高強度鋼制車輪的輕量化研究

黃崗

（杭州科技職業技術學院，浙江 杭州311402）

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高強度鋼制車輪的輕量化研究

黃崗

（杭州科技職業技術學院，浙江 杭州311402）

摘 要：車輪是汽車最重要的承載件之一，其輕量化研發成為汽車行業發展的焦點。論述了高強度鋼輪的性能要求，重點從新材料研發、車輪輕量化優化設計、鋼輪制造工藝改進三方面，對高強度鋼制車輪的輕量化研究深入剖析，進一步挖掘高強度鋼制車輪輕量化潛力，希望能為鋼制車輪輕量化研究開拓思路。

關鍵詞：鋼制車輪；輕量化；高強度

隨著汽車行業蓬勃發展，新能源、節能、環保等成為汽車發展趨勢。為此，汽車企業愈加重視汽車輕量化研究。在汽車行駛過程中，車輪需要同時應對車身自重載荷及各種動載產生的應力。因此，車輪質量成為評判整車性能的重要指標之一［1］。隨著汽車零部件向高性能、安全、節能、降耗方向發展，高強度鋼制車輪已成為車輪輕量化研究的焦點。本文針對高強度鋼材的研發、鋼制車輪結構的設計、車輪制造工藝改進進行剖析、研究，以期能對鋼制車輪輕量化研究提供參考。

1　鋼制車輪的現狀

1.1鋼制車輪的市場分析

通過大數據分析，中國已然成為世界汽車產銷大國。汽車行業的繁榮帶動了汽車零部件產業的快速發展，也為國內車輪行業的發展提供了難得的契機［2］。在車輪細分市場中，鋼制車輪與鋁制車輪競爭尤為激烈。由于鋼材加工性能的局限，難以實現車輪結構、外觀多樣化，鋼制車輪市場面臨危機。

以創新為突破，鋼制車輪企業通過不斷技術革新，取得長足進展。同時，鋼鐵企業謀求深度發展，涉足鋼制車輪行業，促使鋼輪企業更多采用高強度鋼材，從而實現車輪輕量化［3］。目前，介于鋼制車輪企業技術創新發展以及鋼、鋁原材料的成本差異，使得汽車行業重新評估鋼輪和鋁輪的市場價值［4］。

1.2車輪輕量化的現狀

節能、環保是汽車行業未來發展趨勢，汽車節能減排迫在眉睫，汽車輕量化是緩解汽車排放超標的有效手段。試驗表明：車身質量每減少一成，油耗降低約6%～8%，排放量下降4%.車輪是汽車重要承載件，工作中高速旋轉，其輕量化節能效果是其它零部件的1.5倍左右。

通過數據分析，國內商用車油耗量占總量的75%左右。隨著國家對物流行業規范化管理，對車輛超載的嚴管控以及節能、環保的需要，商用車的輕量化節能研究顯得尤為重要。在國內商用車領域，鋼制車輪仍然是市場主流，為此，高強度輕量化鋼制車輪的應用研究將勢在必行。根據汽車行業輕量化發展現狀調研，鋼輪輕量化開發主要是高強度鋼材應用、車輪結構輕量化設計、鋼輪制造工藝提升三個方面。強化承載能力，滿足節能、環保及安全行駛等要求，使用高強度鋼材是鋼制車輪輕量化最有效方法。

2　高強度鋼制車輪材料輕量化

2.1鋼制車輪用鋼的技術要求

車輪結構簡單，作為承載構件使用，性能上要求有高精度、高疲勞、高承載能力、低重量，同時具有一定美觀性。鋼制車輪對材料性能要求主要包括工藝性能、使用性能。

（1）工藝性能要求。輪輻和輪輞是車輪組成部分，成型工藝不同，對鋼材工藝性能有著不同要求。輪輻主要拉延成形，要求鋼材有良好的拉延成形性能。輪輞成形主要是焊接、滾壓和擴張成形，要求鋼材具有良好的焊接性、滾壓成形性以及擴孔性能。從工藝性能考慮，鋼制車輪要求鋼材具有良好的成形性能、焊接性能、滾壓成形以及擴孔性能。

（2）使用性能要求。除了滿足所需的工藝性能外，車輪用鋼還要達到使用性能要求。對于車輪使用性能評測主要通過軸向彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗、落錘沖擊試驗等方法。疲勞試驗測試主要檢測鋼材的化學成分、夾雜和表面質量等指標對輪輻、輪輞疲勞性能的影響，一般分為軸向彎曲疲勞和徑向疲勞試驗。落錘沖擊試驗用以評測車輪的抗沖擊能力。從車輪的使用性能要求看，要求鋼材具有高強度、高疲勞性能、少的夾雜以及優質的表面質量。如表1所示，是常用汽車鋼制車輪的用材情況［1］。

表1　部分常用汽車鋼制車輪用材

高強度鋼憑借著高強度、低屈強比、高抗沖擊能力和疲勞性能好等優點，成為汽車輕量化的關鍵材料。隨著車輪結構優化、制造成形工藝、有限元分析、信息化等技術的快速發展，高強度鋼逐步應用于車輪制造。輕量化高強鋼的應用開發將成為車輪輕量化、汽車行業節能、減排研發的重要突破口。

2.2高強度鋼輕量化研究

鋼鐵材料相對于有色合金、高分子材料，具有價格便宜、工藝成熟的優勢，再通過高強度化和有效的強化措施可充分挖掘其強度潛力，更好發揮使用價值［1］。

（1）高強度碳鋼。車輪零件成型工藝多采用拉延、滾壓、擴張工藝，良好的塑性是鋼輪用材的重要性能。高強度碳鋼具有高的彈性模量、良好的剛性、耐沖擊性以及疲勞強度，與普通鋼相比其抗拉強度要高2～3倍。目前，高強度碳鋼的研發與汽車輕量化合金材料（鋁、鎂等）研發旗鼓相當，有些材料甚至優于鋁合金、鎂合金。

根據市場需求，同時具有高強度及良好塑性是高強度碳鋼的發展趨勢。其中，近來開發的多相鋼具有巨大的市場潛力。這些鋼有著良好強度和成型性能，為高強度鋼制車輪輕量化應用提供更多可能。如：鐵素體-貝氏體鋼強度級別為500 MPa；雙相（DP）鋼和相變誘發塑性（TRIP）鋼強度級別為600～800 MPa；復相（CP）鋼強度級別為800～1 000 MPa.

但是，國內鋼制車輪材料與歐美高強度鋼存在一定的差距，國內鋼輪用材強度仍處在低強度級別（420 MPa～490 MPa）。車輪的輕量化開發，需要加大對高強度碳鋼的推廣應用。

（2）低合金高強度鋼。輕量化、節能、降耗是汽車發展趨勢，低合金高強度鋼已經被用于歐系、日系中高級轎車鋼制車輪。低合金高強鋼具有高強度、高塑性、高韌性、可焊性和低的脆韌轉變溫度，冷成型性能優。其中，熱軋低合金高強度鋼在基體鋼中添加微量鈮、鈦、釩等合金元素，通過軋制工藝參數及冷卻速度的控制，可實現綜合性能提升。

目前，低合金高強度鋼制車輪已在中國國內市場初現端倪，如一汽大眾PQ46平臺的邁騰使用低合金高強度鋼車輪、豐田D82高強度鋼車輪［1］。國內低合金高強度鋼制車輪的自主研制與開發，為自主品牌轎車開發提供優質零部件具有重要的意義。

3　高強度鋼制車輪設計及制造工藝輕量化

3.1車輪結構設計輕量化

車輪輕量化研究需要運用多學科融合方法，需要綜合性、系統性的考慮車輪輕量化優化設計。在車輪結構優化設計方面，國內逐漸從依靠經驗設計發展到應用有限元等現代設計手段，準確進行彎曲疲勞計算和沖擊分析。

隨著高強度鋼的應用以及車輪結構設計的優化，開發出了高強度且美觀的鋼制車輪。大通風孔式（HVA）鋼制車輪為例，如圖1所示，外觀可與鋁合金車輪相媲美，同時具有輕量化、成本低等優點，非常適合A級車使用。大通風孔車輪設計過程難度較大，開發需要結合外觀設計、疲勞設計優化分析、剛度優化分析、抗扭優化分析以及成型優化分析等手段［3］。

圖1　大通風鋼制車輪

車輪結構輕量化優化設計時，常常需要其材料、制造工藝進行技術革新。優化設計初期，就應及時考慮到制造的材料使用及輕量化的工藝。這樣做才能較好的輕量化效果，同時縮短產品制造周期及降低汽車開發成本。例如大通風孔鋼制車輪設計，要求車輪鋼有良好的成形性能，高的擴孔性能，好的焊接性能及高的疲勞性能。通過鈮微合金化，有效提高鋼材的擴孔率、焊接性能以及疲勞性能，保障了這種結構優化設計。

3.2制造工藝輕量化

近年來，車輪制造上游企業（如車輪設備制造）積極研發，將旋壓生產工藝應用到鋼輪的輪輻、輪輞生產中，與傳統的材料和工藝相比，車輪可減輕20%.

大通風孔車輪生成采用旋壓工藝可以保證車輪的性能和成形。同時，車輪制造企業引入有限元仿真分析工具，對輪輻的沖壓工藝進行仿真分析，最大限度地降低了輪輻成形過中所產生的殘余內應力，減低了車輪內殘余應力對車輪疲勞壽命的影響。

此外，車輪輕量化對連接工藝也有較高要求。無論是弧焊閃光對焊還是其他連接方式，一旦輪輻和輪輞出現連接問題，極易導致疲勞失效。因此，對鋼材的焊接性能和連接工藝控制要求較高。要求，車輪制造工藝不斷改進，如采用復合結構，減少中間搭接、接頭拼縫、局部增強、激光拼焊，熱成型制造工藝等。

4　結束語

高強度鋼是汽車車輪輕量化研究重要突破口，將會汽車工業發展起著重要作用。對高強度鋼制車輪實施輕量化過程中務必同時考慮制造成本等，過于追求節能減排效果造成過高成本代價，甚至影響到產品的安全性，顯然是得不償失的。

車輪行業而言，國內車輪輕量化的研究與應用，與國外都有著較大差距。輕量化技術開發能力薄弱。目前，國內汽車車輪制造基本上依附或從屬于汽車整車制造業，暫未取得相對獨立地位，制約著新技術研發、創新。需要從整車廠逐步剝離，形成獨立的科研力量，深耕輕量化研究。

參考文獻：

［1］燕來榮.輕量化高強度鋼材驅動著汽車的未來［J］.汽車用鋼，2011，（1）：17-21.

［2］溫沛.汽車零部件行業發展分析――泰和集團發展戰略思考［D］.高級管理人員工商管理，2007.

［3］陸培明，錢春華，童恬.汽車鋼制車輪行業的現狀和趨勢［J］.汽車工程，2006，28（5）:504-507.

［4］汽車零部件鋼制車輪行業分析報告［R］.2010.

Lightweight Research of High Strength Steel Wheels

HUANG Gang
（Hangzhou Polytechnic College，Hangzhou Zhengjiang 311402，China）

Abstract：The vehicle wheel is the most important bearing parts of automobile.The lightweight research of wheel has become the focus of automotive industry.This paper discusses the performance requirements of high strength steel wheel.And focusing on the high strength steel wheel lightweight analysis from the new material，lightweight optimization design and manufacturing process improvement.The purpose is to excavate the lightweight potential of high strength steel wheel，and hope to develop a new method for lightweight research of steel wheel.

Key words：steel wheel；lightweight；high strength

中圖分類號：U463.34

文獻標志碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0198-03

收稿日期：2015-12-05

項目基金：浙江省教育廳高等學校訪問工程師校企合作項目（項目編號：FW2013164）

作者簡介：黃崗（1987-），男，浙江金華人，碩士，助教，主要研究方向為汽車模具。