铝合金轮毂造型设计及过程开发

2018-06-13李玉升

汽车零部件 2018年5期

李玉升

(滨州盟威戴卡轮毂有限公司，山东滨州 256606)

0 引言

随着社会的发展、人们消费水平的提高，汽车的代步功能不再是决定消费者购买的唯一因素，一辆漂亮的汽车更能吸引消费者的关注。轮毂在汽车外观中发挥着重要的装饰作用，同时它也是汽车行驶系统的重要安全部件，考虑到它的功能的特殊性，其外观设计不仅要考虑艺术性，同时它必须符合产品的性能及使用要求[1]。一件优秀的产品不仅仅是停在满足使用上，还需要有对应的外观进行包装，拥有美丽炫酷外观的产品往往更能够激起消费者的购买欲望。因此在轮毂设计过程中，对应美的把握是十分重要的，在满足轮毂性能要求前提下，需要把美学观点和艺术处理手法充分地融合在整个过程中以便提升产品的突出性[2]。

1 轮毂造型设计目标

随着汽车的发展，汽车轮毂的材质也在不断地发生变化。目前轮毂材质一般有钢制轮毂、铝合金轮毂、镁合金轮毂。钢轮毂多配以白银或黑色涂层，外形单调，通常加装塑料装饰罩提高美观度，成本低廉。铝合金轮毂一般采用重力铸造、低压铸造、旋压、锻造等工艺成型，造型多样，配以鲜亮的银色、白色、红色、灰色、黑色等涂层，成本稍高。镁合金轮毂既有铝合金轮毂造型多样、颜色丰富的优点，同时具有其他材质不具备的质量轻的特点，但成本较高。

轮毂的生产工艺最大限度地确定了产品结构特性以及产品可轻量化的程度，如锻造、HLT旋压工艺生产的铝合金轮毂比同尺寸的低压铸造轮毂轻3～4 kg，未来车轮行业竞争的核心是产品轻量化、高强度化。而当今全球最高的车轮制造技术水平，仍被以欧、美、日为代表的著名车轮集团掌握着，如变形硬化轮辋技术、轮辐中空技术等[3]。

作为汽车整体外观的一部分，汽车轮毂的造型设计要与整车外观造型设计风格相匹配。每个汽车品牌都有自己的设计风格，如奔驰的舒适、宝马的稳定操控、保时捷永远以运动为本、大众的物美价廉[4]。

设计风格、轮毂材质、尺寸、外观工艺、生产工艺的设定和输入在一定程度上明确了轮毂造型的设计方向，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[5]。

2 造型设计及开发

轮毂的造型开发一般是先由OEM(Original Equipment Manufacturer)设计师根据设计目标完成正面造型设计，然后输出给轮毂供应商。轮毂供应商根据输入的正面造型、主要参数(轮毂大小、轮宽、螺栓孔数量及节圆直径、偏距、中心孔尺寸、整车质量、刹车线型、装饰帽尺寸等)、成型工艺等完成整个轮毂3D数据的设计。其中轮辋的设计按照标准规定选用与整车要求相配的轮辋规格，轮心的设计则根据轮毂与车桥车轴上的安装盘等安装定位要求进行确定。

同一款车型开发的低配、中配、高配、特别版等都会配置不同的轮毂以满足不同消费群体的需求，配置越高，轮毂尺寸越大，颜色外观越突出。也有用同一轮毂不同加工状态或不同颜色来区分不同配置(见图1)，也有的使用同一造型不同规格来区分。

图1 同一轮毂用颜色来区分不同配置

现在私人定制正在兴起，不少OEM设计师也在这方面进行了考虑，如设计专门标签、机械刻字、激光刻字或正面铸字等，给客户新颖的感觉，迎合客户的心理需求，如图2所示。

随着计算机技术的飞速发展和广泛应用，有限元分析已成为求解科学技术和工程问题的有力工具。轮毂的设计中也开始普遍使用，通过FEA分析可调整产品受力结构、完善轻量化设计等。

ANSYS是一款使用较广泛的有限元分析软件，具有较强大的求解和处理功能。在做分析时，需要确定使用的分析系统，弯曲和径向疲劳分析选择“Static Structural”、冲击选择“Workbench LS-DYNA”，然后选择材料等试验条件、导入模型并进行细节处理，再进入运行系统中设置各种参数，最后进行求解。求解完成后将结果与设计标准比较，不满足要求的根据分析结果调整造型，再做有限元分析直至满足设计标准。图3—图4所示为一个轮毂的有限元分析示例。

满足了设计标准后，下一步需要进一步减重。减重位置选择在对抗击能力有富余的地方实施，比如轮辐根部、法兰斜面等位置(见图5)，需要根据具体的模型实行。实施设计减重后还必须能够满足有限元分析标准的要求，这是一个反复调整优化的过程，最终目的就是为了得到既能满足使用要求、同时质量又最轻的轮毂。

图2 考虑私人定制的轮毂

图3 模型小线段处理

图4 轮毂的弯曲分析示例

图5 法兰斜面及轮辐根部掏空减重

3 实物过程开发

在轮毂造型基本定型后，通常OEM厂商会订购木模进行确认，木模材质多为ABS工程塑料或铝材。确认通过后，轮毂供应商会开发模具，周期大约1个月。模具开发完成后，轮毂供应商组织样品试制生产，并按照客户标准完成一系列的内部检测检验，如尺寸检测、机械性能/金相检测、冲击试验、弯曲试验、颜色检验等。在内部样品检查检测合格后发送OEM主机厂装车做实物认证，包括漆膜耐腐蚀性试验、装车效果对比、安装到工程车上进行路试等，如图6—图7所示。