淺析鋁合金輪轂和新型碳纖維輪轂

摘 要：按照材質(zhì)來分，輪轂可以分為鋼質(zhì)輪轂、鋁合金輪轂和碳纖維輪轂，鋼質(zhì)輪轂與鋁合金輪轂各有特點(diǎn)，碳纖維輪轂是一種新興的汽車輪轂，它的質(zhì)量輕、強(qiáng)度高、噪聲小，隨著技術(shù)的進(jìn)步，如果能得到更廣的應(yīng)用，將對汽車的輕量化和節(jié)能減排做出突出的貢獻(xiàn)。

關(guān)鍵詞：碳纖維輪轂；鋼質(zhì)輪轂；鋁合金輪轂；節(jié)能減排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.055

輪轂是輪胎內(nèi)廓支撐輪胎的圓桶形的、中心裝在軸上的金屬部件，按照成型方式和材料的不同，輪轂的種類繁多。按照材質(zhì)來分，輪轂可以分為鋼質(zhì)輪轂、鋁合金輪轂和碳纖維輪轂。鋼制輪轂承壓能力很強(qiáng)（大貨車和大客車全用鋼圈），韌性好，輕微變形后會(huì)自動(dòng)恢復(fù)，耐金屬疲勞能力比較強(qiáng)，價(jià)格低廉。

1 鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)

與鋼材料的汽車輪轂相比，鋁合金輪轂的優(yōu)點(diǎn)的密度小，比較輕，可以提高汽車的燃油利用率，有助于節(jié)能減排，推廣鋁合金輪轂對于節(jié)能減排、低碳生活具有重要意義。與鋼質(zhì)汽車輪轂相比，鋁的熱導(dǎo)率較高，在同等條件下，鋁合金輪轂的散熱性能要優(yōu)于鋼質(zhì)輪轂。鋁合金輪轂比鋼質(zhì)輪轂更加時(shí)尚美觀。鋁合金輪轂是應(yīng)用最廣泛的一種輪轂，它的優(yōu)點(diǎn)突出，鋁合金輪轂的密度小、輕量化效果好、熱導(dǎo)率高、可靠性強(qiáng)、外觀比較炫目，市場巨大同時(shí)技術(shù)相對成熟的一種輪轂。

鋁合金材料的彈性模數(shù)不大，對于振動(dòng)的抵抗能力比鋼材料輪轂要好，這就導(dǎo)致在車輛行駛的過程中，鋁合金輪轂車輛傳導(dǎo)到座位的振動(dòng)幅度就比較小，增加了汽車的乘坐性。在外觀方面，鋁合金材料的輪轂也比鋼材料的輪轂有優(yōu)勢，鋼材料的輪轂如果外面不包塑料殼的話，結(jié)構(gòu)形狀比較單一，顏色也比較單一，對消費(fèi)者的吸引力不高。

2 鋁合金輪轂的發(fā)展歷程

1920年左右，鋁合金輪轂就第一次在世界上出現(xiàn)了，到了1948左右，鋁合金輪轂被工程人員應(yīng)用到了汽車中，然后慢慢出現(xiàn)了通過鑄造成型生產(chǎn)的整體式的鋁合金輪轂。1970年之后，國外在汽車上越來越多的使用鋁合金輪轂。我國對于鋁合金輪轂的研究主要開始于上世紀(jì)八十年代，制造商開始制造鋁合金輪轂，隨著我國汽車市場的迅猛發(fā)展，也帶動(dòng)了汽車零件行業(yè)的快速起飛，我國對于汽車的生產(chǎn)和消費(fèi)水平都在世界上位于前列，我國鋁合金輪轂的生產(chǎn)水平也就不斷的飛越式發(fā)展。

3 新型的碳纖維材料輪轂

3.1 碳纖維的性能優(yōu)勢

目前為止，鋼質(zhì)輪轂和鋁合金輪轂是技術(shù)比較成熟、市場應(yīng)用也比較多的兩種輪轂，除了這兩種比較常見的輪轂外，還有一種新型的、市場前景廣闊的輪轂，即碳纖維輪轂。碳纖維是一種新型的性能優(yōu)異的功能材料，近些年來，學(xué)者和工程師們對碳纖維進(jìn)行了持續(xù)的研究和應(yīng)用，在汽車輪轂上，也進(jìn)行了研究和應(yīng)用。碳纖維的結(jié)構(gòu)比較特殊，與金屬相比，碳纖維的密度非常小，在輕量化上有極其突出的優(yōu)勢。但同時(shí)，碳纖維的機(jī)械性能卻同樣突出，與鋼鐵相比，碳纖維的機(jī)械性能也不遜色，甚至還要更好，是一種性能突出、適宜于輕量化應(yīng)用的新型纖維材料。

3.2 碳纖維輪轂的應(yīng)用前沿

2018年2月，中國完全自主研發(fā)出第一條百噸級T1000碳纖維生產(chǎn)線。事實(shí)上除了輪轂才外，一些擁有相當(dāng)先進(jìn)的碳纖維技術(shù)的公司，透過精細(xì)的碳纖維編織手法以及做工優(yōu)質(zhì)的原料，希望把汽車內(nèi)的小部件、全新的驅(qū)殼甚至是底盤都做成碳纖維材質(zhì)的，除了常見的外觀套件之外，還包括所有的內(nèi)裝和全車鈑件。

碳纖維輪轂是一種較新的輪轂，由于成本的限制，它的應(yīng)用范圍還較小。目前為止，碳纖維輪轂幾乎僅限于一些超級跑車，如福特GT和一些Koenigsegg車型，這是由于制造碳纖維輪轂不僅成本較高還比較耗時(shí)。保時(shí)捷曾發(fā)布過首款全碳纖維復(fù)合輪轂。每個(gè)輪轂都用樹脂浸漬，并進(jìn)行密封高壓和高溫，輪轂在高溫下硬化，并在很長一段時(shí)間內(nèi)冷卻，然后將中心鎖插入，整個(gè)輪轂被蓋上光澤漆。這套20英寸的輪轂使用了大約11英里長的碳纖維，與標(biāo)配的鋁合金輪轂相比，其總重僅僅8.5KG，比同尺寸鋁合金制品輕了百分之二十，同時(shí)強(qiáng)度卻提高了百分之二十。這套輪轂在質(zhì)量和強(qiáng)度上都有提升，在價(jià)格方面也同樣有很大提升，全套輪轂的價(jià)格約合人民幣118000元，這基本可以說明為什么碳纖維輪轂還得不到普遍應(yīng)用。

Carbon Revolution公司也生產(chǎn)碳纖維輪轂，并計(jì)劃將這些碳纖維輪轂的有限應(yīng)用拓寬到超級跑車的主流生產(chǎn)模式。碳纖維輪轂減輕重量還將為電動(dòng)車帶來優(yōu)化空間，可以提高電動(dòng)汽車的工作效率。此外，碳纖維輪轂比金屬輪轂的噪音要小，與金屬相比，碳纖維的噪聲阻尼高要870%，這是因?yàn)樘祭w維不易發(fā)送諧振頻率。而如果汽車輪轂的噪音較小的話，汽車制造商就可以在車身使用更少的隔音材料，從而進(jìn)一步降低汽車的重量，提高輕量化水平。

3.3 碳纖維輪轂的優(yōu)勢和應(yīng)用限制條件

當(dāng)遇到典型的輪轂損壞時(shí)，如路邊擦傷，碳纖維可以用樹脂固定，類似于玻璃纖維游艇的修復(fù)方式。再者，金屬輪轂的裂紋會(huì)逐漸擴(kuò)展，而碳纖維材料的分層現(xiàn)象往往可以阻止裂紋的形成。碳纖維輪轂應(yīng)用的主要問題還是成本過高，雖然隨著汽車制造商原裝設(shè)備的大批量生產(chǎn)，碳纖維輪轂的正在降低，但仍處于較高的水平。由于碳纖維輪轂的優(yōu)點(diǎn)突出，而且仍可改進(jìn)制造工藝以降低成本，在未來幾年它們將可能進(jìn)入汽車市場。如果碳纖維輪轂?zāi)茉谄胀矣密嚿系玫綉?yīng)用，那么汽車行業(yè)的發(fā)展必然能夠上一個(gè)臺(tái)階。

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作者簡介：孫超（1979-），男，河北石家莊人，碩士，研究方向：鋁合金汽車零部件設(shè)計(jì)。