汽车车轮轻量化研究

汽车车轮轻量化研究

蒋炜,张锐

（浙江万丰奥威汽轮股份有限公司  浙江绍兴 312500）

摘要：随着汽车工业的迅速发展，能源的使用量日益增加，汽车轻量化是节能降耗的重要途径，车轮作为汽车的关键部件，是实现汽车轻量化的重要环节。本文分析了汽车车轮轻量化的途径，分别就车轮原材料、造型设计、加工工艺等方面阐述如何实现轻量化，从而实现车辆行驶过程的舒适性、安全性、稳定性等。

关键词：汽车车轮 轻量化 结构设计 工艺优化

0 引言

车轮起着承载、驱动和制动等作用，同时车轮又是汽车上唯一的承载外观件。车轮质量的减轻，可大幅度降低车辆的簧下重量，进而影响油耗、尾气排放量及原材料的成本，车轮材料、结构设计以及工艺优化都可以在保证车轮强度与性能的前提下降低其重量，从而达到节能降耗的作用。

1 汽车车轮轻量化材料

最早采用钢铁作为汽车车轮材料进行生产，1905年出现的辐板式车轮就是典型的钢制车轮，其制造工艺简单，价格低且强度高，抗冲击能力强，因此得到广泛应用，但由于材料的固有特性，钢制车轮较重、散热性差、惯性阻力大、油耗大，且容易生锈，造型单一，应用受到限制。

铝合金车轮是目前制造车轮最常用的材料，与传统钢制车轮相比，重量减轻约40%，经计算，汽车行驶速度在90km/h到120km/h时，每100km可节省油耗0.05L，铝合金车轮可以改善舒适性，使行驶过程中振动减少，提高了整车性能，同时有利于实现汽车轻量化。

镁合金密度在1.75~2.10g/cm³，为铝的2/3，钢的1/4，与钢材料相比减重60-75%，与铝合金相比可减重25-35%，镁合金优点众多，如比重轻、比强度高、比刚度高，导热导电性能好，减震降噪功能好，同时易于加工、可回收再利用，可承受更大冲击力，美观多样，是车轮轻量化重点研究材料，符合全球资源再生以及节能减排的要求。镁合金车轮簧下轻量化对新能源电动车能耗与续航里程产生重要影响，单车更换镁合金车轮可实现簧下降重约10~12kg，减重不仅可以降低能耗，续航更久，还可以提高驾驶车辆时的舒适性及安全性。

2 结构设计

车轮的基本结构主要包括轮辋、轮辐和中间毂三部分。其中轮辋用于安装轮胎，轮辐分为辐条式和辐板式两种，起支撑作用，保障车轮的安全性及外观多样性，两辐条间存在空隙，称为窗口，窗口在行驶过程中起到通风作用，降低热量，同时其形状的变化可增加车轮的美观程度。车轮中心孔与轮辐之间的部分称为中间毂，中间毂与其他部位相比较厚，可以分散PCD孔的应力，降低轮毂边缘的弯曲应力。

使用CAD二维和UG三维建模软件进行产品结构设计，车轮的结构遵循相应设计规范，轮辐设计除考虑外观外，还需考虑工艺性，如何使用更少的材料满足强度等设计要求，轮辋根据《汽车轮辋规格系列》进行设计，主要包括轮辋形状、厚度、轮辋标定宽度等。轮辋过厚，车轮重量大，油耗大，不满足轻量化的设计理念，轮辋过薄，车轮强度不能满足要求；轮辋标定宽度越大，轮胎宽度越大，则轮胎与地面摩擦力增大，抓地性越好，但油耗也会增加，轮辋标定宽度过小，轮胎越窄，轮胎与地面接触面积减小，安全性得不到保证。

铝合金车轮直轮辋段厚度通常为铸造车轮4mm，铸旋轮3.2mm，锻造轮2.8mm。相同造型、相同规格的车轮，在满足产品强度的基础上，达到更轻的质量，需探索新型车轮结构。

3 工艺优化

3.1 成型方式

目前，市场中的铝合金车轮，绝大多数是低压铸造方式生产的，采用A356.2铝合金，铸造过程液态金属充填型腔，可得到复杂结构的车轮件，且设备简单，成本低廉，工艺出品率高，低压铸造是较为广泛的铸造成形工艺，又称为反重力铸造。

铝合金锻造车轮通常采用6061铝合金材料，进行常规模锻，即将相应的锻料或坯料置于锻造模具型腔中进行锻造成型，这种方式成型的车轮强度高、力学性能好，可用于高端车轮，但由于工艺流程复杂，成本高，金属利用率低。

铸造车轮缺陷较多，为减少铸造缺陷，提高铸造轮性能，通常会在铸造与热处理工序之间增加旋压工序，旋压工序使轮辋减薄，宽度增加，其形状满足要求的同时，内部组织也被拉长，力学性能得到改善。铸旋轮成本介于铸造轮与锻造轮之间，工艺流程简单，是目前较常用的一种成型方式。

性能：锻造轮＞铸旋轮＞铸造轮，同规格质量：锻造轮＜铸旋轮＜铸造轮。

3.2 锻造工艺

车轮的锻造分为两种形式：一种是直接锻出辐条形状，另一种是锻出饼状锻件，后续由铣加工将辐条形状铣出的锻铣工艺。通常来讲，由于辐条铣加工会破坏锻造流线，因此成型锻造的车轮性能更优。

铝合金车轮在锻造过程中，为使金属流动的合理性，同时降低铝合金的变形抗力，坯料锻造前需进行加热，模具也需要加热到一定温度，使铝合金锻件可以顺利成形，锻造复杂形状的锻件。模锻关键影响因素包括：毛坯温度、润滑情况、模具温度及压下速度。锻前毛坯温度升高，铝合金屈服强度降低，因此锻造消耗的能量越小，可锻性得到提高；模具在锻造过程中直接接触毛坯，合理的模具温度，减少与毛坯间的热量传递；铝合金粘附性较大，润滑剂在锻造过程中必不可少，选择合适的润滑剂及喷涂剂量，可以保证金属的流动性；压力机压下速度不仅与成型效率有关，还影响成型质量。

锻造是保证铝合金车轮性能的第一道关键工序，锻造过程中应严格控制影响因素，否则可能产生影响性能的锻造缺陷：折叠、粗大晶粒、流线不畅等。折叠是由于锻造过程产生的尖角突起或较深凹坑无法及时修复，坯料与模具结构配合不良，破坏锻件的连续性，降低其性能，是裂纹源和疲劳源；粗大晶粒形成原因主要是毛坯温度低、模具温度低，且变形程度小，落入临界变形程度范围内，粗大晶粒影响锻件的力学性能，对疲劳性能、耐蚀性、冲击韧性均有影响；流线不畅会影响锻件的疲劳强度及耐腐蚀性。

3.3 热处理工艺

铝合金车轮的热处理为固溶加人工时效的T6热处理工艺，本质是固溶体脱溶，包括加热、保温、冷却及时效强化几个过程。加热及保温可将能起到强化作用的相溶解于铝基体中形成均匀的固溶体，冷却形成过饱和固溶体，时效过程使强化相从固溶体中呈弥散质点态析出，从而达到强化效果。加热、保温温度及时间决定强化相溶解是否完全，冷却温度及转移时间决定过饱和固溶体的形成，时效温度及时间决定弥散析出效果，因此，铝合金车轮可通过热处理进行强化，不同的热处理工艺参数可达到不同的性能指标，通过试验可验证不同热处理方案的强化效果，采用可达到更高性能的热处理参数，可减轻产品重量，更好的实现轻量化。

4 结语

综上所述，随着汽车车轮轻量化材料的研究与应用、新型结构的开发、锻造及热处理实现更高性能工艺优化的推行，使更轻质的铝合金车轮成为可能，在当今汽车轻量化的大趋势下，轻量化车轮不仅代表低成本、高利润，还可以实现节约能源，减少碳排放，改善生态环境。

参考文献

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