
表6 不同挤散热孔压力弯曲疲劳耐久寿命及威布尔计算结果
从试验结果中，可以看到23 T时的效果最好，总体的试验寿命较高，寿命的一致性也较好，经过威布尔分析后，F(t)=5%的结果为5.557×105 次，即从可靠性角度来说，产品被使用到5.557×105 次后，发生故障的概率为5%，或者说产品被使用到1.5×105 次后没有发生故障的概率为99.95%，产品的可靠性高，所以最终选择23 T作为设备挤散热孔的压力，并作为量产方案。
3 结束语
根据试验结果，通过威布尔分析工具，分析出产品的疲劳寿命可靠性，文中在早期开发试验中发现各个样件的疲劳寿命虽然满足设计要求，但F(t)=5%的分析结果不满足要求，耐久的可靠性存在风险。对试验后产品进行分析，从工艺的差异角度进行改善，提升产品的可靠性，并在工艺参数不够明确的时候，通过制作不同参数的产品进行试验验证，根据实际的试验结果固化生产工艺参数，从而达到提升产品的疲劳耐久寿命及威布尔分析结果。威布尔分析工具的应用，为产品的疲劳寿命可靠性提供了依据，提升了整车的疲劳耐久寿命，使车辆的可靠性得到进一步提升。
汽车车轮作为底盘重要的安全件之一，起着支承整车的质量、传递驱动力、制动力和转向力的作用，其安全性和可靠性在很大程度上取决于车轮的制造质量和使用寿命。针对底盘零部件的疲劳寿命验证，多数汽车企业及零部件供应商只对少数样件进行试验验证，试验结果次数大于设计寿命要求的次数则满足设计要求。但在实际使用过程中，汽车底盘零部件受力情况复杂，环境条件恶劣，单个或几个样件试验测试结果次数不足以充分显示其可靠性寿命，所以，通过数量有限的台架试验样本来评价整批产品的可靠性、失效机制等变得非常有必要。
现有研究中通常采用正态分布或威布尔分布来描述疲劳寿命，而威布尔分布已被证明在许多情况下能够更好地描述疲劳寿命分布。威布尔分布是瑞典科学家威布尔(W WEIBULL)在1951年研究材料强度时，提出的一种概率分布函数。它具有适用性广、覆盖性强、能以较少的试验样本得出较准确的失效分析、能包容其他多种分布形式等特点。在国内外，威布尔分布已在强度、环境研究领域及以损耗为特征的机械零件寿命评估中得到广泛的应用。
威布尔分在数学上可定义如下：
F(t)=1-e-[(t-t0)/η]β
(1)
式中：F(t)为故障密度分布函数；t为故障时间；t0为原点或者分布起点；η为特征寿命或尺度参数；β为斜率或形状参数。F(t)定义了在时间t内将要发生故障的一组部件的累积概率，那么1-F(t)为没有发生故障的概率，用可靠度R(t)来表示：
R(t)=e-([(t-t0)/η]β
(2)
1 车轮弯曲疲劳寿命试验介绍
根据GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》，车轮的弯曲疲劳试验装置如图1所示。将车轮牢固地夹紧在试验夹具上，通过电机带动加载轴转动，产生一定的弯曲力矩，模拟车轮在行驶过程中受到的弯曲力矩。
图1 车轮动态弯曲试验图
弯曲力矩计算如下：
M=(R·μ+d)·F·S
(3)
式中：μ为汽车在行驶时，路面与轮胎之间的摩擦因数；R为轮胎静负荷半径，是汽车厂或者轮胎厂规定的该型车轮上可用的最大轮胎静半径，m；d为车轮的偏置距(内偏距为正值，外偏距为负值)，m；F为车轮最大额定载荷，N；S为强化试验系数，GB/T 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》中相关规定如表1所示。
表1 动态弯曲疲劳试验要求
针对两种强化系数，当S1=1.60时称为大弯曲载荷耐久试验，S2=1.33时称为小弯曲载荷耐久试验，两种试验仅是加载载荷的差异，载荷小时疲劳寿命次数多，试验结果的离散型也会大，故文中将针对小弯曲载荷耐久试验来进行研究。
2 分析结果及改善
在某项目的钢车轮开发过程中，根据整车条件及式(3)计算出的弯曲疲劳试验要求如下：
大弯曲疲劳耐久：M1=1.82 kN
小弯曲疲劳耐久：M2=1.30 kN
在钢车轮样件试验阶段，按小弯曲疲劳耐久的条件进行试验， 5个零件的试验结果如表2所示，并对结果进行威布尔分析。
表2 动态弯曲疲劳寿命及威布尔计算结果
依据威布尔分析公式，结合以上数据，可以计算出形状参数β=2.79，尺度参数η=27.89，还可说明单品的试验是满足设计要求的。但经过威布尔分析后，F(t)=5%的结果为9.61×104 次，即从可靠性角度来说，产品被使用到9.61×104 次后，发生故障的概率为5%，或者说产品被使用到1.5×105 次后没有发生故障的概率为83.74%，存在着失效的风险。
为了提升钢车轮的弯曲疲劳寿命，对试验结果进行分析，发现5号产品的寿命次数为3.8×105 次，比其他产品2.0×105 次左右的寿命高出近一倍。为了找出其原因，对所有试验后的产品进行了详细的对比分析，发现寿命较高的车轮在耐久试验后，其安装面的接触面积变大，即非接触面变为了接触面，如表3所示。
表3 耐久后各安装面接触情况
为了确认接触面大小对弯曲疲劳耐久寿命的影响，对车轮安装的接触面与非接触面进行了调查，该处安装面与非接触面之间允许存在一定的高度差，并对最大高度差进行管理，要求如图2所示。
对同批次产品的非接触面进行压印分析，总结发现，安装面与非接触面在产品高度差为0.071 2 mm以上时，车轮螺母拧紧后不会产生接触，低于该值时，会产生接触，如图3所示。
利用三坐标，对试验件的非接触面高度差进行测量，与疲劳寿命绘制关系曲线，如图4所示。
由该拟合的关系曲线发现高度差即非接触面是否接触与弯曲疲劳寿命之间无直接关系。为了进一步确认，借助CAE分析进行再次确认，在3D数据上调整该处的高度差，对车轮的应力进行分析，如图5所示。
图2 安装面与非接触面高度差
图3 非接触面高度差与接触状态
图4 非接触面高度差与寿命之间的关系曲线
图5 非接触面高度差应力图
不同高度差的应力分析结果如表4所示。
表4 非接触面不同高度差应力分析结果
从CAE分析结果也可以看出，接触面积的变化并不会造成应力的变化，即不会影响疲劳耐久寿命的试验结果。综上可知，5号试验件疲劳寿命较其他产品高，并不是因为该零件的安装面接触面积比其他零件大即非接触面变为接触面造成的，而是由于其他原因。
对耐久后的试验件进行再次确认，发现在耐久疲劳失效时，出现裂纹的位置都在散热孔处，如图6所示。
图6 弯曲耐久疲劳失效位置图
猜测散热孔的失效是影响弯曲耐久疲劳的关键因素。为了找出其差异性，分工序对散热孔的一致性进行详细确认：
落料工序：此工序产生的豁口长度差及工艺毛刺会有影响，对制件进行检查，无异常；
拉伸工序：此工序产生的豁口长度会有影响，对制件进行检查，无异常；
修边工序：此工序产生的缺口高度会有影响，对制件进行检查，无异常；
冲散热孔工序：发现部分产品轮辐冲散热孔模具凹模刃口与轮辐制件之间存在着约1.5 mm的间隙，如图7所示。
有间隙的零件，会造成散热孔发生变形，影响散热孔的尺寸，同时也会对下一步工序挤散热孔造成难度：
挤散热孔工序：此工序是为了对上一步冲散热孔工序过程中造成的工艺毛刺进行去除，若去除不完全，散热孔周围将会存在微裂纹，影响产品的弯曲疲劳寿命。
一般情况下，零件的疲劳失效为在外界载荷的作用下，零件内部微观结构表现为错群的产生、驻留滑移带和微裂纹的形成和扩展，宏观裂纹的产生直至疲劳失效。若散热孔表面毛刺未清除完全，相当于散热孔的周围已经存在微裂纹，在试验中，该微裂纹将在弯曲疲劳载荷的作用下，迅速扩展并发展为宏观裂纹，导致疲劳寿命次数大大降低。
图7 冲散热孔后制件与模具之间的间隙图
为了确认毛刺对耐久寿命的影响，验证上述理论的实际试验结果。文中安排制作了2批产品，对其中一批产品不做挤散热孔工序，另外一批产品对散热孔进行打磨，确保毛刺完全去除，并对2批次产品进行弯曲耐久疲劳试验，试验对比数据和威布尔计算结果如表5所示。
表5 不同毛刺状态弯曲疲劳耐久寿命及威布尔计算结果
从试验结果中可以看出，散热孔的毛刺程度对弯曲疲劳耐久寿命的影响非常大，是影响弯曲疲劳寿命的关键。
试验零件中，对散热孔毛刺进行打磨，可以确保毛刺的完全去除，但该方法成本高效率低，不能用于量产方案，需进一步研究以找到量产的对应方案。目前挤散热孔工序示意如图8所示。
图8 挤散热孔示意图
利用冲压设备并配合模具对散热孔周边进行挤压，以达到去除毛刺的目的。冲压设备在运动的过程中，控制的是冲压的行程，因为各个产品的板厚差异及形状差异，在同一行程的作用下，挤压的程度会有所差异，即对毛刺的去除程度不一致，这就能够解释之前产品弯曲疲劳耐久寿命差异的原因。
为了保证冲压设备对产品的挤压程度的一致性，考虑将冲压设备由行程控制更改为压力控制，当控制冲压设备的压力后，对于产品的板厚差异及形状差异，设备将自动控制给予不同的压力，从而达到挤毛刺的程度一致，设备如图9所示。
图9 挤散热孔设备增加压力控制图
增加压力控制及显示装置后，需要再对压力的控制范围进行确认，因为毛刺的挤压程度无法通过CAE进行分析，只能通过实物进行试验验证。为此，又重新制作了一批零件，分别以不同的压力进行挤散热孔毛刺，并对产品进行耐久试验验证，试验结果如表6所示。
表6 不同挤散热孔压力弯曲疲劳耐久寿命及威布尔计算结果
从试验结果中，可以看到23 T时的效果最好，总体的试验寿命较高，寿命的一致性也较好，经过威布尔分析后，F(t)=5%的结果为5.557×105 次，即从可靠性角度来说，产品被使用到5.557×105 次后，发生故障的概率为5%，或者说产品被使用到1.5×105 次后没有发生故障的概率为99.95%，产品的可靠性高，所以最终选择23 T作为设备挤散热孔的压力，并作为量产方案。
3 结束语
根据试验结果，通过威布尔分析工具，分析出产品的疲劳寿命可靠性，文中在早期开发试验中发现各个样件的疲劳寿命虽然满足设计要求，但F(t)=5%的分析结果不满足要求，耐久的可靠性存在风险。对试验后产品进行分析，从工艺的差异角度进行改善，提升产品的可靠性，并在工艺参数不够明确的时候，通过制作不同参数的产品进行试验验证，根据实际的试验结果固化生产工艺参数，从而达到提升产品的疲劳耐久寿命及威布尔分析结果。威布尔分析工具的应用，为产品的疲劳寿命可靠性提供了依据，提升了整车的疲劳耐久寿命，使车辆的可靠性得到进一步提升。
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