鋁合金車輪內輪緣開裂問題的研究和探討

王順新，王佳琦，朱利利

1.中信戴卡股份有限公司 河北秦皇島 066000

2.蘭州理工大學 甘肅蘭州 730050

隨著人們對汽車外觀、尺寸、續(xù)駛里程（新能源汽車）要求的提高，整車尺寸也越來越大，整車越來越重，特別是新能源汽車質量較大。鋁合金車輪外觀造型也越來越復雜，尺寸越來越大，要求的承載能力也越來越高，隨之也產生了一些新的問題，在整車路試中經(jīng)常出現(xiàn)內輪緣開裂的現(xiàn)象。

由于乘用車內輪緣在靠近箱體一側，車輛行駛前檢查很難發(fā)現(xiàn)裂紋，一般是在發(fā)現(xiàn)輪胎漏氣后對車輪進行檢查時才能發(fā)現(xiàn)。當主機廠家在整車路試過程中發(fā)現(xiàn)開裂后，一般會將開裂情況反饋給車輪生產廠家，與車輪生產廠家一起對問題車輪進行系統(tǒng)分析，制定解決方案。

幾年來，中信戴卡股份有限公司處理了多起乘用車內輪緣開裂問題，現(xiàn)對開裂問題進行系統(tǒng)地梳理。

路試中發(fā)現(xiàn)內輪緣開裂后的分析點

1.收集開裂車輪信息

1）路試場（是強化道路試驗、綜合道路試驗）。

2）車輛行駛里程。

3）開裂車輪在路試車輛上的位置：（左前、左后、右前、右后）。

案例：某主機廠在新車型開發(fā)整車綜合道路試驗過程中，在車輛行駛里程達到30 776km時發(fā)現(xiàn)右前輪輪胎欠壓報警，檢查發(fā)現(xiàn)車輪內輪緣部位出現(xiàn)裂紋（見圖1）。

圖1 車輪內緣出現(xiàn)裂紋

2.檢查車輪外觀

檢查車輪正面是否有撞擊痕跡。

2）檢查車輪輪輞是否有嚴重變形。

3）檢查車輪內輪緣是否有油漆磨損情況。

4）檢查車輪內輪緣裂紋數(shù)量和開裂長度。

5）檢查車輪生產信息。

檢查示例如圖2所示。

圖2 車輪外觀檢查

3.檢查車輪尺寸

1）檢查輪輞直徑。

2）檢查內輪緣厚度。

3）檢查內胎圈座壁厚。

4）檢查車輪跳動情況。

檢查示例如圖3所示。

圖3 車輪尺寸檢查

對車輪輪輞內部缺陷進行檢查（見圖4），主要是查看是否存在縮松、夾渣等鑄造缺陷，查看鑄造缺陷的種類、分布及大小等情況。

圖4 X光探傷檢查

5.檢查材料性能

在內輪緣開裂部位兩側取樣，對材料性能（屈服強度、強度極限、延伸率）、化學成分、金相組織及硬度等情況進行分析，了解車輪內輪緣部位的宏觀和微觀材料情況，收集車輪的詳細信息。

表1和圖5所示是某款內輪緣開裂車輪的材料性能分析結果。

圖5 內輪緣金相組織

表1 某內輪緣開裂車輪材料性能

6.對內輪緣開裂部位進行斷口分析

1）對斷口進行低倍顯微分析。

2）對斷口進行超景深顯微影像分析。

3）對斷口進行電鏡顯微成像分析。

內輪緣開裂部位 斷口分析如圖6所示。

圖6 內輪緣開裂部位斷口分析

7.對車輪造型進行CAE內輪緣應力分析

由于過去乘用車車輪尺寸較?。ㄒ话恪?8in）、載荷較小（一般＜700kg）、輪胎高寬比較大（一般≥50%），一般不會出現(xiàn)內輪緣開裂的情況，因此，在進行車輪徑向受力分析時也就不考慮內輪緣的受力情況。

但隨著新能源汽車的發(fā)展，車輪尺寸的變大（一般≥19英寸）、載荷增加（一般＞800kg）、輪胎高寬比變?。ㄒ话恪?5%），車輪在行駛過程中的受力變大，內輪緣的受力應當?shù)玫街匾暋?/p>

圖7所示是一款整車試驗大約31 000km內輪緣開裂車輪的應力分析結果。

圖7 內輪緣開裂車輪應力分析結果

8.對內輪緣開裂問題的解決方案

目前，針對乘用車內輪緣開裂，一般采用的改善方案是在保證車輪正面造型的條件下，對車輪內輪緣結構和尺寸、內胎圈座和輪輞尺寸進行調整，加強輪輞強度，降低內輪緣部位的應力，從而延長車輪行駛里程。

1）調整內輪緣結構：將內輪緣結構由夾式平衡塊結構調整為粘貼式平衡塊結構。

2）調整內輪緣、內胎圈座、輪輞及輪井等尺寸。

內輪緣開裂問題分析

通過對多起路試過程出現(xiàn)內輪緣開裂的情況分析，得到以下幾個方面的經(jīng)驗：

1）一般出現(xiàn)在大尺寸、大載荷、裝配高寬比較小的輪胎的車輪上。

2）裂紋出現(xiàn)的機理：一般是車輪先受到外力作用，造成內輪緣損傷，然后在繼續(xù)行駛過程中出現(xiàn)裂紋持續(xù)擴展。當裂紋擴展到一定程度，使得內輪緣不能承受載荷時，就會出現(xiàn)斷裂。

3）不同的車輛設計壽命不同，整車路試的場地、要求的行駛里程不同，可以對車輪輪輞結構制訂有針對性的設計方案，保證滿足整車路試壽命要求。

4）當車輪設計載荷較小（≤500kg）、輪胎高寬比較大（≥55）時，為減輕車輪質量可以使用夾式平衡塊結構。

5）當車輪設計載荷較大（≥700kg）、輪胎高寬比較?。ā?5）時，為滿足車輪設計壽命建議使用粘貼式平衡塊結構。

6）針對大尺寸（≥19in）、大載荷（≥700kg）、輪胎高寬比較?。ā?5）的車輪設計時，需要注意內輪緣應力情況，建議應力與路試里程見表2。

表2 內輪緣應力與路試里程推薦值

降低內輪緣開裂的試驗方法

目前，在試驗室條件下，還沒有專門模擬路試過程中內輪緣開裂的試驗方法，但有幾家主機廠的試驗方案，可以大幅度降低實際路試過程中內輪緣開裂的概率。

1.大眾、奧迪、寶馬及奔馳的雙軸試驗

大眾、奧迪、寶馬及奔馳等公司模擬歐洲賽道的強化道路試驗，稱作雙軸試驗。該項試驗需要對輪輞（特別是內輪緣）進行強化處理，以滿足雙軸試驗要求。

（1）對車輪進行預損傷 將車輪裝配好輪胎，輪胎充氣壓力150kPa（0.6倍額定胎壓），裝配到壓力材料試驗機上，對輪輞加力達到規(guī)定的壓力F=2.5G（G為車輪載荷），檢查內輪緣的變形量，要求變形量不超過1.0mm，無裂紋。

2）對車輪進行雙軸試驗 對完成預壓試驗后的車輪在雙軸試驗臺上，進行雙軸試驗，輪胎壓力：450kPa，轉速105km/h，按規(guī)定的試驗載荷譜進行試驗，要求完成約定的試驗里程車輪無裂紋（一般要求完成7500km）。

注意：雙軸試驗里程是與不同廠家整車規(guī)定的路試里程相對應的。

2.豐田公司的內輪緣變形后徑向試驗

豐田汽車有一項內輪緣變形+徑向試驗，滿足這個試驗，需要加強輪輞的強度，能夠延長內輪緣的疲勞壽命。

（1）對車輪進行內輪緣變形試驗 將車輪裝配好輪胎，輪胎充氣壓力150kPa，裝配到壓力材料試驗機上，對輪輞加力達到規(guī)定的壓力F，檢查內輪緣的變形量，要求不超過3mm。

當輪胎截面高度SH≤138mm時，F(xiàn)=（12.13～0.0658SH）G；當輪胎截面高度SH＞138mm時F=3G。

（2）對車輪進行徑向疲勞試驗 對于完成內輪緣變形試驗后的車輪進行徑向疲勞試驗，輪胎壓力：450kPa，徑向試驗載荷F=2.5G，要求車輪完成100個循環(huán)，無裂紋。

3.現(xiàn)代起亞汽車的輪輞變形+徑向試驗

韓國現(xiàn)代起亞汽車有一項輪輞變形+徑向試驗，滿足這個試驗，也需要加強輪輞的強度，能夠延長內輪緣的疲勞壽命。

（1）輪輞變形試驗 對于輪胎寬度大于205mm，同時輪胎高度（輪胎截面寬度×高寬比）≤110mm進行輪輞變形試驗，試驗載荷F=7G。

將車輪裝配好輪胎，輪胎充氣壓力240kPa（按照圖樣要求），裝配到壓力材料試驗機上，對輪輞加力達到規(guī)定的載荷F，檢查內輪緣的變形量，要求不超過3mm。

（2）對車輪進行徑向疲勞試驗 對于完成內輪緣變形試驗后的車輪進行徑向疲勞試驗，輪胎壓力：450kPa，徑向試驗載荷F=2.5G，要求車輪完成200個循環(huán)，無裂紋。

結語

以上介紹了車輪路試過程中出現(xiàn)的內輪緣開裂的問題分析，并對分析過程進行了總結，提出了降低內輪緣開裂的發(fā)生概率的設計、試驗方法。

由于車輪路試過程的復雜性，目前還沒有準確的設計方案、試驗設備及試驗方法來進行內輪緣開裂的驗證。為了滿足整車開發(fā)壽命、國家法律法規(guī)的要求，還需要進行實車路試來檢驗內輪緣的可靠性。