汽車輕量化鋁合金輪轂設計

郭子龍

摘 要：鍛造鋁合金輪轂與鑄造鋁合金輪轂相比，性能指標上有明顯優勢，如重量輕、安全性能高、節能等，但鍛造輪轂的應用卻處于剛剛起步階段，僅個別車型中有應用。對現有鑄造結構的鋁合金輪轂進行減重，通過有限元模擬軟件對輕量化輪轂的結構進行性能評價，得出最優化的輕量化設計。

關鍵詞：鋁合金輪轂;輕量化設計;性能評價

引言

幾何優化設計是將產品設計問題的物理模型轉化為數學模型，采用適當的優化算法并借助計算機和運用軟件求解該數學模型，從而得出最佳設計方案的一種先進設計方法。汽車輪轂是汽車重要零部件之一，不僅要設計美觀大方，而且還要在滿足材料性能的要求下實現輕量化設計。在目前日益激烈的市場競爭中，實現產品設計輕量化、節省材料、降低成本是眾多企業所追求的目標和發展方向，有著很大的現實意義。

1鋁合金輪轂的優勢

作為汽車的一個重要部分，輪轂對節能、環境保護、汽車安全和控制具有重大影響，而將鋁合金材料用于輪轂制造是汽車體重下降的最典型表現。而中國擁有豐富的鋁資源，幾乎完全可以回收和再循環，并在環境保護方面具有絕對的優勢。①使用鋁合金輪轂可以節省燃料。同樣大小的鋁合金輪轂比鋼鐵輪轂輕50%左右，如果一輛汽車使用4公斤，就會減少8公斤。每當汽車重量減少1公斤時，每年節省約20升汽油。雖然鋁合金輪圈比鋼輪圈貴，但其節省的燃料足以支付每輛車長達20000公里的費用。由于鋁合金輪轂質量低，發動機負荷降低，從而降低發動機的故障率并延長發動機的壽命。②鋁合金輪轂具有良好的散熱性，并且整個汽車的安全性很高。鋁合金的熱傳導系數是鋼的三倍，在車輛的高速駕駛中，熱效應良好。地面摩擦產生的熱量可以快速分散，輪轂保持在適當的溫度，制動鼓和輪胎不能衰老，從而降低了在相同條件下通過高速駕駛線在長距離上斷裂汽車地風險。提高輪胎壽命，保證車輛的正常駕駛，并大大提高汽車高速駕駛的安全性能。③鋁合金輪轂真圓，尺寸精度高，整個汽車的駕駛和操作平衡良好。通常，常規鋼輪輞的徑向和軸向振動值為±1，普通鋁合金輪輞±0.5和高檔鋁合金輪輞±0.3。高精度輪轂可以提高車輛的起動和傳動靈敏度，消除車輛體長度和方向盤變動的問題，任意控制方向盤，并且車輛的轉彎更輕和更靈活。④堅固耐用鋁合金輪轂高電壓、沖擊和高溫強度使得它在汽車工業、航空工業和國防工業中發揮了重要作用。⑤鋁合金輪轂的形狀良好，易于加工，形狀優美。由于鋼鐵輪轂的生產工藝有限，形狀是單調的，剛性的，形狀沒有變化。該低壓鑄造方法允許制造具有任意空間表面和形狀的鋁合金輪轂，以及光澤和顏色效果的組合，該輪轂可以適應不同的型號以提高汽車本身的價值和美麗，滿足汽車本身的需要。不同用戶的身份和適應現代汽車形狀的要求。

2汽車輕量化鋁合金輪轂設計

2.1優化前的彎曲試驗有限元模擬

按照標準《GB/T5334-2005乘用車車輪性能要求和試驗方法》的規定，對鑄造輪轂進行彎曲試驗的強度分析。彎曲試驗中通過試驗臺夾具將車輪的內輪輞邊緣加緊固定，因此有限元前處理中需要對內輪輞邊緣進行固定。根據上面描述，彎曲試驗的彎矩為M=2670.5N?m，試驗裝置中力臂長度為1m，因此，施加在力臂端面的載荷大小為2670.5N。

2.2控制參數

UG NX幾何優化控制參數主要有最大約束違例（%）、相對收斂（%）、絕對收斂以及擾動分數等。其中，最大約束違例是控制約束條件的最大違約程度，相對收斂是控制目標函數在收斂時最后兩次迭代的百分比變化，絕對收斂是控制目標函數在收斂時最后兩次迭代的實際更改，擾動分數是控制迭代的前幾次設計變量更改百分比。在本次優化中，這些參數都采用系統默認值。

2.3鋁合金輪轂生產工藝設計策略探究

當前時代顧客是消費市場的主要角色，只有做出符合顧客意愿的商品才能促使自身企業實現繁榮的發展，針對汽車生產事業更是如此。因為當前時代各個行業的發展日趨迅速，汽車制造行業也正面臨著巨大的生存壓力，再加上目前人們對于汽車的消費需求已經不再只是往日的駕駛層面，而應當還包括外觀的審美需求，這些都對汽車的生產事業提出了更高的發展要求。基于此，只有生產出具有消費者審美需求的汽車鋁合金輪轂，才能有效促進汽車生產企業的穩定發展，進而提高汽車行業的核心競爭力。實現具備審美需求的汽車鋁合金輪轂的制造。首先應當調查好消費市場的具體情況，充分了解消費者當前的汽車鋁合金輪轂審美取向。而后再實現鋁合金輪轂制造方案的編制工作，促使最后制造而成的輪轂能夠切實符合顧客的實際需求。最后，還可以使用3D技術來將平面的圖形以立體的形式展示出來，再邀請專業的展覽人員來觀摩這些圖形，促使其能夠給出詳細的改進意見，汽車鋁合金輪轂制造企業可以根據專業展覽人員的改進意見而對汽車鋁合金輪轂生產工藝實現改進，以促使鋁合金輪轂的使用性能能夠實現穩步的提升。

2.4輪轂參數標準

輪轂參數也要遵循一定的指標，通過以下六條詳細說明：①輪輞輪廓的尺寸特征：主要有額定輪輞直徑、檢查周邊、額定直徑、操作寬度、輪輞基座的形狀和大小、輪輞邊緣的形狀和大小、輪輞槽的深度和寬度以及孔口的大小。閥門輪輞輪廓大小的特征通常反映輪轂和輪胎的調整要求。各國有不同的標準，例如中國的GB、日本的JIS、美國的TRA和美國的ISO。確定輪輞外側輪廓曲線的尺寸和形狀以確保輪胎和輪胎的安裝的適配性。②輪轂連接尺寸特性：包括板式輪輻的中心孔直徑、最小安裝平面直徑、偏距、輪轂螺栓孔數目及輪轂螺栓孔分布圓直徑、螺栓孔形狀尺寸等。輪轂連接尺寸特性反映輪轂與車橋配合的要求，一般也有標準規定。③輪轂強度：包括疲勞強度、沖擊強度以及焊接強度。輪轂強度體現輪轂的工作能力，通常有標準實驗方法和不同級別性能要求。且輪轂強度指標必須和配套主機或配套輪胎對負荷和壽命的要求相對應。④輪轂精度：包括輪輞周長偏差、橫向和徑向跳動量、安裝面平面度、氣門嘴孔精度、定心精度及斷面厚度公差。輪轂精度體現其工作質量，有標準的檢測方法和不同水平的控制指標。輪轂精度要適應整車性能要求和保證裝車后工作可靠。⑤平衡性：是輪轂相對本身定心基準的動不平衡或靜不平衡量，有不同級別的標準。其平衡影響到車輛高速行駛的安全性和穩定性，應按整車的要求加以控制。⑥氣密性：是輪轂材質及工藝過程能確保輪輞在一定壓力下密封的能力。主要針對無內胎用輕合金輪轂提出，有標準規定。明確輪轂各個參數及指標可保證輪轂結構合理，造型美觀，與整車相匹配。

3結語

鍛造輪轂輪優化后重量為8.69kg。彎曲試驗中，最大等效應力為246MPa，最小等效應力為1.11，鑄造輪轂最小安全系數為1.17，兩者比較接近，因此，該鍛造輪轂為輕量化的最優設計。

參考文獻：

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