汽車輪轂輕量化方法研究

閆龍龍

摘?要：輪轂被稱作汽車的鞋子，起著支撐汽車質(zhì)量、驅(qū)動汽車行駛等重要作用。輪轂的輕量化對環(huán)境的保護，資源的節(jié)約顯得尤為重要，本文通過對前人對輪轂強量化的總結(jié)，以及結(jié)合自己的研究，探討了幾種關(guān)于輪轂輕量化的方法，期望能進一步推動輪轂輕量化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車輪轂;輕量化;方法

隨著我國制造業(yè)的迅速發(fā)展，截止到2018年6月底，我國汽車的保有量已達2.19億輛。伴隨著發(fā)展的同時，能源危機和環(huán)境污染問題也接踵而至。在眾多的節(jié)能減排的舉措中，汽車輕量化是優(yōu)先考慮的方式，[1]通過大量實驗表明，汽車的質(zhì)量每減少10%，油耗較少6%-8%，排氣量減少4%。輪轂作為輪轂重要的部件，起承載、驅(qū)動等重要作用。[2]輪轂的好壞直接影響著汽車的行駛安全，其輕量化也直接影響到汽車的節(jié)能減排。[3、4]本文主要探討了幾種常見的輪轂輕量化方法。

1 減少輪轂尺寸

根據(jù)我國轎車的分類，轎車可分為微型轎車、小型轎車、緊湊型轎車、中型轎車、大中型轎車和大型轎車。車型的不同價格也存在著巨大的差距，微型車一般都在五萬左右，輪轂一般在13寸或14寸，而大型車一般都在百萬以上，輪轂尺寸在19寸或20寸左右，筆者調(diào)研了長安鈴木尺寸不同的同款輪轂，尺寸分別為15寸和16寸，質(zhì)量可減少一公斤左右。

2 使用輕質(zhì)材料

輪轂的材料主要分為鋼、合金、碳纖維等。

最早使用的輪轂材料為鋼制輪轂，這種輪轂強度高、抗沖擊能力強、造價低，一般用于承載量大、造價低的汽車，但該輪轂是現(xiàn)有輪轂中質(zhì)量最大的輪轂且造型單一，一般使用鋼輪轂的轎車都會在其輪轂上加一個輪轂蓋，以增加其美觀度。

合金輪轂應(yīng)用最多的是鋁合金輪轂，主要用于中高端汽車，隨著技術(shù)的進步，在更高級的汽車上還會用到鎂合金、鈦合金輪轂。鋁合金輪轂是現(xiàn)在市面上最常見的輪轂，其特點散熱性好、造型款式多樣、高速行駛時阻力小、變形小，而且質(zhì)量小、油耗少。而鎂合金質(zhì)量更加輕、油耗更低，但由于其造價高，只在極少數(shù)賽車上使用。

碳纖維輪轂分為兩種，一種是純碳纖維還有一種是碳纖維和鋁合金混合而成。碳纖維輪轂的優(yōu)點是：強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、造型豐富多樣而且質(zhì)量極輕，同尺寸的純碳纖維輪轂比鋁合金輪轂質(zhì)量要輕40%，混合碳纖維輪轂也比鋁合金輪轂輕25%。

3 采用先進的加工工藝

在輪轂制造工藝中，低壓鑄造是最常見的鑄造方式，日本的豐田汽車公司、美國福特汽車公司等均采用此工藝生產(chǎn)鋁輪轂。低壓鑄造是用干燥的空氣將鋁液自上而下注入鑄造機中，等到鋁液干燥凝固以后，釋放壓力，完成鑄造。由于低壓鑄造是在壓力下完成鑄造，所以其松縮少、密致性高。

充氧壓鑄法是使壓室和壓型型腔內(nèi)的金屬液相間的空間充滿氧氣，在高壓下進行壓鑄，氧氣通過排氣閥排出型腔外，在高壓下，未能排出的氧氣與鋁液發(fā)生氧化反應(yīng)，形成細小鋁粒，散布在輪轂內(nèi)部，使輪轂內(nèi)不產(chǎn)生氣孔。用充氧壓鑄法鑄造的輪轂氣密性好、抗疲勞性強、拉伸強度良好，含氣量是普通鑄造輪轂的十分之一。另外用充氧壓鑄法鑄造的輪轂比用傳統(tǒng)鋳造法鑄造的輪轂質(zhì)量輕15%。

鍛造是一種比鑄造更加高級的工藝，鍛造是將鋁合金胚料，通過鍛造機的巨大壓力，產(chǎn)生形變，壓成想要的形狀。然后對壓制成型的粗胚進行一系列的精加工處理，形成各項性能都符合要求的輪轂。鍛造產(chǎn)品不僅比鑄造產(chǎn)品更加堅固、更硬，重量也更輕。鍛造的輪轂各方面性能以及其強量化更適合輪轂使用，但也由于其復(fù)雜的制造工藝，導(dǎo)致其高昂的價格，一些工藝及其復(fù)雜的鍛造輪轂價格可能是鑄造輪轂的數(shù)十倍，這也導(dǎo)致了鍛造輪轂一般只能用于高端汽車或者跑車上。

鑄造輪轂價格低廉但強度、抗疲勞性等各項性能相對于鍛造輪轂都有所欠缺，而鍛造輪轂卻是價格高昂，旋壓技術(shù)輪轂便是解決了這種矛盾。旋壓技術(shù)準確的講也是鑄造技術(shù)的一種，旋壓技術(shù)其實是將鑄造出來的輪轂粗胚會被專用的設(shè)備對其受力處進行旋轉(zhuǎn)加壓處理，使鑄造輪轂受力處的位置的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，呈現(xiàn)出比鑄造輪轂密度更高的纖維狀，使金屬力學(xué)得到改變，增加了強度。這樣就可以將輪轂做得更輕、更薄，重量最高可以比鑄造鋁合金輪轂降低15%，但其強度卻可以媲美鍛造輪轂。

4 采用計算機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計

隨著科學(xué)技術(shù)的進步，現(xiàn)在的設(shè)計以不單純的靠手繪效果圖、憑經(jīng)驗去任意修改，而是通過計算機輔助設(shè)計，可以很直觀的在計算機上對設(shè)計的物體進行修改，減少工作量，縮短時間，在進行結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中，有限元分析是最常用的技術(shù)手段，在輪轂的設(shè)計中，可以通過對輪轂進行載荷施加，模擬輪轂真實受力情況，系統(tǒng)會根據(jù)受力情況會對輪轂強度等各方面性能做出相應(yīng)的分析，而設(shè)計師便可以根據(jù)分析結(jié)果對輪轂更加合理的修改，避免設(shè)計的盲目性，是設(shè)計更加合理。

隨著發(fā)展，拓撲優(yōu)化以成為輕量化設(shè)計的又一重要手段，筆者通過對奔馳S560輪轂進行拓撲優(yōu)化，在保證各方面性能合理的基礎(chǔ)上，使其質(zhì)量減輕了2千克。

5 小結(jié)

綜上所述，現(xiàn)階段輪轂輕量化方法主要包括減少輪轂尺寸、使用輕質(zhì)材料、采用先進的加工工藝、采用計算機進行結(jié)構(gòu)設(shè)計等四種方法，輪轂的設(shè)計不僅要追求造型的新穎，也要主要結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，相信在未來會出現(xiàn)強度高、價格低、質(zhì)量輕、造型更加優(yōu)美的輪轂。

參考文獻：

[1]李宏禹.汽車輪轂造型與結(jié)構(gòu)設(shè)計一體化方法研究[D].燕山大學(xué)，2009.

[2]張治民，張星，王強，李保成，等.重型車輛傳動行動構(gòu)件輕量化設(shè)計研究[J].機械工程學(xué)報，2012，49（18），67-70.

[3]王霄峰，王波，趙震偉，管迪華.汽車車輪結(jié)構(gòu)強度分析[J].機械強度，2002（01）.

[4]周瑜慶.鎂合金車輪疲勞壽命預(yù)測與優(yōu)化設(shè)計[D].重慶大學(xué)，2008.