輪胎尺寸對汽車結構疲勞累積損傷影響研究

徐有忠 ，范快初

(1.奇瑞汽車股份有限公司，安徽，蕪湖 241006；2.安徽省汽車NVH與可靠性重點實驗室，安徽，蕪湖 241006)

輪胎關系到汽車行駛的平順性、舒適性、滾動阻力、制動特性、噪聲及耐久性，因此，輪胎的選擇對乘用車的意義重大。車輪與輪胎是汽車行駛系統中的重要組成部分[1]。輪胎安裝在輪輞上，構成車輪系統與路面直接接觸并具有一定的彈性和承受載荷能力。車輪滾動時，輪胎在所承受的重力和由于道路不平而產生的沖擊載荷作用下受到壓縮。同時，輪胎負責汽車結構和地面之間的載荷傳遞過程，實現緩和沖擊、衰減振動、保證附著性等功能。

近幾年，汽車生產廠家為了豐富配置和滿足不同用戶的需求（包括大輪胎可帶來美觀效果），通常一款車型會匹配多種型號的輪胎，且輪胎內徑或輪輞半徑設計呈現逐漸增大的趨勢。但由于空間布置約束，車輪最大外輪廓尺寸是受限的，輪輞尺寸越大，輪胎截面高度將越低。然而，輪胎尺寸參數的變化將引起車輛振動載荷和路面激勵載荷的變化，并直接導致車輛結構的疲勞耐久壽命的變化[2-3]。

為了研究不同輪胎尺寸參數對整車結構疲勞耐久的影響程度，本文選擇了3種型號的輪胎尺寸，通過底盤結構件結合CAE對車身結構疲勞進行模擬分析，并選擇5個敏感區域，在最優位置粘貼應變計并對其載荷譜進行測試。基于雨流循環計數進行疲勞累積偽損傷計算，為整車結構的耐久性能開發提供了數據支撐和評估依據，最終為輪胎選型和匹配整車奠定基礎。

1 疲勞累積損傷計算與整車測試

1.1 車身CAE疲勞分析

疲勞是指在某點或某些點承受擾動載荷譜，且在足夠多的循環擾動作用之后，形成裂紋或是完全斷裂的材料中所發生的局部永久結構變化的發展過程[4]。

本文以某款在研SUV車型為研究對象，在國內某試驗場開展道路綜合結構耐久試驗，并通過六分力采集設備同步采集此時車輪輪心的隨機載荷譜，然后運用動力學載荷分解方法來獲取虛擬隨機載荷譜：（1）先應用Adams進行靜態和動態對標，保證多體動力學模型準確。（2）利用Femfat LAB進行載荷迭代，獲取多體動力學模型監測測點響應與實測的對應測試點載荷相一致。（3）提取車身與底盤間安裝點處的虛擬隨機載荷譜。

結合車身有限元模型進行單位力的應力分析，并賦予對應材料S-N壽命曲線，運用準靜態理論應力疊加法[5]，應用以上虛擬隨機載荷譜計算出車身不同區域的累積損傷值并確定風險位置，其計算過程如圖1所示。同時仿真計算出車身結構存在兩處風險位置——車身左后輪罩本體和C柱內板本體，對應累積損傷分別為0.15和0.86，如圖2所示。

圖1 車身的疲勞累積損傷計算過程

圖2 風險位置累積損傷云圖

1.2 底盤結構件作用力測試布點

整車在行駛過程中，因路面不平度和駕駛操作，引起4個車輪與路面產生相互作用力而產生3個方向平動和其軸線轉動載荷。然而，載荷傳遞過程，先經過車輪，再傳遞給底盤系統各個零部件，最終傳遞給車身及其他相關系統。為了研究車輪尺寸參數對整車結構耐久的影響，選擇了底盤的關鍵零部件進行測試并覆蓋了3個方向(縱向、側向及垂向)的載荷，共涉及22個零部件和24通道，具體測試零部件見表1。

表1 測試部件作用力與通道表

1.3 車身敏感位置應變測試

輪胎尺寸參數不僅影響底盤的結構件，同時還影響車身局部區域。結合試驗場結構耐久道路試驗工況，對車身敏感位置布置應變片來進行應變的測試與監控，如圖3所示。

圖3 車身結構測試位置及應變計序號

2 測試要求與載荷譜獲得過程

本文所采用的試驗測試樣車，在整備質量的基礎上加載250 kg，此時總質量為1 683 kg，對應前軸為952 kg，后軸為731 kg。為了研究不同車輪與輪胎尺寸參數對整車結構疲勞累積損傷的影響，選擇了3種不同型號的輪胎總成，且裝車時輪輞偏心距和胎壓要求都和設計保持一致，具體參數見表2。

表2 車輪總成尺寸與胎壓參數

為了準確測試底盤結構件的載荷變化趨勢，采用了不同數量的應變計組成不同橋路形式的惠斯通電橋[6-7]，以消除溫飄，抵消彎矩等的影響，具體見表1。而對于上述車身的5個敏感位置，其中車身左、右輪罩位置的測試應變計為3軸45°應變花，其他3個敏感位置為單軸應變計，共9個應變計。測試時，使用的單軸應變計阻值均為350 Ω，靈敏度系數為2.10。

對應車身左、右后輪罩敏感位置無法確定主應力方向，所以左后輪罩風險位置和右后輪罩敏感位置使用了3軸45°應變花，如圖3c和3d所示，其中應變計序號3和6為εx，應變計序號4和7為ε45，應變計序號5和8為。將獲得的3軸45°應變進行主應力計算[8]，計算公式為：

基于“整車結構耐久試驗規范”中的比利時工況，實測獲取的左后輪罩位置3向應變花信號如圖4所示。計算VonMises應力，依據σ1的符號確定signed VonMises應力的符號，獲取相應的載荷曲線，輪胎尺寸225/60 R18的相應signed VonMises應力載荷曲線如圖5所示。

圖4 左后輪罩位置應變花應變載荷曲線

圖5 左后輪罩位置signed VonMises應力載荷曲線

將底盤結構件和車身應變計粘貼后，試驗樣車將在試驗場按“整車結構耐久試驗規范”要求以規定車速完成所有特征工況。為了減少路面、車速偏差等造成載荷譜差異，獲得的載荷譜數據不少于5組，從而保證獲得的載荷譜具有一定代表性[9]。

3 結果與討論

3.1 時域分析

針對3種型號輪胎的尺寸參數對整車結構件的載荷影響分析，選擇了兩種典型工況的前控制臂球銷和車身減振器座通道的時域載荷進行展示。圖6為瀝青路ABS制動的控制臂球頭銷x向載荷，圖7為凹坑路時車身左前減振器固定座z向載荷。

圖6 三種輪胎在整車瀝青路ABS制動時球頭銷縱向載荷

圖7 三種輪胎通過凹坑路時車身左前減振器固定座載荷

圖6分別為3種不同型號輪胎在瀝青路面進行3次ABS制動的前控制臂x向載荷數據，載荷均在8 000 N上下波動，但最大峰值載荷還是略有差異，相鄰半徑輪胎制動時載荷差異變化可以忽略，但是相隔半徑時載荷接近10%。

圖7分別為3種不同型號輪胎通過凹坑路時車身左前減振器固定座載荷。從數據來看，車輪直徑越大，沖擊載荷也越大。

3.2 功頻譜分析

采集獲取的應變信號是隨機信號，在時域上隨機信號的一些信息有時很難直接讀取，一般采用功率譜密度函數描述隨機振動下結構的載荷響應[10]，可以表示為：

式中：W(f)為結構在某點的激勵功率譜密度函數；H(f)為結構應力的頻響函數。

本文采用ncode軟件自帶頻域分析模塊進行數據處理。針對裝配3種不同型號輪胎對整車結構耐久振動頻域進行分析，選擇隨機路面石塊路工況分析作為工況對象。如圖8所示，左前減振器固定座在比利時路面3種不同型號輪胎的整個時域過程中，三種規格輪胎僅在峰值載荷略有差異，輪胎尺寸越大，相對峰值也越大。結合圖9的頻域數據可以看出，整個曲線中在2 Hz和12 Hz左右兩個頻率出現的能量峰值，2 Hz左右的能量主要貢獻為整車俯仰和振動頻率，12 Hz左右的能量主要來源為車輪上下振動頻率。從數據來看，主要在12 Hz左右的能量略有差異且輪胎尺寸越大，能量也相對更大。

圖8 三種輪胎通過比利時路面時左前減振器固定座載荷

圖9 車身左前減振器固定座載荷功率譜密度曲線對比

3.3 線性累積損傷分析

將力、力矩、位移、加速度、應變、應力等作為廣義應力，以廣義應力為輸入，使用指定的標準S-N曲線，再按與真實損傷相同的方式進行循環計數和損傷累積，這樣計算的損傷成為偽損傷[11]。在計算偽損傷時，考慮到車身和底盤件均為金屬材料，描述載荷-壽命曲線通常選用冪函數式[12]，即：

式中：S為載荷幅值；S0為材料常數；k為載荷-壽命曲線斜率；Nf為對應S的疲勞壽命。

由式(4)可得：

式中：k=-5為損傷斜率。

計算總損傷為：

式中：ni是在si作用下的循環次數，由載荷譜給出；Ni是在Si作用下循環到破壞的壽命。

基于“整車結構耐久試驗規范”要求進行道路載荷譜采集，圖10為左前減振器固定座在雨流計數分析后不同應力水平下的循環頻次。

圖10 左前減振器固定座載荷雨流統計

為了更好地對比不同輪胎尺寸參數對車身結構位置的影響，將獲取的底盤件和車身結構位置的載荷譜進行雨流計數，并按照Miner線性累積計算，以裝配輪胎尺寸225/60 R18的線性累積相對損傷進行歸一化處理，即所有位置相對損傷為1.00，作為參考基準。裝配不同輪胎尺寸參數對底盤結構件和車身敏感位置的相對損傷如圖11和圖12所示。基于上述輪胎尺寸225/60 R18和225/55 R19車身結構位置的線性累積損傷結果來看，后者底盤關鍵件和車身結構敏感位置的線性累積損傷整體均大于前者，比值范圍基本在1.10～1.20之內。而從輪胎尺寸225/65 R17和225/60 R18車身結構位置的線性累積損傷結果來看，前懸架的關鍵件載荷和車身結構敏感位置前者相對損傷相對后者在0.80～1.00之間。而對于3種輪胎尺寸即輪輞尺寸越大，累積損傷也越大，經歷的載荷也更苛刻且平均累積損傷增加了16%。然而，對比輪胎尺寸215/65 R17和225/60 R18車身結構位置累積損傷結果來看，胎高越小，累積損傷也越大，且累積損傷增加10%。

圖11 三種輪胎尺寸參數對應的車身位置累積損傷比值

圖12 三種輪胎尺寸參數對應的底盤結構件累積損傷比值

3.4 整車路試結果

項目開發前期，在對整車結構進行耐久驗證的過程中，在道路試驗里程完成三分之二的時候，檢查車輛發現車身C柱內板本體(左右兩側)在彎角部出現裂紋，如圖13所示，其中左側更明顯，位置與CAE模擬發現的位置吻合。該處的疲勞壽命與CAE疲勞損傷計算也有一定程度的接近，后期進行了結構優化，經過多輪路試后未出現裂紋。

圖13 結構耐久試驗中車身C柱內板本體裂紋位置

4 結論

為了研究3套輪胎尺寸參數對整車結構件的線性累積損傷的影響，本文針對底盤關鍵件和車身敏感區域進行測試和分析，得到以下結論：

（1）匹配不同輪胎尺寸參數的整車，在特征工況下，如瀝青路ABS制動和凹坑路等，輪胎尺寸越大，載荷也相對越大。

（2）針對比利時路面，3種輪胎尺寸中小載荷基本看不出載荷明顯差異，但是峰值載荷略有差異，輪胎尺寸越大，相對峰值也越大，同時在車輪跳動頻率附近，輪胎尺寸越大，能量也相對更大。

（3）基于線性累積損傷比較，輪輞尺寸越大，胎高越窄，底盤關鍵件和車身的結構風險及敏感位置的累積損傷也越大，承受的載荷也更苛刻。采用225/55 R19輪胎時車身結構累積損傷相對225/60 R18累積損傷增加了16%；采用215/55 R18輪胎時車身結構損傷相對225/60 R18累積損傷增加了15%。

（4）基于測試中所采集的道路載荷譜進行累積疲勞損傷計算的結果與實車驗證的結果吻合性較好。