乘用車車輪徑向疲勞性能測試設備一致性檢測方法

劉凱杰，汪宏模，龍 婷

（1.天津久榮車輪技術有限公司，天津 300112；2.浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

疲勞破壞是汽車車輪最主要的失效形式，它直接關系到乘客的人身安全，因此其疲勞性能測試是汽車安全性能檢測的一項重要內容，只有按照相應標準要求的測試方法進行檢測，而且測試數據滿足標準要求的車輪才能進入使用。

車輪徑向疲勞性能是車輪疲勞性能測試的一項重要指標，它考核了車輪承受徑向載荷的能力，其測試設備為徑向疲勞試驗機。試驗機[1]有一個轉鼓，車輪與輪胎總成安裝在一個可以轉動的軸上，測試時加載系統通過導向機構使車輪和輪胎總成壓向轉動的轉鼓，從而在車輪轉動時得到恒定的徑向負荷，在恒定徑向負荷作用下，通過測試可以得到車輪疲勞性能是否滿足要求。但由于試驗機結構多樣性，傳感器種類和測控系統差異性等原因，對于同種材料、同種工藝制造的同一批次的車輪在不同試驗機上測試數據往往存在差異，這些數據有時會影響產品的合格性檢驗，誤導車輪制造商，為了得到準確的結論，需要對設備進行一致性的檢驗。

雖然試驗機間測試的差異性對于車輪研發而言，影響較小，但卻影響制造成本以及產品間性能的比較，而且隨著實驗室之間聯系的加強，相互間的關聯和比對會越來越頻繁，這就需要通過有效的方法對試驗機間的差異性進行檢測，在把握試驗機差異性的基礎上，通過金屬材料疲勞理論，通過系數關聯建立試驗機之間結果一致性。

關于試驗機之間測試一致性，目前行業主要通過在相同或相近條件使用同一件或同一批測試車輪進行測試，以驗證相互間的測試數據的一致性。例如通用汽車公司對于其全球車輪供應商實驗室或擁有車輪檢測項目的第三方實驗室進行的TIP（Test Improvement Process）一致性審核，德國萊茵TüV公司對汽車零部件測試設備動態一致性檢測等。目前國內實驗室之間也進行過相應的測試數據的比較。文章參考德國萊茵TüV認證中使用的動態一致性檢測方法[2]，制作相應的測試工具，使用通用的采集工具，在不同的測試設備上進行相應的檢測，然后通過對檢測數據的分析，通過一定的方法尋求設備間測試結果一致性。具體步驟見以下框架。見圖1.

圖1 檢測方法流程圖

1 乘用車車輪徑向疲勞測試動態應變數據采集與處理

1.1 數據檢測設備

數據檢測設備由數據采集工具、相應的檢測線路和檢測軟件等組成。乘用車車輪徑向疲勞試驗機主要檢測對象為轎車或輕卡車輪，根據測試對象選取典型的車輪，在相應的位置粘貼電阻式應變片，制作成采集工具即應變車輪，如圖2所示，圖中車輪是鋼制車輪，在輪輞正面和背面粘貼44片電阻式應變片。

圖2 鋼制應變車輪

在車輪徑向疲勞試驗機測試過程中車輪不停的旋轉，因此采集過程中需要一個轉接滑環把電阻應變片線路從旋轉的轉化為靜止，然后連接到應變采集儀上。如圖3所示。

圖3 滑環

應變車輪上電阻應變片應變大小的測量使用HBM的應變采集儀，型號為QuantumXMX1615B[3]。安裝應變車輪和滑環到試驗設備上，如圖4所示。

圖4 應變車輪安裝圖

1.2 測試設置

為了排除其他因素干擾測試結果，設備間測試需要在規定的測試條件下進行，本次測試設定車輪轉速為440 r/min，輪胎充氣壓力為460 kPa，緊固螺栓扭矩為98 N·m.

1.3 應變檢測

1.3.1 設備1應變檢測

在設定的測試環境下，根據應變車輪和使用輪胎的性能，分別進行8 000 N、10 000 N、12 000 N、14 000 N，16 000 N下應變數據的采集，如圖5所示。

圖5 動態應變采集波形

為了測試數據的準確性，等試驗設備穩定運行一段時間后，通過HBM應變采集儀，檢測應變車輪上電阻應變片的應變大小。應變采集儀通過標準應變進行標定，精度在0.1%內。

1.3.2 設備2應變檢測

在設備1上數據采集完成后，在一定的時間間隔內（一般在2個月內），安裝應變車輪和滑環到試驗設備2上，按照相同的測試步驟，進行應變檢測。

1.4 數據處理

在不同設備上應變檢測完成后，導出測試數據，通過以下方法進行數據處理。

1.4.1 數據采集有效性的判斷

根據材料的胡克定律，在彈性變形范圍內，材料中的應力與應變（單位變形量）之間成線性關系。以載荷為橫坐標，對應應變為縱坐標可以得到應變車輪上各個應變片的應變與載荷（即對應應力）之間的關系。

比較應變車輪在設備1和設備2測試時，相同位置應變和應力之間的關系，只有呈現相似關系的數據才能進行使用，否則需要分析測試時異常或者舍棄本組數據。

1.4.2 設備間數據處理

在設定的測試條件下，應變車輪應變大小反映設備對車輪的真實加載情況。對這些數據進行比較，通過統計的手段，可以得到設備間差異性。

只有通過判斷，有效的數據才能進行比較。使用EXCEL或其他分析工具，以應變車輪在設備2上采集到的數據為橫坐標，以設備1上采集到的數據為縱坐標，相同測試條件下，相同位置電阻應變片的應變大小一一對應，可以得到兩者之間的關系，如圖6所示，為原始采集數據設備1和設備2之間應變大小對應關系圖，從圖中可以看出上端一些樣本點明顯偏移總體規律，出現這些樣本點，一方面是可能應變車輪此位置應變片加工存在問題，另一方面可能是采集偶然性誤差，剔除這些樣本點后，得到設備1和設備2數據規律如圖7所示。

圖6 設備1和設備2原始總體數據比較

圖7 設備1和設備2數據比較

通過總體采集數據的分析，可以看出，相同測試條件下，應變車輪上電阻應變片在設備1的應變值大于設備2，即相同設定載荷下，應變車輪在設備1受到的載荷大于設備2，差值約為4%.在實際試驗中也發現，同樣一批車輪在兩臺設備上進行測試時，在設備1上測試的結果一般會小于在設備2上測試的結果。

2 試驗設備一致性關聯

根據金屬材料的疲勞理論，相同加載條件下，即相同測試溫度，相同的加載頻率，相同的疲勞破壞判斷設定，材料的壽命只取決于其應力大小，即載荷。

通過以上方法可以對設備間的一致性進行檢測，從而得出車輪在試驗過程中真實受力的差異。

2.1 TüV動態一致性檢測方法

對于車輪徑向疲勞試驗設備，TüV動態一致性檢測中會選取性能比較穩定，結果準確性受到承認的設備作為標準設備，根據被測設備與標準設備之間應變差值，按照金屬材料的疲勞理論給予被測設備一個加權系數，從而實現被測設備間與標準設備測試結果的一致性。

比如對于鋁合金車輪徑向疲勞測試，上述兩臺設備應變差值為4%，通過查徑向疲勞測試一致性因數表，其加權系數為0.82.即如果設備2為標準試驗機，同樣車輪或同一批車輪如果在設備1進行測試，其測試結果為LC1，則在設備2上進行測試時其測試結果為0.82 LC1.

同樣對于乘用車車輪彎曲疲勞測試，不同設備間真實載荷的差異性也可以通過此種方法進行達到測試結果的一致性。

2.2 設備改進

在確定試驗設備間真實受力差異后，可以通過改進設備結構，提高設備傳感器精度等方法，達到在相同設定載荷的情況下，不同設備間車輪真實受力差異在一定的誤差范圍內。

3 結束語

文章介紹了乘用車車輪徑向疲勞試驗機一致性的檢測方法，并通過選取兩臺設備，制作相應的測試工具，進行檢測，從而得到設備之間一致性的差異，在此基礎上，提出了現有設備測試數據處理和設備改進的方法，以實現設備和試驗室之間測試結果的一致性，從而提高車輪徑向疲勞性能檢測的準確性。

參考資料：

[1]GB/T5334-2005.乘用車車輪性能要求和試驗方法[S].

[2]AM-KFR1/GAR,On dynamic alignment of testing machines at CAAM(China)[R],Report No.:Garching 2009-07-07,2009.

[3]HBM:public,QuantumX Operating Manual[Z].German,2017.