白亞江

(中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011)

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基于輪轂蓋的低壓鑄造鋁合金輪轂輕量化設計

白亞江

(中信戴卡股份有限公司，河北秦皇島 066011)

隨著世界能源危機、環(huán)境污染等問題的日益嚴峻，汽車的輕量化設計已經(jīng)成為汽車設計開發(fā)者共同面對的課題。對于集安全性及外觀于一體的汽車輪轂的設計，既要滿足與整車外觀匹配，又要滿足可靠性基礎上的輕量化,這無疑是輪轂設計中的一個難點。而個性化輪轂蓋的應用，與整車的外觀匹配達到了完美統(tǒng)一，基于大輪轂蓋結(jié)構(gòu)下的輪轂輕量化設計必將成為解決這些難題的一個新舉措。綜合考慮13°沖擊、彎曲和徑向疲勞強度，基于大型輪轂蓋結(jié)構(gòu),對低壓鑄造鋁合金輪轂進行了輕量化設計，最終的設計造型滿足了臺架試驗和生產(chǎn)制造工藝的要求。

輕量化設計；輪轂蓋；低壓鑄造鋁合金輪轂；臺架試驗

0 引言

鋁合金由于密度小(約為鋼材的1/3)、散熱性能優(yōu)良(熱導率約為鋼材的4倍)、時尚美觀、耐腐蝕性能優(yōu)良，在汽車輪轂中得到了廣泛應用[1]。

當前,隨著汽車文化的發(fā)展所帶來的整車結(jié)構(gòu)和外觀的不斷優(yōu)化,以及節(jié)能減排法律法規(guī)的強制實施,汽車鋁輪轂正在向大直徑、輕量化、高強度、美觀化的方向發(fā)展[2]。為了滿足使用功能和汽車駕駛者的需求,鋁輪轂在結(jié)構(gòu)上有整體式和組合式, 外觀造型上體現(xiàn)為輪輻的多樣化, 外觀式樣上通過不同的工藝實現(xiàn)多種外觀效果, 而涂裝的顏色也更豐富多彩。

為了滿足輕量化的需求,鋁合金輪轂生產(chǎn)普遍采用了一些新的工藝:低壓鑄造、擠壓鑄造、半固態(tài)鑄造、鍛造、旋壓成形和幾種工藝的組合形式[3]。我國鋁合金輪轂的生產(chǎn)大多采用低壓鑄造工藝，目前，低壓鑄造鋁合金輪轂占全部產(chǎn)量的80%以上[4]，該工藝是在20世紀80年代后期由中信戴卡公司引進[5]，經(jīng)過20多年的發(fā)展，已經(jīng)比較成熟。

1 低壓鑄造鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)工藝特點

1.1 低壓鑄造鋁合金輪轂結(jié)構(gòu)

低壓鑄造鋁合金輪轂的結(jié)構(gòu)一般包括輪輞、輪輻、安裝法蘭面和輪轂蓋等附件。

輪轂一方面通過輪輞與輪胎緊密配合以保證一定的胎壓，另一方面與車橋相連，發(fā)揮其承載、行駛、轉(zhuǎn)向、驅(qū)動和制動等作用[4]。其中，輪輞的設計應按照輪輞年鑒中標準規(guī)定選用與整車要求相配的輪輞規(guī)格，尤其是寬度和直徑尺寸應嚴格按標準檢測，以確保與輪胎的配合要求。

安裝法蘭面的設計則根據(jù)輪轂與車橋車軸上的安裝盤等安裝定位要求進行。輪輻的設計需要考慮正面不能超過輪胎充氣表面以避免停車時與馬路邊緣剮蹭，背腔則不能與剎車干涉，原則是在保證具有足夠的承載、抗彎、抗沖擊強度性能前提下，其造型應具有美觀、動感和時尚性。而附件、輪轂蓋(也稱為裝飾蓋)對輪轂造型美觀起襯托、輔助的作用，可根據(jù)情況適當添加。

1.2 低壓鑄造鋁合金輪轂生產(chǎn)工藝

低壓鑄造是使液體金屬在壓力作用下充滿型腔以形成鑄件的一種方法。由于所用的壓力較低，一般不超過9.5 N/cm2，所以稱為低壓鑄造。其工藝過程是：在帶有金屬液密封的爐膛中，通入干燥的壓縮空氣，金屬液在氣體壓力的作用下，沿升液管上升，通過澆口平穩(wěn)地進入型腔，然后保持爐膛液面上的氣體壓力，一直到鑄件完全凝固為止；最后解除液面上的氣體壓力，使升液管中未凝固的金屬液流回爐膛，再由氣缸推出鑄件完成整個鑄件的生產(chǎn)過程。生產(chǎn)過程中通過合理控制流入爐膛空氣的壓力、速度，同時控制金屬流入型腔的速度和壓力，可以得到組織致密、機械性能好的鑄件,而且具有不用冒口、澆口小、金屬利用率高的特點。

低壓鑄造的生產(chǎn)工藝過程決定了輪輻設計必須保證橫截面積服從鑄造工藝順序凝固原理，即后冷卻部位的鋁液補充到先冷卻的部位，以保證車輪的組織結(jié)構(gòu)致密，提高車輪的綜合力學性能。鋁液在凝固過程中是否能夠?qū)崿F(xiàn)順序凝固,對于保證輪輻和輪輞的力學性能至關重要。為保證輪輻順序凝固，減重窩的設計優(yōu)先采取符合正面造型曲率的冷卻梯度，目的是在輪輻的冷卻過程中，預防輪輻的冷卻通道各界面中途出現(xiàn)瓶頸界面，產(chǎn)生鑄造缺陷。另外必須預留殘留圓角，目的是保證后續(xù)的去毛刺工藝和油漆試驗。

綜上所述，輪輻的設計需要滿足下述要求：(1)結(jié)構(gòu)可靠性；(2)時尚美觀的外觀；(3)生產(chǎn)工藝上提高力學性能；(4)輕量化的需求。在存在大輪轂蓋的條件下,輪轂蓋可以通過外觀設計達到與整車的外觀完美匹配，對整個輪輻僅進行強度上的優(yōu)化設計,以滿足臺架試驗可靠性基礎上實現(xiàn)輕量化設計的目的。

文中基于一款大型輪轂蓋結(jié)構(gòu)，對輪轂造型作了輕量化設計與研究，希望通過該方法為以后輪轂的發(fā)展提供設計方向和開發(fā)思路。

2 基于現(xiàn)有輪轂蓋的輪轂設計路線

傳統(tǒng)的輪轂造型設計思路首先是輪輻正面造型的創(chuàng)意設計,即外觀設計，設計中需要融入品牌文化及車型特征，達到輪轂外觀與車身整體外形的匹配，實現(xiàn)統(tǒng)一的造型效果；接著根據(jù)車輪尺寸設計要求構(gòu)建輪輞的三維模型，根據(jù)車輪的安裝配合尺寸設計安裝法蘭面的三維造型；然后在外觀造型鎖定的條件下結(jié)合制造工藝和臺架試驗、有限元分析進行輪輻背腔減重窩的設計。這個過程往往反復很多次，造成資源和時間周期上的大量浪費。

在現(xiàn)有輪轂蓋的條件下，輪輻的設計只要保證可靠性功能的最輕設計即滿足要求，因此在輪輞和安裝法蘭設計完成之后，根據(jù)正面的輪轂蓋結(jié)構(gòu)和背腔的剎車線要求，把輪輻設計空間作為拓撲變量，考慮彎曲疲勞和徑向疲勞作為工況條件，通過拓撲優(yōu)化參數(shù)的合理調(diào)整，找到滿足可靠性的最佳拓撲結(jié)構(gòu)，然后再進行輪輻的實體造型設計，設計后的輪轂整體造型再通過臺架試驗分析的驗證，最終達到輕量化設計的目的，技術路線見圖1。

圖1 技術路線圖

文中以17×7.5輪型為例,其中輪轂蓋的造型如圖2所示，輪轂蓋由6根輪輻組成，通過6個螺栓孔與輪轂裝配在一起。

圖2 大輪轂罩結(jié)構(gòu)圖

臺架試驗載荷如表1所示，造型目標質(zhì)量低于10.88 kg。

表1 臺架試驗載荷

3 帶有輪轂蓋的輪轂造型初始化設計

3.1 輪輞和安裝法蘭面的標準設計

汽車輪轂的主要參數(shù)有胎環(huán)直徑、胎環(huán)寬度、螺栓孔節(jié)圓直徑、偏距、中心孔等，一般常根據(jù)胎環(huán)直徑和胎環(huán)寬度來劃分不同尺寸型號。直徑和寬度通常是在整車設計方案中確定的，綜合考慮了汽車動力、自身質(zhì)量及阻力等方面因素，選擇使車輛性能最優(yōu)的輪轂尺寸，根據(jù)GB/T 3487-2005輪輞年鑒中對17×7.5輪型尺寸規(guī)定完成輪輞的2D截面圖。

螺栓孔節(jié)圓直徑、偏距及中心孔的尺寸亦由整車設計中輪轂的安裝要求確定，從而決定了輪轂的安裝法蘭部分的造型要求。安裝法蘭面的設計需要綜合考慮螺栓緊固試驗和彎曲試驗的強度，其法蘭減重窩的設計還要充分考慮到鑄造工藝和車輪的臺架試驗以及輕量化目的，避免減重窩和排水槽出現(xiàn)棱角毛刺；由于正面需要考慮到裝飾蓋的匹配安裝，安裝時產(chǎn)生的擠壓力能夠滿足裝飾蓋的拔脫力為宜。

3.2 輪輻的初始化設計

輪輻的設計是整個設計過程的關鍵，輪輻正面需要和輪轂罩之間保持一定的間隙匹配，而輪輻背腔則根據(jù)剎車線要求來決定。大裝飾蓋匹配設計主要考慮與輪輻正面保持0.5 mm左右間隙；最后把輪輞、安裝法蘭和輪輻組合在一起，完成整個輪轂的初始化造型，如圖3所示。

圖3 輪轂初始化造型

4 輪輻的拓撲優(yōu)化

4.1 拓撲空間的選擇

將造型導入到優(yōu)化軟件環(huán)境中，進行網(wǎng)格劃分(見圖4)和材料參數(shù)的設定，A356.2材料的機械性能參數(shù):彈性模量7×104MPa，密度為2.67×10-9t/mm3，泊松比0.33;并將輪輻賦予獨立的屬性(Property)，作為拓撲優(yōu)化的變量；為了得到合理的輪輻結(jié)構(gòu)，選擇目標函數(shù)f(x)為沖擊彎曲徑向各工況組合應變能，約束條件g(X)為設計空間的體積分數(shù)：

Minimize:f(x)=weighted comp

Subjectto:g(X)≤Volume Fraction

Volume Fraction=0.3，0.4，0.5…

通過設定不同的體積分數(shù),可以得到不同的拓撲結(jié)構(gòu)質(zhì)量和各個工況下的靜態(tài)應力結(jié)果。

圖4 網(wǎng)格劃分結(jié)果

4.2 彎曲疲勞載荷施加

4.2.1 彎曲疲勞試驗

按照國家乘用車車輪性能要求和試驗方法[6]，旋轉(zhuǎn)彎曲疲勞試驗用的輪轂試驗樣品應是準備裝車使用的、經(jīng)過了完整加工過程的全新車輪，每個車輪只能做一次試驗。按圖5將車輪牢固地夾緊在試驗夾具上。試驗裝置的連接面應當與被試驗品在車輛上的車輪安裝裝置相當。試驗連接件安裝面和車輪安裝面均應光潔、平整，加載力臂和連接件用無潤滑的雙頭螺栓和螺母(或螺栓)連接到車輪的安裝平面上，安裝情況應與裝于車輛上的實際使用工況相當。在試驗開始時，把車輪螺母(或螺栓)擰緊至汽車制造廠所規(guī)定的扭矩值，車輪螺栓和螺母在試驗過程中可再次緊固。加載系統(tǒng)應保持規(guī)定的載荷，誤差不超過±2.5%。

圖5 彎曲疲勞示意圖

試驗判定基準是選擇強化系數(shù)1.6條件下，最低轉(zhuǎn)數(shù)滿足10×104轉(zhuǎn)條件下，車輪繼續(xù)承受載荷；采用著色滲透法或其他可接受的方法如熒光探傷法進行檢查，車輪任何部位不應該出現(xiàn)新的可見裂紋；如果在達到要求的循環(huán)次數(shù)之前，加載點的偏移量已超過初始全加載偏移量20%，應認為車輪試驗已經(jīng)失效。

4.2.2 彎曲疲勞試驗仿真模型的建立

根據(jù)臺架試驗彎曲疲勞的試驗標準，采用HyperMesh建立有限元模型，加載桿采用RBE2單元，加載點作為主節(jié)點，從節(jié)點選擇連接法蘭面中心位置，該從節(jié)點與螺栓連接的接觸面再建立RBE2單元，完成彎曲疲勞有限元模型的創(chuàng)建工作。根據(jù)試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性驗證，在30萬轉(zhuǎn)條件下，有限元分析的判定標準為Mises Von Stress小于145 MPa。

圖6 彎曲疲勞試驗分析模型

4.3 13°沖擊載荷施加

4.3.1 13°沖擊試驗標準

按照國家轎車車輪沖擊試驗方法[7],13°沖擊設備是一個可以將沖擊載荷施加到裝有輪胎的車輪輪輞輪緣上的裝置，如圖7所示。為了使垂直下落的沖頭能與輪輞的最高點接觸，按輪軸線與沖頭垂直下落方向成13°±1°的方式安裝車輪。沖頭的沖擊面長不小于375 mm，寬不小于125 mm。為適應各種規(guī)格和形狀的車輪做沖擊試驗，整個車輪支架的位置應可以調(diào)節(jié)。

圖7 13°沖擊試驗機

試驗用的輪胎應選用在車輛或車輪制造廠與該車輪相匹配的、最小公稱斷面寬度的無內(nèi)胎輪胎。輪胎的充氣壓力必須按車輪制造廠的規(guī)定，如無此規(guī)定，可按200 kPa充氣。車輪安裝時把車輪輪胎總成安裝在與車輪輪轂一致的連接盤上。車輪安裝時，要按車輛或車輪制造廠推薦的方法或用手工擰緊至規(guī)定值。調(diào)整沖頭下落高度在輪輞輪緣的最高點上方(230±2)mm,然后利用試驗設備的快速釋放機構(gòu)讓沖頭落下，沖擊車輪輪胎總成。關于試驗結(jié)果的評價，出現(xiàn)下列情況之一即判定為損壞(車輪變形或與沖頭相接觸的輪輞斷面斷裂除外)：輪輻的任一斷面處有目測可見的穿透裂紋、輪輻從輪輞上分離、輪胎氣壓在1.0 min內(nèi)漏盡。

4.3.2 13°沖擊試驗仿真模型的建立

根據(jù)沖擊試驗標準建立瞬態(tài)分析仿真模型，采用簡化的沖擊塊模擬重錘，通過接觸時的初始速度來表征沖擊高度，取消了輪胎和胎壓的影響，在輪轂安裝盤面及PCD孔錐面上施加全約束，將沖擊載荷乘以一定的動載系數(shù)按照13°分解施加到?jīng)_塊與外輪緣的接觸面上，如圖8所示。由于拓撲環(huán)境中只能為靜態(tài)分析工況，通過試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性驗證，在給定沖擊載荷和沖擊高度條件下，有限元線性分析判據(jù)為Mises Von Stress小于60 MPa，待最終造型確定之后，再采用瞬態(tài)分析對沖擊進行驗證。

圖8 13°沖擊分析模型

4.4 徑向疲勞載荷施加

4.4.1 徑向疲勞試驗標準

按照乘用彎曲實驗和徑向?qū)嶒灥囊蠛驮囼灧椒╗8]，試驗臺應當具有在車輪轉(zhuǎn)動時向其傳遞恒定徑向負荷的能力。設備有一個轉(zhuǎn)鼓，轉(zhuǎn)鼓有比承載輪胎斷面要寬的光滑表面，加載方向垂直于轉(zhuǎn)鼓表面且與車輪和轉(zhuǎn)鼓的中心連線在徑向方向上一致，轉(zhuǎn)鼓軸線和車輪軸線應平行，推薦轉(zhuǎn)鼓直徑為1 700 mm。試驗連接件安裝面和車輪安裝面均應光潔、平整。試驗車輪所選用的輪胎，應該是符合車輪的額定負荷或是車輪廠或汽車制造廠規(guī)定的最大負荷能力的輪胎。根據(jù)車輪廠或汽車制造廠規(guī)定的該車輪可以配用的最大輪胎的使用氣壓來確定試驗時輪胎氣壓，在試驗期間，壓力將升高，這種升高是正常的，且無需調(diào)整。加載系統(tǒng)應保持規(guī)定的載荷，誤差不超過±2.5%。車輪徑向疲勞試驗失效判定依據(jù)：車輪不能繼續(xù)承受載荷；車輪任何部位出現(xiàn)新的可見裂紋(用著色滲透法或其他可接受的方法如熒光探傷法檢查)。

圖9 徑向疲勞示意圖

4.4.2 徑向疲勞試驗的仿真模型

根據(jù)徑向疲勞試驗標準, 仿真模型在法蘭安裝盤面及PCD 孔錐面上施加全約束。 為了節(jié)省計算時間、提高計算效率, 對分析模型進行簡化，取消了輪胎，忽略了試驗胎壓的影響，將徑向載荷直接分解到胎圈座上進行直接加載。通過試驗結(jié)果與仿真結(jié)果的一致性驗證，得出在要求300萬轉(zhuǎn)下，有限元分析判據(jù)為Mises Von Stress小于110 MPa。

圖10 徑向疲勞試驗分析模型

4.5 拓撲優(yōu)化結(jié)果及最終造型設計

綜合考慮沖擊彎曲疲勞和徑向疲勞對拓撲結(jié)構(gòu)的影響，并設置拔模和輪輻個數(shù)循環(huán)對稱約束，調(diào)整最小/最大成員尺寸制造工藝約束，得到如圖11所示的拓撲結(jié)構(gòu)。

圖11 單元密度分布

對優(yōu)化后的拓撲結(jié)構(gòu)進行重分析,根據(jù)重分析后的應力結(jié)果對試驗進行預判,然后導出IGS格式文件，在三維設計軟件環(huán)境下設計實體造型。從減少飛邊、保證最小壁厚考慮，重新設計的造型如圖12所示。

圖12 造型設計圖

4.6 臺架試驗FEA驗證

為了進一步驗證最終造型的臺架試驗可靠性，對最終的實體造型進行了沖擊彎曲徑向的驗證，驗證結(jié)果如圖13—15所示。

圖13 彎曲疲勞強度驗證結(jié)果

圖14 徑向疲勞強度驗證結(jié)果

圖15 13°沖擊驗證結(jié)果

最終的造型質(zhì)量10.5 kg，滿足了目標質(zhì)量低于10.88 kg要求，而且減輕了300 g。為了進一步驗證生產(chǎn)工藝的可行性，輪輻是否能夠作為流動通道的同時也能夠?qū)崿F(xiàn)自身的順序凝固，對輪輻位置的截面面積作了詳細分析，輪輻截面面積的變化關系如圖16所示。

隨著輪心距離的加大，輪輻截面面積逐漸減小，從而保證了一定的溫度梯度，保證了鑄造生產(chǎn)過程的穩(wěn)定性。

圖16 輪輻截面變化梯度

5 結(jié)論

(1)在輪轂蓋輔助裝飾滿足外觀的基礎上，對輪輻進行輕量化設計是應對汽車輪轂輕量化設計的一個新舉措；

(2)輪輞和輪芯采用標準規(guī)范進行設計，針對輪轂蓋的間隙要求以及輪輻背腔剎車線要求，以輪輻的可設計空間作為拓撲優(yōu)化變量，優(yōu)化設計得到滿足臺架可靠性的輕量化結(jié)構(gòu)；

(3)針對鑄造工藝方面的約束，對優(yōu)化后的造型進行重新設計，通過了沖擊、彎曲疲勞和徑向疲勞的強度驗證，同時也滿足生產(chǎn)制造工藝要求；

(4)該方法不僅大大降低了輕量化過程輪轂設計開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期，而且結(jié)合了生產(chǎn)工藝和制造水平，為輪轂輕量化的未來指明了方向。

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Lightweight Design for LPC Wheel Based on Wheel Cap

BAI Yajiang

(CITIC Dicastal Co.,Ltd., Qinhuangdao Hebei 066011,China)

With more and more serious world energy crisis and environmental pollution, automobile lightweight design has become a topic faced by R & D engineer. The wheels set safety and appearance in one, so it is necessary to meet not only the vehicle appearance matching, but also fatigue reliability based on lightweight, which is undoubtedly a big neck problem in process of wheel designing. With wheel cap personalized application, the appearance matching between vehicle and wheel cap achieves perfect unity, so wheel lightweight design will be a countermeasure to solve this problem based on wheel cap structure. 13° impact, bending and the radial fatigue strength considered based on a big wheel cap structure, LPC (low pressure casting) aluminum wheel was lightweight designed, and the final design model met the bench test and manufacturing process requirements.

Light weight design;Wheel cap;LPC aluminum wheel;Bench test

2016-06-15

白亞江，男，碩士，工程師，研究方向為汽車零部件可靠性分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計。E-mail：baiyajiang@dicastal.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.004

U463.342

A

1674-1986(2016)09-017-06