基于擺錘沖擊試驗的輪輞CAE 分析與優(yōu)化設(shè)計

張安霞 胡德鵬

1.鄭州日產(chǎn)汽車有限公司 河南省鄭州市 450016 2.吉利汽車研究院（寧波）有限公司 浙江省寧波市 315336

1 前言

汽車車輪是介于輪胎和車橋之間承受負(fù)荷的旋轉(zhuǎn)件，是汽車行駛系統(tǒng)中重要的安全部件，起著承載、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動、制動等作用，因此研究輪輞的安全性具有重要意義。

開車難免會碰撞到路邊石，比如：側(cè)方停車時，可能距離沒掌握好正巧撞上了路沿；為了避讓特種車輛，向路邊讓行時騎上了路沿；或者需要開到人行道上才能抵達(dá)一個臨時停放場。車輪碰撞到路邊石一般會有兩種結(jié)果：一種是輪胎刮傷或者鼓包；另一種是刮傷輪轂，嚴(yán)重的輪轂會變形，影響行車的舒適和安全。因此，研究路面障礙沖擊對輪輞變形的影響具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

由美國機動車工程師學(xué)會(SAE) 開發(fā)的路面障礙沖擊測試（SAE J1981）可以一種低質(zhì)量、高速度的沖擊，在可控和可重復(fù)的條件下有效再現(xiàn)道路危險沖擊對輪胎和輪輞的損傷。路面障礙沖擊測試主要評估輪胎胎側(cè)受到?jīng)_擊時抵抗損傷的能力，經(jīng)過改進(jìn)和優(yōu)化，該項測試已成為評估車輪和輪胎總成性能的重要方法之一。

擺錘沖擊試驗是在路面障礙沖擊測試基礎(chǔ)上發(fā)展、完善的一種測試方法，可以在可控和可重復(fù)的條件下有效再現(xiàn)道路障礙危險沖擊對輪輞的損傷。它是利用擺錘從高處落下產(chǎn)生的動能模擬輪輞遇到路面障礙時受到的沖擊變形，以評估其耐撞擊性能。該方法可以通過控制沖擊能量，評估輪輞輪緣受到?jīng)_擊擠壓后的損傷程度，是一種高效、可控、可重復(fù)的評估輪輞耐撞擊性能的方法，可以幫助企業(yè)研發(fā)人員提高輪輞的優(yōu)化設(shè)計水平、提升輪輞的耐沖擊性能。

本文的擺錘沖擊試驗是以某車型的鋼輪輞為研究對象，研究基于擺錘沖擊試驗的輪輞耐沖擊性能、同時提出改善方案，最終完成輪輞的優(yōu)化設(shè)計。

2 輪輞擺錘沖擊試驗

擺錘沖擊試驗根據(jù)不同車輛的承載能力確定不同的擺錘擺角θ（對應(yīng)不同的沖擊能量），將車輪總成（輪輞+ 輪胎）按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求的方法固定在擺錘沖擊試驗的工作臺上，如圖1 所示。將擺錘拉起至相應(yīng)沖擊能量的擺錘擺角θ，釋放重錘對車輪指定部位進(jìn)行沖擊。

圖1 輪輞擺錘沖擊試驗的安裝示意圖

本文以18 寸鋼輪為例進(jìn)行了擺錘沖擊試驗，該輪輞材料為B530CL，厚度為t3.0。擺錘沖擊試驗的方法是將一個特制擺錘懸掛于一框架上，將待測試車輪（輪胎+ 鋼輪輞）按照企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)（企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)ZD2-415A1 路面干涉評價試驗規(guī)范）要求的方法固定在擺錘沖擊試驗臺架上。將擺錘拉起至相應(yīng)沖擊能量的擺錘擺角θ=66.8°，然后釋放重錘，讓擺錘在重力作用下自由下落、沖擊輪緣部位。本文的輪輞擺錘沖擊試驗臺如圖2 所示。

圖2 輪輞擺錘沖擊試驗臺

本文輪輞擺錘沖擊試驗的判定基準(zhǔn)是：擺錘沖擊試驗結(jié)束后，輪輞變形量≤2mm。擺錘沖擊試驗后，試驗員對18寸鋼輪輞的輪緣變形量進(jìn)行測量，實測結(jié)果為2.13mm，2.13mm ＞2mm、不滿足試驗要求，需要改善輪輞的設(shè)計方案。

3 優(yōu)化設(shè)計與建模

3.1 鋼輪輞的優(yōu)化方案

根據(jù)材料的屈服強度和抗拉強度，以及不同材料、不同板厚輪輞的應(yīng)用實績，設(shè)計出表1 所示的4 種改善方案。

表1 輪輞改善方案

3.2 CAE 分析模型的建立

為了快速驗證4 種改善方案的改善效果，我們采用CAE 分析的方式進(jìn)行對比。為簡化計算，建模時不考慮輪胎。同時為了讓CAE 分析的結(jié)果更準(zhǔn)確，CAE 施加力的位置、力的方向與擺錘試驗機相同，如圖3 所示。

圖3 CAE 施加力的方向和位置示意圖

建模步驟：

①將車輪和擺錘3D 模型導(dǎo)入到有限元分析軟件ABAQUS 中；

②建立材料屬性并賦予部件材料屬性；

考慮到擺錘沖擊過程中可能產(chǎn)生較大的塑性應(yīng)變，對B530CL 和SPFH590 兩種材質(zhì)的鋼輪輞依據(jù)《GB/T228.1-2010金屬材料拉伸試驗》進(jìn)行了試樣拉伸試驗，并根據(jù)工程應(yīng)變和真實應(yīng)變的關(guān)系對彈塑性曲線進(jìn)行了修正，以此作為CAE 分析的材料參數(shù)輸入，材料的力學(xué)屬性如表2所示，材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線如圖4 所示。

表2 材料的力學(xué)性能

圖4 材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線

③對鋼輪輞劃分網(wǎng)格；

選中輪輞內(nèi)節(jié)點、建立節(jié)點集，輪輞網(wǎng)格尺寸控制在3mm 左右。

④設(shè)定入力條件：

設(shè)定加載力的輸入位置和輸入方向，詳見圖2 所示。入力范圍設(shè)定為20mm（擺錘接觸面范圍為20mm）

⑤設(shè)定邊界條件；

給輪輞添加固定約束，施加力的載荷輸入值為32kN。（輸入力的載荷與車重有關(guān)，本文研究的車型對應(yīng)的輸入力為32kN）

⑥實施解析

以最大應(yīng)力不超過輪輞材料的許用應(yīng)力為限，進(jìn)行CAE 分析，從而得出加載力對應(yīng)的輪輞最大殘余變形量。

⑦讀取碰撞后輪輞的殘余變形量

輪輞網(wǎng)格劃分和CAE 分析后的輪輞殘余變形量示意圖，見圖5 所示。

圖5 輪輞網(wǎng)格劃分與輪輞變形示意圖

⑧讀取最大主應(yīng)力

3.3 CAE 分析的結(jié)果

根據(jù)ABAQUS 分析軟件的可以讀取最大主應(yīng)力時對應(yīng)的輪輞殘余變形量，從而繪制載荷與殘余變形量的曲線圖，如圖6所示。

圖6 載荷與殘余變形量的曲線圖

結(jié)合圖6 和表3 的數(shù)據(jù)可以得出：方案二即SPFH590 t3.3 的方案最優(yōu)，該方案的殘余變形量最小，同時該方案的輪輞重量增加較小、成本較優(yōu)、樣件開發(fā)周期也最短。因此，本次使用方案二作為鋼輪輞的優(yōu)化方案。

表3 不同優(yōu)化方案的改善情況及附加影響

4 結(jié)束語

本文針對某車型鋼輪擺錘沖擊試驗時的輪緣變形量過大、不滿足試驗標(biāo)準(zhǔn)的情況，將CAE 分析應(yīng)用于鋼輪結(jié)構(gòu)抗沖擊性優(yōu)化設(shè)計。由于優(yōu)化設(shè)計的方案中充分考慮了材料特性、加工性能以及改動成本、樣件開發(fā)周期等因素，雖未進(jìn)行試驗驗證，但本文所應(yīng)用的有限元分析模型已經(jīng)動態(tài)試驗驗證，因此優(yōu)化結(jié)果具有很高的可信度和應(yīng)用價值。同時，通過本文的研究發(fā)現(xiàn)，提升輪輞材料、加厚輪輞Rim 板厚，可以有效提高輪輞的耐沖擊性能，從而提高汽車的行駛安全性。

另外，運用有限元分析軟件對輪輞進(jìn)行分析，能預(yù)先知道其應(yīng)力分布、疲勞壽命、受到?jīng)_擊擠壓時抵抗損壞的能力等情況，對于新型輪輞的設(shè)計以及原有輪輞的優(yōu)化都有著巨大的優(yōu)勢，它將極大的縮短輪輞設(shè)計以及制作的成本和周期。