第48卷第6期 2019 年 12 月 小型内燃机与车辆技术 Vol. 48 No. 6
SMALL INTERNAL COMBUSTION ENGINE AND VEHICLE TECHNIQUE__________Dec. 2019
基于越野车采用镁合金车轮的工程应用研究
余奇平贾海庆马忠民孙永超(北京汽车研究总院有限公司北京101300)
摘要：基于越野车采用镁合金车轮进行工程应用的研究。首先，开展对镁合金车轮的弯曲静力学、 径向静力学、13。冲击和90。冲击的仿真分析；其次开展零部件级以及整车级的可靠性试验；最后，开 展镁合金车轮与铝合金车轮的油耗对比试验。综上论证了镁合金车轮在越野车上的工程应用具有一
定可行性。但仍需开展镁合金车轮搭载整车的耐腐蚀试验。
关键词：镁合金车轮越野车可靠性油耗中图分类号：TG146 文献标识码：A 文章编号:2095-8234(2019)06-0028-05
A Study on the Engineering Application of Magnesium
Alloy Wheels Based on Off-road Vehicles
Yu Qiping, Jia Haiqing, Ma Zhongmin, Sun YongchaoBeijing Automotive Research Institute Co., Ltd. (Beijing, 101300, China)
Abstract: The engineering application of magnesium alloy wheels based on off-road vehicles is studied.
Firstly, the simulation analysis of bending statics, radial statics, 13-degree impact and 90-degree impact of magnesium alloy wheels was carried out; Secondly, the reliability tests of component grades and vehicle grades were carried out; Finally, the fuel consumption comparison test between magnesium alloy wheels and aluminum alloy wheels was conducted. In summary, it demonstrates that the engineering application of magnesium alloy wheels on off-road vehicles has certain feasibility. However, it is still necessary to carry out corrosion resistance tests.Keywords： Magnesium alloy wheel; Off-road vehicle; Reliability; Fuel consumption
金车轮高一倍，提升汽车的平稳性和驾驶员的舒适 度|2〗。因而研究镁合金车轮在越野车上的工程应用是 非常必要的。
引言
越野车能够满足驾驶员对车辆各种工况的要 求，保证车辆在恶劣环境和较差道路行驶时的安全 性、通过性和稳定性；其主要性能有通过性、机动性 和经济性等指标叱镁合金车轮优点如下：
1设计与分析
1.1结构设计
1) 镁合金车轮的散热性能好，散热系数是钢制 本文按照某型越野车铝合金车轮的图纸，开展 车轮的2~3倍，降低轮胎的爆胎率和老化速率，减小 镁合金车轮的结构设计;同时为节省模具费用，大部 分采用铝合金车轮的模具。镁合金车轮的设计参数 车轮的力矩,从而加强汽车在行驶中的安全性；
如表1所示，模型如图1所示。2) 车轮的轻量化可提升汽车的加速性能，降低
1.2仿真分析汽车的油耗和排放性能；
3) 镁合金车轮受到冲击时，吸收能力要比铝合
为了达到车轮锻造和性能的要求，选取工程中
作者简介:余奇平（1984-),男，高级工程师.硕士，主要研究方向为整车轻量化设计
第6期余奇平等:基于越野车采用镁合金车轮的工程应用研究
29
表1镁合金车轮的设计参数
项目参数值项目参数值轮辋规格/(inxin)
17 x 7.5螺栓孔P.C.D6 x 139.7偏距/ mm37.5设计载荷/ kg690螺母转矩/(N-m)
110
质量指标/ kg
7.5
图1镁合金车轮的数模
常用汽车车轮镁合金材料AZ80镁合金。力学性能方 面AZ80具有较高的屈服强度和抗拉强度，这都为
AZ80镁合金成为锻造车轮的首选材料提供了良好
的条件，表2为AZ80镁合金的力学性能列表。
表2 AZ80材料的力学性能
材料密度/
弹性模量/
屈服强 抗拉强 (kg.m-3)GPa
泊松比
度/MPa度/MPaAZ80
1.82
45
0.35
240
330
1.2.1车轮弯曲静力学仿真分析
仿真分析的载荷施加依据GB/T 5334-2005《乘
用车车轮性能要求和试验方法》w中规定对车轮施加 弯矩，其中弯矩的计算公式为：
M = (/jlR
+ d)F,S
(1)
式中：M为轮胎与路面间的设定摩擦系数轮 胎静负荷半径，是汽车制造厂或车轮厂规定的用在车 轮上的最大轮胎静半径，340 mmW为车轮内偏距或 外偏距（内偏距为正值，外偏距为负值），37.5 mm;Fv 为车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大垂直静负 荷或车轮的额定负荷，6 762 N;S为强化试验系数，
1.6〇
求解出的应力云图如图2所示，应力最大值 为129.10 MPa,小于AZ80镁合金材料的屈服强度 240 MPa,仿真结果满足设计要求。1.2.2车轮径向静力学仿真分析
仿真分析的载荷施加依据GBAT 5334-2005《乘 用车车轮性能要求和试验方法》131中规定对车轮施加 径向负载，F其中径向负载的计算公式为：
, = F'.K
(2)
•••
图2车轮弯曲静力学仿真分析应力云图 (左图正面和右图背面）
式中：FV为车轮或汽车制造厂规定的车轮上的最大 垂直静负荷或车轮的额定负荷，6 762N;K为强化试 验系数，2.25。
求解出的应力云图如图3所示，应力最大值为 .11MPa，小于AZ80镁合金材料的屈服强度 240 MPa,仿真结果满足设计要求。
图3径向静力学仿真分析应力云图
(左图正面和右图背面）
30小型内燃机与车辆技术第48卷
1.2.3 13。冲击仿真分析
仿真分析的载荷施加依据GB/T 15704-2012《道 路车辆轻合金车轮冲击试验方法》141中规定对车轮 施加载荷，m冲锤质量的计算公式如下：=0.6W
+ 180
(3)
式中：IT为车轮或车辆制造厂规定的车轮最大静载 荷，690 kg;气门孔冲击一次，旋转180°冲击一次。每 次冲击后1 min测量,无变形，无漏气。
求解出的应力云图如图4所示，应力最大值为 56.76MPa,小于AZ80镁合金材料的屈服强度240MPa， 仿真结果满足设计要求。
图4 13°冲击仿真分析应力云图(左图正面和右图背面)
1.2.4 90°冲击仿真分析
仿真分析的载荷施加依据GB/T 15704-2012《道路车辆轻合金车轮冲击试验方法》141中规定对车轮 施加载荷。
求解出的应力云图如图5所示，应力最大值为 60 MPa,小于AZ80镁合金材料的屈服强度240 MPa, 仿真结果满足设计要求。
图5 90°冲击仿真分析应力云图(左图正面和右图背面)
2试验验证
2.1零部件级试验验证 2.1.1弯曲疲劳试验
依据GBAT 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》131进行试验，试验参数见表3,试验结果见 表4。
表3
弯曲疲劳试验参数表
项目参数值项目参数值试样状态涂装前实测质量/ kg7.螺母转矩/(Nth)110循环次数/ 104次10试验弯矩以卜《1)
2 980
循环速度/ (r*min_l)
923
表4
弯曲疲劳试验结果
实际循环次数/ 104次
50初始偏移量/ mm5.46结束偏移量/ mm5.51是否有可见裂纹无是否有转矩下降
无
试验结论:在达到要求的循环次数之前，加载点 的偏移量未超过初始全加载偏移量的10%，且无裂 纹和无扭矩下降，满足设计指标要求，试验现场如图 6所示。
图6弯曲疲劳试验现场图
2.1.2动态径向疲劳试验
依据GBAT 5334-2005《乘用车车轮性能要求和试验方法》131进行试验,试验参数见表5，试验结果见 表6〇
第6期
余奇平等:基于越野车采用镁合金车轮的工程应用研究
31
表5
动态径向疲劳试验参数表
项目参数值项目
参数值试样状态涂装前螺母转矩/(N*m)110径向负载/N14 774实测质量/ kg7.52循环次数/ 104次
50循环速度/ (km*h_l)80轮胎尺寸
225/55/R17
初始轮胎空气压力/ kPa450结束轮胎空气压力/ kPa
450
表6动态径向疲劳试验结果
实际循环次数/ 104次350轮辐是否有可见的穿透性裂纹
无轮辐是否从轮辋上分离无轮胎空气是否有泄漏
无
试验结论:满足设计指标要求，试验结果如图7 所示。
图7动态径向疲劳试验结果图
2.1.3 13°冲击试验
依据GBAT 15704-2012《道路车辆轻合金车轮冲击试验方法〉，进行试验，试验参数见表7,试验结 果见表8。
表7 13°冲击试验参数表
项目参数值项目
参数值螺母转矩/ (Nth)110试样状态涂装則实测质量/ kg7.52冲击角度/°13下落高度/ mm230冲击质量/ kg596冲击面重叠度/ mm25初始轮胎空气压力/ kPa
200
轮胎尺寸
215/50/R17
结束轮胎空气压力/ kPa
200
表8 13°冲击试验结果
轮辐是否有可见的穿透性裂纹
无轮辐是否从轮辋上分离无轮胎空气是否有泄漏
无
试验结论:满足设计指标要求,试验结果如图8 所示。
图8 13°冲击试验结果
2.1.4 90°冲击试验
依据Q(yr 991-2015《乘用车轻合金车轮90。冲 击试验方法》151进行试验，试验参数见表9，试验结果 见表10。
表9 90°冲击试验参数表
项目参数值项目
参数值试样状态螺母转矩/(N*m)
涂装前110质量/ kg7.54冲击角度/°90下落高度/ mm33.5冲击质量/ kg1 010冲击面重叠度/ mm105轮胎尺寸
215/50/R17
初始轮胎空气压力/ kPa200结束轮胎空气压力/ kPa
200
表10 90°冲击试验结果
轮辋变形标准(要求）<2.5 mm轮辋实测变形量1.6 mm轮胎空气是否有泄漏
无
试验结论:满足设计指标要求，试验结果如图9 所示。
图9 90°冲击试验结果
2.2整车级可靠性试验
镁合金车轮搭载某型越野车进行33 000 km的
整车可靠性试验，试验里程分布如表11所示。
经过33 000 km的整车可靠性试验，镁合金车轮 未出现开裂和明显可见的变形，满足可靠性要求。可
32小型内燃机与车辆技术第48卷
靠性试验现场情况如图10所示。
表11可靠性试验里程分布
试验路况磨合高环山路强化/蛇形试验里程/km
3 0008 0006 0009 000本次试验结果显示，越野车搭载镁合金车轮比 搭载铝合金车轮油耗在NEDC工况下低0.3 17100 km。 考虑到不可避免的试验误差，不同车型搭载镁合金 车轮比搭载铝合金车轮的节油效果会有波动。
3结论与展望
1)
某型越野车的镁合金车轮的弯曲静力学、径
越野3 000一般路4 000总计
33 000
图10可靠性试验现场情况
2.3整车油耗对比试验
按照目前乘用车综合油耗测试标准要求，乘用车
综合工况油耗测试方法有2种，一是滑行法，二是惯 量法(也叫查表法P71。本文采用的是惯量法来测试 油耗的变化量。
首先，开展2次铝合金车轮的NEDC工况油耗 试验;接着，拆下铝车轮换上镁车轮(轮胎还是原来 的轮胎）;最后，开展两次镁车轮的NEDC工况油耗 试验，试验结果如表12所7K。
表12整车油耗对比试验结果
L/lOOkm
油耗试验结果
铝合金车轮
镁合金车轮
差距第一次11.310.9/第二次11.211.0/平均值
11.25
10.95
0.30
向静力学、13°冲击和90°冲击的仿真分析均满足设 计指标要求。
2) 某型越野车的镁合金车轮的零部件级的弯曲 疲劳试验、径向疲劳试验、13°冲击试验和90°冲击试 验结果均满足要求；同时，镁合金车轮也通过整车的 33 000 km可靠性试验。
3) 镁合金车轮搭载整车的NEDC工况的油耗试
验结果显示，搭载镁合金车轮比搭载铝合金车轮低
0.3L/100 km〇
综上所述，镁合金车轮在越野车上的工程应用 有一定可行性，但仍需开展以下工作：
1) 进一步结构优化设计；
2) 镁合金车轮搭载整车的耐腐蚀试验；
3 )NEDC油耗对比试验仍需增加验证次数。
参考文献
1樊智涛.越野汽车性能分析及发展展望m.山东工业技术，
2018(21)：512宗星星.AZ80+0.4%Ce轮毂挤压成形过程中组织演变及工
艺模拟优化研究丨D].太原：中北大学,2016 3
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标 准化管理委员会.GB/T 5334-2005乘用车车轮性能要求 和试验方法[S].北京：中国标准出版社.2005 4
中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局，中国国家标 准化管理委员会.GB/T 15704-2012道路车辆轻合金车轮 冲击试验方法[S].北京：中国标准出版社,2012 5
中华人民共和国工业和信息化部.QC/T 991-2015乘用车 轻合金车轮90°冲击试验方法[S].北京：中国计划出版社， 20156
李猛，马忠民，贾海庆，等.越野汽车质量变化对油耗的影 响[J].小型内燃机与车辆技术，20丨5,44(5):44-47 7
环境保护部，国家质量监督检验检疫总局.GB 18352.5- 2013轻型汽车污染物排放限值及测量方法（中国第五阶 段)丨S].北京：中国环境出版社，2013
(收稿日期:2019-0丨-21)
