新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 轻量化铝轮毂的设计与制造

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发表于 2013-11-3 16:11:00 | 显示全部楼层 |阅读模式

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随着能源价格的不断攀升,为了降低油耗,汽车的轻量化设计受到足够重视。轮毂作为车辆承载最重要的安全部件,其内在的质量和可靠性关系到车辆和车上人员、物资的安全性,还影响到车辆在行驶过程中的平稳性、操纵性及舒适性等性能,这就要求轮毂的尺寸精度高、动平衡好、疲劳强度高、刚性能、弹性好、质量轻且美观等,在这些方面,铝轮毂与钢轮毂相比具有十分明显的综合优势。由于钢的密度是铝密度的3倍,在满足产品性能的前提下,每个铝轮毂比钢轮毂可减轻质量30%~50%。有试验表明,轮毂平均每减轻10%的质量,在平均车速为90~120km/h的条件下,汽车百公司油耗平均可减少0.010~0.013L,可见减重的作用是明显的。当然,汽车铝轮毂在自身轻量化方面也应采取一些技术手段。

铝轮毂的设计方法

铝轮毂设计开发的主要方法和流程是:市场调研、收集顾客需求和设计输入等信息;综合各种信息,绘制轮毂方案设计草图并讨论研究(如图1a);方案初步确定后,利用三维软件(如CATIA)将轮毂由方案草图变为3D数字模型(如图1b),对设计进行评审并与顾客交流;3D设计完成后,利用CAE软件(如ANSYS软件)进行轮毂的应力分析(如图1c),根据分析的受力情况进行结构和重量的优化设计再与顾客交流;优化设计完成后,采用快速原型制造技术制造出轮毂的实物模型,与顾客共同对实物进行评审;同步完成铸造模具的设计,利用CAE软件(如MAGMA软件)进行铸造过程模拟分析,优化模具设计和工艺方案设计;制造并试验模具,生产制造出真正的样轮;对制造出来的样轮进行各种性能试验和路试,只有样轮经过充分地试验,证实其在行驶中的表现是优秀的,一个新的铝轮毂开发设计才算完成。
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图1 铝轮毂设计开发的主要方法和流程

轻量化铝轮毂的结构设计

铝轮毂在结构上有单件整体式(如图2)和多件组合式(如图3)等多种形式,由于人们对轮毂在外观造型上有多样化的追求,因此在造型的设计上也五花八门,宽轮辐、窄轮辐、多轮辐、少轮辐等各种各样的铝轮毂造型设计层出不穷,可以说铝轮毂在外观造型设计上的发展空间极其广阔。出于安全考虑,在进行铝轮毂的外观造型和结构设计时,必须要以满足安全和使用功能的要求为前提。为了降低汽车的燃油消耗,轮毂的轻量化设计也十分重要。
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图2 整体式窄轮辐铝轮毂

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图3 组合式窄轮辐铝轮毂

为了更大限度地减轻铝轮毂的质量,可采取的设计方法有:优化产品结构,在安装面处设计减重腔,适当减薄轮缘、轮辋、轮辐等部位的厚度。除此之外,结合造型设计最有效的设计方法是:在上述优化设计的基础上,采用窄轮辐式新设计,减少轮辐或将铝轮毂的轮辐及内外轮缘凸肩处设计成空腔结构。据此,人们设计开发出了一系列窄轮辐铝轮毂和一种全新概念的轻量化轮毂——内置空气铝轮毂。内置空气铝轮毂有轮辐和内外轮缘凸肩处都中空的整体式、内外轮缘凸肩处中空的两件组合式两种结构设计(如图4、图5)。
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图4 整体式内置空气铝轮毂

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图5 两件组合式内置空气铝轮毂

轻量化铝轮毂的设计优点

1. 窄轮辐铝轮毂的设计优点

在性能与外观方面,窄轮辐铝轮毂与同尺寸普通铝轮毂相比,优点如下:

(1)每一件铝轮毂减轻质量约2~3kg(减重约10%~15%),每辆汽车5个铝轮毂共减重约10~15kg,由于质量减轻对降低汽车的燃油消耗作用显著,因此提高了车辆的使用经济性;

(2)运动学理论及实践证明,轮辐质量的减轻可改善轮毂的加速性能及制动性能,并可降低轮毂在运行时的噪声;

(3)窄轮辐使得辐窗加大,因而加大了散热面积,降低了行驶中轮毂及轮胎侧面的温度,因此提高了车辆行驶的安全性;

(4)颇具动感的十字交叉造型窄轮辐外观设计与长条而柔和的成对的辐条形成衬托,外观上显得高雅而轻巧。

2. 内置空气铝轮毂的设计优点

对于直径22英寸(1英寸=25.4mm)、宽10.5英寸的整体式内置空气铝轮毂,与同尺寸普通铝轮毂相比,优点如下:

(1)每一件铝轮毂减轻质量约5.3kg(减重约25%),每辆汽车配备5个铝轮毂共减重约26.5kg;

(2)试验证明,轮缘内外角抵抗冲击变形的能力提高了60%,提高了车辆行驶的安全性能;

(3)轮辐及外轮辋凸肩内的空腔结构相应地增加了轮胎内的空气容量,可抵消采用扁平型轮胎时,轮胎内空气容量少的缺点;

(4)由于空气容量的增加,当轮胎亏气时,轮辐及外轮辋凸肩内的空腔所容纳的空气可以对轮胎补充安全压力;

(5)空腔结构可提高轮毂的减震性能,使得车辆行驶的舒适性得到提高;

(6)轮毂外圈部位质量的减轻可改善轮毂的加速性能及制动性能,降低轮毂在运行时的噪声;

(7)空腔结构加大了散热面积和速度,降低了轮毂及轮胎侧面的温度,提高了车辆行驶的安全性。

另外,两件组合式内置空气铝轮毂技术将铝轮毂内角凸肩抵抗冲击变形的能力提高了80%,每辆车配备的5个铝轮毂质量可减轻约5kg(减重约5%)。

以上这些优点对于提高车辆的安全性、可靠性、舒适性及经济性贡献巨大。

轻量化铝轮毂的设计原理

1. 窄轮辐铝轮毂的设计原理

减轻铝轮毂的质量,通常采取的方法是优化产品结构,如在安装面处设计减重腔,并减薄轮缘、轮辋、轮辐等部位的厚度。在上述优化设计的基础上,可利用珩架结构的支撑原理,采用十字交叉结构,将其设计成窄轮辐的外观结构。十字交叉的轮辐与长条而柔和的成对窄轮辐条形成衬托,外观上显得高雅而轻巧。

2. 内置空气铝轮毂的设计原理

机械设计原理表明,通过空腔结构可以增强某一部位的承载能力。例如,动物的骨骼以及谷物的茎杆这样复杂的结构,虽然其中心是空的,却能够支撑起比自身质量大得多的质量,且具有很好的弹性,也就是说承载能力强、韧性好。在工程应用实践中,我们知道,当空心轴的内、外径之比超过0.4时,空心轴比实心轴的承载能力更强、韧性更好,空腔构造便是一种可以有效提高承载能力的成功的设计理论准则。

由于减轻质量是车辆减少油耗最有效的途径,因此为了最大限度地减轻铝轮毂的质量,提高轮毂的使用性能,设计工程师根据运动力学的原理,大胆地将空腔构造的理论准则应用到铝轮毂的设计中,将铝轮毂的轮辐及内外轮缘凸肩处设计成空腔结构,创造性的设计开发出了内置空气铝轮毂,在减轻铝轮毂质量的同时还大大地提高了其承载能力,使得车辆的油耗得到了降低、行驶的安全性能得到了提高。

有这样一个运动物理现象,即众所周知的舞蹈中单脚着地旋转运动现象:当一个人在张开手臂单脚着地做旋转运动时,缩回手臂、即减小外部旋转体的质量,便可以使得旋转运动的速度加速。运动力学的原理决定了轮毂的内外轮辋凸肩处是轮毂上最能有效、也是最需要减重的地方。将铝轮毂的内外轮辋凸肩处设计成空腔的好处是大大改善了铝轮毂的加速性能及制动性能。

内置空气铝轮毂的设计技术是机械设计空腔构造理论和运动力学原理在铝轮毂设计上的应用。

轻量化铝轮毂的制造技术

1. 整体式窄轮辐铝轮毂制造技术

整体式窄轮辐铝轮毂的简要生产流程是:低压铸造毛坯→热处理→加工→涂装。

窄轮辐铝轮毂制造过程中要特别注意铸造环节,由于轮辐窄铸造成型的难度相对大一些,因此要准备好模具,保持好模具的表面质量。轮辐变窄并配合适当的模具冷却,使得轮辐处的晶粒细化,材料的力学性能得到提高,在减轻质量的同时,保证了产品的性能。

2. 组合式窄轮辐铝轮毂制造技术

组合式窄轮辐铝轮毂的简要生产流程是:低压铸造轮辐、轮辋→热处理→局部加工→旋压→加工→涂装→用螺栓组装轮毂。

3. 整体式内置空气铝轮毂制造技术

整体式内置空气铝轮毂是一种单件整体式轮毂,它是将轮毂的内外轮辋肩部和轮辐处设计成空腔,即所谓“内置空气”,这是一项最新的铝轮毂设计技术。新的整体式内置空气铝轮毂的气嘴阀门不像往常一样位于轮毂的外圈上,而是设在轮辐的中央,这样不仅可以很方便地够到气嘴阀门,而且能方便地清理轮毂外圈上的尘土,尤其在野外越野应用时这方面的优点更为突出。

整体式内置空气铝轮毂的简要生产流程是:低压铸造→热处理→局部加工→旋压形成空腔→激光焊接→加工→涂装。

整体式“内置空气铝轮毂”空腔制造技术的特点是:利用低压铸造工艺技术,采用特殊结构的铸造模具,将铝轮毂的轮辐铸造成中空,并在铝轮毂内外轮辋肩部铸造出可用来形成空腔的部分,利用旋压成形技术,使铝轮毂内外轮辋凸肩内部形成空腔的形状,轮辐内部的空腔与外轮辋凸肩内部的空腔是连在一起的,随后用激光焊接将其焊起来,使轮毂内外轮辋凸肩内部变成封闭的空腔。

4. 两件组合式内置空气铝轮毂制造技术

两件组合式内置空气铝轮毂是一种将两件体组合到一起的组合式轮毂,该项技术比整体式内置空气铝轮毂技术出现的稍早一些,它将铝轮毂的内轮辋凸肩部设计成空腔。两件组合式内置空气铝轮毂用钛合金螺栓将铝轮毂的轮辐和轮辋连接在一起,它可以解决类似于赛车运动驾驶中所有驾驶性能和安全性能等问题,是以往其它铝轮毂技术无法比拟的。两件组合式“内置空气铝轮毂”的另一个特点是:在轮毂外轮角处加了一个不锈钢的铝轮毂防止碰撞保护圈,以保护铝轮毂不会被碰撞而损坏,而当不锈钢防止碰撞保护圈损坏时不必拆卸轮胎便可更换,同时轮毂的平衡块还可隐藏在不锈钢防止碰撞保护圈后面不会被看见,更加美观。

两件组合式内置空气铝轮毂的简要生产流程是:低压铸造→热处理→局部加工→旋压形成空腔→激光焊接→加工→涂装→用螺栓组装轮毂。

两件组合式“内置空气铝轮毂”空腔制造技术的特点是:利用低压铸造工艺技术,采用特殊结构的铸造模具,将轮毂内轮辋凸肩部铸造出可用来形成空腔的部分,利用旋压成形技术,使轮毂内轮辋凸肩内部形成空腔的形状,随后用激光焊接,将轮毂内轮辋凸肩内部变成封闭的空腔。

结语

1. 窄轮辐铝轮毂独特的造型使其不仅外观轻盈、美观、高雅,而且在轻量化和提高安全性方面效果显著。

2. 内置空气铝轮毂是铝轮毂轻量化设计的最有效途径,该技术在减轻铝轮毂质量的同时还大大地提高了承载能力,改善了铝轮毂的加速性能及制动性能,使得车辆的油耗得到了降低,车辆行驶的安全性能和舒适性也得以提高。
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