铝合金车轮断裂分析（一文读懂铸造铝合金车轮轮辋断裂的原因及解决方案）

铝合金车轮断裂分析（一文读懂铸造铝合金车轮轮辋断裂的原因及解决方案）1.2分析断裂原因图2 原车轮轮辋结构断裂照片1.1原车轮轮辋结构及断裂位置图1和图2分别为原车轮轮辋结构及断裂部位。可以看出，铝合金车轮轮辋由轮缘、胎圈座、装胎斜面、槽底夹角和轮辋中段组成，分别用A~E表示。从图2可以看出，断裂部位发生在槽底夹角D处。图1 原车轮轮辋结构图

导读

结合有限元仿真模型分析铸造铝合金车轮轮辋断裂的原因，并对轮辋结构进行优化，提出了加大槽底夹角和增加部分轮辋壁厚的解决方案，此方案能使车轮通过下落高度为150 mm 的90°冲击试验的验证，解决了产品在使用过程中出现轮辋开裂的问题，为铝合金车轮前期设计开发提供依据。

据统计，铸造铝合金车轮轮辋断裂占车轮断裂的占比在50%以上，发生断裂的情况有两方面，其一，当汽车在行驶中遇到路面深坑快速通过时，此时车轮所受到的力超出了车轮承受范围，导致轮辋与轮辐断裂脱离；其二，汽车在行驶中压到一个坚硬的物体，这个物体的高度大于等于轮缘外沿到地面的距离，当轮胎压到这个物体时，这个物体的棱角正好顶到轮胎的外沿，将轮胎刺破，轮胎漏气后，瞬间就失去力了缓冲能力，导致轮辋直接接触地面，此时轮辋受力发生了变化，断裂发生在车轮应力集中的部位。以上两种情况不能完全通过13°冲击试验、弯曲试验和径向试验来验证，且这两种情况不可避免。

1 原车轮轮辋结构存在的问题

1.1原车轮轮辋结构及断裂位置

图1和图2分别为原车轮轮辋结构及断裂部位。可以看出，铝合金车轮轮辋由轮缘、胎圈座、装胎斜面、槽底夹角和轮辋中段组成，分别用A~E表示。从图2可以看出，断裂部位发生在槽底夹角D处。

图1 原车轮轮辋结构图

图2 原车轮轮辋结构断裂照片

1.2分析断裂原因

结合有限元仿真模型分析该产品结构的合理性，因轮辋断裂不能完全通过13°冲击、弯曲和径向试验进行验证，所以要寻找新的验证方法。90°冲击试验时，车轮的放置位置与汽车在行驶中车轮的位置相同，重锤冲击部位是轮辋的中心线到内轮缘部位，冲击角度是0°，即轮辋最薄弱的部位，具体冲击方式见图3，所以90°冲击能较为真实的模拟出汽车在行驶过程中压到一个坚硬的物体或是快速通过一个凹坑时的情况。

90°冲击试验的判定标准:车轮经过90°冲击试验后，同时满足以下3个条件则判定试验合格，①轮辋部位无开裂，②轮辋的变形量小于10 mm，③60 s内气压没有泄尽。

图3 90°冲击试验示意图

因90°冲击试验是动态过程，有限元模拟仿真分析是静态分析，所以需要将静态的加载转化为较为合理的数值来代替动态模拟分析。

（2）有限元仿真模型的建立

按照车轮90°冲击试验方法要求和试验参数，建立车轮试验的仿真分析模型。铝合金车轮的材料采用铸造铝合金A356，成形工艺为低压铸造，热处理工艺为T6处理，工厂生产的车轮力学性能参数见表1。冲击下落高度为150 mm，轮胎选用VIA手册中13°冲击试验所用的轮胎。将车轮3D模型导入UG仿真模块中，采用3D四面体网格对车轮进行网格划分，网格大小为8 mm。将车轮各螺栓孔安装面设定为固定约束，设定内轮唇面为加载面，原车轮轮辋结构的仿真模型计算结果见图4。

图4 原始车轮轮辋结构的有限元分析结果

（3）原车轮轮辋结构有限元仿真结果分析

从图4可以看出，左侧区域中箭头所指位置是整个轮辋强度最薄弱的部位，最大等效应力为375.9 MPa 已经远远超出铝合金车轮轮辋的抗拉强度的应力值，详见表1，所以汽车在行驶中经过一个坑或撞到一个坚硬的物体时，此处最容易开裂，也就会出现图2所示的情况。

综上所述，通过有限元仿真模型的分析，该轮辋结构存在着较高的断裂风险。

2 车轮轮辋结构优化方案

通过以上分析结果可以从两方面对轮辋结构进行优化，一方面加大槽底夹角的角度，另一方面增加轮辋局部壁厚。

2.1加大轮辋槽底夹角的角度

由于轮辋是与轮胎进行装配的，所以轮辋的设计尺寸必须符合装胎要求，在满足装胎要求的条件下，将槽底夹角变大来缓解槽底夹角位置处的应力集中，还能使铝液在充型时较为平稳，减少铸造缺陷，进而提高轮辋的强度。以20x9J尺寸为例并结合图5介绍一下装胎极限尺寸及轮辋结构可调整的空间，图5中两个空心圆之间的空间为装胎所需的最小空间，黑色阴影区域是轮辋可调整的空间。

图5 20x9J型轮辋装胎极限尺寸及轮辋结构可调整空间

将槽底夹角变大（见图6），即槽底夹角调整到135°来进行90°冲击试验有限元仿真模型分析，验证其合理性，分析结果见图7。

图6 加大轮辋槽底夹角示意图

图7 车轮轮辋槽底夹角变大后有限元分析结果

结合图4和图7可以看出，原车轮轮辋结构断裂部位的应力为375.8 MPa，加大槽底夹角到135°时，断裂部位应力降到184.3 MPa，应力降低了50.9%证明此方案的有效性。

2.2增加车轮轮辋局部壁厚

除了加大槽底夹角D能有效的降低断裂部位的应力外，胎圈座B、装胎斜面C、轮辋中段E这3段壁厚的设计在很大程度上决定了轮辋抗冲击性能的强弱。原车轮轮辋结构此3段壁厚均为5 mm，为了研究轮辋各段的厚度对轮辋断裂部位抗冲击性能影响，现将此3段的壁厚由5 mm增加到6.5 mm后分别建立90°冲击试验有限元仿真模型，对修改后的B、C、E等3段轮辋厚度进行仿真分析，结果见图8~图10。

图8 B段轮辋壁厚增加到6.5mm有限元分析结果

图9 C段轮辋壁厚增加到6.5mm有限元分析结果

图10 E段轮辋壁厚增加到6.5 mm有限元分析结果

由图8~图10可见，B段、C段、E段壁厚由5 mm增加到6.5 mm，断裂部位的应力由375.8 MPa分别降至332.1、305.5、333.2 MPa，分别降低了11.6%、18.7%和11.3%。

综上所述，降低车轮轮辋断裂部位应力的有效方案是加大槽底斜角的角度，但此方案的前提条件是不影响装胎，其次可以通过增加B、C、E段轮辋的壁厚来降低断裂部位的应力，进而增加轮辋的强度。

3 试验验证

将车轮轮辋结构和壁厚按照上述方案进行优化，并按照90°冲击要求对车轮进行轮辋强度的验证，验证结果为优化后的车轮经过下落高度为150 mm 的90°冲击试验后，轮辋部位无开裂，变形量小于10 mm，且60 s内气压没有泄尽，即通过90°冲击试验验证，优化后的产品投入市场3年内没有出现轮辋处开裂的情况。

4 结 语

基于市场反馈的轮辋断裂情况，结合90°冲击试验的有限元仿真模型对轮辋结构进行优化设计、模拟、分析，最终得出，在不影响装胎的前提条件下加大槽底斜角的角度是最直接最有效的提高轮辋强度的方法，若装胎空间有所限制，可通过增加B、C、E段轮辋壁厚来增加轮辋的强度，解决了产品在使用过程中出现的轮辋开裂的问题。

引用格式：赵丽红 毕涛.低压铸造铝合金车轮轮辋断裂分析及结构优化[J].特种铸造及有色合金 2022 42(1):119-121