CN102107582B

CN102107582B - 一种重型车辆用铝合金车轮

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Publication number: CN102107582B
Application number: CN201110024751A
Authority: CN
Inventors: 张治民; 王强; 张星; 于建民
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2011-01-20
Filing date: 2011-01-20
Publication date: 2012-10-24
Anticipated expiration: 2031-01-20
Also published as: CN102107582A

Abstract

本发明一种重型车辆用铝合金车轮，为轮辋、轮辐一体式结构，其铝合金车轮的轮辋、轮辐与接口的尺寸，按照现行轮胎标准、轮辋标准、气门嘴标准和轮辐在轮毂上安装标准确定尺寸范围；其特点是该铝合金车轮的轮辋厚度、轮辐厚度是根据等效静力韧度相等准则进行确定的；以减小应力集中和改善成形工艺性能为目标，确定了轮辐与轮辋连接圆角的尺寸范围。本发明设计计算简单，便于直接指导铝合金车轮的设计与优化；在确定了铝合金车轮结构的同时，便确定了铝合金车轮满足使用要求的力学性能指标，具有强度大、安全性好、重量轻，良好的加工工艺性的优点，促进铝合金车轮在重型车辆上的应用。

Description

一种重型车辆用铝合金车轮

技术领域

本发明涉及一种重型车辆用铝合金车轮，主要用于重型车辆铝合金车轮结构设计，以取代传统的钢制车轮，减轻车辆重量。

背景技术

轻量化是重型车辆、轮式战车的重要方向之一，是节能减排、提高机动性的主要途径。而采用轻金属材料取代钢铁，是实现轻量化的重要手段。铝合金具有密度小、比强度高及良好加工性，是重型车辆、轮式战车轻量化的最佳用材。

车轮是介于轮胎和车轴之间所承受负荷的旋转组件，作为重型车辆、轮式战车的行动部件，在整车中数量多，而目前均采用钢制车轮。如某4×4轮式战车，车轮采用Q235钢分体焊接制造，单车共装车轮5个，单件车轮重达近60公斤，难以有效减重。因此，研究新型铝合金车轮，实现车轮以铝代钢，对减轻车辆重量及提高机动性具有重要意义。

在普通汽车上，铝合金车轮已广泛应用。美国铝业公司生产的锻造铝合金车轮已在大型客车上获得应用，国内也已进行汽车铝合金车轮的锻造生产并应用。但对于重型车辆、轮式战车等，由于较普通汽车更高的承载及越野条件，要求车轮具有更高的强度与刚度，目前尚未见应用报导。

车轮通常由轮辋和轮辐两部分组成，有时还包含轮毂。轮辋是在车轮上安装和支承轮胎的部件，其型面轮廓可以分为轮缘、胎圈座、凸峰和槽部；轮辐是在车轮上介于车轴和轮辋之间的支承部件，其结构分为安装块部分、缓冲环部分和轮缘部分。

重型车辆、轮式战车等现用钢制车轮，均为轮辋、轮辐组合焊接结构，且轮辋轮廓型式已标准化，采用的标准如工业车辆轮辋规格系列(GB/T12939-2002)、汽车轮辋规格系列(GB/T3487-2005)等。而轮辋和轮辐的厚度通常根据车轮载荷和设计经验确定，均已有相对确定的值和可供参考的资料。采用的材料为12LW、15LW、Q235等，轮辋用材料执行标准如汽车车轮轮辋用热轧型钢(GB11262-89)、汽车车轮轮辋用热轧型钢(YB/T5227-2005)。

对钢制车轮进行优化设计，可进一步挖掘其潜力。如《长江大学学报》2010年6月刊登的“乘用车钢制车轮设计方法浅析”，提出在满足承载性能、可装配性能、可制造性等要求前提下，按照轮辋型式设计轮缘、胎圈座、凸峰和槽部型式，以确定最优的车轮型面轮廓结构，进一步提高车轮使用性能的同时减轻其重量。

对于重型车辆、轮式战车等用车轮，采用铝合金取代钢铁，可以大幅减轻重量，但尚存在一些障碍。如铝合金弹性模量小(70GPa左右)，约为轮辋用钢弹性模量(190～210GPa)的1/3；塑性低(10％左右)，远低于轮辋用钢的塑性(20～30％)。因此，车轮采用铝合金材料时，需要对其结构进行设计优化，以保证车轮强度、刚度和寿命，使其安全性好、重量轻，同时具有良好的加工工艺性。由此可见，铝合金车轮结构设计是其应用的基础。然而，对于重型车辆、轮式战车用铝合金车轮的设计，尚未见相关设计方法及可供参考的设计资料。

为促进新型轻质材料在车轮上的应用，与材料相匹配的车轮结构优化设计是研究重点。如《现代机械》2009年第4期刊登的“复合材料车轮结构轻量化的研究”一文，以质量最小化为目标函数，以结构强度、刚度及振动模态为性能约束，对车轮的轮辋厚度、车轮安装凸缘厚度进行了结构轻量化优化设计，达到进一步减轻车轮质量的目的。但分析计算过程繁杂，应用不方便，难以指导实际设计。

发明内容

本发明的目的是为解决重型车辆传统用钢制车轮重量大的问题，针对铝合金与车轮传统用钢性能的差异，比对钢制车轮，提出一种重型车辆用铝合金车轮，主要是确定轮辋厚度、轮辐厚度以及轮辐和轮辋连接处圆角等几何尺寸和形状，使车轮的强度大、安全性好、重量轻，同时具有良好的加工工艺性，促进铝合金车轮在重型车辆上的应用。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

一种重型车辆用铝合金车轮，为轮辋、轮辐一体式结构，所述轮辋、轮辐与轮胎接口的尺寸，按照现行轮胎标准、轮辋标准、气门嘴标准和轮辐在轮毂上安装标准确定尺寸范围；其特征是：该铝合金车轮的轮辋厚度、轮辐厚度、轮辐与轮辋连接圆角的尺寸范围的确定为：

(1)、所述铝合金车轮的轮辋厚度、轮辐厚度，比对钢制车轮的轮辋厚度、轮辐厚度，根据等效静力韧度相等准则进行确定。

铝合金车轮轮辋厚度：

t_{1}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{1} \times k_{1}

铝合金车轮轮辐厚度：

t_{2}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{2} \times k_{2}

其中：t′₁、t′₂分别为铝合金车轮轮辋厚度、轮辐厚度；R′_m、R′_p0.2、A′_k分别为铝合金材料的极限抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，取所选铝合金材料性能指标达到的最小值；

t₁、t₂分别为钢制车轮轮辋厚度、轮辐厚度；R_m、R_p0.2、A_k分别为钢制车轮用材料的极限抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，取其满足使用要求的性能指标最小值；

k₁、k₂分别为铝合金车轮轮辋厚度、轮辐厚度修正系数，取为1.03～1.10；

(2)、所述的铝合金车轮连接圆角的确定，轮辐与轮辋连接处设置为圆角，圆角半径取为R10～R30；挡圈锁圈槽根部与口部、轮缘口部设置为圆角，圆角半径取为R2～R5。

本发明重型车辆用铝合金车轮实质上是通过一种新的设计方法而设计的铝合金车轮。是建立在静力韧度概念理论基础上的，其理论基础为：

(1)车轮的轮辋结构、轮辐结构与接口尺寸

轮辋结构(包括轮辋轮廓型式、轮廓外形尺寸)、轮辐结构(包括轮辐轮廓型式、轮廓内形尺寸)、接口尺寸(包括气门嘴位置、尺寸；螺栓连接孔位置、数量、尺寸；散热孔位置、数量、尺寸等)与钢制车轮一致，或具体参照如轮胎标准、轮辋标准、气门嘴标准和轮辐在轮毂上安装标准等相关国家标准确定。以满足轮胎与轮辋的装配、气门嘴的装配、车轮与轮毂的装配、饰盖的装配等可装配性能，以及配套车型对车轮的设计要求。

(2)轮辋厚度、轮辐厚度

根据静力韧度概念及其经验计算公式，提出了等效静力韧度概念及其经验计算公式，以及等效静力韧度相等准则。即：

静力韧度：在静拉伸时单位体积材料从变形到断裂所消耗的功。

经验计算公式：

U_{T} = \frac{R_{m} + R_{p 0.2}}{2} A_{k}

等效静力韧度：在静拉伸时‘构件’材料从变形到断裂所消耗的功；

经验计算公式：

{\overset{&OverBar;}{U}}_{T} = \frac{R_{m} + R_{p 0.2}}{2} A_{k} \times V

其中：U_T为静力韧度，

为等效静力韧度，V为构件体积，R_m为材料极限抗拉强度，R_p0.2为材料屈服强度，A_k为材料断后伸长率；

等效静力韧度相等准则：当车轮替换材料的静力韧度与原用材料的静力韧度不等时，通过加大或减小轮辋、轮辐厚度，使材料替换前后等效静力韧度相等，可满足替换材料后车轮的使用性能。

即：

{\overset{&OverBar;}{U}}_{T} = {\overset{&OverBar;}{U}}_{T}^{'} = \frac{R_{m} + R_{p 0.2}}{2} A_{k} \times V = \frac{R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}}{2} A_{k}^{'} \times V^{'}

铝合金车轮的轮辋厚度、轮辐厚度，比对钢制车轮的轮辋厚度、轮辐厚度，根据等效静力韧度相等准则进行确定。

铝合金车轮轮辋厚度：

t_{1}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{1} \times k_{1}

确定的铝合金车轮轮辋厚度，如大于或小于钢制车轮轮辋厚度，则在轮辋内侧加厚或减薄；

铝合金车轮轮辐厚度：

t_{2}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{2} \times k_{2}

其中：t′₁、t′₂分别为铝合金车轮轮辋厚度、轮辐厚度；V′为铝合金车轮体积；R′_m、R′_p0.2、A′_k分别为铝合金材料的极限抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，取所选铝合金材料性能指标可以达到的最小值；

t₁、t₂分别为钢制车轮轮辋厚度、轮辐厚度；V为钢制车轮体积；R_m、R_p0.2、A_k分别为钢制车轮用材料的极限抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，取其满足使用要求的性能指标最小值；

(3)连接圆角

钢制车轮为轮辋、轮辐分体式焊接结构，综合考虑铝合金性能及其加工性能，铝合金车轮采用轮辋、轮辐为一体式成形结构。为提高铝合金车轮成形工艺性能，减小应力集中，轮辐与轮辋连接处设置为圆角，圆角半径取在R10～R30之内；挡圈锁圈槽根部与口部、轮缘口部设置为圆角，圆角半径取在R2～R5之内。

通过以上技术方案和理论研究，本发明的具有的显著有益效果是：

(1)为铝合金车轮设计提供了理论依据，保证车轮使用性能的同时，获得最大限度减重效果；

(2)设计简便，计算简单，便于直接指导铝合金车轮的设计与优化；

(3)在设计铝合金车轮结构的同时，确定了铝合金车轮满足使用要求的力学性能指标。

本发明的车轮具有强度大、安全性好、重量轻的优点，同时具有良好的加工工艺性，促进铝合金车轮在重型车辆上的应用。

附图说明

图1是一种平底型钢制车轮结构示意图；

图2是一种平底型铝合金车轮结构示意图；

图3是一种深槽型钢制车轮结构示意图；

图4是一种深槽型铝合金车轮结构示意图。

具体实施方式

实施例1：

图1为10-20平底型钢制车轮结构示意图，该车轮为轮辋、轮辐分体式焊接结构，材料为Q235钢，轮辋壁厚t₁＝9mm，轮辐厚度t₂＝12mm，设计静载荷F_j＝2500Kg，动载荷F_d＝(4～6)2500Kg。

Q235钢性能：抗拉强度R_m＝375～500MPa，屈服强度R_p0.2＝235MPa，延伸率A＝20～26％；

对铝合金车轮，材料选择为7A04铝合金。

7A04铝合金性能：抗拉强度R′_m≥540MPa，屈服强度R′_p0.2≥480MPa，延伸率A′＝10～14％；

根据上述设计方法，对轮辋结构、轮辐结构、接口尺寸、轮辋厚度、轮辐厚度、连接圆角等进行了确定，设计了10×20铝合金车轮，其结构示意图如图2所示。

1、轮辋结构、轮辐结构与接口尺寸

轮辋结构(包括轮辋轮廓型式、轮廓外形尺寸)、轮辐结构(包括轮辐轮廓型式、轮廓内形尺寸)、接口尺寸(包括气门嘴位置、尺寸；螺栓连接孔位置、数量、尺寸等)与钢制车轮一致；

2、轮辋厚度、轮辐厚度

钢制车轮用Q235材料，取其满足使用要求的性能指标最小值，极限抗拉强度R_m、屈服强度R_p0.2、断后伸长率A_k分别按375MPa、235MPa、20％计算；

铝合金车轮选用的7A04材料，取其性能指标可以达到的最小值，极限抗拉强度R_m、屈服强度R_p0.2、断后伸长率A_k分别按540MPa、480MPa、10％计算；

轮辋厚度：

t_{1}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{1} \times k_{1} = \frac{(375 + 235) \times 0.2}{(540 + 480) \times 0.1} \times 9.0 \times (1.03 ~ 1.10) = 11.08 ~ 11.62

对该铝合金车轮，轮辋厚度取为11.5mm。

轮辐厚度：

t_{2}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{2} = \frac{(375 + 235) \times 0.2}{(540 + 480) \times 0.1} \times 12.0 \times (1.03 ~ 1.10) = 14.78 ~ 15.80

对该铝合金车轮，轮辐厚度取为15.0mm。

3、连接圆角半径

轮辐与轮辋连接处设置为圆角，轮辐外侧连接处圆角半径取为R10，轮辐内侧连接处圆角半径取为R20；挡圈锁圈槽根部与口部、轮缘口部设置为圆角，挡圈锁圈槽根部圆角半径取为R2，挡圈锁圈槽口部圆角半径取为R3，轮缘口部圆角取为R1.5。

实施例2：

图3为9.0-22.5深槽型钢制车轮结构示意图，该车轮为轮辋、轮辐分体式焊接结构，材料为Q235钢，轮辋壁厚t₁＝7mm，轮辐厚度t₂＝14mm，设计静载荷F_j＝3760Kg，F_d＝3760×5Kg，Q235钢力学性能如上。

对铝合金车轮，材料选择为7A04铝合金，其性能如上。

根据上述设计方法，对轮辋结构、轮辐结构、接口尺寸、轮辋厚度、轮辐厚度、连接圆角等进行了确定，设计了9.0×22.5铝合金车轮，其结构示意图如图4所示。

1、轮辋结构、轮辐结构与接口尺寸

2、轮辋厚度、轮辐厚度

轮辋厚度：

t_{1}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{1} \times k_{1} = \frac{(375 + 235) \times 0.2}{(540 + 480) \times 0.1} \times 7.0 \times (1.03 ~ 1.10) = 8.62 ~ 9.2

对该铝合金车轮，轮辋厚度取为9.0mm。

轮辐厚度：

t_{2}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{2} = \frac{(375 + 235) \times 0.2}{(540 + 480) \times 0.1} \times 14.0 \times (1.03 ~ 1.10) = 17.25 ~ 18.42

对该铝合金车轮，轮辐厚度取为18.0mm。

3、连接圆角半径

轮辐与轮辋连接处设置为圆角，轮辐外侧连接处圆角半径取为R10，轮辐内侧连接处圆角半径取为R15，轮缘口部设置为圆角，圆角半径取为R2。

Claims

1.一种重型车辆用铝合金车轮，为轮辋、轮辐一体式结构，所述轮辋、轮辐与轮胎接口的尺寸，按照现行轮胎标准、轮辋标准、气门嘴标准和轮辐在轮毂上安装标准确定尺寸范围；其特征是：该铝合金车轮的轮辋厚度、轮辐厚度、轮辐与轮辋连接圆角的尺寸范围的确定为：

(1)、所述铝合金车轮的轮辋厚度、轮辐厚度，比对钢制车轮的轮辋厚度、轮辐厚度，根据等效静力韧度相等准则进行确定；

铝合金车轮轮辋厚度：

t_{1}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{1} \times k_{1}

铝合金车轮轮辐厚度：

t_{2}^{'} = \frac{(R_{m} + R_{p 0.2}) A_{k}}{(R_{m}^{'} + R_{p 0.2}^{'}) A_{k}^{'}} \times t_{2} \times k_{2}

t₁、t₂分别为钢制车轮轮辋厚度、轮辐厚度；R_m、R_p0.2、A_k分别为钢制车轮用材料的极限抗拉强度、屈服强度、断后伸长率，取其满足使用要求的性能指标最小值；k₁、k₂分别为铝合金车轮轮辋厚度、轮辐厚度修正系数，取为1.03～1.10；

(2)、所述的铝合金车轮连接圆角的确定：轮辐与轮辋连接处设置为圆角，圆角半径取为R10～R30；挡圈锁圈槽根部与口部、轮缘口部设置为圆角，圆角半径取为R2～R5。