鋁合金車(chē)輪90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)仿真方法研究

熊威，唐俊琦，余家皓,陶政，柳振

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

0 引言

車(chē)輪作為行駛系統(tǒng)的重要組成部分，在汽車(chē)行駛過(guò)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(chē)輪的使用壽命。沖擊載荷直接作用在車(chē)輪的輪緣處，較大的沖擊載荷會(huì)使輪輞瞬間產(chǎn)生塑性應(yīng)變或開(kāi)裂，進(jìn)而會(huì)使輪輞跟輪輻直接分離，影響行車(chē)安全。

為規(guī)范乘用車(chē)鋁合金車(chē)輪抗沖擊性能，國(guó)家于2015年發(fā)布了行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 991-2015《乘用車(chē) 輕合金車(chē)輪90°沖擊試驗(yàn)方法》。目前行業(yè)內(nèi)車(chē)輪90°沖擊性能的校核只能在生產(chǎn)出產(chǎn)品之后，按照標(biāo)準(zhǔn)中的方法來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)校核。前期還無(wú)法通過(guò)有限元仿真建立評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)，提前對(duì)車(chē)輪設(shè)計(jì)形成有效的指導(dǎo)。

某項(xiàng)目車(chē)型X在整車(chē)綜合耐久試驗(yàn)過(guò)程中，其右后車(chē)輪出現(xiàn)了內(nèi)輪緣明顯變形的情況，如圖1所示。

經(jīng)分析，由于車(chē)輪在實(shí)際的過(guò)坑或過(guò)坎工況下，受到路肩的較大的沖擊載荷作用，當(dāng)輪胎被壓縮到極限狀態(tài)下，輪緣會(huì)直接受到路肩的沖擊，導(dǎo)致輪輞出現(xiàn)塑性應(yīng)變。由于外輪緣端有輪輻的支撐，剛度較大，不易發(fā)生變形；內(nèi)輪緣沒(méi)有支撐，剛度較小，受到?jīng)_擊后輪輞會(huì)發(fā)生永久變形，最終宏觀表現(xiàn)為內(nèi)輪緣處產(chǎn)生肉眼可見(jiàn)的變形。由于胎壓越大，輪胎越不易被壓縮到極限狀態(tài)，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(guān)外，還跟輪胎的使用胎壓有直接關(guān)系。

圖1 某車(chē)型車(chē)輪內(nèi)輪緣變形

圖2 輪輞的截面

為分析該現(xiàn)象的根本原因，從以下兩個(gè)方面進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證：

(1)增加輪輞三段的厚度，對(duì)新的車(chē)輪N在實(shí)車(chē)上進(jìn)行整車(chē)過(guò)坑試驗(yàn)；

(2)調(diào)低實(shí)車(chē)上輪胎的使用胎壓，由240 kPa降至200 kPa，對(duì)新車(chē)輪N和原車(chē)輪O進(jìn)行2種胎壓下整車(chē)過(guò)坑試驗(yàn)。

1 車(chē)輪輪緣變形的原因分析

通過(guò)實(shí)車(chē)搭載試驗(yàn)，得出輪緣最終的變形情況如表1所示。

表1 沖坑試驗(yàn)中輪緣變形情況

由實(shí)車(chē)搭載試驗(yàn)可知：原車(chē)輪在正常使用胎壓下，輪緣無(wú)變形情況；調(diào)低胎壓后，在過(guò)坑試驗(yàn)中輪緣變形情況會(huì)復(fù)現(xiàn)，說(shuō)明原車(chē)輪出現(xiàn)的輪緣變形情況是由于胎壓不足引起的。此外，新車(chē)輪在200 kPa的胎壓下沒(méi)有出現(xiàn)輪緣變形的情況，說(shuō)明增加輪輞的厚度能夠提高車(chē)輪抗90°沖擊強(qiáng)度。

為在設(shè)計(jì)之初驗(yàn)證車(chē)輪的抗90°沖擊性能，參照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)QC/T 991-2015《乘用車(chē) 輕合金車(chē)輪90°沖擊試驗(yàn)方法》，選用方法II來(lái)對(duì)車(chē)輪進(jìn)行90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)仿真分析，按照以下3點(diǎn)來(lái)開(kāi)展工作：

(1)選取某一量產(chǎn)車(chē)型Y的車(chē)輪，按照行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)中的方法II來(lái)做90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)，得出輪輞的變形量，同時(shí)在車(chē)輪上選取測(cè)點(diǎn)貼上應(yīng)變片，測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變。

(2)用試驗(yàn)得出的輪輞變形量和各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變作為對(duì)標(biāo)數(shù)據(jù)，改進(jìn)仿真建模方式，提高仿真的計(jì)算精度。

(3)用優(yōu)化后的模型對(duì)車(chē)型X的車(chē)輪進(jìn)行仿真計(jì)算，得出其輪輞的變形量，為后續(xù)的車(chē)輪設(shè)計(jì)提供評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

2 車(chē)輪90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)

選取某一項(xiàng)目的177.8 cm×431.8 cm車(chē)輪，根據(jù)前期仿真結(jié)果，選取應(yīng)變較大的幾個(gè)測(cè)點(diǎn)1、2、3、4，如圖3、圖4所示。在以上測(cè)點(diǎn)處粘貼應(yīng)變花，調(diào)試信號(hào)顯示正常后，對(duì)其進(jìn)行90°沖擊試驗(yàn)，沖擊位置點(diǎn)如圖5所示。

圖3 輪輻上粘貼電阻應(yīng)變花

圖4 輪輞上粘貼電阻應(yīng)變花

圖5 90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)

此次試驗(yàn)的沖錘下落高度

H=K·Fr

(1)

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

K的不同取值對(duì)應(yīng)不同的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)：K取0.05時(shí)，試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為輪輞的變形量不大于2.5 mm；K取0.28時(shí)，試驗(yàn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為輪輞有3/4區(qū)域不發(fā)生開(kāi)裂。因?yàn)檎?chē)試驗(yàn)中輪輞的變形較小，為跟整車(chē)的工況相對(duì)應(yīng)，可選取較小的高度來(lái)進(jìn)行90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)，K取值0.05。將試驗(yàn)測(cè)得的輪輞變形量匯總，如表2所示。

表2 臺(tái)架試驗(yàn)車(chē)輪輪輞的最大變形量 mm

各點(diǎn)應(yīng)變的測(cè)量值如表3所示。

表3 臺(tái)架試驗(yàn)車(chē)輪各測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變值 10-6

3 試驗(yàn)與仿真結(jié)果對(duì)比

3.1 車(chē)輪90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)有限元模型建立

建立臺(tái)架沖擊的模型，包括沖錘、車(chē)輪和輪胎總成，如圖6所示。

對(duì)于車(chē)輪90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)的仿真，由于重錘最先接觸到輪胎，所以當(dāng)輪胎被壓縮到一定的極限狀態(tài)下，才會(huì)沖擊輪輞。沖擊過(guò)程中輪胎會(huì)吸收一部分能量，輪胎的沖擊變形量主要跟徑向剛度有關(guān)。故在仿真之前需先標(biāo)定輪胎的徑向剛度，輪胎的徑向剛度數(shù)據(jù)通過(guò)實(shí)測(cè)所得。

圖6 90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)有限元仿真模型

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

輪胎的氣密層跟車(chē)輪輪輞之間采用綁定的方式進(jìn)行連接，輪胎胎側(cè)橡膠跟輪輞接觸部分建立接觸關(guān)系。輪胎的氣壓通過(guò)對(duì)胎側(cè)、胎面及氣密層單元增加壓力進(jìn)行模擬。通過(guò)隱式計(jì)算，得到輪胎在使用胎壓下的徑向剛度，將計(jì)算的剛度跟實(shí)測(cè)的剛度進(jìn)行對(duì)比，通過(guò)調(diào)節(jié)胎側(cè)單元的材料參數(shù)使兩者達(dá)到一致。

通過(guò)在車(chē)輪上取樣，測(cè)出各部分材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線。通過(guò)處理，得出了用于仿真的鋁合金材料的應(yīng)力應(yīng)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(yīng)力應(yīng)變曲線

3.2 車(chē)輪90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)仿真結(jié)果

運(yùn)用顯示動(dòng)態(tài)計(jì)算，最終得出輪輞的最大變形量，如表4所示。

表4 臺(tái)架仿真車(chē)輪輪輞的最大變形量

計(jì)算得到各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變?nèi)绫?所示。

表5 臺(tái)架仿真車(chē)輪各測(cè)點(diǎn)的最大應(yīng)變值

3.3 臺(tái)架試驗(yàn)跟仿真結(jié)果對(duì)比

試驗(yàn)和仿真輪輞的最大變形量如圖9所示。對(duì)比仿真和試驗(yàn)的輪輞變形量，除個(gè)別點(diǎn)外，誤差基本在10%以內(nèi)；對(duì)比各測(cè)點(diǎn)的應(yīng)變，兩者的誤差基本在11%以內(nèi)，表明仿真能夠反映臺(tái)架試驗(yàn)的真實(shí)狀況，即仿真得出的變形量的大小能夠體現(xiàn)車(chē)輪輪輞的抗沖擊能力。為進(jìn)一步驗(yàn)證臺(tái)架試驗(yàn)的標(biāo)準(zhǔn)能否跟整車(chē)試驗(yàn)相對(duì)應(yīng)，特對(duì)出現(xiàn)變形的原車(chē)輪O及優(yōu)化后的車(chē)輪N用標(biāo)定后的建模方法進(jìn)行90°沖擊臺(tái)架試驗(yàn)仿真分析，結(jié)果如表6所示。

圖9 各胎壓下的輪輞變形量試驗(yàn)和仿真值誤差

mm

對(duì)比臺(tái)架試驗(yàn)仿真的輪輞變形量，原車(chē)輪在200 kPa胎壓下的變形量為1.68 mm，在實(shí)際的整車(chē)試驗(yàn)中出現(xiàn)了變形的情況，分析和試驗(yàn)均表明該車(chē)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(nèi)可以提高車(chē)輪的抗90°沖擊強(qiáng)度。

4 結(jié)論

通過(guò)研究車(chē)輪在整車(chē)試驗(yàn)中的變形問(wèn)題，主要得出了以下結(jié)論：

(1)通過(guò)整車(chē)對(duì)比試驗(yàn)，驗(yàn)證了車(chē)輪內(nèi)輪緣的變形是由于輪胎的氣壓不足，車(chē)輛在過(guò)坑的過(guò)程中車(chē)輪撞擊路肩導(dǎo)致輪輞發(fā)生變形而產(chǎn)生的。

(2)通過(guò)臺(tái)架試驗(yàn)，獲取了車(chē)輪輪輞的變形量及特定位置的應(yīng)變，通過(guò)仿真和試驗(yàn)對(duì)比，表明仿真模型是有效的。

(3)通過(guò)對(duì)問(wèn)題車(chē)輪的臺(tái)架進(jìn)行試驗(yàn)仿真，對(duì)比不同胎壓和優(yōu)化前、后的車(chē)輪在90°沖擊臺(tái)架仿真的結(jié)果，臺(tái)架試驗(yàn)仿真能夠反映車(chē)輪在整車(chē)路試中抗90°沖擊的能力。通過(guò)增加輪輞的厚度以及增大輪胎的徑向剛度可以提高車(chē)輪的抗90°沖擊強(qiáng)度。