CN101239562B - 低压铸造铝合金汽车车轮的轻量化方法 - Google Patents

低压铸造铝合金汽车车轮的轻量化方法 Download PDF

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Abstract

本发明是提供一种汽车铝合金车轮的应力分析方法和铝合金车轮的轮辋掏料集成技术。该方法是运用工程软件生成铝车轮的几何造型，并输入铝车轮要求的材料属性即弹性模量E：70e09N/mm2，密度ρ：2700kg/m3，泊松比ε：0.3；测试条件：500kg-765kg；并对车轮螺栓孔进行固定，进行力学性能模拟试验，根据生成的应力分布图确定最小应力分布区域即力学性能过剩区域实施掏料。该最小应力分布区域一般在与轮辐相对应的轮辋部位，根据铝车轮力学性能要求计算出掏料的体积为3×10×15mm～10×12×18mm的，掏料数量为5-10个。再次输入相同条件进行相同的力学性能试验，以确定在达到确保铝车轮力学性能要求下最佳轻量化的方案。该方法大大降低了原材料的使用，具有工艺简单、成本低，满足规模化生产等优点，是实现汽车铝合金车轮生产和应用的新技术。

Description

低压铸造铝合金汽车车轮的轻量化方法
技术领域
本发明涉及一种低压铸造铝合金汽车车轮轻量化的方法，该方法集成了铝合金车轮应力分析和铝合金车轮轮辋掏料技术，属于汽车配件制造领域。
背景技术
汽车铝合金车轮是汽车行驶过程中最主要的安全件之一，承载着车辆的垂直负荷、横向力、驱动扭矩和行驶过程中产生的各种应力。作为高速回转运动的零部件，要求具有极高的强度、弹性和耐疲劳性，因而具有极高的安全性和可靠性的要求。但随着有色金属价格的飞涨，世界各国对汽车节能、环保要求的日趋严格，作为汽车重要部件的铝合金车轮在满足力学性能前提下的轻量化要求也越来越高，各车轮制造厂家都在不断探索各种轻量化的途径。
实现轻量化的方法原理有两类，一类是优化设计汽车车轮的结构，如采用减薄轮辐的厚度，但铝车轮轮型设计为汽车主机厂所规定，汽车配件厂一般都是根据订单来生产，无权对汽车车轮的造型变更；第二类是采用不同的工艺提高汽车车轮用铝合金性能，在满足力学性能的前提下，实现汽车车轮的轻量化。第二类方法为广大汽车配件厂所采用，为提高铝合金汽车车轮的力学性能，工艺上有采用锻造方法和半固态挤压方法，该工艺方法通过改变组织的流线，从而大幅提高铝合金的力学性能，铝合金车轮和轮辐的厚壁可减少，从而减轻了铝合金车轮的重量。其中锻造工艺利用大吨位热模锻设备锻造出铝合金车轮，提高了合金内部组织的致密性，可以减薄铝车轮的轮辋和轮辐；但一套锻压设备一般投资都在一亿元左右，制造成本太高，因而没有规模化应用的前景；半固态工艺生产铝合金车轮的工艺目前还在研制当中，尚未应用于实际生产。目前铝合金车轮广泛采用低压铸造法方法生产，其熔炼工艺、选用的材料和模具设计的成熟度高，生产的车轮的力学性能很难再提高，难以进一步从工艺本身轻量化低压铸造铝合金车轮。
发明内容
本发明的目的是提供一种汽车用铝合金车轮的应力分析和铝合金车轮轮辋掏料的方法和技术的集成，该方法通过模拟铝车轮的性能测试后生成的应力分布图确定其最小应力分布区域，也即是力学性能过剩区域。根据应力分布图分析看出该性能过剩区域一般在位于轮辐相对应的轮辋部位，确定具体的轮辋位置、掏料大小和数量，在满足铝车轮力学性能要求前提下实现铝合金车轮的轻量化。
本发明具体的技术路线：
运用工程软件，如PRO/ENGINEER、UG等，进行汽车车轮的几何造型，并进行有限元单元格的划分设计，在PRO/ENGINEER中，可选择软件的自动网格划分。
生成合理的应力分析方案：根据汽车铝合金材料的属性要求，输入材料属性，选择各向同性和线弹性的。在参数设置中根据原材料为铝合金的性质，设置弹性模量E：70e09N/mm2，密度ρ：2700kg/m3，泊松比ε：0.3。在性能试验前对铝合金车轮的所有螺栓孔进行固定。根据汽车铝车轮力学性能要求，确定性能测试载荷受力为4900N-7497N。点击运行，经PRO/ENGINEER软件得到车轮应力分布状况图，在图2和图4中以深色部分表示最小应力分布区域，浅色部分为应力较大区域。
优化轮辋掏料技术：根据铝合金车轮完成性能测试后生成的应力分布图可以看出相对应轮辐的轮辋部位是应力最小区域，即强度过剩区域，因此可减薄其厚度。根据铝车轮力学性能要求，确保轮辋与轮辐的最小距离是6mm-9mm，然后通过偏移和倒角，形成封闭区域，得到掏料大小为3×10×15mm-10×12×18mm，掏料数量与轮辐数量一致。
在轮辋掏料完成后，输入相同的约束条件和载荷测试条件，重复进行性能模拟，得到掏料后的应力分布图，从图3和图5可以看出轮辋掏料后的颜色有深色过渡到浅色，但没有达到白色，表明该处理强度没有超过铝合金的要求的极限强度240mpa，可以掏料。
为了对本发明作更详细的描述，现结合实例与图解说明如下：
图1、典型的铝车轮造型设计图。
图2、18×7.5(轮辐5个)铝车轮输入约束和载荷条件后的应力分布图。
图3、18×7.5轮型完成轮辋掏料后的应力分布图。
图4、22×9.5(轮辐10个)铝车轮输入约束和载荷条件后的应力分布图。
图5、22×9.5轮型完成轮辋掏料后生成的应力分布图。
具体的实施方法：
实施例1：汽车铝合金车轮18×7.5，轮辐为5个，螺栓孔数量5个，螺栓孔直径100mm，(18×7.5即铝车轮的直径是18英寸，轮辋的宽度为7.5英寸)，在PRO/ENGINEER软件中，运用点、线、曲面、旋转、裁剪等命令完成18×7.5车轮的造型设计图，所完成的车轮的主要部位如图1所示其中①为轮辐，②为轮辋。使用该软件中的Great Mesh命令，完成车轮的自动网格划分，点击下一步输入材料属性，选择各向同性和线弹性，参数设置中根据原材料为铝合金的性质输入弹性模量为E：70e09N/mm2，密度ρ：2700kg/m3，泊松比ε：0.3。根据车轮性能测试要求将车轮的5个螺栓孔进行固定，按照该车轮螺栓孔的数量和直径，根据铝车轮的力学性能要求，设置最大载荷为4900N，并点击运行完成模拟性能测试。根据软件自动生成的应力分布图可以看出应力从轮辋边缘部位到内部逐渐减小，见图2中(1)：深色部位是应力最小区域即是强度储备很大区域；(2)浅色为应力较大的区域。确定对应轮辐的轮辋部位应力最小区域即可减薄设计，根据车轮力学性能要求确定轮辋与轮辐的最小距离为6mm，通过偏移和倒角，形成封闭的区域，确定掏料的大小为10×12×18mm，截面积为梯形，因与轮辐相对应的轮辋部分都是应力最小区域，因此选择掏料数量为5个。在掏料完成后输入该轮型相同的材料属性和载荷4900N，重新进行模拟测试并生成新的应力分布图，图3可以看出掏料处的颜色由深色逐渐过渡到浅色，其中(1)为轮辋掏料部位，(2)为应力最大区域，但该区域没有达到白色，表明该处的强度没有超过铝合金车轮极限强度240mpa，因此对轮辋掏料对于车轮的力学性能没有影响。
对轮辋掏料后，18×7.5的车轮重量为12.3kg，未掏料前车轮的重量为13kg，重量减轻了538％。
实施例2：汽车铝合金车轮轮型22×9.5(铝车轮的直径是22英寸，轮辋的宽度为9.5英寸)，轮辐为10个，螺栓孔数量6个，螺栓孔直径139.7mm，在PRO/ENGINEER软件中，运用点、线、曲面、旋转、裁剪命令自动生成22×9.5车轮的几何造型图形。使用该软件中的GreatMesh命令，完成车轮的自动网格划分，点击下一步输入材料属性，选择各向同性和线弹性，在参数设置中根据原材料为铝合金的性质输入弹性模量为E：70e09N/mm2，密度ρ：2700kg/m3，泊松比ε：0.3。根据车轮性能测试要求将车轮的6个螺栓孔进行固定，按照该车轮螺栓孔直径139.7mm和铝车轮的力学性能要求，设置最大载荷为7497N，把该数据输入软件中点击完成模拟性能测试。根据软件自动生成的应力分布图可以看出应力从轮辋边缘部位到内部逐渐减小，见图4中(1)：深色部位是应力最小也是强度储备很大区域；(2)浅色部位为应力较大的区域。确定相应轮辐的轮辋部位应力最小区域可减薄设计，根据铝车轮力学性能要求确定轮辋与轮辐的最小距离为9mm，通过偏移和倒角，形成封闭的区域，确定掏料的大小为3×10×15mm，截面积为梯形，因与轮辐相对应的轮辋部分都是应力最小区域，因此选择掏料数量为10个。在掏料完成后输入该轮型相同的载荷4900N，重新进行模拟测试并生成新的应力分布图，从图5可以看出掏料处的颜色由深色逐渐过渡到浅色，其中(1)为轮辋掏料部位，(2)为应力最大区域，但该区域没有达到白色，表明该处的强度没有超过铝合金车轮极限强度240mpa，仍然能满足力学性能要求，因此对轮辋掏料对力学性能没有影响。
对轮辋掏料后，22×9.5的车轮重量为19kg，未掏料前车轮的重量为20kg，重量减轻了5％。

Claims (3)

1.一种低压铸造铝合金汽车车轮的轻量化方法，其特征在于综合汽车铝合金车轮的应力分析和轮辋掏料技术，在不改变铝合金车轮现有轮型和结构、保障铝合金车轮的使用性能和安全的前提下，通过在铝合金车轮轮辋部位掏料实现轻量化。
2.根据权利要求1所述的低压铸造铝合金汽车车轮的轻量化方法，其特征在于运用工程软件，完成铝车轮的几何造型，将车轮模型进行有限单元划分，输入铝车轮性能测试条件：即材料属性弹性模量E：70e9N/mm2，密度ρ：2700kg/m3，泊松比ε：0.3；并根据车轮螺栓孔数量对5-10个螺栓孔进行固定，按照螺栓孔的数量和直径，输入4900N-7497N测试载荷进行性能测试以形成铝车轮应力分布图。
3.根据权利要求1所述的低压铸造铝合金汽车车轮的轻量化方法，从应力分布图可以确定在与轮辐相对应的轮辋部位应力最小，根据铝车轮力学性能的要求确保轮辋与轮辐的最小距离为6mm-9mm，计算出掏料体积为3×10×15mm至10×12×18mm，掏料数量为5-10个，与轮辐数量一致，掏料完成后输入以上相同条件和载荷重新进行性能测试形成新的应力分布图，以证明实施掏料轻量化后，仍然能满足铝车轮的性能要求。
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