乘用車鋁合金車輪輕量化設(shè)計(jì)

葉錦泉 李建坤 趙文遷

摘 ?要：本文基于大量的鋁合金車輪設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，從結(jié)構(gòu)優(yōu)化，工藝優(yōu)化等對(duì)鋁合金車輪的多種輕量化方法進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，其中結(jié)構(gòu)優(yōu)化包含輪緣正面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、背腔結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輪心結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輪緣背面結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輪輞寬度規(guī)格優(yōu)化、造型優(yōu)化等，背腔和輪心的結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，可以采用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并基于這些方法進(jìn)行了實(shí)例的設(shè)計(jì)及驗(yàn)證，同時(shí)也對(duì)有輕量化貢獻(xiàn)的不同成型方法進(jìn)行了介紹。

關(guān)鍵詞：鋁合金車輪;輕量化設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463.34 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2020）05-0007-05

Abstract： Based on a large number of practical experiences of alloy wheel design， this article summarizes and explains various lightweight methods of alloy wheel from structural optimization and process optimization， among which structural optimization includes rim front structure optimization， back cavity structure optimization， and wheel center structural optimization， rim back structure optimization， rim width specification optimization， styling optimization， etc. Among them， topology optimization design can be used in the structural optimization of the back cavity and the wheel center structural， make an example based on these optimization methods and carried out actual part test. Different molding methods with light weight contribution are also introduced.

Key Words： Alloy Wheel; Lightweight Design

1 ? ?前言

當(dāng)下，我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展，十九大提出了汽車產(chǎn)業(yè)中長(zhǎng)期規(guī)劃，表明到2025年，我國(guó)要邁入汽車強(qiáng)國(guó)的隊(duì)伍。新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革的浪潮正在席卷全球，汽車行業(yè)新材料、新技術(shù)廣泛應(yīng)用，新模式、新業(yè)態(tài)不斷涌現(xiàn)，為了應(yīng)對(duì)這種新浪潮，東風(fēng)公司提出了“五化”的概念，即輕量化、電動(dòng)化、智能化、網(wǎng)聯(lián)化、共享化，其中，輕量化是改善汽車燃料經(jīng)濟(jì)性的有效途徑。車輪作為汽車非常重要的零部件之一，不但要求外形美觀，還要實(shí)現(xiàn)輕量化，保證可靠性和高精度。鋁合金車輪不僅可以滿足外形美觀及多樣化的需求，而且還有性能優(yōu)良、耐腐蝕性好、成形性好、減震性能好、尺寸精確、平衡好、加工精準(zhǔn)、材料利用率高等顯著優(yōu)點(diǎn)，所以在乘用車上的裝配占比越來(lái)越大，研究鋁合金車輪的輕量化就變得非常必要，本文基于大量的鋁合金車輪設(shè)計(jì)的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)鋁合金車輪的多種輕量化方法進(jìn)行總結(jié)說(shuō)明，可以減少設(shè)計(jì)周期，具有一定的推廣價(jià)值。

2 ? ?鋁合金車輪結(jié)構(gòu)劃分說(shuō)明

為了對(duì)鋁合金車輪進(jìn)行更加優(yōu)化的輕量化設(shè)計(jì)，分部位采用不同的辦法實(shí)現(xiàn)輕量化，依據(jù)車輪的受力、加工工藝及設(shè)計(jì)要求，對(duì)車輪的結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分如圖1所示：

3 ? ?鋁合金車輪輕量化設(shè)計(jì)

3.1 ? 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1.1 輪緣①結(jié)構(gòu)輕量化

輪緣是屬于輪輞形狀的一部分，輪輞形狀，為了保證跟輪胎的配合及裝配，各個(gè)國(guó)家都有對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，如日本的JATMA、歐洲的ETRTO、美國(guó)的TRA、中國(guó)輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒等，另外GB/T 3487對(duì)乘用車輪輞規(guī)格進(jìn)行了規(guī)定，本文將以乘用車最多使用的J型規(guī)格作為例子進(jìn)行說(shuō)明。

GB/T 3487對(duì)于圖2藍(lán)色線條即輪緣形狀進(jìn)行了規(guī)定，依據(jù)目前的造型趨勢(shì)，為了造型美觀，一般外輪緣都設(shè)計(jì)為無(wú)輪唇形狀，內(nèi)輪緣預(yù)留有輪唇以方便平衡塊的安裝。

外輪緣部分，可以在滿足最小厚度的前提下進(jìn)行等厚度設(shè)計(jì)，如圖3所示：

采用等厚設(shè)計(jì)，如圖3的陰影面積將作為減重部分，各個(gè)不同尺寸的車輪，依據(jù)正面造型窗口面積的大小差異，減重效果會(huì)有一定的差異，窗口面積越大，減重效果越好，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，平均減重效果可參考表1：

3.1.2 背腔②結(jié)構(gòu)輕量化

輪輻背腔的設(shè)計(jì)，一般是根據(jù)車輪的正面造型曲線，結(jié)合卡鉗的包絡(luò)線，來(lái)設(shè)計(jì)最優(yōu)的背腔線，然后會(huì)對(duì)輪輻的背面進(jìn)行減重窩的設(shè)計(jì)，增加減重窩的設(shè)計(jì)，不僅可以大幅減輕車輪的重量，還可以平衡輪輻的應(yīng)力，同時(shí)也可以減少輪輻的機(jī)加工區(qū)域，提高了材料的利用率。

對(duì)于減重窩的輕量化設(shè)計(jì)，主要根據(jù)13度沖擊、彎曲耐久和徑向耐久工況的CAE分析結(jié)果來(lái)進(jìn)行判斷的，作為初步設(shè)計(jì)的時(shí)候，可參考下圖4中以下參數(shù)來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

輪輻總厚度L1的范圍在20～26mm之間，輪輻減重窩底部到輪輻正面的距離L2一般定義在8～12mm之間，減重窩側(cè)邊厚度范圍在6～8mm之間，當(dāng)然，這3個(gè)厚度值取決于輪輻的寬度及實(shí)際的受力情況，并根據(jù)實(shí)際的CAE分析結(jié)果進(jìn)行調(diào)整。減重窩斜面與窗口斜面之間的夾角A在3°～5°之間，如窗口的拔模角為8°時(shí)，減重窩的拔模角為11°～13°。底部的倒角R一般的范圍在R5～R9之間。

如果要獲得最佳的背腔減重窩結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可以采用拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)減重窩區(qū)域進(jìn)行設(shè)計(jì)。如圖1中的造型，先在HyperMesh中建立車輪的有限元模型作為拓?fù)鋬?yōu)化的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，將車輪的材料屬性賦予到有限元的模型中，接著在模型上施加載荷和邊界條件，接下來(lái)將車輪的8個(gè)輪輻定義為優(yōu)化區(qū)域，優(yōu)化變量為優(yōu)化區(qū)域離散單元的假想密度，優(yōu)化目標(biāo)為應(yīng)變最小，約束為體積上下限值，為使優(yōu)化出的結(jié)構(gòu)便于制造，需提前設(shè)置最大最小尺寸，避免優(yōu)化后結(jié)構(gòu)的材料過(guò)度集中或出現(xiàn)網(wǎng)線化，添加拔模方向約束使優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)便于鑄造，添加模型重復(fù)約束，保證優(yōu)化后8個(gè)輪輻的結(jié)構(gòu)一致性，然后運(yùn)行優(yōu)化程序即可得到拓?fù)鋬?yōu)化的迭代結(jié)果，作為減重窩設(shè)計(jì)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參考。

3.1.3 輪心③結(jié)構(gòu)輕量化

輪心部位涉及到車輪的安裝及與其他零部件的配合，如螺栓孔、與輪轂軸承配合的中心孔、與車輪中心飾蓋配合的結(jié)構(gòu)等。一般來(lái)說(shuō)，對(duì)于同一個(gè)汽車制造商而言，安裝面的大小、螺栓孔的個(gè)數(shù)、螺栓孔的節(jié)圓直徑（P.C.D）、中心孔和飾蓋孔都為定值或者系列值，因此，這里的輪心結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是安裝面的減重窩設(shè)計(jì)，如圖5所示的減重窩方案，單個(gè)減重窩的減重為0.04kg，單個(gè)車輪的減重效果達(dá)到0.2kg。

3.1.4 輪緣背面④結(jié)構(gòu)輕量化

輪緣背面結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是相對(duì)于輪緣結(jié)構(gòu)優(yōu)化來(lái)說(shuō)的，輪緣的結(jié)構(gòu)適用于造型的窗口處，輪緣背面結(jié)構(gòu)的優(yōu)化適用于輻條與窗口的連接處。該處的減重只能通過(guò)后期的機(jī)加工來(lái)實(shí)現(xiàn)，為了保證車輪的強(qiáng)度耐久，需要控制最小厚度A和最小厚度B。

此種方法的結(jié)構(gòu)減重，同樣取決于造型，與輪緣的減重效果相反，輻條的寬度越大減重效果越明顯。如圖6所示的造型，采用輪緣背面結(jié)構(gòu)輕量化方案后，可以降低重量約0.39kg。

3.1.5 輪輞寬度⑤輕量化

根據(jù)中國(guó)輪胎輪輞氣門嘴標(biāo)準(zhǔn)年鑒和GB/T 2978《轎車輪胎規(guī)格、尺寸、氣壓與負(fù)荷》，同一輪胎規(guī)格，可以與之配合的輪輞規(guī)格一般有3種，包含推薦的配合輪輞規(guī)格和允許使用輪輞規(guī)格，對(duì)于同一個(gè)造型，輪輞的寬度越小，重量則越小，如18×7.5J的輪輞規(guī)格變?yōu)?8×7J后，重量可以降低約0.26kg，圖7中，黑色斷面線為18寸7.5J寬度的輪輞，藍(lán)色斷面線為18寸7J寬度的輪輞。輪輞的寬度變化之后，若要保留原來(lái)的造型，輪輞的中心線也會(huì)發(fā)生變化，需要調(diào)整安裝面的位置才能保證原來(lái)偏距，所以輪輞的寬度要提前明確，避免造型工作的重復(fù)。

3.1.6 造型輕量化設(shè)計(jì)

從車輪的受力狀態(tài)來(lái)看，增加輪輻的厚度比增加輪輻的寬度，不管是對(duì)車輪的強(qiáng)度還是對(duì)車輪剛性的貢獻(xiàn)要大的多。所以，從造型方面來(lái)進(jìn)行輕量化優(yōu)化，最理想方案如圖8所示，車輪輻條與螺母孔布置呈對(duì)稱形狀，保證各個(gè)輻條的受力均勻，車輪的輪輻寬度從輪心到輪緣逐漸減小，輪輻的寬度較小但輪輻的厚度較大。

3.2 ? 實(shí)例驗(yàn)證

按圖1車輪造型，以15×5.5J規(guī)格的車輪為例，采用上述的方法對(duì)該車輪進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，各種結(jié)構(gòu)輕量化效果如下表2：

一般來(lái)說(shuō)，背腔②結(jié)構(gòu)輕量化和輪心③結(jié)構(gòu)輕量化是目前所有鋁合金車輪都會(huì)采用的減重方案，例子中若只采用此兩種方案，該車輪輕量化后的重量為7.7kg。

在此基礎(chǔ)上，繼續(xù)增加了輪緣①結(jié)構(gòu)輕量化和輪緣背面④結(jié)構(gòu)輕量化，重量可由原來(lái)的7.7kg下降至7.0kg，車輪的重量可下降0.7kg，輕量化率達(dá)10%。

對(duì)輕量化后的輪輞進(jìn)行CAE分析，以彎曲耐久工況和13度沖擊工況為例，CAE應(yīng)力分布如下圖，從分析結(jié)果來(lái)看，沒(méi)有因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)輕量化導(dǎo)致局部應(yīng)力過(guò)大，應(yīng)力分布合理，滿足設(shè)計(jì)要求。

在CAE分析滿足設(shè)計(jì)要求的基礎(chǔ)上，以此輕量化后的數(shù)據(jù)進(jìn)行零件的開(kāi)發(fā)，按圖紙規(guī)定的試驗(yàn)載荷及耐久次數(shù)進(jìn)行實(shí)物驗(yàn)證，彎曲耐久和13度沖擊都能夠滿足試驗(yàn)要求，試驗(yàn)后的零件圖片見(jiàn)圖11和圖12所示。

本案例中，經(jīng)過(guò)多種方案的輕量化設(shè)計(jì)后，車輪的重量輕量化至7.0kg，與同級(jí)別車輛使用的15寸車輪平均重量7.9kg相比，輕量化效果為12%左右。

3.3 ? 制造方法優(yōu)化

隨著鋁合金車輪的制造技術(shù)不斷發(fā)展，越來(lái)越多鋁合金車輪新的生產(chǎn)工藝受到重視并得到采用，下面對(duì)目前比較成熟的工藝如鑄旋工藝、鍛造工藝進(jìn)行介紹，同時(shí)對(duì)近幾年出現(xiàn)的增加塑料插件的方式也進(jìn)行說(shuō)明。

3.3.1 鑄旋工藝

鑄旋工藝，顧名思義是采用鑄造和旋壓兩種技術(shù)相結(jié)合的方式，先將輪輻部分通過(guò)鑄造的方法鑄造成型，此時(shí)的輪輞并不是完整的輪輞，而是一圈毛坯料，需通過(guò)旋壓的方式，最終形成完整的輪輞，鑄造的輪輻和旋壓的輪輞構(gòu)成了完成的鑄旋車輪。通過(guò)對(duì)輪輞的旋壓加工，使得輪輞的金屬晶粒變細(xì)，強(qiáng)度和硬度得到了提升，可以一定程度上減薄輪輞的厚度，從而達(dá)到一定的輕量化，相關(guān)研究表明，利用鑄旋工藝生產(chǎn)相同規(guī)格的鋁合金車輪，其質(zhì)量比鑄造可減輕5%～15%。

3.3.2 鍛造工藝

鍛造的鋁合金車輪，具有強(qiáng)度高、抗腐蝕性能好，尺寸精確等優(yōu)點(diǎn)。鍛造車輪的晶粒流向與受力的方向一致，其強(qiáng)度、延伸率和疲勞強(qiáng)度均明顯優(yōu)于鑄造車輪，與鑄造車輪相比，可減輕10%～30%的重量，但由于鍛造方法需要較多的工序及模具，制造成本較高，對(duì)于形狀較復(fù)雜的造型，不能完全通過(guò)鍛造方法實(shí)現(xiàn)，需在鍛造的基礎(chǔ)上增加長(zhǎng)時(shí)間的銑削加工，使制造成本進(jìn)一步的升高，這應(yīng)該是目前鍛造鋁合金車輪未能被大批量使用的重要原因。

3.3.3 塑料插件

如前面提到的造型輕量化優(yōu)化，不能完全滿足對(duì)鋁合金車輪的造型美觀及多樣化的需求。隨著新能源汽車的發(fā)展需要，不但要求車輪要實(shí)現(xiàn)輕量化，還要車輪實(shí)現(xiàn)較小的風(fēng)阻，如果采用傳統(tǒng)的鋁合金車輪，不能同時(shí)滿足兩個(gè)方面的需求，這就出現(xiàn)了塑料插件與鋁合金車輪的結(jié)合。鋁合金車輪來(lái)承受車輛的重量及受力，塑料件減少車輪窗口的通風(fēng)面積來(lái)減少風(fēng)阻，因?yàn)殇X合金車輪的受力部分可以不考慮造型的因素，采用最優(yōu)化的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)合造型更自由的塑料件，可以較大的降低車輪的重量。

4 ? ?結(jié)語(yǔ)

鋁合金車輪對(duì)汽車的節(jié)能性、安全性和舒適性都有著重要的意義。通過(guò)改進(jìn)車輪的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、優(yōu)化造型及采用新的生產(chǎn)工藝，逐步實(shí)現(xiàn)鋁合金車輪的輕量化目的。本文根據(jù)車輪的受力特點(diǎn)，針對(duì)各個(gè)不同部位有針對(duì)性地采用輕量化設(shè)計(jì)方法，可以縮短設(shè)計(jì)周期，滿足車輪輕量化的需求。

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