【技术帖】基于疲劳寿命的汽车铝合金车轮轻量化研究

摘要：为了达到车轮轻量化的目的，同时满足疲劳寿命的要求，以某轿车规格255／45R20车轮为研究对象，对铝合金车轮疲劳寿命及路面行驶情况进行研究，得到一种采用交变载荷仿真车轮疲劳的方式。建立有限元模型并加载进行疲劳分析，得到车轮疲劳损伤结果；根据车轮的疲劳损伤位置，采用改变不同区域材料工艺、增减辐条倒角“R”大小及增减料厚的方式进行优化以实现车轮的减重。这种结合疲劳寿命的试验在工程上可以减少成本、节省试验周期、实现车轮轻量化、降低油耗，对车轮轻量化的研究具有指导意义和普遍性。

关键词：疲劳寿命；车轮轻量化；仿真试验；材料工艺中

引言

汽车车轮是位于半轴和轮胎之间，用于承受主要负荷的转动部件，具有承载车身质量、半轴驱动、转向节转动和制动器制动等重要功能，所以车轮对汽车的可靠性能和安全性能至关重要。一般情况下，车轮在随机交变载荷作用下工作，因此疲劳破坏是车轮失效的主要模式，所以车轮的疲劳耐久性能在研发前期需要重点关注。目前，车轮的疲劳性能主要是按GB／T5334－2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》中提出的动态径向疲劳性能试验和动态弯曲疲劳性能试验方法和相关要求来衡量。采用疲劳软件按真实的试验工况进行仿真分析，能够快速得到比较准确的疲劳损伤数据，并将仿真结果与目标值对比分析，既可以判断设计是否合理，又可以快速提出轻量化改进方案，从而节省试验周期，减少成本，实现车轮轻量化。

车轮疲劳试验主要是模拟汽车正常行驶过程中的载荷情况，来验证车轮承受弯曲和径向动载的能力。目前，国内外学者主要采用数值模拟动态载荷的方式对车轮试验进行研究。朱颀等人采用有限元方法对钢车轮径向疲劳试验进行分析，得到疲劳破坏的危险区主要发生在车轮轮缘处，并通过优化为设计提供了有效的改进方法，减少了设计时间，降低了开发成本；汪谟清等［采用有限元法从径向和弯曲两个方面对卡车车轮进行疲劳寿命分析，验证了有限元方法的正确性，为后续的研究奠定了基础；吉军等人对铝合金车轮进行动态径向疲劳仿真，研究结果表明车轮主要的疲劳损伤部位集中在轮缘、辐条根部、胎圈座处，为设计提出改进建议；JSTEARMS等考虑了轮胎气压对车轮的影响，采用有限元法，建立合理的力学模型模拟铝合金车轮径向疲劳试验，得到了车轮的强度结果；PRRAJU等使用有限元法完成了车轮轮毂径向载荷作用下寿命的预测；王良模等采用ABAQUS软件仿真车轮的弯曲疲劳，得到易于产生疲劳破坏的集中点，代入SN曲线预测出车轮的寿命，然后用疲劳台架试验验证仿真结果的正确性。

然而，国内外学者在进行车轮疲劳有限元仿真时，很少考虑到复杂路面的影响。同时，优化过程基本是以增加料厚来达到目的的方式。本文作者在实际工程中仿真多种车型车轮，总结出考虑实际路面情况对车轮疲劳寿命预测更为准确，同时采用优化材料工艺的方式来改变材料屈服和抗拉极限对轻量化实施最为明显。该方法对后续车轮设计及改进具有显著的指导意义。

1 仿真模型建立

根据设计部门提供的车轮数模建立计算模型，对模型进行有限元离散处理。该车轮采用铝合金材料铸造结构，使用四面体单元建立车轮的实体模型，在HyperMesh软件中划分车轮有限元网格，得到模型815095个单元，共209070个节点，车轮有限元模型如图1所示。

1.1 弯曲工况仿真试验

根据GB／T5334－2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》描述，试验台应有一个被驱动的旋转装置，车轮可在固定不动的弯矩下旋转，或者车轮固定不动，而承受一个旋转的弯矩。仿真试验时，用一个旋转的弯矩模拟被驱动的旋转装置，GB／T5334－2005中要求车轮不能继续承受载荷；原始裂纹产生扩展或出现应力导致侵入车轮断面的可见裂纹；如果在达到要求的循环次数之前，加载点的偏移量已超过初始全加载偏移量的20％，认为车轮试验已经失效。仿真试验时，由于看不到试验过程，只能通过仿真试验的损伤结果对疲劳破坏进行评价，如果损伤值大于1视为车轮会发生疲劳破坏。

以建立车轮的实体模型为基础，在ABAQUS软件中建立车轮弯曲试验有限元仿真模型，用刚性单元抓取螺栓孔附近的单元，用BEAM单元模拟加载杆。约束方式：将车轮轮缘平均分成6份，按照每间隔60°约束60mm宽的下部轮缘123456自由度。加载方式：沿Z轴、X轴加载周期性变化的集中力，试验载荷以每间隔36°沿圆周方向旋转一周，分10步得到1个静力结果。根据GB／T5334－2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》，得到加载弯矩公式（1），加载力臂L设为1000mm，由公式（2）得到加载力F：

式中：M为试验弯矩；R为静负载半径；μ为路面与轮胎之间的摩擦因数；d为车轮偏距；FV为车轮额定负载；S为强化系数；L为力臂。

为了在ABAQUS中得到周期性载荷F，将该力在垂直于加载力臂的端面的平面上分解，得到分解公式（3），式中力F（x）、F（z）为两个相互垂直的力，ω为控制加载频率，t表示加载时间。

根据文中研究的车轮规格，得到车轮的额定负载FV为825kg，测得车轮偏距d为0.031m，静负载半径R为0.344m，根据GB／T5334－2005得到路面与轮胎之间的摩擦因数μ为0.7，强化系数S为1.6，力臂L取1m。将其代入公式（1）—（2）得到加载力F为3586.7N，由公式（3）在ABAQUS中加载后得到如图2所示的弯曲工况仿真试验模型。

1.2 径向工况仿真试验

根据GB／T5334－2005，在车轮转动时，试验台应当向其传递恒定径向负荷，加载方向应垂直于车轮表面且与车轮径向方向一致，同时必须考虑轮胎胎压的影响。仿真试验时，在车轮的胎圈座上加载余弦分布的旋转面压，同时，在轮辋旋压面上加载车轮胎压，完全模拟试验标准要求。判定仿真试验失效的方式与弯曲工况相同。

同样以轮的实体模型为基础，约束车轮螺栓安装孔两层单元节点123456自由度，如图3所示为径向工况仿真试验模型。在车轮中心（－α，α）角度范围内，用局部坐标系加载径向余弦面压，加载区域在轮辋胎圈座上，旋转外载荷作用区域模拟转鼓的转动，文中以每旋转36°作为一个载荷步，旋转一周共10步，胎压均布在轮辋上。依据GB／T5334－2005单侧径向力按公式（4）计算：

式中：Wr为转鼓作用于车轮的径向载荷；W0为径向分布载荷的最大值；K为强度试验系数；b为胎圈座有效受力宽度；rb为胎圈座半径。

文中研究的车轮规格胎圈座半径rb为255mm，胎圈座有效受力宽度b为14.34mm，参考GB／T5334－2005强化系数K为2.25。将其代入公式（4）计算出W0为3.17N／mm2，所以得到车轮的径向载荷公式Wr＝3.17×cos（2.5×θ）。根据GB／T2978－2014得到车轮胎压为0.25MPa，在ABAQUS软件中，将这些载荷加载到模型中，得到如图3所示的径向工况仿真试验模型。

2 有限元仿真和疲劳寿命分析

2.1 有限元仿真

为了考虑材料的非线性以及加载周期性载荷，计算时采用ABAQUS求解器。因为车轮的几何形状和结构比较复杂，所以试验结果的应力状态比较适合使用von Mises平均应力进行评估，通过对每个载荷步得到的分析结果进行比较，可以明确径向和弯曲工况车轮的最大应力对应的时间步及此时的受力方向。图4所示为径向和弯曲工况的应力分布云图。

由图4应力分布云图可以看出：径向工况仅仅反映了车轮

旋转一周的试验结果中最大的加载区域的应力情况，而弯曲工况显示的则是载荷旋转一周的应力分布情况。从图4中基本可以判定在动态载荷下车轮可能存在危险的位置是辐条倒角处、辐条较薄弱区域以及轮缘上。但是，不能根据强度结果确定车轮是否会发生疲劳破坏，因为径向和弯曲仿真试验的强度结果均小于材料的屈服极限。然而，车轮材料的强度能够满足要求不一定表示会发生疲劳破坏，因为发生疲劳破坏的机制是指在远低于材料强度极限甚至屈服极限的交变应力作用下，材料发生破坏的现象。而实际车轮的工作载荷是在复杂路面上周期性变化的，所以文中采用交变应力的方式对车轮进行疲劳寿命分析。

2.2 疲劳寿命分析

文中采用疲劳软件对车轮进行疲劳寿命分析，一般情况下需要车轮的应力时间历程和材料疲劳性能参数。应力时间历程是根据上文强度仿真试验得到，而材料性能参数根据材料的拉伸试验获得（见表2），A356材料拉伸试验曲线如图5所示。

在疲劳软件中用单位交变正弦函数作为输入通道进行疲劳试验仿真，如图6所示。对于径向疲劳试验考虑胎压的作用使用11个输入通道，而弯曲试验仅仅是旋转载荷的作用使用10个输入通道，进行一次仿真得到一个循环作用下车轮的损伤情况，然后根据GB5334－2005，径向工况的仿真试验循环50万次，弯曲工况的仿真试验循环10万次，最终得到车轮的损伤情况，如图7所示。

由图7车轮损伤云图可知，径向工况出现损伤值大于1的位置主要在辐条和轮缘上，而弯曲工况主要是在辐条倒角“R”处，这与强度分析结果中应力较大位置基本相符，但是并不是应力大的位置损伤结果就一定大，因为这与交变载荷的作用频率和大小密切相关。从损伤云图分析可知，车轮在实际使用中存在发生疲劳破坏的可能性，具有较大的风险。该分析对象是轻量化车轮的初始方案，在没有减小轮缘和辐条厚度的原始方案之前，该车轮的疲劳分析结果能够满足性能要求，同时，也得到了试验验证。后续将在此基础上优化出既能满足性能目标要求，又能达到轻量化减重的目的方案。

3 轻量化优化

汽车轻量化一直以来是汽车生产商赖以追求的目标，而车轮轻量化是其中的重要一项，传统的轻量化方式基本已经达到极限，再想继续减轻车轮质量，同时也能满足性能要求基本上难以实施。现在以传统方式轻量化车轮，虽然仿真分析能够满足性能要求，但是实际路试中基本会有破坏发生，这是因为车轮实际受到的载荷是交变载荷，易发生疲劳破坏。所以，文中提出以疲劳寿命作为轻量化的目标，能够将车轮交变载荷作用频率降低，同时又能满足强度要求的位置，适当减薄以达轻量化的目的。另外，以改变材料工艺的方式提高屈服和抗拉极限，同样可以适当减薄车轮局部厚度，实现车轮轻量化。后续优化的基础是轻量化的初始方案，该方案是在满足性能要求的没有轻量化的基础上，减薄料厚2.36kg后，疲劳损伤结果不能满足性能目标。将车轮按材料的加工工艺，分为三部分，如图8所示，分别是轮辐、轮辋、轮缘。

轮辐不经过特殊工艺处理，所以轮辐的机械性能参数对应表2所示的材料；轮辋采用旋压工艺，材料性能参数得到提高，对应表3所示的材料参数及图9所示的拉伸试验曲线；轮缘因为在旋压工艺的基础上，再经过挤压才成形，所以性能参数对应表4所示的材料参数及图10所示的拉伸试验曲线。因为轮辐自身没有经过特殊处理，同时之前的疲劳寿命分析也没有满足目标性能要求，所以将辐条增厚1.5mm，此时，车轮质量增加了0.79kg，经过材料特殊处理和料厚的增减后，再进行疲劳寿命分析，得到如图11所示的车轮疲劳优化后损伤云图。

由图11可知，经过以上优化，车轮径向工况的最大损伤为0.55，弯曲工况的最大损伤为0.33，均小于1，满足疲劳破坏目标要求。同时，车轮在原方案上减轻了1.57kg，轻量化效果非常明显。该方案已经在试验中得到验证，能够完成试验标准的循环次数而不发生疲劳破坏。按照此方法，同时改变辐条倒角“R”可能对于轻量化优化还存在一定的空间，但是，继续减重而提高工艺成本于工程上并不适用，仅仅适合轻量化的理论研究。

4 结论

（1）采用交变载荷仿真车轮的疲劳寿命，是考虑了汽车在复杂路面的行驶情况，得到的分析结果更贴合实际，更具工程可靠性。

（2）车轮在行驶过程中受到复杂的载荷作用，结构强度仅仅是车轮发生破坏的过程量，可以作为参考，但不适合作为车轮破坏的最终评价指标。

（3）以疲劳寿命作为轻量化研究的目标，采用优化材料工艺的方式实现车轮轻量化，是轻量化实施的一个重要方向，具有较高的工程价值。

来源：研究与开发

作者：郑风云，马媛媛，肖攀，于人杰