汽車(chē)輕量化鋁合金輪轂設(shè)計(jì)

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(biāo)上有明顯優(yōu)勢(shì)，如重量輕、安全性能高、節(jié)能等，但鍛造輪轂的應(yīng)用卻處于剛剛起步階段，僅個(gè)別車(chē)型中有應(yīng)用。對(duì)現(xiàn)有鑄造結(jié)構(gòu)的鋁合金輪轂進(jìn)行減重，通過(guò)有限元模擬軟件對(duì)輕量化輪轂的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能評(píng)價(jià)，得出最優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：鋁合金輪轂;輕量化設(shè)計(jì);性能評(píng)價(jià)

引言

幾何優(yōu)化設(shè)計(jì)是將產(chǎn)品設(shè)計(jì)問(wèn)題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，采用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法并借助計(jì)算機(jī)和運(yùn)用軟件求解該數(shù)學(xué)模型，從而得出最佳設(shè)計(jì)方案的一種先進(jìn)設(shè)計(jì)方法。汽車(chē)輪轂是汽車(chē)重要零部件之一，不僅要設(shè)計(jì)美觀大方，而且還要在滿(mǎn)足材料性能的要求下實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。在目前日益激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)輕量化、節(jié)省材料、降低成本是眾多企業(yè)所追求的目標(biāo)和發(fā)展方向，有著很大的現(xiàn)實(shí)意義。

1鋁合金輪轂的優(yōu)勢(shì)

作為汽車(chē)的一個(gè)重要部分，輪轂對(duì)節(jié)能、環(huán)境保護(hù)、汽車(chē)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(chē)體重下降的最典型表現(xiàn)。而中國(guó)擁有豐富的鋁資源，幾乎完全可以回收和再循環(huán)，并在環(huán)境保護(hù)方面具有絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)。①使用鋁合金輪轂可以節(jié)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(chē)使用4公斤，就會(huì)減少8公斤。每當(dāng)汽車(chē)重量減少1公斤時(shí)，每年節(jié)省約20升汽油。雖然鋁合金輪圈比鋼輪圈貴，但其節(jié)省的燃料足以支付每輛車(chē)長(zhǎng)達(dá)20000公里的費(fèi)用。由于鋁合金輪轂質(zhì)量低，發(fā)動(dòng)機(jī)負(fù)荷降低，從而降低發(fā)動(dòng)機(jī)的故障率并延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的壽命。②鋁合金輪轂具有良好的散熱性，并且整個(gè)汽車(chē)的安全性很高。鋁合金的熱傳導(dǎo)系數(shù)是鋼的三倍，在車(chē)輛的高速駕駛中，熱效應(yīng)良好。地面摩擦產(chǎn)生的熱量可以快速分散，輪轂保持在適當(dāng)?shù)臏囟?，制?dòng)鼓和輪胎不能衰老，從而降低了在相同條件下通過(guò)高速駕駛線在長(zhǎng)距離上斷裂汽車(chē)地風(fēng)險(xiǎn)。提高輪胎壽命，保證車(chē)輛的正常駕駛，并大大提高汽車(chē)高速駕駛的安全性能。③鋁合金輪轂真圓，尺寸精度高，整個(gè)汽車(chē)的駕駛和操作平衡良好。通常，常規(guī)鋼輪輞的徑向和軸向振動(dòng)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(chē)輛的起動(dòng)和傳動(dòng)靈敏度，消除車(chē)輛體長(zhǎng)度和方向盤(pán)變動(dòng)的問(wèn)題，任意控制方向盤(pán)，并且車(chē)輛的轉(zhuǎn)彎更輕和更靈活。④堅(jiān)固耐用鋁合金輪轂高電壓、沖擊和高溫強(qiáng)度使得它在汽車(chē)工業(yè)、航空工業(yè)和國(guó)防工業(yè)中發(fā)揮了重要作用。⑤鋁合金輪轂的形狀良好，易于加工，形狀優(yōu)美。由于鋼鐵輪轂的生產(chǎn)工藝有限，形狀是單調(diào)的，剛性的，形狀沒(méi)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(yīng)不同的型號(hào)以提高汽車(chē)本身的價(jià)值和美麗，滿(mǎn)足汽車(chē)本身的需要。不同用戶(hù)的身份和適應(yīng)現(xiàn)代汽車(chē)形狀的要求。

2汽車(chē)輕量化鋁合金輪轂設(shè)計(jì)

2.1優(yōu)化前的彎曲試驗(yàn)有限元模擬

按照標(biāo)準(zhǔn)《GB/T5334-2005乘用車(chē)車(chē)輪性能要求和試驗(yàn)方法》的規(guī)定，對(duì)鑄造輪轂進(jìn)行彎曲試驗(yàn)的強(qiáng)度分析。彎曲試驗(yàn)中通過(guò)試驗(yàn)臺(tái)夾具將車(chē)輪的內(nèi)輪輞邊緣加緊固定，因此有限元前處理中需要對(duì)內(nèi)輪輞邊緣進(jìn)行固定。根據(jù)上面描述，彎曲試驗(yàn)的彎矩為M=2670.5N?m，試驗(yàn)裝置中力臂長(zhǎng)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(shù)

UG NX幾何優(yōu)化控制參數(shù)主要有最大約束違例（%）、相對(duì)收斂（%）、絕對(duì)收斂以及擾動(dòng)分?jǐn)?shù)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(duì)收斂是控制目標(biāo)函數(shù)在收斂時(shí)最后兩次迭代的百分比變化，絕對(duì)收斂是控制目標(biāo)函數(shù)在收斂時(shí)最后兩次迭代的實(shí)際更改，擾動(dòng)分?jǐn)?shù)是控制迭代的前幾次設(shè)計(jì)變量更改百分比。在本次優(yōu)化中，這些參數(shù)都采用系統(tǒng)默認(rèn)值。

2.3鋁合金輪轂生產(chǎn)工藝設(shè)計(jì)策略探究

當(dāng)前時(shí)代顧客是消費(fèi)市場(chǎng)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(yè)實(shí)現(xiàn)繁榮的發(fā)展，針對(duì)汽車(chē)生產(chǎn)事業(yè)更是如此。因?yàn)楫?dāng)前時(shí)代各個(gè)行業(yè)的發(fā)展日趨迅速，汽車(chē)制造行業(yè)也正面臨著巨大的生存壓力，再加上目前人們對(duì)于汽車(chē)的消費(fèi)需求已經(jīng)不再只是往日的駕駛層面，而應(yīng)當(dāng)還包括外觀的審美需求，這些都對(duì)汽車(chē)的生產(chǎn)事業(yè)提出了更高的發(fā)展要求?；诖?，只有生產(chǎn)出具有消費(fèi)者審美需求的汽車(chē)鋁合金輪轂，才能有效促進(jìn)汽車(chē)生產(chǎn)企業(yè)的穩(wěn)定發(fā)展，進(jìn)而提高汽車(chē)行業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力。實(shí)現(xiàn)具備審美需求的汽車(chē)鋁合金輪轂的制造。首先應(yīng)當(dāng)調(diào)查好消費(fèi)市場(chǎng)的具體情況，充分了解消費(fèi)者當(dāng)前的汽車(chē)鋁合金輪轂審美取向。而后再實(shí)現(xiàn)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?zāi)軌蚯袑?shí)符合顧客的實(shí)際需求。最后，還可以使用3D技術(shù)來(lái)將平面的圖形以立體的形式展示出來(lái)，再邀請(qǐng)專(zhuān)業(yè)的展覽人員來(lái)觀摩這些圖形，促使其能夠給出詳細(xì)的改進(jìn)意見(jiàn)，汽車(chē)鋁合金輪轂制造企業(yè)可以根據(jù)專(zhuān)業(yè)展覽人員的改進(jìn)意見(jiàn)而對(duì)汽車(chē)鋁合金輪轂生產(chǎn)工藝實(shí)現(xiàn)改進(jìn)，以促使鋁合金輪轂的使用性能能夠?qū)崿F(xiàn)穩(wěn)步的提升。

2.4輪轂參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)

輪轂參數(shù)也要遵循一定的指標(biāo)，通過(guò)以下六條詳細(xì)說(shuō)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(mén)輪輞輪廓大小的特征通常反映輪轂和輪胎的調(diào)整要求。各國(guó)有不同的標(biāo)準(zhǔn)，例如中國(guó)的GB、日本的JIS、美國(guó)的TRA和美國(guó)的ISO。確定輪輞外側(cè)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(shù)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(chē)橋配合的要求，一般也有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。③輪轂強(qiáng)度：包括疲勞強(qiáng)度、沖擊強(qiáng)度以及焊接強(qiáng)度。輪轂強(qiáng)度體現(xiàn)輪轂的工作能力，通常有標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)方法和不同級(jí)別性能要求。且輪轂強(qiáng)度指標(biāo)必須和配套主機(jī)或配套輪胎對(duì)負(fù)荷和壽命的要求相對(duì)應(yīng)。④輪轂精度：包括輪輞周長(zhǎng)偏差、橫向和徑向跳動(dòng)量、安裝面平面度、氣門(mén)嘴孔精度、定心精度及斷面厚度公差。輪轂精度體現(xiàn)其工作質(zhì)量，有標(biāo)準(zhǔn)的檢測(cè)方法和不同水平的控制指標(biāo)。輪轂精度要適應(yīng)整車(chē)性能要求和保證裝車(chē)后工作可靠。⑤平衡性：是輪轂相對(duì)本身定心基準(zhǔn)的動(dòng)不平衡或靜不平衡量，有不同級(jí)別的標(biāo)準(zhǔn)。其平衡影響到車(chē)輛高速行駛的安全性和穩(wěn)定性，應(yīng)按整車(chē)的要求加以控制。⑥氣密性：是輪轂材質(zhì)及工藝過(guò)程能確保輪輞在一定壓力下密封的能力。主要針對(duì)無(wú)內(nèi)胎用輕合金輪轂提出，有標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。明確輪轂各個(gè)參數(shù)及指標(biāo)可保證輪轂結(jié)構(gòu)合理，造型美觀，與整車(chē)相匹配。

3結(jié)語(yǔ)

鍛造輪轂輪優(yōu)化后重量為8.69kg。彎曲試驗(yàn)中，最大等效應(yīng)力為246MPa，最小等效應(yīng)力為1.11，鑄造輪轂最小安全系數(shù)為1.17，兩者比較接近，因此，該鍛造輪轂為輕量化的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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