鋁合金輪轂的造型設(shè)計與結(jié)構(gòu)研究

摘要：當(dāng)前，隨著世界各國對環(huán)境和資源問題的關(guān)注度的持續(xù)升高，能源問題已經(jīng)成為汽車工業(yè)面臨的最重要的問題之一。各大汽車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。而輪轂作為汽車的重要部件之一，其材料的選擇對汽車的性能和質(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)計和結(jié)構(gòu)研究。

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

中圖分類號：TB476 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：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。并且隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，鋁合金有著越來越豐富的應(yīng)用空間。在汽車制造業(yè)中，鋁合金材料的運用可以使汽車自身重量大大降低，并且能夠提升汽車性能，提高行駛速度，所以鋁合金已經(jīng)越來越多地運用到汽車制造業(yè)中。本文就鋁合金在汽車輪轂中的應(yīng)用做簡要探討。

1 汽車輪轂的結(jié)構(gòu)

輪轂是介于汽車半軸和輪胎之間的用于承受汽車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、中心線、通風(fēng)口等。但是組成輪轂最主要的兩個部件還是輪輞和輪輻。輪轂通過輪輞與輪胎配合的同時還通過輪輻與車橋連接，從而實現(xiàn)輪轂承載、行駛、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動和制動等作用。

1.1 輪輞

輪輞，俗稱輪圈，是車輪周邊安裝輪胎的部件，輪輞的規(guī)格很重要，因為它直接決定汽車可以用哪些輪胎。常見的輪輞形式主要有深槽輪輞、平底輪輞、對開式輪輞、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)計和制造都有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)，這關(guān)系著設(shè)計制造出來的輪輞是否能夠與輪胎的使用相配合。就目前而言，我國的輪輞在生產(chǎn)時都是按照按國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3487-2005來生產(chǎn)。

1.2 輪輻

輪輻介于輪輞和車軸之間，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達(dá)到支撐重力。輻條式輪轂的優(yōu)點是通風(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)用多見于高級轎車和賽車，很少應(yīng)用在普通汽車上。在普通的汽車中應(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。

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)計和制造的時候可以多種多樣，并沒有統(tǒng)一的要求。

2 鋁合金輪轂的性能

輕便、散熱、美觀向來是評價汽車輪轂質(zhì)量優(yōu)劣的標(biāo)準(zhǔn)，而經(jīng)過大量的實踐證明，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，所以很適合用來制造汽車輪轂。除此之外，鋁合金材料用于輪轂制造還有以下優(yōu)勢：

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，比如慣性小，這不僅能夠提高汽車的加速度，使汽車具有更好的起步性能，還大大改善了汽車的制動性能，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輪轂制造，可以大大提高汽車制動系統(tǒng)的散熱性能，使剎車制動時產(chǎn)生的大量熱量能迅速釋放，這樣不僅能夠避免因為剎車頻率過高導(dǎo)致剎車失靈的現(xiàn)象，提高汽車的安全系數(shù)，還能夠延長輪胎的使用年限。

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，使汽車能有更好的舒適性。

3 鋁合金輪轂的發(fā)展歷程

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

1926年，德國奔馳汽車公司在歷經(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制造。而鋁制輪轂在普通汽車上的廣泛應(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耶特維爾市建設(shè)的全球第一個半固態(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)迎來的一個全新的變革。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%的市場占有率。時至今日，大部分汽車生產(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

進(jìn)行輪轂造型結(jié)構(gòu)設(shè)計時，首先要注意的是車輪安裝面，也就是包括支撐面、中心孔、螺栓孔、螺母座等在內(nèi)的車輪與輪轂的連接部分的設(shè)計。螺栓孔的理想設(shè)計是將螺栓孔擰緊時力矩能夠均勻地傳遞到安裝面。中心孔的間隙在設(shè)計時一定要足夠，這樣才能避免汽車在惡劣的自然環(huán)境中車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，同時使邊緣部分能夠彎曲變形從而起到緩沖作用。輪輞設(shè)計時要注意以輪胎、輪輞壁厚和制動系統(tǒng)為依據(jù)，氣門的位置應(yīng)遠(yuǎn)離輪輞對焊處，充分考慮其與制動鼓、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，加強(qiáng)對鋁合金輪轂造型的設(shè)計創(chuàng)新，使汽車能夠在保持其基本性能的基礎(chǔ)上更加美觀。鋁合金汽車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的輪轂具有很大差別，但是目前因為技術(shù)和成本等一系列原因，汽車制造廠商采用最多的還是低壓鑄造方式。對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，做一些個性化的設(shè)計。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，比如可以將通風(fēng)口設(shè)計成汽車LOGO的鏤空圖案等。當(dāng)然，鑄造或者鍛造出的鋁合金輪轂只是一個半成品，距離美觀還有很大差距。這就需要一系列的后續(xù)工作，比如再對輪轂進(jìn)行打磨拋光、涂裝等，使輪轂在滿足基本性能的基礎(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，可以通過涂裝顏色的變化，使輪轂看起來更有個性。

5 結(jié)語

鋁合金擁有密度低、耐蝕性好、剛性好、儲量高、易加工和易回收利用等特點。隨著目前的汽車制造界對汽車環(huán)保節(jié)能的關(guān)注，汽車輕量化是未來包括中國在內(nèi)的世界汽車制造的趨勢，所以，鋁合金材質(zhì)在未來的汽車制造行業(yè)中必將發(fā)揮越來越重要的作用。輪轂作為汽車的重要部件之一，通過對鋁合金材質(zhì)的應(yīng)用，可以實現(xiàn)美觀、輕便的功能，進(jìn)而促進(jìn)汽車行業(yè)不斷向前

發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 王祝堂.鋁合金輪轂工業(yè)的發(fā)展[J].輕合金加工

技術(shù)，1994，（3）.

[2] 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)，2010.

[3] 郄彥輝.鋁合金車輪的結(jié)構(gòu)分析及優(yōu)化[D].河北

工業(yè)大學(xué)，2003.

[4] 王周軍.鋁合金汽車車輪的強(qiáng)度分析及優(yōu)化[D].

河北工業(yè)大學(xué)，2004.

作者簡介：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。