汽车轮毂制造技术分析

汽车轮毂制造技术分析

0. 引言

轮毂，作为汽车一个重要组成结构，起着支撑车身重量的作用，对汽车节能、环保、安全性、操控性都有着极其重要的影响。对其工作环境及使用要求予以充分分析，对其结构进行合理设计，选取性能优良的材料及适当的加工方法，都是汽车轮毂制造中不可或缺的环节。

图1 汽车轮毂

1. 工作环境及性能要求分析

轮毂又称轮盘，是介于汽车半轴和轮胎之间的用于安装轮胎并承受汽车自重及外界载荷的旋转部件。作为汽车最重要的安全部件，轮毂承受着汽车和载物质最作用的压力，受到车辆在启动、制动时动态扭矩的作用，还承受汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面障码物冲击等来自不同方向的动态载荷产生的不规则的交变受力。汽车轮毂的产品质量和可靠性不但关系到车辆自身和车上人员与物资的安全性，还影响到车辆在行驶中的平稳性以及易操纵性、舒适性等性能。

分析汽车轮毂的工作环境，可知汽车轮毂需满足尺寸和形状精度高、动平衡好、疲劳弧度高、刚度和弹性好、质带轻、美观、材料可回收等要求。优质的汽车轮毂必须具备以下四个基本条件：

① 量轻，价格低，表面质量高，易于成型；

② 具有良好的静力学、动力学以及耐腐蚀特性；

③ 具有良好的回转特性和导热特性；

④ 具有良好的回收能力，符合环保要求。

2. 结构特点分析

汽车轮毂主要是由轮辐和轮辋构成。

轮辐是介于轮辆与车轴之间的起支撑作用的重要部件。轮毂按轮辐的构造可分为辐条式轮毂和辐板式轮毂两种。辐条式轮毂的轮辐是由许多钢丝辐条组成的，这种钢丝辐条能起到很好通风散热的作用，但要求数量多、价格贵，且不便于安装及维修，仅适用于高级轿车和高档赛车上。辐板式轮毂通常由辐板、轮辋、挡圈及气门嘴孔组成，其中辐板就是用以连接轮辋和安装凸台的支架或圆盘，也称轮辐，其数量和形式多种多样，常见的有五辐，六辐，七辐等。

轮辋是在轮毂上安装和支撑轮胎的部件，轮辋的外部是轮缘，与轮胎相配合。轮缘的外沿部分易遭受外力载荷的冲击，且在冲击后常产生变形，甚至形成裂纹导致汽车轮胎胎压的泄漏。轮辋常见结构形式主要有深槽式，对开式，平底式，深槽宽式，半深槽式，全斜底式，平底宽式，整体式，可拆卸式等。

汽车轮毂的结构部件还包括胎圈座、胎斗、轮缘等，分别起着衬托胎缘、支撑胎圈、给予轮胎以轴向支承并保护胎圈以免受外界损伤等作用。

3. 材料选择

汽车轮毂的材料可以选用轻质合金材料（铝、镁合金等）、钢铁材料以及复合材料等三大类别。其中，铝合金汽车轮毂目前在市场中占有绝对主导地位，其装车率在60%以上。

铝合金汽车轮毂1923年开始在赛车上使用，此后其便在车轮毂的应用上飞速发展。20世纪70年代起发达国家开始大批量推广应用铝轮毂，而时至今日世界上几个主要汽车生产大国已经将铝合金轮毂作为车辆的标准配置。与钢制及其他材料汽车轮毂相比，铝合金汽车轮毂具有如下优点：

① 重量轻，减重效果明显，可比钢制车轮毂重量减轻30%～40%；

② 减震性能好，吸收冲击能量强，可改善车辆的行驶性能，提高安全性； ③ 导热性好，可降低轮胎工作温度，提高轮胎的使用寿命；

④ 外形美观，采用不同工艺生产铝合金轮毂的结构可以多样化，可以很好地满足各类使用者的审美要求。

镁合金轮毂最早的使用是在1967年。镁的密度较小，以镁为基的镁合金比铝合金约轻36%，比钢约轻77%。近年来，出于能源、环保和汽车业内的竞争压力，以及原镁材料价格的下降、镁合金防腐工艺的提高以及镁合金成型工艺的改善，镁合金轮毂在汽车、摩托车、自行车等交通工具上的应用越来越广泛。镁合金轮毂具有以下优点：

① 强度高，抗振性能好，外力退让性好，比铝合金轮毂可以承受更强烈的冲击载荷； ② 面设计自由度大，镁合金截面刚度随起厚度的立方比而增加，利于调整和设计方案； ③ 切削性能好，轮毂表面无须抛光；

④ 受冲击摩擦不会起火花

然而，由于较高的价格、较低的耐蚀性以及材料生产中的延展性困难、在产品的锻造和铸造生产中需要特殊技术等因素的制约，镁合金轮毂在汽车上的应用仍不十分普及。

碳素钢主要用于规则成型钢轮毂，该轮毂是由坚固的圆柱形轮辋和碳素钢轮盘焊接而成。碳钢轮毂价格较低，基本能够满足一般动力性能机车的要求，但由于材料强度低、比重大等缺点，一般不常使用。球墨铸铁也可用于制造汽车轮毂，其综合力学性能优良，但同样强度相对较低、密度大，且铸造过程及铸造模型制作复杂、轮毂形状难于控制，也大大限制了其应用。一些强度高、塑韧性好、加工成形性和焊接性良好的合金钢，可以用作轮毂材料，其综合性能较好，在重载汽车及普通轿车上较为常用。

复合材料是应现代科学技术发展而出现的具有强大生命力的材料，其具有特殊的振动阻尼特性，可减震、降低噪声，抗疲劳性能好，损伤后易修理，便于整体成形，可用于汽车轮毂制造。复合材料汽车轮毂具有以下特点：

① 比强度和比模量高；

② 化学稳定性优良；

③ 减磨、耐磨、自润滑性好；

④ 具有高韧性和高抗热冲击性，耐热性好，并具有导电和导热性；

4. 制造方法分析

汽车轮毂的成形方法非常多样，铸造法、焊接法、锻造法均可用于汽车轮毂的制造。

铸造法生产铝合金轮毂具有适应性强、花色品种多样、生产成本较低等优点，也是生产轮毂最普遍的方法，在目前全世界生产的铝轮毂中，铸造占80%以上。金属型重力铸造法 由于金属液在金属铸型中冷却速度较快，铸件比砂型铸造的组织致密。该法工序简单，设备投资少，生产成本较低，适用于中小规模生产。但此方法生产的铝轮毂加工余量大，内部质量较差，缩孔缩松严重，浇注过程中氧化膜和熔渣等夹杂物易卷入铸件，有时也会卷入气体而形成气孔缺陷。金属型低压铸造法用干燥、洁净的压缩空气将保温炉中的金属液自下而上通过升液管和浇注系统平稳地上压到铸造机模具型腔中，保持一定20~60 kPa的压力直到铸

件凝固。因金属在压力下充型和凝固，所以充填性好，铸件缩松少，致密性高。坩埚表面的氧化膜不会被破坏，气孔和夹渣缺陷少。同时由于利用压力充型和补充，大大简化了浇冒系统，使金属液利用率大大提高。但该方法铸造时间较长，加料、更换模具费时间，设备投资大。压力铸造使液态金属在高压作用下以极高的速度充填型腔，并在压力作用下凝固而获得铸件。该工艺生产的铸件组织致密，力学性能好，强度和表面硬度较高，铸件的尺寸精确、表面光洁。但传统压铸工艺生产的铝轮毂最大的缺点是不能通过热处理来进一步提高性能，由于液体金属充型速度极快，型腔中气体很难完全排除，常以气孔形式存留铸件中[1]。

焊接法就是将板材卷成圆筒，焊接后，对其进行简单处理或者用模具压制成轮圈，然后将事先铸出的轮盘焊接，从而生产出车轮毂，适宜多种材料。焊接方法可以采用激光焊、电子束焊、或者同时采用激光焊和等离子焊。需要采用专用生产线，生产效率高，初期投资昂贵，适宜大量生产，但外观较差，且焊接处容易出现焊接质量问题。

锻造法生产的汽车轮毂晶粒流向与受力的方向一致，其强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造轮毂，有较好的减震性能及更高的强度重量比。同时，性能具有很好地再现性，几乎每个轮毂具有同样的力学性能。另外，锻造轮毂表面无气孔，因而具有很好的表面处理能力。而锻造轮毂的最大缺点是生产工序多，生产成本极高。

5. 发展趋势

目前，汽车轮毂正向着美观、轻量、低价、力学及导热性能好、可回收利用等方向发展，其发展趋势即为追求更漂亮的外形、更轻的质量、更低的价格与更高的性能。目前，铝合金铸造汽车轮毂在市场上占有主导地位，而随着技术的不断发展，相信复合材料以及锻造方法在汽车轮毂的制造中也将会有更加广泛的应用。