劉　勇

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，包頭 014030)

?

特種輪式車輛鋁合金輪輞的關(guān)鍵技術(shù)研究

劉勇

(內(nèi)蒙古第一機(jī)械集團(tuán)有限公司，包頭 014030)

根據(jù)特種輪式車輛對輪輞性能的要求，對特種車輛鋁合金輪輞的外載荷確定、材料和工藝的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及試驗方法4個方面的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了重點分析，綜合考慮其與民用車輛輪輞的技術(shù)不同點,對外載荷的數(shù)值模擬方法、材料和工藝實施的具體步驟、輪輞結(jié)構(gòu)薄弱點以及所應(yīng)采用的具體實驗方法進(jìn)行闡述，最后給出了鋁合金輪輞技術(shù)的發(fā)展方向.

特種輪式車輛；鋁合金輪輞；外載荷

隨著對特種車輛輕量化和越野行駛性能要求的提高，重量輕、動態(tài)特性好、散熱優(yōu)良的鋁合金輪輞成為未來特種車輛輪輞發(fā)展的主要趨勢[1].普通民用鋁合金輪輞無法滿足特種車輛重載、高通過性和可靠性的要求[2-3]，且國外相關(guān)技術(shù)難于引進(jìn)，因此需結(jié)合實際車輛使用特點，開展特種車輛鋁合金輪輞的理論和工程研究.本研究以某6×6輪式特種車輛的鋁合金輪輞為例，從輪輞的外載荷確定、材料和工藝的選取、結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化以及試驗方法4個方面進(jìn)行了重點分析，最后提出了鋁合金輪輞技術(shù)的發(fā)展方向.

1　鋁合金輪輞的外載荷確定

特種輪式車輛既要滿足高速越野要求，又要克服如壕溝、垂直墻等典型障礙；在射擊過程中，還要承受沖擊載荷.精確確定車輪承受的外載荷，是進(jìn)行輪輞的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化的基礎(chǔ)[4].

車輪的外載荷包括x、y、z3個方向的力和3個方向的力矩.獲取外載荷的方式有兩種：數(shù)值模擬和試驗測量.

試驗方法是，通過在車上安裝專門的六分力試驗車輪，在給定的路面上按照要求行駛，實時測量出輪輞的受力情況.但基于特種車輛定制的六分力車輪造價昂貴，現(xiàn)階段主要依靠數(shù)值模擬手段獲取車輪外載荷.

數(shù)值模擬方法是，根據(jù)車輛的結(jié)構(gòu)參數(shù)，包括整車質(zhì)量、轉(zhuǎn)動慣量、動力傳動系統(tǒng)參數(shù)和懸架參數(shù)，在多體動力學(xué)軟件中建立仿真模型，按照規(guī)定的車輛行駛條件，包括路面不平度、行駛車速等進(jìn)行多體動力學(xué)仿真，獲取車輪的載荷.本研究應(yīng)用ADAMS，對原有CAR模塊中雙軸車輛模板進(jìn)行二次開發(fā)，建成的6×6輪式車輛模型如圖1所示，為說明數(shù)值模擬方法對外載荷的確定方法，本研究以z向作用力為例，進(jìn)行相對動載荷分析.車輪的相對動載如圖2所示.相對載荷是相對于車輛的靜載荷，車輛靜載荷已知，給出相對載荷圖，可以快速分析得到動載荷和靜載荷的相對大小.模型可以利用CAR模塊進(jìn)行平順性和操穩(wěn)性分析.

圖1　某6×6輪式車輛虛擬樣機(jī)模型

圖2　車輪相對動載荷幅頻特性

車輪相對動載荷的均方根值如表1所示.

從圖2可以看出，由于采用6×6全驅(qū)方式，車輪相對動載荷呈多峰狀態(tài).從表1可以看出，特種車輛車輪的相對動載遠(yuǎn)大于民用車輛，在E級路面高速行駛時，動載荷系數(shù)甚至超過了3，車輪跳離地面的概率較大.因此，針對于此問題，應(yīng)對特種車輛懸架系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步分析改進(jìn)，通過增大懸架剛度以及阻尼的方式避免惡劣路面條件下輪跳現(xiàn)象的發(fā)生.

表1　車輪相對動載荷的均方根值

2　材料和工藝的選取

鍛造鋁合金輪輞具有尺寸精度高、材質(zhì)致密、韌性較好的優(yōu)點，所以鍛造是特種車輛輪輞的首選工藝方式.鍛造鋁合金輪輞一般采用5、6、7系列鋁合金.5系列鋁合金力學(xué)性能較低，多用于小型車輛輪輞制造[5-7].7系列屬于高強(qiáng)度特種鋁合金，強(qiáng)度接近鋼材，但材料的延展性差，抗拉應(yīng)力腐蝕的能力明顯降低.對平底輪輞結(jié)構(gòu)，鎖圈與擋圈采用鋼材，極易因存水發(fā)生以電化學(xué)腐蝕為主的應(yīng)力腐蝕，造成輪輞早期疲勞失效，如圖3所示.

圖3　鋁合金輪輞腐蝕情況

由于6061鋁合金中的鎂和硅含量較高，且添加的銅和鉻使其強(qiáng)度較高，所以6061鋁合金成為輪輞的首選材料.向6061鋁合金中加入鈦，可以細(xì)化晶粒，提高再結(jié)晶溫度.由于6061鋁合金的Mg2Si含量較大，所以須采用水冷淬火強(qiáng)化.

3　結(jié)構(gòu)設(shè)計和應(yīng)力分析

3.1結(jié)構(gòu)設(shè)計

鋁合金輪輞常見的結(jié)構(gòu)形式主要有3種：深槽式輪輞、平底式輪輞和對開式輪輞.深槽式輪輞裝配方式受限，僅適用于小尺寸彈性較大的外胎，在民用領(lǐng)域應(yīng)用較為普遍；平底式輪輞一側(cè)通過擋圈、鎖圈進(jìn)行安裝限位，適用于鋼制輪輞結(jié)構(gòu)；對開式輪輞拆裝方便，符合特種車輛鋁合金輪輞結(jié)構(gòu)要求.

對開式輪輞可分為輪輞內(nèi)體與外體兩大部件，內(nèi)輞體與外輞體之間采用螺栓連接，并通過止口進(jìn)行限位.內(nèi)、外輞體之間設(shè)置密封圈，確保輪輞總成的氣密性，如圖4所示.

圖4　對開式鋁合金輪輞

特種車輛對開式鋁合金輪輞由于偏距大，所以輪輞承載與變形需進(jìn)行嚴(yán)格控制.為解決此問題，應(yīng)采用預(yù)加壓應(yīng)力防止應(yīng)力腐蝕.為滿足泄氣行駛要求，需要設(shè)置輪胎內(nèi)支撐體.

3.2應(yīng)力分析

利用仿真得到的輪輞載荷數(shù)據(jù)，使用有限元法進(jìn)行徑向加載、彎曲加載兩種工況的應(yīng)力分析[8].輪輞實體建模的載荷加載、約束和強(qiáng)化因子的確定可參考徑向試驗、彎曲試驗規(guī)范QCT221-1997《車輪動態(tài)彎曲疲勞和徑向疲勞試驗方法》[9].在ANSYS中建立的輪輞有限元模型和分析的應(yīng)力云圖如圖5所示.

由有限元分析結(jié)果可知，該輪輞能夠整體滿足使用需求，應(yīng)力集中點主要分布于緊固螺栓處，因此應(yīng)對輪輞的緊固螺栓部分進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整并加強(qiáng)薄弱環(huán)節(jié)，對于應(yīng)力較低的部分，如內(nèi)輞體、外輞體部分可以進(jìn)行輕量化處理.

圖5　輪輞有限元模型和應(yīng)力云圖

4　臺架試驗

鋁合金輪輞的受力、損傷形式及故障機(jī)理較為復(fù)雜，為測試鋁合金輪輞的性能，需通過專項試驗進(jìn)行全面的考核.

鋁合金輪輞的耐久性臺架試驗考核，主要參考GB/T5909-2009《商用車輛車輪性能要求和試驗方法》[10]，按照該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行輪輞動態(tài)徑向疲勞試驗、輪輞動態(tài)彎曲疲勞試驗.分別以2倍和1.35倍強(qiáng)化系數(shù)試驗100萬次、試驗30萬次.結(jié)果表明，采用鋁合金輪輞的試件未出現(xiàn)試件失效現(xiàn)象，能夠滿足特種輪式車輛的實際使用需求，實現(xiàn)綜合設(shè)計目標(biāo).

普通商用車輛實驗規(guī)范中公路里程占較大比例，與特種車輛實際使用條件差異較大.近年來，通過開展一些臺架試驗摸索驗證工作，如采用可變路面、增加懸置等方法，使臺架試驗更接近實際使用狀態(tài).

5　樣車試驗

鋁合金輪輞臺架試驗，無法完全模擬樣車行駛工況，尤其是安全防護(hù)行駛試驗等特殊試驗，如泄氣行駛試驗，等等.

對泄氣試驗結(jié)果進(jìn)行分析，試驗結(jié)果表明：采用鋁合金輪輞后，車輛行駛性能明顯提升，鋁合金良好的導(dǎo)熱性可在一定程度上延長泄氣行駛里程，并具備更高的沖擊能量吸收能力，輪輞隨車試驗和試驗后損壞狀態(tài)如圖6所示.

圖6　鋁合金輪輞隨車考核試驗

6　結(jié)　論

針對6×6輪式車輛鋁合金輪輞的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行研究.主要結(jié)論如下：

1)由頻域分析結(jié)果可知，特種車輛車輪的頻率響應(yīng)特性呈現(xiàn)多峰性，E級路面車輪的相對動載會超過3，有較大的跳離地面概率.應(yīng)結(jié)合懸架系統(tǒng)參數(shù)對整車進(jìn)行綜合調(diào)校，主要通過改變懸架系統(tǒng)參數(shù)的形式避免輪跳現(xiàn)象的發(fā)生.

2)選取6061鋁合金，加入鈦，并采用鍛造和水冷淬火工藝，可以滿足鋁合金輪輞的強(qiáng)度和塑韌性要求.

3)特種車輛鋁合金輪輞采用對開式結(jié)構(gòu)，用預(yù)加壓應(yīng)力減少應(yīng)力腐蝕，對結(jié)構(gòu)薄弱點(以緊固螺栓為主)應(yīng)進(jìn)行針對性補(bǔ)強(qiáng)，并結(jié)合分析結(jié)果進(jìn)行綜合輕量化設(shè)計.

4)臺架試驗采用商用車試驗規(guī)范，并增加特殊試驗方案，如泄氣行駛試驗，以滿足特種車輛的實際使用需求.

5)后續(xù)還需在如下3方面開展研究工作：(1)現(xiàn)有乘用車或商用車的國家標(biāo)準(zhǔn)，對于特種車輛的輪輞試驗并不完全適用，需建立特種車輛輪輞試驗規(guī)范；(2)開發(fā)特種車輛輪輞試驗設(shè)備，再現(xiàn)特種車輛車輪承受的復(fù)雜載荷；(3)加強(qiáng)輪輞的系列化和通用化設(shè)計，減少維修、保養(yǎng)費用.

[1]張正智, 越人. 國內(nèi)外鋁合金車輪制造業(yè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢[J]. 汽車研究與開發(fā)，2004,13(12):5-9.

[2]高軍, 趙國群. 整體式鍛造鋁合金車輪及其發(fā)展[J]. 汽車工藝與材料， 2001,32(5):17-21.

[3]馬鳴圖,李志剛,易紅亮,等. 汽車輕量化及鋁合金的應(yīng)用[J]. 世界有色金屬，2006,37(10):10-14.

[4]周堃,趙玉濤,蘇大為,等. 轎車鋁合金車輪彎曲疲勞性能的有限元分析[J]. 機(jī)械設(shè)計與制造，2009,5(5):6-8.

[5]郭琳琳, 趙穎, 宋寶韞, 等. 6063鋁合金連續(xù)擠壓組織性能的研究[J]. 熱加工工藝，2013,42(2):95-97.

[6]劉智沖,勾春宇,常海平.鍛造鋁車輪的生產(chǎn)工藝簡介及應(yīng)用現(xiàn)狀[J]. 汽車零部件，2012,7(8):97-101.

[7]趙玉濤. 鋁合金車輪制造技術(shù)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社,2004.

[8]王永山,王斌. 鋁合金輪轂有限元分析及輕量化設(shè)計[J].汽車工程師，2013，(4):34-38.

[9]QCT 221-1997. 車輪動態(tài)彎曲疲勞和徑向疲勞試驗方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

[10]GB/T5909-2009. 商用車輛車輪性能要求和試驗方法[S]. 北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,1997.

Study on Key Techniques for Special Vehicle AluminumAlloy Wheel Rim

LIU Yong

(First Machinery Factory of Inner Mongolia，Baotou 014032, China)

This paper presents illustrations of special vehicle aluminum alloy wheel rim from four aspects, i.e. calculation of external load, choosing of materials, structure design and optimization and conducting experiments. The comparison to civil vehicle, numerical simulation, detailed procedures of design, its weak points and processes of experimental validation of the aluminum alloy wheel rim in the special vehicle are fully discussed. A technical trend of the aluminum alloy wheel rim is also proposed.

special vehicle； aluminum alloy wheel rim；external load

1009-4687(2016)03-0055-04

2016-06-21.

劉勇(1969-),男,研究員級高級工程師，主要從事車輛總體技術(shù)，車輛動力學(xué)，電子、控制系統(tǒng)研究.

U463.342

A