铝合金车轮90°冲击台架试验仿真方法研究

2019-11-13熊威唐俊琦余家皓陶政柳振

汽车零部件 2019年10期

熊威，唐俊琦，余家皓,陶政，柳振

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东广州 511434)

0 引言

车轮作为行驶系统的重要组成部分，在汽车行驶过程中主要受到径向载荷、弯曲载荷及冲击载荷作用。径向和弯曲载荷主要影响车轮的使用寿命。冲击载荷直接作用在车轮的轮缘处，较大的冲击载荷会使轮辋瞬间产生塑性应变或开裂，进而会使轮辋跟轮辐直接分离，影响行车安全。

为规范乘用车铝合金车轮抗冲击性能，国家于2015年发布了行业标准QC/T 991-2015《乘用车轻合金车轮90°冲击试验方法》。目前行业内车轮90°冲击性能的校核只能在生产出产品之后，按照标准中的方法来进行设计校核。前期还无法通过有限元仿真建立评判标准，提前对车轮设计形成有效的指导。

某项目车型X在整车综合耐久试验过程中，其右后车轮出现了内轮缘明显变形的情况，如图1所示。

经分析，由于车轮在实际的过坑或过坎工况下，受到路肩的较大的冲击载荷作用，当轮胎被压缩到极限状态下，轮缘会直接受到路肩的冲击，导致轮辋出现塑性应变。由于外轮缘端有轮辐的支撑，刚度较大，不易发生变形；内轮缘没有支撑，刚度较小，受到冲击后轮辋会发生永久变形，最终宏观表现为内轮缘处产生肉眼可见的变形。由于胎压越大，轮胎越不易被压缩到极限状态，故轮辋的抗90°冲击性能除了跟本身A、B、C三段(如图2所示)的厚度相关外，还跟轮胎的使用胎压有直接关系。

图1 某车型车轮内轮缘变形

图2 轮辋的截面

为分析该现象的根本原因，从以下两个方面进行了试验验证：

(1)增加轮辋三段的厚度，对新的车轮N在实车上进行整车过坑试验；

(2)调低实车上轮胎的使用胎压，由240 kPa降至200 kPa，对新车轮N和原车轮O进行2种胎压下整车过坑试验。

1 车轮轮缘变形的原因分析

通过实车搭载试验，得出轮缘最终的变形情况如表1所示。

表1 冲坑试验中轮缘变形情况

由实车搭载试验可知：原车轮在正常使用胎压下，轮缘无变形情况；调低胎压后，在过坑试验中轮缘变形情况会复现，说明原车轮出现的轮缘变形情况是由于胎压不足引起的。此外，新车轮在200 kPa的胎压下没有出现轮缘变形的情况，说明增加轮辋的厚度能够提高车轮抗90°冲击强度。

为在设计之初验证车轮的抗90°冲击性能，参照行业标准QC/T 991-2015《乘用车轻合金车轮90°冲击试验方法》，选用方法II来对车轮进行90°冲击台架试验仿真分析，按照以下3点来开展工作：

(1)选取某一量产车型Y的车轮，按照行业标准中的方法II来做90°冲击台架试验，得出轮辋的变形量，同时在车轮上选取测点贴上应变片，测量各测点的应变。

(2)用试验得出的轮辋变形量和各测点的应变作为对标数据，改进仿真建模方式，提高仿真的计算精度。

(3)用优化后的模型对车型X的车轮进行仿真计算，得出其轮辋的变形量，为后续的车轮设计提供评价标准。

2 车轮90°冲击台架试验

选取某一项目的177.8 cm×431.8 cm车轮，根据前期仿真结果，选取应变较大的几个测点1、2、3、4，如图3、图4所示。在以上测点处粘贴应变花，调试信号显示正常后，对其进行90°冲击试验，冲击位置点如图5所示。

图3 轮辐上粘贴电阻应变花

图4 轮辋上粘贴电阻应变花

图5 90°冲击台架试验

此次试验的冲锤下落高度

H=K·Fr

(1)

式中：K为系数，mm/kg。通常有K1=0.05和K2=0.28两种取值；Fr为车轮最大静载荷。

K的不同取值对应不同的评价标准：K取0.05时，试验评价标准为轮辋的变形量不大于2.5 mm；K取0.28时，试验评价标准为轮辋有3/4区域不发生开裂。因为整车试验中轮辋的变形较小，为跟整车的工况相对应，可选取较小的高度来进行90°冲击台架试验，K取值0.05。将试验测得的轮辋变形量汇总，如表2所示。

表2 台架试验车轮轮辋的最大变形量 mm

各点应变的测量值如表3所示。

表3 台架试验车轮各测点的最大应变值 10-6

3 试验与仿真结果对比

3.1 车轮90°冲击台架试验有限元模型建立

建立台架冲击的模型，包括冲锤、车轮和轮胎总成，如图6所示。

对于车轮90°冲击台架试验的仿真，由于重锤最先接触到轮胎，所以当轮胎被压缩到一定的极限状态下，才会冲击轮辋。冲击过程中轮胎会吸收一部分能量，轮胎的冲击变形量主要跟径向刚度有关。故在仿真之前需先标定轮胎的径向刚度，轮胎的径向刚度数据通过实测所得。

图6 90°冲击台架试验有限元仿真模型

轮胎的建模分为4个部分，如图7所示，外部的橡胶用3D单元C3D8R模拟，并赋予相应硬度下橡胶Mooney-Rivlin模型的属性；轮胎的胎侧和胎面以及气密层用2D单元S3R/S4R进行模拟，赋各向同性材料的属性。

轮胎的气密层跟车轮轮辋之间采用绑定的方式进行连接，轮胎胎侧橡胶跟轮辋接触部分建立接触关系。轮胎的气压通过对胎侧、胎面及气密层单元增加压力进行模拟。通过隐式计算，得到轮胎在使用胎压下的径向刚度，将计算的刚度跟实测的刚度进行对比，通过调节胎侧单元的材料参数使两者达到一致。

通过在车轮上取样，测出各部分材料的应力应变曲线。通过处理，得出了用于仿真的铝合金材料的应力应变曲线，如图8所示。

图7 轮胎的有限元模型

图8 铝合金材料A356的拉伸应力应变曲线

3.2 车轮90°冲击台架试验仿真结果

运用显示动态计算，最终得出轮辋的最大变形量，如表4所示。

表4 台架仿真车轮轮辋的最大变形量

计算得到各测点的应变如表5所示。

表5 台架仿真车轮各测点的最大应变值

3.3 台架试验跟仿真结果对比

试验和仿真轮辋的最大变形量如图9所示。对比仿真和试验的轮辋变形量，除个别点外，误差基本在10%以内；对比各测点的应变，两者的误差基本在11%以内，表明仿真能够反映台架试验的真实状况，即仿真得出的变形量的大小能够体现车轮轮辋的抗冲击能力。为进一步验证台架试验的标准能否跟整车试验相对应，特对出现变形的原车轮O及优化后的车轮N用标定后的建模方法进行90°冲击台架试验仿真分析，结果如表6所示。