鋁合金輪轂造型設(shè)計(jì)及過程開發(fā)

李玉升

(濱州盟威戴卡輪轂有限公司，山東濱州 256606)

0 引言

隨著社會(huì)的發(fā)展、人們消費(fèi)水平的提高，汽車的代步功能不再是決定消費(fèi)者購買的唯一因素，一輛漂亮的汽車更能吸引消費(fèi)者的關(guān)注。輪轂在汽車外觀中發(fā)揮著重要的裝飾作用，同時(shí)它也是汽車行駛系統(tǒng)的重要安全部件，考慮到它的功能的特殊性，其外觀設(shè)計(jì)不僅要考慮藝術(shù)性，同時(shí)它必須符合產(chǎn)品的性能及使用要求[1]。一件優(yōu)秀的產(chǎn)品不僅僅是停在滿足使用上，還需要有對應(yīng)的外觀進(jìn)行包裝，擁有美麗炫酷外觀的產(chǎn)品往往更能夠激起消費(fèi)者的購買欲望。因此在輪轂設(shè)計(jì)過程中，對應(yīng)美的把握是十分重要的，在滿足輪轂性能要求前提下，需要把美學(xué)觀點(diǎn)和藝術(shù)處理手法充分地融合在整個(gè)過程中以便提升產(chǎn)品的突出性[2]。

1 輪轂造型設(shè)計(jì)目標(biāo)

隨著汽車的發(fā)展，汽車輪轂的材質(zhì)也在不斷地發(fā)生變化。目前輪轂材質(zhì)一般有鋼制輪轂、鋁合金輪轂、鎂合金輪轂。鋼輪轂多配以白銀或黑色涂層，外形單調(diào)，通常加裝塑料裝飾罩提高美觀度，成本低廉。鋁合金輪轂一般采用重力鑄造、低壓鑄造、旋壓、鍛造等工藝成型，造型多樣，配以鮮亮的銀色、白色、紅色、灰色、黑色等涂層，成本稍高。鎂合金輪轂既有鋁合金輪轂造型多樣、顏色豐富的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有其他材質(zhì)不具備的質(zhì)量輕的特點(diǎn)，但成本較高。

輪轂的生產(chǎn)工藝最大限度地確定了產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特性以及產(chǎn)品可輕量化的程度，如鍛造、HLT旋壓工藝生產(chǎn)的鋁合金輪轂比同尺寸的低壓鑄造輪轂輕3～4 kg，未來車輪行業(yè)競爭的核心是產(chǎn)品輕量化、高強(qiáng)度化。而當(dāng)今全球最高的車輪制造技術(shù)水平，仍被以歐、美、日為代表的著名車輪集團(tuán)掌握著，如變形硬化輪輞技術(shù)、輪輻中空技術(shù)等[3]。

作為汽車整體外觀的一部分，汽車輪轂的造型設(shè)計(jì)要與整車外觀造型設(shè)計(jì)風(fēng)格相匹配。每個(gè)汽車品牌都有自己的設(shè)計(jì)風(fēng)格，如奔馳的舒適、寶馬的穩(wěn)定操控、保時(shí)捷永遠(yuǎn)以運(yùn)動(dòng)為本、大眾的物美價(jià)廉[4]。

設(shè)計(jì)風(fēng)格、輪轂材質(zhì)、尺寸、外觀工藝、生產(chǎn)工藝的設(shè)定和輸入在一定程度上明確了輪轂造型的設(shè)計(jì)方向，結(jié)合輪轂的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、配套車型、目標(biāo)客戶群的審美特點(diǎn)和汽車品牌的文化特征，確定輪轂造型設(shè)計(jì)的目標(biāo)：(1)滿足結(jié)構(gòu)性能要求；(2)按車型選定車輪結(jié)構(gòu)尺寸；(3)結(jié)合品牌文化的美觀造型；(4)彰顯用戶心理特征；(5)可制造加工性[5]。

2 造型設(shè)計(jì)及開發(fā)

輪轂的造型開發(fā)一般是先由OEM(Original Equipment Manufacturer)設(shè)計(jì)師根據(jù)設(shè)計(jì)目標(biāo)完成正面造型設(shè)計(jì)，然后輸出給輪轂供應(yīng)商。輪轂供應(yīng)商根據(jù)輸入的正面造型、主要參數(shù)(輪轂大小、輪寬、螺栓孔數(shù)量及節(jié)圓直徑、偏距、中心孔尺寸、整車質(zhì)量、剎車線型、裝飾帽尺寸等)、成型工藝等完成整個(gè)輪轂3D數(shù)據(jù)的設(shè)計(jì)。其中輪輞的設(shè)計(jì)按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定選用與整車要求相配的輪輞規(guī)格，輪心的設(shè)計(jì)則根據(jù)輪轂與車橋車軸上的安裝盤等安裝定位要求進(jìn)行確定。

同一款車型開發(fā)的低配、中配、高配、特別版等都會(huì)配置不同的輪轂以滿足不同消費(fèi)群體的需求，配置越高，輪轂尺寸越大，顏色外觀越突出。也有用同一輪轂不同加工狀態(tài)或不同顏色來區(qū)分不同配置(見圖1)，也有的使用同一造型不同規(guī)格來區(qū)分。

圖1 同一輪轂用顏色來區(qū)分不同配置

現(xiàn)在私人定制正在興起，不少OEM設(shè)計(jì)師也在這方面進(jìn)行了考慮，如設(shè)計(jì)專門標(biāo)簽、機(jī)械刻字、激光刻字或正面鑄字等，給客戶新穎的感覺，迎合客戶的心理需求，如圖2所示。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，有限元分析已成為求解科學(xué)技術(shù)和工程問題的有力工具。輪轂的設(shè)計(jì)中也開始普遍使用，通過FEA分析可調(diào)整產(chǎn)品受力結(jié)構(gòu)、完善輕量化設(shè)計(jì)等。

ANSYS是一款使用較廣泛的有限元分析軟件，具有較強(qiáng)大的求解和處理功能。在做分析時(shí)，需要確定使用的分析系統(tǒng)，彎曲和徑向疲勞分析選擇“Static Structural”、沖擊選擇“Workbench LS-DYNA”，然后選擇材料等試驗(yàn)條件、導(dǎo)入模型并進(jìn)行細(xì)節(jié)處理，再進(jìn)入運(yùn)行系統(tǒng)中設(shè)置各種參數(shù)，最后進(jìn)行求解。求解完成后將結(jié)果與設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)比較，不滿足要求的根據(jù)分析結(jié)果調(diào)整造型，再做有限元分析直至滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。圖3—圖4所示為一個(gè)輪轂的有限元分析示例。

滿足了設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)后，下一步需要進(jìn)一步減重。減重位置選擇在對抗擊能力有富余的地方實(shí)施，比如輪輻根部、法蘭斜面等位置(見圖5)，需要根據(jù)具體的模型實(shí)行。實(shí)施設(shè)計(jì)減重后還必須能夠滿足有限元分析標(biāo)準(zhǔn)的要求，這是一個(gè)反復(fù)調(diào)整優(yōu)化的過程，最終目的就是為了得到既能滿足使用要求、同時(shí)質(zhì)量又最輕的輪轂。

圖2 考慮私人定制的輪轂

圖3 模型小線段處理

圖4 輪轂的彎曲分析示例

圖5 法蘭斜面及輪輻根部掏空減重

3 實(shí)物過程開發(fā)

在輪轂造型基本定型后，通常OEM廠商會(huì)訂購木模進(jìn)行確認(rèn)，木模材質(zhì)多為ABS工程塑料或鋁材。確認(rèn)通過后，輪轂供應(yīng)商會(huì)開發(fā)模具，周期大約1個(gè)月。模具開發(fā)完成后，輪轂供應(yīng)商組織樣品試制生產(chǎn)，并按照客戶標(biāo)準(zhǔn)完成一系列的內(nèi)部檢測檢驗(yàn)，如尺寸檢測、機(jī)械性能/金相檢測、沖擊試驗(yàn)、彎曲試驗(yàn)、顏色檢驗(yàn)等。在內(nèi)部樣品檢查檢測合格后發(fā)送OEM主機(jī)廠裝車做實(shí)物認(rèn)證，包括漆膜耐腐蝕性試驗(yàn)、裝車效果對比、安裝到工程車上進(jìn)行路試等，如圖6—圖7所示。

圖6 13°沖擊試驗(yàn)后噴涂滲透劑進(jìn)行確認(rèn)

圖7 彎曲試驗(yàn)后噴涂滲透劑進(jìn)行確認(rèn)

因整車匹配的需求，輪轂的造型、顏色等會(huì)有持續(xù)性的修改，在每次造型修改時(shí)都需要進(jìn)行FEA分析，以確保修改后實(shí)物滿足工程性能的使用要求。在最終輪轂數(shù)據(jù)凍結(jié)后，輪轂供應(yīng)商會(huì)組織進(jìn)行小批試生產(chǎn)，驗(yàn)證生產(chǎn)工藝穩(wěn)定性，對生產(chǎn)過程中的難點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)，為后續(xù)批量穩(wěn)定供貨打下基礎(chǔ)。

4 結(jié)論

越來越多的消費(fèi)者在買汽車時(shí)關(guān)注輪轂，一款外觀好看炫酷的輪轂?zāi)軌蚶瓌?dòng)整車的銷售。同時(shí)私人訂制和改裝市場的迅速發(fā)展，推動(dòng)了輪轂造型設(shè)計(jì)的持續(xù)創(chuàng)新。

參考文獻(xiàn):

[1]孫利．輪轂造型設(shè)計(jì)中的形式構(gòu)成與意境營造研究[D].保定:河北大學(xué)，2006.

[2]康淑賢．汽車輪轂造型與輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D].泉州:華僑大學(xué)，2013.

[3]中國產(chǎn)業(yè)信息網(wǎng)．2017年中國汽車鋁合金車輪行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢分析[Z/OL].http://www.chyxx.com/industry/201708/549470.html,2017-08-21.

[4]虞詠天．名車鑒賞寶典[M]．上海:上海科學(xué)技術(shù)出版社，2006:33-40.

[5]閆勝昝，劉偉鵬．基于有限元分析的鋁合金輪轂造型設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì)，2014(10)：109-112.

YAN S Z,LIU W P.Modeling Design of Alluminium Alloy Wheel Based on Finite Element Analysis Method[J].Journal of Machine Design,2014(10)：109-112.