CN1167666A - 提高轻金属制车轮的强度使之轻量化的方法及这种车轮 - Google Patents

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本发明提供一种提高车辆用轻合金车轮的疲劳强度，减小其壁厚，达到车轮轻量化，同时得到光泽的表面的加工方法及轻量的车轮。将轻合金制的车轮和比重较大的钢或不锈钢制的球状及/或将角部圆角处理了的异形状介质放入滚筒内，给予强烈的振动，使介质在车轮表面拍打，以形成硬化层，同时得到近似于镜面的光滑的光泽表面。

Description

提高轻金属制车轮的强度使 之轻量化的方法及这种车轮
本发明涉及的是车辆用轻合金车轮的轻量化方法和这种车轮。
由于减轻车辆弹簧以下的重量，在燃费和提高行驶的稳定性及外观上存在着优越性，所以近几年来，特别在小轿车、大型客车、卡车中应用铝合金、镁合金的车轮多了起来。但是，在现有的技术中，轻量化是有限度的。进行更轻量加工时，会担心出现耐久性、即疲劳强度和刚性恶化的现象。另外，车轮表面带有设计方面的视野可见的光泽和光亮性，一般情况下是受欢迎的。为了满足这种愿望，现在采用的是镀铬或抛光研磨技术。但在长期使用时，会出现电镀层剥离和加工过程的影响造成的母材疲劳强度恶化等现象，这是其缺点。而且，抛光研磨时必须有研磨加工的大型设备和需要较长的时间，作业环境中会产生粉尘等，也是存在的问题。众所周知，现有的提高疲劳强度的方法是：喷射硬化法、栅极放射法、高压液体珩磨法等。但是，若是复杂设计的轿车车轮时会出现喷射和栅极投射不到的阴性部分，就不可能依靠全面地匀匀地使表面硬化来施加压缩残留应力。还有，电镀法加工的过程，同时会使车轮表面的研磨量增多，引起车轮自身变瘦的现象，表面硬化层限制在0.1～0.2的范围。大幅度地轻量化是不能实现的，所以期待着车轮表面整体均匀硬化的新型方法。
本发明想要解决的问题是：在前述部件的整个面上，赋予足够的疲劳强度和刚性，并同时提高前述部件的光泽和光亮性。
将成形后，或者机械加工工程几乎结束或已经结束阶段的车辆用轻合金的一体式或组合式的车轮的圆盘及轮圈等部件(以下称部件)置于介质里，使该部件与介质振动，依靠这种振动使介质在前述部件表面拍打，求得前述部件全面地提高疲劳强度，以此减轻前述部件的厚度。
再有，前述的介质由钢或不锈钢等比重较大的金属，或者金属与其它物质的混合物或化合物、或者陶瓷等构成。它的形状呈球形或角被处理成带点圆形的异形状。它的大小在2～10mm的范围。再有，这些介质中有部分带有凸形结构，以此使介质及部件的自转和滚筒内介质的循环呈良好的状态，能对前述部件的设计或设计中产生的小的曲面有效地作用。
进一步，取前述介质足够覆盖前述部件的量，放满在滚筒里，并在滚筒里添加研磨及/或光泽用的抛光剂和水，使滚筒振动。并将此振动传到介质和前述部件上。这样能够提高前述部件的疲劳强度和表面的光泽度。
采用上述的方法，可以得到更轻量化的铝、镁等材料的轻合金的车辆用车轮。
图1为振动套筒装置的简略断面图。
图2为试验车轮的断面图。
图3为试验车轮的正面图。
图4为耐久试验机的侧面图。
图5为轮圈刚性试验用的万能试验机的侧面图。
图6为轮圈刚性试验用的万能试验机的正面图。
图7为轮圈变形试验中，负荷间隔状态的示意图。
图1的a图是本发明用的振动滚筒装置7的简略断面图。滚筒1的断面呈U字型，有规定的深度，形成了槽。内侧上贴有橡胶片。在滚筒1内放入介质3，要准备能使车轮2足够覆盖的量。另外在套筒1上设置了一对转动轴6和6-1，分别在轴上配置不对称的重量。这个转动轴与底座上设置的发动机的转动轴通过万向接头连结并被驱动，所以能将振动传到滚筒1。滚筒1能自由地振动，通过弹簧4固定在底座5上。
在滚筒1内放入的介质3是钢制的。大小在2-10mm的范围。由图1中图b所示的球状与图c所示的凸起状的介质混合组成。容积比为8比2。这种比例和材质及大小，应根据部件的形状、大小，设计情况以及设计中出现的凹凸部位的最小半径来决定。凸起球状可以促使介质3整体的循环性和车轮2及介质3自身的自转，与介质无遗漏地接触。另外，介质3的量最好是能不断地覆盖车轮2整体的足够的量。本例中使用的是钢的介质，根据部件的材质，也可以使用不锈钢的介质。
使前面出现的转动轴6和6-1，以每分钟1000至2000的转速运转，使滚筒振动。其振幅调至平均1至5mm，使内部介质振动。另外，为了给予车轮表面光泽和光亮度，每升介质中加入10至30g的抛光剂及水，如图1所示的位置，将车轮埋没。本例中的车轮是一体型的铝制车轮。运转中的车轮2的整个面不断地被介质覆盖，介质向箭头B的方向循环，车轮也进行自转。这里面的介质随着振动的频率拍打车轮的表面。车轮在上述状态下处理15至30分钟。将车轮取出后洗净，就可以得到整个面上没有不均匀光泽的硬质的表面。若一定时间后，使滚筒的振动方向(图1箭头A)反向进行，并且使车轮的自转也反向进行，可以得到更加均匀的加工效果。
这里详细叙述一下处理锻造轻合金车轮的例子。表1所示的是含有化学成分的锻造铝合金DIN规格AlMgSil的相当品(JIS6000系列)和铸造用铝合金DIN规格AlSi7Mg相当品(JISAC4CH系列)试验用车轮采用的是以上材料的锻造及铸造车轮，其尺寸是16寸径×7寸宽。
表1
    材质   Si   Fe   Cu   Mn  Mg   Zn  Ti
锻造用DIN，AlMgSil  1.10  0.20  0.03  0.80  0.75  0.15  0.10
铸造用DIN，AlSi7Mg  7.00  0.15  0.03  0.04  0.04  0.06  0.15
图2表示的是试验车轮10的断面图。图3是正面形状。11是圆盘的幅条，12是轮毂部分13，是外侧轮辋的胎圈座部分，14是内侧轮辋的轮辋槽部分，15是内侧轮辋的胎圈座部分。T1是外侧轮辋的胎圈座厚度，T2是内侧轮辋的轮辋槽的厚度，T3是内侧轮辋的胎圈座厚度。H表示的是圆盘部幅条的最大高度。另外，图3的正面图里表示着幅条11的厚度t。锻造车轮与铸造车轮存在着差异。铸造车轮与锻造车轮相比，尺寸t全部厚1.5mm。图3表示的是锻造车轮的一侧。
表2
  材质/制造方法     试验用车轮  Hmm  T1mm  T2mm  T3mm 重量(kg)
  锻造法(AlMgSil) A(现有的喷射钢粒方法的加工品) 25.0  4.2  3.2  4.2  6.9
B(本发明的表面加工品) 22.5  3.6  2.7  3.6  6.3
  铸造法(AlSi7Mg) C(现有的喷射钢粒方法的加工品) 28.0  4.9  4.5  4.9  8.3
D(本发明的表面加工品) 26.0  4.2  3.7  4.2  7.6
表2中表示出了四种类型车轮的与车轮重量密切相关部分的尺寸及各自的重量。这四种类型是为试验强度和刚性而制造的。A、B为锻造车轮，  C、D为铸造车轮。该表中的符号H、T1、T2、T3与图2所示的符号完全一致。类型A是用铝合金锻造的，机械加工后，用现有的喷射钢粒的方法进行了加工，各部分尺寸如表2所示。类型B是用同样方法锻造的，但与类型A相比，为了减轻重量，幅条的高度H和轮辋的厚度都减小了。与类号A相比，重量轻了0.6kg(约为8.7％)。类型C是用铝合金铸造的，制造后用现有的方法，进行了喷射钢粒加工。类型D也是同样方法铸造的，与类型C相比，幅条的高度和轮辋的厚度都减小了，并且轻0.7kg(约8.4％)，利用本发明进行了表面处理。本发明的处理条件如下所示。
介质：3.2mm直径的钢球和3.2mm直径带凸型的钢球(钢球的重量百分比为20％)
滚筒容积：0.4m3
滚筒振动数：1500次/分
滚筒振幅：3.0mm
抛光剂：铝用光泽剂8kg
水：约60升
加工时间：30分钟
上述加工后的车轮B和D的外观上，得到了与机械加工面镀铬后明亮度相近的光泽面。锻造及铸连的表面变得光滑、亮度增加。特别是锻造的车轮，虽不如镀铬的，但可得到雅致的光泽，得到设计上极为有效的表面。而且，根据本发明的经验，尤其是关于铸造的车轮，如果在本发明的加工前，对铸造表面轻度抛光研磨的话，能得到与锻造车轮相似的优雅的光泽。
下面，对四种类型的试验车轮A、B、C、D进行了弯曲耐久性试验。耐久试验机20的简略图用侧面图表示在图4上。21是试验车轮，22是旋转圆盘，23是金属固定件，24是负荷柄，25是载荷。对4种类型试验车轮的弯曲转矩规定为3400Nm，表3中表示了开始发生裂痕时的旋转数。
表3
    试验车轮 初期裂痕的转数(耐久旋转数)
A(锻造，现有加工产品)B(锻造，本发明的加工产品)C(铸造，现有加工产品)D(铸造，本发明的加工产品)     3.8×1053.5×1052.9×1053.2×105
VIA(日本车辆检测协会)规定，试验车轮在额定载荷690kg时，耐久旋转数为100,000，上述的4种类型试验车轮都超过了规定值。用本发明加工的试验车轮B和D同是厚度变薄，使之轻量化，而且耐久旋转数也不比现有加工产品逊色。
进一步对上述4种类型试验车轮的轮辋刚性进行了试验。轮辋刚性试验机如图5所示，采用万能试验机30进行的。31是万能试验机的十字头，32是万能试验机的台子，33是车轮安装构件，34是十字头31上装配的V型构件，35是安装在试验车轮上的轮胎，36是试验车轮，37是度盘式指示器，用来测定车轮的变形量。分别在负荷作用的外侧轮辋上设置G1，内侧轮辋的轮辋槽处设置G3，内侧轮辋凸起部设置G2，负荷反作用的内侧轮辋部设置G4。在以上4个地方测定变形量。另外，图6是图5万能试验机上设置车轮的状态下，从车轮侧面看到的正面图。符号的名称与图5相同，故省略了。
首先，将轮胎的空气压力调至196kpa(约2kg/cm2)如图7所示，在前述的万能试验机上，以30秒的间隔，每次加2450N(约250kg)的负荷，通过V型构件34与轮胎35，使加给试验车轮36的负荷最大达到24.5KIV(约2500kg)，各负荷点上试验车轮的变形量是用图5所示的度盘式指示器37(G1G2G3G4)测定的。4种类型的试验车轮在同样条件下进行了这种刚性试验。度盘式指示器37的指示量即变形量(单位mm)表示在表4中。
表4
负荷KN               试验车轮A(锻造、现有加工品)           试验车轮B(锻造、本发明的加工品)           试验车轮C(铸造、现有加工品)            试验车轮D(铸造、本发明的加工品)
  G1      G2    G3     G4   G1      G2    G3      G4   G1     G2      G3    G4   G1      G2     G3    G4
  2.454.907.359.8012.2514.7017.1519.6022.0524.50   0.02    0.26    0.15    0.010.06    0.54    0.28    0.020.10    0.84    0.42    0.030.14    1.15    0.56    0.030.18    1.47    0.82    0.070.22    1.95    1.05    0.150.27    2.41    1.27    0.200.31    2.85    1.49    0.250.35    3.28    1.70    0.300.40    3.71    1.90    0.35   0.02    0.27    0.15    0.010.06    0.56    0.28    0.020.11    0.86    0.44    0.030.15    1.16    0.60    0.040.19    1.50    0.88    0.110.23    2.00    1.07    0.160.29    2.46    1.30    0.220.32    2.86    1.51    0.260.36    3.40    1.80    0.310.41    3.74    2.05    0.37   0.02    0.21    0.10     -0.05    0.40    0.02    0.010.09    0.65    0.35    0.020.13    0.98    0.56    0.030.16    1.38    0.70    0.070.19    1.75    0.90    0.120.23    2.25    1.12    0.170.27    2.70    1.34    0.240.31    3.11    1.56    0.290.35    3.55    1.78    0.34   0.02    0.22    0.11   0.010.05    0.41    0.21   0.010.10    0.66    0.36   0.020.14    1.02    0.60   0.040.17    1.41    0.72   0.080.21    1.80    0.94   0.140.25    2.31    1.15   0.200.30    2.80    1.38   0.270.34    3.21    1.60   0.300.38    3.70    1.82   0.36
表5
          车轮类型   变形量(mm)     差(mm)
试验车轮A 锻造车轮现有的喷射钢粒法加工品     3.71 0.03
试验车轮B 锻造车轮本发明的表面加工品     3.74
试验车轮C 铸造车轮现有的喷射钢粒法加工品     3.65 0.05
试验车轮D 铸造车轮本发明的表面加工品     3.70
从试验结果可以看到变形量最大的负荷点是内侧轮辋的凸起部分(G2)。度盘式指示器G2所示的各试验车轮的变形量如表5所示。从这个试验结果可以判定：采用本发明的加工方法，不仅可以使幅条和轮辋比现有产品厚度变薄，减轻约8.4％至8.7％，而且车轮的刚性几乎没有变化，其理由是：采用本发明的加工方法，是在滚筒内通过介质的拍打作用，车轮整个面上产生了均匀的加工硬化层。因而，若利用上述的方法，也可以使组合式车轮的幅条和轮辋厚度减小，从而可以作到轻量化。
如上所述，若采用本发明的方法，能够提高轻合金部件的疲劳强度，所以，即使部件的厚度减小，其性能也不消减，能够作到轻量化。因此，可以在改善车辆的燃料效率和行驶稳定的特性方面带来很大的效果，并且在设计面上能得到明亮的光泽，可以提高商品的价值。

Claims (4)

1.车辆用轻合金车轮轻量化的方法，这种方法是将成型后，或者加工工程几乎结束或已经结束阶段的车辆用轻合金制的一体式或组合式车轮的圆盘及轮辋等部件(以下称部件)置于介质里，使该部件与介质振动，依靠这种振动使介质在前述部件表面拍打，以此谋求提高前述部件的疲劳强度，从而可减小前述部件的壁厚，达到轻量化。
2.如权利要求1记载的车轮轻量化的方法，其特征是：前述的介质由钢或不锈钢等比重较大的金属，或者金属与其它物质的混合物或化合物，或者陶瓷等构成，其形状呈球形或角部圆滑处理后的异形状，其大小在2至10mm的范围。
3.如权利要求1或2所述的车轮轻量化的方法，其特征是，将能充分履盖前述部件的量的前述介质填满滚筒，在该滚筒内添加用于研磨及/或提高光泽的抛光剂和水，使滚筒振动，将振动传递到介质及前述部件上，以此提高前述部件的疲劳强度和提高表面的光泽度。
4.采用权利要求1至3中任一项所述的方法制造的铝镁等素材的车辆用轻合金制车轮。
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