汽車(chē)輪轂輕量化方法研究

閆龍龍

摘?要：輪轂被稱(chēng)作汽車(chē)的鞋子，起著支撐汽車(chē)質(zhì)量、驅(qū)動(dòng)汽車(chē)行駛等重要作用。輪轂的輕量化對(duì)環(huán)境的保護(hù)，資源的節(jié)約顯得尤為重要，本文通過(guò)對(duì)前人對(duì)輪轂強(qiáng)量化的總結(jié)，以及結(jié)合自己的研究，探討了幾種關(guān)于輪轂輕量化的方法，期望能進(jìn)一步推動(dòng)輪轂輕量化的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)輪轂;輕量化;方法

隨著我國(guó)制造業(yè)的迅速發(fā)展，截止到2018年6月底，我國(guó)汽車(chē)的保有量已達(dá)2.19億輛。伴隨著發(fā)展的同時(shí)，能源危機(jī)和環(huán)境污染問(wèn)題也接踵而至。在眾多的節(jié)能減排的舉措中，汽車(chē)輕量化是優(yōu)先考慮的方式，[1]通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)表明，汽車(chē)的質(zhì)量每減少10%，油耗較少6%-8%，排氣量減少4%。輪轂作為輪轂重要的部件，起承載、驅(qū)動(dòng)等重要作用。[2]輪轂的好壞直接影響著汽車(chē)的行駛安全，其輕量化也直接影響到汽車(chē)的節(jié)能減排。[3、4]本文主要探討了幾種常見(jiàn)的輪轂輕量化方法。

1 減少輪轂尺寸

根據(jù)我國(guó)轎車(chē)的分類(lèi)，轎車(chē)可分為微型轎車(chē)、小型轎車(chē)、緊湊型轎車(chē)、中型轎車(chē)、大中型轎車(chē)和大型轎車(chē)。車(chē)型的不同價(jià)格也存在著巨大的差距，微型車(chē)一般都在五萬(wàn)左右，輪轂一般在13寸或14寸，而大型車(chē)一般都在百萬(wàn)以上，輪轂尺寸在19寸或20寸左右，筆者調(diào)研了長(zhǎng)安鈴木尺寸不同的同款輪轂，尺寸分別為15寸和16寸，質(zhì)量可減少一公斤左右。

2 使用輕質(zhì)材料

輪轂的材料主要分為鋼、合金、碳纖維等。

最早使用的輪轂材料為鋼制輪轂，這種輪轂強(qiáng)度高、抗沖擊能力強(qiáng)、造價(jià)低，一般用于承載量大、造價(jià)低的汽車(chē)，但該輪轂是現(xiàn)有輪轂中質(zhì)量最大的輪轂且造型單一，一般使用鋼輪轂的轎車(chē)都會(huì)在其輪轂上加一個(gè)輪轂蓋，以增加其美觀(guān)度。

合金輪轂應(yīng)用最多的是鋁合金輪轂，主要用于中高端汽車(chē)，隨著技術(shù)的進(jìn)步，在更高級(jí)的汽車(chē)上還會(huì)用到鎂合金、鈦合金輪轂。鋁合金輪轂是現(xiàn)在市面上最常見(jiàn)的輪轂，其特點(diǎn)散熱性好、造型款式多樣、高速行駛時(shí)阻力小、變形小，而且質(zhì)量小、油耗少。而鎂合金質(zhì)量更加輕、油耗更低，但由于其造價(jià)高，只在極少數(shù)賽車(chē)上使用。

碳纖維輪轂分為兩種，一種是純碳纖維還有一種是碳纖維和鋁合金混合而成。碳纖維輪轂的優(yōu)點(diǎn)是：強(qiáng)度高、耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、造型豐富多樣而且質(zhì)量極輕，同尺寸的純碳纖維輪轂比鋁合金輪轂質(zhì)量要輕40%，混合碳纖維輪轂也比鋁合金輪轂輕25%。

3 采用先進(jìn)的加工工藝

在輪轂制造工藝中，低壓鑄造是最常見(jiàn)的鑄造方式，日本的豐田汽車(chē)公司、美國(guó)福特汽車(chē)公司等均采用此工藝生產(chǎn)鋁輪轂。低壓鑄造是用干燥的空氣將鋁液自上而下注入鑄造機(jī)中，等到鋁液干燥凝固以后，釋放壓力，完成鑄造。由于低壓鑄造是在壓力下完成鑄造，所以其松縮少、密致性高。

充氧壓鑄法是使壓室和壓型型腔內(nèi)的金屬液相間的空間充滿(mǎn)氧氣，在高壓下進(jìn)行壓鑄，氧氣通過(guò)排氣閥排出型腔外，在高壓下，未能排出的氧氣與鋁液發(fā)生氧化反應(yīng)，形成細(xì)小鋁粒，散布在輪轂內(nèi)部，使輪轂內(nèi)不產(chǎn)生氣孔。用充氧壓鑄法鑄造的輪轂氣密性好、抗疲勞性強(qiáng)、拉伸強(qiáng)度良好，含氣量是普通鑄造輪轂的十分之一。另外用充氧壓鑄法鑄造的輪轂比用傳統(tǒng)鋳造法鑄造的輪轂質(zhì)量輕15%。

鍛造是一種比鑄造更加高級(jí)的工藝，鍛造是將鋁合金胚料，通過(guò)鍛造機(jī)的巨大壓力，產(chǎn)生形變，壓成想要的形狀。然后對(duì)壓制成型的粗胚進(jìn)行一系列的精加工處理，形成各項(xiàng)性能都符合要求的輪轂。鍛造產(chǎn)品不僅比鑄造產(chǎn)品更加堅(jiān)固、更硬，重量也更輕。鍛造的輪轂各方面性能以及其強(qiáng)量化更適合輪轂使用，但也由于其復(fù)雜的制造工藝，導(dǎo)致其高昂的價(jià)格，一些工藝及其復(fù)雜的鍛造輪轂價(jià)格可能是鑄造輪轂的數(shù)十倍，這也導(dǎo)致了鍛造輪轂一般只能用于高端汽車(chē)或者跑車(chē)上。

鑄造輪轂價(jià)格低廉但強(qiáng)度、抗疲勞性等各項(xiàng)性能相對(duì)于鍛造輪轂都有所欠缺，而鍛造輪轂卻是價(jià)格高昂，旋壓技術(shù)輪轂便是解決了這種矛盾。旋壓技術(shù)準(zhǔn)確的講也是鑄造技術(shù)的一種，旋壓技術(shù)其實(shí)是將鑄造出來(lái)的輪轂粗胚會(huì)被專(zhuān)用的設(shè)備對(duì)其受力處進(jìn)行旋轉(zhuǎn)加壓處理，使鑄造輪轂受力處的位置的內(nèi)部分子結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，呈現(xiàn)出比鑄造輪轂密度更高的纖維狀，使金屬力學(xué)得到改變，增加了強(qiáng)度。這樣就可以將輪轂做得更輕、更薄，重量最高可以比鑄造鋁合金輪轂降低15%，但其強(qiáng)度卻可以媲美鍛造輪轂。

4 采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，現(xiàn)在的設(shè)計(jì)以不單純的靠手繪效果圖、憑經(jīng)驗(yàn)去任意修改，而是通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)，可以很直觀(guān)的在計(jì)算機(jī)上對(duì)設(shè)計(jì)的物體進(jìn)行修改，減少工作量，縮短時(shí)間，在進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，有限元分析是最常用的技術(shù)手段，在輪轂的設(shè)計(jì)中，可以通過(guò)對(duì)輪轂進(jìn)行載荷施加，模擬輪轂真實(shí)受力情況，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)受力情況會(huì)對(duì)輪轂強(qiáng)度等各方面性能做出相應(yīng)的分析，而設(shè)計(jì)師便可以根據(jù)分析結(jié)果對(duì)輪轂更加合理的修改，避免設(shè)計(jì)的盲目性，是設(shè)計(jì)更加合理。

隨著發(fā)展，拓?fù)鋬?yōu)化以成為輕量化設(shè)計(jì)的又一重要手段，筆者通過(guò)對(duì)奔馳S560輪轂進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，在保證各方面性能合理的基礎(chǔ)上，使其質(zhì)量減輕了2千克。

5 小結(jié)

綜上所述，現(xiàn)階段輪轂輕量化方法主要包括減少輪轂尺寸、使用輕質(zhì)材料、采用先進(jìn)的加工工藝、采用計(jì)算機(jī)進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等四種方法，輪轂的設(shè)計(jì)不僅要追求造型的新穎，也要主要結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，相信在未來(lái)會(huì)出現(xiàn)強(qiáng)度高、價(jià)格低、質(zhì)量輕、造型更加優(yōu)美的輪轂。

參考文獻(xiàn)：

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