高强度钢制车轮的轻量化研究

黄岗

（杭州科技职业技术学院，浙江 杭州311402）



高强度钢制车轮的轻量化研究

黄岗

（杭州科技职业技术学院，浙江 杭州311402）

摘 要：车轮是汽车最重要的承载件之一，其轻量化研发成为汽车行业发展的焦点。论述了高强度钢轮的性能要求，重点从新材料研发、车轮轻量化优化设计、钢轮制造工艺改进三方面，对高强度钢制车轮的轻量化研究深入剖析，进一步挖掘高强度钢制车轮轻量化潜力，希望能为钢制车轮轻量化研究开拓思路。

关键词：钢制车轮；轻量化；高强度

随着汽车行业蓬勃发展，新能源、节能、环保等成为汽车发展趋势。为此，汽车企业愈加重视汽车轻量化研究。在汽车行驶过程中，车轮需要同时应对车身自重载荷及各种动载产生的应力。因此，车轮质量成为评判整车性能的重要指标之一［1］。随着汽车零部件向高性能、安全、节能、降耗方向发展，高强度钢制车轮已成为车轮轻量化研究的焦点。本文针对高强度钢材的研发、钢制车轮结构的设计、车轮制造工艺改进进行剖析、研究，以期能对钢制车轮轻量化研究提供参考。

1　钢制车轮的现状

1.1钢制车轮的市场分析

通过大数据分析，中国已然成为世界汽车产销大国。汽车行业的繁荣带动了汽车零部件产业的快速发展，也为国内车轮行业的发展提供了难得的契机［2］。在车轮细分市场中，钢制车轮与铝制车轮竞争尤为激烈。由于钢材加工性能的局限，难以实现车轮结构、外观多样化，钢制车轮市场面临危机。

以创新为突破，钢制车轮企业通过不断技术革新，取得长足进展。同时，钢铁企业谋求深度发展，涉足钢制车轮行业，促使钢轮企业更多采用高强度钢材，从而实现车轮轻量化［3］。目前，介于钢制车轮企业技术创新发展以及钢、铝原材料的成本差异，使得汽车行业重新评估钢轮和铝轮的市场价值［4］。

1.2车轮轻量化的现状

节能、环保是汽车行业未来发展趋势，汽车节能减排迫在眉睫，汽车轻量化是缓解汽车排放超标的有效手段。试验表明：车身质量每减少一成，油耗降低约6%～8%，排放量下降4%.车轮是汽车重要承载件，工作中高速旋转，其轻量化节能效果是其它零部件的1.5倍左右。

通过数据分析，国内商用车油耗量占总量的75%左右。随着国家对物流行业规范化管理，对车辆超载的严管控以及节能、环保的需要，商用车的轻量化节能研究显得尤为重要。在国内商用车领域，钢制车轮仍然是市场主流，为此，高强度轻量化钢制车轮的应用研究将势在必行。根据汽车行业轻量化发展现状调研，钢轮轻量化开发主要是高强度钢材应用、车轮结构轻量化设计、钢轮制造工艺提升三个方面。强化承载能力，满足节能、环保及安全行驶等要求，使用高强度钢材是钢制车轮轻量化最有效方法。

2　高强度钢制车轮材料轻量化

2.1钢制车轮用钢的技术要求

车轮结构简单，作为承载构件使用，性能上要求有高精度、高疲劳、高承载能力、低重量，同时具有一定美观性。钢制车轮对材料性能要求主要包括工艺性能、使用性能。

（1）工艺性能要求。轮辐和轮辋是车轮组成部分，成型工艺不同，对钢材工艺性能有着不同要求。轮辐主要拉延成形，要求钢材有良好的拉延成形性能。轮辋成形主要是焊接、滚压和扩张成形，要求钢材具有良好的焊接性、滚压成形性以及扩孔性能。从工艺性能考虑，钢制车轮要求钢材具有良好的成形性能、焊接性能、滚压成形以及扩孔性能。

（2）使用性能要求。除了满足所需的工艺性能外，车轮用钢还要达到使用性能要求。对于车轮使用性能评测主要通过轴向弯曲疲劳试验、径向疲劳试验、落锤冲击试验等方法。疲劳试验测试主要检测钢材的化学成分、夹杂和表面质量等指标对轮辐、轮辋疲劳性能的影响，一般分为轴向弯曲疲劳和径向疲劳试验。落锤冲击试验用以评测车轮的抗冲击能力。从车轮的使用性能要求看，要求钢材具有高强度、高疲劳性能、少的夹杂以及优质的表面质量。如表1所示，是常用汽车钢制车轮的用材情况［1］。

表1　部分常用汽车钢制车轮用材

高强度钢凭借着高强度、低屈强比、高抗冲击能力和疲劳性能好等优点，成为汽车轻量化的关键材料。随着车轮结构优化、制造成形工艺、有限元分析、信息化等技术的快速发展，高强度钢逐步应用于车轮制造。轻量化高强钢的应用开发将成为车轮轻量化、汽车行业节能、减排研发的重要突破口。

2.2高强度钢轻量化研究

钢铁材料相对于有色合金、高分子材料，具有价格便宜、工艺成熟的优势，再通过高强度化和有效的强化措施可充分挖掘其强度潜力，更好发挥使用价值［1］。

（1）高强度碳钢。车轮零件成型工艺多采用拉延、滚压、扩张工艺，良好的塑性是钢轮用材的重要性能。高强度碳钢具有高的弹性模量、良好的刚性、耐冲击性以及疲劳强度，与普通钢相比其抗拉强度要高2～3倍。目前，高强度碳钢的研发与汽车轻量化合金材料（铝、镁等）研发旗鼓相当，有些材料甚至优于铝合金、镁合金。

根据市场需求，同时具有高强度及良好塑性是高强度碳钢的发展趋势。其中，近来开发的多相钢具有巨大的市场潜力。这些钢有着良好强度和成型性能，为高强度钢制车轮轻量化应用提供更多可能。如：铁素体-贝氏体钢强度级别为500 MPa；双相（DP）钢和相变诱发塑性（TRIP）钢强度级别为600～800 MPa；复相（CP）钢强度级别为800～1 000 MPa.

但是，国内钢制车轮材料与欧美高强度钢存在一定的差距，国内钢轮用材强度仍处在低强度级别（420 MPa～490 MPa）。车轮的轻量化开发，需要加大对高强度碳钢的推广应用。

（2）低合金高强度钢。轻量化、节能、降耗是汽车发展趋势，低合金高强度钢已经被用于欧系、日系中高级轿车钢制车轮。低合金高强钢具有高强度、高塑性、高韧性、可焊性和低的脆韧转变温度，冷成型性能优。其中，热轧低合金高强度钢在基体钢中添加微量铌、钛、钒等合金元素，通过轧制工艺参数及冷却速度的控制，可实现综合性能提升。

目前，低合金高强度钢制车轮已在中国国内市场初现端倪，如一汽大众PQ46平台的迈腾使用低合金高强度钢车轮、丰田D82高强度钢车轮［1］。国内低合金高强度钢制车轮的自主研制与开发，为自主品牌轿车开发提供优质零部件具有重要的意义。

3　高强度钢制车轮设计及制造工艺轻量化

3.1车轮结构设计轻量化

车轮轻量化研究需要运用多学科融合方法，需要综合性、系统性的考虑车轮轻量化优化设计。在车轮结构优化设计方面，国内逐渐从依靠经验设计发展到应用有限元等现代设计手段，准确进行弯曲疲劳计算和冲击分析。

随着高强度钢的应用以及车轮结构设计的优化，开发出了高强度且美观的钢制车轮。大通风孔式（HVA）钢制车轮为例，如图1所示，外观可与铝合金车轮相媲美，同时具有轻量化、成本低等优点，非常适合A级车使用。大通风孔车轮设计过程难度较大，开发需要结合外观设计、疲劳设计优化分析、刚度优化分析、抗扭优化分析以及成型优化分析等手段［3］。

图1　大通风钢制车轮

车轮结构轻量化优化设计时，常常需要其材料、制造工艺进行技术革新。优化设计初期，就应及时考虑到制造的材料使用及轻量化的工艺。这样做才能较好的轻量化效果，同时缩短产品制造周期及降低汽车开发成本。例如大通风孔钢制车轮设计，要求车轮钢有良好的成形性能，高的扩孔性能，好的焊接性能及高的疲劳性能。通过铌微合金化，有效提高钢材的扩孔率、焊接性能以及疲劳性能，保障了这种结构优化设计。

3.2制造工艺轻量化

近年来，车轮制造上游企业（如车轮设备制造）积极研发，将旋压生产工艺应用到钢轮的轮辐、轮辋生产中，与传统的材料和工艺相比，车轮可减轻20%.

大通风孔车轮生成采用旋压工艺可以保证车轮的性能和成形。同时，车轮制造企业引入有限元仿真分析工具，对轮辐的冲压工艺进行仿真分析，最大限度地降低了轮辐成形过中所产生的残余内应力，减低了车轮内残余应力对车轮疲劳寿命的影响。

此外，车轮轻量化对连接工艺也有较高要求。无论是弧焊闪光对焊还是其他连接方式，一旦轮辐和轮辋出现连接问题，极易导致疲劳失效。因此，对钢材的焊接性能和连接工艺控制要求较高。要求，车轮制造工艺不断改进，如采用复合结构，减少中间搭接、接头拼缝、局部增强、激光拼焊，热成型制造工艺等。

4　结束语

高强度钢是汽车车轮轻量化研究重要突破口，将会汽车工业发展起着重要作用。对高强度钢制车轮实施轻量化过程中务必同时考虑制造成本等，过于追求节能减排效果造成过高成本代价，甚至影响到产品的安全性，显然是得不偿失的。

车轮行业而言，国内车轮轻量化的研究与应用，与国外都有着较大差距。轻量化技术开发能力薄弱。目前，国内汽车车轮制造基本上依附或从属于汽车整车制造业，暂未取得相对独立地位，制约着新技术研发、创新。需要从整车厂逐步剥离，形成独立的科研力量，深耕轻量化研究。

参考文献：

［1］燕来荣.轻量化高强度钢材驱动着汽车的未来［J］.汽车用钢，2011，（1）：17-21.

［2］温沛.汽车零部件行业发展分析――泰和集团发展战略思考［D］.高级管理人员工商管理，2007.

［3］陆培明，钱春华，童恬.汽车钢制车轮行业的现状和趋势［J］.汽车工程，2006，28（5）:504-507.

［4］汽车零部件钢制车轮行业分析报告［R］.2010.

Lightweight Research of High Strength Steel Wheels

HUANG Gang
（Hangzhou Polytechnic College，Hangzhou Zhengjiang 311402，China）

Abstract：The vehicle wheel is the most important bearing parts of automobile.The lightweight research of wheel has become the focus of automotive industry.This paper discusses the performance requirements of high strength steel wheel.And focusing on the high strength steel wheel lightweight analysis from the new material，lightweight optimization design and manufacturing process improvement.The purpose is to excavate the lightweight potential of high strength steel wheel，and hope to develop a new method for lightweight research of steel wheel.

Key words：steel wheel；lightweight；high strength

中图分类号：U463.34

文献标志码：A

文章编号：1672-545X（2016）03-0198-03

收稿日期：2015-12-05

项目基金：浙江省教育厅高等学校访问工程师校企合作项目（项目编号：FW2013164）

作者简介：黄岗（1987-），男，浙江金华人，硕士，助教，主要研究方向为汽车模具。