铝合金轮毂结构及造型设计原理

耿家勤

广东省佛山市南海奔达模具有限公司528234

摘要：轮毂是车辆承载最重要的安全部件，其内在质量和可靠性不但关系到车辆和车上人员物资的安全性，还影响到车辆在行驶过程中的平稳性、操纵性、舒适性等性能。这就要求轮毂的尺寸精度高、动平衡好、疲劳强度高、有好的刚度和弹性、质量轻、美观等。随着人们对汽车在安全、环保、节能、舒适等方面要求的不断提高，以及铝合金轮毂在设计与制造技术上的不断进步，与钢制轮毂相比，铝合金轮毂具有安全、散热好、耐腐蚀、美观、舒适、质轻、节能、疲劳强度高、加工性能好、材料可回收等优点，正逐步代替钢制轮毂成为最佳选择。

如今，汽车铝合金轮毂正在向轻量化、高强度、大直径、美观化等方向发展，铝合金轮毂制造技术的主要发展趋势是自动化、智能化、节约、节能和环保。我国已成为了世界铝合金轮毂生产大国。与世界先进水平相比，国内企业在铝合金轮毂的设计开发和制造技术方面尚存在较大的差距，总体的生产技术和装备水平、产品的设计水平、产品的技术含量和质量水平还有待进一步的提高。

1汽车轮毂的结构

轮毂是介于汽车半轴和轮胎之间的用于承受汽车自重及外界载荷的旋转部件，轮毂的结构包括胎圈座、胎斗、轮缘、中心孔、安装凸台、中心线、通风口等。但是组成轮毂最主要的两个部件还是轮辋和轮辐。轮毂通过轮辋与轮胎配合的同时还通过轮辐与车桥连接，从而实现轮毂承载、行驶、转向、驱动和制动等作用。

1.1轮辋

轮辋，俗称轮圈，是车轮周边安装轮胎的部件，轮辋的规格很重要，因为它直接决定汽车可以用哪些轮胎。常见的轮辋形式主要有深槽轮辋、平底轮辋、对开式轮辋、半深槽轮辋、整体式轮辋、平底宽式轮辋等。此外，还可以根据组成轮辋的零件的数量，将轮辋分为一件式轮辋、两件式轮辋和三件式轮辋甚至四件式、五件式轮辋。轮辋的设计和制造都有相应的标准，这关系着设计制造出来的轮辋是否能够与轮胎的使用相配合。就目前而言，我国的轮辋在生产时都是按照按国家标准GB/T3487-2005来生产。

1.2轮辐

轮辐介于轮辋和车轴之间，在轮毂中主要功能是支撑作用。轮辐的构造是决定轮毂分类的基础，根据轮辐结构的差异，可以将轮毂分为辐板式轮毂和辐条式轮毂。辐条式轮毂主要靠众多钢丝辐条来达到支撑重力。辐条式轮毂的优点是通风散热优良，但是由于制作成本高，做工复杂不便于安装和维修，所以应用见于高级轿车和赛车，很少应用在普通汽车上。在普通的汽车中应用最广泛的还是辐板式轮毂，辐板的作用是连接轮辋和安装凸台。

轮辐的作用主要是起到重量支撑的作用，所以轮辐的形状在设计和制造的时候可以多种多样，并没有统一的要求。

2铝合金轮毂的性能

轻便、散热、美观向来是评价汽车轮毂质量优劣的标准，而经过大量的实践证明，铝合金材料具有更好的机械性能和美观度，并且更易加工，所以很适合用来制造汽车轮毂。除此之外，铝合金材料用于轮毂制造还有以下优势：

2.1密度低、强度高

铝合金的低密度使铝合金制造的轮毂质量比用钢材制造的轮毂质量轻，但是强度却与钢材相当，这就使以铝合金材质制造的轮毂具有了钢制轮毂不具有的优点，比如惯性小，这不仅能够提高汽车的加速度，使汽车具有更好的起步性能，还大大改善了汽车的制动性能，节省燃油的消耗。

2.2导热性好

铝的导热性能是钢材的五倍，如果将铝合金用于汽车轮毂制造，可以大大提高汽车制动系统的散热性能，使刹车制动时产生的大量热量能迅速释放，这样不仅能够避免因为刹车频率过高导致刹车失灵的现象，提高汽车的安全系数，还能够延长轮胎的使用年限。

2.3易加工

使用铝合金材质制造的轮毂易成型，尺寸精准、平衡性好、材料利用率高，还能够有效吸收震动，使汽车能有更好的舒适性。

3轮毂造型设计目标

轮毂造型设计应以轮毂的材质、轮毂造型数量、轮毂的尺寸、轮毂外观工艺的设定和输入为指导。结合轮毂的结构特点、配套车型、目标客户群的审美特点和汽车品牌的文化特征，确定轮毂造型设计的目标：

（1）满足结构性能要求；

（2）按车型选定车轮结构尺寸；

（3）结合品牌文化的美观造型；

（4）彰显用户心理特征；

（5）可制造加工性。

4造型与结构一体化设计

4.1性能要求

根据轮毂装配于整车后的功能，针对铸铝合金轮毂各国均有相应的标准，考虑轮毂使用中的功能需求SAE，JASO及ISO等标准和我国标准主要对轮毂的强度及疲劳性能提出了具体要求轮毂制造企业必须要对每一批制造出的产品进行如表1所示的性能试验：

4．2尺寸设计

汽车轮毂的主要参数有胎环直径、胎环宽度、螺栓孔节圆直径、偏距、中心孔等，一般常根据胎环直径和胎环宽度来划分不同尺寸型号。

直径和宽度通常是在整车设计方案中确定的，综合考虑了汽车动力、自身质量及阻力等方面因素，选择使车辆性能最优的轮毂尺寸，轿车原车轮毂主要的直径尺寸为381mm（15inch），46．4mm（16inch）和431．8mm（17inch），也有越野型轿车的轮毂直径达到58mm（2inch），533．4mm（21inch）和558．8mm（22inch）。直径和宽度确定后，轮毂的轮辋部分便可根据标准进行造型设计。螺栓孔节圆直径、偏距及中心孔的尺寸亦由整车设计中轮毂的安装要求确定，从而决定了轮毂的轮芯部分的造型要求。因此，轮毂的造型以轮辐部分的设计为主。

5轮毂造型与结构一体化方法构思

造型设计需要突出产品的创意，更注重的是外观形貌，感官视觉效果，属于外在设计，结构轻量化设计是在实现其功能并保证产品的安全性（满足强度要求）的前提下，改变外观造型，使其质量最轻，属于内在设计，为突出某些细节，外观造型设计难免会有小的圆角或圆孔出现，包括一些有特殊要求的线条需要保证，不可随意增减材料，但从强度角度出发，又不希望出现较高的应力集中，或希望在强度薄弱部位增加一些材料，因此解决两者间的矛盾需要以虚拟环境为媒介，运用计算机软件在造型设计与结构分析间进行调整，以达到两者的最优，这不仅能够缩短设计周期，同时也降低了企业的开发成本，其方案流程如图1

6铝合金轮毂结构与造型设计

进行轮毂造型结构设计时，首先要注意的是车轮安装面，也就是包括支撑面、中心孔、螺栓孔、螺母座等在内的车轮与轮毂的连接部分的设计。螺栓孔的理想设计是将螺栓孔拧紧时力矩能够均匀地传递到安装面。中心孔的间隙在设计时一定要足够，这样才能避免汽车在恶劣的自然环境中车轮和轮毂锈死的情况发生。还应注意减小轮辐和轮辋边缘的焊接负荷，减小边缘部分的刚度，以使边缘部分即使受到较大冲击也不至于断裂，同时使边缘部分能够弯曲变形从而起到缓冲作用。轮辋设计时要注意以轮胎、轮辋壁厚和制动系统为依据，气门的位置应远离轮辋对焊处，充分考虑其与制动鼓、里程表所需的空隙。

以此为基础，根据铝合金材质的特点，加强对铝合金轮毂造型的设计创新，使汽车能够在保持其基本性能的基础上更加美观。铝合金汽车轮毂的制造工艺主要包括铸造、锻造、机加工、打磨抛光、热处理、涂装等方式。铸造和锻造是将原材料进行加工使材质成型，这是铝合金轮毂制造的首要也是基础步骤。采用不同的铸造或者锻造方式制造出来的轮毂具有很大差别，但是目前因为技术和成本等一系列原因，汽车制造厂商采用最多的还是低压铸造方式。对铝合金轮毂造型的创新首先要从锻造或者铸造方式入手。比如辐板式轮毂的辐板的形状可以进行大胆想象和创新，做一些个性化的设计。轮毂的通风口也可以在保证通风散热的基础上进行创新设计，比如可以将通风口设计成汽车LOGO的镂空图案等。当然，铸造或者锻造出的铝合金轮毂只是一个半成品，距离美观还有很大差距。这就需要一系列的后续工作，比如再对轮毂进行打磨抛光、涂装等，使轮毂在满足基本性能的基础上具有审美效果，打磨抛光使轮毂表面更光洁美观；而涂装，最基本的功能是保护轮毂，在能够实现保护功能的前提下，可以通过涂装颜色的变化，使轮毂看起来更有个性。

结语

铝合金拥有密度低、耐蚀性好、刚性好、储量高、易加工和易回收利用等特点。随着目前的汽车制造界对汽车环保节能的关注，汽车轻量化是未来包括中国在内的世界汽车制造的趋势，所以，铝合金材质在未来的汽车制造行业中必将发挥越来越重要的作用。轮毂作为汽车的重要部件之一，通过对铝合金材质的应用，可以实现美观、轻便的功能，进而促进汽车行业不断向前发展。汽车轮毂既是汽车行驶安全的关键承重部件，又是整车造型设计中的重中之重，所以合理性设计尤为重要。

参考文献：

[1]王祝堂．铝合金轮毂工业的发展[J]．轻合金加工技术，1994，（3）.

[2]李宏禹．汽车轮毂造型与结构设计一体化方法研究[D]．燕山大学，2010.

[3]郄彦辉．铝合金车轮的结构分析及优化[D]．河北工业大学，2003.

[4]王周军．铝合金汽车车轮的强度分析及优化[D]．河北工业大学，2004.