基于越野車采用鎂合金車輪的工程應用研究

（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，保證車輛在惡劣環境和較差道路行駛時的安全性、通過性和穩定性；其主要性能有通過性、機動性和經濟性等指標[1]。鎂合金車輪優點如下：

1）鎂合金車輪的散熱性能好，散熱系數是鋼制車輪的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）鎂合金車輪受到沖擊時，吸收能力要比鋁合金車輪高一倍，提升汽車的平穩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用是非常必要的。

1 設計與分析

1.1 結構設計

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構設計；同時為節省模具費用，大部分采用鋁合金車輪的模具。鎂合金車輪的設計參數如表1 所示，模型如圖1 所示。

1.2 仿真分析

為了達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 鎂合金的力學性能列表。

表1 鎂合金車輪的設計參數

圖1 鎂合金車輪的數模

表2 AZ80 材料的力學性能

1.2.1 車輪彎曲靜力學仿真分析

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

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

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

1.2.2 車輪徑向靜力學仿真分析

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

圖2 車輪彎曲靜力學仿真分析應力云圖（左圖正面和右圖背面）

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

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

圖3 徑向靜力學仿真分析應力云圖（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GB/T 15704-2012《道路車輛輕合金車輪沖擊試驗方法》[4]中規定對車輪施加載荷，沖錘質量的計算公式如下：

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

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

圖4 13°沖擊仿真分析應力云圖（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GB/T 15704-2012《道路車輛輕合金車輪沖擊試驗方法》[4]中規定對車輪施加載荷。

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

圖5 90°沖擊仿真分析應力云圖（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GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[3]進行試驗，試驗參數見表3，試驗結果見表4。

表3 彎曲疲勞試驗參數表

表4 彎曲疲勞試驗結果

試驗結論：在達到要求的循環次數之前，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，滿足設計指標要求，試驗現場如圖6 所示。

圖6 彎曲疲勞試驗現場圖

2.1.2 動態徑向疲勞試驗

依據GB/T 5334-2005《乘用車車輪性能要求和試驗方法》[3]進行試驗，試驗參數見表5，試驗結果見表6。

表5 動態徑向疲勞試驗參數表

表6 動態徑向疲勞試驗結果

試驗結論：滿足設計指標要求，試驗結果如圖7所示。

圖7 動態徑向疲勞試驗結果圖

2.1.3 13°沖擊試驗

依據GB/T 15704-2012《道路車輛輕合金車輪沖擊試驗方法》[4]進行試驗，試驗參數見表7，試驗結果見表8。

表7 13°沖擊試驗參數表

表8 13°沖擊試驗結果

試驗結論：滿足設計指標要求，試驗結果如圖8所示。

圖8 13°沖擊試驗結果

2.1.4 90°沖擊試驗

依據QC/T 991-2015《乘用車輕合金車輪90°沖擊試驗方法》[5]進行試驗，試驗參數見表9，試驗結果見表10。

表9 90°沖擊試驗參數表

表10 90°沖擊試驗結果

試驗結論：滿足設計指標要求，試驗結果如圖9所示。

圖9 90°沖擊試驗結果

2.2 整車級可靠性試驗

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

經過33 000 km 的整車可靠性試驗，鎂合金車輪未出現開裂和明顯可見的變形，滿足可靠性要求?？煽啃栽囼灛F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準要求,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，試驗結果如表12 所示。

表12 整車油耗對比試驗結果 L/100 km

本次試驗結果顯示，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油效果會有波動。

3 結論與展望

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

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用有一定可行性，但仍需開展以下工作：

1）進一步結構優化設計；

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。