楊 根，宮 靜，黃國平
(1.西安工程大學 工程訓練中心，陜西 西安 710048；
2.浙江零跑科技股份有限公司，浙江 杭州 310051)
隨著國家低碳出行的政策倡導，新能源汽車應勢而生，并順應需求成為當今市場非常火的一個行業。而在新能源汽車的研發過程中，發現其與傳統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，如果使用傳統燃油車鋁合金車輪的設計強度和判定基準，往往會發生鋁合金車輪的設計強度不足，出現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，前期設計車輪使用周期及里程較短，存在尚未暴露相關的安全問題；
但是在路試過程中發現車輪內輪緣裂紋問題，這為車企設計應用于新能源車輛相關零部件敲響警鐘。本文即是針對路試發現的鋁合金車輪內輪緣裂紋問題進行研究分析，旨在確保用戶全生命周期的車輪使用安全和壽命需求。
傳統燃油車鋁合金車輪一般使用低壓鑄造的生產工藝，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，大部分主機廠開始使用鑄造加旋壓的生產工藝，使用旋壓摸具對車輪部分進行旋壓，從而提高車輪的機械性能，達到既能輕量化又能滿足強度要求[2-3]。這項工藝制造的車輪受力環境較好，輪胎扁平比高。當車輪設計載荷較小時，此種工藝確實能夠起到輕量化的目的[4]。但是輪胎在受力環境差時，為了使車輪強度達到要求，旋壓工藝只能做更厚，此時基本無法降重，且設計過厚易產生旋壓不均勻，更易產生裂紋或斷裂的風險；
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輪緣部位，導致內輪緣更易出現裂紋。
圖1所示，為某新能源車路試試驗過程中鋁合金車輪內輪緣開裂圖。圖1中車輪出現這種內輪緣裂紋現象考慮為強度設計余量不足，在受到猛烈的撞擊后產生變形，反復滾動耐久后產生的疲勞裂紋現象。
目前，企業研發人員考慮提高新能源車續航問題，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度，兩者之間存在一定的矛盾點。本論文即是針對這個矛盾點，通過建立三維模型、CAE數值模擬分析和臺架試驗驗證，并結合實際路試情況對新能源車輛用鋁合金車輪進行研究分析，并制定相關企業標準，確保車輪的整車壽命和使用安全。
利用CATIA三維建模軟件設計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彎曲試驗工況較為復雜，而ABAQUS有限元分析軟件具有功能強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格，可以模擬典型工程材料的線性分析和復雜的非線性問題。采用ABAQUS軟件對于車輪進行有限元數值模擬，分析不同載荷下，規格和尺寸對于車輪內輪緣疲勞應力的影響。
90°沖擊試驗時，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，可以較為真實模擬汽車在行駛過程中碾壓堅硬物體或通過深坑時的路況[5-6]。按照車輪90°沖擊試驗方法要求和試驗參數，建立車輪試驗的仿真分析模型，為了簡化仿真過程，選擇去除輪胎，之后對車輪模型進行網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所示為車輪網格劃分示意圖。
通過ABAQUS有限元分析軟件對鋁合金車輪進行彎曲疲勞、徑向疲勞和沖擊試驗等有限元分析，得到了車輪彎曲疲勞應力云圖，如圖4所示。分析結果顯示，在強沖擊載荷下疲勞應力的最大值出現在車輪內輪緣位置，與圖1車輪的裂紋位置一致。通過分析可知，當汽車在行駛中快速通過深坑或碾壓堅硬物體時，車輪受到較大沖擊，由于低扁平比輪胎胎側高度小，緩沖距離短，輪胎不能有效吸收沖擊載荷，使得路面的激勵通過輪胎傳遞給了車輛的內輪緣，輪緣受力發生變化，裂紋發生在車輪應力集中部位，造成輪輞裂紋現象。通過ABAQUS有限元分析軟件結果與實際車輪對比結果一致，說明采用數值模擬對于車輪進行強度計算是可行的。
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力的影響，如圖5所示，通過改變輪輞A、B、C、D4個部位尺寸，通過分析得到內輪緣疲勞應力情況，如表1所示。
表1 不同規格的車輪內輪緣疲勞應力表
通過表1數據中，第1組和第2組對比分析可知，當車輪的所有尺寸相同時，車輪質量對于車輪內輪緣的疲勞應力影響較小；
由第2組和第3組對比可知，A尺寸發生變化時，對車輪內輪緣的疲勞應力影響較小；
由第3組、第4組以及第5組對比可知，B、C尺寸適當加厚時，車輪內輪緣的疲勞值顯著下降；
由第5組和第6組對比可知，對D尺寸進行調整時，對車輪內輪緣的疲勞應力影響較小。
根據上述分析，設計方案是對車輪型號5進行優化輪輞尺寸設計，主要針對輪輞中的尺寸C進行改進，對改進后的車輪進行臺架試驗和路試對比。臺架試驗主要為90°沖擊加轉鼓徑向疲勞試驗[7-9]，測試流程參考QC/T 991和GB/T5334，根據公式3-1，計算車輪沖擊能量，沖擊位置：氣門孔及氣門孔對面輪輻位置，各3件；
采用90°沖擊的輪輞進行轉鼓徑向疲勞試驗，測試速度60km/h，載荷為2.5×F，氣壓為250kPa，試驗結果見表2所示。
表2 不同尺寸C車輪臺架試驗及路況結果
W=μ×F
3-1
式中：W為沖擊能量、μ為沖擊系數、F為車輪設計載荷。
綜合耐久路用于驗證汽車及其零部件的可靠性，為了模擬汽車在實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、瀝青補丁路段等20多種特征路面[10]。
新能源車輛與傳統燃油車的路試工況基本相同，圖6所示為常規的路試工況圖，每個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苛。特別是扁平比低于45，輪胎高度低于100mm時，需要使用更高的設計標準對車輪進行校核。
根據表2數據可知，車輪尺寸C由7.2mm調整為8mm時，臺架試驗由32.7萬轉變為80萬轉后輪輞漏氣，臺架試驗結果顯著提高，且車輛進行綜合耐久路試行駛4萬公里路試無開裂。而尺寸C由8mm調整為8.8mm時，臺架試驗結果變化并不顯著。因此，通過優化輪輞的尺寸結構，可以顯著提高車輪使用壽命，進而提升駕駛的安全性。
本文以某新能源鋁合金車輪受到強沖擊之后，車輪內輪緣裂紋的問題，通過實際鋁合金車輪出現內輪緣裂紋現象進行分析與研究，采用CATIA軟件完成CAD模型，并使用ABAQUS軟件對車輪進行數值仿真，得出不同載荷和規格下車輪的應力分布狀態，并通過臺架試驗對于仿真結果的有效性和可靠性進行驗證。根據試驗結果確定新能源汽車鋁合金車輪的規格和尺寸，為縮短新能源車車輪的研發周期，降低車輪研發成本具有指導意義。
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