一種中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪設(shè)計(jì)制造

朱文婧

摘要：本文主要針對(duì)中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)展開研究，簡(jiǎn)述了中空結(jié)構(gòu)靜音的設(shè)計(jì)理論和設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)，以有限元技術(shù)為支撐有針對(duì)性的優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，并對(duì)該輪轂的設(shè)計(jì)實(shí)施方案和制造技術(shù)進(jìn)行了描述，以實(shí)現(xiàn)中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪的制造。

關(guān)鍵詞：靜音車輪;中空結(jié)構(gòu);鋁合金車輪;輪轂設(shè)計(jì)制造

0 ?引言

輪轂是車輛承載的最重要安全部件，在進(jìn)行輪轂的開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，為了滿足輪轂的使用性能和顧客需求，要求輪轂的設(shè)計(jì)開發(fā)既高效又有效，要達(dá)到更高要求，必須做到結(jié)構(gòu)、外觀設(shè)計(jì)和制造技術(shù)的完美結(jié)合。由于安全的原因，我們?cè)阡X輪轂的外觀和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)必須要以滿足安全和使用功能的要求為前提，在汽車的運(yùn)行中每1克輕微的重量在高速行駛中都會(huì)產(chǎn)生極大的力量，無(wú)論是用于賽車的輪轂，還是行駛在普通交通道路上的輪轂，所以在開發(fā)階段盡量爭(zhēng)取最大化的減輕產(chǎn)品重量。為了更大限度地減輕輪轂的質(zhì)量，可以將鋁輪轂設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，通過(guò)合理空腔位置和形狀，既可以保證輪轂的安全性能，又可有效減少鋁材用量。

同時(shí)，汽車行駛過(guò)程胎噪過(guò)大一直是一個(gè)行業(yè)未能解決的難題，以往的方式多為改變輪胎結(jié)構(gòu)降噪，為提升輪轂產(chǎn)品的附加值，可以考慮在輪轂上開發(fā)相應(yīng)降噪功能，通過(guò)在輪輞上加裝消音器使車輪總成振動(dòng)頻率提高，避免車輪在行駛過(guò)程中形成共振、產(chǎn)生刺耳噪音。

1 ?設(shè)計(jì)思路

中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音輪轂的主要設(shè)計(jì)思路是將空腔構(gòu)造的理論準(zhǔn)則應(yīng)用到輪轂設(shè)計(jì)中更大限度地減輕鋁輪轂的質(zhì)量，提高輪轂的使用性能，研究根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的原理，將鋁輪轂的輪輻及內(nèi)外輪緣凸肩處設(shè)計(jì)成空腔結(jié)構(gòu);同時(shí)結(jié)合市場(chǎng)關(guān)注熱度，增加靜音附加性能，以深槽凸臺(tái)輪輞靜音配置，在輪輞的外壁深槽位置設(shè)置總環(huán)形凹槽，并在總環(huán)形凹槽中設(shè)置降噪凹槽，用于安裝固定降噪塊;此外，關(guān)注該結(jié)構(gòu)產(chǎn)品可能出現(xiàn)的干涉情況，將氣門嘴設(shè)置在輪輻區(qū)域，便于輪胎充氣操作。

2 ?結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于以上設(shè)計(jì)思路，提出以下設(shè)計(jì)方案：

如圖1、圖2為設(shè)計(jì)的中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪的結(jié)構(gòu)示意圖，包括輪輞1、多個(gè)輪輻2和轂部3，轂部3的中心成型有中心孔31，中心孔31周圍的轂部3上成型有以中心孔31為中心均布的多個(gè)螺栓孔32，孔中壓裝襯套33。

輪輻2一端成型在轂部3上、另一端成型在輪輞1上，輻條2的外側(cè)壁上成型的氣門孔21的外端內(nèi)側(cè)壁上具有環(huán)形安裝凹槽23。

輪輞1外側(cè)處成型有環(huán)形部100，環(huán)形部100的端部通過(guò)焊接固定在輪輞1的外側(cè)壁處，環(huán)形部100與輪輞1的外側(cè)之間形成環(huán)形空腔4，輪輻2與輪輞1連接處具有通孔11，通孔11與輪輻2中成型有的內(nèi)空腔5相通，環(huán)形部100覆蓋通孔11，內(nèi)空腔5與環(huán)形空腔4相通;其中一個(gè)輻條2靠近輪輞1的一端處的外側(cè)壁上成型有氣門孔21，氣門孔21與內(nèi)空腔5相通，環(huán)形部100處于此輻條2處成型有充氣小孔22，充氣小孔22與環(huán)形空腔4相通;

輪輞1外側(cè)壁的中部具有總環(huán)形凹槽20，總環(huán)形凹槽20的中部具有環(huán)形凸起圈201，環(huán)形凸起圈201與總環(huán)形凹槽20靠近輪輞1的內(nèi)輪緣13的一側(cè)壁之間形成降噪凹槽202，降噪凹槽202中卡置固定有多個(gè)降噪塊30。環(huán)形凸起圈201上具有多個(gè)凹槽211，降噪塊30為弧形降噪塊，每個(gè)降噪塊30的側(cè)壁具有彈性卡置部31，彈性卡置部31卡置在對(duì)應(yīng)的凹槽211中。

其制作時(shí)，通過(guò)將輪轂的輪輻2及內(nèi)外輪緣凸肩處設(shè)計(jì)成空腔結(jié)構(gòu)，直接進(jìn)行鑄造，鑄造時(shí)將輪輻2部分鑄造成中空即內(nèi)空腔5，而輪輻2與輪輞1連接部分具有通孔11，并在輪轂的輪輞1肩部鑄造出可用來(lái)形成空腔的部分即環(huán)形空腔4，再利用旋壓使輪轂的輪輞1肩外側(cè)形成的環(huán)形部100下壓，環(huán)形部100焊接在輪輞1的外側(cè)的輪緣凸肩處，從而將輪輞1外壁處形成環(huán)形空腔4和處于輻條2處的內(nèi)空腔5，內(nèi)空腔5和環(huán)形空腔4連通。

3 ?設(shè)計(jì)開發(fā)流程與制造技術(shù)

產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)的主要方法和流程是，利用實(shí)體建模軟件（如UG）展開實(shí)體建模，將輪轂由方案變?yōu)?D數(shù)字模型，建立實(shí)體模型圖后，對(duì)有限元網(wǎng)格進(jìn)行規(guī)劃及計(jì)算，并建立的實(shí)體模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，對(duì)實(shí)體模型有限元進(jìn)行預(yù)處理，形成網(wǎng)格規(guī)劃，利用CAE軟件（如Hyperworks）實(shí)現(xiàn)網(wǎng)格規(guī)劃，定義網(wǎng)格尺寸為10mm，進(jìn)行輪轂的應(yīng)力分析，模擬車輛在良好路面行駛時(shí)輪轂所受到的來(lái)自汽車自重的徑向（垂直面）載荷、車輛在某個(gè)車速下高速巡航并緊急制動(dòng)時(shí)與地面產(chǎn)生的瞬間制動(dòng)力形成的一個(gè)扭矩載荷、車輛緊急轉(zhuǎn)向以及顛簸不平和傾斜路面時(shí)的受力等，根據(jù)分析的應(yīng)力集中情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)和重量的優(yōu)化設(shè)計(jì);優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，采用3D打印技術(shù)制造出輪轂的實(shí)物模型，進(jìn)行實(shí)物評(píng)審;完成鑄造模具的設(shè)計(jì)，利用CAE軟件（如MAGMA）進(jìn)行鑄造過(guò)程模擬分析，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和工藝方案設(shè)計(jì);制造并試驗(yàn)?zāi)＞?，生產(chǎn)制造出真正的樣輪;對(duì)制造出來(lái)的樣輪進(jìn)行各種性能試驗(yàn)和路試。

中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪采用特殊結(jié)構(gòu)的鑄造模具，輪輻鑄造成中空，并在輪轂內(nèi)外輪輞肩部鑄造出可用來(lái)形成空腔的部分，利用旋壓成形技術(shù)，使輪轂內(nèi)外輪輞肩內(nèi)部形成空腔的形狀，輪輻內(nèi)部的空腔與外輪輞肩內(nèi)部的空腔焊接在一起，將輪轂內(nèi)外輪輞肩內(nèi)部變成封閉的空腔;針對(duì)靜音輪輞結(jié)構(gòu)設(shè)置特殊冷卻設(shè)計(jì)，改進(jìn)產(chǎn)品輪輞毛坯結(jié)構(gòu)，使此部位內(nèi)部組織優(yōu)化，解決縮松缺陷;通過(guò)車加工程序設(shè)計(jì)在保證車輪耐疲勞性能以及機(jī)械性能的前提下在深槽部位增加一體化卡環(huán)以安裝消音設(shè)備，在輪子單元運(yùn)行過(guò)程中吸收輪轂噪音，達(dá)到靜音優(yōu)化的效果。

為了產(chǎn)品鑄造過(guò)程質(zhì)量可靠，在制造過(guò)程對(duì)鑄造模具的冷卻環(huán)裝置也做了改進(jìn)（見圖3、圖4），鑄造模具的背面中部開有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的底面上成型有多個(gè)冷卻氣孔，冷卻環(huán)上通接有多個(gè)豎直吹風(fēng)管;該冷卻環(huán)包括多個(gè)同心的環(huán)體，相鄰兩個(gè)環(huán)體之間通過(guò)中間連接管相連通;相鄰兩個(gè)環(huán)體之間具有環(huán)形空隙，環(huán)形空隙對(duì)應(yīng)的環(huán)形凹槽的底面上固定有連接螺母。該裝置中螺帽焊接在模具背面的空檔位置，壓塊壓住兩端氣管，采用固定螺栓實(shí)現(xiàn)冷卻環(huán)與模具連接，其無(wú)需焊接，螺絲擰緊即可，安裝拆卸方便，即提高冷卻環(huán)使用壽命，減少破損和變形的可能，保證了冷卻環(huán)的冷卻工作質(zhì)量，解決原本受空間和位置影響采用的電焊連接方式，拆卸時(shí)用磨光機(jī)進(jìn)行切割，安裝時(shí)再用電焊固定，導(dǎo)致氣管經(jīng)常出現(xiàn)破損和變形的問題，從而提高產(chǎn)品鑄造合格率。

4 ?設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本設(shè)計(jì)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

①研究設(shè)計(jì)的中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪，輪輞上設(shè)置環(huán)形空腔、每個(gè)輪輻中設(shè)置隨形內(nèi)空腔，并根據(jù)空腔與中心軸的距離的調(diào)整來(lái)優(yōu)化剛性，在保證輪轂承載性能和剛性的同時(shí)，能有效減輕輪轂重量10%以上;

②研究設(shè)計(jì)的中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪，在輪輞深槽部位精密加工出一體化凸出卡臺(tái)以安裝消音設(shè)備，在車輛運(yùn)行過(guò)程中吸收輪胎噪音，可降低噪音 15dB 左右;同時(shí)該結(jié)構(gòu)輪輞深槽部位最薄3.8mm，比同尺寸鑄造產(chǎn)品壁厚薄約0.7mm，進(jìn)一步提升輕量化效果;

③研究設(shè)計(jì)的中空結(jié)構(gòu)輕量化靜音車輪，氣門孔設(shè)置在輪輻上，日常輪胎充氣等操作便捷。

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