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，起著支撐汽車質量、驅動汽車行駛等重要作用。輪轂的輕量化對環境的保護，資源的節約顯得尤為重要，本文通過對前人對輪轂強量化的總結，以及結合自己的研究，探討了幾種關于輪轂輕量化的方法，期望能進一步推動輪轂輕量化的發展。

關鍵詞：汽車輪轂;輕量化;方法

隨著我國制造業的迅速發展，截止到2018年6月底，我國汽車的保有量已達2.19億輛。伴隨著發展的同時，能源危機和環境污染問題也接踵而至。在眾多的節能減排的舉措中，汽車輕量化是優先考慮的方式，[1]通過大量實驗表明，汽車的質量每減少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，質量可減少一公斤左右。

2 使用輕質材料

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，但該輪轂是現有輪轂中質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。

合金輪轂應用最多的是鋁合金輪轂，主要用于中高端汽車，隨著技術的進步，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，而且質量小、油耗少。而鎂合金質量更加輕、油耗更低，但由于其造價高，只在極少數賽車上使用。

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。碳纖維輪轂的優點是：強度高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、造型豐富多樣而且質量極輕，同尺寸的純碳纖維輪轂比鋁合金輪轂質量要輕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生氧化反應，形成細小鋁粒，散布在輪轂內部，使輪轂內不產生氣孔。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鋳造法鑄造的輪轂質量輕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。鍛造產品不僅比鑄造產品更加堅固、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，但也由于其復雜的制造工藝，導致其高昂的價格，一些工藝及其復雜的鍛造輪轂價格可能是鑄造輪轂的數十倍，這也導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，旋壓技術輪轂便是解決了這種矛盾。旋壓技術準確的講也是鑄造技術的一種，旋壓技術其實是將鑄造出來的輪轂粗胚會被專用的設備對其受力處進行旋轉加壓處理，使鑄造輪轂受力處的位置的內部分子結構發生改變，呈現出比鑄造輪轂密度更高的纖維狀，使金屬力學得到改變，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 采用計算機進行結構設計

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

隨著發展，拓撲優化以成為輕量化設計的又一重要手段，筆者通過對奔馳S560輪轂進行拓撲優化，在保證各方面性能合理的基礎上，使其質量減輕了2千克。

5 小結

綜上所述，現階段輪轂輕量化方法主要包括減少輪轂尺寸、使用輕質材料、采用先進的加工工藝、采用計算機進行結構設計等四種方法，輪轂的設計不僅要追求造型的新穎，也要主要結構的優化，相信在未來會出現強度高、價格低、質量輕、造型更加優美的輪轂。

參考文獻：

[1]李宏禹.汽車輪轂造型與結構設計一體化方法研究[D].燕山大學，2009.

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

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

[4]周瑜慶.鎂合金車輪疲勞壽命預測與優化設計[D].重慶大學，2008.