摘要：為了達到車輪輕量化的目的，同時滿足疲勞壽命的要求，以某轎車規格255／45R20車輪為研究對象，對鋁合金車輪疲勞壽命及路面行駛情況進行研究，得到一種採用交變載荷仿真車輪疲勞的方式。建立有限元模型並加載進行疲勞分析，得到車輪疲勞損傷結果；根據車輪的疲勞損傷位置，採用改變不同區域材料工藝、增減輻條倒角“R”大小及增減料厚的方式進行優化以實現車輪的減重。這種結合疲勞壽命的試驗在工程上可以減少成本、節省試驗週期、實現車輪輕量化、降低油耗，對車輪輕量化的研究具有指導意義和普遍性。
關鍵詞：疲勞壽命；車輪輕量化；仿真試驗；材料工藝中
引言
汽車車輪是位於半軸和輪胎之間，用於承受主要負荷的轉動部件，具有承載車身質量、半軸驅動、轉向節轉動和制動器制動等重要功能，所以車輪對汽車的可靠性能和安全性能至關重要。一般情況下，車輪在隨機交變載荷作用下工作，因此疲勞破壞是車輪失效的主要模式，所以車輪的疲勞耐久性能在研發前期需要重點關注。目前，車輪的疲勞性能主要是按GB／T5334－2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》中提出的動態徑向疲勞性能試驗和動態彎曲疲勞性能試驗方法和相關要求來衡量。採用疲勞軟件按真實的試驗工況進行仿真分析，能夠快速得到比較準確的疲勞損傷數據，並將仿真結果與目標值對比分析，既可以判斷設計是否合理，又可以快速提出輕量化改進方案，從而節省試驗週期，減少成本，實現車輪輕量化。
車輪疲勞試驗主要是模擬汽車正常行駛過程中的載荷情況，來驗證車輪承受彎曲和徑向動載的能力。目前，國內外學者主要採用數值模擬動態載荷的方式對車輪試驗進行研究。朱頎等人採用有限元方法對鋼車輪徑向疲勞試驗進行分析，得到疲勞破壞的危險區主要發生在車輪輪緣處，並通過優化為設計提供了有效的改進方法，減少了設計時間，降低了開發成本；汪謨清等［採用有限元法從徑向和彎曲兩個方面對卡車車輪進行疲勞壽命分析，驗證了有限元方法的正確性，為後續的研究奠定了基礎；吉軍等人對鋁合金車輪進行動態徑向疲勞仿真，研究結果表明車輪主要的疲勞損傷部位集中在輪緣、輻條根部、胎圈座處，為設計提出改進建議；JSTEARMS等考慮了輪胎氣壓對車輪的影響，採用有限元法，建立合理的力學模型模擬鋁合金車輪徑向疲勞試驗，得到了車輪的強度結果；PRRAJU等使用有限元法完成了車輪輪轂徑向載荷作用下壽命的預測；王良模等採用ABAQUS軟件仿真車輪的彎曲疲勞，得到易於產生疲勞破壞的集中點，代入SN曲線預測出車輪的壽命，然後用疲勞臺架試驗驗證仿真結果的正確性。
然而，國內外學者在進行車輪疲勞有限元仿真時，很少考慮到複雜路面的影響。同時，優化過程基本是以增加料厚來達到目的的方式。本文作者在實際工程中仿真多種車型車輪，總結出考慮實際路面情況對車輪疲勞壽命預測更為準確，同時採用優化材料工藝的方式來改變材料屈服和抗拉極限對輕量化實施最為明顯。該方法對後續車輪設計及改進具有顯著的指導意義。
1 仿真模型建立
根據設計部門提供的車輪數模建立計算模型，對模型進行有限元離散處理。該車輪採用鋁合金材料鑄造結構，使用四面體單元建立車輪的實體模型，在HyperMesh軟件中劃分車輪有限元網格，得到模型815095個單元，共209070個節點，車輪有限元模型如圖1所示。
1.1 彎曲工況仿真試驗
根據GB／T5334－2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》描述，試驗檯應有一個被驅動的旋轉裝置，車輪可在固定不動的彎矩下旋轉，或者車輪固定不動，而承受一個旋轉的彎矩。仿真試驗時，用一個旋轉的彎矩模擬被驅動的旋轉裝置，GB／T5334－2005中要求車輪不能繼續承受載荷；原始裂紋產生擴展或出現應力導致侵入車輪斷面的可見裂紋；如果在達到要求的循環次數之前，加載點的偏移量已超過初始全加載偏移量的20％，認為車輪試驗已經失效。仿真試驗時，由於看不到試驗過程，只能通過仿真試驗的損傷結果對疲勞破壞進行評價，如果損傷值大於1視為車輪會發生疲勞破壞。
以建立車輪的實體模型為基礎，在ABAQUS軟件中建立車輪彎曲試驗有限元仿真模型，用剛性單元抓取螺栓孔附近的單元，用BEAM單元模擬加載杆。約束方式：將車輪輪緣平均分成6份，按照每間隔60°約束60mm寬的下部輪緣123456自由度。加載方式：沿Z軸、X軸加載週期性變化的集中力，試驗載荷以每間隔36°沿圓周方向旋轉一週，分10步得到1個靜力結果。根據GB／T5334－2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》，得到加載彎矩公式（1），加載力臂L設為1000mm，由公式（2）得到加載力F：
式中：M為試驗彎矩；R為靜負載半徑；μ為路面與輪胎之間的摩擦因數；d為車輪偏距；FV為車輪額定負載；S為強化係數；L為力臂。
為了在ABAQUS中得到週期性載荷F，將該力在垂直於加載力臂的端面的平面上分解，得到分解公式（3），式中力F（x）、F（z）為兩個相互垂直的力，ω為控制加載頻率，t表示加載時間。
根據文中研究的車輪規格，得到車輪的額定負載FV為825kg，測得車輪偏距d為0.031m，靜負載半徑R為0.344m，根據GB／T5334－2005得到路面與輪胎之間的摩擦因數μ為0.7，強化係數S為1.6，力臂L取1m。將其代入公式（1）—（2）得到加載力F為3586.7N，由公式（3）在ABAQUS中加載後得到如圖2所示的彎曲工況仿真試驗模型。
1.2 徑向工況仿真試驗
根據GB／T5334－2005，在車輪轉動時，試驗檯應當向其傳遞恆定徑向負荷，加載方向應垂直於車輪表面且與車輪徑向方向一致，同時必須考慮輪胎胎壓的影響。仿真試驗時，在車輪的胎圈座上加載餘弦分佈的旋轉面壓，同時，在輪輞旋壓面上加載車輪胎壓，完全模擬試驗標準要求。判定仿真試驗失效的方式與彎曲工況相同。
同樣以輪的實體模型為基礎，約束車輪螺栓安裝孔兩層單元節點123456自由度，如圖3所示為徑向工況仿真試驗模型。在車輪中心（－α，α）角度範圍內，用局部座標系加載徑向餘弦面壓，加載區域在輪輞胎圈座上，旋轉外載荷作用區域模擬轉鼓的轉動，文中以每旋轉36°作為一個載荷步，旋轉一週共10步，胎壓均布在輪輞上。依據GB／T5334－2005單側徑向力按公式（4）計算：
式中：Wr為轉鼓作用於車輪的徑向載荷；W0為徑向分佈載荷的最大值；K為強度試驗係數；b為胎圈座有效受力寬度；rb為胎圈座半徑。
文中研究的車輪規格胎圈座半徑rb為255mm，胎圈座有效受力寬度b為14.34mm，參考GB／T5334－2005強化係數K為2.25。將其代入公式（4）計算出W0為3.17N／mm2，所以得到車輪的徑向載荷公式Wr＝3.17×cos（2.5×θ）。根據GB／T2978－2014得到車輪胎壓為0.25MPa，在ABAQUS軟件中，將這些載荷加載到模型中，得到如圖3所示的徑向工況仿真試驗模型。
2 有限元仿真和疲勞壽命分析
2.1 有限元仿真
為了考慮材料的非線性以及加載週期性載荷，計算時採用ABAQUS求解器。因為車輪的幾何形狀和結構比較複雜，所以試驗結果的應力狀態比較適合使用von Mises平均應力進行評估，通過對每個載荷步得到的分析結果進行比較，可以明確徑向和彎曲工況車輪的最大應力對應的時間步及此時的受力方向。圖4所示為徑向和彎曲工況的應力分佈雲圖。
由圖4應力分佈雲圖可以看出：徑向工況僅僅反映了車輪
旋轉一週的試驗結果中最大的加載區域的應力情況，而彎曲工況顯示的則是載荷旋轉一週的應力分佈情況。從圖4中基本可以判定在動態載荷下車輪可能存在危險的位置是輻條倒角處、輻條較薄弱區域以及輪緣上。但是，不能根據強度結果確定車輪是否會發生疲勞破壞，因為徑向和彎曲仿真試驗的強度結果均小於材料的屈服極限。然而，車輪材料的強度能夠滿足要求不一定表示會發生疲勞破壞，因為發生疲勞破壞的機制是指在遠低於材料強度極限甚至屈服極限的交變應力作用下，材料發生破壞的現象。而實際車輪的工作載荷是在複雜路面上週期性變化的，所以文中採用交變應力的方式對車輪進行疲勞壽命分析。
2.2 疲勞壽命分析
文中採用疲勞軟件對車輪進行疲勞壽命分析，一般情況下需要車輪的應力時間歷程和材料疲勞性能參數。應力時間歷程是根據上文強度仿真試驗得到，而材料性能參數根據材料的拉伸試驗獲得（見表2），A356材料拉伸試驗曲線如圖5所示。
在疲勞軟件中用單位交變正弦函數作為輸入通道進行疲勞試驗仿真，如圖6所示。對於徑向疲勞試驗考慮胎壓的作用使用11個輸入通道，而彎曲試驗僅僅是旋轉載荷的作用使用10個輸入通道，進行一次仿真得到一個循環作用下車輪的損傷情況，然後根據GB5334－2005，徑向工況的仿真試驗循環50萬次，彎曲工況的仿真試驗循環10萬次，最終得到車輪的損傷情況，如圖7所示。
由圖7車輪損傷雲圖可知，徑向工況出現損傷值大於1的位置主要在輻條和輪緣上，而彎曲工況主要是在輻條倒角“R”處，這與強度分析結果中應力較大位置基本相符，但是並不是應力大的位置損傷結果就一定大，因為這與交變載荷的作用頻率和大小密切相關。從損傷雲圖分析可知，車輪在實際使用中存在發生疲勞破壞的可能性，具有較大的風險。該分析對象是輕量化車輪的初始方案，在沒有減小輪緣和輻條厚度的原始方案之前，該車輪的疲勞分析結果能夠滿足性能要求，同時，也得到了試驗驗證。後續將在此基礎上優化出既能滿足性能目標要求，又能達到輕量化減重的目的方案。
3 輕量化優化
汽車輕量化一直以來是汽車生產商賴以追求的目標，而車輪輕量化是其中的重要一項，傳統的輕量化方式基本已經達到極限，再想繼續減輕車輪質量，同時也能滿足性能要求基本上難以實施。現在以傳統方式輕量化車輪，雖然仿真分析能夠滿足性能要求，但是實際路試中基本會有破壞發生，這是因為車輪實際受到的載荷是交變載荷，易發生疲勞破壞。所以，文中提出以疲勞壽命作為輕量化的目標，能夠將車輪交變載荷作用頻率降低，同時又能滿足強度要求的位置，適當減薄以達輕量化的目的。另外，以改變材料工藝的方式提高屈服和抗拉極限，同樣可以適當減薄車輪局部厚度，實現車輪輕量化。後續優化的基礎是輕量化的初始方案，該方案是在滿足性能要求的沒有輕量化的基礎上，減薄料厚2.36kg後，疲勞損傷結果不能滿足性能目標。將車輪按材料的加工工藝，分為三部分，如圖8所示，分別是輪輻、輪輞、輪緣。
輪輻不經過特殊工藝處理，所以輪輻的機械性能參數對應表2所示的材料；輪輞採用旋壓工藝，材料性能參數得到提高，對應表3所示的材料參數及圖9所示的拉伸試驗曲線；輪緣因為在旋壓工藝的基礎上，再經過擠壓才成形，所以性能參數對應表4所示的材料參數及圖10所示的拉伸試驗曲線。因為輪輻自身沒有經過特殊處理，同時之前的疲勞壽命分析也沒有滿足目標性能要求，所以將輻條增厚1.5mm，此時，車輪質量增加了0.79kg，經過材料特殊處理和料厚的增減後，再進行疲勞壽命分析，得到如圖11所示的車輪疲勞優化後損傷雲圖。
由圖11可知，經過以上優化，車輪徑向工況的最大損傷為0.55，彎曲工況的最大損傷為0.33，均小於1，滿足疲勞破壞目標要求。同時，車輪在原方案上減輕了1.57kg，輕量化效果非常明顯。該方案已經在試驗中得到驗證，能夠完成試驗標準的循環次數而不發生疲勞破壞。按照此方法，同時改變輻條倒角“R”可能對於輕量化優化還存在一定的空間，但是，繼續減重而提高工藝成本於工程上並不適用，僅僅適合輕量化的理論研究。
4 結論
（1）採用交變載荷仿真車輪的疲勞壽命，是考慮了汽車在複雜路面的行駛情況，得到的分析結果更貼合實際，更具工程可靠性。
（2）車輪在行駛過程中受到複雜的載荷作用，結構強度僅僅是車輪發生破壞的過程量，可以作為參考，但不適合作為車輪破壞的最終評價指標。
（3）以疲勞壽命作為輕量化研究的目標，採用優化材料工藝的方式實現車輪輕量化，是輕量化實施的一個重要方向，具有較高的工程價值。
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