乘用車車輪徑向疲勞性能測(cè)試設(shè)備一致性檢測(cè)方法

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(cè)試是汽車安全性能檢測(cè)的一項(xiàng)重要內(nèi)容，只有按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的測(cè)試方法進(jìn)行檢測(cè)，而且測(cè)試數(shù)據(jù)滿足標(biāo)準(zhǔn)要求的車輪才能進(jìn)入使用。

車輪徑向疲勞性能是車輪疲勞性能測(cè)試的一項(xiàng)重要指標(biāo)，它考核了車輪承受徑向載荷的能力，其測(cè)試設(shè)備為徑向疲勞試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)機(jī)[1]有一個(gè)轉(zhuǎn)鼓，車輪與輪胎總成安裝在一個(gè)可以轉(zhuǎn)動(dòng)的軸上，測(cè)試時(shí)加載系統(tǒng)通過(guò)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)使車輪和輪胎總成壓向轉(zhuǎn)動(dòng)的轉(zhuǎn)鼓，從而在車輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)得到恒定的徑向負(fù)荷，在恒定徑向負(fù)荷作用下，通過(guò)測(cè)試可以得到車輪疲勞性能是否滿足要求。但由于試驗(yàn)機(jī)結(jié)構(gòu)多樣性，傳感器種類和測(cè)控系統(tǒng)差異性等原因，對(duì)于同種材料、同種工藝制造的同一批次的車輪在不同試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試數(shù)據(jù)往往存在差異，這些數(shù)據(jù)有時(shí)會(huì)影響產(chǎn)品的合格性檢驗(yàn)，誤導(dǎo)車輪制造商，為了得到準(zhǔn)確的結(jié)論，需要對(duì)設(shè)備進(jìn)行一致性的檢驗(yàn)。

雖然試驗(yàn)機(jī)間測(cè)試的差異性對(duì)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(shí)驗(yàn)室之間聯(lián)系的加強(qiáng)，相互間的關(guān)聯(lián)和比對(duì)會(huì)越來(lái)越頻繁，這就需要通過(guò)有效的方法對(duì)試驗(yàn)機(jī)間的差異性進(jìn)行檢測(cè)，在把握試驗(yàn)機(jī)差異性的基礎(chǔ)上，通過(guò)金屬材料疲勞理論，通過(guò)系數(shù)關(guān)聯(lián)建立試驗(yàn)機(jī)之間結(jié)果一致性。

關(guān)于試驗(yàn)機(jī)之間測(cè)試一致性，目前行業(yè)主要通過(guò)在相同或相近條件使用同一件或同一批測(cè)試車輪進(jìn)行測(cè)試，以驗(yàn)證相互間的測(cè)試數(shù)據(jù)的一致性。例如通用汽車公司對(duì)于其全球車輪供應(yīng)商實(shí)驗(yàn)室或擁有車輪檢測(cè)項(xiàng)目的第三方實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的TIP（Test Improvement Process）一致性審核，德國(guó)萊茵TüV公司對(duì)汽車零部件測(cè)試設(shè)備動(dòng)態(tài)一致性檢測(cè)等。目前國(guó)內(nèi)實(shí)驗(yàn)室之間也進(jìn)行過(guò)相應(yīng)的測(cè)試數(shù)據(jù)的比較。文章參考德國(guó)萊茵TüV認(rèn)證中使用的動(dòng)態(tài)一致性檢測(cè)方法[2]，制作相應(yīng)的測(cè)試工具，使用通用的采集工具，在不同的測(cè)試設(shè)備上進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)，然后通過(guò)對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)的分析，通過(guò)一定的方法尋求設(shè)備間測(cè)試結(jié)果一致性。具體步驟見(jiàn)以下框架。見(jiàn)圖1.

圖1 檢測(cè)方法流程圖

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

1.1 數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備

數(shù)據(jù)檢測(cè)設(shè)備由數(shù)據(jù)采集工具、相應(yīng)的檢測(cè)線路和檢測(cè)軟件等組成。乘用車車輪徑向疲勞試驗(yàn)機(jī)主要檢測(cè)對(duì)象為轎車或輕卡車輪，根據(jù)測(cè)試對(duì)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(yàn)機(jī)測(cè)試過(guò)程中車輪不停的旋轉(zhuǎn)，因此采集過(guò)程中需要一個(gè)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(cè)量使用HBM的應(yīng)變采集儀，型號(hào)為QuantumXMX1615B[3]。安裝應(yīng)變車輪和滑環(huán)到試驗(yàn)設(shè)備上，如圖4所示。

圖4 應(yīng)變車輪安裝圖

1.2 測(cè)試設(shè)置

為了排除其他因素干擾測(cè)試結(jié)果，設(shè)備間測(cè)試需要在規(guī)定的測(cè)試條件下進(jìn)行，本次測(cè)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(cè)

1.3.1 設(shè)備1應(yīng)變檢測(cè)

在設(shè)定的測(cè)試環(huán)境下，根據(jù)應(yīng)變車輪和使用輪胎的性能，分別進(jìn)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(dòng)態(tài)應(yīng)變采集波形

為了測(cè)試數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，等試驗(yàn)設(shè)備穩(wěn)定運(yùn)行一段時(shí)間后，通過(guò)HBM應(yīng)變采集儀，檢測(cè)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(guò)標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變進(jìn)行標(biāo)定，精度在0.1%內(nèi)。

1.3.2 設(shè)備2應(yīng)變檢測(cè)

在設(shè)備1上數(shù)據(jù)采集完成后，在一定的時(shí)間間隔內(nèi)（一般在2個(gè)月內(nèi)），安裝應(yīng)變車輪和滑環(huán)到試驗(yàn)設(shè)備2上，按照相同的測(cè)試步驟，進(jìn)行應(yīng)變檢測(cè)。

1.4 數(shù)據(jù)處理

在不同設(shè)備上應(yīng)變檢測(cè)完成后，導(dǎo)出測(cè)試數(shù)據(jù)，通過(guò)以下方法進(jìn)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(biāo)，對(duì)應(yīng)應(yīng)變?yōu)榭v坐標(biāo)可以得到應(yīng)變車輪上各個(gè)應(yīng)變片的應(yīng)變與載荷（即對(duì)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(cè)試時(shí)，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(jìn)行使用，否則需要分析測(cè)試時(shí)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(cè)試條件下，應(yīng)變車輪應(yīng)變大小反映設(shè)備對(duì)車輪的真實(shí)加載情況。對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，通過(guò)統(tǒng)計(jì)的手段，可以得到設(shè)備間差異性。

只有通過(guò)判斷，有效的數(shù)據(jù)才能進(jìn)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(biāo)，以設(shè)備1上采集到的數(shù)據(jù)為縱坐標(biāo)，相同測(cè)試條件下，相同位置電阻應(yīng)變片的應(yīng)變大小一一對(duì)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(duì)應(yīng)關(guān)系圖，從圖中可以看出上端一些樣本點(diǎn)明顯偏移總體規(guī)律，出現(xiàn)這些樣本點(diǎn)，一方面是可能應(yīng)變車輪此位置應(yīng)變片加工存在問(wèn)題，另一方面可能是采集偶然性誤差，剔除這些樣本點(diǎn)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(guò)總體采集數(shù)據(jù)的分析，可以看出，相同測(cè)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(shí)際試驗(yàn)中也發(fā)現(xiàn)，同樣一批車輪在兩臺(tái)設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試時(shí)，在設(shè)備1上測(cè)試的結(jié)果一般會(huì)小于在設(shè)備2上測(cè)試的結(jié)果。

2 試驗(yàn)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(cè)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(guò)以上方法可以對(duì)設(shè)備間的一致性進(jìn)行檢測(cè)，從而得出車輪在試驗(yàn)過(guò)程中真實(shí)受力的差異。

2.1 TüV動(dòng)態(tài)一致性檢測(cè)方法

對(duì)于車輪徑向疲勞試驗(yàn)設(shè)備，TüV動(dòng)態(tài)一致性檢測(cè)中會(huì)選取性能比較穩(wěn)定，結(jié)果準(zhǔn)確性受到承認(rèn)的設(shè)備作為標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備，根據(jù)被測(cè)設(shè)備與標(biāo)準(zhǔn)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(cè)設(shè)備一個(gè)加權(quán)系數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)被測(cè)設(shè)備間與標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備測(cè)試結(jié)果的一致性。

比如對(duì)于鋁合金車輪徑向疲勞測(cè)試，上述兩臺(tái)設(shè)備應(yīng)變差值為4%，通過(guò)查徑向疲勞測(cè)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(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)機(jī)，同樣車輪或同一批車輪如果在設(shè)備1進(jìn)行測(cè)試，其測(cè)試結(jié)果為L(zhǎng)C1，則在設(shè)備2上進(jìn)行測(cè)試時(shí)其測(cè)試結(jié)果為0.82 LC1.

同樣對(duì)于乘用車車輪彎曲疲勞測(cè)試，不同設(shè)備間真實(shí)載荷的差異性也可以通過(guò)此種方法進(jìn)行達(dá)到測(cè)試結(jié)果的一致性。

2.2 設(shè)備改進(jìn)

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

3 結(jié)束語(yǔ)

文章介紹了乘用車車輪徑向疲勞試驗(yàn)機(jī)一致性的檢測(cè)方法，并通過(guò)選取兩臺(tái)設(shè)備，制作相應(yīng)的測(cè)試工具，進(jìn)行檢測(cè)，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(cè)試數(shù)據(jù)處理和設(shè)備改進(jìn)的方法，以實(shí)現(xiàn)設(shè)備和試驗(yàn)室之間測(cè)試結(jié)果的一致性，從而提高車輪徑向疲勞性能檢測(cè)的準(zhǔn)確性。

參考資料：

[1]GB/T5334-2005.乘用車車輪性能要求和試驗(yàn)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.