新型商用車鋁合金輪轂研究

李政委 李浩偉 孫振軍 馬勇章 張慧娜

摘要：輪轂是保證車輛安全行駛的重要部件，隨著新能源商用車的發(fā)展，質(zhì)量輕且性能優(yōu)越的輪轂起著重要作用，因此研制出一款新型商用車鋁合金輪轂。文章詳細描述了輪轂的加工工藝，同時為驗證輪轂可靠性問題，對其進行彎曲與徑向疲勞試驗，結果符合要求，同時基于ANSYS Workbench對鋁合金輪轂進行拓撲優(yōu)化，結果表明在滿足強度的同時，質(zhì)量可降低10%，滿足輕量化要求。

Abstract： Wheel hub is an important part to ensure the safe driving of vehicles. With the development of new energy commercial vehicles， wheels with light weight and superior performance play an important role. Therefore， it is necessary to develop a new type of aluminum alloy wheel hub for commercial vehicles. The article describes in detail the machining process of the wheel hub. At the same time， in order to verify the reliability of the wheel hub， the bending and radial fatigue tests are carried out. The results meet the requirements. At the same time， the aluminum alloy wheel hub is topology optimized based on ANSYS Workbench. The quality can be reduced by 10% to meet the lightweight requirements.

關鍵詞：鋁合金輪轂;工藝分析;疲勞試驗;拓撲優(yōu)化

Key words： aluminum alloy wheel;process analysis;fatigue test;topology optimization

中圖分類號：TH133;U466 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2022）02-0017-03

0 ?引言

隨著我國汽車工業(yè)的發(fā)展，整車制造對于汽車零部件要求越來越高，輪轂作為車輛重要承載部分，不僅對車輛起支撐作用，還受到彎曲和徑向等作用載荷，同時作為車輛“簧下質(zhì)量”，其質(zhì)量大小也影響著汽車燃油經(jīng)濟性，因此在滿足強度和剛度的要求下，研究輪轂的輕量化，對于節(jié)能減排具有重要意義。

1 ?鋁合金輪轂

新型商用車鍛造鋁合金車輪22.5*9.0，其重量是26kg，為國內(nèi)最輕的卡巴輪，其三維模型如圖1所示。獨有的工藝使鋁車輪的強度得到提升的同時，降低可車輪重量，符合輕量化的發(fā)展目標，廣泛應用于重卡、輕卡、客車、掛車、危險品運輸車等各類型商用車輛[1]。

2 ?鋁合金輪轂加工工藝

獨有的工藝使車輪的胎圈座處硬度提升了10%，減少輪胎與車輪磨損，從而防止安全事故的發(fā)生。鋁合金車輪上的溫度標識運用為國內(nèi)行業(yè)首創(chuàng)[2]，輕量化鋁合金車輪運用的溫度標識在車輛行駛中，車輪溫度達到 55 度時，車輪上的溫度標識由藍色變成紅色，對行駛中的司機起到安全警示。工藝技術路線如圖2所示[3]。

該型輪轂制造設備引進臺灣智能化桁架機器人生產(chǎn)線，獨有的雙刀塔機床顛覆了業(yè)內(nèi)接刀式加工方法，在一次性加工完成的同時，還大大提升了產(chǎn)品的動平衡性能，立式加工中心設計了專用夾具，實現(xiàn)了一次裝夾，完成所有尺寸加工，從而使工作效率和產(chǎn)品精度得到雙重提升，最后高速旋轉(zhuǎn)的電主軸臥式數(shù)控車床配合自主設計的刀具，使產(chǎn)品表面更具鏡面拋光效果，產(chǎn)品領先國內(nèi)行業(yè)水平[4]。

數(shù)控立車采用雙刀塔加工工藝提高了加工效率，保證了產(chǎn)品質(zhì)量的一致性。鋁合金輪轂的生產(chǎn)工藝為：毛坯放到上料架由桁架機器人抓取放到數(shù)控雙刀塔立車進行粗車加工，加工內(nèi)容為外腔。數(shù)控雙刀塔立車（OP01）加工完畢后由桁架機器人抓取并翻轉(zhuǎn)然后放到數(shù)控雙刀塔立車（OP02）進行粗車加工，加工內(nèi)容為內(nèi)腔。數(shù)控雙刀塔立車（OP02）加工完畢后由桁架機器人抓取并放到數(shù)控加工中心（OP03、OP04、OP05）進行加工，數(shù)控加工中心OP03、OP04、OP05加工內(nèi)容一致，加工內(nèi)容為產(chǎn)品所有孔加工，因各工序加工時間不一致，為了均衡加工時間節(jié)拍設置此配置。數(shù)控加工中心（OP03、OP04、OP05）加工完畢后由桁架機器人抓取放到下料區(qū)，經(jīng)滾輪移動架到臥式數(shù)控車床（OP06）進行加工，加工內(nèi)容為精車外腔。臥式數(shù)控車床（OP06）加工完畢后到臥式數(shù)控車床（OP07）進行加工，加工內(nèi)容為精車內(nèi)腔。臥式數(shù)控車床（OP07）加工完畢后經(jīng)滾輪移動架到清洗工位進行清洗。工藝流程圖如圖3所示[5]。

3 ?車輪可靠性試驗

車輪作為整車的重要的承載結構，其性能好壞直接影響車輛行駛時的操控性和安全性。為了驗證車輪的可靠性，以GB/T5905-2009《商用車車輪性能要求方法和試驗方法》為標準，選擇CFT-05彎曲疲勞試驗機和RFT-05徑向疲勞試驗機作為試驗設備，通過檢測試驗完成后的車輪表面是否出現(xiàn)明顯缺陷及形變，來判斷試驗車輪能否滿足商用車車輪性能要求。

試驗商務車鋁合金車輪規(guī)格為22.5×9.00，質(zhì)量26.01kg，試驗車輪要求為經(jīng)過全部工序加工且未進行噴漆處理的新輪，外觀品質(zhì)良好，無明顯缺陷。

3.1 彎曲疲勞試驗

彎曲疲勞試驗采用車輪固定，載荷旋轉(zhuǎn)的試驗方式，模擬車輪所受到的循環(huán)彎曲力矩載荷。

試驗條件為：①彎矩為27870N·m;②要求轉(zhuǎn)數(shù)為3.0×105;③轉(zhuǎn)速為1033r/min;④螺母扭矩為610N·m;⑤完成要求轉(zhuǎn)數(shù)后繼續(xù)試驗至失效或彎曲轉(zhuǎn)至5.0×105轉(zhuǎn)

為止。

試驗失效判定依據(jù)：①原始裂紋不能產(chǎn)生擴展或出現(xiàn)由應力導致的侵入車輪斷面的可見裂紋;②車輪承受載荷達到要求的循環(huán)次數(shù);③加載點的偏移增量不能超過初始偏移量的15%。

試驗結果如圖4與圖5所示：①初始偏移量為2.86mm;最終偏移量為2.92mm。②完成3.0×105轉(zhuǎn)試驗，無可見裂紋，偏移增量未超過初始偏移量的15%。③完成5.0×105轉(zhuǎn)試驗，無可見裂紋，偏移增量未超過初始偏移量的15%。

3.2 徑向疲勞試驗

徑向疲勞試驗為模擬車輪承受一定載重后在平直道路上行駛的工況。

試驗條件為：①載荷為8250kgf;②要求轉(zhuǎn)數(shù)為1.0×106;③充氣壓力為1050kPa;④螺母扭矩為610N·m;⑤完成要求轉(zhuǎn)數(shù)后繼續(xù)試驗至失效或徑向轉(zhuǎn)至1.5×105轉(zhuǎn)為止。

試驗失效判定依據(jù)同彎曲疲勞試驗。

試驗結果如圖6、圖7與圖8所示：①初始偏移量為2.86mm;最終偏移量為2.92mm。②完成1.0×106轉(zhuǎn)無可見裂紋。③完成1.5×106轉(zhuǎn)無可見裂紋。

4 ?輪轂拓撲優(yōu)化

據(jù)徑向疲勞試驗加載與約束情況，對鋁合金車輪進行拓撲優(yōu)化。在Solideworks中構建的三維模型轉(zhuǎn)成有限元軟件可識別的格式，并導入有限元軟件中添加材料如表1所示。

對車輪模型進行劃分網(wǎng)格后，網(wǎng)格單元數(shù)為40470，網(wǎng)格節(jié)點數(shù)為73917，有限元模型如圖9所示。進行結果分析得到如圖10所示。根據(jù)拓撲優(yōu)化結果可知車輪的截面尺寸可以相應減少，并根據(jù)結果重建車輪三維模型，質(zhì)量減輕10%。

5 ?結論

文章通過對該新型鍛造鋁合金輪轂及其加工工藝的介紹，表明該型鋁合金車輪具有質(zhì)量輕、硬度高、安全性好等特點，符合國家新能源、輕量化的發(fā)展目標。同時對該型輪轂進行了彎曲疲勞和徑向疲勞試驗，結果滿足可靠性要求，對輪轂進行拓撲優(yōu)化，使其質(zhì)量降低10%，符合輕量化要求。

參考文獻：

[1]倪斌慶，曾智，馬秋成，張亞新，張志廣.負重輪輕質(zhì)材料的應用及其制造工藝研究進展[J].兵器裝備工程學報，2021，42（04）：18-25.

[2]趙一平.汽車輪轂加工工藝分析[J].內(nèi)燃機與配件，2020（09）：121-123.

[3]吳曉東.基于ANSYS的輪轂模態(tài)分析[J].內(nèi)燃機與配件，2019（16）：42-43.

[4]王良模，陳玉發(fā)，王晨至，王清政.鋁合金車輪彎曲疲勞壽命的仿真分析與試驗研究[J].南京理工大學學報（自然科學版），2009，33（05）：571-575.

[5]張舵，遲瑞娟.基于ANSYS汽車鋁合金輪轂的有限元分析[J].汽車實用技術，2020，45（23）：139-142，156.