車輪沖擊結(jié)果差異性分析及修正

趙忠興，蘇成志，孟凡一，于培章，宋洪烈，孫 偉

（1. 長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，長春 130013；2. 長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

車輪作為車輛的重要組成部分，關(guān)系到車輛行駛的安全性。車輪沖擊試驗(yàn)?zāi)M了車輛在實(shí)際行駛過程中受到石塊等物的側(cè)向沖擊或撞擊公路牙邊的情況，是車輪定型性能試驗(yàn)的必檢指標(biāo)。國內(nèi)各研究單位針對車輪研制開展了一系列車輪性能仿真試驗(yàn)[1-7]，取得了一定成果，但由于車輪的復(fù)雜性，車輪的實(shí)際性能與設(shè)計(jì)性能仍存在一定的差異，需要通過車輪模擬試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行驗(yàn)證。目前，國內(nèi)各車輪模擬試驗(yàn)機(jī)研制單位依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[8]研發(fā)的車輪沖擊試驗(yàn)機(jī)，都采用落錘式?jīng)_擊方法，即沖擊重錘從一定高度豎直下落沖擊在車輪上，沖頭下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點(diǎn)上方230±2mm處；試驗(yàn)車輪安裝的軸線方向與沖頭運(yùn)動方向成13°夾角，沖擊質(zhì)量根據(jù)試驗(yàn)車輪所需的載荷值來調(diào)整。在車輪沖擊試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，同一批次的車輪采用不同沖擊試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，其試驗(yàn)結(jié)果存在差異，造成試驗(yàn)結(jié)論缺乏客觀性，為此，對車輪沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了差異性分析，并提出了一種修正方法。

1 影響車輪沖擊試驗(yàn)的因素分析

車輪沖擊試驗(yàn)機(jī)通常由門式機(jī)架、重錘機(jī)構(gòu)、車輪支架構(gòu)成，如圖1所示。機(jī)架用于安裝車輪支架。重錘機(jī)構(gòu)由移動橫梁、主錘、副錘、小副錘、電磁起重吸盤等組成，其中移動橫梁負(fù)責(zé)帶動主錘沿兩側(cè)立柱上升、下降，為了減少摩擦主錘與立柱采用行輪體配合，減小摩擦對下落的影響；副錘和小副錘跟隨主錘上下移動；電磁起重吸盤安裝在移動橫梁下表面，試驗(yàn)時(shí)用來吸合和釋放主錘。在沖擊車輪時(shí)，移動橫梁將重錘機(jī)構(gòu)拖到所需高度，選擇沖擊重量后，電磁起重吸盤釋放完成沖擊。

圖1 車輪沖擊試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

整個(gè)沖擊試驗(yàn)的能量全部來源于從沖擊高度下落的沖擊重錘所具有的動能。進(jìn)行同一批次不同車輪進(jìn)行沖擊實(shí)驗(yàn)時(shí)，試驗(yàn)用沖擊重錘質(zhì)量完全相同，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊高度也完全相同，具有的勢能也完全相同，并有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，根據(jù)勢能與動能的轉(zhuǎn)化，沖擊車輪的能量應(yīng)該與重錘勢能相等，但在試驗(yàn)中，重錘下落到與車輪接觸瞬間，重錘勢能并未完全轉(zhuǎn)化為動能，存在能量損失，主要體現(xiàn)在以下兩個(gè)方面：

1）電磁起重吸盤釋放瞬間，電磁起重吸盤會有剩磁，沖擊重錘仍然會受到電磁吸力作用，沖擊重錘需要克服電磁吸力進(jìn)行落體運(yùn)動。每臺沖擊試驗(yàn)機(jī)的電磁吸盤的剩磁存在差異，是造成能量損失的主要因素之一；

2）在重錘下落過程中，沖擊主錘行輪體沿兩側(cè)立柱下落，沖擊主錘與兩側(cè)立柱產(chǎn)生摩擦，雖然摩擦對沖擊能量和沖擊速度的損失比較小，但也會對整體沖擊能量造成影響。

此外，即使各試驗(yàn)機(jī)能量損失相同，車輪支架的剛度不同，車輪的沖擊結(jié)果也存在差異。因此，為了達(dá)到各沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊結(jié)果的一致性，一方面要消除車輪支架對沖擊結(jié)果的影響，另一方面減小各試驗(yàn)機(jī)能量損失的不同，采用損耗能量修正方法，使不同的試驗(yàn)機(jī)具有相同沖擊能量。

2 沖擊試驗(yàn)修正原理

2.1 系統(tǒng)修正原理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，轎車車輪沖擊試驗(yàn)沖頭下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點(diǎn)上方230±2mm處，在進(jìn)行同一批次不同車輪試驗(yàn)時(shí)，為了獲得客觀的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，既要保證沖擊試驗(yàn)的有效性，又要保證不同車輪試驗(yàn)時(shí)沖頭對車輪的沖擊能量相同，在沖擊高度相同的情況下，便可以得到整個(gè)車輪沖擊試驗(yàn)機(jī)的最大沖擊能量：

式中 ：

E為車輪沖擊試驗(yàn)機(jī)最大沖擊能量(J)；

M為沖擊重錘質(zhì)量(kg)；

H為沖擊高度 (m)；

V為重錘下落理論最大沖擊速度(m/s) ；

g為重力加速度(m/s2)。

根據(jù)勢能和動能轉(zhuǎn)化，我們可以得到在不計(jì)能量損失的情況下，重錘的動能應(yīng)該與勢能相等即：

由式（2）可得，理論最大沖擊速度為：

設(shè)實(shí)際的重錘沖擊瞬間速度（末速度）為v，則沖擊重錘與車輪的實(shí)際沖擊能量為但是在實(shí)際中，重錘下落的末速度要小于最大沖擊速度，則

沖擊過程損失能量為 ：

圖2 沖擊高度修正原理圖

如圖2所示，為了保證沖擊試驗(yàn)的有效性，需要對損失的能量進(jìn)行補(bǔ)償，這里通過提高重錘沖擊高度來進(jìn)行能量補(bǔ)償。通過補(bǔ)償沖擊高度h來使得沖擊重錘與車輪沖擊能量達(dá)到能量最大值E，

把式（6）代入式（5），可得到補(bǔ)償?shù)臎_擊高度h為：

這樣可以將沖擊高度設(shè)定為H+h，就能夠保證沖擊車輪的總能量為E，從而實(shí)現(xiàn)沖擊瞬間沖擊重錘的沖擊能量都相同。在補(bǔ)償沖擊高度h中，只有重錘沖擊瞬間速度v未知，因此只要求出v值，就可以得到補(bǔ)償?shù)臎_擊高度。

2.2 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

為了求得沖擊重錘沖擊瞬間的速度v值，針對試驗(yàn)機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，如圖3所示的沖擊末速度檢測系統(tǒng)。整套檢測系統(tǒng)安裝在試驗(yàn)機(jī)立柱的后面，由增量式光電編碼器、同步齒形帶、同步齒形帶輪、彈簧、鋼絲、轉(zhuǎn)輪構(gòu)成。光電編碼器與同步齒形帶輪同軸連接，安裝在立柱上，同步齒形帶左端與沖擊主錘鉸鏈鏈接，可由沖擊主錘帶動齒形帶移動，齒形帶右端與彈簧聯(lián)接，彈簧下方連接有鋼絲，鋼絲下方通過轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪同樣也固定在立柱上，鋼絲另一端通過鉸鏈鏈接到主錘上。將沖擊重錘的線位移轉(zhuǎn)換成角位移進(jìn)行測量，從而計(jì)算出沖擊重錘的行走位移和沖擊重錘沖擊瞬間的速度。

圖3 沖擊末速度檢測系統(tǒng)

3 沖擊試驗(yàn)

3.1 試驗(yàn)條件

選用某公司的車輪進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，沖擊重錘重量為1000kg，輪胎胎壓為200KPa，沖擊高度為230mm，沖擊位置為沖頭板側(cè)邊與輪輞輪緣重疊25mm。整個(gè)車輪沖擊試驗(yàn)過程順利，試驗(yàn)完成之后，車輪輪輻未出現(xiàn)目測可見的穿透裂紋，輪輻沒有從輪輞上分離，輪胎氣壓沒有變化，車輪完好，沒有損壞。

3.2 試驗(yàn)數(shù)據(jù)與分析

表1 車輪沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

表1所示為車輪沖擊試驗(yàn)中測量得到的30組試驗(yàn)數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集時(shí)間為8ms，將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)過處理分析后得到如圖4所示的車輪沖擊速度與時(shí)間關(guān)系曲線圖。沖擊重錘沖擊車輪后會反彈，反彈速度小于重錘下落最大速度，反彈到一定高度后，重錘會繼續(xù)下落沖擊車輪發(fā)生第2次沖擊，如此反復(fù)，沖擊重錘會對車輪實(shí)現(xiàn)多次沖擊，反彈高度會逐步減小，直至不再反彈。對車輪進(jìn)行多次沖擊，每次沖擊所達(dá)到的最大高度都會減小。從圖4中可以看出，隨著沖擊進(jìn)行，沖擊速度在不斷減小，直至沖擊重錘停止。重錘沖擊車輪瞬間最大速度為2.06784m/s，為沖擊重錘第一次沖擊瞬時(shí)速度。

圖4 沖擊速度與時(shí)間曲線

由式（1）計(jì)算可知，試驗(yàn)機(jī)沖擊重錘最大理論沖擊能量為2254J，實(shí)際沖擊能量為2138J，損失能量為116J，由式（7）得到補(bǔ)償?shù)臎_擊高度h應(yīng)為11.84mm，在下一次進(jìn)行車輪沖擊的時(shí)候，修正沖擊高度，將沖擊高度設(shè)定為241.84mm，從而使得沖擊瞬間的能量接近最大理論沖擊能量。

采用損耗能量修正方法，在對同批次的車輪進(jìn)行相同的沖擊試驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，計(jì)算可得沖擊的實(shí)際末速度為2.123m/s，沖擊瞬間能量為2253.56J，相對損失能量為0.44J。

4 結(jié)論

通過對車輪沖擊試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行差異性分析，提出了通過補(bǔ)償沖擊高度來保證車輪沖擊有效性的方法，經(jīng)試驗(yàn)證明：

1）重錘剩磁吸力、導(dǎo)軌摩擦和車輪支架的剛度不同是造成沖擊能量損失，是影響各沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊結(jié)果的一致性的主要因素；

表2 修正后車輪沖擊試驗(yàn)數(shù)據(jù)

2）采用損耗能量修正方法，將沖擊能量損失降低了99.6%，保證了不同試驗(yàn)機(jī)沖擊能量的一致性，使試驗(yàn)本身更具有客觀性。

[1] 臧孟炎, 秦滔. 鋁合金車輪13°沖擊試驗(yàn)仿真分析[J] .機(jī)械工程學(xué)報(bào), 2010, 46(2): 83-87.

[2] 陸斌. 鋁車輪沖擊試驗(yàn)失效案例及其有限元分析[J]. 汽車技術(shù). 2010 (8): 52-55.

[3] 焦磊, 王樂勤, 徐如良, 李江云. 沖擊高度對淹沒沖擊射流影響的數(shù)值預(yù)測[J]. 工程熱物理學(xué)報(bào), 2005, 26 (5):773-775.

[4] 王頌秦, 薛遠(yuǎn), 藍(lán)軍, 林漫群, 錢仲明, 梁可人, 陳建發(fā). 摩托車輕合金車輪徑向沖擊試驗(yàn)有限元法研究[J]. 汽車技術(shù). 1999 (11): 26-30.

[5] 暢世為, 張維剛.復(fù)合材料車輪沖擊試驗(yàn)仿真分析[J]. 汽車工程，2010, 32(1): 65-68.

[6] 李文亮, 周煒, 郭志平, 趙侃. 轎車沖擊高路階的安全性動態(tài)仿真研究[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運(yùn)輸車2008, 35 (2): 27-29.

[7] 王樹強(qiáng), 劉希敏, 朱暢. 落錘式?jīng)_擊試驗(yàn)設(shè)備中捕捉機(jī)構(gòu)的改造與分析[J]. 機(jī)械2005, 32 (1): 60-61.

[8] 國家技術(shù)監(jiān)督局, GB/T 15704-1995轎車車輪沖擊試驗(yàn)方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.