淺析鋁合金輪轂和新型碳纖維輪轂

摘 要：按照材質來分，輪轂可以分為鋼質輪轂、鋁合金輪轂和碳纖維輪轂，鋼質輪轂與鋁合金輪轂各有特點，碳纖維輪轂是一種新興的汽車輪轂，它的質量輕、強度高、噪聲小，隨著技術的進步，如果能得到更廣的應用，將對汽車的輕量化和節能減排做出突出的貢獻。

關鍵詞：碳纖維輪轂；鋼質輪轂；鋁合金輪轂；節能減排

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.14.055

輪轂是輪胎內廓支撐輪胎的圓桶形的、中心裝在軸上的金屬部件，按照成型方式和材料的不同，輪轂的種類繁多。按照材質來分，輪轂可以分為鋼質輪轂、鋁合金輪轂和碳纖維輪轂。鋼制輪轂承壓能力很強（大貨車和大客車全用鋼圈），韌性好，輕微變形后會自動恢復，耐金屬疲勞能力比較強，價格低廉。

1 鋁合金輪轂的優點

與鋼材料的汽車輪轂相比，鋁合金輪轂的優點的密度小，比較輕，可以提高汽車的燃油利用率，有助于節能減排，推廣鋁合金輪轂對于節能減排、低碳生活具有重要意義。與鋼質汽車輪轂相比，鋁的熱導率較高，在同等條件下，鋁合金輪轂的散熱性能要優于鋼質輪轂。鋁合金輪轂比鋼質輪轂更加時尚美觀。鋁合金輪轂是應用最廣泛的一種輪轂，它的優點突出，鋁合金輪轂的密度小、輕量化效果好、熱導率高、可靠性強、外觀比較炫目，市場巨大同時技術相對成熟的一種輪轂。

鋁合金材料的彈性模數不大，對于振動的抵抗能力比鋼材料輪轂要好，這就導致在車輛行駛的過程中，鋁合金輪轂車輛傳導到座位的振動幅度就比較小，增加了汽車的乘坐性。在外觀方面，鋁合金材料的輪轂也比鋼材料的輪轂有優勢，鋼材料的輪轂如果外面不包塑料殼的話，結構形狀比較單一，顏色也比較單一，對消費者的吸引力不高。

2 鋁合金輪轂的發展歷程

1920年左右，鋁合金輪轂就第一次在世界上出現了，到了1948左右，鋁合金輪轂被工程人員應用到了汽車中，然后慢慢出現了通過鑄造成型生產的整體式的鋁合金輪轂。1970年之后，國外在汽車上越來越多的使用鋁合金輪轂。我國對于鋁合金輪轂的研究主要開始于上世紀八十年代，制造商開始制造鋁合金輪轂，隨著我國汽車市場的迅猛發展，也帶動了汽車零件行業的快速起飛，我國對于汽車的生產和消費水平都在世界上位于前列，我國鋁合金輪轂的生產水平也就不斷的飛越式發展。

3 新型的碳纖維材料輪轂

3.1 碳纖維的性能優勢

目前為止，鋼質輪轂和鋁合金輪轂是技術比較成熟、市場應用也比較多的兩種輪轂，除了這兩種比較常見的輪轂外，還有一種新型的、市場前景廣闊的輪轂，即碳纖維輪轂。碳纖維是一種新型的性能優異的功能材料，近些年來，學者和工程師們對碳纖維進行了持續的研究和應用，在汽車輪轂上，也進行了研究和應用。碳纖維的結構比較特殊，與金屬相比，碳纖維的密度非常小，在輕量化上有極其突出的優勢。但同時，碳纖維的機械性能卻同樣突出，與鋼鐵相比，碳纖維的機械性能也不遜色，甚至還要更好，是一種性能突出、適宜于輕量化應用的新型纖維材料。

3.2 碳纖維輪轂的應用前沿

2018年2月，中國完全自主研發出第一條百噸級T1000碳纖維生產線。事實上除了輪轂才外，一些擁有相當先進的碳纖維技術的公司，透過精細的碳纖維編織手法以及做工優質的原料，希望把汽車內的小部件、全新的驅殼甚至是底盤都做成碳纖維材質的，除了常見的外觀套件之外，還包括所有的內裝和全車鈑件。

碳纖維輪轂是一種較新的輪轂，由于成本的限制，它的應用范圍還較小。目前為止，碳纖維輪轂幾乎僅限于一些超級跑車，如福特GT和一些Koenigsegg車型，這是由于制造碳纖維輪轂不僅成本較高還比較耗時。保時捷曾發布過首款全碳纖維復合輪轂。每個輪轂都用樹脂浸漬，并進行密封高壓和高溫，輪轂在高溫下硬化，并在很長一段時間內冷卻，然后將中心鎖插入，整個輪轂被蓋上光澤漆。這套20英寸的輪轂使用了大約11英里長的碳纖維，與標配的鋁合金輪轂相比，其總重僅僅8.5KG，比同尺寸鋁合金制品輕了百分之二十，同時強度卻提高了百分之二十。這套輪轂在質量和強度上都有提升，在價格方面也同樣有很大提升，全套輪轂的價格約合人民幣118000元，這基本可以說明為什么碳纖維輪轂還得不到普遍應用。

Carbon Revolution公司也生產碳纖維輪轂，并計劃將這些碳纖維輪轂的有限應用拓寬到超級跑車的主流生產模式。碳纖維輪轂減輕重量還將為電動車帶來優化空間，可以提高電動汽車的工作效率。此外，碳纖維輪轂比金屬輪轂的噪音要小，與金屬相比，碳纖維的噪聲阻尼高要870%，這是因為碳纖維不易發送諧振頻率。而如果汽車輪轂的噪音較小的話，汽車制造商就可以在車身使用更少的隔音材料，從而進一步降低汽車的重量，提高輕量化水平。

3.3 碳纖維輪轂的優勢和應用限制條件

當遇到典型的輪轂損壞時，如路邊擦傷，碳纖維可以用樹脂固定，類似于玻璃纖維游艇的修復方式。再者，金屬輪轂的裂紋會逐漸擴展，而碳纖維材料的分層現象往往可以阻止裂紋的形成。碳纖維輪轂應用的主要問題還是成本過高，雖然隨著汽車制造商原裝設備的大批量生產，碳纖維輪轂的正在降低，但仍處于較高的水平。由于碳纖維輪轂的優點突出，而且仍可改進制造工藝以降低成本，在未來幾年它們將可能進入汽車市場。如果碳纖維輪轂能在普通家用車上得到應用，那么汽車行業的發展必然能夠上一個臺階。

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作者簡介：孫超（1979-），男，河北石家莊人，碩士，研究方向：鋁合金汽車零部件設計。