朱文婧

摘要：本文主要針對中空結構輕量化靜音車輪結構設計展開研究，簡述了中空結構靜音的設計理論和設計優(yōu)點，以有限元技術為支撐有針對性的優(yōu)化產品結構，并對該輪轂的設計實施方案和制造技術進行了描述，以實現(xiàn)中空結構輕量化靜音車輪的制造。

關鍵詞：靜音車輪;中空結構;鋁合金車輪;輪轂設計制造

0 ?引言

輪轂是車輛承載的最重要安全部件，在進行輪轂的開發(fā)設計時，為了滿足輪轂的使用性能和顧客需求，要求輪轂的設計開發(fā)既高效又有效，要達到更高要求，必須做到結構、外觀設計和制造技術的完美結合。由于安全的原因，我們在鋁輪轂的外觀和結構設計時必須要以滿足安全和使用功能的要求為前提，在汽車的運行中每1克輕微的重量在高速行駛中都會產生極大的力量，無論是用于賽車的輪轂，還是行駛在普通交通道路上的輪轂，所以在開發(fā)階段盡量爭取最大化的減輕產品重量。為了更大限度地減輕輪轂的質量，可以將鋁輪轂設計為中空結構，通過合理空腔位置和形狀，既可以保證輪轂的安全性能，又可有效減少鋁材用量。

同時，汽車行駛過程胎噪過大一直是一個行業(yè)未能解決的難題，以往的方式多為改變輪胎結構降噪，為提升輪轂產品的附加值，可以考慮在輪轂上開發(fā)相應降噪功能，通過在輪輞上加裝消音器使車輪總成振動頻率提高，避免車輪在行駛過程中形成共振、產生刺耳噪音。

1 ?設計思路

中空結構輕量化靜音輪轂的主要設計思路是將空腔構造的理論準則應用到輪轂設計中更大限度地減輕鋁輪轂的質量，提高輪轂的使用性能，研究根據運動力學的原理，將鋁輪轂的輪輻及內外輪緣凸肩處設計成空腔結構;同時結合市場關注熱度，增加靜音附加性能，以深槽凸臺輪輞靜音配置，在輪輞的外壁深槽位置設置總環(huán)形凹槽，并在總環(huán)形凹槽中設置降噪凹槽，用于安裝固定降噪塊;此外，關注該結構產品可能出現(xiàn)的干涉情況，將氣門嘴設置在輪輻區(qū)域，便于輪胎充氣操作。

2 ?結構設計

基于以上設計思路，提出以下設計方案：

如圖1、圖2為設計的中空結構輕量化靜音車輪的結構示意圖，包括輪輞1、多個輪輻2和轂部3，轂部3的中心成型有中心孔31，中心孔31周圍的轂部3上成型有以中心孔31為中心均布的多個螺栓孔32，孔中壓裝襯套33。

輪輻2一端成型在轂部3上、另一端成型在輪輞1上，輻條2的外側壁上成型的氣門孔21的外端內側壁上具有環(huán)形安裝凹槽23。

輪輞1外側處成型有環(huán)形部100，環(huán)形部100的端部通過焊接固定在輪輞1的外側壁處，環(huán)形部100與輪輞1的外側之間形成環(huán)形空腔4，輪輻2與輪輞1連接處具有通孔11，通孔11與輪輻2中成型有的內空腔5相通，環(huán)形部100覆蓋通孔11，內空腔5與環(huán)形空腔4相通;其中一個輻條2靠近輪輞1的一端處的外側壁上成型有氣門孔21，氣門孔21與內空腔5相通，環(huán)形部100處于此輻條2處成型有充氣小孔22，充氣小孔22與環(huán)形空腔4相通;

輪輞1外側壁的中部具有總環(huán)形凹槽20，總環(huán)形凹槽20的中部具有環(huán)形凸起圈201，環(huán)形凸起圈201與總環(huán)形凹槽20靠近輪輞1的內輪緣13的一側壁之間形成降噪凹槽202，降噪凹槽202中卡置固定有多個降噪塊30。環(huán)形凸起圈201上具有多個凹槽211，降噪塊30為弧形降噪塊，每個降噪塊30的側壁具有彈性卡置部31，彈性卡置部31卡置在對應的凹槽211中。

其制作時，通過將輪轂的輪輻2及內外輪緣凸肩處設計成空腔結構，直接進行鑄造，鑄造時將輪輻2部分鑄造成中空即內空腔5，而輪輻2與輪輞1連接部分具有通孔11，并在輪轂的輪輞1肩部鑄造出可用來形成空腔的部分即環(huán)形空腔4，再利用旋壓使輪轂的輪輞1肩外側形成的環(huán)形部100下壓，環(huán)形部100焊接在輪輞1的外側的輪緣凸肩處，從而將輪輞1外壁處形成環(huán)形空腔4和處于輻條2處的內空腔5，內空腔5和環(huán)形空腔4連通。

3 ?設計開發(fā)流程與制造技術

產品設計開發(fā)的主要方法和流程是，利用實體建模軟件（如UG）展開實體建模，將輪轂由方案變?yōu)?D數(shù)字模型，建立實體模型圖后，對有限元網格進行規(guī)劃及計算，并建立的實體模型進行簡化，對實體模型有限元進行預處理，形成網格規(guī)劃，利用CAE軟件（如Hyperworks）實現(xiàn)網格規(guī)劃，定義網格尺寸為10mm，進行輪轂的應力分析，模擬車輛在良好路面行駛時輪轂所受到的來自汽車自重的徑向（垂直面）載荷、車輛在某個車速下高速巡航并緊急制動時與地面產生的瞬間制動力形成的一個扭矩載荷、車輛緊急轉向以及顛簸不平和傾斜路面時的受力等，根據分析的應力集中情況進行結構和重量的優(yōu)化設計;優(yōu)化設計完成后，采用3D打印技術制造出輪轂的實物模型，進行實物評審;完成鑄造模具的設計，利用CAE軟件（如MAGMA）進行鑄造過程模擬分析，優(yōu)化模具設計和工藝方案設計;制造并試驗模具，生產制造出真正的樣輪;對制造出來的樣輪進行各種性能試驗和路試。

中空結構輕量化靜音車輪采用特殊結構的鑄造模具，輪輻鑄造成中空，并在輪轂內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，使輪轂內外輪輞肩內部形成空腔的形狀，輪輻內部的空腔與外輪輞肩內部的空腔焊接在一起，將輪轂內外輪輞肩內部變成封閉的空腔;針對靜音輪輞結構設置特殊冷卻設計，改進產品輪輞毛坯結構，使此部位內部組織優(yōu)化，解決縮松缺陷;通過車加工程序設計在保證車輪耐疲勞性能以及機械性能的前提下在深槽部位增加一體化卡環(huán)以安裝消音設備，在輪子單元運行過程中吸收輪轂噪音，達到靜音優(yōu)化的效果。

為了產品鑄造過程質量可靠，在制造過程對鑄造模具的冷卻環(huán)裝置也做了改進（見圖3、圖4），鑄造模具的背面中部開有環(huán)形凹槽，環(huán)形凹槽的底面上成型有多個冷卻氣孔，冷卻環(huán)上通接有多個豎直吹風管;該冷卻環(huán)包括多個同心的環(huán)體，相鄰兩個環(huán)體之間通過中間連接管相連通;相鄰兩個環(huán)體之間具有環(huán)形空隙，環(huán)形空隙對應的環(huán)形凹槽的底面上固定有連接螺母。該裝置中螺帽焊接在模具背面的空檔位置，壓塊壓住兩端氣管，采用固定螺栓實現(xiàn)冷卻環(huán)與模具連接，其無需焊接，螺絲擰緊即可，安裝拆卸方便，即提高冷卻環(huán)使用壽命，減少破損和變形的可能，保證了冷卻環(huán)的冷卻工作質量，解決原本受空間和位置影響采用的電焊連接方式，拆卸時用磨光機進行切割，安裝時再用電焊固定，導致氣管經常出現(xiàn)破損和變形的問題，從而提高產品鑄造合格率。

4 ?設計優(yōu)點

與現(xiàn)有技術相比，本設計具有以下優(yōu)點：

①研究設計的中空結構輕量化靜音車輪，輪輞上設置環(huán)形空腔、每個輪輻中設置隨形內空腔，并根據空腔與中心軸的距離的調整來優(yōu)化剛性，在保證輪轂承載性能和剛性的同時，能有效減輕輪轂重量10%以上;

②研究設計的中空結構輕量化靜音車輪，在輪輞深槽部位精密加工出一體化凸出卡臺以安裝消音設備，在車輛運行過程中吸收輪胎噪音，可降低噪音 15dB 左右;同時該結構輪輞深槽部位最薄3.8mm，比同尺寸鑄造產品壁厚薄約0.7mm，進一步提升輕量化效果;

③研究設計的中空結構輕量化靜音車輪，氣門孔設置在輪輻上，日常輪胎充氣等操作便捷。

參考文獻：

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