智数汽车大数据麦克恒通汽车轻量化在线
查看: 55|回复: 0
收起左侧

[汽车铝合金] 乘用车铝合金车轮轻量化设计

[复制链接]
发表于 2021-7-9 10:06:24 | 显示全部楼层 |阅读模式
<

亲,赶快注册吧,有更多精彩内容分享!

您需要 登录 才可以下载或查看,没有帐号?立即注册

x
乘用车铝合金车轮轻量化设计
叶锦泉,李建坤,赵文迁
(东风汽车有限公司东风日产乘用车公司技术中心,广州 510800)
摘 要:本文基于大量的铝合金车轮设计的实际经验,从结构优化,工艺优化等对铝合金车轮的多种轻量化方法进行总结说明,其中结构优化包含轮缘正面结构优化、背腔结构优化、轮心结构优化、轮缘背面结构优化、轮辋宽度规格优化、造型优化等,背腔和轮心的结构优化中,可以采用拓扑优化设计,并基于这些方法进行了实例的设计及验证,同时也对有轻量化贡献的不同成型方法进行了介绍。
关键词:铝合金车轮;轻量化设计
1 前言

当下,我国汽车产业高速发展,十九大提出了汽车产业中长期规划,表明到2025年,我国要迈入汽车强国的队伍。新一轮科技革命和产业变革的浪潮正在席卷全球,汽车行业新材料、新技术广泛应用,新模式、新业态不断涌现,为了应对这种新浪潮,东风公司提出了“五化”的概念,即轻量化、电动化、智能化、网联化、共享化,其中,轻量化是改善汽车燃料经济性的有效途径。车轮作为汽车非常重要的零部件之一,不但要求外形美观,还要实现轻量化,保证可靠性和高精度。铝合金车轮不仅可以满足外形美观及多样化的需求,而且还有性能优良、耐腐蚀性好、成形性好、减震性能好、尺寸精确、平衡好、加工精准、材料利用率高等显著优点,所以在乘用车上的装配占比越来越大,研究铝合金车轮的轻量化就变得非常必要,本文基于大量的铝合金车轮设计的实际经验,对铝合金车轮的多种轻量化方法进行总结说明,可以减少设计周期,具有一定的推广价值。

2 铝合金车轮结构划分说明

为了对铝合金车轮进行更加优化的轻量化设计,分部位采用不同的办法实现轻量化,依据车轮的受力、加工工艺及设计要求,对车轮的结构进行划分如图1所示:

图1 车轮结构示意图

3 铝合金车轮轻量化设计3.1 结构优化设计

3.1.1 轮缘①结构轻量化

轮缘是属于轮辋形状的一部分,轮辋形状,为了保证跟轮胎的配合及装配,各个国家都有对应标准,如日本的JATMA、欧洲的ETRTO、美国的TRA、中国轮胎轮辋气门嘴标准年鉴等,另外GB/T 3487对乘用车轮辋规格进行了规定,本文将以乘用车最多使用的J型规格作为例子进行说明。

图2 轮缘形状示意

GB/T 3487对于图2蓝色线条即轮缘形状进行了规定,依据目前的造型趋势,为了造型美观,一般外轮缘都设计为无轮唇形状,内轮缘预留有轮唇以方便平衡块的安装。

外轮缘部分,可以在满足最小厚度的前提下进行等厚度设计,如图3所示:

图3 轮缘最小厚度

采用等厚设计,如图3的阴影面积将作为减重部分,各个不同尺寸的车轮,依据正面造型窗口面积的大小差异,减重效果会有一定的差异,窗口面积越大,减重效果越好,经过统计,平均减重效果可参考表1:

表1 不同尺寸平均减重效果预估

3.1.2 背腔②结构轻量化

轮辐背腔的设计,一般是根据车轮的正面造型曲线,结合卡钳的包络线,来设计最优的背腔线,然后会对轮辐的背面进行减重窝的设计,增加减重窝的设计,不仅可以大幅减轻车轮的重量,还可以平衡轮辐的应力,同时也可以减少轮辐的机加工区域,提高了材料的利用率。

对于减重窝的轻量化设计,主要根据13度冲击、弯曲耐久和径向耐久工况的CAE分析结果来进行判断的,作为初步设计的时候,可参考下图4中以下参数来进行设计:

图4 减重窝结构示意

轮辐总厚度L1的范围在20~26mm之间,轮辐减重窝底部到轮辐正面的距离L2一般定义在8~12mm之间,减重窝侧边厚度范围在6~8mm之间,当然,这3个厚度值取决于轮辐的宽度及实际的受力情况,并根据实际的CAE分析结果进行调整。减重窝斜面与窗口斜面之间的夹角A在3°~5°之间,如窗口的拔模角为8°时,减重窝的拔模角为11°~13°。底部的倒角R一般的范围在R5~R9之间。

如果要获得最佳的背腔减重窝结构设计,可以采用拓扑优化对减重窝区域进行设计。如图1中的造型,先在HyperMesh中建立车轮的有限元模型作为拓扑优化的基础结构,将车轮的材料属性赋予到有限元的模型中,接着在模型上施加载荷和边界条件,接下来将车轮的8个轮辐定义为优化区域,优化变量为优化区域离散单元的假想密度,优化目标为应变最小,约束为体积上下限值,为使优化出的结构便于制造,需提前设置最大最小尺寸,避免优化后结构的材料过度集中或出现网线化,添加拔模方向约束使优化后的结构便于铸造,添加模型重复约束,保证优化后8个轮辐的结构一致性,然后运行优化程序即可得到拓扑优化的迭代结果,作为减重窝设计的最优结构参考。

3.1.3 轮心③结构轻量化

轮心部位涉及到车轮的安装及与其他零部件的配合,如螺栓孔、与轮毂轴承配合的中心孔、与车轮中心饰盖配合的结构等。一般来说,对于同一个汽车制造商而言,安装面的大小、螺栓孔的个数、螺栓孔的节圆直径(P.C.D)、中心孔和饰盖孔都为定值或者系列值,因此,这里的轮心结构优化主要是安装面的减重窝设计,如图5所示的减重窝方案,单个减重窝的减重为0.04kg,单个车轮的减重效果达到0.2kg。

图5 轮心减重窝轻量化示意图

3.1.4 轮缘背面④结构轻量化

轮缘背面结构优化,是相对于轮缘结构优化来说的,轮缘的结构适用于造型的窗口处,轮缘背面结构的优化适用于辐条与窗口的连接处。该处的减重只能通过后期的机加工来实现,为了保证车轮的强度耐久,需要控制最小厚度A和最小厚度B。

图6 轮缘背面轻量化示意图

此种方法的结构减重,同样取决于造型,与轮缘的减重效果相反,辐条的宽度越大减重效果越明显。如图6所示的造型,采用轮缘背面结构轻量化方案后,可以降低重量约0.39kg。

3.1.5 轮辋宽度⑤轻量化

根据中国轮胎轮辋气门嘴标准年鉴和GB/T 2978《轿车轮胎规格、尺寸、气压与负荷》,同一轮胎规格,可以与之配合的轮辋规格一般有3种,包含推荐的配合轮辋规格和允许使用轮辋规格,对于同一个造型,轮辋的宽度越小,重量则越小,如18×7.5J的轮辋规格变为18×7J后,重量可以降低约0.26kg,图7中,黑色断面线为18寸7.5J宽度的轮辋,蓝色断面线为18寸7J宽度的轮辋。轮辋的宽度变化之后,若要保留原来的造型,轮辋的中心线也会发生变化,需要调整安装面的位置才能保证原来偏距,所以轮辋的宽度要提前明确,避免造型工作的重复。

图7 轮辋宽度差异图

3.1.6 造型轻量化设计

从车轮的受力状态来看,增加轮辐的厚度比增加轮辐的宽度,不管是对车轮的强度还是对车轮刚性的贡献要大的多。所以,从造型方面来进行轻量化优化,最理想方案如图8所示,车轮辐条与螺母孔布置呈对称形状,保证各个辐条的受力均匀,车轮的轮辐宽度从轮心到轮缘逐渐减小,轮辐的宽度较小但轮辐的厚度较大。

图8 最优轻量化造型示意图

3.2 实例验证

按图1车轮造型,以15×5.5J规格的车轮为例,采用上述的方法对该车轮进行轻量化设计,各种结构轻量化效果如下表2:

表2 各个位置结果轻量化效果

一般来说,背腔②结构轻量化和轮心③结构轻量化是目前所有铝合金车轮都会采用的减重方案,例子中若只采用此两种方案,该车轮轻量化后的重量为7.7kg。

在此基础上,继续增加了轮缘①结构轻量化和轮缘背面④结构轻量化,重量可由原来的7.7kg下降至7.0kg,车轮的重量可下降0.7kg,轻量化率达10%。

对轻量化后的轮辋进行CAE分析,以弯曲耐久工况和13度冲击工况为例,CAE应力分布如下图,从分析结果来看,没有因为结构轻量化导致局部应力过大,应力分布合理,满足设计要求。

图9 弯曲工况应力分布图(单位:MPa)

图10 13度冲击工况应力分布图(单位:MPa)

在CAE分析满足设计要求的基础上,以此轻量化后的数据进行零件的开发,按图纸规定的试验载荷及耐久次数进行实物验证,弯曲耐久和13度冲击都能够满足试验要求,试验后的零件图片见图11和图12所示。

图11 弯曲耐久试验后零件

图12 13度冲击试验后零件

本案例中,经过多种方案的轻量化设计后,车轮的重量轻量化至7.0kg,与同级别车辆使用的15寸车轮平均重量7.9kg相比,轻量化效果为12%左右。

3.3 制造方法优化

随着铝合金车轮的制造技术不断发展,越来越多铝合金车轮新的生产工艺受到重视并得到采用,下面对目前比较成熟的工艺如铸旋工艺、锻造工艺进行介绍,同时对近几年出现的增加塑料插件的方式也进行说明。

3.3.1 铸旋工艺

铸旋工艺,顾名思义是采用铸造和旋压两种技术相结合的方式,先将轮辐部分通过铸造的方法铸造成型,此时的轮辋并不是完整的轮辋,而是一圈毛坯料,需通过旋压的方式,最终形成完整的轮辋,铸造的轮辐和旋压的轮辋构成了完成的铸旋车轮。通过对轮辋的旋压加工,使得轮辋的金属晶粒变细,强度和硬度得到了提升,可以一定程度上减薄轮辋的厚度,从而达到一定的轻量化,相关研究表明,利用铸旋工艺生产相同规格的铝合金车轮,其质量比铸造可减轻5%~15%。

3.3.2 锻造工艺

锻造的铝合金车轮,具有强度高、抗腐蚀性能好,尺寸精确等优点。锻造车轮的晶粒流向与受力的方向一致,其强度、延伸率和疲劳强度均明显优于铸造车轮,与铸造车轮相比,可减轻10%~30%的重量,但由于锻造方法需要较多的工序及模具,制造成本较高,对于形状较复杂的造型,不能完全通过锻造方法实现,需在锻造的基础上增加长时间的铣削加工,使制造成本进一步的升高,这应该是目前锻造铝合金车轮未能被大批量使用的重要原因。

3.3.3 塑料插件

如前面提到的造型轻量化优化,不能完全满足对铝合金车轮的造型美观及多样化的需求。随着新能源汽车的发展需要,不但要求车轮要实现轻量化,还要车轮实现较小的风阻,如果采用传统的铝合金车轮,不能同时满足两个方面的需求,这就出现了塑料插件与铝合金车轮的结合。铝合金车轮来承受车辆的重量及受力,塑料件减少车轮窗口的通风面积来减少风阻,因为铝合金车轮的受力部分可以不考虑造型的因素,采用最优化的结构进行设计,结合造型更自由的塑料件,可以较大的降低车轮的重量。

4 结语

铝合金车轮对汽车的节能性、安全性和舒适性都有着重要的意义。通过改进车轮的结构设计、优化造型及采用新的生产工艺,逐步实现铝合金车轮的轻量化目的。本文根据车轮的受力特点,针对各个不同部位有针对性地采用轻量化设计方法,可以缩短设计周期,满足车轮轻量化的需求。




您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则