新型商用車(chē)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(chē)輛安全行駛的重要部件，隨著新能源商用車(chē)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(chē)鋁合金輪轂。文章詳細(xì)描述了輪轂的加工工藝，同時(shí)為驗(yàn)證輪轂可靠性問(wèn)題，對(duì)其進(jìn)行彎曲與徑向疲勞試驗(yàn)，結(jié)果符合要求，同時(shí)基于ANSYS Workbench對(duì)鋁合金輪轂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，結(jié)果表明在滿(mǎn)足強(qiáng)度的同時(shí)，質(zhì)量可降低10%，滿(mǎn)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(guān)鍵詞：鋁合金輪轂;工藝分析;疲勞試驗(yàn);拓?fù)鋬?yōu)化

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

中圖分類(lèi)號(hào)：TH133;U466 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2022）02-0017-03

0 ?引言

隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，整車(chē)制造對(duì)于汽車(chē)零部件要求越來(lái)越高，輪轂作為車(chē)輛重要承載部分，不僅對(duì)車(chē)輛起支撐作用，還受到彎曲和徑向等作用載荷，同時(shí)作為車(chē)輛“簧下質(zhì)量”，其質(zhì)量大小也影響著汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性，因此在滿(mǎn)足強(qiáng)度和剛度的要求下，研究輪轂的輕量化，對(duì)于節(jié)能減排具有重要意義。

1 ?鋁合金輪轂

新型商用車(chē)鍛造鋁合金車(chē)輪22.5*9.0，其重量是26kg，為國(guó)內(nèi)最輕的卡巴輪，其三維模型如圖1所示。獨(dú)有的工藝使鋁車(chē)輪的強(qiáng)度得到提升的同時(shí)，降低可車(chē)輪重量，符合輕量化的發(fā)展目標(biāo)，廣泛應(yīng)用于重卡、輕卡、客車(chē)、掛車(chē)、危險(xiǎn)品運(yùn)輸車(chē)等各類(lèi)型商用車(chē)輛[1]。

2 ?鋁合金輪轂加工工藝

獨(dú)有的工藝使車(chē)輪的胎圈座處硬度提升了10%，減少輪胎與車(chē)輪磨損，從而防止安全事故的發(fā)生。鋁合金車(chē)輪上的溫度標(biāo)識(shí)運(yùn)用為國(guó)內(nèi)行業(yè)首創(chuàng)[2]，輕量化鋁合金車(chē)輪運(yùn)用的溫度標(biāo)識(shí)在車(chē)輛行駛中，車(chē)輪溫度達(dá)到 55 度時(shí)，車(chē)輪上的溫度標(biāo)識(shí)由藍(lán)色變成紅色，對(duì)行駛中的司機(jī)起到安全警示。工藝技術(shù)路線(xiàn)如圖2所示[3]。

該型輪轂制造設(shè)備引進(jìn)臺(tái)灣智能化桁架機(jī)器人生產(chǎn)線(xiàn)，獨(dú)有的雙刀塔機(jī)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(shí)，還大大提升了產(chǎn)品的動(dòng)平衡性能，立式加工中心設(shè)計(jì)了專(zhuān)用夾具，實(shí)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(chē)床配合自主設(shè)計(jì)的刀具，使產(chǎn)品表面更具鏡面拋光效果，產(chǎn)品領(lǐng)先國(guó)內(nèi)行業(yè)水平[4]。

數(shù)控立車(chē)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(jī)器人抓取放到數(shù)控雙刀塔立車(chē)進(jìn)行粗車(chē)加工，加工內(nèi)容為外腔。數(shù)控雙刀塔立車(chē)（OP01）加工完畢后由桁架機(jī)器人抓取并翻轉(zhuǎn)然后放到數(shù)控雙刀塔立車(chē)（OP02）進(jìn)行粗車(chē)加工，加工內(nèi)容為內(nèi)腔。數(shù)控雙刀塔立車(chē)（OP02）加工完畢后由桁架機(jī)器人抓取并放到數(shù)控加工中心（OP03、OP04、OP05）進(jìn)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(shí)間不一致，為了均衡加工時(shí)間節(jié)拍設(shè)置此配置。數(shù)控加工中心（OP03、OP04、OP05）加工完畢后由桁架機(jī)器人抓取放到下料區(qū)，經(jīng)滾輪移動(dòng)架到臥式數(shù)控車(chē)床（OP06）進(jìn)行加工，加工內(nèi)容為精車(chē)外腔。臥式數(shù)控車(chē)床（OP06）加工完畢后到臥式數(shù)控車(chē)床（OP07）進(jìn)行加工，加工內(nèi)容為精車(chē)內(nèi)腔。臥式數(shù)控車(chē)床（OP07）加工完畢后經(jīng)滾輪移動(dòng)架到清洗工位進(jìn)行清洗。工藝流程圖如圖3所示[5]。

3 ?車(chē)輪可靠性試驗(yàn)

車(chē)輪作為整車(chē)的重要的承載結(jié)構(gòu)，其性能好壞直接影響車(chē)輛行駛時(shí)的操控性和安全性。為了驗(yàn)證車(chē)輪的可靠性，以GB/T5905-2009《商用車(chē)車(chē)輪性能要求方法和試驗(yàn)方法》為標(biāo)準(zhǔn)，選擇CFT-05彎曲疲勞試驗(yàn)機(jī)和RFT-05徑向疲勞試驗(yàn)機(jī)作為試驗(yàn)設(shè)備，通過(guò)檢測(cè)試驗(yàn)完成后的車(chē)輪表面是否出現(xiàn)明顯缺陷及形變，來(lái)判斷試驗(yàn)車(chē)輪能否滿(mǎn)足商用車(chē)車(chē)輪性能要求。

試驗(yàn)商務(wù)車(chē)鋁合金車(chē)輪規(guī)格為22.5×9.00，質(zhì)量26.01kg，試驗(yàn)車(chē)輪要求為經(jīng)過(guò)全部工序加工且未進(jìn)行噴漆處理的新輪，外觀品質(zhì)良好，無(wú)明顯缺陷。

3.1 彎曲疲勞試驗(yàn)

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

試驗(yàn)條件為：①?gòu)澗貫?7870N·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(yàn)至失效或彎曲轉(zhuǎn)至5.0×105轉(zhuǎn)

為止。

試驗(yàn)失效判定依據(jù)：①原始裂紋不能產(chǎn)生擴(kuò)展或出現(xiàn)由應(yīng)力導(dǎo)致的侵入車(chē)輪斷面的可見(jiàn)裂紋;②車(chē)輪承受載荷達(dá)到要求的循環(huán)次數(shù);③加載點(diǎn)的偏移增量不能超過(guò)初始偏移量的15%。

試驗(yàn)結(jié)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(yàn)，無(wú)可見(jiàn)裂紋，偏移增量未超過(guò)初始偏移量的15%。③完成5.0×105轉(zhuǎn)試驗(yàn)，無(wú)可見(jiàn)裂紋，偏移增量未超過(guò)初始偏移量的15%。

3.2 徑向疲勞試驗(yàn)

徑向疲勞試驗(yàn)為模擬車(chē)輪承受一定載重后在平直道路上行駛的工況。

試驗(yàn)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(yàn)至失效或徑向轉(zhuǎn)至1.5×105轉(zhuǎn)為止。

試驗(yàn)失效判定依據(jù)同彎曲疲勞試驗(yàn)。

試驗(yàn)結(jié)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(wú)可見(jiàn)裂紋。③完成1.5×106轉(zhuǎn)無(wú)可見(jiàn)裂紋。

4 ?輪轂拓?fù)鋬?yōu)化

據(jù)徑向疲勞試驗(yàn)加載與約束情況，對(duì)鋁合金車(chē)輪進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在Solideworks中構(gòu)建的三維模型轉(zhuǎn)成有限元軟件可識(shí)別的格式，并導(dǎo)入有限元軟件中添加材料如表1所示。

對(duì)車(chē)輪模型進(jìn)行劃分網(wǎng)格后，網(wǎng)格單元數(shù)為40470，網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為73917，有限元模型如圖9所示。進(jìn)行結(jié)果分析得到如圖10所示。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果可知車(chē)輪的截面尺寸可以相應(yīng)減少，并根據(jù)結(jié)果重建車(chē)輪三維模型，質(zhì)量減輕10%。

5 ?結(jié)論

文章通過(guò)對(duì)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(chē)輪具有質(zhì)量輕、硬度高、安全性好等特點(diǎn)，符合國(guó)家新能源、輕量化的發(fā)展目標(biāo)。同時(shí)對(duì)該型輪轂進(jìn)行了彎曲疲勞和徑向疲勞試驗(yàn)，結(jié)果滿(mǎn)足可靠性要求，對(duì)輪轂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，使其質(zhì)量降低10%，符合輕量化要求。

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