劉凱杰，汪宏模，龍 婷

（1.天津久榮車輪技術(shù)有限公司，天津 300112；2.浙江金固股份有限公司，浙江 杭州 311400）

疲勞破壞是汽車車輪最主要的失效形式，它直接關(guān)系到乘客的人身安全，因此其疲勞性能測試是汽車安全性能檢測的一項重要內(nèi)容，只有按照相應(yīng)標準要求的測試方法進行檢測，而且測試數(shù)據(jù)滿足標準要求的車輪才能進入使用。

車輪徑向疲勞性能是車輪疲勞性能測試的一項重要指標，它考核了車輪承受徑向載荷的能力，其測試設(shè)備為徑向疲勞試驗機。試驗機[1]有一個轉(zhuǎn)鼓，車輪與輪胎總成安裝在一個可以轉(zhuǎn)動的軸上，測試時加載系統(tǒng)通過導(dǎo)向機構(gòu)使車輪和輪胎總成壓向轉(zhuǎn)動的轉(zhuǎn)鼓，從而在車輪轉(zhuǎn)動時得到恒定的徑向負荷，在恒定徑向負荷作用下，通過測試可以得到車輪疲勞性能是否滿足要求。但由于試驗機結(jié)構(gòu)多樣性，傳感器種類和測控系統(tǒng)差異性等原因，對于同種材料、同種工藝制造的同一批次的車輪在不同試驗機上測試數(shù)據(jù)往往存在差異，這些數(shù)據(jù)有時會影響產(chǎn)品的合格性檢驗，誤導(dǎo)車輪制造商，為了得到準確的結(jié)論，需要對設(shè)備進行一致性的檢驗。

雖然試驗機間測試的差異性對于車輪研發(fā)而言，影響較小，但卻影響制造成本以及產(chǎn)品間性能的比較，而且隨著實驗室之間聯(lián)系的加強，相互間的關(guān)聯(lián)和比對會越來越頻繁，這就需要通過有效的方法對試驗機間的差異性進行檢測，在把握試驗機差異性的基礎(chǔ)上，通過金屬材料疲勞理論，通過系數(shù)關(guān)聯(lián)建立試驗機之間結(jié)果一致性。

關(guān)于試驗機之間測試一致性，目前行業(yè)主要通過在相同或相近條件使用同一件或同一批測試車輪進行測試，以驗證相互間的測試數(shù)據(jù)的一致性。例如通用汽車公司對于其全球車輪供應(yīng)商實驗室或擁有車輪檢測項目的第三方實驗室進行的TIP（Test Improvement Process）一致性審核，德國萊茵TüV公司對汽車零部件測試設(shè)備動態(tài)一致性檢測等。目前國內(nèi)實驗室之間也進行過相應(yīng)的測試數(shù)據(jù)的比較。文章參考德國萊茵TüV認證中使用的動態(tài)一致性檢測方法[2]，制作相應(yīng)的測試工具，使用通用的采集工具，在不同的測試設(shè)備上進行相應(yīng)的檢測，然后通過對檢測數(shù)據(jù)的分析，通過一定的方法尋求設(shè)備間測試結(jié)果一致性。具體步驟見以下框架。見圖1.

圖1 檢測方法流程圖

1 乘用車車輪徑向疲勞測試動態(tài)應(yīng)變數(shù)據(jù)采集與處理

1.1 數(shù)據(jù)檢測設(shè)備

數(shù)據(jù)檢測設(shè)備由數(shù)據(jù)采集工具、相應(yīng)的檢測線路和檢測軟件等組成。乘用車車輪徑向疲勞試驗機主要檢測對象為轎車或輕卡車輪，根據(jù)測試對象選取典型的車輪，在相應(yīng)的位置粘貼電阻式應(yīng)變片，制作成采集工具即應(yīng)變車輪，如圖2所示，圖中車輪是鋼制車輪，在輪輞正面和背面粘貼44片電阻式應(yīng)變片。

圖2 鋼制應(yīng)變車輪

在車輪徑向疲勞試驗機測試過程中車輪不停的旋轉(zhuǎn)，因此采集過程中需要一個轉(zhuǎn)接滑環(huán)把電阻應(yīng)變片線路從旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)化為靜止，然后連接到應(yīng)變采集儀上。如圖3所示。

圖3 滑環(huán)

應(yīng)變車輪上電阻應(yīng)變片應(yīng)變大小的測量使用HBM的應(yīng)變采集儀，型號為QuantumXMX1615B[3]。安裝應(yīng)變車輪和滑環(huán)到試驗設(shè)備上，如圖4所示。

圖4 應(yīng)變車輪安裝圖

1.2 測試設(shè)置

為了排除其他因素干擾測試結(jié)果，設(shè)備間測試需要在規(guī)定的測試條件下進行，本次測試設(shè)定車輪轉(zhuǎn)速為440 r/min，輪胎充氣壓力為460 kPa，緊固螺栓扭矩為98 N·m.

1.3 應(yīng)變檢測

1.3.1 設(shè)備1應(yīng)變檢測

在設(shè)定的測試環(huán)境下，根據(jù)應(yīng)變車輪和使用輪胎的性能，分別進行8 000 N、10 000 N、12 000 N、14 000 N，16 000 N下應(yīng)變數(shù)據(jù)的采集，如圖5所示。

圖5 動態(tài)應(yīng)變采集波形

為了測試數(shù)據(jù)的準確性，等試驗設(shè)備穩(wěn)定運行一段時間后，通過HBM應(yīng)變采集儀，檢測應(yīng)變車輪上電阻應(yīng)變片的應(yīng)變大小。應(yīng)變采集儀通過標準應(yīng)變進行標定，精度在0.1%內(nèi)。

1.3.2 設(shè)備2應(yīng)變檢測

在設(shè)備1上數(shù)據(jù)采集完成后，在一定的時間間隔內(nèi)（一般在2個月內(nèi)），安裝應(yīng)變車輪和滑環(huán)到試驗設(shè)備2上，按照相同的測試步驟，進行應(yīng)變檢測。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在不同設(shè)備上應(yīng)變檢測完成后，導(dǎo)出測試數(shù)據(jù)，通過以下方法進行數(shù)據(jù)處理。

1.4.1 數(shù)據(jù)采集有效性的判斷

根據(jù)材料的胡克定律，在彈性變形范圍內(nèi)，材料中的應(yīng)力與應(yīng)變（單位變形量）之間成線性關(guān)系。以載荷為橫坐標，對應(yīng)應(yīng)變?yōu)榭v坐標可以得到應(yīng)變車輪上各個應(yīng)變片的應(yīng)變與載荷（即對應(yīng)應(yīng)力）之間的關(guān)系。

比較應(yīng)變車輪在設(shè)備1和設(shè)備2測試時，相同位置應(yīng)變和應(yīng)力之間的關(guān)系，只有呈現(xiàn)相似關(guān)系的數(shù)據(jù)才能進行使用，否則需要分析測試時異常或者舍棄本組數(shù)據(jù)。

1.4.2 設(shè)備間數(shù)據(jù)處理

在設(shè)定的測試條件下，應(yīng)變車輪應(yīng)變大小反映設(shè)備對車輪的真實加載情況。對這些數(shù)據(jù)進行比較，通過統(tǒng)計的手段，可以得到設(shè)備間差異性。

只有通過判斷，有效的數(shù)據(jù)才能進行比較。使用EXCEL或其他分析工具，以應(yīng)變車輪在設(shè)備2上采集到的數(shù)據(jù)為橫坐標，以設(shè)備1上采集到的數(shù)據(jù)為縱坐標，相同測試條件下，相同位置電阻應(yīng)變片的應(yīng)變大小一一對應(yīng)，可以得到兩者之間的關(guān)系，如圖6所示，為原始采集數(shù)據(jù)設(shè)備1和設(shè)備2之間應(yīng)變大小對應(yīng)關(guān)系圖，從圖中可以看出上端一些樣本點明顯偏移總體規(guī)律，出現(xiàn)這些樣本點，一方面是可能應(yīng)變車輪此位置應(yīng)變片加工存在問題，另一方面可能是采集偶然性誤差，剔除這些樣本點后，得到設(shè)備1和設(shè)備2數(shù)據(jù)規(guī)律如圖7所示。

圖6 設(shè)備1和設(shè)備2原始總體數(shù)據(jù)比較

圖7 設(shè)備1和設(shè)備2數(shù)據(jù)比較

通過總體采集數(shù)據(jù)的分析，可以看出，相同測試條件下，應(yīng)變車輪上電阻應(yīng)變片在設(shè)備1的應(yīng)變值大于設(shè)備2，即相同設(shè)定載荷下，應(yīng)變車輪在設(shè)備1受到的載荷大于設(shè)備2，差值約為4%.在實際試驗中也發(fā)現(xiàn)，同樣一批車輪在兩臺設(shè)備上進行測試時，在設(shè)備1上測試的結(jié)果一般會小于在設(shè)備2上測試的結(jié)果。

2 試驗設(shè)備一致性關(guān)聯(lián)

根據(jù)金屬材料的疲勞理論，相同加載條件下，即相同測試溫度，相同的加載頻率，相同的疲勞破壞判斷設(shè)定，材料的壽命只取決于其應(yīng)力大小，即載荷。

通過以上方法可以對設(shè)備間的一致性進行檢測，從而得出車輪在試驗過程中真實受力的差異。

2.1 TüV動態(tài)一致性檢測方法

對于車輪徑向疲勞試驗設(shè)備，TüV動態(tài)一致性檢測中會選取性能比較穩(wěn)定，結(jié)果準確性受到承認的設(shè)備作為標準設(shè)備，根據(jù)被測設(shè)備與標準設(shè)備之間應(yīng)變差值，按照金屬材料的疲勞理論給予被測設(shè)備一個加權(quán)系數(shù)，從而實現(xiàn)被測設(shè)備間與標準設(shè)備測試結(jié)果的一致性。

比如對于鋁合金車輪徑向疲勞測試，上述兩臺設(shè)備應(yīng)變差值為4%，通過查徑向疲勞測試一致性因數(shù)表，其加權(quán)系數(shù)為0.82.即如果設(shè)備2為標準試驗機，同樣車輪或同一批車輪如果在設(shè)備1進行測試，其測試結(jié)果為LC1，則在設(shè)備2上進行測試時其測試結(jié)果為0.82 LC1.

同樣對于乘用車車輪彎曲疲勞測試，不同設(shè)備間真實載荷的差異性也可以通過此種方法進行達到測試結(jié)果的一致性。

2.2 設(shè)備改進

在確定試驗設(shè)備間真實受力差異后，可以通過改進設(shè)備結(jié)構(gòu)，提高設(shè)備傳感器精度等方法，達到在相同設(shè)定載荷的情況下，不同設(shè)備間車輪真實受力差異在一定的誤差范圍內(nèi)。

3 結(jié)束語

文章介紹了乘用車車輪徑向疲勞試驗機一致性的檢測方法，并通過選取兩臺設(shè)備，制作相應(yīng)的測試工具，進行檢測，從而得到設(shè)備之間一致性的差異，在此基礎(chǔ)上，提出了現(xiàn)有設(shè)備測試數(shù)據(jù)處理和設(shè)備改進的方法，以實現(xiàn)設(shè)備和試驗室之間測試結(jié)果的一致性，從而提高車輪徑向疲勞性能檢測的準確性。

參考資料：

[1]GB/T5334-2005.乘用車車輪性能要求和試驗方法[S].

[2]AM-KFR1/GAR,On dynamic alignment of testing machines at CAAM(China)[R],Report No.:Garching 2009-07-07,2009.

[3]HBM:public,QuantumX Operating Manual[Z].German,2017.