張安霞 胡德鵬

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1 前言

汽車車輪是介于輪胎和車橋之間承受負荷的旋轉件，是汽車行駛系統(tǒng)中重要的安全部件，起著承載、轉向、驅動、制動等作用，因此研究輪輞的安全性具有重要意義。

開車難免會碰撞到路邊石，比如：側方停車時，可能距離沒掌握好正巧撞上了路沿；為了避讓特種車輛，向路邊讓行時騎上了路沿；或者需要開到人行道上才能抵達一個臨時停放場。車輪碰撞到路邊石一般會有兩種結果：一種是輪胎刮傷或者鼓包；另一種是刮傷輪轂，嚴重的輪轂會變形，影響行車的舒適和安全。因此，研究路面障礙沖擊對輪輞變形的影響具有現(xiàn)實指導意義。

由美國機動車工程師學會(SAE) 開發(fā)的路面障礙沖擊測試（SAE J1981）可以一種低質量、高速度的沖擊，在可控和可重復的條件下有效再現(xiàn)道路危險沖擊對輪胎和輪輞的損傷。路面障礙沖擊測試主要評估輪胎胎側受到?jīng)_擊時抵抗損傷的能力，經(jīng)過改進和優(yōu)化，該項測試已成為評估車輪和輪胎總成性能的重要方法之一。

擺錘沖擊試驗是在路面障礙沖擊測試基礎上發(fā)展、完善的一種測試方法，可以在可控和可重復的條件下有效再現(xiàn)道路障礙危險沖擊對輪輞的損傷。它是利用擺錘從高處落下產生的動能模擬輪輞遇到路面障礙時受到的沖擊變形，以評估其耐撞擊性能。該方法可以通過控制沖擊能量，評估輪輞輪緣受到?jīng)_擊擠壓后的損傷程度，是一種高效、可控、可重復的評估輪輞耐撞擊性能的方法，可以幫助企業(yè)研發(fā)人員提高輪輞的優(yōu)化設計水平、提升輪輞的耐沖擊性能。

本文的擺錘沖擊試驗是以某車型的鋼輪輞為研究對象，研究基于擺錘沖擊試驗的輪輞耐沖擊性能、同時提出改善方案，最終完成輪輞的優(yōu)化設計。

2 輪輞擺錘沖擊試驗

擺錘沖擊試驗根據(jù)不同車輛的承載能力確定不同的擺錘擺角θ（對應不同的沖擊能量），將車輪總成（輪輞+ 輪胎）按照企業(yè)標準要求的方法固定在擺錘沖擊試驗的工作臺上，如圖1 所示。將擺錘拉起至相應沖擊能量的擺錘擺角θ，釋放重錘對車輪指定部位進行沖擊。

圖1 輪輞擺錘沖擊試驗的安裝示意圖

本文以18 寸鋼輪為例進行了擺錘沖擊試驗，該輪輞材料為B530CL，厚度為t3.0。擺錘沖擊試驗的方法是將一個特制擺錘懸掛于一框架上，將待測試車輪（輪胎+ 鋼輪輞）按照企業(yè)標準（企業(yè)標準ZD2-415A1 路面干涉評價試驗規(guī)范）要求的方法固定在擺錘沖擊試驗臺架上。將擺錘拉起至相應沖擊能量的擺錘擺角θ=66.8°，然后釋放重錘，讓擺錘在重力作用下自由下落、沖擊輪緣部位。本文的輪輞擺錘沖擊試驗臺如圖2 所示。

圖2 輪輞擺錘沖擊試驗臺

本文輪輞擺錘沖擊試驗的判定基準是：擺錘沖擊試驗結束后，輪輞變形量≤2mm。擺錘沖擊試驗后，試驗員對18寸鋼輪輞的輪緣變形量進行測量，實測結果為2.13mm，2.13mm ＞2mm、不滿足試驗要求，需要改善輪輞的設計方案。

3 優(yōu)化設計與建模

3.1 鋼輪輞的優(yōu)化方案

根據(jù)材料的屈服強度和抗拉強度，以及不同材料、不同板厚輪輞的應用實績，設計出表1 所示的4 種改善方案。

表1 輪輞改善方案

3.2 CAE 分析模型的建立

為了快速驗證4 種改善方案的改善效果，我們采用CAE 分析的方式進行對比。為簡化計算，建模時不考慮輪胎。同時為了讓CAE 分析的結果更準確，CAE 施加力的位置、力的方向與擺錘試驗機相同，如圖3 所示。

圖3 CAE 施加力的方向和位置示意圖

建模步驟：

①將車輪和擺錘3D 模型導入到有限元分析軟件ABAQUS 中；

②建立材料屬性并賦予部件材料屬性；

考慮到擺錘沖擊過程中可能產生較大的塑性應變，對B530CL 和SPFH590 兩種材質的鋼輪輞依據(jù)《GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗》進行了試樣拉伸試驗，并根據(jù)工程應變和真實應變的關系對彈塑性曲線進行了修正，以此作為CAE 分析的材料參數(shù)輸入，材料的力學屬性如表2所示，材料的應力應變曲線如圖4 所示。

表2 材料的力學性能

圖4 材料的應力應變曲線

③對鋼輪輞劃分網(wǎng)格；

選中輪輞內節(jié)點、建立節(jié)點集，輪輞網(wǎng)格尺寸控制在3mm 左右。

④設定入力條件：

設定加載力的輸入位置和輸入方向，詳見圖2 所示。入力范圍設定為20mm（擺錘接觸面范圍為20mm）

⑤設定邊界條件；

給輪輞添加固定約束，施加力的載荷輸入值為32kN。（輸入力的載荷與車重有關，本文研究的車型對應的輸入力為32kN）

⑥實施解析

以最大應力不超過輪輞材料的許用應力為限，進行CAE 分析，從而得出加載力對應的輪輞最大殘余變形量。

⑦讀取碰撞后輪輞的殘余變形量

輪輞網(wǎng)格劃分和CAE 分析后的輪輞殘余變形量示意圖，見圖5 所示。

圖5 輪輞網(wǎng)格劃分與輪輞變形示意圖

⑧讀取最大主應力

3.3 CAE 分析的結果

根據(jù)ABAQUS 分析軟件的可以讀取最大主應力時對應的輪輞殘余變形量，從而繪制載荷與殘余變形量的曲線圖，如圖6所示。

圖6 載荷與殘余變形量的曲線圖

結合圖6 和表3 的數(shù)據(jù)可以得出：方案二即SPFH590 t3.3 的方案最優(yōu)，該方案的殘余變形量最小，同時該方案的輪輞重量增加較小、成本較優(yōu)、樣件開發(fā)周期也最短。因此，本次使用方案二作為鋼輪輞的優(yōu)化方案。

表3 不同優(yōu)化方案的改善情況及附加影響

4 結束語

本文針對某車型鋼輪擺錘沖擊試驗時的輪緣變形量過大、不滿足試驗標準的情況，將CAE 分析應用于鋼輪結構抗沖擊性優(yōu)化設計。由于優(yōu)化設計的方案中充分考慮了材料特性、加工性能以及改動成本、樣件開發(fā)周期等因素，雖未進行試驗驗證，但本文所應用的有限元分析模型已經(jīng)動態(tài)試驗驗證，因此優(yōu)化結果具有很高的可信度和應用價值。同時，通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，提升輪輞材料、加厚輪輞Rim 板厚，可以有效提高輪輞的耐沖擊性能，從而提高汽車的行駛安全性。

另外，運用有限元分析軟件對輪輞進行分析，能預先知道其應力分布、疲勞壽命、受到?jīng)_擊擠壓時抵抗損壞的能力等情況，對于新型輪輞的設計以及原有輪輞的優(yōu)化都有著巨大的優(yōu)勢，它將極大的縮短輪輞設計以及制作的成本和周期。