铝合金扁平胎车轮径向冲击的改善.pdf
铸造工程Foundry Engineering45 2017年第4期铝合金扁平胎车轮径向冲击的改善周洪海 (中信戴卡股份有限公司工程技术研究院,河北 秦皇岛 066011)摘要:目前,对高端汽车的操控性、安全性要求越来越高,车轮轮胎的断面也越来越向偏平的趋势发展,因此对车轮的性能要求也越来越高。对扁平轮胎的铝合金车轮进行了径向冲击试验,采用有限元分析法预测了车轮结构的薄弱位置及失效的原因。试验结果表明,新结构铝合金车轮轮辋的径向冲击符合要求。关键词:铝合金车轮;径向冲击;扁平轮胎中图分类号:TG115.5 文献标识码:B 文章编号:1673-3320(2017)04-0045-03Improvement in Radial Impact on Aluminum Alloy Wheel with Flat TireZHOU Honghai (Engineering Technology Institute, CITIC Dicastal Co.,Ltd., Qinhuangdao 066011 ,Hebei China)Abstract: Nowadays, handling and safety requirements for high-grade automobile are getting more and more high, and wheel tire becomes increasingly flat cross-section and, therefore, the performance requirements for the wheel are getting higher and higher. The aluminum alloy wheel with flat tire was subjected to radial impact test. The weak positions in the wheel and the reason why the wheel fails were predicted by using a finite element analysis method. The results indicate that rim of a newly-made aluminum alloy wheel can withstand this radial impact without failure.Key words: aluminum alloy wheel; radial impact; flat wheel tire随 着 汽 车 工 业 的 发 展 , 铝 合 金 车 轮 的 销 售规 模 也 随 着 汽 车 的 销 量 而 逐 年 增 加 , 铝 合 金 车 轮已 成 为 汽 车 轮 毂 的 主 要 产 品 。 铝 合 金 车 轮 不 仅 是外 观 件 也 是 安 全 件 , 对 汽 车 正 常 的 行 驶 有 着 重 要的 保 障 作 用 。 对 于 单 个 零 件 来 说 , 检 测 安 全 性 至关 重 要 , 径 向 冲 击 试 验 是 考 察 车 轮 行 驶 的 重 要 试验 。 目 前 , 按 照 正 常 偏 平 比 轮 胎 的 径 向 冲 击 试 验的 设 计 经 验 、 试 验 经 验 已 经 积 累 很 多 , 但 是 对 安装 扁 平 比 比 较 小 的 轮 胎 径 向 冲 击 试 验 , 还 需 要 继续 深 入 的 积 累 经 验 。 本 文 从 改 善 径 向 冲 击 的 试 验结 果 为 出 发 点 , 结 合 材 料 及 有 限 元 分 析 知 识 , 最终 找 到 一 种 能 解 决 安 装 偏 平 比 小 的 轮 胎 的 径 向 冲击 试 验 失 效 的 方 案 , 为 今 后 的 这 方 面 的 开 发 工 作提 供 了 技 术 参 考 数 据 , 节 省 了 开 发 周 期 。1 径向冲击试验及实验结果分析1.1 径向冲击试验径 向 冲 击 试 验 主 要 是 模 拟 抵 抗 汽 车 在 行 驶 中遇 到 凹 坑 、 凸 起 异 物 等 对 轮 辋 冲 击 的 能 力 。 汽 车行 驶 中 异 物 凸 出 部 分 对 轮 辋 会 有 一 个 冲 击 , 如 果车 轮 的 性 能 达 不 到 要 求 , 轻 者 漏 气 , 严 重 的 轮 辋发 生 断 裂 , 造 成 安 全 事 故 , 因 此 , 径 向 冲 击 试 验具 有 重 要 的 实 际 意 义 。试 验 设 备 分 为 主 体 框 架 结 构 、 提 升 系 统 、 重锤 冲 击 系 统 及 支 架 系 统 。 径 向 冲 击 试 验 机 整 体 照片 如 图 1所 示 。收稿日期 : 2017-05-15作者简介 : 周洪海 (1981-),男,工程师,主要从事铝合金车轮的设计开发工作。生产技术万方数据46 2017年第4期铸造工程Foundry Engineering图1 径向冲击试验机整体照片冲 击 能 量 的 计 算 公 式 : E=KnullFr ( 1)式 ( 1) 中 : E: 冲 击 能 量 , 单 位 焦 耳 ( J) ; K: 系 数 ,单 位 焦 耳 /千 克 ( J/kg) 。 Fr:为 客 户 指 定 的 最 大 静 载荷 , 单 位 千 克 ( kg) 。根 据 产 品 要 求 计 算 出 的 冲 击 能 量 , 并 选 用 冲 头的 质 量 , 根 据 表 1算 出 冲 击 高 度 及 冲 击 速 度 。 表 1是考 虑 到 设 备 因 素 而 得 出 的 数 据 。 选 用 按 照 安 装 正 常高 宽 比 设 计 的 车 轮 进 行 试 验 , 试 验 参 数 见 表 2。 装 扁平 胎 后 , 冲 击 试 验 后 的 车 轮 试 验 结 果 如 图 2所 示 。表1 试验参数调整参考表冲击能量 /J下落高度 /mm冲击速度 /m·s-1冲锤重量 /kg200 136 1.6 150300 204 2.0 150400 272 2.3 150500 340 2.6 150600 408 2.8 150表2 试验参数车轮材料 轮胎型号冲击能量 /J冲击高度 /mm重锤质量 /kgA356 225/40R19 3 354 1 368 250图2 径向冲击试验结果照片从 图 2径 向 冲 击 试 验 照 片 可 以 看 出 , 轮 辋 产 生了 裂 纹 , 试 验 不 合 格 , 安 装 扁 平 胎 的 试 验 对 车 轮的 结 构 要 求 更 加 苛 刻 。1.2 试验分析对 试 验 部 位 的 轮 辋 位 置 进 行 测 量 , 排 除 因 为尺 寸 不 合 格 因 素 , 如 表 3所 示 。表3 轮辋尺寸样轮样件编号轮辐厚/mm轮辋厚1/mm轮辋厚2/mm轮辋厚3/mm重量/kg理论值22.42 null.35.5 null.34.5 null.36 null.312.5±0.21#1 22.53 5.5 4.5 6.012.452 22.52 5.5 4.5 6.03 22.55 5.5 4.5 6.0不 同 轮 子 的 尺 寸 稍 有 不 同 , 但 是 都 在 公 差 范围 内 , 尺 寸 满 足 图 纸 要 求 , 合 格 。 因 为 试 验 结 果失 效 , 从 产 品 的 材 料 角 度 分 析 失 效 原 因 。 汽 车 厂要 求 化 学 成 分 的 标 准 值 如 表 4所 示 。 试 验 车 轮 化 学成 分 检 测 结 果 如 表 5所 示 。 从 表 5检 测 数 据 来 看 ,试 验 车 轮 化 学 成 分 满 足 汽 车 厂 标 准 要 求 , 化 学 成分 合 格 。表4 汽车厂标准要求的化学成分 (质量分数,%)Si Mg Ti Fe Cu Mn Zn Al6.5~7.5 0.20~0.35 0.05~0.15 ≤0.20 ≤0.05 ≤0.05 ≤0.10 余量表5 试验车轮化学成分检测结果 (质量分数,%) 样件编号 Si Mg Ti Fe Cu Mn Zn Al1 7.100 0.281 0.133 0.118 0.007 0.002 0.007 92.299对 轮 辋 部 位 进 行 力 学 性 能 检 测 , 轮 辋 部 位 力学 性 能 指 标 如 表 6所 示 。 对 轮 轮 辋 部 位 取 三 个 标 准样 棒 进 行 检 测 , 检 测 结 果 如 表 7所 示 。表6 轮辋部位力学性能指标车轮部位 抗拉强/MPa 屈服强/MPa 伸长率/% 样件数量轮辋 ≥240 ≥190 ≥2 ≥3万方数据铸造工程Foundry Engineering47 2017年第4期表7 轮辋部位的拉伸试验数据样件编号 抗拉强度/MPa 屈服强度/MPa 伸长率/%1 289 217 2.82 287 221 2.73 293 225 3.0从 表 7的 试 验 数 据 可 以 看 出 , 轮 辋 部 位 材 料 的力 学 性 能 合 格 , 从 试 验 角 度 验 证 了 安 装 扁 平 胎 的径 向 冲 击 实 验 对 车 轮 的 结 构 要 求 更 加 苛 刻 。2 从通过CAE方法找到合理的结构应 用 ABAQUS软 件 进 行 径 向 冲 击 模 拟 分 析 ,主 要 分 为 以 下 几 个 步 骤 :( 1) 产 品 的 造 型 建 模 ;( 2) 对 数 模 的 网 格 划 分 ;( 3) 材 料 参 数 的 设 定 ;( 4) 边 界 约 束 条 件 的 设 定 ;( 5) 运 算 及 分 析 结 果的 输 出 。( 1) 产 品 的 造 型 建 模应 用 CATIA大 型 设 计 软 件 进 行 3D数 模 的 建模 。( 2) 对 数 模 的 网 格 的 划 分网 格 的 划 分 是 分 析 中 非 常 重 要 的 一 部 分 , 根据 不 同 的 分 析 产 品 选 用 不 同 的 网 格 种 类 和 网 格 的大 小 。 车 轮 的 正 面 比 较 复 杂 , 轮 辐 的 厚 度 和 轮 辋和 的 厚 度 不 均 匀 , 根 据 以 往 的 分 析 经 验 , 网 格 采用 4面 体 的 10节 点 网 格 , 大 小 采 用 7 mm的 网 格 ,对 复 杂 结 构 部 分 和 应 力 集 中 的 部 分 采 用 4 mm的 网格 。 网 格 划 分 后 的 照 片 如 图 3所 示 。图3 网格划分的照片( 3) 材 料 参 数 的 设 定车 轮 选 用 A356材 质 , 底 座 材 料 选 用 45钢 , 轮胎 设 置 为 一 种 橡 胶 体 , 为 超 弹 性 材 料 。( 4) 边 界 约 束 条 件 的 设 定有 限 元 的 分 析 是 根 据 试 验 的 实 际 流 程 , 按 照产 品 的 技 术 标 准 , 进 行 设 定 约 束 和 载 荷 , 利 用 软件 设 定 力 学 性 能 加 载 方 式 和 设 定 边 界 条 件 。 车 轮原 来 是 通 过 螺 栓 固 定 在 支 架 上 的 , 根 据 实 际 的 需要 , 可 简 化 为 车 轮 法 兰 盘 与 底 座 约 束 。( 5) 运 算 及 分 析 结 果 的 输 出通 过 分 析 运 算 得 出 的 最 危 险 位 置 和 试 验 位 置相 一 致 , 将 不 同 的 轮 辋 结 构 进 行 对 比 仿 真 分 析 ,得 到 一 种 新 的 轮 辋 轮 结 果 , 最 危 险 点 的 应 力 值 要好 于 原 始 的 轮 辋 结 构 。 轮 辋 结 构 修 改 前 后 的 对 比图 如 图 4所 示 。(a)修改前轮辋结构(b)修改后轮辋结构图4 轮辋结构修改前后的对比图用 新 的 轮 辋 结 构 车 轮 进 行 径 向 冲 击 试 验 结果 如 图 5所 示 。 从 图 5从 照 片 来 看 , 没 有 明 显 的 裂纹 , 试 验 结 果 合 格 。图5 新结构轮辋径向冲击试验结果照片3 结论以 改 善 装 配 扁 平 胎 的 径 向 冲 击 试 验 结 果 为 出发 点 , 借 助 ABAQUS工 程 分 析 软 件 , 优 化 结 构 设计 , 最 终 找 到 一 个 更 加 合 理 的 结 构 。 通 过 实 际 试验 验 证 , 试 验 结 果 是 新 结 构 轮 辋 径 向 冲 击 合 格 ,从 而 找 到 了 一 种 能 解 决 安 装 扁 平 轮 胎 的 径 向 冲 击失 效 的 方 案 。铝合金扁平胎车轮径向冲击的改善 周洪海万方数据