鋁合金車輪90°沖擊臺架試驗仿真方法研究

熊威，唐俊琦，余家皓,陶政，柳振

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

車輪作為行駛系統的重要組成部分，在汽車行駛過程中主要受到徑向載荷、彎曲載荷及沖擊載荷作用。徑向和彎曲載荷主要影響車輪的使用壽命。沖擊載荷直接作用在車輪的輪緣處，較大的沖擊載荷會使輪輞瞬間產生塑性應變或開裂，進而會使輪輞跟輪輻直接分離，影響行車安全。

為規范乘用車鋁合金車輪抗沖擊性能，國家于2015年發布了行業標準QC/T 991-2015《乘用車 輕合金車輪90°沖擊試驗方法》。目前行業內車輪90°沖擊性能的校核只能在生產出產品之后，按照標準中的方法來進行設計校核。前期還無法通過有限元仿真建立評判標準，提前對車輪設計形成有效的指導。

某項目車型X在整車綜合耐久試驗過程中，其右后車輪出現了內輪緣明顯變形的情況，如圖1所示。

經分析，由于車輪在實際的過坑或過坎工況下，受到路肩的較大的沖擊載荷作用，當輪胎被壓縮到極限狀態下，輪緣會直接受到路肩的沖擊，導致輪輞出現塑性應變。由于外輪緣端有輪輻的支撐，剛度較大，不易發生變形；內輪緣沒有支撐，剛度較小，受到沖擊后輪輞會發生永久變形，最終宏觀表現為內輪緣處產生肉眼可見的變形。由于胎壓越大，輪胎越不易被壓縮到極限狀態，故輪輞的抗90°沖擊性能除了跟本身A、B、C三段(如圖2所示)的厚度相關外，還跟輪胎的使用胎壓有直接關系。

圖1 某車型車輪內輪緣變形

圖2 輪輞的截面

為分析該現象的根本原因，從以下兩個方面進行了試驗驗證：

(1)增加輪輞三段的厚度，對新的車輪N在實車上進行整車過坑試驗；

(2)調低實車上輪胎的使用胎壓，由240 kPa降至200 kPa，對新車輪N和原車輪O進行2種胎壓下整車過坑試驗。

1 車輪輪緣變形的原因分析

通過實車搭載試驗，得出輪緣最終的變形情況如表1所示。

表1 沖坑試驗中輪緣變形情況

由實車搭載試驗可知：原車輪在正常使用胎壓下，輪緣無變形情況；調低胎壓后，在過坑試驗中輪緣變形情況會復現，說明原車輪出現的輪緣變形情況是由于胎壓不足引起的。此外，新車輪在200 kPa的胎壓下沒有出現輪緣變形的情況，說明增加輪輞的厚度能夠提高車輪抗90°沖擊強度。

為在設計之初驗證車輪的抗90°沖擊性能，參照行業標準QC/T 991-2015《乘用車 輕合金車輪90°沖擊試驗方法》，選用方法II來對車輪進行90°沖擊臺架試驗仿真分析，按照以下3點來開展工作：

(1)選取某一量產車型Y的車輪，按照行業標準中的方法II來做90°沖擊臺架試驗，得出輪輞的變形量，同時在車輪上選取測點貼上應變片，測量各測點的應變。

(2)用試驗得出的輪輞變形量和各測點的應變作為對標數據，改進仿真建模方式，提高仿真的計算精度。

(3)用優化后的模型對車型X的車輪進行仿真計算，得出其輪輞的變形量，為后續的車輪設計提供評價標準。

2 車輪90°沖擊臺架試驗

選取某一項目的177.8 cm×431.8 cm車輪，根據前期仿真結果，選取應變較大的幾個測點1、2、3、4，如圖3、圖4所示。在以上測點處粘貼應變花，調試信號顯示正常后，對其進行90°沖擊試驗，沖擊位置點如圖5所示。

圖3 輪輻上粘貼電阻應變花

圖4 輪輞上粘貼電阻應變花

圖5 90°沖擊臺架試驗

此次試驗的沖錘下落高度

H=K·Fr

(1)

式中：K為系數，mm/kg。通常有K1=0.05和K2=0.28兩種取值；Fr為車輪最大靜載荷。

K的不同取值對應不同的評價標準：K取0.05時，試驗評價標準為輪輞的變形量不大于2.5 mm；K取0.28時，試驗評價標準為輪輞有3/4區域不發生開裂。因為整車試驗中輪輞的變形較小，為跟整車的工況相對應，可選取較小的高度來進行90°沖擊臺架試驗，K取值0.05。將試驗測得的輪輞變形量匯總，如表2所示。

表2 臺架試驗車輪輪輞的最大變形量 mm

各點應變的測量值如表3所示。

表3 臺架試驗車輪各測點的最大應變值 10-6

3 試驗與仿真結果對比

3.1 車輪90°沖擊臺架試驗有限元模型建立

建立臺架沖擊的模型，包括沖錘、車輪和輪胎總成，如圖6所示。

對于車輪90°沖擊臺架試驗的仿真，由于重錘最先接觸到輪胎，所以當輪胎被壓縮到一定的極限狀態下，才會沖擊輪輞。沖擊過程中輪胎會吸收一部分能量，輪胎的沖擊變形量主要跟徑向剛度有關。故在仿真之前需先標定輪胎的徑向剛度，輪胎的徑向剛度數據通過實測所得。

圖6 90°沖擊臺架試驗有限元仿真模型

輪胎的建模分為4個部分，如圖7所示，外部的橡膠用3D單元C3D8R模擬，并賦予相應硬度下橡膠Mooney-Rivlin模型的屬性；輪胎的胎側和胎面以及氣密層用2D單元S3R/S4R進行模擬，賦各向同性材料的屬性。

輪胎的氣密層跟車輪輪輞之間采用綁定的方式進行連接，輪胎胎側橡膠跟輪輞接觸部分建立接觸關系。輪胎的氣壓通過對胎側、胎面及氣密層單元增加壓力進行模擬。通過隱式計算，得到輪胎在使用胎壓下的徑向剛度，將計算的剛度跟實測的剛度進行對比，通過調節胎側單元的材料參數使兩者達到一致。

通過在車輪上取樣，測出各部分材料的應力應變曲線。通過處理，得出了用于仿真的鋁合金材料的應力應變曲線，如圖8所示。

圖7 輪胎的有限元模型

圖8 鋁合金材料A356的拉伸應力應變曲線

3.2 車輪90°沖擊臺架試驗仿真結果

運用顯示動態計算，最終得出輪輞的最大變形量，如表4所示。

表4 臺架仿真車輪輪輞的最大變形量

計算得到各測點的應變如表5所示。

表5 臺架仿真車輪各測點的最大應變值

3.3 臺架試驗跟仿真結果對比

試驗和仿真輪輞的最大變形量如圖9所示。對比仿真和試驗的輪輞變形量，除個別點外，誤差基本在10%以內；對比各測點的應變，兩者的誤差基本在11%以內，表明仿真能夠反映臺架試驗的真實狀況，即仿真得出的變形量的大小能夠體現車輪輪輞的抗沖擊能力。為進一步驗證臺架試驗的標準能否跟整車試驗相對應，特對出現變形的原車輪O及優化后的車輪N用標定后的建模方法進行90°沖擊臺架試驗仿真分析，結果如表6所示。

圖9 各胎壓下的輪輞變形量試驗和仿真值誤差

mm

對比臺架試驗仿真的輪輞變形量，原車輪在200 kPa胎壓下的變形量為1.68 mm，在實際的整車試驗中出現了變形的情況，分析和試驗均表明該車輪的抗90°沖擊的能力較弱，將輪輞的變形量控制在1.38 mm以內可以提高車輪的抗90°沖擊強度。

4 結論

通過研究車輪在整車試驗中的變形問題，主要得出了以下結論：

(1)通過整車對比試驗，驗證了車輪內輪緣的變形是由于輪胎的氣壓不足，車輛在過坑的過程中車輪撞擊路肩導致輪輞發生變形而產生的。

(2)通過臺架試驗，獲取了車輪輪輞的變形量及特定位置的應變，通過仿真和試驗對比，表明仿真模型是有效的。

(3)通過對問題車輪的臺架進行試驗仿真，對比不同胎壓和優化前、后的車輪在90°沖擊臺架仿真的結果，臺架試驗仿真能夠反映車輪在整車路試中抗90°沖擊的能力。通過增加輪輞的厚度以及增大輪胎的徑向剛度可以提高車輪的抗90°沖擊強度。