車輪雙軸疲勞測試技術(shù)的發(fā)展概述

劉振國 王春輝 楊春旺

中汽研汽車檢驗(yàn)中心（天津）有限公司 天津市 300300

1 引言

車輪作為車輛在行駛過程中承受載荷的旋轉(zhuǎn)部件，在其整個壽命周期中，其旋轉(zhuǎn)工況也決定了車輪在使用中一直承受著交變載荷，若能夠更為準(zhǔn)確的模擬車輪所承受交變載荷的工況，則可以更準(zhǔn)確的預(yù)測車輪的疲勞壽命。簡單分析可知，在正常的行駛工況下，車輪主要承受徑向力和側(cè)向力，在早期的車輪臺架試驗(yàn)上，由于設(shè)備能力的受限，分別通過徑向疲勞試驗(yàn)機(jī)和彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)將徑向力和側(cè)向力分別模擬，此種方法雖在試驗(yàn)過程中只能單一的施加徑向力或者側(cè)向力進(jìn)行臺架試驗(yàn)，但對車輪疲勞壽命的考核也能起到較好的作用，且驗(yàn)證成本較低，應(yīng)用非常廣泛，截至到目前，國內(nèi)外在對車輪進(jìn)行型式試驗(yàn)考核時(shí)，徑向疲勞以及彎曲疲勞依然是最主要的測試項(xiàng)目。但其實(shí)車輪在行駛時(shí)受力狀態(tài)要更為復(fù)雜，單個方向加載試驗(yàn)難以更精確的預(yù)測車輪的疲勞壽命。為此德國的弗勞恩霍夫研究所，即LBF 在上個世紀(jì)70 年代最早提出了車輪雙軸疲勞測試的概念，并且設(shè)計(jì)出了一套施加徑向載荷和側(cè)向載荷的序列（以下簡稱載荷譜），同時(shí)LBF 還開發(fā)了內(nèi)轉(zhuǎn)鼓式的車輪雙軸疲勞測試設(shè)備，是推動車輪雙軸測試發(fā)展的鼻祖，直到現(xiàn)在，LBF 在車輪雙軸領(lǐng)域的研究依舊占據(jù)中重要地位，其一直為眾多主機(jī)廠開發(fā)具有針對性的載荷譜。引領(lǐng)著雙軸測試技術(shù)的發(fā)展。

2 雙軸測試設(shè)備的發(fā)展

雙軸測試設(shè)備從大的結(jié)構(gòu)型式來看，主要有兩種，即內(nèi)轉(zhuǎn)鼓型式的雙軸疲勞測試設(shè)備和外轉(zhuǎn)鼓型式的雙軸疲勞測試設(shè)備。

2.1 內(nèi)轉(zhuǎn)鼓式雙軸疲勞測試設(shè)備

在SAE J 2562 的雙軸測試標(biāo)準(zhǔn)中給出了3種型式的內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備基本介紹，并將內(nèi)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備分為A，B，C 三種型式。

A 型設(shè)備：A 型內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸設(shè)備圖片見圖1，上文中已經(jīng)提到，LBF 是最早開發(fā)雙軸疲勞測試設(shè)備的機(jī)構(gòu)，其開發(fā)的設(shè)備即為A 型雙軸疲勞測試設(shè)備，A 型雙軸疲勞測試設(shè)備特點(diǎn)是徑向加載機(jī)構(gòu)垂直于地面，同時(shí)垂直于轉(zhuǎn)鼓，車輪加載過程中與內(nèi)轉(zhuǎn)鼓的頂部接觸，在加載過程中車輪傾角的大小根據(jù)加載載荷和整個連接桿的結(jié)構(gòu)型式和尺寸所確定，即在進(jìn)行側(cè)向載荷的加載過程中，A型設(shè)備是無法直接控制傾角的，此外A 型設(shè)備因?yàn)槠鋫?cè)向加載力由上方連桿控制，整個設(shè)備較高，垂直地面方向占據(jù)空間大。

圖1 A 型內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備

B 型設(shè)備：B 型機(jī)相較A 型機(jī)，其徑向力的加載機(jī)構(gòu)平行于地面，較大程度降低了整個設(shè)備的高度，此外B 型機(jī)設(shè)備有了專門控制傾角的機(jī)構(gòu)，能夠?qū)崿F(xiàn)傾角的無限可調(diào)。圖2 為IST 公司開發(fā)的B 型機(jī)雙軸疲勞測試設(shè)備，除IST 公司以外，馬克拉公司在2008年也曾開發(fā)過B 型機(jī)，馬克拉B 型機(jī)與IST公司的B 型機(jī)最大差別在于其轉(zhuǎn)鼓不是直接連接電機(jī)，而是用皮帶驅(qū)動，此種結(jié)構(gòu)可以較大程度的延長軸承壽命，剎車過程也更加穩(wěn)定。

圖2 B 型內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備

C 型設(shè)備：C 型設(shè)備與B 型設(shè)備相比，主要區(qū)別在于測力單元位置不同，C 型設(shè)備的徑向及側(cè)向測力單元總是垂直于車輪，能夠直接測量車輪的徑向和側(cè)向力，典型的設(shè)備見圖3，該設(shè)備為林科公司開發(fā)的C 型雙軸設(shè)備，采用六分力式測力單元進(jìn)行測試。

圖3 C 型內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備

以上A，B，C 三種型式的內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備其主要共同點(diǎn)為側(cè)向力的施加都是通過調(diào)整輪胎傾角，使輪胎與轉(zhuǎn)鼓內(nèi)止推環(huán)結(jié)構(gòu)接觸，從而施加側(cè)向載荷。此種控制形式，無法直接施加徑向力和側(cè)向力的載荷對，為此在進(jìn)行試驗(yàn)前，需要將載荷對進(jìn)行損傷等效的轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程會產(chǎn)生誤差，目前內(nèi)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備已逐漸被外轉(zhuǎn)鼓設(shè)備取代。相較于外轉(zhuǎn)鼓，內(nèi)轉(zhuǎn)鼓也有獨(dú)特優(yōu)勢，就是其通過止推環(huán)可以施加的側(cè)向載荷較大，且在試驗(yàn)過程中，輪胎磨損較小，為此目前在商用車車輪的雙軸疲勞測試中，主要還是依靠內(nèi)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備進(jìn)行。

2.2 外轉(zhuǎn)鼓式雙軸疲勞測試設(shè)備

如1.1 所述，內(nèi)轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備在進(jìn)行測試時(shí)需進(jìn)行傾角的轉(zhuǎn)換，由此導(dǎo)致測試過程實(shí)際是有誤差的。為此外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備目前在乘用車車輪雙軸疲勞測試領(lǐng)域已逐漸替代了內(nèi)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備。外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備所具備的最直接優(yōu)勢即能夠直接以徑向力和側(cè)向力為控制目標(biāo)，無轉(zhuǎn)換誤差，測試精度更高。目前，就外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備而言，根據(jù)設(shè)備路譜加載的快速響應(yīng)水平，可以分為兩類，一類是常規(guī)的外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備，另一類是高動態(tài)外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞設(shè)備。

常規(guī)的外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞設(shè)備與高動態(tài)外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞典型設(shè)備分別見圖4 與圖5。

圖4 常規(guī)雙軸疲勞測試設(shè)備

圖5 高動態(tài)雙軸疲勞測試設(shè)備

從設(shè)備外觀來看，外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備在結(jié)構(gòu)形式上比較接近，實(shí)際測試中，由轉(zhuǎn)鼓帶動車輪總成旋轉(zhuǎn)，通過動態(tài)改變輪胎側(cè)偏角來實(shí)現(xiàn)側(cè)向力的加載。即外轉(zhuǎn)鼓設(shè)備通過動態(tài)控制輪胎的徑向力和側(cè)偏角來實(shí)時(shí)控制施加在車輪上的徑向力和側(cè)向力。但因設(shè)備響應(yīng)速度的不同，將其分為普通外轉(zhuǎn)鼓測試設(shè)備和高動態(tài)外轉(zhuǎn)鼓測試設(shè)備，以圖4 和圖5 設(shè)備為例。表1 展示了普通外轉(zhuǎn)鼓設(shè)備和高動態(tài)外轉(zhuǎn)鼓設(shè)備的關(guān)鍵設(shè)備參數(shù)的差別。

表1 外轉(zhuǎn)鼓設(shè)備響應(yīng)參數(shù)

由表1 可知，高動態(tài)外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞設(shè)備的傾角和偏角響應(yīng)很高，能夠快速的根據(jù)路譜進(jìn)行載荷對的變換調(diào)節(jié)。而以圖4 所顯示設(shè)備的參數(shù)為代表的普通型外轉(zhuǎn)鼓雙軸疲勞測試設(shè)備，能夠在2.5s 實(shí)現(xiàn)載荷對的切換（在偏角小于5°范圍內(nèi)，2.5s 內(nèi)載荷穩(wěn)定在±2%范圍內(nèi)）。對于常規(guī)的階梯路譜，此種設(shè)備已基本能滿足正常的測試要求，而對于實(shí)時(shí)道路譜，則需高動態(tài)雙軸疲勞設(shè)備滿足測試的需求。

3 雙軸測試標(biāo)準(zhǔn)介紹

目前已公開的雙軸測試標(biāo)準(zhǔn)主要有四個，分別為AK-LH08，QC/T 1119，SAE J 2562，ES 3.23，以上四個標(biāo)準(zhǔn)也是目前行業(yè)內(nèi)主要應(yīng)用的標(biāo)準(zhǔn)。其中AK-LH08 為德國標(biāo)準(zhǔn)，QC/T 1119 為國內(nèi)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，SAE為美國汽車工程學(xué)會標(biāo)準(zhǔn)，ES 3.23 為歐洲車輪制造商協(xié)會標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 AK-LH08 和QC/T 1119 標(biāo)準(zhǔn)介紹

AK-LH08為德國奧迪，BMW，戴姆勒，保時(shí)捷和大眾成立的研究組制定的標(biāo)準(zhǔn)，為眾多德系車廠所使用，也是目前在乘用車車輪領(lǐng)域應(yīng)用最廣的雙軸測試標(biāo)準(zhǔn)。其中QC/T 1119 為國內(nèi)在2020 年4 月發(fā)布的新行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)主要內(nèi)容基本沿襲了AKLH08 的要求。

AK-LH08 和QC/T1119標(biāo)準(zhǔn)只適用于乘用車車輪，且其在正式進(jìn)行試驗(yàn)之前需首先進(jìn)行車輪總成的動平衡調(diào)整和車輪預(yù)損傷，其中調(diào)整車輪動平衡可以減少在實(shí)際測試過程中，由于動平衡導(dǎo)致的測試過程中力的波動，此點(diǎn)將在下文中進(jìn)行更詳細(xì)的介紹。車輪預(yù)損傷主要是為了考核如果車輪在經(jīng)受過一定損傷后，如車輛在行駛過程中，特別是對于乘用車車輪，由于輪胎相對扁平，在過坑道時(shí)，輪胎瞬間被擠壓，往往會導(dǎo)致車輪的變形，預(yù)損傷皆在評估車輪在產(chǎn)生一定變形損傷之后，是否能夠繼續(xù)滿足雙軸疲勞壽命的需求。以上兩點(diǎn)AK-LH08與QC/T1119要求是一致的。

AK-LH08 規(guī)定了三種測試路譜，分別為由22 個載荷對構(gòu)成的階梯譜（AKR 循環(huán)程序），紐伯格林賽道譜和霍根海姆賽道譜，其中后兩個路譜為實(shí)際賽道譜，其中紐伯格林賽道位于德國與比利時(shí)的邊界處，該賽道中包含多個彎道，許多汽車廠家利用該賽道檢驗(yàn)車輪壽命?；舾Ｄ焚惖酪彩俏挥诘聡囊粭l著名賽道，賽道主要由直路組成。2002 年時(shí)，霍根海姆賽道進(jìn)行了較大幅度的改動，彎道所占比例有了較大幅度的增加，該條賽道也可用來檢驗(yàn)車輪壽命，實(shí)際上，AKR 循環(huán)程序是在結(jié)合紐伯格林賽道和霍根海姆賽道的基礎(chǔ)上轉(zhuǎn)換而來的。在QC/T1119 標(biāo)準(zhǔn)中，路譜使用的是32 個載荷對構(gòu)成的階梯譜，該階梯譜實(shí)際上與AK-LH08中的路譜是完全一致的，在實(shí)際測試過程中，特別是外轉(zhuǎn)鼓設(shè)備，車輪側(cè)向力是通過施加側(cè)偏角的形式提供的，在較大的側(cè)偏角工況下，輪胎磨損嚴(yán)重，且會急速升溫，極易造成輪胎爆胎，為此在實(shí)際執(zhí)行路譜的過程中，會將側(cè)向載荷較小的載荷對按里程分開，分別插入到側(cè)向載荷較大的載荷對之間，以此來降低在測試過程中輪胎的溫度，從而減少輪胎的磨損，為此根據(jù)線性累計(jì)損傷理論，QC/T1119 中路譜中的32 個載荷對，其實(shí)際總里程與各載荷對在一個循環(huán)中的總里程與AK-LH08 是一致的。

3.2 SAE J2562 標(biāo)準(zhǔn)介紹

SAE J2562 是美國汽車工程學(xué)會制定的雙軸標(biāo)準(zhǔn)。該標(biāo)準(zhǔn)適用范圍為乘用車車輪與輕卡車輪。相較于AK LH08，該標(biāo)準(zhǔn)未要求調(diào)整車輪動平衡及進(jìn)行預(yù)損傷。在該標(biāo)準(zhǔn)中，詳細(xì)的列出了本文1.1 中介紹三種內(nèi)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備，因內(nèi)轉(zhuǎn)鼓設(shè)備是通過損傷等效后計(jì)算對應(yīng)傾角來實(shí)現(xiàn)載荷對的加載，在試驗(yàn)之前需首先進(jìn)行損傷計(jì)算，從而等效得出在試驗(yàn)過程中需要施加的傾角，在SAE J2562 中，給出了三種用來確定測試傾角的方法。

SAE J2562 在標(biāo)準(zhǔn)中給出了詳細(xì)的路譜計(jì)算方式。路譜共包括兩個載荷加載序列，分別為高速基礎(chǔ)載荷加載序列和中速基礎(chǔ)載荷加載序列。以上兩個序列分別由高速基礎(chǔ)載荷對及中速基礎(chǔ)載荷對演化而來。而在針對具體車輪進(jìn)行實(shí)際測試時(shí)，根據(jù)車輪的額定載荷不同，需將基礎(chǔ)載荷序列轉(zhuǎn)化為測試載荷序列。轉(zhuǎn)換公式如下：

其中：F為轉(zhuǎn)換后的測試載荷；

F為轉(zhuǎn)換前基礎(chǔ)載荷；

F為車輪額定載荷；

K為載荷比例因子。

式（1）涵蓋了路譜載荷序列中的徑向載荷及側(cè)向載荷。在進(jìn)行雙軸測試時(shí)，測試循環(huán)中需同時(shí)加載高速載荷序列及中速載荷序列，乘用車車輪一個測試循環(huán)包括8 個高速載荷序列加1 個中速載荷序列，輕卡車輪一個測試循環(huán)包括11 個載荷序列加1 個中速載荷序列。

3.3 ES3.23 標(biāo)準(zhǔn)介紹

區(qū)別于標(biāo)準(zhǔn)AK-LH08 與SAE J2452，ES3.23 標(biāo)準(zhǔn)主要應(yīng)用于直徑不小于17.5 英寸的商用車車輪。該標(biāo)準(zhǔn)為歐洲車輪制造商協(xié)會推出，主要制定方即為弗勞恩霍夫研究所。ES3.23 執(zhí)行的測試加載程序也為LBF開發(fā)，且LBF 將該序列程序申請了專利，使用該序列需要支付相關(guān)專利費(fèi)用。目前，加載序列的專利保護(hù)期已結(jié)束，即該加載程序已經(jīng)可以免費(fèi)使用。ES 3.23 標(biāo)準(zhǔn)中加載程序共98 個載荷對，并提供了基本程序載荷，基本載荷程序乘以相應(yīng)垂直力系數(shù)Cv 和橫向力系數(shù)C1,則可適用于具體的測試車輪。而Cv 和C1 主要根據(jù)車輛制造商的最大載荷來確定。

根據(jù)上文對各個標(biāo)準(zhǔn)的介紹，對AKLH08，QC/T1119，SAE J2562 和ES3.23的關(guān)鍵要點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)，詳見表2：

表2 車輪雙軸測試標(biāo)準(zhǔn)比對

4 車輪總成動平衡對雙軸測試的影響

由以上標(biāo)準(zhǔn)的介紹可知，在AK-LH08與QC/T 1119-2020 的標(biāo)準(zhǔn)要求中，在進(jìn)行雙軸測試前，需首先調(diào)整車輪總成的動平衡，主要目的是為了減少由于車輪動平衡原因?qū)е碌能囕喸诩虞d過程中的力的波動，從而減少實(shí)際加載過程中力的變化，減少實(shí)際加載力與理想路譜中加載力的差距。

根據(jù)輪胎均勻性理論的相關(guān)分析可知，車輪總成的動平衡會直接影響到車輪在旋轉(zhuǎn)過程中徑向力及切向力的變化，在雙軸測試過程中，并不考慮切向力作用，故動平衡對車輪雙軸測試的影響主要是考慮動平衡對徑向力的影響。車輪總成動不平衡會導(dǎo)致在車輪旋轉(zhuǎn)一周的過程中徑向力變化的一階諧波隨旋轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生正余弦形式的波動。具體動平衡對徑向力一階諧波波動值影響大小的計(jì)算公式見式2。

其中：RFV1H 為徑向力一階諧波波動值；

m 為不平衡質(zhì)量；

v 為車輪總成運(yùn)行線速度；

R 為輪胎滾動半徑；

θ 為輪胎旋轉(zhuǎn)角度，范圍為0～360°。

5 總結(jié)

本文介紹了車輪雙軸測試設(shè)備的類型及發(fā)展歷程，對目前已公開的車輪雙軸疲勞測試標(biāo)準(zhǔn)關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行介紹和比對分析，并從原理上分析了車輪總成動平衡對雙軸疲勞測試路譜加載載荷的影響。