铝合金车轮内轮缘开裂问题的研究和探讨

王顺新，王佳琦，朱利利

1.中信戴卡股份有限公司 河北秦皇岛 066000

2.兰州理工大学 甘肃兰州 730050

随着人们对汽车外观、尺寸、续驶里程（新能源汽车）要求的提高，整车尺寸也越来越大，整车越来越重，特别是新能源汽车质量较大。铝合金车轮外观造型也越来越复杂，尺寸越来越大，要求的承载能力也越来越高，随之也产生了一些新的问题，在整车路试中经常出现内轮缘开裂的现象。

由于乘用车内轮缘在靠近箱体一侧，车辆行驶前检查很难发现裂纹，一般是在发现轮胎漏气后对车轮进行检查时才能发现。当主机厂家在整车路试过程中发现开裂后，一般会将开裂情况反馈给车轮生产厂家，与车轮生产厂家一起对问题车轮进行系统分析，制定解决方案。

几年来，中信戴卡股份有限公司处理了多起乘用车内轮缘开裂问题，现对开裂问题进行系统地梳理。

路试中发现内轮缘开裂后的分析点

1.收集开裂车轮信息

1）路试场（是强化道路试验、综合道路试验）。

2）车辆行驶里程。

3）开裂车轮在路试车辆上的位置：（左前、左后、右前、右后）。

案例：某主机厂在新车型开发整车综合道路试验过程中，在车辆行驶里程达到30 776km时发现右前轮轮胎欠压报警，检查发现车轮内轮缘部位出现裂纹（见图1）。

图1 车轮内缘出现裂纹

2.检查车轮外观

检查车轮正面是否有撞击痕迹。

2）检查车轮轮辋是否有严重变形。

3）检查车轮内轮缘是否有油漆磨损情况。

4）检查车轮内轮缘裂纹数量和开裂长度。

5）检查车轮生产信息。

检查示例如图2所示。

图2 车轮外观检查

3.检查车轮尺寸

1）检查轮辋直径。

2）检查内轮缘厚度。

3）检查内胎圈座壁厚。

4）检查车轮跳动情况。

检查示例如图3所示。

图3 车轮尺寸检查

对车轮轮辋内部缺陷进行检查（见图4），主要是查看是否存在缩松、夹渣等铸造缺陷，查看铸造缺陷的种类、分布及大小等情况。

图4 X光探伤检查

5.检查材料性能

在内轮缘开裂部位两侧取样，对材料性能（屈服强度、强度极限、延伸率）、化学成分、金相组织及硬度等情况进行分析，了解车轮内轮缘部位的宏观和微观材料情况，收集车轮的详细信息。

表1和图5所示是某款内轮缘开裂车轮的材料性能分析结果。

图5 内轮缘金相组织

表1 某内轮缘开裂车轮材料性能

6.对内轮缘开裂部位进行断口分析

1）对断口进行低倍显微分析。

2）对断口进行超景深显微影像分析。

3）对断口进行电镜显微成像分析。

内轮缘开裂部位 断口分析如图6所示。

图6 内轮缘开裂部位断口分析

7.对车轮造型进行CAE内轮缘应力分析

由于过去乘用车车轮尺寸较小（一般≤18in）、载荷较小（一般＜700kg）、轮胎高宽比较大（一般≥50%），一般不会出现内轮缘开裂的情况，因此，在进行车轮径向受力分析时也就不考虑内轮缘的受力情况。

但随着新能源汽车的发展，车轮尺寸的变大（一般≥19英寸）、载荷增加（一般＞800kg）、轮胎高宽比变小（一般≤45%），车轮在行驶过程中的受力变大，内轮缘的受力应当得到重视。

图7所示是一款整车试验大约31 000km内轮缘开裂车轮的应力分析结果。

图7 内轮缘开裂车轮应力分析结果

8.对内轮缘开裂问题的解决方案

目前，针对乘用车内轮缘开裂，一般采用的改善方案是在保证车轮正面造型的条件下，对车轮内轮缘结构和尺寸、内胎圈座和轮辋尺寸进行调整，加强轮辋强度，降低内轮缘部位的应力，从而延长车轮行驶里程。

1）调整内轮缘结构：将内轮缘结构由夹式平衡块结构调整为粘贴式平衡块结构。

2）调整内轮缘、内胎圈座、轮辋及轮井等尺寸。

内轮缘开裂问题分析

通过对多起路试过程出现内轮缘开裂的情况分析，得到以下几个方面的经验：

1）一般出现在大尺寸、大载荷、装配高宽比较小的轮胎的车轮上。

2）裂纹出现的机理：一般是车轮先受到外力作用，造成内轮缘损伤，然后在继续行驶过程中出现裂纹持续扩展。当裂纹扩展到一定程度，使得内轮缘不能承受载荷时，就会出现断裂。

3）不同的车辆设计寿命不同，整车路试的场地、要求的行驶里程不同，可以对车轮轮辋结构制订有针对性的设计方案，保证满足整车路试寿命要求。

4）当车轮设计载荷较小（≤500kg）、轮胎高宽比较大（≥55）时，为减轻车轮质量可以使用夹式平衡块结构。

5）当车轮设计载荷较大（≥700kg）、轮胎高宽比较小（≤45）时，为满足车轮设计寿命建议使用粘贴式平衡块结构。

6）针对大尺寸（≥19in）、大载荷（≥700kg）、轮胎高宽比较小（≤45）的车轮设计时，需要注意内轮缘应力情况，建议应力与路试里程见表2。

表2 内轮缘应力与路试里程推荐值

降低内轮缘开裂的试验方法

目前，在试验室条件下，还没有专门模拟路试过程中内轮缘开裂的试验方法，但有几家主机厂的试验方案，可以大幅度降低实际路试过程中内轮缘开裂的概率。

1.大众、奥迪、宝马及奔驰的双轴试验

大众、奥迪、宝马及奔驰等公司模拟欧洲赛道的强化道路试验，称作双轴试验。该项试验需要对轮辋（特别是内轮缘）进行强化处理，以满足双轴试验要求。

（1）对车轮进行预损伤 将车轮装配好轮胎，轮胎充气压力150kPa（0.6倍额定胎压），装配到压力材料试验机上，对轮辋加力达到规定的压力F=2.5G（G为车轮载荷），检查内轮缘的变形量，要求变形量不超过1.0mm，无裂纹。

2）对车轮进行双轴试验 对完成预压试验后的车轮在双轴试验台上，进行双轴试验，轮胎压力：450kPa，转速105km/h，按规定的试验载荷谱进行试验，要求完成约定的试验里程车轮无裂纹（一般要求完成7500km）。

注意：双轴试验里程是与不同厂家整车规定的路试里程相对应的。

2.丰田公司的内轮缘变形后径向试验

丰田汽车有一项内轮缘变形+径向试验，满足这个试验，需要加强轮辋的强度，能够延长内轮缘的疲劳寿命。

（1）对车轮进行内轮缘变形试验 将车轮装配好轮胎，轮胎充气压力150kPa，装配到压力材料试验机上，对轮辋加力达到规定的压力F，检查内轮缘的变形量，要求不超过3mm。

当轮胎截面高度SH≤138mm时，F=（12.13～0.0658SH）G；当轮胎截面高度SH＞138mm时F=3G。

（2）对车轮进行径向疲劳试验 对于完成内轮缘变形试验后的车轮进行径向疲劳试验，轮胎压力：450kPa，径向试验载荷F=2.5G，要求车轮完成100个循环，无裂纹。

3.现代起亚汽车的轮辋变形+径向试验

韩国现代起亚汽车有一项轮辋变形+径向试验，满足这个试验，也需要加强轮辋的强度，能够延长内轮缘的疲劳寿命。

（1）轮辋变形试验 对于轮胎宽度大于205mm，同时轮胎高度（轮胎截面宽度×高宽比）≤110mm进行轮辋变形试验，试验载荷F=7G。

将车轮装配好轮胎，轮胎充气压力240kPa（按照图样要求），装配到压力材料试验机上，对轮辋加力达到规定的载荷F，检查内轮缘的变形量，要求不超过3mm。

（2）对车轮进行径向疲劳试验 对于完成内轮缘变形试验后的车轮进行径向疲劳试验，轮胎压力：450kPa，径向试验载荷F=2.5G，要求车轮完成200个循环，无裂纹。

结语

以上介绍了车轮路试过程中出现的内轮缘开裂的问题分析，并对分析过程进行了总结，提出了降低内轮缘开裂的发生概率的设计、试验方法。

由于车轮路试过程的复杂性，目前还没有准确的设计方案、试验设备及试验方法来进行内轮缘开裂的验证。为了满足整车开发寿命、国家法律法规的要求，还需要进行实车路试来检验内轮缘的可靠性。