基于越野車采用鎂合金車輪的工程應(yīng)用研究

（北京汽車研究總院有限公司 北京 101300）

引言

越野車能夠滿足駕駛員對車輛各種工況的要求，保證車輛在惡劣環(huán)境和較差道路行駛時的安全性、通過性和穩(wěn)定性；其主要性能有通過性、機動性和經(jīng)濟性等指標(biāo)[1]。鎂合金車輪優(yōu)點如下：

1）鎂合金車輪的散熱性能好，散熱系數(shù)是鋼制車輪的2～3 倍，降低輪胎的爆胎率和老化速率，減小車輪的力矩，從而加強汽車在行駛中的安全性；

2）車輪的輕量化可提升汽車的加速性能，降低汽車的油耗和排放性能；

3）鎂合金車輪受到?jīng)_擊時，吸收能力要比鋁合金車輪高一倍，提升汽車的平穩(wěn)性和駕駛員的舒適度[2]。因而研究鎂合金車輪在越野車上的工程應(yīng)用是非常必要的。

1 設(shè)計與分析

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

本文按照某型越野車鋁合金車輪的圖紙，開展鎂合金車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計；同時為節(jié)省模具費用，大部分采用鋁合金車輪的模具。鎂合金車輪的設(shè)計參數(shù)如表1 所示，模型如圖1 所示。

1.2 仿真分析

為了達(dá)到車輪鍛造和性能的要求，選取工程中常用汽車車輪鎂合金材料AZ80 鎂合金。力學(xué)性能方面AZ80 具有較高的屈服強度和抗拉強度，這都為AZ80 鎂合金成為鍛造車輪的首選材料提供了良好的條件，表2 為AZ80 鎂合金的力學(xué)性能列表。

表1 鎂合金車輪的設(shè)計參數(shù)

圖1 鎂合金車輪的數(shù)模

表2 AZ80 材料的力學(xué)性能

1.2.1 車輪彎曲靜力學(xué)仿真分析

仿真分析的載荷施加依據(jù)GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[3]中規(guī)定對車輪施加彎矩，其中彎矩的計算公式為：

式中：μ 為輪胎與路面間的設(shè)定摩擦系數(shù)，0.7；R 輪胎靜負(fù)荷半徑，是汽車制造廠或車輪廠規(guī)定的用在車輪上的最大輪胎靜半徑，340 mm；d 為車輪內(nèi)偏距或外偏距（內(nèi)偏距為正值，外偏距為負(fù)值），37.5 mm；Fv為車輪或汽車制造廠規(guī)定的車輪上的最大垂直靜負(fù)荷或車輪的額定負(fù)荷，6 762 N；S 為強化試驗系數(shù)，1.6。

求解出的應(yīng)力云圖如圖2 所示，應(yīng)力最大值為129.10 MPa，小于AZ80 鎂合金材料的屈服強度240 MPa，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

1.2.2 車輪徑向靜力學(xué)仿真分析

仿真分析的載荷施加依據(jù)GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[3]中規(guī)定對車輪施加徑向負(fù)載，其中徑向負(fù)載的計算公式為：

圖2 車輪彎曲靜力學(xué)仿真分析應(yīng)力云圖（左圖正面和右圖背面）

式中：Fv為車輪或汽車制造廠規(guī)定的車輪上的最大垂直靜負(fù)荷或車輪的額定負(fù)荷，6 762N；K 為強化試驗系數(shù)，2.25。

求解出的應(yīng)力云圖如圖3 所示，應(yīng)力最大值為89.11 MPa，小于AZ80 鎂合金材料的屈服強度240 MPa，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖3 徑向靜力學(xué)仿真分析應(yīng)力云圖（左圖正面和右圖背面）

1.2.3 13°沖擊仿真分析

仿真分析的載荷施加依據(jù)GB/T 15704-2012《道路車輛輕合金車輪沖擊試驗方法》[4]中規(guī)定對車輪施加載荷，沖錘質(zhì)量的計算公式如下：

式中：W 為車輪或車輛制造廠規(guī)定的車輪最大靜載荷，690 kg；氣門孔沖擊一次，旋轉(zhuǎn)180°沖擊一次。每次沖擊后1 min 測量，無變形，無漏氣。

求解出的應(yīng)力云圖如圖4 所示，應(yīng)力最大值為56.76MPa，小于AZ80 鎂合金材料的屈服強度240MPa，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖4 13°沖擊仿真分析應(yīng)力云圖（左圖正面和右圖背面）

1.2.4 90°沖擊仿真分析

仿真分析的載荷施加依據(jù)GB/T 15704-2012《道路車輛輕合金車輪沖擊試驗方法》[4]中規(guī)定對車輪施加載荷。

求解出的應(yīng)力云圖如圖5 所示，應(yīng)力最大值為60 MPa，小于AZ80 鎂合金材料的屈服強度240 MPa，仿真結(jié)果滿足設(shè)計要求。

圖5 90°沖擊仿真分析應(yīng)力云圖（左圖正面和右圖背面）

2 試驗驗證

2.1 零部件級試驗驗證

2.1.1 彎曲疲勞試驗

依據(jù)GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[3]進(jìn)行試驗，試驗參數(shù)見表3，試驗結(jié)果見表4。

表3 彎曲疲勞試驗參數(shù)表

表4 彎曲疲勞試驗結(jié)果

試驗結(jié)論：在達(dá)到要求的循環(huán)次數(shù)之前，加載點的偏移量未超過初始全加載偏移量的10%，且無裂紋和無扭矩下降，滿足設(shè)計指標(biāo)要求，試驗現(xiàn)場如圖6 所示。

圖6 彎曲疲勞試驗現(xiàn)場圖

2.1.2 動態(tài)徑向疲勞試驗

依據(jù)GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[3]進(jìn)行試驗，試驗參數(shù)見表5，試驗結(jié)果見表6。

表5 動態(tài)徑向疲勞試驗參數(shù)表

表6 動態(tài)徑向疲勞試驗結(jié)果

試驗結(jié)論：滿足設(shè)計指標(biāo)要求，試驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 動態(tài)徑向疲勞試驗結(jié)果圖

2.1.3 13°沖擊試驗

依據(jù)GB/T 15704-2012《道路車輛輕合金車輪沖擊試驗方法》[4]進(jìn)行試驗，試驗參數(shù)見表7，試驗結(jié)果見表8。

表7 13°沖擊試驗參數(shù)表

表8 13°沖擊試驗結(jié)果

試驗結(jié)論：滿足設(shè)計指標(biāo)要求，試驗結(jié)果如圖8所示。

圖8 13°沖擊試驗結(jié)果

2.1.4 90°沖擊試驗

依據(jù)QC/T 991-2015《乘用車輕合金車輪90°沖擊試驗方法》[5]進(jìn)行試驗，試驗參數(shù)見表9，試驗結(jié)果見表10。

表9 90°沖擊試驗參數(shù)表

表10 90°沖擊試驗結(jié)果

試驗結(jié)論：滿足設(shè)計指標(biāo)要求，試驗結(jié)果如圖9所示。

圖9 90°沖擊試驗結(jié)果

2.2 整車級可靠性試驗

鎂合金車輪搭載某型越野車進(jìn)行33 000 km 的整車可靠性試驗，試驗里程分布如表11 所示。

經(jīng)過33 000 km 的整車可靠性試驗，鎂合金車輪未出現(xiàn)開裂和明顯可見的變形，滿足可靠性要求?？煽啃栽囼灛F(xiàn)場情況如圖10 所示。

表11 可靠性試驗里程分布

圖10 可靠性試驗現(xiàn)場情況

2.3 整車油耗對比試驗

按照目前乘用車綜合油耗測試標(biāo)準(zhǔn)要求,乘用車綜合工況油耗測試方法有2 種，一是滑行法，二是慣量法（也叫查表法）[6-7]。本文采用的是慣量法來測試油耗的變化量。

首先，開展2 次鋁合金車輪的NEDC 工況油耗試驗；接著，拆下鋁車輪換上鎂車輪（輪胎還是原來的輪胎）；最后，開展兩次鎂車輪的NEDC 工況油耗試驗，試驗結(jié)果如表12 所示。

表12 整車油耗對比試驗結(jié)果 L/100 km

本次試驗結(jié)果顯示，越野車搭載鎂合金車輪比搭載鋁合金車輪油耗在NEDC 工況下低0.3 L/100 km?？紤]到不可避免的試驗誤差，不同車型搭載鎂合金車輪比搭載鋁合金車輪的節(jié)油效果會有波動。

3 結(jié)論與展望

1）某型越野車的鎂合金車輪的彎曲靜力學(xué)、徑向靜力學(xué)、13°沖擊和90°沖擊的仿真分析均滿足設(shè)計指標(biāo)要求。

2）某型越野車的鎂合金車輪的零部件級的彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗、13°沖擊試驗和90°沖擊試驗結(jié)果均滿足要求；同時，鎂合金車輪也通過整車的33 000 km 可靠性試驗。

3）鎂合金車輪搭載整車的NEDC 工況的油耗試驗結(jié)果顯示，搭載鎂合金車輪比搭載鋁合金車輪低0.3L/100 km。

綜上所述，鎂合金車輪在越野車上的工程應(yīng)用有一定可行性，但仍需開展以下工作：

1）進(jìn)一步結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計；

2）鎂合金車輪搭載整車的耐腐蝕試驗；

3）NEDC 油耗對比試驗仍需增加驗證次數(shù)。