新材料与工艺手册

[底盘系统轻量化] 汽车轮毂轻量化方法研究

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发表于 2019-12-12 14:54:06 | 显示全部楼层 |阅读模式

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摘 要:轮毂被称作汽车的鞋子,起着支撑汽车质量、驱动汽车行驶等重要作用。轮毂的轻量化对环境的保护,资源的节约显得尤为重要,本文通过对前人对轮毂强量化的总结,以及结合自己的研究,探讨了几种关于轮毂轻量化的方法,期望能进一步推动轮毂轻量化的发展。
关键词:汽车轮毂;轻量化;方法

随着我国制造业的迅速发展,截止到2018年6月底,我国汽车的保有量已达2.19亿辆。伴随着发展的同时,能源危机和环境污染问题也接踵而至。在众多的节能减排的举措中,汽车轻量化是优先考虑的方式,[1]通过大量实验表明,汽车的质量每减少10%,油耗较少6%-8%,排气量减少4%。轮毂作为轮毂重要的部件,起承载、驱动等重要作用。[2]轮毂的好坏直接影响着汽车的行驶安全,其轻量化也直接影响到汽车的节能减排。[3、4]本文主要探讨了几种常见的轮毂轻量化方法。

1 减少轮毂尺寸

根据我国轿车的分类,轿车可分为微型轿车、小型轿车、紧凑型轿车、中型轿车、大中型轿车和大型轿车。车型的不同价格也存在着巨大的差距,微型车一般都在五万左右,轮毂一般在13寸或14寸,而大型车一般都在百万以上,轮毂尺寸在19寸或20寸左右,笔者调研了长安铃木尺寸不同的同款轮毂,尺寸分别为15寸和16寸,质量可减少一公斤左右。

2 使用轻质材料

轮毂的材料主要分为钢、合金、碳纤维等。

最早使用的轮毂材料为钢制轮毂,这种轮毂强度高、抗冲击能力强、造价低,一般用于承载量大、造价低的汽车,但该轮毂是现有轮毂中质量最大的轮毂且造型单一,一般使用钢轮毂的轿车都会在其轮毂上加一个轮毂盖,以增加其美观度。

合金轮毂应用最多的是铝合金轮毂,主要用于中高端汽车,随着技术的进步,在更高级的汽车上还会用到镁合金钛合金轮毂。铝合金轮毂是现在市面上最常见的轮毂,其特点散热性好、造型款式多样、高速行驶时阻力小、变形小,而且质量小、油耗少。而镁合金质量更加轻、油耗更低,但由于其造价高,只在极少数赛车上使用。

碳纤维轮毂分为两种,一种是纯碳纤维还有一种是碳纤维和铝合金混合而成。碳纤维轮毂的优点是:强度高、耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、造型丰富多样而且质量极轻,同尺寸的纯碳纤维轮毂比铝合金轮毂质量要轻40%,混合碳纤维轮毂也比铝合金轮毂轻25%。

3 采用先进的加工工艺

在轮毂制造工艺中,低压铸造是最常见的铸造方式,日本的丰田汽车公司、美国福特汽车公司等均采用此工艺生产铝轮毂。低压铸造是用干燥的空气将铝液自上而下注入铸造机中,等到铝液干燥凝固以后,释放压力,完成铸造。由于低压铸造是在压力下完成铸造,所以其松缩少、密致性高。

充氧压铸法是使压室和压型型腔内的金属液相间的空间充满氧气,在高压下进行压铸,氧气通过排气阀排出型腔外,在高压下,未能排出的氧气与铝液发生氧化反应,形成细小铝粒,散布在轮毂内部,使轮毂内不产生气孔。用充氧压铸法铸造的轮毂气密性好、抗疲劳性强、拉伸强度良好,含气量是普通铸造轮毂的十分之一。另外用充氧压铸法铸造的轮毂比用传统鋳造法铸造的轮毂质量轻15%。

锻造是一种比铸造更加高级的工艺,锻造是将铝合金胚料,通过锻造机的巨大压力,产生形变,压成想要的形状。然后对压制成型的粗胚进行一系列的精加工处理,形成各项性能都符合要求的轮毂。锻造产品不仅比铸造产品更加坚固、更硬,重量也更轻。锻造的轮毂各方面性能以及其强量化更适合轮毂使用,但也由于其复杂的制造工艺,导致其高昂的价格,一些工艺及其复杂的锻造轮毂价格可能是铸造轮毂的数十倍,这也导致了锻造轮毂一般只能用于高端汽车或者跑车上。

铸造轮毂价格低廉但强度、抗疲劳性等各项性能相对于锻造轮毂都有所欠缺,而锻造轮毂却是价格高昂,旋压技术轮毂便是解决了这种矛盾。旋压技术准确的讲也是铸造技术的一种,旋压技术其实是将铸造出来的轮毂粗胚会被专用的设备对其受力处进行旋转加压处理,使铸造轮毂受力处的位置的内部分子结构发生改变,呈现出比铸造轮毂密度更高的纤维状,使金属力学得到改变,增加了强度。这样就可以将轮毂做得更轻、更薄,重量最高可以比铸造铝合金轮毂降低15%,但其强度却可以媲美锻造轮毂。

4 采用计算机进行结构设计

随着科学技术的进步,现在的设计以不单纯的靠手绘效果图、凭经验去任意修改,而是通过计算机辅助设计,可以很直观的在计算机上对设计的物体进行修改,减少工作量,缩短时间,在进行结构设计的过程中,有限元分析是最常用的技术手段,在轮毂的设计中,可以通过对轮毂进行载荷施加,模拟轮毂真实受力情况,系统会根据受力情况会对轮毂强度等各方面性能做出相应的分析,而设计师便可以根据分析结果对轮毂更加合理的修改,避免设计的盲目性,是设计更加合理。

随着发展,拓扑优化以成为轻量化设计的又一重要手段,笔者通过对奔驰S560轮毂进行拓扑优化,在保证各方面性能合理的基础上,使其质量减轻了2千克。

5 小结

综上所述,现阶段轮毂轻量化方法主要包括减少轮毂尺寸、使用轻质材料、采用先进的加工工艺、采用计算机进行结构设计等四种方法,轮毂的设计不仅要追求造型的新颖,也要主要结构的优化,相信在未来会出现强度高、价格低、质量轻、造型更加优美的轮毂。


来源:期刊-《科技风》,作者:

闫龙龙,
燕山大学艺术与设计学院 河北秦皇岛 066004



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