锻造轮毂为什么会在轮辐根部开裂，设计上如何避免
使用中开裂的锻造轮毂，裂纹多出现在轮辐根部、分叉处或连接筋上。本文通过两起道路失效的盲测复算，说明其中的原因，以及设计上可以改什么。
为什么轮辐根部受力最大
把一根轮辐看作固定在轮心上的悬臂梁。来自轮胎的每一个力，无论是过弯、制动、加速还是压过坑洼，都作用在这根梁的远端。由此产生的弯曲在靠近轮辋处最小，在轮辐与轮心相接、或两根轮辐汇合成分叉的地方最大。这个交接处就是轮辐根部，而且有三个因素同时对它不利。
力臂最长
弯矩随离载荷点的距离增大而增大。根部承受整根轮辐的力臂，所以是整条轮辐上弯曲应力最高的地方。
截面变化太快
细长的轮辐接入厚实的轮心，或者两根轮辐合成一根，都会迫使载荷在很短的距离内改变方向，应力就堆积在转折处的内侧角上。
细节会把应力放大
过小的圆角、加工出来的槽、锋利的窗口边缘，或轮辐之间的细连接筋，都可能让局部应力远高于轮辐其他部位。这些往往是设计后期才加上的造型特征，那时结构校核已经做完了。
这些在渲染图里都看不出来。一根轮辐看上去很粗壮，大部分应力却可能集中在一个小角落里。所以设计评审要看应力云图，而不是看 CAD 模型。
案例 01：分叉根部的裂纹
第一只轮毂来自一家合作锻造轮毂厂，材料为 6061-T6，在激烈的道路使用后开裂。裂纹横穿分叉根部，也就是两根轮辐在到达轮心前汇合的位置。
我们用该轮毂的 CAD 和所装车辆的载荷工况在 LoudGears 中复算。整只轮毂的最高应力 139.2 MPa 落在分叉根部内侧边缘，正是裂纹起始处。它超过约 104 MPa 的判定线，即 6061-T6 屈服强度 313 MPa 的三分之一。
合作厂在两处修改了设计：加大分叉根部的圆角半径，让载荷平缓地转过拐角，而不是堆积在尖锐的内角；加厚轮辐，让同样的载荷分布到更多材料上。带有原始热点的设计，在安全系数 3.0 的放行校核下不会通过。
案例 02：轮辐边缘与连接筋
第二只轮毂同样是 6061-T6，在道路使用中两处开裂：一处沿一根细轮辐的边缘，另一处在靠近轮心、连接两根轮辐的小连接筋上。
LoudGears 找到两个热点：轮辐边缘 131.2 MPa，连接筋 148.1 MPa，各自对应一条裂纹。连接筋的情况更严重：它是两根刚性轮辐之间的一段细连接，在扭矩作用下两根轮辐相互错动时，应变全由它承担。
低于屈服，却高于限值
让人意外的是，这些应力和合金强度相比其实不高。没有一个热点接近 313 MPa 的屈服强度。单次重击下，两只轮毂都不会变形，但它们还是开裂了。
| 热点 | 峰值应力 | 安全系数 | 超出 104 MPa 判定线 | 占屈服强度 313 MPa 的比例 |
|---|---|---|---|---|
| 案例 01，分叉根部 | 139.2 MPa | 2.25 | 约 33% | 约 44% |
| 案例 02，轮辐边缘 | 131.2 MPa | 2.39 | 约 26% | 约 42% |
| 案例 02，连接筋 | 148.1 MPa | 2.11 | 约 42% | 约 47% |
每次过弯、制动或压过路面接缝，轮毂都会经历一次载荷循环，一生中多达数百万次。即使应力不到屈服强度的一半，只要重复次数足够多，铝合金就会疲劳：裂纹从应力最高的角落萌生，每个循环扩展一点。这就是放行线定在安全系数 3.0 的原因：这份余量是为疲劳准备的，而不是为了某一次重击。
模型知道什么、不知道什么
两次复算中，LoudGears 拿到的只有轮毂几何、材料和车辆载荷工况，并不知道两只轮毂在哪里开裂。热点是求解自己找到的，而它们与两只轮毂上的裂纹位置都吻合。
两个案例不能构成保证，也不应被这样解读。事后解释失效，比事前预测要容易。但这种吻合说明，由径向载荷和车轮扭矩构成的载荷工况，把应力放在了真实道路施加应力的位置。只向下压轮毂的仿真，两处都可能漏掉。正好有这样一个例子：在径向载荷与组合载荷 FEA中，一条轮辐根部的造型槽在仅径向校核中通过，加入其他载荷后就不通过了。
轮辐根部的设计原则
对品牌和设计团队来说，这些经验说起来简单，在造型压力下却很容易被忽略。
- 看根部，而不是看轮辐。 根部圆角很小的粗轮辐，可能比圆角宽大的细轮辐更弱。
- 把细连接筋和靠近轮心的槽当作重点怀疑对象。 它们看起来轻巧、有技术感，但只要应力云图没有证明它们没问题，它们往往就是最先开裂的地方。
- 问峰值在哪里，而不只是峰值多大。 安全系数告诉你余量，位置告诉你最薄弱的点是否落在一旦开裂就有后果的地方。
- 改完造型要重算。 根部附近的槽、刻字、窗口边缘和加工装饰都会改变局部应力，请用同一载荷工况重新运行。
- 先做局部修改。 轮辐根部不通过时，常见的做法是加大圆角半径、增加轮辐深度或宽度。LoudGears 基于规则的设计修改建议会按位置给出这些方向，但每项修改仍需重新运行并由工程师复核。
给客户的检查建议
本文中的两条裂纹，在发生更严重的后果之前都是可以看到的。因此，随每套轮毂附上检查建议是值得的。在重压坑洼、啃路肩或赛道日之后，以及每次拆胎时：
- 清洁轮辐背面和轮心周围，刹车粉尘会把细节遮住。
- 沿每个轮辐根部、分叉和连接筋查看，留意漆面上的细线或容易积灰的细线。
- 一旦发现，应将轮毂从车上拆下检查。根部裂纹不会自行停止扩展。
轮毂的其他失效方式，请参阅轮毂失效模式详解。
FEA 能承诺什么、不能承诺什么
所有热点都达到安全系数 3.0 的设计，在制造之前已经按车辆载荷、带着余量做过校核。但它仍然只是设计校核，不是认证，也不是疲劳寿命数据。啃路肩、严重坑洼和赛道上的滥用可能损坏任何轮毂，JWL 等实物试验也只适用于被测试的规格。
想看看真实结果中热点是如何标注的，可以打开演示。