创成式结构分析,汽车车轮钢圈,弯曲疲劳台架试验工况

1引言

汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动（制动）扭矩和行驶过程中所产生的各种应力，它是高速回转运动的零件、要求尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻，并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。因此要求车轮具有足够的负载能力及速度能力、良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性、精美的外观和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等。车轮材料的选用，车轮结构和制造工艺与上述要求密切相关，是决定车轮性能好坏的关键因素。

2车轮材料的选用

目前，全世界的汽车车轮，不管是载重汽车车轮还是轿车车轮，所用材料基本分为两种，即钢材和铝合金材料，这两种材料制造的车轮所占市场份额为95％，研究汽车车轮的各种工艺特性与这两种

材料的特性是分不开的。随着世界各国政府对节能、安全、环保的要求日趋严格，车轮材料的选择就成为一个焦点问题，即铝合金和钢的选择问题。

此外，随着材料技术的发展和人们对车轮质量的要求不断提高，一些新型材料也被用于制造汽车车轮。

2.1钢制车轮

长期以来，钢制车轮在汽车车轮中占主导地位，但是自上世纪80年代起，钢轮的市场份额逐步减小，被铝合金所代替。钢轮份额快速下跌的原因有多方面的因素，而外观吸引力是最主要的因素。钢制车轮在低成本和安全性方面较铝合金车轮具有很大的优势，因此，目前的载重汽车车轮大部分是钢材制造的。但钢制车轮的缺点也是非常明显的，钢材的加工成型性能和制造工艺决定了钢轮难以做到铝合金车轮那样的结构和外形多样化。同时，钢车轮质量大，制造和使用钢车轮消耗的能量都比铝制车轮大得多。

近年来，面对替代品的渗透和挑战，国际钢轮行业在技术方面进行一系列的革新，包括：(1)新材料微合金钢HSLA，双相钢(DP)和贝氏体钢等高强度和先进高强度钢种成功开发并逐步应用于制造车轮，为钢轮减轻质量和更加大胆的款式设计创造了条件。据统计，HSLA车轮比一般碳素钢车轮重量轻约15％。(2)新工艺，国际钢轮行业与设备制造商紧密合作研究发展了旋压生产工艺，应用到钢制车轮生产中。目前商用车无内胎车轮的轮辐使用旋压生产工艺已非常普遍，Magnetto Wheels的法国工厂和Hayes Lemmerz International的西班牙工厂开始投入小批量生产，日本Topy和美国Arvin Meritor称已掌握了这项技术[1]。

在巨大的成本压力和钢制车轮的制造技术和材料技术革新的局势之下，国际汽车业也开始重新评估钢轮和铝轮的价值。

2.2铝制车轮

据统计，轿车使用铝合金车轮的比例高达90％以上[1]。铝合金车轮与钢轮相比，具有如下优势：

（1）美观、舒适和节能等优势；

（2）非载荷质量小，从而提高了抓地性表现出更为精确的转向动作和更好的转弯性能；

（3）惯性小，改善了加速性和制动性；铝合金具有良好的导热性能，提高了制动系统的散热性能，大幅度降低了由高热导致的制动失灵。

除此之外，铝合金车轮还有耐腐蚀、成形性好、减震性能好、轮胎寿命长、尺寸精确、平衡好、加工精准、材料利用率高等显著优点，符合现代汽车安全、节能、环保三大主题的要求。这对降低汽车自重、减少油耗、减轻环境污染与改善操作性能等有着重大意义，因此铝合金已成为汽车车轮的首选材料[2]。

2.3其它材料的车轮

（1）镁合金车轮镁在实用金属中密度最小，它带给汽车的好处一是能减轻整车重量，减少油耗。二是强度高于铝合金和钢，刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。三是具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，降低了生产成本。四是具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用作轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。

随着汽车工业的发展,轿车车轮开始采用铸造镁合金。但由于这类铸件试验条件十分严格和气密性要求高,同时还要求工艺出品率高,生产成本低,给铸造生产带来极大困难，因此成本仍偏高于铝合金。尽管如此，镁合金的应用前景仍然看好，在欧美镁压铸件的采用量近几年来呈上升趋势。当前，发达国家的赛车及部分民用高档车正在使用镁合金轮毂，大幅度提高镁合金锻造轮毂的用量。用镁合金制造车轮，是高档汽车发展的一个趋势[3]。

（2）复合材料（塑料或碳纤维），一般用于赛车，重量更轻，强度高，但价格昂贵。

（3）钢铝组合车轮，轮辋为普通钢制轮辋，轮辐为铸造的铝合金轮辐，经过机械加工，借助嵌件与钢的轮辋装焊而成。它集中了钢制车轮与铝合金车轮的优点，并以其较低的价格占领了市场的一席之地。在美国，钢铝组合式车轮已经通过了台架试验和道路试验，得到了广大用户的认可。在我国它还处在新生期，有待进一步的研究[4]。

3汽车车轮生产工艺

车轮按结构形式分可分为整体式和分体式两大类，整体式车轮是车轮的三大部件轮辋、轮辐和轮毂通过一次成形（如传统的铸造、锻造等）而得到的。分体式车轮是三大部件通过焊接或螺栓联结组成的车轮。铝合金车轮以整体式为主流形式,占绝大多数市场份额，而钢车轮则以分体式结构为主。

3.1铝合金车轮的制造工艺

整体式铝合金车轮的生产工艺主要有两种，即铸造工艺和锻造工艺。目前最普遍的是铸造铝合金车轮，约占到产品总量的95%。锻造铝合金车轮较铸造铝合金车轮机械强度更高、抗疲劳性更好，但由于工艺投资大、成本高、因而还不能大面积推广。

3.1.1锻造工艺及其特点

锻造成形目前有两种工艺,一是常规锻造法,即以铸造圆锭坯或挤压锭坯为坯料,经热锻、热处理、机械加工、表面处理、检验合格后即为成品轮毂；另一种是半固态机锻法,即铸坯在含有30%～50%液体状态下在专用锻压机上一次快速成形，此工艺的关键是必须制取细小的均匀的球形晶粒锭坯,然后按所需质量锯切成坯料,严格控制加热温度，将坯料加热到半固态，此项工艺在美国和德国于上世纪已进入商业化生产，同一规格的锻造铝合金轮毂的力学性能比铸造轮毂高18%以上,因而重量可比铸造轮毂减轻15%。

总体来说锻造铝合金车轮的品质是所有制造工艺中最好的，锻造车轮有高密度的金属晶体组织和良好的机械性能、重量轻、比强度高、表面质量高，其缺点是制造成本高，需要有较大吨位的热模锻设备，大量的后处理设备，因此设备投资大，因而国内很少有利用锻造法制造铝合金车轮。当前,锻造铝合金轮毂的75%是美国铝业公司生产的，基本上垄断了全世界的卡车、大型客车的机锻铝合金轮毂生产[6]～[7]。

3.1.2铸造工艺及其特点

铝合金车轮需要具有较高的机械强度及疲劳强度和韧性指标(铝合金车轮材料的试棒标准为试棒经T6热处理后应达到:抗拉强度>214Mpa，伸长率>4%，硬度>60HBS[5])，因此铸造工艺采取特殊的铸造、加工及热处理工艺来实现。生产铝合金车轮的铸造工艺主要有低压铸造、重力铸造和挤压铸造三种铸造形式。其中低压铸造是铝合金车轮铸造工艺中的主要铸造技术，目前世界铝轮生产普遍采用低压铸造，我国大多数车轮制造厂家也都采用了低压铸造技术，约占全部产量的80％[8]以上。

低压铸造这一技术已相当成熟，其成本比重力铸造稍高。但是，低压铸造工艺受本身条件(壁厚、致密性、强度)所限，较难满足18英寸以上车轮，特别是电镀、抛光等特种涂装工艺涂前表面质量的处理要求。其流程一般为：

模具清扫→模具控温→喷膜→合型熔料→熔化、精炼→变质、除气、调温→升压→充型保压→凝固→去压→松型、开模取铸件→整形清理→初检。

其中的熔炼是铸造生产的关键工序，由于铝合金在高温下会因氧化、吸气而造成烧损，夹渣、氧脆等缺陷，必须在工艺上采取合理的熔炼工艺，熔化过程要添加适量的熔剂，精炼时要通入净化气体去渣、排氧，添加变质剂，细化晶粒。

重力铸造是历史最久、成本最低、工艺最简单的铸造技术。重力铸造的缺点是金属晶粒粗大、强度较差、表面处理工作量大。现在采用此工艺的厂家较少，做得最好的是日本的Em Kei(远轻)，国内也有部分生产厂家采用这种工艺，约占其全部产量的20％。这种工艺早期被采用，现在已趋于淘汰。

挤压铸造挤压铸造产品的表面及内部组织近似于锻造，机械强度也接近锻件。挤压铸造也称为液态模锻，是一种集铸造和锻造特点于一体的工艺方式，其中又分为复合挤压铸造、正挤压铸造、两次挤压铸造、反挤压铸造等多种形式，共同特点是：铸件表面光洁、金相组织、各种机械性能接近于锻件，不需复杂的表面加工就可以镀铬，镀铬成本较低、镀铬增加重量少。日本的UBE(宇部兴产株式会社)是这一工艺做得最成功的厂家，国内有一些小厂采用这种工艺生产摩托车铝合金车轮。

铸造铝合金汽车车轮热处理工艺一般分为固熔处理、不完全时效处理和完全时效处理三个阶段,典型的铸造铝合金热处理工艺流程一般为:工件加热→保温→水冷→加热→保温→空冷→检验。以保证材料机械性能,获得具有足够强度,并保持高的塑性的铸件[9～[10]]。

3.1.3其它新型工艺

（1）旋压和流动旋压的复合工艺

近年来，复合旋压和流动旋压技术广泛地应用于生产具有复杂几何尺寸的零件。由于整体轮毂的成本低，欧洲首先发展了劈裂、普通旋压和流动旋压合成的工艺来生产内轮毂和铝合金轮边缘，如图1所示为一种典型的铝合金（A5351）经复合成形工艺制造车轮的截图。

图1 从铝合金板料到整件铝合金轮毂的工艺图例

（2）辗－旋复合成型工艺

将带有V形槽的毛坯用左半芯模和右半芯模夹紧，经辗压轮的纵向进给，圆形坯被辗压成两部分，毛坯呈“工”形。毛坯被辗压的部分用来旋制轮辋，毛坯中未被辗压的部分即为轮辐和轮毂，（如图2所示）[11]～[13]。

图2 车轮的辗－旋复合成形法

旋压技术已经在欧美、日本等发达国家的车轮制造领域应用较广，其中以德国的技术水平最为成熟，通过对国外各大数据库的检索知，国外关于该工艺理论已有了较深的研究，实际运用也较广[14]。

国外利用该工艺进行生产可以分为两种情况，

一是一次性成形整个车轮，如Heyes Lemmerz(海斯、莱莫斯，美国)；Superior(超级工业国际公司，美国)；Ronal(德国罗那公司)等大型车轮制造公司都采用了辗－旋复合成形工艺和相类似的工艺进行生产成形整体式车轮[5]。另外一种情况是利用该工艺单独成形轮辋、轮毂或轮辐，然后通过焊接或螺栓联结的方式组装成车轮，如德国的LEICO，西班牙DENN等公司，日本Topy和美国Arvin2Meritor已掌握了这项技术[15]～[16]。

3.2钢车轮的生产工艺

近20年来，随着铝轮产品的出现，传统的钢轮产品出现了份额萎缩。据行业内粗略估计，钢轮的市场份额从20世纪80年代初期的90％以上逐步萎缩到90年代后期的不足50％。快速下滑的销售业绩引起了国际钢轮制造业、钢铁制造业和钢制车轮设备制造商的高度重视，其紧密合作的结果推动了钢轮制造技术的革新和市场份额的理性恢复。

3.2.1材料技术

车轮的传统材料为热轧低碳钢（HRLC），在20世纪70年代的乘用车钢制车轮的轮辋和轮辐用料中占据着绝对的支配地位。这种材料具有很好的可成形性能，至今国际上不少工厂仍然以这种材料作为轮辋的标准用材。

出于减轻车轮质量和开发新款车轮（如大通风孔车轮）的需要，高强度钢材逐步引入到车轮行业。早在20世纪70年代中期，北美和日本的钢轮厂便开始研究高强度低合金钢（HSLA）的应用，而欧洲地区的钢轮厂则尝试了双相钢（DualPhase）的应用，逐渐形成了2个不同的流派，即以高强度低合金钢为轻量化车轮的标准轮辐材料的北美派，和以双相钢为轻量化车轮的标准轮辐材料的欧洲派。双相钢的抗疲劳性能和加工性能均超过高强度低合金钢，这种材料引起欧、美和日本车轮厂商的极大热情。目前，欧洲车轮行业中，抗拉强度为600N/mm2的双相钢已经广泛地应用于车轮轮辐生产，未来的发展趋势是使用更高抗拉强度的双相钢DP800和残余奥氏体钢（TRIP钢）[17]

比较而言，中国乘用车钢轮生产企业与欧美先进生产企业相比，在材料技术上的研究和应用存在着相当大的差距，同样规格要求的车轮在质量上相差10%以上。目前，国内乘用车钢轮产品，轮辐主要采用高强度低合金钢，轮辋主要采用低碳钢。

3.3.2制造技术

对于钢制车轮，由于钢材的成形性能的限制，目前的汽车钢轮大都采用分体式的车轮结构，即轮辋与轮辐分开制造，且由于轮辋与轮辐的作用和受力情况不同，一般采用不同的钢材进行制造。

钢车轮主要由轮辐和轮辋两部分组成，一般分别制造，然后焊接起来。其中轮辋的制造技术是关键，其制造工艺归纳归纳起来有以下几个方案：1.型钢钢带卷/焊工艺；2.平板钢带卷/焊/滚工艺；3.无缝钢管旋/滚工艺。方案1和方案2制造的轮辋是用型钢或带钢卷焊而成的，轮辋上都有一条贯通的焊缝。在无内胎轮胎广泛使用的今天，很难保证焊缝在交变应力的作用下不漏气，所以这两种方案主要用在轻载汽车的无内胎车轮或中载汽车的有内胎车轮上。

方案3是用大口径薄壁无焊缝钢管，经旋压成不等截面直筒，再滚形成轮辋，这种轮辋没有焊缝，用其制造的车轮在使用过程中不论是重载还是在交变应力作用下都不会漏气。因此用这种工艺制造的车轮可以用于各种类型的汽车上，它逐渐成为钢制车轮的主流工艺。钢制车轮对于制造工艺的要求非常严格，合格的汽车钢轮要经过四大流程，数十道工序。其中，四大流程包括轮辋滚压成形、轮辐冲压成形、组装焊接以及涂装。而每道工序对于最终产品都非常重要。目前，能够生产出合格乘用车钢轮产品的企业屈指可数，在国外已形成寡头垄断的格局。其关键技术主要有以下两点[18]：

(1)轮辋辊压技术轮辋产品制造的主要过程是将卷圆焊接的钢圈通过6道滚压工序成形。为了进一步减轻车轮质量以抵御铝轮的渗透，近年来国外一些车轮企业，除了将轮辋材料以高强度低合金钢或贝氏体钢取代传统的热轧低碳钢之外，在钢圈成形之前增加了旋压工艺，在原本厚度均匀的钢圈上旋压出几道较薄的槽，在轮辋槽底和轮缘受力较大的地方保持材料的原始厚度，而在受力较小的地方减薄材料厚度，从而有效地减轻轮辋的质量。轮辋旋压技术是国际钢轮行业的前沿技术之一，目前处在试验和改进阶段。这种技术一般可以使车轮产品质量进一步减轻10％以上。Magnetto Wheels的法国工厂和Hayes Lemmerz International的西班牙工厂开始投入小批量生产，日本Topy和美国ArvinMeritor称已掌握了这项技术[19]。

(2)轮辐冲压技术车轮轮辐是连接汽车轮毂和轮胎的主要支撑件，也是决定车轮是否美观的关键部件。轮辐需要经过多次冲压方能成形。主要的工艺包括剪切落料、初拉伸、反向拉伸成形、切边、冲螺栓孔翻边、挤螺栓孔、冲风孔、挤毛刺等。就生产方式而言，欧美的车轮厂普遍采用多工位压机连续生产，其压机能力一般在4500~5000t，生产节拍每分钟10~26次，多采用8~10个工位，采用三坐标电子送料系统和快速换模系统，极大地提高了生产效率,个别企业采用单机连线的半自动生产方式。而国内企业尚处在单机手工送料的阶段[20]。

3.2.3前沿钢轮制造技术

目前的主流车轮都是采用先造出固定轮胎的轮辋和连接轮辋与轮毂的轮辐2个配件，然后将二者结合到一起的双轧结构。尽管有能够像铝合金那样进行铸造的整轧车轮，但钢制整轧车轮一直被认为是不可能成功的。德国WF公司率先成功地试制出整体式钢制车轮，首先，使轮盘和轮缘内侧作为一体进行成形。然后利用辊子压制，使轮缘外侧发生隆起和分叉（图3（a）），即借用内侧材料的厚度形成外侧。然后，再利用辊子压到模具上，对形状和厚度分布进行修整（图3（b））。

图3 整体式钢车轮工艺截图

WF公司的此项工艺只须将圆钢板放入1台设备上，约20秒即可完成，而且不需焊接、检查、平衡等工序，因此利用小型设备即可生产。据预测，成本可降低20%。钢材制造的整轧车轮（如图4所示）[21]。

图4 试制的整轧车轮

德国WF公司实现钢制整轧车轮
http://www.qichejishu.com/autotech/2006/0504/article_1103.html

3.2镁合金车轮的生产工艺

目前压铸镁合金产品用量大于变形产品，但经过锻造、挤压或轧制等工艺生产出的变形镁合金产品具有更高的强度，更好的延展性，具有铸造镁合金产品无法取代的优良性能，国际镁协会（IMA）在他制定的开发与应用镁合金三个阶段中，长期的目标就是要开发变形镁合金。镁合金可以用轧制、挤压、冲压、热锻及超塑性成形等方式进行加工。因此，开发变形镁合金，是其未来更长远的发展趋势。

（1）轧制

镁合金在室温下塑性很低，轧制加工比较困难，因此最好用热轧与温轧。适于轧制的镁合金牌号有Mg-Mn系的MBl，MB8，Mg-A1-Zn系的AZ31B和Mg-Li系LAl41，可以生产厚板，中板和薄板。镁合金薄板用于制造汽车车体组件之外板（如车门，罩盖，护板，顶板等），可大大减轻重量。

（2）挤压

目前，镁合金管、棒、带、型材主要采用挤压方法加工成型，因为挤压工业最适用于低塑性材料的成形加工。大部分变形镁合金如AZ31B，ZM21，ZK60A，HK31等均可用挤压法生产。挤压法生产的零件，其力学性能较压铸法生产的要高很多，而且表面光洁，无需再经打磨，可用于汽车承载件如坐架、底盘框、轮毂和汽车窗框等。

（3）冲压

镁合金在常温下不宜冲压，一般；中压温度都必须在150℃以上，在175℃时，镁合金板杯形件拉伸时的拉伸比可达2.0，在225℃时可达3.0，超过了铝合金和低碳钢的的常温拉伸成形极限（它们分别为2.6和2.2）。德国大众汽车公司开发出镁合金汽车覆盖件的热冲压成形技术，加工出汽车的门板。

（4）等温锻造

镁合金在常温下容易脆裂，锻造温度须在200℃以上至400℃之间。但镁合金在高温下，尤其在超过400℃时产生腐蚀氧化以及晶粒粗大，锻造温度范围较窄。而镁合金导热系数较大（～80w／m.c）几乎为钢的2倍，接触模具后降温很快，塑性降低，变形抗力增加，充填性能下降，因此镁合金锻造较难，而适合于采用等温锻造。我国已用等温锻造工艺成功的成形了复杂的镁合金飞机上机匣。

（5）超塑成形

镁合金塑性较低，用常规变形方法加工较难，近年来美、日等国科学家对镁合金的超塑成形技术进行了研究。研究表明，很多变形镁合金在一定的条件下具有超塑性，可以一次成形复杂的零件。

镁合金在工业上的研究开发和应用，可以说是方兴未艾。它既体现出众多优越性符合现代技术发展的要求，也提出了一系列需要进一步研究解决的问题，以不断扩大它的应用范围。

（6）旋压

旋压成形车轮提高了产品制造精度和强度，机械加工余量大大减少。目前，国内外已有企业及研究机构开始着手研究镁合金旋压成形技术，但尚无旋压成形镁合金车轮技术研究报告，在国外该技术已在铝合金车轮上有成功的应用经验。随着国内镁合金产业化的飞速发展，镁合金旋压车轮必将有一个巨大的市场需求。

其工艺过程为锻造—退火—旋压—热处理—机械加工—表面处理（喷涂或电镀）工艺，关键技术为旋压加工，属材料精净成形，成形产品精度高，较之铸造材料结构致密，强度高。如图5所示，为旋压轮辋及整体轮毂。

图5旋压轮辋及整体轮毂

国外17英寸以下轿车铝轮的生产以锻坯或环坯经旋压成形已逐步成为主流。近几年国外用锻造、旋压工艺制造了22、24英寸载重汽车无内胎铝车轮，以其造型美观、重量轻、强度高成为钢轮的强劲竞争点。

传统的轮毂制造工艺方法是在较低压力（一般在20～60KPa）下浇注（铸造或真空铸造）—热处理—机械加工—最后表面处理，该方法适合大批量生产、生产率高、合格率较高、铝液利用率较高，但表面质量欠佳、成本稍高、技术难度高，而采用锻造—退火—旋压—热处理—机械加工—表面处理（喷涂或电镀）工艺方法生产的轮毂，大大提高了制造精度，有较致密的金相组织和较好的机械性能，易达到轮毂变壁厚等强度要求，而且重量轻、表面光洁，机械加工余量大大减少。此工艺在德国等较发达国家已发展成为成熟技术，目前国内已有较少企业在使用该新技术研究试制铝车轮。

车轮旋压一般可采用板材劈开式旋压（图6-a）、预制锻坯旋压（图6-c）、无缝管材缩径旋压（图6-b）三种工艺方式。劈开式旋压工艺是将圆盘状板坯用劈开轮通过分层工艺，使毛坯在厚度方向中部被劈成两份，再用成型轮渐步旋压成形；锻坯强旋工艺是将锻坯进行若干道次的强旋，从而达到轮辋型面尺寸要求。

（a）板料劈开旋压整体车轮

（b）无缝铝管旋压车轮辋

（c-1）预制锻坯强力旋压整体车轮

（c-2）预制锻坯劈开旋压整体车轮

图6车轮旋压工艺

4结束语

传统车轮制造工艺（不论是钢车轮还是铝合金车轮）的工艺复杂，尤其是铸造过程工序繁多，设备投入大，产品质量保证较困难，容易产生缺陷，因而投入与产出比大，经济效率低。特别是锻造铝合金车轮制造成本太高，目前只有少量的豪华轿车在使用锻造铝合金车轮。

当前车轮行业不仅要面对轻量化、可靠性和高精度的技术难题，同时还要适应车轮的外形美观、大直径和宽轮辋的发展方向。针对统统工艺的缺点，研究并应用更先进的车轮生产工艺显得很有必要，如旋压技术的研究应用。同时应注重一些新的车轮材料的开发和应用和车轮检测技术，以面对世界各国都极为关注的能源、环境和安全三大问题。

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