径向疲劳仿真中胎圈座加载参数的试验对标——基于 6 组方案的探讨 原创

径向疲劳仿真中胎圈座加载参数的试验对标

——基于 6 组方案的探讨

【摘要】径向疲劳试验是车轮三大性能试验之一。工程中常省略轮胎建模，将轮胎对胎圈座的作用等效为按余弦规律分布的载荷函数，其中加载角度 θ0、加载半径 rb、加载宽度 b 均为经验参数，取值缺乏统一依据。本文针对该问题设计了 6 组胎圈座加载尺寸方案（变化外偏尺寸 x、受力宽度 y 与加载角度 θ0），通过有限元仿真预测轮辋谷底圆角 A、内轮缘内侧面圆角 B、气门孔倒角 C 三处的疲劳寿命，并与两组径向疲劳试验结果（开裂部位及循环转数）进行对标。结果表明：第 1 组方案虽能复现“气门孔先裂”现象，但错误预测 B 部位为最先开裂位置，与实际从未出现 B 部位开裂不符，予以排除；第 6 组方案（x=6mm、y=11mm、θ0=40°）预测的危险部位、失效顺序及寿命量级均与实际结果吻合。建议采用第 6 组参数作为径向疲劳胎圈座加载的推荐设置。

关键词：锻造铝合金车轮；径向疲劳；有限元分析；疲劳寿命预测；胎圈座

1 引言

径向疲劳试验是车轮三大性能试验之一，用于考核轮辋及轮辐在轮胎径向载荷作用下的抗疲劳能力。由于试验周期长、成本高，工程上普遍采用有限元仿真进行前期预测与优化。

仿真中通常省略轮胎 3D 建模，而将轮胎对胎圈座的作用等效为按余弦规律分布的载荷函数。该加载方法的关键在于三个经验参数：加载角度 θ0、加载半径 rb（由外偏尺寸 x 决定）、加载宽度 b（由受力宽度 y 决定）。这三个参数直接影响载荷作用位置与应力集中部位，进而决定预测寿命及危险部位的准确性。文献中 θ0 常见取 30°~40°，但 rb、b 的取值缺乏统一标准，多依赖个人经验。

本文以锻造铝合金车轮为对象，设计 6 组胎圈座加载尺寸方案进行径向疲劳仿真，并与两组实际径向疲劳试验结果（开裂部位、循环转数）进行对标，给出相对可靠的参数设置方法，供同行参考。

2 轮毂径向疲劳加载方法

2.1 载荷简化公式

根据试验标准 GB/T 5334规定，径向疲劳载荷通过轮胎作用于轮辋。仿真中一般省略轮胎 3D 建模，而通过函数加载方法将载荷施加到轮辋胎圈座上。沿圆周方向的分布载荷按余弦规律变化：

（1）

其中 W0 为最大分布载荷：

（2）

式中：Fr 为径向载荷，N；b 为胎圈座作用宽度，mm；rb 为胎圈座作用半径，mm；θ 为加载偏转角，rad；θ0 为加载半角（整个加载角度的二分之一），rad。

其中，胎圈座作用半径 rb 由轮毂标定半径与加载环外偏尺寸 x 共同决定：

（3）

式中：R标定 为轮毂标定半径（本例胎圈座标定直径为 462 mm，即 R标定 = 231 mm），mm；x 为加载环相对标定半径的外偏尺寸，mm。

【注意】式(2)中 θ0 须以弧度代入（如 40° → 0.698 rad），避免误用角度值。

胎圈座加载部位如图 1 所示。

图 1　胎圈座加载部位示意图（含 b、rb、θ0 标注）

2.2 胎圈座有效半径的处理

标准轮辋胎圈座为 5°锥度式设计，无法直接确定胎圈座的有效半径。常规处理办法是将 5°锥面简化为圆柱面，并设定相应的加载宽度与加载角度。可见，加载角度 θ0、加载半径 rb、加载宽度 b 本质上均为经验设置值，不同工程师依各自经验取值。本文给出的参考值不同之处在于：通过实际试验结果（包括裂纹部位及旋转转数）反标定得到，可供同行参考。

3 胎圈座受力三维设置

仿真造型如图 2 所示。为一款 18×8.5J 轮毂，设计载荷 650 kg，需满足 JWL 标准（径向 50 万转要求），轮胎型号 285/60R18，胎压 0.45 MPa。胎圈座函数加载需建立一个环形三维造型（加载环），其半径由轮毂标定半径外偏 x 得到（即 rb = R标定 + x，见式(3)），y 为胎圈座受力宽度，加载角度设定为 θ0。本文共设置 6 组尺寸方案，见表 1。

图 2　轮毂及加载环三维造型

图 3　加载环外偏尺寸 x 与受力宽度 y 定义

表 1 6 组胎圈座加载尺寸方案

组别	x / mm	y / mm	θ0 / °
第1组	0	11	40
第2组	6	15	40
第3组	3	15	40
第4组	3	20	40
第5组	6	15	36
第6组	6	11	40

轮毂径向疲劳加载可在加载环上分割为 20 等分，每等分 18°，从而实现一整圈 360° 的疲劳加载模拟，如图 4 所示。

图 4　加载环 20 等分及轮毂模型

4 车轮仿真分析操作演示

轮毂加载操作步骤如视频所示。

4.1 加载环创建和分割

在三维建模软件里先创建加载环，再创建成 80°（内角）夹角的两个平面（图 5 中测量显示的外角为 100°，对应内角即 80°），接着对这两个平面进行圆形阵列，仅阵列 10 个（间隔 18°），后 10 个位置与前 10 个对称重复，故无需阵列 20 个，如图 5 所示。最后分割成如图 4 所示模型。

图 5　加载区两平面创建与角度测量及阵列

4.2载荷施加

疲劳问题是动载荷造成的，首先在载荷步设置中添加 20 个载荷步，以实现动态加载效果，如图 6 所示。

图 6　载荷步设置（20 步）

接着创建 20 个圆柱坐标系，因为胎圈座函数加载需基于圆柱坐标系创建。每个圆柱坐标系自 -90°、-72°、-54° 直至 252°，间隔 18°，共 20 个，如图 7 所示。

图 7　20 个圆柱坐标系（自 -90° 至 252°，间隔 18°）

接着插入“Environment”—“Pressure”。先选中第一步加载的胎圈座 18 个面（正对全局 X 轴方向），并选择“Function”，如图 8 所示；填入加载函数，选择坐标系为“Coordinate System 1”，还需激活第一步加载，并使其他步加载失效，如图 9 所示。

图 8　Pressure 载荷与加载函数设置

图 9　第一步加载激活（其余步失效）设置

图 10　Pressure 2 载荷设置（Coordinate System 2）

图 11　轮胎胎压载荷设置（0.45 MPa）

再新增一个“Pressure”，与前一步同理添加第二步加载作用面：作用面与前一步相同，但位置需向前移动相应角度，坐标系选“Coordinate System 2”，并激活第二步加载、使其他步失效，如图 10 所示。

以此类推，完成全部 20 步函数加载的实现。最后还需添加轮胎胎压的作用，如图 11 所示。最终实现的动态加载效果见视频。

4.3 约束施加

固定约束安装盘面和螺栓孔锥面，如图 12 所示。

图 12　固定约束设置（安装盘面与螺栓孔锥面）

4.4 DesignLife疲劳设置（workbench内置插件）

nCode DesignLife 插件里的各项参数设置如图 13 所示。

图 13　nCode DesignLife 疲劳分析设置

5 结果与讨论

5.1 仿真结果

通过上述流程得到 6 组方案的疲劳寿命预测结果，见表 2。

表 2 各部位疲劳寿命预测结果（单位：转）

仿真部位	第1组	第2组	第3组	第4组	第5组	第6组
轮辋谷底圆角 A	4.7e5	7.99e5	5.77e5	8.5e5	6.35e4	5.6e5
内轮缘内侧面圆角 B	1.7e5	8.24e5	4e5	5.1e5	3.1e4	6.4e5
气门孔小孔倒角 C	1.1e5	1.36e5	1.195e5	1.3e5	5.2e3	1.25e5

注：A、B、C 部位定义如图 14 所示。

图 14　A、B、C 部位截面示意图

5.2 试验结果

同造型下进行了 2 件径向疲劳试验：

第 1 件：运行 25 万转出现气门孔开裂（图 15）。经检查，该件气门孔对应轮辋部位偏薄，判定开裂受加工因素影响。

图 15　第 1 件实测气门孔开裂

第 2 件：运行 55 万转未开裂，继续运行至 60.8 万转时轮辋谷底圆角 A 部位开裂，而气门孔未开裂（图 16）。

图 16　第 2 件实测轮辋谷底圆角 A 部位开裂

5.3 对标分析

对比 6 组仿真结果与两组实测，可以得到以下判断：

（1）仿真与实测的总体关系。6 组仿真均显示气门孔 C 部位寿命最低或接近最低，即“若开裂应最先从气门孔开始，随后发展为 A 部位裂纹”。但第 2 件实测未出现气门孔裂纹，说明车轮实际性能还受加工、热处理、材料等制造因素影响，具有一定分散性。

（2）排除第 1 组。第 1 件实测因气门孔部位轮辋偏薄（加工影响），不宜作为几何对标的理想基准；同时，与其对应的第 1 组方案预测 B 部位（内轮缘内侧面圆角）寿命最低（1.7e5），即预测 B 部位将最先开裂，而实际测试中 B 部位从未出现过开裂。这说明第 1 组载荷设置使应力集中在错误部位，与真实失效模式不符，予以排除。

（3）选定第 6 组。第 2 件实测更接近理想状态，可作为对标基准。第 6 组（x=6mm、y=11mm、θ0=40°）预测的危险部位为 A（寿命 5.6e5），量级与实测 60.8 万转吻合；同时气门孔 C 相对安全（1.25e5），与“气门孔未裂”的实测一致。综合裂纹部位、失效顺序与寿命量级，第 6 组与实测吻合最好。

（4）第 5 组的 θ0 敏感性。第 5 组（x=6mm、y=15mm、θ0=36°）的预测结果值得关注：其气门孔 C 部位寿命仅 5.2×10³ 转，较 θ0=40° 的第 2 组（1.36×10⁵ 转）下降约 26 倍，说明加载角度 θ0 对预测寿命极为敏感。而实测第 1 件气门孔 25 万转、第 2 件 A 部位 60.8 万转均远高于该预测，表明 θ0=36° 的设置会严重低估寿命，同样不宜采用。这一敏感性进一步印证：胎圈座加载参数（尤其 θ0）必须结合实际试验结果进行标定，而非仅凭经验取值。

综上，第 6 组设置方案为当前比较推荐的方法。需要说明的是，受实测样本数量限制（2 件），内轮缘内侧面圆角 B 部位预测寿命的可信度仍有待更多样本进一步验证。

6 结论

（1）径向疲劳仿真中胎圈座加载参数（θ0、rb、b）对危险部位与寿命预测影响显著，需结合实际试验进行标定。

（2）第 1 组方案（x=0、y=11、θ0=40°）预测 B 部位最先开裂，与实测 B 部位从未开裂不符，应排除。

（3）第 6 组方案（x=6、y=11、θ0=40°）预测的危险部位、失效顺序与寿命量级均与实测吻合，推荐作为径向疲劳胎圈座加载的参考设置。

（4）受试验样本限制，后续将补充更多实测样本，进一步验证 B 部位寿命预测的可信度。

参考文献

[1] ANSYS 2024R1 DesignLife 2024.0 Release Notes.

[2] GB/T 5334-2021 乘用车 车轮 弯曲和径向疲劳性能要求及试验方法. 国家市场监督管理总局, 2021.

[3] 汽车用铝合金制轮毂试验条件(JWL). 汽车用铝合金制轮毂试验协议会(JWTC), 2025.

[4] 郑风云, 马媛媛, 肖攀, 于人杰. 基于疲劳寿命的汽车铝合金车轮轻量化研究[J]. 汽车零部件, 2019(1).