Investigation of mechanical strength of heavy-duty vehicle integrated wheel hub

Abstract

In this study, the effects of the proposed design changes on the numerical and experimental results were investigated to increase the fatigue strength of the integrated wheel hub used in heavy-duty vehicles. Firstly, finite element analysis of the reference integrated wheel hub design was conducted by considering the boundary conditions of biaxial fatigue test standard. Critical hot-spot stress regions on the reference integrated wheel hub have been determined. The results of biaxial fatigue test applied to the reference wheel hub prototype (fatigue test cycle and damage regions) were compared with numerical results (hot-spot stress regions and stress values) obtained in finite element analysis. Afterwards, finite element analyses of two different design changes were carried out to increase the fatigue strength. The results of biaxial fatigue tests applied to the prototypes which the proposed design changes were adapted were evaluated. In comparison of the proposed integrated wheel hub design with the reference design the fatigue strength was improved by 25%.

Keywords

• Integrated wheel hub
• Finite element analysis
• Biaxial fatigue test
• Heavy-duty vehicle

Ağır hizmet aracı bütünleşik tekerlek poyrasının mekanik dayanımının sayısal ve deneysel olarak incelenmesi

Öz

Bu çalışmada, ağır hizmet araçlarında kullanılan bütünleşik yapıdaki tekerlek poyrasının yorulma dayanımının arttırılması amacıyla önerilen tasarım değişikliklerinin sayısal ve deneysel sonuçlar üzerindeki etkileri incelenmiştir. Öncelikle çift eksenli yorulma testi standardındaki sınır koşulları göz önünde bulundurularak referans bütünleşik poyra tasarımına ait sonlu elemanlar analizi gerçekleştirilmiştir. Referans bütünleşik tekerlek poyrası üzerindeki kritik gerilme bölgeleri belirlenmiştir. Referans tekerlek poyrası prototipine uygulanan çift eksenli yorulma testi sonuçları (yorulma testi çevrimi ve hasar bölgeleri) ile sonlu elemanlar analizinde elde edilen sayısal sonuçlar (kritik gerilme bölgeleri ve gerilme değerleri) karşılaştırılmıştır. Sonrasında yorulma dayanımının arttırılması amacıyla iki farklı tasarım değişikliği için sonlu elemanlar analizleri gerçekleştirilmiştir. Önerilen tasarım değişikliklerinin uyarlandığı prototiplere uygulanan çift eksenli yorulma testleri sonuçları değerlendirilmiştir. Önerilen bütünleşik tekerlek poyrası tasarımı ile referans tasarım karşılaştırıldığında yorulma dayanımında %25 oranında iyileşme elde edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Bütünleşik tekerlek poyrası
• Sonlu elemanlar analizi
• Çift eksenli yorulma testi
• Ağır hizmet aracı

Kaynakça

1. [1] Sergent N, Tirovic M, Voveris J. “Design optimization of an opposed piston brake caliper”. Engineering Optimization, 46(11), 1520-1537, 2014.
2. [2] Topaç MM, Atak M. “Optimal design of a rigid front axle beam for trucks”. 1st International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2016), Adana, Türkiye, 26-28 October 2016.
3. [3] Topaç MM, Kuralay NS, Bahar I. “Mass and stress optimisation of a multi-purpose vehicle front axle differential housing for various driving conditions”. Duzce University Journal of Science & Technology, 4, 501-513, 2016.
4. [4] Topaç MM, Bahar E, Kaplan A, Sarıkaya EZ. “Design of a lower wishbone for a military vehicle independent front suspension using topology optimization”. 2nd International Defence Industry Symposium, Kırıkkale, Türkiye, 6-8 April 2017.
5. [5] Güleryüz İC, Yılmaz B. “Lightweight design of a torque plate of Z-cam drum brake for heavy duty vehicles”. International Journal of Automotive Science and Technology, 3(2), 42-50, 2019.
6. [6] Güleryüz İC, Yılmaz B. “Ağır hizmet araçlarında kullanılan Z-kam kampanalı fren tork plakası ağırlık optimizasyonu”. Academic Perspective Procedia, 2(3), 466-475, 2019.
7. [7] Tekbaş U, Güleryüz İC. “Ağır hizmet araçlarında kullanılan hidrolik disk fren kaliper yuvasının topoloji optimizasyonu”. 3rd International Symposium on Automotive Science and Technology (ISASTECH 2023), Ankara, Türkiye, 7-8 Eylül 2023.
8. [8] Lee E, Lee Y. “Design and Validation of the Integrated Wheel Hub”. SAE Technical Paper, 2011-01-2170, 2011.

9. [9] Güleryüz İC, Karadeniz ZH. “Transient thermal analyses of an integrated brake rotor and wheel hub for heavy duty vehicles”. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering, 236(5), 971-986, 2021.
10. [10] Güleryüz İC, Yılmaz ÖC. “Ağır hizmet aracı bütünleşik fren diski ve poyra çiftinin soğuma süresinin sayısal ve deneysel olarak incelenmesi”. Politeknik Dergisi, 27(2), 469-477, 2023.
11. [11] Ceyhan A, Duruş M, Akarsu C, Aydın R, Tutuk E, Özkardeşler BC. “Wheel hub fatigue performance under non-constant rotational loading and comparison to eurocycle test”. Procedia Engineering, 101, 77-84, 2015.
12. [12] Ercan S. Ticari Taşıtlarda Kullanılan Jantlarda Dinamik İşletim Yükü Altında Oluşan Yorulma Ömrünün Bilgisayar Destekli Belirlenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Dokuz Eylül Üniversitesi, İzmir, Türkiye, 2011.
13. [13] Topaç MM, Kuralay NS, Ercan S. “Fatigue life prediction of a heavy vehicle steel wheel under radial loads by using finite element analysis”. Engineering Failure Analysis, 20, 67-79, 2012.
14. [14] Ayran E, Pekedis M. “Alüminyum alaşımlı otomobil jantlarında deneysel darbe testlerinin sonlu elemanlar yöntemiyle doğrulanması”. Dicle Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Mühendislik Dergisi, 11(2), 663-670, 2020.
15. [15] Ceylan O, Aydoğan F. “Validation of A356T6 automobile wheel fatigue strength using the finite elements method”. European Mechanical Science, 6(3), 207-212, 2022.
16. [16] Bakal NR, Kuwar VS, Shinde VV, Thorat OA, Pawar PR. “Development of India specific biaxial test cycle for fatigue testing of wheel rims and wheel hub bearings for heavy commercial vehicles”. SAE Technical Paper, 2024-26-0322, 2024.
17. [17] Poyraz U. Fatigue Failure Analysis of a Heavy Vehicle Truck Wheels Under Dynamic Loads by Rainflow Cycle Counting Method. Master’s Thesis, Dokuz Eylul University, Izmir, Türkiye, 2020.
18. [18] Association of European Wheel Manufacturers. “EUWA ES-3.23 Biaxial Fatigue Test for Trucks Wheels”. 2017.
19. [19] Association of European Wheel Manufacturers, “EUWA ES-3.25 Technical Crack Definition for Wheels”. 2017.
20. [20] Güleryüz İC, Yılmaz B. “Ağır hizmet araçlarında kullanılan disk fren kaliper yuvasının yapısal analizi ve deneysel doğrulaması”. 4th International Mediterranean Science and Engineering Congress (IMSEC 2019), Antalya, Türkiye, 25-27 Nisan2019.
21. [21] Yılmaz ÖC, Güntay B, Güleryüz İC. “Yapısal döküm parçaların yorulma ömrünü etkileyen ana faktörlerin ağır ticari araç fren sistemlerinde incelenmesi”. Gazi University Journal of Science Part C: Design and Technology, 12(1), 378-387, 2024.
22. [22] Lipski A. “Determination of the S-N curve and the fatigue limit by means of the thermographic method for ductile cast iron”. Proceedings of the XXVII Polish National Conference on Fatigue Failure and Fracture Mechanics, Bydgoszcz, Poland, 22-25 May 2018.