汽车轻量化铝合金轮毂设计

郭子龙

摘 要：锻造铝合金轮毂与铸造铝合金轮毂相比，性能指标上有明显优势，如重量轻、安全性能高、节能等，但锻造轮毂的应用却处于刚刚起步阶段，仅个别车型中有应用。对现有铸造结构的铝合金轮毂进行减重，通过有限元模拟软件对轻量化轮毂的结构进行性能评价，得出最优化的轻量化设计。

关键词：铝合金轮毂;轻量化设计;性能评价

引言

几何优化设计是将产品设计问题的物理模型转化为数学模型，采用适当的优化算法并借助计算机和运用软件求解该数学模型，从而得出最佳设计方案的一种先进设计方法。汽车轮毂是汽车重要零部件之一，不仅要设计美观大方，而且还要在满足材料性能的要求下实现轻量化设计。在目前日益激烈的市场竞争中，实现产品设计轻量化、节省材料、降低成本是众多企业所追求的目标和发展方向，有着很大的现实意义。

1铝合金轮毂的优势

作为汽车的一个重要部分，轮毂对节能、环境保护、汽车安全和控制具有重大影响，而将铝合金材料用于轮毂制造是汽车体重下降的最典型表现。而中国拥有丰富的铝资源，几乎完全可以回收和再循环，并在环境保护方面具有绝对的优势。①使用铝合金轮毂可以节省燃料。同样大小的铝合金轮毂比钢铁轮毂轻50%左右，如果一辆汽车使用4公斤，就会减少8公斤。每当汽车重量减少1公斤时，每年节省约20升汽油。虽然铝合金轮圈比钢轮圈贵，但其节省的燃料足以支付每辆车长达20000公里的费用。由于铝合金轮毂质量低，发动机负荷降低，从而降低发动机的故障率并延长发动机的寿命。②铝合金轮毂具有良好的散热性，并且整个汽车的安全性很高。铝合金的热传导系数是钢的三倍，在车辆的高速驾驶中，热效应良好。地面摩擦产生的热量可以快速分散，轮毂保持在适当的温度，制动鼓和轮胎不能衰老，从而降低了在相同条件下通过高速驾驶线在长距离上断裂汽车地风险。提高轮胎寿命，保证车辆的正常驾驶，并大大提高汽车高速驾驶的安全性能。③铝合金轮毂真圆，尺寸精度高，整个汽车的驾驶和操作平衡良好。通常，常规钢轮辋的径向和轴向振动值为±1，普通铝合金轮辋±0.5和高档铝合金轮辋±0.3。高精度轮毂可以提高车辆的起动和传动灵敏度，消除车辆体长度和方向盘变动的问题，任意控制方向盘，并且车辆的转弯更轻和更灵活。④坚固耐用铝合金轮毂高电压、冲击和高温强度使得它在汽车工业、航空工业和国防工业中发挥了重要作用。⑤铝合金轮毂的形状良好，易于加工，形状优美。由于钢铁轮毂的生产工艺有限，形状是单调的，刚性的，形状没有变化。该低压铸造方法允许制造具有任意空间表面和形状的铝合金轮毂，以及光泽和颜色效果的组合，该轮毂可以适应不同的型号以提高汽车本身的价值和美丽，满足汽车本身的需要。不同用户的身份和适应现代汽车形状的要求。

2汽车轻量化铝合金轮毂设计

2.1优化前的弯曲试验有限元模拟

按照标准《GB/T5334-2005乘用车车轮性能要求和试验方法》的规定，对铸造轮毂进行弯曲试验的强度分析。弯曲试验中通过试验台夹具将车轮的内轮辋边缘加紧固定，因此有限元前处理中需要对内轮辋边缘进行固定。根据上面描述，弯曲试驗的弯矩为M=2670.5N?m，试验装置中力臂长度为1m，因此，施加在力臂端面的载荷大小为2670.5N。

2.2控制参数

UG NX几何优化控制参数主要有最大约束违例（%）、相对收敛（%）、绝对收敛以及扰动分数等。其中，最大约束违例是控制约束条件的最大违约程度，相对收敛是控制目标函数在收敛时最后两次迭代的百分比变化，绝对收敛是控制目标函数在收敛时最后两次迭代的实际更改，扰动分数是控制迭代的前几次设计变量更改百分比。在本次优化中，这些参数都采用系统默认值。

2.3铝合金轮毂生产工艺设计策略探究

当前时代顾客是消费市场的主要角色，只有做出符合顾客意愿的商品才能促使自身企业实现繁荣的发展，针对汽车生产事业更是如此。因为当前时代各个行业的发展日趋迅速，汽车制造行业也正面临着巨大的生存压力，再加上目前人们对于汽车的消费需求已经不再只是往日的驾驶层面，而应当还包括外观的审美需求，这些都对汽车的生产事业提出了更高的发展要求。基于此，只有生产出具有消费者审美需求的汽车铝合金轮毂，才能有效促进汽车生产企业的稳定发展，进而提高汽车行业的核心竞争力。实现具备审美需求的汽车铝合金轮毂的制造。首先应当调查好消费市场的具体情况，充分了解消费者当前的汽车铝合金轮毂审美取向。而后再实现铝合金轮毂制造方案的编制工作，促使最后制造而成的轮毂能够切实符合顾客的实际需求。最后，还可以使用3D技术来将平面的图形以立体的形式展示出来，再邀请专业的展览人员来观摩这些图形，促使其能够给出详细的改进意见，汽车铝合金轮毂制造企业可以根据专业展览人员的改进意见而对汽车铝合金轮毂生产工艺实现改进，以促使铝合金轮毂的使用性能能够实现稳步的提升。

2.4轮毂参数标准

轮毂参数也要遵循一定的指标，通过以下六条详细说明：①轮辋轮廓的尺寸特征：主要有额定轮辋直径、检查周边、额定直径、操作宽度、轮辋基座的形状和大小、轮辋边缘的形状和大小、轮辋槽的深度和宽度以及孔口的大小。阀门轮辋轮廓大小的特征通常反映轮毂和轮胎的调整要求。各国有不同的标准，例如中国的GB、日本的JIS、美国的TRA和美国的ISO。确定轮辋外侧轮廓曲线的尺寸和形状以确保轮胎和轮胎的安装的适配性。②轮毂连接尺寸特性：包括板式轮辐的中心孔直径、最小安装平面直径、偏距、轮毂螺栓孔数目及轮毂螺栓孔分布圆直径、螺栓孔形状尺寸等。轮毂连接尺寸特性反映轮毂与车桥配合的要求，一般也有标准规定。③轮毂强度：包括疲劳强度、冲击强度以及焊接强度。轮毂强度体现轮毂的工作能力，通常有标准实验方法和不同级别性能要求。且轮毂强度指标必须和配套主机或配套轮胎对负荷和寿命的要求相对应。④轮毂精度：包括轮辋周长偏差、横向和径向跳动量、安装面平面度、气门嘴孔精度、定心精度及断面厚度公差。轮毂精度体现其工作质量，有标准的检测方法和不同水平的控制指标。轮毂精度要适应整车性能要求和保证装车后工作可靠。⑤平衡性：是轮毂相对本身定心基准的动不平衡或静不平衡量，有不同级别的标准。其平衡影响到车辆高速行驶的安全性和稳定性，应按整车的要求加以控制。⑥气密性：是轮毂材质及工艺过程能确保轮辋在一定压力下密封的能力。主要针对无内胎用轻合金轮毂提出，有标准规定。明确轮毂各个参数及指标可保证轮毂结构合理，造型美观，与整车相匹配。

3结语

锻造轮毂轮优化后重量为8.69kg。弯曲试验中，最大等效应力为246MPa，最小等效应力为1.11，铸造轮毂最小安全系数为1.17，两者比较接近，因此，该锻造轮毂为轻量化的最优设计。

参考文献：

[1]朱利民等.汽车铝合金轮毂轻量化技术[J].汽车工艺师，2007.

[2]叶安英等.基于CAE技术的典型轮毂轻量化设计过程研究[J].邢台职业技术学院学报，2010.

[3]宋渊等.铝合金轮毂轻量化设计[D].合肥：合肥工业大学，2014.