隨著能源價格的不斷攀升，為了降低油耗，汽車的輕量化設計受到足夠重視。輪轂作為車輛承載最重要的安全部件，其內在的質量和可靠性關系到車輛和車上人員、物資的安全性，還影響到車輛在行駛過程中的平穩(wěn)性、操縱性及舒適性等性能，這就要求輪轂的尺寸精度高、動平衡好、疲勞強度高、剛性能、彈性好、質量輕且美觀等，在這些方面，鋁輪轂與鋼輪轂相比具有十分明顯的綜合優(yōu)勢。由于鋼的密度是鋁密度的3倍，在滿足產品性能的前提下，每個鋁輪轂比鋼輪轂可減輕質量30%～50%。有試驗表明，輪轂平均每減輕10%的質量，在平均車速為90～120km/h的條件下，汽車百公司油耗平均可減少0.010～0.013L，可見減重的作用是明顯的。當然，汽車鋁輪轂在自身輕量化方面也應采取一些技術手段。
鋁輪轂的設計方法
鋁輪轂設計開發(fā)的主要方法和流程是：市場調研、收集顧客需求和設計輸入等信息；綜合各種信息，繪制輪轂方案設計草圖并討論研究；方案初步確定后，利用三維軟件（如CATIA）將輪轂由方案草圖變?yōu)?/SPAN>3D數(shù)字模型，對設計進行評審并與顧客交流；3D設計完成后，利用CAE軟件（如ANSYS軟件）進行輪轂的應力分析，根據(jù)分析的受力情況進行結構和重量的優(yōu)化設計再與顧客交流；優(yōu)化設計完成后，采用快速原型制造技術制造出輪轂的實物模型，與顧客共同對實物進行評審；同步完成鑄造模具的設計，利用CAE軟件（如MAGMA軟件）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，只有樣輪經過充分地試驗，證實其在行駛中的表現(xiàn)是優(yōu)秀的，一個新的鋁輪轂開發(fā)設計才算完成。
輕量化鋁輪轂的結構設計
鋁輪轂在結構上有單件整體式和多件組合式等多種形式，由于人們對輪轂在外觀造型上有多樣化的追求，因此在造型的設計上也五花八門，寬輪輻、窄輪輻、多輪輻、少輪輻等各種各樣的鋁輪轂造型設計層出不窮，可以說鋁輪轂在外觀造型設計上的發(fā)展空間極其廣闊。出于安全考慮，在進行鋁輪轂的外觀造型和結構設計時，必須要以滿足安全和使用功能的要求為前提。為了降低汽車的燃油消耗，輪轂的輕量化設計也十分重要。
為了更大限度地減輕鋁輪轂的質量，可采取的設計方法有：優(yōu)化產品結構，在安裝面處設計減重腔，適當減薄輪緣、輪輞、輪輻等部位的厚度。除此之外，結合造型設計最有效的設計方法是：在上述優(yōu)化設計的基礎上，采用窄輪輻式新設計，減少輪輻或將鋁輪轂的輪輻及內外輪緣凸肩處設計成空腔結構。據(jù)此，人們設計開發(fā)出了一系列窄輪輻鋁輪轂和一種全新概念的輕量化輪轂——內置空氣鋁輪轂。內置空氣鋁輪轂有輪輻和內外輪緣凸肩處都中空的整體式、內外輪緣凸肩處中空的兩件組合式兩種結構設計。
輕量化鋁輪轂的設計優(yōu)點
1. 窄輪輻鋁輪轂的設計優(yōu)點
在性能與外觀方面，窄輪輻鋁輪轂與同尺寸普通鋁輪轂相比，優(yōu)點如下：
（1）每一件鋁輪轂減輕質量約2～3kg（減重約10%～15%），每輛汽車5個鋁輪轂共減重約10～15kg，由于質量減輕對降低汽車的燃油消耗作用顯著，因此提高了車輛的使用經濟性；
（2）運動學理論及實踐證明，輪輻質量的減輕可改善輪轂的加速性能及制動性能，并可降低輪轂在運行時的噪聲；
（3）窄輪輻使得輻窗加大，因而加大了散熱面積，降低了行駛中輪轂及輪胎側面的溫度，因此提高了車輛行駛的安全性；
（4）頗具動感的十字交叉造型窄輪輻外觀設計與長條而柔和的成對的輻條形成襯托，外觀上顯得高雅而輕巧。
2. 內置空氣鋁輪轂的設計優(yōu)點
對于直徑22英寸（1英寸＝25.4mm）、寬10.5英寸的整體式內置空氣鋁輪轂，與同尺寸普通鋁輪轂相比，優(yōu)點如下：
（1）每一件鋁輪轂減輕質量約5.3kg（減重約25%），每輛汽車配備5個鋁輪轂共減重約26.5kg；
（2）試驗證明，輪緣內外角抵抗沖擊變形的能力提高了60%，提高了車輛行駛的安全性能；
（3）輪輻及外輪輞凸肩內的空腔結構相應地增加了輪胎內的空氣容量，可抵消采用扁平型輪胎時，輪胎內空氣容量少的缺點；
（4）由于空氣容量的增加，當輪胎虧氣時，輪輻及外輪輞凸肩內的空腔所容納的空氣可以對輪胎補充安全壓力；
（5）空腔結構可提高輪轂的減震性能，使得車輛行駛的舒適性得到提高；
（6）輪轂外圈部位質量的減輕可改善輪轂的加速性能及制動性能，降低輪轂在運行時的噪聲；
（7）空腔結構加大了散熱面積和速度，降低了輪轂及輪胎側面的溫度，提高了車輛行駛的安全性。
另外，兩件組合式內置空氣鋁輪轂技術將鋁輪轂內角凸肩抵抗沖擊變形的能力提高了80%，每輛車配備的5個鋁輪轂質量可減輕約5kg（減重約5%）。
以上這些優(yōu)點對于提高車輛的安全性、可靠性、舒適性及經濟性貢獻巨大。
輕量化鋁輪轂的設計原理
1. 窄輪輻鋁輪轂的設計原理
減輕鋁輪轂的質量，通常采取的方法是優(yōu)化產品結構，如在安裝面處設計減重腔，并減薄輪緣、輪輞、輪輻等部位的厚度。在上述優(yōu)化設計的基礎上，可利用珩架結構的支撐原理，采用十字交叉結構，將其設計成窄輪輻的外觀結構。十字交叉的輪輻與長條而柔和的成對窄輪輻條形成襯托，外觀上顯得高雅而輕巧。
2. 內置空氣鋁輪轂的設計原理
機械設計原理表明，通過空腔結構可以增強某一部位的承載能力。例如，動物的骨骼以及谷物的莖桿這樣復雜的結構，雖然其中心是空的，卻能夠支撐起比自身質量大得多的質量，且具有很好的彈性，也就是說承載能力強、韌性好。在工程應用實踐中，我們知道，當空心軸的內、外徑之比超過0.4時，空心軸比實心軸的承載能力更強、韌性更好，空腔構造便是一種可以有效提高承載能力的成功的設計理論準則。
由于減輕質量是車輛減少油耗最有效的途徑，因此為了最大限度地減輕鋁輪轂的質量，提高輪轂的使用性能，設計工程師根據(jù)運動力學的原理，大膽地將空腔構造的理論準則應用到鋁輪轂的設計中，將鋁輪轂的輪輻及內外輪緣凸肩處設計成空腔結構，創(chuàng)造性的設計開發(fā)出了內置空氣鋁輪轂，在減輕鋁輪轂質量的同時還大大地提高了其承載能力，使得車輛的油耗得到了降低、行駛的安全性能得到了提高。
有這樣一個運動物理現(xiàn)象，即眾所周知的舞蹈中單腳著地旋轉運動現(xiàn)象：當一個人在張開手臂單腳著地做旋轉運動時，縮回手臂、即減小外部旋轉體的質量，便可以使得旋轉運動的速度加速。運動力學的原理決定了輪轂的內外輪輞凸肩處是輪轂上最能有效、也是最需要減重的地方。將鋁輪轂的內外輪輞凸肩處設計成空腔的好處是大大改善了鋁輪轂的加速性能及制動性能。
內置空氣鋁輪轂的設計技術是機械設計空腔構造理論和運動力學原理在鋁輪轂設計上的應用。
輕量化鋁輪轂的制造技術
1. 整體式窄輪輻鋁輪轂制造技術
整體式窄輪輻鋁輪轂的簡要生產流程是：低壓鑄造毛坯→熱處理→加工→涂裝。
窄輪輻鋁輪轂制造過程中要特別注意鑄造環(huán)節(jié)，由于輪輻窄鑄造成型的難度相對大一些，因此要準備好模具，保持好模具的表面質量。輪輻變窄并配合適當?shù)哪＞呃鋮s，使得輪輻處的晶粒細化，材料的力學性能得到提高，在減輕質量的同時，保證了產品的性能。
2. 組合式窄輪輻鋁輪轂制造技術
組合式窄輪輻鋁輪轂的簡要生產流程是：低壓鑄造輪輻、輪輞→熱處理→局部加工→旋壓→加工→涂裝→用螺栓組裝輪轂。
3. 整體式內置空氣鋁輪轂制造技術
整體式內置空氣鋁輪轂是一種單件整體式輪轂，它是將輪轂的內外輪輞肩部和輪輻處設計成空腔，即所謂“內置空氣”,這是一項最新的鋁輪轂設計技術。新的整體式內置空氣鋁輪轂的氣嘴閥門不像往常一樣位于輪轂的外圈上，而是設在輪輻的中央，這樣不僅可以很方便地夠到氣嘴閥門，而且能方便地清理輪轂外圈上的塵土，尤其在野外越野應用時這方面的優(yōu)點更為突出。
整體式內置空氣鋁輪轂的簡要生產流程是：低壓鑄造→熱處理→局部加工→旋壓形成空腔→激光焊接→加工→涂裝。
整體式“內置空氣鋁輪轂”空腔制造技術的特點是：利用低壓鑄造工藝技術，采用特殊結構的鑄造模具，將鋁輪轂的輪輻鑄造成中空，并在鋁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，使鋁輪轂內外輪輞凸肩內部形成空腔的形狀，輪輻內部的空腔與外輪輞凸肩內部的空腔是連在一起的，隨后用激光焊接將其焊起來，使輪轂內外輪輞凸肩內部變成封閉的空腔。
4. 兩件組合式內置空氣鋁輪轂制造技術
兩件組合式內置空氣鋁輪轂是一種將兩件體組合到一起的組合式輪轂，該項技術比整體式內置空氣鋁輪轂技術出現(xiàn)的稍早一些，它將鋁輪轂的內輪輞凸肩部設計成空腔。兩件組合式內置空氣鋁輪轂用鈦合金螺栓將鋁輪轂的輪輻和輪輞連接在一起，它可以解決類似于賽車運動駕駛中所有駕駛性能和安全性能等問題，是以往其它鋁輪轂技術無法比擬的。兩件組合式“內置空氣鋁輪轂”的另一個特點是：在輪轂外輪角處加了一個不銹鋼的鋁輪轂防止碰撞保護圈，以保護鋁輪轂不會被碰撞而損壞，而當不銹鋼防止碰撞保護圈損壞時不必拆卸輪胎便可更換，同時輪轂的平衡塊還可隱藏在不銹鋼防止碰撞保護圈后面不會被看見，更加美觀。
兩件組合式內置空氣鋁輪轂的簡要生產流程是：低壓鑄造→熱處理→局部加工→旋壓形成空腔→激光焊接→加工→涂裝→用螺栓組裝輪轂。
兩件組合式“內置空氣鋁輪轂”空腔制造技術的特點是：利用低壓鑄造工藝技術，采用特殊結構的鑄造模具，將輪轂內輪輞凸肩部鑄造出可用來形成空腔的部分，利用旋壓成形技術，使輪轂內輪輞凸肩內部形成空腔的形狀，隨后用激光焊接，將輪轂內輪輞凸肩內部變成封閉的空腔。
結語
1. 窄輪輻鋁輪轂獨特的造型使其不僅外觀輕盈、美觀、高雅，而且在輕量化和提高安全性方面效果顯著。
2. 內置空氣鋁輪轂是鋁輪轂輕量化設計的最有效途徑，該技術在減輕鋁輪轂質量的同時還大大地提高了承載能力，改善了鋁輪轂的加速性能及制動性能，使得車輛的油耗得到了降低，車輛行駛的安全性能和舒適性也得以提高。
（轉載）
