楊 根，宮 靜，黃國平

(1.西安工程大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710048；2.浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310051)

0 引言

隨著國家低碳出行的政策倡導(dǎo)，新能源汽車應(yīng)勢而生，并順應(yīng)需求成為當(dāng)今市場非?；鸬囊粋€(gè)行業(yè)。而在新能源汽車的研發(fā)過程中，發(fā)現(xiàn)其與傳統(tǒng)燃油車存在不同之處。例如新能源車的重量普遍高于同尺寸燃油車20%左右，如果使用傳統(tǒng)燃油車鋁合金車輪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度和判定基準(zhǔn)，往往會發(fā)生鋁合金車輪的設(shè)計(jì)強(qiáng)度不足，出現(xiàn)不同程度的路試裂紋情況[1]。另外，新能源車輛近幾年才新興起來，前期設(shè)計(jì)車輪使用周期及里程較短，存在尚未暴露相關(guān)的安全問題；但是在路試過程中發(fā)現(xiàn)車輪內(nèi)輪緣裂紋問題，這為車企設(shè)計(jì)應(yīng)用于新能源車輛相關(guān)零部件敲響警鐘。本文即是針對路試發(fā)現(xiàn)的鋁合金車輪內(nèi)輪緣裂紋問題進(jìn)行研究分析，旨在確保用戶全生命周期的車輪使用安全和壽命需求。

1 鋁合金車輪內(nèi)輪緣裂紋分析與研究

傳統(tǒng)燃油車鋁合金車輪一般使用低壓鑄造的生產(chǎn)工藝，T6熱處理。而近幾年，隨著新能源車輛零部件需求量增加，且輕量化需求的提高，大部分主機(jī)廠開始使用鑄造加旋壓的生產(chǎn)工藝，使用旋壓摸具對車輪部分進(jìn)行旋壓，從而提高車輪的機(jī)械性能，達(dá)到既能輕量化又能滿足強(qiáng)度要求[2-3]。這項(xiàng)工藝制造的車輪受力環(huán)境較好，輪胎扁平比高。當(dāng)車輪設(shè)計(jì)載荷較小時(shí)，此種工藝確實(shí)能夠起到輕量化的目的[4]。但是輪胎在受力環(huán)境差時(shí)，為了使車輪強(qiáng)度達(dá)到要求，旋壓工藝只能做更厚，此時(shí)基本無法降重，且設(shè)計(jì)過厚易產(chǎn)生旋壓不均勻，更易產(chǎn)生裂紋或斷裂的風(fēng)險(xiǎn)；另外旋壓相對于低壓鑄造的輪輞中段韌性大，沖擊力會更多的傳遞到內(nèi)輪緣部位，導(dǎo)致內(nèi)輪緣更易出現(xiàn)裂紋。

圖1所示，為某新能源車路試試驗(yàn)過程中鋁合金車輪內(nèi)輪緣開裂圖。圖1中車輪出現(xiàn)這種內(nèi)輪緣裂紋現(xiàn)象考慮為強(qiáng)度設(shè)計(jì)余量不足，在受到猛烈的撞擊后產(chǎn)生變形，反復(fù)滾動耐久后產(chǎn)生的疲勞裂紋現(xiàn)象。

目前，企業(yè)研發(fā)人員考慮提高新能源車?yán)m(xù)航問題，一方面需要追求整車零部件輕量化，另一方面需要考慮零部件的使用壽命和強(qiáng)度，兩者之間存在一定的矛盾點(diǎn)。本論文即是針對這個(gè)矛盾點(diǎn)，通過建立三維模型、CAE數(shù)值模擬分析和臺架試驗(yàn)驗(yàn)證，并結(jié)合實(shí)際路試情況對新能源車輛用鋁合金車輪進(jìn)行研究分析，并制定相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，確保車輪的整車壽命和使用安全。

2 車輪輪輞結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

利用CATIA三維建模軟件設(shè)計(jì)某新能源車用鋁合金車輪的CAD模型，如圖2所示。

考慮鋁合金車輪旋轉(zhuǎn)彎曲試驗(yàn)工況較為復(fù)雜，而ABAQUS有限元分析軟件具有功能強(qiáng)大的工程模擬軟功能，其單元庫包含豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元網(wǎng)格，可以模擬典型工程材料的線性分析和復(fù)雜的非線性問題。采用ABAQUS軟件對于車輪進(jìn)行有限元數(shù)值模擬，分析不同載荷下，規(guī)格和尺寸對于車輪內(nèi)輪緣疲勞應(yīng)力的影響。

90°沖擊試驗(yàn)時(shí)，車輪放置位置與汽車在行駛中車輪的受力位置相同，重錘沖擊部位是輪輞最為薄弱部位，可以較為真實(shí)模擬汽車在行駛過程中碾壓堅(jiān)硬物體或通過深坑時(shí)的路況[5-6]。按照車輪90°沖擊試驗(yàn)方法要求和試驗(yàn)參數(shù)，建立車輪試驗(yàn)的仿真分析模型，為了簡化仿真過程，選擇去除輪胎，之后對車輪模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分并施加邊界條件和沖擊載荷，車輪材料選用A356鋁材，彈性模量為：E=7.1×1010 N/mm2，密度為ρ=2.7×103，泊松比為0.33，如圖3所示為車輪網(wǎng)格劃分示意圖。

通過ABAQUS有限元分析軟件對鋁合金車輪進(jìn)行彎曲疲勞、徑向疲勞和沖擊試驗(yàn)等有限元分析，得到了車輪彎曲疲勞應(yīng)力云圖，如圖4所示。分析結(jié)果顯示，在強(qiáng)沖擊載荷下疲勞應(yīng)力的最大值出現(xiàn)在車輪內(nèi)輪緣位置，與圖1車輪的裂紋位置一致。通過分析可知，當(dāng)汽車在行駛中快速通過深坑或碾壓堅(jiān)硬物體時(shí)，車輪受到較大沖擊，由于低扁平比輪胎胎側(cè)高度小，緩沖距離短，輪胎不能有效吸收沖擊載荷，使得路面的激勵(lì)通過輪胎傳遞給了車輛的內(nèi)輪緣，輪緣受力發(fā)生變化，裂紋發(fā)生在車輪應(yīng)力集中部位，造成輪輞裂紋現(xiàn)象。通過ABAQUS有限元分析軟件結(jié)果與實(shí)際車輪對比結(jié)果一致，說明采用數(shù)值模擬對于車輪進(jìn)行強(qiáng)度計(jì)算是可行的。

鋁合金車輪輪輞一般由輪緣、胎圈座、裝胎斜面和輪輞中段4部分組成，為了研究輪輞不同位置尺寸對輪緣疲勞應(yīng)力的影響，如圖5所示，通過改變輪輞A、B、C、D4個(gè)部位尺寸，通過分析得到內(nèi)輪緣疲勞應(yīng)力情況，如表1所示。

表1 不同規(guī)格的車輪內(nèi)輪緣疲勞應(yīng)力表

通過表1數(shù)據(jù)中，第1組和第2組對比分析可知，當(dāng)車輪的所有尺寸相同時(shí)，車輪質(zhì)量對于車輪內(nèi)輪緣的疲勞應(yīng)力影響較??；由第2組和第3組對比可知，A尺寸發(fā)生變化時(shí)，對車輪內(nèi)輪緣的疲勞應(yīng)力影響較?。挥傻?組、第4組以及第5組對比可知，B、C尺寸適當(dāng)加厚時(shí)，車輪內(nèi)輪緣的疲勞值顯著下降；由第5組和第6組對比可知，對D尺寸進(jìn)行調(diào)整時(shí)，對車輪內(nèi)輪緣的疲勞應(yīng)力影響較小。

3 臺架試驗(yàn)和路試對比

根據(jù)上述分析，設(shè)計(jì)方案是對車輪型號5進(jìn)行優(yōu)化輪輞尺寸設(shè)計(jì)，主要針對輪輞中的尺寸C進(jìn)行改進(jìn)，對改進(jìn)后的車輪進(jìn)行臺架試驗(yàn)和路試對比。臺架試驗(yàn)主要為90°沖擊加轉(zhuǎn)鼓徑向疲勞試驗(yàn)[7-9]，測試流程參考QC/T 991和GB/T5334，根據(jù)公式3-1，計(jì)算車輪沖擊能量，沖擊位置：氣門孔及氣門孔對面輪輻位置，各3件；采用90°沖擊的輪輞進(jìn)行轉(zhuǎn)鼓徑向疲勞試驗(yàn)，測試速度60km/h，載荷為2.5×F，氣壓為250kPa，試驗(yàn)結(jié)果見表2所示。

表2 不同尺寸C車輪臺架試驗(yàn)及路況結(jié)果

W=μ×F

3-1

式中：W為沖擊能量、μ為沖擊系數(shù)、F為車輪設(shè)計(jì)載荷。

綜合耐久路用于驗(yàn)證汽車及其零部件的可靠性，為了模擬汽車在實(shí)際行駛過程中所遇到的路況，綜合耐久路集中修建了各種各樣的特征路面，包括比利時(shí)路、瀝青路面、混凝土板塊沖擊路、砂石路、振東路、棋盤制動路、井蓋路、軌道匝口、瀝青補(bǔ)丁路段等20多種特征路面[10]。

新能源車輛與傳統(tǒng)燃油車的路試工況基本相同，圖6所示為常規(guī)的路試工況圖，每個(gè)路況的通過速度大體相同，但由于新能源車輛較重對車輪的考核也更為嚴(yán)苛。特別是扁平比低于45，輪胎高度低于100mm時(shí)，需要使用更高的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)對車輪進(jìn)行校核。

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，車輪尺寸C由7.2mm調(diào)整為8mm時(shí)，臺架試驗(yàn)由32.7萬轉(zhuǎn)變?yōu)?0萬轉(zhuǎn)后輪輞漏氣，臺架試驗(yàn)結(jié)果顯著提高，且車輛進(jìn)行綜合耐久路試行駛4萬公里路試無開裂。而尺寸C由8mm調(diào)整為8.8mm時(shí)，臺架試驗(yàn)結(jié)果變化并不顯著。因此，通過優(yōu)化輪輞的尺寸結(jié)構(gòu)，可以顯著提高車輪使用壽命，進(jìn)而提升駕駛的安全性。

4 結(jié)論

本文以某新能源鋁合金車輪受到強(qiáng)沖擊之后，車輪內(nèi)輪緣裂紋的問題，通過實(shí)際鋁合金車輪出現(xiàn)內(nèi)輪緣裂紋現(xiàn)象進(jìn)行分析與研究，采用CATIA軟件完成CAD模型，并使用ABAQUS軟件對車輪進(jìn)行數(shù)值仿真，得出不同載荷和規(guī)格下車輪的應(yīng)力分布狀態(tài)，并通過臺架試驗(yàn)對于仿真結(jié)果的有效性和可靠性進(jìn)行驗(yàn)證。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定新能源汽車鋁合金車輪的規(guī)格和尺寸，為縮短新能源車車輪的研發(fā)周期，降低車輪研發(fā)成本具有指導(dǎo)意義。