鋁合金輪轂的造型設(shè)計(jì)與結(jié)構(gòu)研究

摘要：當(dāng)前，隨著世界各國(guó)對(duì)環(huán)境和資源問(wèn)題的關(guān)注度的持續(xù)升高，能源問(wèn)題已經(jīng)成為汽車(chē)工業(yè)面臨的最重要的問(wèn)題之一。各大汽車(chē)廠商都紛紛追求造出節(jié)能環(huán)保、高強(qiáng)度、輕質(zhì)量、造型美觀的汽車(chē)。而輪轂作為汽車(chē)的重要部件之一，其材料的選擇對(duì)汽車(chē)的性能和質(zhì)量都有很大影響。文章從鋁合金材料應(yīng)用與輪轂制造入手，探討鋁合金輪轂的造型設(shè)計(jì)和結(jié)構(gòu)研究。

關(guān)鍵詞：鋁合金；輪轂；造型設(shè)計(jì)；結(jié)構(gòu)研究；汽車(chē)部件

中圖分類(lèi)號(hào)：TB476 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2014）15-0013-02

鋁材具有礦藏資源豐富、易加工、回收利用方便、密度小、強(qiáng)度高、耐蝕性好、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)點(diǎn)。并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金有著越來(lái)越豐富的應(yīng)用空間。在汽車(chē)制造業(yè)中，鋁合金材料的運(yùn)用可以使汽車(chē)自身重量大大降低，并且能夠提升汽車(chē)性能，提高行駛速度，所以鋁合金已經(jīng)越來(lái)越多地運(yùn)用到汽車(chē)制造業(yè)中。本文就鋁合金在汽車(chē)輪轂中的應(yīng)用做簡(jiǎn)要探討。

1 汽車(chē)輪轂的結(jié)構(gòu)

輪轂是介于汽車(chē)半軸和輪胎之間的用于承受汽車(chē)自重及外界載荷的旋轉(zhuǎn)部件，輪轂的結(jié)構(gòu)包括胎圈座、胎斗、輪緣、中心孔、安裝凸臺(tái)、中心線、通風(fēng)口等。但是組成輪轂最主要的兩個(gè)部件還是輪輞和輪輻。輪轂通過(guò)輪輞與輪胎配合的同時(shí)還通過(guò)輪輻與車(chē)橋連接，從而實(shí)現(xiàn)輪轂承載、行駛、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動(dòng)和制動(dòng)等作用。

1.1 輪輞

輪輞，俗稱(chēng)輪圈，是車(chē)輪周邊安裝輪胎的部件，輪輞的規(guī)格很重要，因?yàn)樗苯記Q定汽車(chē)可以用哪些輪胎。常見(jiàn)的輪輞形式主要有深槽輪輞、平底輪輞、對(duì)開(kāi)式輪輞、半深槽輪輞、整體式輪輞、平底寬式輪輞等。此外，還可以根據(jù)組成輪輞的零件的數(shù)量，將輪輞分為一件式輪輞、兩件式輪輞和三件式輪輞甚至四件式、五件式輪輞。輪輞的設(shè)計(jì)和制造都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這關(guān)系著設(shè)計(jì)制造出來(lái)的輪輞是否能夠與輪胎的使用相配合。就目前而言，我國(guó)的輪輞在生產(chǎn)時(shí)都是按照按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3487-2005來(lái)生產(chǎn)。

1.2 輪輻

輪輻介于輪輞和車(chē)軸之間，在輪轂中主要功能是支撐作用。輪輻的構(gòu)造是決定輪轂分類(lèi)的基礎(chǔ)，根據(jù)輪輻結(jié)構(gòu)的差異，可以將輪轂分為輻板式輪轂和輻條式輪轂。輻條式輪轂主要靠眾多鋼絲輻條來(lái)達(dá)到支撐重力。輻條式輪轂的優(yōu)點(diǎn)是通風(fēng)散熱優(yōu)良，但是由于制作成本高，做工復(fù)雜不便于安裝和維修，所以應(yīng)用多見(jiàn)于高級(jí)轎車(chē)和賽車(chē)，很少應(yīng)用在普通汽車(chē)上。在普通的汽車(chē)中應(yīng)用最廣泛的還是輻板式輪轂，輻板的作用是連接輪輞和安裝凸臺(tái)。

輪輻的作用主要是起到重量支撐的作用，所以輪輻的形狀在設(shè)計(jì)和制造的時(shí)候可以多種多樣，并沒(méi)有統(tǒng)一的要求。

2 鋁合金輪轂的性能

輕便、散熱、美觀向來(lái)是評(píng)價(jià)汽車(chē)輪轂質(zhì)量?jī)?yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，而經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐證明，鋁合金材料具有更好的機(jī)械性能和美觀度，并且更易加工，所以很適合用來(lái)制造汽車(chē)輪轂。除此之外，鋁合金材料用于輪轂制造還有以下優(yōu)勢(shì)：

2.1 密度低、強(qiáng)度高

鋁合金的低密度使鋁合金制造的輪轂質(zhì)量比用鋼材制造的輪轂質(zhì)量輕，但是強(qiáng)度卻與鋼材相當(dāng)，這就使以鋁合金材質(zhì)制造的輪轂具有了鋼制輪轂不具有的優(yōu)點(diǎn)，比如慣性小，這不僅能夠提高汽車(chē)的加速度，使汽車(chē)具有更好的起步性能，還大大改善了汽車(chē)的制動(dòng)性能，節(jié)省燃油的消耗。

2.2 導(dǎo)熱性好

鋁的導(dǎo)熱性能是鋼材的五倍，如果將鋁合金用于汽車(chē)輪轂制造，可以大大提高汽車(chē)制動(dòng)系統(tǒng)的散熱性能，使剎車(chē)制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的大量熱量能迅速釋放，這樣不僅能夠避免因?yàn)閯x車(chē)頻率過(guò)高導(dǎo)致剎車(chē)失靈的現(xiàn)象，提高汽車(chē)的安全系數(shù)，還能夠延長(zhǎng)輪胎的使用年限。

2.3 易加工

使用鋁合金材質(zhì)制造的輪轂易成型，尺寸精準(zhǔn)、平衡性好、材料利用率高，還能夠有效吸收震動(dòng)，使汽車(chē)能有更好的舒適性。

3 鋁合金輪轂的發(fā)展歷程

輕合金一直以來(lái)都是輪轂研究設(shè)計(jì)人員偏好的材料。據(jù)已有的研究成果顯示，相對(duì)于汽車(chē)其他部位質(zhì)量的減輕，輪轂質(zhì)量的減輕對(duì)燃油的節(jié)省效果最為明顯。

1926年，德國(guó)奔馳汽車(chē)公司在歷經(jīng)三年的鉆研后，研發(fā)出采用鉚接鋁輪輞式擠壓成型的輪輻式鋁輪轂，這種鋁制輪轂最初僅用于賽車(chē)制造。而鋁制輪轂在普通汽車(chē)上的廣泛應(yīng)用是在第二次世界大戰(zhàn)之后。此后，鋁制輪轂的研究和生產(chǎn)技術(shù)都有了巨大的飛躍。到了1980年，美國(guó)阿盧馬克斯工程金屬工藝公司與索帕里奧工業(yè)公司合資在阿肯色州費(fèi)耶特維爾市建設(shè)的全球第一個(gè)半固態(tài)模鍛鋁合金輪轂廠建成投產(chǎn)，至此鋁合金輪轂的生產(chǎn)迎來(lái)的一個(gè)全新的變革。這也是鋁合金輪轂現(xiàn)代化應(yīng)用的最初模型。到了1997年，鑄鋁輪轂已經(jīng)達(dá)到50%的市場(chǎng)占有率。時(shí)至今日，大部分汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)都以鋁合金為輪轂結(jié)構(gòu)的主要材料。

4 鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)與造型設(shè)計(jì)

進(jìn)行輪轂造型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，首先要注意的是車(chē)輪安裝面，也就是包括支撐面、中心孔、螺栓孔、螺母座等在內(nèi)的車(chē)輪與輪轂的連接部分的設(shè)計(jì)。螺栓孔的理想設(shè)計(jì)是將螺栓孔擰緊時(shí)力矩能夠均勻地傳遞到安裝面。中心孔的間隙在設(shè)計(jì)時(shí)一定要足夠，這樣才能避免汽車(chē)在惡劣的自然環(huán)境中車(chē)輪和輪轂銹死的情況發(fā)生。還應(yīng)注意減小輪輻和輪輞邊緣的焊接負(fù)荷，減小邊緣部分的剛度，以使邊緣部分即使受到較大沖擊也不至于斷裂，同時(shí)使邊緣部分能夠彎曲變形從而起到緩沖作用。輪輞設(shè)計(jì)時(shí)要注意以輪胎、輪輞壁厚和制動(dòng)系統(tǒng)為依據(jù)，氣門(mén)的位置應(yīng)遠(yuǎn)離輪輞對(duì)焊處，充分考慮其與制動(dòng)鼓、里程表所需的空隙。

以此為基礎(chǔ)，根據(jù)鋁合金材質(zhì)的特點(diǎn)，加強(qiáng)對(duì)鋁合金輪轂造型的設(shè)計(jì)創(chuàng)新，使汽車(chē)能夠在保持其基本性能的基礎(chǔ)上更加美觀。鋁合金汽車(chē)輪轂的制造工藝主要包括鑄造、鍛造、機(jī)加工、打磨拋光、熱處理、涂裝等方式。鑄造和鍛造是將原材料進(jìn)行加工使材質(zhì)成型，這是鋁合金輪轂制造的首要也是基礎(chǔ)步驟。采用不同的鑄造或者鍛造方式制造出來(lái)的輪轂具有很大差別，但是目前因?yàn)榧夹g(shù)和成本等一系列原因，汽車(chē)制造廠商采用最多的還是低壓鑄造方式。對(duì)鋁合金輪轂造型的創(chuàng)新首先要從鍛造或者鑄造方式入手。比如輻板式輪轂的輻板的形狀可以進(jìn)行大膽想象和創(chuàng)新，做一些個(gè)性化的設(shè)計(jì)。輪轂的通風(fēng)口也可以在保證通風(fēng)散熱的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)，比如可以將通風(fēng)口設(shè)計(jì)成汽車(chē)LOGO的鏤空?qǐng)D案等。當(dāng)然，鑄造或者鍛造出的鋁合金輪轂只是一個(gè)半成品，距離美觀還有很大差距。這就需要一系列的后續(xù)工作，比如再對(duì)輪轂進(jìn)行打磨拋光、涂裝等，使輪轂在滿(mǎn)足基本性能的基礎(chǔ)上具有審美效果，打磨拋光使輪轂表面更光潔美觀；而涂裝，最基本的功能是保護(hù)輪轂，在能夠?qū)崿F(xiàn)保護(hù)功能的前提下，可以通過(guò)涂裝顏色的變化，使輪轂看起來(lái)更有個(gè)性。

5 結(jié)語(yǔ)

鋁合金擁有密度低、耐蝕性好、剛性好、儲(chǔ)量高、易加工和易回收利用等特點(diǎn)。隨著目前的汽車(chē)制造界對(duì)汽車(chē)環(huán)保節(jié)能的關(guān)注，汽車(chē)輕量化是未來(lái)包括中國(guó)在內(nèi)的世界汽車(chē)制造的趨勢(shì)，所以，鋁合金材質(zhì)在未來(lái)的汽車(chē)制造行業(yè)中必將發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。輪轂作為汽車(chē)的重要部件之一，通過(guò)對(duì)鋁合金材質(zhì)的應(yīng)用，可以實(shí)現(xiàn)美觀、輕便的功能，進(jìn)而促進(jìn)汽車(chē)行業(yè)不斷向前

發(fā)展。

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作者簡(jiǎn)介：張宏遠(yuǎn)（1985—），男，內(nèi)蒙古赤峰人，諾博橡膠制品有限公司助理工程師。