隨著能源價(jià)格的不斷攀升，為了降低油耗，汽車的輕量化設(shè)計(jì)受到足夠重視。輪轂作為車輛承載最重要的安全部件，其內(nèi)在的質(zhì)量和可靠性關(guān)系到車輛和車上人員、物資的安全性，還影響到車輛在行駛過程中的平穩(wěn)性、操縱性及舒適性等性能，這就要求輪轂的尺寸精度高、動(dòng)平衡好、疲勞強(qiáng)度高、剛性能、彈性好、質(zhì)量輕且美觀等，在這些方面，鋁輪轂與鋼輪轂相比具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。由于鋼的密度是鋁密度的3倍，在滿足產(chǎn)品性能的前提下，每個(gè)鋁輪轂比鋼輪轂可減輕質(zhì)量30%～50%。有試驗(yàn)表明，輪轂平均每減輕10%的質(zhì)量，在平均車速為90～120km/h的條件下，汽車百公司油耗平均可減少0.010～0.013L，可見減重的作用是明顯的。當(dāng)然，汽車鋁輪轂在自身輕量化方面也應(yīng)采取一些技術(shù)手段。
鋁輪轂的設(shè)計(jì)方法
鋁輪轂設(shè)計(jì)開發(fā)的主要方法和流程是：市場調(diào)研、收集顧客需求和設(shè)計(jì)輸入等信息；綜合各種信息，繪制輪轂方案設(shè)計(jì)草圖并討論研究；方案初步確定后，利用三維軟件（如CATIA）將輪轂由方案草圖變?yōu)?/SPAN>3D數(shù)字模型，對設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)審并與顧客交流；3D設(shè)計(jì)完成后，利用CAE軟件（如ANSYS軟件）進(jìn)行輪轂的應(yīng)力分析，根據(jù)分析的受力情況進(jìn)行結(jié)構(gòu)和重量的優(yōu)化設(shè)計(jì)再與顧客交流；優(yōu)化設(shè)計(jì)完成后，采用快速原型制造技術(shù)制造出輪轂的實(shí)物模型，與顧客共同對實(shí)物進(jìn)行評(píng)審；同步完成鑄造模具的設(shè)計(jì)，利用CAE軟件（如MAGMA軟件）進(jìn)行鑄造過程模擬分析，優(yōu)化模具設(shè)計(jì)和工藝方案設(shè)計(jì)；制造并試驗(yàn)?zāi)＞?，生產(chǎn)制造出真正的樣輪；對制造出來的樣輪進(jìn)行各種性能試驗(yàn)和路試，只有樣輪經(jīng)過充分地試驗(yàn)，證實(shí)其在行駛中的表現(xiàn)是優(yōu)秀的，一個(gè)新的鋁輪轂開發(fā)設(shè)計(jì)才算完成。
輕量化鋁輪轂的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
鋁輪轂在結(jié)構(gòu)上有單件整體式和多件組合式等多種形式，由于人們對輪轂在外觀造型上有多樣化的追求，因此在造型的設(shè)計(jì)上也五花八門，寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等各種各樣的鋁輪轂造型設(shè)計(jì)層出不窮，可以說鋁輪轂在外觀造型設(shè)計(jì)上的發(fā)展空間極其廣闊。出于安全考慮，在進(jìn)行鋁輪轂的外觀造型和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，必須要以滿足安全和使用功能的要求為前提。為了降低汽車的燃油消耗，輪轂的輕量化設(shè)計(jì)也十分重要。
為了更大限度地減輕鋁輪轂的質(zhì)量，可采取的設(shè)計(jì)方法有：優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，在安裝面處設(shè)計(jì)減重腔，適當(dāng)減薄輪緣、輪輞、輪輻等部位的厚度。除此之外，結(jié)合造型設(shè)計(jì)最有效的設(shè)計(jì)方法是：在上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，采用窄輪輻式新設(shè)計(jì)，減少輪輻或?qū)X輪轂的輪輻及內(nèi)外輪緣凸肩處設(shè)計(jì)成空腔結(jié)構(gòu)。據(jù)此，人們設(shè)計(jì)開發(fā)出了一系列窄輪輻鋁輪轂和一種全新概念的輕量化輪轂——內(nèi)置空氣鋁輪轂。內(nèi)置空氣鋁輪轂有輪輻和內(nèi)外輪緣凸肩處都中空的整體式、內(nèi)外輪緣凸肩處中空的兩件組合式兩種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
輕量化鋁輪轂的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
1. 窄輪輻鋁輪轂的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
在性能與外觀方面，窄輪輻鋁輪轂與同尺寸普通鋁輪轂相比，優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）每一件鋁輪轂減輕質(zhì)量約2～3kg（減重約10%～15%），每輛汽車5個(gè)鋁輪轂共減重約10～15kg，由于質(zhì)量減輕對降低汽車的燃油消耗作用顯著，因此提高了車輛的使用經(jīng)濟(jì)性；
（2）運(yùn)動(dòng)學(xué)理論及實(shí)踐證明，輪輻質(zhì)量的減輕可改善輪轂的加速性能及制動(dòng)性能，并可降低輪轂在運(yùn)行時(shí)的噪聲；
（3）窄輪輻使得輻窗加大，因而加大了散熱面積，降低了行駛中輪轂及輪胎側(cè)面的溫度，因此提高了車輛行駛的安全性；
（4）頗具動(dòng)感的十字交叉造型窄輪輻外觀設(shè)計(jì)與長條而柔和的成對的輻條形成襯托，外觀上顯得高雅而輕巧。
2. 內(nèi)置空氣鋁輪轂的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)
對于直徑22英寸（1英寸＝25.4mm）、寬10.5英寸的整體式內(nèi)置空氣鋁輪轂，與同尺寸普通鋁輪轂相比，優(yōu)點(diǎn)如下：
（1）每一件鋁輪轂減輕質(zhì)量約5.3kg（減重約25%），每輛汽車配備5個(gè)鋁輪轂共減重約26.5kg；
（2）試驗(yàn)證明，輪緣內(nèi)外角抵抗沖擊變形的能力提高了60%，提高了車輛行駛的安全性能；
（3）輪輻及外輪輞凸肩內(nèi)的空腔結(jié)構(gòu)相應(yīng)地增加了輪胎內(nèi)的空氣容量，可抵消采用扁平型輪胎時(shí)，輪胎內(nèi)空氣容量少的缺點(diǎn)；
（4）由于空氣容量的增加，當(dāng)輪胎虧氣時(shí)，輪輻及外輪輞凸肩內(nèi)的空腔所容納的空氣可以對輪胎補(bǔ)充安全壓力；
（5）空腔結(jié)構(gòu)可提高輪轂的減震性能，使得車輛行駛的舒適性得到提高；
（6）輪轂外圈部位質(zhì)量的減輕可改善輪轂的加速性能及制動(dòng)性能，降低輪轂在運(yùn)行時(shí)的噪聲；
（7）空腔結(jié)構(gòu)加大了散熱面積和速度，降低了輪轂及輪胎側(cè)面的溫度，提高了車輛行駛的安全性。
另外，兩件組合式內(nèi)置空氣鋁輪轂技術(shù)將鋁輪轂內(nèi)角凸肩抵抗沖擊變形的能力提高了80%，每輛車配備的5個(gè)鋁輪轂質(zhì)量可減輕約5kg（減重約5%）。
以上這些優(yōu)點(diǎn)對于提高車輛的安全性、可靠性、舒適性及經(jīng)濟(jì)性貢獻(xiàn)巨大。
輕量化鋁輪轂的設(shè)計(jì)原理
1. 窄輪輻鋁輪轂的設(shè)計(jì)原理
減輕鋁輪轂的質(zhì)量，通常采取的方法是優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，如在安裝面處設(shè)計(jì)減重腔，并減薄輪緣、輪輞、輪輻等部位的厚度。在上述優(yōu)化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，可利用珩架結(jié)構(gòu)的支撐原理，采用十字交叉結(jié)構(gòu)，將其設(shè)計(jì)成窄輪輻的外觀結(jié)構(gòu)。十字交叉的輪輻與長條而柔和的成對窄輪輻條形成襯托，外觀上顯得高雅而輕巧。
2. 內(nèi)置空氣鋁輪轂的設(shè)計(jì)原理
機(jī)械設(shè)計(jì)原理表明，通過空腔結(jié)構(gòu)可以增強(qiáng)某一部位的承載能力。例如，動(dòng)物的骨骼以及谷物的莖桿這樣復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，雖然其中心是空的，卻能夠支撐起比自身質(zhì)量大得多的質(zhì)量，且具有很好的彈性，也就是說承載能力強(qiáng)、韌性好。在工程應(yīng)用實(shí)踐中，我們知道，當(dāng)空心軸的內(nèi)、外徑之比超過0.4時(shí)，空心軸比實(shí)心軸的承載能力更強(qiáng)、韌性更好，空腔構(gòu)造便是一種可以有效提高承載能力的成功的設(shè)計(jì)理論準(zhǔn)則。
由于減輕質(zhì)量是車輛減少油耗最有效的途徑，因此為了最大限度地減輕鋁輪轂的質(zhì)量，提高輪轂的使用性能，設(shè)計(jì)工程師根據(jù)運(yùn)動(dòng)力學(xué)的原理，大膽地將空腔構(gòu)造的理論準(zhǔn)則應(yīng)用到鋁輪轂的設(shè)計(jì)中，將鋁輪轂的輪輻及內(nèi)外輪緣凸肩處設(shè)計(jì)成空腔結(jié)構(gòu)，創(chuàng)造性的設(shè)計(jì)開發(fā)出了內(nèi)置空氣鋁輪轂，在減輕鋁輪轂質(zhì)量的同時(shí)還大大地提高了其承載能力，使得車輛的油耗得到了降低、行駛的安全性能得到了提高。
有這樣一個(gè)運(yùn)動(dòng)物理現(xiàn)象，即眾所周知的舞蹈中單腳著地旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)現(xiàn)象：當(dāng)一個(gè)人在張開手臂單腳著地做旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，縮回手臂、即減小外部旋轉(zhuǎn)體的質(zhì)量，便可以使得旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的速度加速。運(yùn)動(dòng)力學(xué)的原理決定了輪轂的內(nèi)外輪輞凸肩處是輪轂上最能有效、也是最需要減重的地方。將鋁輪轂的內(nèi)外輪輞凸肩處設(shè)計(jì)成空腔的好處是大大改善了鋁輪轂的加速性能及制動(dòng)性能。
內(nèi)置空氣鋁輪轂的設(shè)計(jì)技術(shù)是機(jī)械設(shè)計(jì)空腔構(gòu)造理論和運(yùn)動(dòng)力學(xué)原理在鋁輪轂設(shè)計(jì)上的應(yīng)用。
輕量化鋁輪轂的制造技術(shù)
1. 整體式窄輪輻鋁輪轂制造技術(shù)
整體式窄輪輻鋁輪轂的簡要生產(chǎn)流程是：低壓鑄造毛坯→熱處理→加工→涂裝。
窄輪輻鋁輪轂制造過程中要特別注意鑄造環(huán)節(jié)，由于輪輻窄鑄造成型的難度相對大一些，因此要準(zhǔn)備好模具，保持好模具的表面質(zhì)量。輪輻變窄并配合適當(dāng)?shù)哪＞呃鋮s，使得輪輻處的晶粒細(xì)化，材料的力學(xué)性能得到提高，在減輕質(zhì)量的同時(shí)，保證了產(chǎn)品的性能。
2. 組合式窄輪輻鋁輪轂制造技術(shù)
組合式窄輪輻鋁輪轂的簡要生產(chǎn)流程是：低壓鑄造輪輻、輪輞→熱處理→局部加工→旋壓→加工→涂裝→用螺栓組裝輪轂。
3. 整體式內(nèi)置空氣鋁輪轂制造技術(shù)
整體式內(nèi)置空氣鋁輪轂是一種單件整體式輪轂，它是將輪轂的內(nèi)外輪輞肩部和輪輻處設(shè)計(jì)成空腔，即所謂“內(nèi)置空氣”,這是一項(xiàng)最新的鋁輪轂設(shè)計(jì)技術(shù)。新的整體式內(nèi)置空氣鋁輪轂的氣嘴閥門不像往常一樣位于輪轂的外圈上，而是設(shè)在輪輻的中央，這樣不僅可以很方便地夠到氣嘴閥門，而且能方便地清理輪轂外圈上的塵土，尤其在野外越野應(yīng)用時(shí)這方面的優(yōu)點(diǎn)更為突出。
整體式內(nèi)置空氣鋁輪轂的簡要生產(chǎn)流程是：低壓鑄造→熱處理→局部加工→旋壓形成空腔→激光焊接→加工→涂裝。
整體式“內(nèi)置空氣鋁輪轂”空腔制造技術(shù)的特點(diǎn)是：利用低壓鑄造工藝技術(shù)，采用特殊結(jié)構(gòu)的鑄造模具，將鋁輪轂的輪輻鑄造成中空，并在鋁輪轂內(nèi)外輪輞肩部鑄造出可用來形成空腔的部分，利用旋壓成形技術(shù)，使鋁輪轂內(nèi)外輪輞凸肩內(nèi)部形成空腔的形狀，輪輻內(nèi)部的空腔與外輪輞凸肩內(nèi)部的空腔是連在一起的，隨后用激光焊接將其焊起來，使輪轂內(nèi)外輪輞凸肩內(nèi)部變成封閉的空腔。
4. 兩件組合式內(nèi)置空氣鋁輪轂制造技術(shù)
兩件組合式內(nèi)置空氣鋁輪轂是一種將兩件體組合到一起的組合式輪轂，該項(xiàng)技術(shù)比整體式內(nèi)置空氣鋁輪轂技術(shù)出現(xiàn)的稍早一些，它將鋁輪轂的內(nèi)輪輞凸肩部設(shè)計(jì)成空腔。兩件組合式內(nèi)置空氣鋁輪轂用鈦合金螺栓將鋁輪轂的輪輻和輪輞連接在一起，它可以解決類似于賽車運(yùn)動(dòng)駕駛中所有駕駛性能和安全性能等問題，是以往其它鋁輪轂技術(shù)無法比擬的。兩件組合式“內(nèi)置空氣鋁輪轂”的另一個(gè)特點(diǎn)是：在輪轂外輪角處加了一個(gè)不銹鋼的鋁輪轂防止碰撞保護(hù)圈，以保護(hù)鋁輪轂不會(huì)被碰撞而損壞，而當(dāng)不銹鋼防止碰撞保護(hù)圈損壞時(shí)不必拆卸輪胎便可更換，同時(shí)輪轂的平衡塊還可隱藏在不銹鋼防止碰撞保護(hù)圈后面不會(huì)被看見，更加美觀。
兩件組合式內(nèi)置空氣鋁輪轂的簡要生產(chǎn)流程是：低壓鑄造→熱處理→局部加工→旋壓形成空腔→激光焊接→加工→涂裝→用螺栓組裝輪轂。
兩件組合式“內(nèi)置空氣鋁輪轂”空腔制造技術(shù)的特點(diǎn)是：利用低壓鑄造工藝技術(shù)，采用特殊結(jié)構(gòu)的鑄造模具，將輪轂內(nèi)輪輞凸肩部鑄造出可用來形成空腔的部分，利用旋壓成形技術(shù)，使輪轂內(nèi)輪輞凸肩內(nèi)部形成空腔的形狀，隨后用激光焊接，將輪轂內(nèi)輪輞凸肩內(nèi)部變成封閉的空腔。
結(jié)語
1. 窄輪輻鋁輪轂獨(dú)特的造型使其不僅外觀輕盈、美觀、高雅，而且在輕量化和提高安全性方面效果顯著。
2. 內(nèi)置空氣鋁輪轂是鋁輪轂輕量化設(shè)計(jì)的最有效途徑，該技術(shù)在減輕鋁輪轂質(zhì)量的同時(shí)還大大地提高了承載能力，改善了鋁輪轂的加速性能及制動(dòng)性能，使得車輛的油耗得到了降低，車輛行駛的安全性能和舒適性也得以提高。
（轉(zhuǎn)載）
