趙忠興，蘇成志，孟凡一，于培章，宋洪烈，孫 偉

（1. 長春汽車工業(yè)高等?？茖W(xué)校，長春 130013；2. 長春理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022）

0 引言

車輪作為車輛的重要組成部分，關(guān)系到車輛行駛的安全性。車輪沖擊試驗?zāi)M了車輛在實際行駛過程中受到石塊等物的側(cè)向沖擊或撞擊公路牙邊的情況，是車輪定型性能試驗的必檢指標(biāo)。國內(nèi)各研究單位針對車輪研制開展了一系列車輪性能仿真試驗[1-7]，取得了一定成果，但由于車輪的復(fù)雜性，車輪的實際性能與設(shè)計性能仍存在一定的差異，需要通過車輪模擬試驗機(jī)進(jìn)行驗證。目前，國內(nèi)各車輪模擬試驗機(jī)研制單位依據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)[8]研發(fā)的車輪沖擊試驗機(jī)，都采用落錘式?jīng)_擊方法，即沖擊重錘從一定高度豎直下落沖擊在車輪上，沖頭下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點上方230±2mm處；試驗車輪安裝的軸線方向與沖頭運動方向成13°夾角，沖擊質(zhì)量根據(jù)試驗車輪所需的載荷值來調(diào)整。在車輪沖擊試驗中發(fā)現(xiàn)，同一批次的車輪采用不同沖擊試驗機(jī)進(jìn)行試驗時，其試驗結(jié)果存在差異，造成試驗結(jié)論缺乏客觀性，為此，對車輪沖擊試驗結(jié)果進(jìn)行了差異性分析，并提出了一種修正方法。

1 影響車輪沖擊試驗的因素分析

車輪沖擊試驗機(jī)通常由門式機(jī)架、重錘機(jī)構(gòu)、車輪支架構(gòu)成，如圖1所示。機(jī)架用于安裝車輪支架。重錘機(jī)構(gòu)由移動橫梁、主錘、副錘、小副錘、電磁起重吸盤等組成，其中移動橫梁負(fù)責(zé)帶動主錘沿兩側(cè)立柱上升、下降，為了減少摩擦主錘與立柱采用行輪體配合，減小摩擦對下落的影響；副錘和小副錘跟隨主錘上下移動；電磁起重吸盤安裝在移動橫梁下表面，試驗時用來吸合和釋放主錘。在沖擊車輪時，移動橫梁將重錘機(jī)構(gòu)拖到所需高度，選擇沖擊重量后，電磁起重吸盤釋放完成沖擊。

圖1 車輪沖擊試驗機(jī)結(jié)構(gòu)簡圖

整個沖擊試驗的能量全部來源于從沖擊高度下落的沖擊重錘所具有的動能。進(jìn)行同一批次不同車輪進(jìn)行沖擊實驗時，試驗用沖擊重錘質(zhì)量完全相同，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定沖擊高度也完全相同，具有的勢能也完全相同，并有標(biāo)準(zhǔn)數(shù)值，根據(jù)勢能與動能的轉(zhuǎn)化，沖擊車輪的能量應(yīng)該與重錘勢能相等，但在試驗中，重錘下落到與車輪接觸瞬間，重錘勢能并未完全轉(zhuǎn)化為動能，存在能量損失，主要體現(xiàn)在以下兩個方面：

1）電磁起重吸盤釋放瞬間，電磁起重吸盤會有剩磁，沖擊重錘仍然會受到電磁吸力作用，沖擊重錘需要克服電磁吸力進(jìn)行落體運動。每臺沖擊試驗機(jī)的電磁吸盤的剩磁存在差異，是造成能量損失的主要因素之一；

2）在重錘下落過程中，沖擊主錘行輪體沿兩側(cè)立柱下落，沖擊主錘與兩側(cè)立柱產(chǎn)生摩擦，雖然摩擦對沖擊能量和沖擊速度的損失比較小，但也會對整體沖擊能量造成影響。

此外，即使各試驗機(jī)能量損失相同，車輪支架的剛度不同，車輪的沖擊結(jié)果也存在差異。因此，為了達(dá)到各沖擊試驗機(jī)沖擊結(jié)果的一致性，一方面要消除車輪支架對沖擊結(jié)果的影響，另一方面減小各試驗機(jī)能量損失的不同，采用損耗能量修正方法，使不同的試驗機(jī)具有相同沖擊能量。

2 沖擊試驗修正原理

2.1 系統(tǒng)修正原理

根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，轎車車輪沖擊試驗沖頭下落高度應(yīng)在輪輞輪緣的最高點上方230±2mm處，在進(jìn)行同一批次不同車輪試驗時，為了獲得客觀的實驗結(jié)果，既要保證沖擊試驗的有效性，又要保證不同車輪試驗時沖頭對車輪的沖擊能量相同，在沖擊高度相同的情況下，便可以得到整個車輪沖擊試驗機(jī)的最大沖擊能量：

式中 ：

E為車輪沖擊試驗機(jī)最大沖擊能量(J)；

M為沖擊重錘質(zhì)量(kg)；

H為沖擊高度 (m)；

V為重錘下落理論最大沖擊速度(m/s) ；

g為重力加速度(m/s2)。

根據(jù)勢能和動能轉(zhuǎn)化，我們可以得到在不計能量損失的情況下，重錘的動能應(yīng)該與勢能相等即：

由式（2）可得，理論最大沖擊速度為：

設(shè)實際的重錘沖擊瞬間速度（末速度）為v，則沖擊重錘與車輪的實際沖擊能量為但是在實際中，重錘下落的末速度要小于最大沖擊速度，則

沖擊過程損失能量為 ：

圖2 沖擊高度修正原理圖

如圖2所示，為了保證沖擊試驗的有效性，需要對損失的能量進(jìn)行補償，這里通過提高重錘沖擊高度來進(jìn)行能量補償。通過補償沖擊高度h來使得沖擊重錘與車輪沖擊能量達(dá)到能量最大值E，

把式（6）代入式（5），可得到補償?shù)臎_擊高度h為：

這樣可以將沖擊高度設(shè)定為H+h，就能夠保證沖擊車輪的總能量為E，從而實現(xiàn)沖擊瞬間沖擊重錘的沖擊能量都相同。在補償沖擊高度h中，只有重錘沖擊瞬間速度v未知，因此只要求出v值，就可以得到補償?shù)臎_擊高度。

2.2 系統(tǒng)實現(xiàn)

為了求得沖擊重錘沖擊瞬間的速度v值，針對試驗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)，如圖3所示的沖擊末速度檢測系統(tǒng)。整套檢測系統(tǒng)安裝在試驗機(jī)立柱的后面，由增量式光電編碼器、同步齒形帶、同步齒形帶輪、彈簧、鋼絲、轉(zhuǎn)輪構(gòu)成。光電編碼器與同步齒形帶輪同軸連接，安裝在立柱上，同步齒形帶左端與沖擊主錘鉸鏈鏈接，可由沖擊主錘帶動齒形帶移動，齒形帶右端與彈簧聯(lián)接，彈簧下方連接有鋼絲，鋼絲下方通過轉(zhuǎn)輪，轉(zhuǎn)輪同樣也固定在立柱上，鋼絲另一端通過鉸鏈鏈接到主錘上。將沖擊重錘的線位移轉(zhuǎn)換成角位移進(jìn)行測量，從而計算出沖擊重錘的行走位移和沖擊重錘沖擊瞬間的速度。

圖3 沖擊末速度檢測系統(tǒng)

3 沖擊試驗

3.1 試驗條件

選用某公司的車輪進(jìn)行沖擊試驗，沖擊重錘重量為1000kg，輪胎胎壓為200KPa，沖擊高度為230mm，沖擊位置為沖頭板側(cè)邊與輪輞輪緣重疊25mm。整個車輪沖擊試驗過程順利，試驗完成之后，車輪輪輻未出現(xiàn)目測可見的穿透裂紋，輪輻沒有從輪輞上分離，輪胎氣壓沒有變化，車輪完好，沒有損壞。

3.2 試驗數(shù)據(jù)與分析

表1 車輪沖擊試驗數(shù)據(jù)

表1所示為車輪沖擊試驗中測量得到的30組試驗數(shù)據(jù)，每組數(shù)據(jù)采集時間為8ms，將實驗數(shù)據(jù)經(jīng)過處理分析后得到如圖4所示的車輪沖擊速度與時間關(guān)系曲線圖。沖擊重錘沖擊車輪后會反彈，反彈速度小于重錘下落最大速度，反彈到一定高度后，重錘會繼續(xù)下落沖擊車輪發(fā)生第2次沖擊，如此反復(fù)，沖擊重錘會對車輪實現(xiàn)多次沖擊，反彈高度會逐步減小，直至不再反彈。對車輪進(jìn)行多次沖擊，每次沖擊所達(dá)到的最大高度都會減小。從圖4中可以看出，隨著沖擊進(jìn)行，沖擊速度在不斷減小，直至沖擊重錘停止。重錘沖擊車輪瞬間最大速度為2.06784m/s，為沖擊重錘第一次沖擊瞬時速度。

圖4 沖擊速度與時間曲線

由式（1）計算可知，試驗機(jī)沖擊重錘最大理論沖擊能量為2254J，實際沖擊能量為2138J，損失能量為116J，由式（7）得到補償?shù)臎_擊高度h應(yīng)為11.84mm，在下一次進(jìn)行車輪沖擊的時候，修正沖擊高度，將沖擊高度設(shè)定為241.84mm，從而使得沖擊瞬間的能量接近最大理論沖擊能量。

采用損耗能量修正方法，在對同批次的車輪進(jìn)行相同的沖擊試驗，實驗數(shù)據(jù)如表2所示，計算可得沖擊的實際末速度為2.123m/s，沖擊瞬間能量為2253.56J，相對損失能量為0.44J。

4 結(jié)論

通過對車輪沖擊試驗結(jié)果進(jìn)行差異性分析，提出了通過補償沖擊高度來保證車輪沖擊有效性的方法，經(jīng)試驗證明：

1）重錘剩磁吸力、導(dǎo)軌摩擦和車輪支架的剛度不同是造成沖擊能量損失，是影響各沖擊試驗機(jī)沖擊結(jié)果的一致性的主要因素；

表2 修正后車輪沖擊試驗數(shù)據(jù)

2）采用損耗能量修正方法，將沖擊能量損失降低了99.6%，保證了不同試驗機(jī)沖擊能量的一致性，使試驗本身更具有客觀性。

[1] 臧孟炎, 秦滔. 鋁合金車輪13°沖擊試驗仿真分析[J] .機(jī)械工程學(xué)報, 2010, 46(2): 83-87.

[2] 陸斌. 鋁車輪沖擊試驗失效案例及其有限元分析[J]. 汽車技術(shù). 2010 (8): 52-55.

[3] 焦磊, 王樂勤, 徐如良, 李江云. 沖擊高度對淹沒沖擊射流影響的數(shù)值預(yù)測[J]. 工程熱物理學(xué)報, 2005, 26 (5):773-775.

[4] 王頌秦, 薛遠(yuǎn), 藍(lán)軍, 林漫群, 錢仲明, 梁可人, 陳建發(fā). 摩托車輕合金車輪徑向沖擊試驗有限元法研究[J]. 汽車技術(shù). 1999 (11): 26-30.

[5] 暢世為, 張維剛.復(fù)合材料車輪沖擊試驗仿真分析[J]. 汽車工程，2010, 32(1): 65-68.

[6] 李文亮, 周煒, 郭志平, 趙侃. 轎車沖擊高路階的安全性動態(tài)仿真研究[J]. 拖拉機(jī)與農(nóng)用運輸車2008, 35 (2): 27-29.

[7] 王樹強, 劉希敏, 朱暢. 落錘式?jīng)_擊試驗設(shè)備中捕捉機(jī)構(gòu)的改造與分析[J]. 機(jī)械2005, 32 (1): 60-61.

[8] 國家技術(shù)監(jiān)督局, GB/T 15704-1995轎車車輪沖擊試驗方法[S]. 北京: 中國標(biāo)準(zhǔn)出版社, 2008.