黃崗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州311402）

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高強度鋼制車輪的輕量化研究

黃崗

（杭州科技職業(yè)技術(shù)學(xué)院，浙江 杭州311402）

摘 要：車輪是汽車最重要的承載件之一，其輕量化研發(fā)成為汽車行業(yè)發(fā)展的焦點。論述了高強度鋼輪的性能要求，重點從新材料研發(fā)、車輪輕量化優(yōu)化設(shè)計、鋼輪制造工藝改進(jìn)三方面，對高強度鋼制車輪的輕量化研究深入剖析，進(jìn)一步挖掘高強度鋼制車輪輕量化潛力，希望能為鋼制車輪輕量化研究開拓思路。

關(guān)鍵詞：鋼制車輪；輕量化；高強度

隨著汽車行業(yè)蓬勃發(fā)展，新能源、節(jié)能、環(huán)保等成為汽車發(fā)展趨勢。為此，汽車企業(yè)愈加重視汽車輕量化研究。在汽車行駛過程中，車輪需要同時應(yīng)對車身自重載荷及各種動載產(chǎn)生的應(yīng)力。因此，車輪質(zhì)量成為評判整車性能的重要指標(biāo)之一［1］。隨著汽車零部件向高性能、安全、節(jié)能、降耗方向發(fā)展，高強度鋼制車輪已成為車輪輕量化研究的焦點。本文針對高強度鋼材的研發(fā)、鋼制車輪結(jié)構(gòu)的設(shè)計、車輪制造工藝改進(jìn)進(jìn)行剖析、研究，以期能對鋼制車輪輕量化研究提供參考。

1　鋼制車輪的現(xiàn)狀

1.1鋼制車輪的市場分析

通過大數(shù)據(jù)分析，中國已然成為世界汽車產(chǎn)銷大國。汽車行業(yè)的繁榮帶動了汽車零部件產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，也為國內(nèi)車輪行業(yè)的發(fā)展提供了難得的契機［2］。在車輪細(xì)分市場中，鋼制車輪與鋁制車輪競爭尤為激烈。由于鋼材加工性能的局限，難以實現(xiàn)車輪結(jié)構(gòu)、外觀多樣化，鋼制車輪市場面臨危機。

以創(chuàng)新為突破，鋼制車輪企業(yè)通過不斷技術(shù)革新，取得長足進(jìn)展。同時，鋼鐵企業(yè)謀求深度發(fā)展，涉足鋼制車輪行業(yè)，促使鋼輪企業(yè)更多采用高強度鋼材，從而實現(xiàn)車輪輕量化［3］。目前，介于鋼制車輪企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展以及鋼、鋁原材料的成本差異，使得汽車行業(yè)重新評估鋼輪和鋁輪的市場價值［4］。

1.2車輪輕量化的現(xiàn)狀

節(jié)能、環(huán)保是汽車行業(yè)未來發(fā)展趨勢，汽車節(jié)能減排迫在眉睫，汽車輕量化是緩解汽車排放超標(biāo)的有效手段。試驗表明：車身質(zhì)量每減少一成，油耗降低約6%～8%，排放量下降4%.車輪是汽車重要承載件，工作中高速旋轉(zhuǎn)，其輕量化節(jié)能效果是其它零部件的1.5倍左右。

通過數(shù)據(jù)分析，國內(nèi)商用車油耗量占總量的75%左右。隨著國家對物流行業(yè)規(guī)范化管理，對車輛超載的嚴(yán)管控以及節(jié)能、環(huán)保的需要，商用車的輕量化節(jié)能研究顯得尤為重要。在國內(nèi)商用車領(lǐng)域，鋼制車輪仍然是市場主流，為此，高強度輕量化鋼制車輪的應(yīng)用研究將勢在必行。根據(jù)汽車行業(yè)輕量化發(fā)展現(xiàn)狀調(diào)研，鋼輪輕量化開發(fā)主要是高強度鋼材應(yīng)用、車輪結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、鋼輪制造工藝提升三個方面。強化承載能力，滿足節(jié)能、環(huán)保及安全行駛等要求，使用高強度鋼材是鋼制車輪輕量化最有效方法。

2　高強度鋼制車輪材料輕量化

2.1鋼制車輪用鋼的技術(shù)要求

車輪結(jié)構(gòu)簡單，作為承載構(gòu)件使用，性能上要求有高精度、高疲勞、高承載能力、低重量，同時具有一定美觀性。鋼制車輪對材料性能要求主要包括工藝性能、使用性能。

（1）工藝性能要求。輪輻和輪輞是車輪組成部分，成型工藝不同，對鋼材工藝性能有著不同要求。輪輻主要拉延成形，要求鋼材有良好的拉延成形性能。輪輞成形主要是焊接、滾壓和擴張成形，要求鋼材具有良好的焊接性、滾壓成形性以及擴孔性能。從工藝性能考慮，鋼制車輪要求鋼材具有良好的成形性能、焊接性能、滾壓成形以及擴孔性能。

（2）使用性能要求。除了滿足所需的工藝性能外，車輪用鋼還要達(dá)到使用性能要求。對于車輪使用性能評測主要通過軸向彎曲疲勞試驗、徑向疲勞試驗、落錘沖擊試驗等方法。疲勞試驗測試主要檢測鋼材的化學(xué)成分、夾雜和表面質(zhì)量等指標(biāo)對輪輻、輪輞疲勞性能的影響，一般分為軸向彎曲疲勞和徑向疲勞試驗。落錘沖擊試驗用以評測車輪的抗沖擊能力。從車輪的使用性能要求看，要求鋼材具有高強度、高疲勞性能、少的夾雜以及優(yōu)質(zhì)的表面質(zhì)量。如表1所示，是常用汽車鋼制車輪的用材情況［1］。

表1　部分常用汽車鋼制車輪用材

高強度鋼憑借著高強度、低屈強比、高抗沖擊能力和疲勞性能好等優(yōu)點，成為汽車輕量化的關(guān)鍵材料。隨著車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化、制造成形工藝、有限元分析、信息化等技術(shù)的快速發(fā)展，高強度鋼逐步應(yīng)用于車輪制造。輕量化高強鋼的應(yīng)用開發(fā)將成為車輪輕量化、汽車行業(yè)節(jié)能、減排研發(fā)的重要突破口。

2.2高強度鋼輕量化研究

鋼鐵材料相對于有色合金、高分子材料，具有價格便宜、工藝成熟的優(yōu)勢，再通過高強度化和有效的強化措施可充分挖掘其強度潛力，更好發(fā)揮使用價值［1］。

（1）高強度碳鋼。車輪零件成型工藝多采用拉延、滾壓、擴張工藝，良好的塑性是鋼輪用材的重要性能。高強度碳鋼具有高的彈性模量、良好的剛性、耐沖擊性以及疲勞強度，與普通鋼相比其抗拉強度要高2～3倍。目前，高強度碳鋼的研發(fā)與汽車輕量化合金材料（鋁、鎂等）研發(fā)旗鼓相當(dāng)，有些材料甚至優(yōu)于鋁合金、鎂合金。

根據(jù)市場需求，同時具有高強度及良好塑性是高強度碳鋼的發(fā)展趨勢。其中，近來開發(fā)的多相鋼具有巨大的市場潛力。這些鋼有著良好強度和成型性能，為高強度鋼制車輪輕量化應(yīng)用提供更多可能。如：鐵素體-貝氏體鋼強度級別為500 MPa；雙相（DP）鋼和相變誘發(fā)塑性（TRIP）鋼強度級別為600～800 MPa；復(fù)相（CP）鋼強度級別為800～1 000 MPa.

但是，國內(nèi)鋼制車輪材料與歐美高強度鋼存在一定的差距，國內(nèi)鋼輪用材強度仍處在低強度級別（420 MPa～490 MPa）。車輪的輕量化開發(fā)，需要加大對高強度碳鋼的推廣應(yīng)用。

（2）低合金高強度鋼。輕量化、節(jié)能、降耗是汽車發(fā)展趨勢，低合金高強度鋼已經(jīng)被用于歐系、日系中高級轎車鋼制車輪。低合金高強鋼具有高強度、高塑性、高韌性、可焊性和低的脆韌轉(zhuǎn)變溫度，冷成型性能優(yōu)。其中，熱軋低合金高強度鋼在基體鋼中添加微量鈮、鈦、釩等合金元素，通過軋制工藝參數(shù)及冷卻速度的控制，可實現(xiàn)綜合性能提升。

目前，低合金高強度鋼制車輪已在中國國內(nèi)市場初現(xiàn)端倪，如一汽大眾PQ46平臺的邁騰使用低合金高強度鋼車輪、豐田D82高強度鋼車輪［1］。國內(nèi)低合金高強度鋼制車輪的自主研制與開發(fā)，為自主品牌轎車開發(fā)提供優(yōu)質(zhì)零部件具有重要的意義。

3　高強度鋼制車輪設(shè)計及制造工藝輕量化

3.1車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計輕量化

車輪輕量化研究需要運用多學(xué)科融合方法，需要綜合性、系統(tǒng)性的考慮車輪輕量化優(yōu)化設(shè)計。在車輪結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方面，國內(nèi)逐漸從依靠經(jīng)驗設(shè)計發(fā)展到應(yīng)用有限元等現(xiàn)代設(shè)計手段，準(zhǔn)確進(jìn)行彎曲疲勞計算和沖擊分析。

隨著高強度鋼的應(yīng)用以及車輪結(jié)構(gòu)設(shè)計的優(yōu)化，開發(fā)出了高強度且美觀的鋼制車輪。大通風(fēng)孔式（HVA）鋼制車輪為例，如圖1所示，外觀可與鋁合金車輪相媲美，同時具有輕量化、成本低等優(yōu)點，非常適合A級車使用。大通風(fēng)孔車輪設(shè)計過程難度較大，開發(fā)需要結(jié)合外觀設(shè)計、疲勞設(shè)計優(yōu)化分析、剛度優(yōu)化分析、抗扭優(yōu)化分析以及成型優(yōu)化分析等手段［3］。

圖1　大通風(fēng)鋼制車輪

車輪結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計時，常常需要其材料、制造工藝進(jìn)行技術(shù)革新。優(yōu)化設(shè)計初期，就應(yīng)及時考慮到制造的材料使用及輕量化的工藝。這樣做才能較好的輕量化效果，同時縮短產(chǎn)品制造周期及降低汽車開發(fā)成本。例如大通風(fēng)孔鋼制車輪設(shè)計，要求車輪鋼有良好的成形性能，高的擴孔性能，好的焊接性能及高的疲勞性能。通過鈮微合金化，有效提高鋼材的擴孔率、焊接性能以及疲勞性能，保障了這種結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。

3.2制造工藝輕量化

近年來，車輪制造上游企業(yè)（如車輪設(shè)備制造）積極研發(fā)，將旋壓生產(chǎn)工藝應(yīng)用到鋼輪的輪輻、輪輞生產(chǎn)中，與傳統(tǒng)的材料和工藝相比，車輪可減輕20%.

大通風(fēng)孔車輪生成采用旋壓工藝可以保證車輪的性能和成形。同時，車輪制造企業(yè)引入有限元仿真分析工具，對輪輻的沖壓工藝進(jìn)行仿真分析，最大限度地降低了輪輻成形過中所產(chǎn)生的殘余內(nèi)應(yīng)力，減低了車輪內(nèi)殘余應(yīng)力對車輪疲勞壽命的影響。

此外，車輪輕量化對連接工藝也有較高要求。無論是弧焊閃光對焊還是其他連接方式，一旦輪輻和輪輞出現(xiàn)連接問題，極易導(dǎo)致疲勞失效。因此，對鋼材的焊接性能和連接工藝控制要求較高。要求，車輪制造工藝不斷改進(jìn)，如采用復(fù)合結(jié)構(gòu)，減少中間搭接、接頭拼縫、局部增強、激光拼焊，熱成型制造工藝等。

4　結(jié)束語

高強度鋼是汽車車輪輕量化研究重要突破口，將會汽車工業(yè)發(fā)展起著重要作用。對高強度鋼制車輪實施輕量化過程中務(wù)必同時考慮制造成本等，過于追求節(jié)能減排效果造成過高成本代價，甚至影響到產(chǎn)品的安全性，顯然是得不償失的。

車輪行業(yè)而言，國內(nèi)車輪輕量化的研究與應(yīng)用，與國外都有著較大差距。輕量化技術(shù)開發(fā)能力薄弱。目前，國內(nèi)汽車車輪制造基本上依附或從屬于汽車整車制造業(yè)，暫未取得相對獨立地位，制約著新技術(shù)研發(fā)、創(chuàng)新。需要從整車廠逐步剝離，形成獨立的科研力量，深耕輕量化研究。

參考文獻(xiàn)：

［1］燕來榮.輕量化高強度鋼材驅(qū)動著汽車的未來［J］.汽車用鋼，2011，（1）：17-21.

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［3］陸培明，錢春華，童恬.汽車鋼制車輪行業(yè)的現(xiàn)狀和趨勢［J］.汽車工程，2006，28（5）:504-507.

［4］汽車零部件鋼制車輪行業(yè)分析報告［R］.2010.

Lightweight Research of High Strength Steel Wheels

HUANG Gang
（Hangzhou Polytechnic College，Hangzhou Zhengjiang 311402，China）

Abstract：The vehicle wheel is the most important bearing parts of automobile.The lightweight research of wheel has become the focus of automotive industry.This paper discusses the performance requirements of high strength steel wheel.And focusing on the high strength steel wheel lightweight analysis from the new material，lightweight optimization design and manufacturing process improvement.The purpose is to excavate the lightweight potential of high strength steel wheel，and hope to develop a new method for lightweight research of steel wheel.

Key words：steel wheel；lightweight；high strength

中圖分類號：U463.34

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1672-545X（2016）03-0198-03

收稿日期：2015-12-05

項目基金：浙江省教育廳高等學(xué)校訪問工程師校企合作項目（項目編號：FW2013164）

作者簡介：黃崗（1987-），男，浙江金華人，碩士，助教，主要研究方向為汽車模具。