專利名稱：低壓鑄造鋁合金汽車車輪的輕量化方法
技術領域：
本發明涉及一種低壓鑄造鋁合金汽車車輪輕量化的方法，該方法集成了鋁合金車 輪應力分析和鋁合金車輪輪輞掏料技術，屬于汽車配件制造領域。
背景技術：
汽車鋁合金車輪是汽車行駛過程中最主要的安全件之一，承載著車輛的垂直負 荷、橫向力、驅動扭矩和行駛過程中產生的各種應力。作為高速回轉運動的零部件，要 求具有極高的強度、彈性和耐疲勞性，因而具有極高的安全性和可靠性的要求。但隨著 有色金屬價格的飛漲，世界各國對汽車節能、環保要求的日趨嚴格，作為汽車重要部件 的鋁合金車輪在滿足力學性能前提下的輕量化要求也越來越高，各車輪制造廠家都在不 斷探索各種輕量化的途徑。
實現輕量化的方法原理有兩類， 一類是優化設計汽車車輪的結構，如采用減薄輪 輻的厚度，但鋁車輪輪型設計為汽車主機廠所規定，汽車配件廠一，般都是根據訂單來生 產，無權對汽車車輪的造型變更；第二類是采用不同的工藝提高汽車車輪用鋁合金性能， 在滿足力學性能的前提下，實現汽車車輪的輕量化。第二類方法為廣大汽車配件廠所采 用，為提高鋁合金汽車車輪的力學性能，工藝上有采用鍛造方法和半固態擠壓方法，該 工藝方法通過改變組織的流線，從而大幅提高鋁合金的力學性能，鋁合金車輪和輪輻的 厚壁可減少，從而減輕了鋁合金車輪的重量。其中鍛造工藝利用大噸位熱模鍛設備鍛造 出鋁合金車輪，提高了合金內部組織的致密性，可以減薄鋁車輪的輪輞和輪輻；但一套 鍛壓設備一般投資都在一億元左右，制造成本太髙，因而沒有規模化應用的前景；半固 態工藝生產鋁合金車輪的工藝目前還在研制當中，尚未應用于實際生產。目前鋁合金車 輪廣泛采用低壓鑄造法方法生產，其熔煉工藝、選用的材料和模具設計的成熟度高，生 產的車輪的力學性能很難再提高，難以進一步從工藝本身輕量化低壓鑄造鋁合金車輪。

發明內容
本發明的目的是提供一種汽車用鋁合金車輪的應力分析和鋁合金車輪輪輞掬料的 方法和技術的集成，該方法通過模擬鋁車輪的性能測試后生成的應力分布圖確定其最小 應力分布區域，也即是力學性能過剰區域。根據應力分布圖分析看出該性能過剩區域一 般在位于輪輻相對應的輪輞部位，確定具體的輪輞位置、掏料大小和數量，在滿足鋁車 輪力學性能要求前提下實現鋁合金車輪的輕量化。本發明具體的技術路線運用工程軟件，如PRO/ENGINEER、 UG等，進行汽車車輪的幾何造型，并進行有 限元單元格的劃分設計，在PRO/ENGINEER中，可選擇軟件的自動網格劃分。生成合理的應力分析方案根據汽車鋁合金材料的屬性要求，輸入材料屬性，選擇 各向同性和線彈性的。在參數設置中根據原材料為鋁合金的性質，設置彈性模量E: 70e09N/mm2，密度p: 2700 kg/m3,泊松比s: 0_3。在性能試驗前對鋁合金車輪的所有 螺栓孔進行固定。根據汽車鋁車輪力學性能要求，確定性能測試載荷受力為4900N-7497 N。點擊運行，經PRO/ENGINEER軟件得到車輪應力分布狀況圖，在圖2和圖4中以 深色部分表示最小應力分布區域，淺色部分為應力較大區域。優化輪輞掏料技術根據鋁合金車輪完成性能測試后生成的應力分布圖可以看出相 對應輪輻的輪輞部位是應力最小區域，即強度過剰區域，因此可減薄其厚度。根據鋁車 輪力學性能要求，確保輪輞與輪輻的最小距離是6mm-9mm，然后通過偏移和倒角，形 成封閉區域，得到掏料大小為3X 10X 15mm-10X 12X 18mm,掏料數量與輪輻數量一致。在輪輞掏料完成后，輸入相同的約束條件和載荷測試條件，重復進行性能模擬，得 到掏料后的應力分布圖，從圖3和圖5可以看出輪輞掏料后的顏色有深色過渡到淺色， 但沒有達到白色，表明該處理強度沒有超過鋁合金的要求的極限強度240mpa，可以掏料。為了對本發明作更詳細的描述，現結合實例與圖解說明如下

圖1、典型的鋁車輪造型設計圖。圖2、 18X7.5 (輪輻5個)鋁車輪輸入約束和載荷條件后的應力分布圖。 圖3、 18X7.5輪型完成輪輞掏料后的應力分布圖。圖4、 22X9.5 (輪輻10個)鋁車輪輸入約束和載荷條件后的應力分布圖。 圖5、 22X9.5輪型完成輪輞掏料后生成的應力分布圖。 具體的實施方法實施例h汽車鋁合金車輪18X7.5,輪輻為5個，螺栓孔數量5個，嫘栓孔直徑 100mm， (18X7.5即鋁車輪的直徑是18英寸，輪輞的寬度為7.5英寸)，在 PRO/ENGINEER軟件中，運用點、線、曲面、旋轉、裁剪等命令完成18X7.5車輪的造 型設計圖，所完成的車輪的主要部位如圖1所示其中①為輪輻，②為輪輞。使用該軟件 中的GreatMesh命令，完成車輪的自動網格劃分，點擊下一步輸入材料屬性，選擇各向 同性和線彈性，參數設置中根據原材料為鋁合金的性質輸入彈性模量為E: 70e09N/mm2， 密度p: 2700 kg/m3,泊松比e: 0.3。根據車輪性能測試要求將車輪的5個螺栓孔進行 固定，按照該車輪嫘栓孔的數量和直徑，根據鋁車輪的力學性能要求，設置最大載荷為4鄰0N，并點擊運行完成模擬性能測試。根據軟件自動生成的應力分布圖可以看出應力
從輪輞邊緣部位到內部逐漸減小，見圖2中(1):深色部位是應力最小區域即是強度儲備
很大區域；(2戰色為應力較大的區域。確定對應輪輻的輪輞部位應力最小區域即可減薄 設計，根據車輪力學性能要求確定輪輞與輪輻的最小距離為6mm，通過偏移和倒角， 形成封閉的區域，確定掏料的大小為10X12X18mm，截面積為梯形，因與輪輻相對應 的輪輞部分都是應力最小區域，因此選擇掏料數量為5個 在掏料完成后輸入該輪型相 同的材料屬性和載荷4900N，重新進行模擬測試并生成新的應力分布圖，圖3可以看出 掏料處的顏色由深色逐漸過渡到淺色，其中U)為輪輞掏料部位，(2)為應力最大區域，但 該區域沒有達到白色，表明該處的強度沒有超過鋁合金車輪極限強度240mpa，因此對 輪輞掏料對于車輪的力學性能沒有影響。
對輪輞掏料后，18X7.5的車輪重量為12.3 kg,未掏料前車輪的重量為13 kg，重量減輕 了 5.38%。 -
實施例2:汽車鋁合金車輪輪型22X9.5 (鋁車輪的直徑是22英寸，輪輞的寬度為 9_5英寸)，輪輻為10個，蟝栓孔數量6個，螺栓孔直徑B9.7mm，在PRO/ENGINEER 軟件中，運用點、線、曲面、旋轉、裁剪命令自動生成22X9.5車輪的幾何造型圖形。 使用該軟件中的GreatMesh命令,完成車輪的自動網格劃分，點擊下一步輸入材料屬性， 選擇各向同性和線彈性，在參數設置中根據原材料為鋁合金的性質輸入彈性模量為E: 70e09N/mm2，密度p: 2700 kg/m3，泊松比e: 0.3。根據車輪性能測試要求將車輪的6 個螺栓孔進行面定，按照該車輪螺栓孔直徑139.7mm和鋁車輪的力學性能要求，設置 最大載荷為7497N,把該數據輸入軟件中點擊完成模擬性能測試。根據軟件自動生成的
應力分布圖可以看出應力從輪輞邊緣部位到內部逐漸減小，見圖4中(1):深色部位是應 力最小也是強度儲備很大區域；(2)淺色部位為應力較大的區域。確定相應輪輻的輪輞部
位應力最小區域可減薄設計，根據鋁車輪力學性能要求確定輪輞與輪輻的最小距離為 9mm，通過偏移和倒角，形成封閉的區域，確定掏料的大小為3X10X15mm，截面積 為梯形，因與輪輻相對應的輪輞部分都是應力最小區域，因此選擇掏料數量為10個。 在掏料完成后輸入該輪型相同的載荷4卯0N，重新進行模擬測試并生成新的應力分布 圖，從圖5可以看出掏料處的顏色由深色逐漸過渡到淺色，其中(l)為輪輞掏料部位，(2) 為應力最大區域，但該區域沒有達到白色，表明該處的強度沒有超過鋁合金車輪極限強 度240mpa，仍然能滿足力學性能要求，因此對輪輞掏料對力學性能沒有影響。 對輪輞掏料后，22X9.5的車輪重量為19 kg，未掏料前車輪的重量為20 kg，重量減輕 了 5%。
權利要求
1. 一種低壓鑄造鋁合金汽車車輪輕量化的方法，其特征在于綜合汽車鋁車輪的應力分析和掏料技術，在不改變鋁合金車輪現有輪型和結構，保證鋁合金車輪的使用性能和安全的條件下，在鋁合金車輪局部結構上去除超力學性能要求部分，減輕低壓鑄造鋁合金汽車車輪的重量。
2、 根據權利要求書1所述的鋁合金汽車車輪的應力分析，其特征在f 運用工程軟件，完成鋁車輪的幾何造型。將車輪模型進行有限單元劃分。 輸入鋁車輪性能測試條件即材料屬性彈性模量E: 70e09N/mm2，密度p: 2700 kg/m3，泊松比￡: 0.3。并根據車輪螺栓孔數量對5-10個螺栓孔進行固 定。輸入500 kg-765紐測試載荷進行性能試驗以形成鋁車輪應力分布圖。
3、 根據權利要求書1所述的鋁合金輪輞掏料技術從應力分布圖可以 確定在與輪輻相對應的輪輞部份應力最小，根據鋁車輪力學性能的要求計 算出掏料體積為3X10X15鵬至10X12X18咖，掏料數量為5-10個，與輪 輻數量一致。掏料完成后輸入以上相同測驗條件和載荷重新形成新的應力 分布圖，以確定實施掏料輕量化后，仍然能滿足鋁車輪的性能要求。
全文摘要
本發明是提供一種汽車鋁合金車輪的應力分析方法和鋁合金車輪的輪輞掏料集成技術。該方法是運用工程軟件生成鋁車輪的幾何造型，并輸入鋁車輪要求的材料屬性即彈性模量E70e09N/mm²，密度ρ2700kg/m³，泊松比ε0.3；測試條件500kg-765kg；并對車輪螺栓孔進行固定，進行力學性能模擬試驗，根據生成的應力分布圖確定最小應力分布區域即力學性能過剩區域實施掏料。該最小應力分布區域一般在與輪輻相對應的輪輞部位，根據鋁車輪力學性能要求計算出掏料的體積為3×10×15mm～10×12×18mm的，掏料數量為5-10個。再次輸入相同條件進行相同的力學性能試驗，以確定在達到確保鋁車輪力學性能要求下最佳輕量化的方案。該方法大大降低了原材料的使用，具有工藝簡單、成本低，滿足規模化生產等優點，是實現汽車鋁合金車輪生產和應用的新技術。
文檔編號G06F17/50GK101239562SQ20071002005
公開日2008年8月13日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者孔祥建, 萍 李, 李光宇, 管建國, 胡因行 申請人:江蘇凱特汽車部件有限公司