镁合金电动车轮毂的研究与开发

哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）硕士学位论文 论文题目： 镁合金电动车轮毂的研究与开发作者姓名 指导教师 学科专业 机械设计与理论所在学院 提交日期 二零零八年五月哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的学位证书而使用过的材料。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1、保密，在_年解密后适用本授权书。 2、不保密。 （请在以上相应方框内打“” ） 作者签名： 日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 镁合金电动车轮毂的研究与开发 镁合金电动车轮毂的研究与开发 摘 要 镁合金是现已知的最轻金属结构材料 ，随着能源短缺与环境污染问题的日趋严重，镁合金越来越受到各国的青睐。自 1990 年以来，美国、日本、德国、澳大利亚等国家相继出台了自己的镁合金研究计划，把镁合金列为 21 世纪研究与开发的重点项目。我国科技部也在“十五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁 合金开发应用和产业化”重大项目。本文基于该背景，提出了镁合金电动自行车轮毂的研究与开发课题。 本课题研究的内容是关于材料替代再 设计的问题，本文首先分析了产品材料替代再设计方法，归纳总 结了一个产品材料替代再设计的通用模型。基于该模型，分别从结构 设计、成形工艺及成品检测三方面研发镁合金电动自行车轮毂。 本文通过对轮毂的静负载荷和动态弯 曲疲劳试验有限元模拟，分析了六种轮毂结构改进方案。分析结 果表明，通过适当增大轮辐的整体宽度，可以有效降低轮毂的应力， 并且应力分布趋向均匀。根据该结论，重新设计轮毂结构，经分析该结构满足性能要求。 镁合金轮毂的成型工艺类型较多，但 多处于研究阶段。本文基于正交试验法和有限元法对其压铸成型 工艺进行模拟分析，采用极差法处理试验结果数据，得出内浇口截面 积对轮毂充型影响最大，其次是模具温度、充型速度、金属液温度和 直浇口直径。通过绘制因素水平趋势图，分析出一个较优的成型工艺方案 A1B2BC2D2E2。 根据动态弯曲疲劳试验标准，自行设计了一套轮毂性能测试装置，检验其疲劳强度。轮毂经过连续转动 10 次转后，采用着色渗透法对其 5哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）I 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 镁合金电动车轮毂的研究与开发 检验，结果显示无裂纹、断裂现象，满足标准规定的要求。 关键词：镁合金，轮毂，有限元分析，正交试验，弯曲疲劳试验 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）II 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 镁合金电动车轮毂的研究与开发 REARCH AND DEVOLPMENT ON MAGNESIUM ALLOY WHEELS OF ELECTRIC BICYCLES ABSTRACT En ergy cr isis and en vi ron ment al pro bl em have been m ore and m ore critical. As a result, magnesium alloy, the lightest structural metal m aterial kno wn, is at tracting much more att ent ions aro und the world . Since 1990, US, Japan, Germany，Australia etc. sequentially announced research p ro jects on magnesium alloy, which i s con sidered as the k ey subj ect of study an d research i n t he 21st cen tury. Chinas Ministry of Science also specially announced the significant projects, “Development, Application and Industrialization of Magnesium”, in the “10th Five- -Year Plan” national key science program. This paper proposed a developmental p rocess of magnesiu m alloy wh eels used for electric bicycl e based on this background.This paper mainly worked on redesigning of material sub stitution. Firstly, the redesign method of product material substitution is analyzed. Th en, a co mmo n m odel ab out thi s is pro po sed . Based o n th e m od el , t he research is carried ou t in th e three asp ects of stru cture desi gn and molding process and product test. Six i mproved p ro jects of wheel st ru cture are analyzed throug h t he F inite element simul ati on of its stat ic lo ad test and d ynamic ben ding fatigue test. The result shows that increasing the whole width of spoke 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）III 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 镁合金电动车轮毂的研究与开发 can decrease the stress of the wheel effectively and the stress tends to be sy mm et rical. Acco rdi ng th is resul t, a new wh eel i s desig ned an d t he capability of wheel is meet by analyzed. The method about molding process of magnesium alloy wheel is many. But man y of them present in researching. Based o n orthogo nal tests and FEM, die-casting process is simulated. Through detailing with the data, using the method of cascade deviation, the result is gotten that the mo st sig nifican t factor in d ie-castin g process is the cross-section area of inlet, next is mould temperatur e, mold filling velocity, melt temperature and diameter of vertical path. Th roug h d rawing facto r ho rizon tal tend en cy chart , an ex cel lent sch eme of A1B2BC2D2E2 i s co nclu ded. An apparatu s is designed to test the fatig ue o f wheel based on the dynamic bending fatigue test. dye penetration inspection. There ar e no split s or breaks foun d o n t he surface b y checked with dye penetration inspection. The wh eel meets the standard. KEY WORDS: magnesium alloy, wheel, finite element analysis, orthogonal experiment, dynamic bending fatigue test 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）IV 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 镁合金电动车轮毂的研究与开发 目 录 摘 要 . I ABSTRACT . III 目 录 . V 第一章 绪论 . . 1 1.1 研究的背景 . . 1 1.2 镁合金在车辆轻量化中的应用现状 . 2 1.3 镁合金轮毂的研究现状 . . 2 1.3.1 镁合金轮毂的发展与应用现状 . 2 1.3.2 镁合金轮毂结构设计研究现状 . 4 1.3.3 镁合金轮毂的成形工艺研究现状 . 5 1.4 研究目的及意义 . . 7 1.5 研究内容和框架 . . 7 1.6 本章小结 . . 8 第二章 轮毂的镁合金材料替代再设计模型 . 9 2.1 产品的材料替代再设计方法 . 9 2.2 轮毂的镁合金材料替代再设计模型 . 10 2.3 本章小结 . . 12 第三章 镁合金电动车轮毂结构设计 . 13 3.1 轮毂结构设计 . . 13 3.1.1 镁合金材料性能分析 . 14 3.1.2 轮毂功能分析 . . 14 3.2 有限元理论在轮毂材料替代设计中的应用 . 15 3.2.1 有限元基本原理 . . 16 3.2.2 Von Mises 屈服准则 . 18 3.3 轮毂抗疲劳设计准则 . . 19 3.4 轮毂静负载荷试验模拟 . . 20 3.4.1 轮毂静负载荷试验标准 . 20 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）V 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 镁合金电动车轮毂的研究与开发 3.4.2 轮毂静负载荷有限元模拟 . 20 3.4.3 轮毂有限元分析结果 . 22 3.4.4 结论 . . 25 3.5 轮毂动态弯曲疲劳试验模拟 . 25 3.5.1 轮毂动态弯曲疲劳试验标准 . 25 3.5.2 轮毂动态弯曲疲劳试验有限元分析 . 27 3.5.3 轮毂有限元分析结果 . 28 3.5.4 结论 . . 31 3.6 轮毂结构再设计 . . 31 3.7 本章小结 . . 35 第四章 镁合金电动车轮毂的成型工艺分析及优化 . 36 4.1 镁合金轮毂压铸成型工艺存在的问题 . 36 4.2 轮毂的压铸成型工艺及优化 . 37 4.2.1 正交试验设计方法 . 37 4.2.2 轮毂成型工艺优化方案的确立 . 38 4.2.3 轮毂压铸成型模拟分析及结果 . 39 4.2.4 压铸成型工艺参数优化 . 41 4.2.5 结论 . . 43 4.3 本章小结 . . 44 第五章 镁合金电动车轮毂疲劳试验 . 46 5.1 动态弯曲疲劳性试验台架设计 . 46 5.2 轮毂动态弯曲疲劳性能检测 . 47 5.3 本章小结 . . 48 第六章 总结与展望 . . 49 6.1 本文总结 . . 49 6.2 今后工作的展望 . . 50 参考文献 . . 51 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）VI 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 第一章 绪论 1.1 研究的背景 近年来，随着能源短缺和环境污染问题的突出，轻量化越来越成为世界各国车辆发展的趋势。据有关资料显示：汽车的一般部件质量每减轻 1%，可节油 1%；运动部件每减轻 1%，可节油 2% ，而每节省 1L 燃料可减少 CO2 排放 215g 。所以车辆轻量化发展是时代发展的一个必然趋势。另一方，随着车辆需求的不断增多，车辆所需的金属材料如钢铁、铝等也与日俱增，据统计，全球铁、铝等资源的储藏量只够使用 100300 年，而在我国，铁的储藏量不丰富，铝土矿的品质又不高，所以寻求一种新的替代材料，成了刻不容缓的事情 。 镁合金，现已知的最轻金属结构材料，由于其众多优点，逐渐成为车辆轻量化发展中的主要研究对象。与钢、铝相比，镁合金具有如下优越特性 ： 镁合金密度小，只及钢铁的 1/4，铝合金的 2/3，应用于车辆零部件上能有效降低重量，节省能源。 比强度很大，略低于比强度最高的纤维增强材料。比刚度与铝合金、钢铁基本持平，远高于工程塑料。 阻尼性能好，吸震能力强，具有极佳的减震性，其减震性能比铝高 30 倍，比钢高近 60 倍，用在车辆车上可提高安全性和舒适性。 导热性好，稍逊色于一般铝合金，是工程塑料的 300 倍，且温度依赖性低，可用于制造要求散热性能好的电子产品。 在惰性气体保护下，镁合金的机械加工性好(制粉、切割)，适合于压铸成型而且具有薄壁铸造性能，最薄可达 0.45mm。 镁合金线收缩率很小，尺寸稳定，不易因环境改变而改变(相对于工程材料)。 镁合金可全部回收利用，被誉为“21 世纪绿色金属结构材料” 。 另外，镁在地球上的储量非常丰富，约占地壳总重量的 2 ，而中国的镁资源储量更是位居世界首位，镁产量占约世界总产量的 70 。 基于这些优点，自 20 世纪 90 年代以来，各国都高度重视镁合金的研究开发，1 23-67-936哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）1哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 美国、日本、德国、澳大利亚等国把镁原料作为 21 世纪的重要战略资源，相继出台了各自的镁研究计划 。如美国和德国分别投入巨资执行“PNGV” 、 “MARDIC”计划，旨在推动镁合金在汽车工业中的开发应用，欧洲、日本等国家也都纷纷出台镁合金开发研究计划 。我国科技部也在“十五”国家科技攻关计划中特别提出了“镁合金开发应用与产业化”重大项目，推动镁合金产品在车辆上的应用 。 1.2 镁合金在车辆轻量化中的应用现状 据统计，到目前为止，汽车中已有 60 多个零部件采用了镁合金。其中仪表盘基座、座位框架、方向盘轴、发动机阀盖、变速箱壳、进气歧管、汽车车身等 7 个部件镁合金的使用率最高。就其使用部位性质的不同,可分为壳类和架类两类零件。壳类零件主要包括汽缸盖、离合器壳、变速器壳、滤油器壳、空气滤清器壳、分动器壳、增压器壳、灯罩等。架类零件包括方向盘、仪表盘、风扇架、挡泥板架、踏板托架、转向支架、刹车支架、灯托架、座椅架、轮毂等 。 北美是汽车用镁量最大的地区, 其次是欧洲、日本和韩国。在北美一些车型上, 镁合金用量大约为 5.826.3kg/辆, 美国通用、福特、克莱斯勒等三大汽车公司用镁量均呈逐年增长趋势。在欧洲一些车型上, 镁合金用量大约为 9.320.3kg/辆 。 在国内，上海汽车公司最早将镁合金应用在汽车上，目前桑塔纳轿车镁合金变速器外壳年用镁量达 2000t 以上。东风汽车公司开发的轿车用非承重镁合金零件有变速箱壳、离合器壳、变速箱盖等，其中镁合金变速箱壳体质量仅为 3.3kg，取代了 4.8kg 的铝合金壳体，年产量达到 6 万件。长安汽车公司生产的变速器、上下箱体延伸体和缸罩等 7 种零件已通过台架试验和道路试验，2004 年已大批量装车进入市场 。 1.3 镁合金轮毂的研究现状 1.3.1 镁合金轮毂的发展与应用现状 镁合金轮毂的 发展与应用比 较晚，较铝合 金轮毂晚了近 半个世纪。镁 合金轮毂最早的使用是在 1967 年，由英国奥斯汀(Austin) 汽车在 Mini Cooper 1275S 车上开10,11121314,1516-2012哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）2哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 始采用。随后德国保时捷（Porsche）的 911T 豪华车也于 1973 年首次应用镁合金轮毂。由于当时镁合金轮毂的加工技术不成熟、镁价格昂贵，易腐蚀等问题，在车辆上一直未得到普及，只是在赛车和少量高级车上使用 。近年来，出于能源、环保和汽车业内的竞争压力，以及原镁材料价格的下降、镁合金防腐工艺的提高以及镁合金成型工艺的改善，镁合金轮毂在汽车、摩托车、自行车等交通工具上的应用越来越广泛。 1.镁合金轮毂在汽车上的应用 近年来，镁合金轮毂开始逐渐得到开发，并应用于汽车当中。如福特汽车公司于 1998 年推出的轻质概念车 P2000 采用了 3.1Kg 的压铸镁合金轮毂，比钢板冲压轮毂轻 5Kg；日本轻金属株式会社用充氧压铸法成批生产了 AM60 镁合金汽车轮毂和摩托车轮 毂，重量减少 了 15；意 大利的菲亚特 (Fiat)和美国的道 屋(DOW)公司合作，选用 AM60A 合金生产出了压铸镁合金车轮，可满足使用要求；美国通用汽车公司研制的 AM60B 镁合金压铸车轮，在轮胎被扎穿后仍能以不高于 48km/h 的速度行驶，汽车不受损害。其它还有德国的 BBS 公司、英国的 DYMAG 公司、意大利的 GRIMECAM 公司等都有生产应用于轿车的镁合金轮毂 。表 1-1 显示了采用镁合金轮毂的部分汽车公司及其车型 。 表 1-1 镁合金轮毂的应用在摩托车行业 ，将近九成的 赛车用摩托车 都采用镁合金 轮毂，不仅如 此，镁合金轮毂的应用车型还扩展到运动型摩托车、轻便型摩托车、概念型摩托车，覆盖欧美日十几种主要摩托车品牌，其中仅英国的 Dymag 轮毂就应用多达 400 种车型。在我国，重庆镁业开发出了 LX150 镁合金绿色概念摩托车，其中有 12 个零部件采用镁合金材料，包括摩托车前后轮毂、发动机曲轴箱体、箱盖、尾盖及后扶手等。整台摩托车镁合金用量 12 公斤，总减重 6 公斤左右。在 2003 年 9 月同铝汽车公司 车型 轮毂生产公司法拉利 Ferrari F355 及 F50 保时捷 Porsche 911GT(2001)Carrera GT(2003) BBS 公司生产的锻造镁合金轮毂宝马 BMW Z22 通用 GM Corverre C5 Dymag 公司生产的铸造镁合金轮毂马自达 Mazda RX-7Mazdaspeed 与 Rays 公司合作开发的MS-01 MAG 锻造镁合金轮毂162212-2211哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）3哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 合金摩托车对比进行路况试验，结果表明，镁合金摩托车百公里耗油 2.827L，铝合金摩托车百公里耗油 3.243L，两车相比前者百公里节油约 0.416L ，油耗降低 10%左右。同时，CO、HC 和 NOx 的排放限值可达到并超过欧洲 号排放标准。另外，从颠簸损坏的程度来看，镁合金摩托车也较铝合金摩托车损坏少，这同镁合金材料的轻量化特点以及镁合金轮毂优良的减振性能有密切的联系 。 镁合金轮毂在自行车中得到了很好的应用，意大利 BASSANO GRIMECA 生产的 3 辐与 6 辐的镁合金轮毂具有轻量、坚固的、减振等特点，使用起来不仅便利而且更舒适。我国台湾也有不少厂商从事镁合金轮毂的开发研究，如仪铭东工业股份有限公司于 2000 年开发出了适用于自行车及电动自行车的镁合金焊接轮毂、远东机械则有三种规格的镁合金轮毂。北京首特钢远东镁合金制品有限公司推出近 20 款采用镁合金材料的自行车 。 1.3.2 镁合金轮毂结构设计研究现状 对于轮毂结构的设计，国外最初采用经验类比的方法，按材料力学的公式进行强度校核。随着测试技术的发展，逐渐开始使用应变电测技术，脆漆法对轮毂进行试验。而国内对轮毂的研究开展很少，研究工作大多集中在疲劳寿命台架试验和道路试验上。如长春汽车研究所在十多年中相继对十几种近 400 个轮毂作了弯曲疲劳试验，对数种轮毂绘制了弯曲疲劳曲线，对轮毂弯曲刚度易损的应力也进行了多次测定 。自 1983 年承担载货汽车和轿车的轮毂试验方法、轮毂性能要求等标准的制定工作以来，又按新的试验规范对 40 多个轮毂作了径向疲劳试验，还在台架上对轮毂易损部位应力进行测定。1988 年，湖南大学的秦德申等人以61/2JJX15 型红旗轿车的轮毂为研究对象，模拟轮毂在充气、承受拧紧力矩以及直行和转弯四种给定工况下的载荷状况，并对其进行静态和动态应力测量 。七十年代开始，有限元法的出现为机械零件和结构强度研究提供了强大的分析工具，特别是随着计算机辅助设计（CAD）和计算机辅助工程（CAE）应用软件的开发和完善，有限元法在轮毂结构的研究方面得到了充分利用。尤其是 80 年代以来，有限元法与试验模态分析、有限元模态分析、有限元动态响应分析等动态分析方法相结合，并且引入了断裂力学、疲劳强度等理论，使轮毂的结构强度分析步入了一个新的阶段 。 近年来，国内越来越多的研究机构采用有限元方法对轮毂进行研究，发表的1313232323-26哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）4哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 相关文献也越来越多。但研究内容还尚处初级阶段。湖南大学的谢秀松等人最早借助 SAP5 程序对红旗轿车的 61/2JJX15 型轮毂进行了有限元应力分析，选用 812 个可变节点数的三维等参元，但受当时有限元软件功能的制约，无法较为准确的模拟轮毂的边界条件，因此未能反映出某些局部的应力集中现象。国内曾有人将轮毂结构的应力计算局限于轮辋部分，轮毂又进一步理想化为一系列窄条，并把每一个窄条作为梁来处理，至于整个轮毂则一直缺乏对这样复杂结构的经典解 。K.A.Rdha 采用了一种比较有代表性的有限元方法来模拟轮毂。它采用一组相互连接的简单元素来表示轮辋的复杂形状，轮辋的横截面被模拟成由许多有限大小的单元所组成的网格，其中每个三角形是一个环单元的横截面，所以轮辋被看成是由许多环单元所构成的，且每个环单元的应变视为常量。这种方法可以算出整个结构的应力分布，还可以确定材料的优化分布，但这种方法所做的假设与实际情况是有一定差距的 。 肖继道 曾建立富康 ZX 型轿车轮毂的力学模型，模拟分析在转弯、制动工况下轮毂的应力分布状况，并与动态应力结果进行比较，指出，动态应力对轮毂的影响比静态应力大的多。他根据应力集中的特点提出改变轮辐材料分配来提高应力集中部位的强度、刚度的建议。 韩鸣岗 曾对标志 505GL 车型轮毂进行静态应力分析，提出解决轮辐与轮芯之间的非线性接触的处理方法，并对轮辐、筋条的结构尺寸进行了优化分析。他的计算结果表明，如果筋条的周向长度按五接触的尺寸确定，可以使螺栓孔附近的应力显著减小，使应力分布趋于合理。 清华大学的王霄锋 等人针对车轮动态弯曲疲劳试验建立汽车车轮的静态加载有限元模型，采用 I-DEAS 软件模拟出轮毂的高应力区及其 Von Mises 应力值，并与静态加载试验结果进行对比，验证了有限元静态分析对轮毂结构性能分析的有效性。 1.3.3 镁合金轮毂的成形工艺研究现状 镁合金轮毂的 成型工艺主要 分为锻造和铸 造方法两类。 锻造的镁合金 轮毂的晶粒流向与受力的方向一致，所生产出的轮毂的强度、韧性与疲劳强度均显著优于铸造轮毂。但由于锻造轮毂的生产工序多，生产成本远高于铸造轮毂，因此锻造轮毂常用于赛车。如目前的知名品牌 BBS、PVM 、Marchesini 、Dyimag、Minilite272323,28,2923, 2732哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）5哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 等均能提供锻造法生产的镁合金轮毂 。 铸造法是目前 镁合金轮毂成 型最为常用的 方法，尤其是 压铸成型。目 前已有的镁合金轮毂成型的铸造方法有重力浇注、真空压铸、充氧压铸、低压铸造、电磁泵低压铸造等 。 1）重力铸造。重力铸造是指金属液在地球重力作用下注入铸型的工艺，也称钢模浇铸。现已用于轮毂的重力铸造有砂型和金属型两种。澳大利亚 Marchesini 轮毂公司已成功的利用砂型铸造工艺铸造出优质的镁合金轮毂，并提供给许多顶级的赛车。而我国陕西华兴航空机轮公司则采用金属型重力铸造法试制了镁合金轮毂 。由于镁合金材料密度较小，自身重力不足以保证 获得高的强度，因 此所使用的金属量是铸件的 10 倍，相当一部分金属被浪费，所以该工艺较昂贵，只适合单件小批量生产 。 2）真空压铸和充氧压铸。由于传统的镁合金压铸法成品率较低，并且容易产生冷隔、气孔、收缩、变形等缺陷，所以为了改进这些缺陷，镁合金轮毂采用真空压铸和充氧压铸法。国外已成功研制出在冷室压铸机上利用真空压铸法成功生产出了 AM60B 镁合金汽车轮毂；日本使用充氧压铸法成批生产了 AM60 镁合金汽车轮毂和摩托车轮毂 。 3）低压铸造。低压铸造方法由于其压力低，金属液充型平稳，铸件成型性好，也是镁合金轮毂成型工艺中常用的一种成型工艺方法。20 世纪 80 年代，丰田汽车公司就用低压铸造法率先制造出了镁合金汽车轮毂。随着电磁泵低压铸造装置的出现，镁合金轮毂的低压铸造工艺进一步得到提升，生产出了质量更优的轮毂。宁波耐特镁业科技发展有限公司采用华北工学院设计制造的电磁泵低压铸造装置生产了铝合金摩托车轮毂，镁合金轮毂的生产正处于研究中 。 4）触变注射成形（ThixoMolding） 。触变注射成形技术是把一种低熔点的合金进行熔化，以高速、高压把原料注入金属模具内成形。它具有比压铸生产的镁合金产品更好的力学性能、表面质量、耐腐蚀性，生产的轮毂具有极少的气孔。JSW 与日本汽车轮毂厂合作已开发出镁合金/铝合金复合材料的汽车轮毂 。 近 来 年 ， 出 现 了 一 些 镁 合 金 轮 毂 铸 造 新 技 术 ， 如 精 密 冲 锻 成 型 技 术（Press-Forging） 、挤压 铸造、挤压 铸造低压铸 造结合法、 半固态触变成 型技术，旋压法、温挤压法、挤压铸造-流变铸造结合法、真空倾转法差压铸造等等。目前, 世界上仅 有德国 和日本 进行了 该技术 的研究 ,并已经 开始投 产,国 内对该 技3334-37213637,383939-43哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）6哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 术的研 究尚未 见报道 ,仅有二 汽从德 国进口 了一套 轮毂旋 压生产 线. 东 北大学 已经成功研发镁合金轮毂温挤成形技术，并申请了专利 。 1.4 研究目的及意义 车辆轻量化发展已成为一个必然趋势，而在确保车辆综合性能的前提下，增加镁合金产品在其中的比重则成为车辆轻量化的重要手段之一。轮毂作为车辆的重要运动部件，它的轻量化生产有着非常重要的意义。而镁合金由于其众多优点，成为轻量化发展的首选材料。但镁合金在生产和应用中还存在着诸多缺点，如由于镁元素活泼，镁合金在熔炼和加工过程中极容易氧化燃烧，生产难度很大；镁合金的生产技术还不成熟和完善，特别是镁合金成形技术有待进一步发展；镁合金的耐蚀性较差，高温强度、蠕变性能较低等诸多问题，严重阻碍了镁合金产品的生产。所以本文基于产品材料替代再设计模型，研究开发镁合金电动自行车轮毂（以下简称镁合金电动车轮毂） 。通过该研究，一方面实现电动车的轻量化，另一方面也希望以此带动其它镁合金产品的开发以及镁合金加工工艺的研究和生产镁合金产品装备的研发，从而促进镁在各相关行业中的应用。 1.5 研究内容和框架 本课题研究镁 合金电动车轮 毂的结构再设 计、压铸成型 工艺及成品检 测三方面内容，具体包括了： 1. 归纳总结产品材料替代再设计方法，并应用于镁合金电动车轮毂的开发。 2. 基于有限元理论，分别模拟分析铝合金轮毂和镁合金轮毂在静负载和动态弯曲疲劳试验下的应力分布状况，根据铝合金的安全系数对镁合金进行校核。并设计多种轮毂结构方案，通过模拟，分析结构变化所引起的应力变化情况，从而指导镁合金轮毂结构再设计。 3. 采用正交试验法，分析镁合金电动车轮毂的压铸成型工艺并对其工艺参数进行优化设计。 4. 设计动态弯曲疲劳试验装置，检测成品性能。 本论文共分六章，整体论文框架如图 1.1 所示。 33-43哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）7哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第一章 绪论 图 1.1 论文组织结构 1.6 本章小结 本章首先介绍 了本课题提出 的背景车辆 轻量化，由于 镁合金的众多 优点，增加其在车辆中的应用，成为世界各国实现车辆轻量化目的的主要手段。本章进而介绍了镁合金应用于车辆的国内外现状，并对镁合金轮毂的应用现状、设计方法和成型工艺做了详细介绍。然后提出了镁合金电动车轮毂的研发课题，阐明了该课题研究的目的和意义，搭建出了本文的论文结构框架。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）8哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第二章 轮毂的镁合金材料替代再设计 第二章 轮毂的镁合金材料替代再设计模型 2.1 产品的材料替代再设计方法 在产品开发过 程中，新材料 的替代应用现 象非常普遍， 如用轻质材料 替代高密度材料，用高强度材料替代低强度材料，用环保材料替代对环境污染严重的材料等。传统的产品材料替代设计路线为“设计试制检测改进再试制再检测再改进 ” ，是一个不断反复、循环的过程。这一过程开发周期长，所需成本高，在经济全球化的环境下，非常不利于产品的竞争。 随着现代科学 技术的发展， 各种产品设计 的新理论、新 方法的出现， 仿真技术的日益完善，为产品材料替代再设计提供了优质的开发平台，如有限元理论、优化理论、CAE 技术等。利用这些理论和技术，不但可以减少新材料产品开发过程中的试制次数，缩短开发周期，还可以大大提高所开发产品的性能。所以基于新理论和仿真技术平台，本文归纳总结了一个产品材料替代设计的通用模型，如图2.1，具体内容为： （1）明确材料替代设计的目的，如环保、提高强度、减重、降低材料成本等； （2）根据所要求的目的，结合产品所需实现的功能,确定替代材料，并对其与原材料性能进行对比分析，初步确立新材料产品的设计方向； （3）由上述确立的产品设计方向，建立新材料产品的几何模型； （4）模拟产品服役状态，选取零件设计所需满足的准则进行校核； （5）根据校核结果，试制或重新设计新材料产品，直至满足设计要求。 该设计模型与 传统的设计路 线相比，其中 模拟环节取代 了反复试制的 过程，通过模拟产品的服役状态，分析产品再设计的合理性，并确定出新材料设计方案，通过一次或少数几次试制修改就达到要求。这不但减少了开发周期，降低了生产成本，而且还提高了产品质量，降低了废品率，在很大程度上为企业带来了竞争实力。 44哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）9哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第二章 轮毂的镁合金材料替代再设计 图 2.1 产品材料替代再设计模型 2.2 轮毂的镁合金材料替代再设计模型 本文以电动车 轮毂为研究对 象，根据轻量 化的要求，以 镁合金替代原 有的钢材和铝材轮毂，对其结构进行再设计。按照产品材料替代再设计模型，确定了镁合金电动车轮毂研发的技术路线，如图 2.2 所示。具体实施步骤如下： 1）以实现电 动车轮毂轻量 化为目的，选择密度小的镁合金材料替代现有的铝合金和钢制轮毂材料。 2)电动车轮毂的主要功能是承载和快速转动，它的强度和刚度要求都比较高，哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）10哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第二章 轮毂的镁合金材料替代再设计 图 2.2 镁合金轮毂材料替代再设计技术路线 所以在结构设计时要充分考虑新材料的性能，根据材料性能初步确立轮毂结构设计方案，使其具有足够的强度和刚度。 3）根据检测标准的条件，模拟分析镁合金轮毂的静负载和动态弯曲疲劳，检验轮毂的结构强度。 4）根据模拟结果，分析总结规律，进行镁合金轮毂结构的再设计，模拟，强度校核三个步骤，直到模拟结果满足强度要求为止。 5）试制，对成品按标准进行检测。 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）11哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第二章 轮毂的镁合金材料替代再设计 2.3 本章小结 随着全球化的 发展，商品竞 争异常激烈， 缩短产品开发 周期，提高产 品质量成为各企业提高产品竞争力的重要方式。在产品材料替代设计过程中，反复设计-试制这一传统开发路线则需花费较长的时间，开发成本高，已不适宜现代产品的开发。随着现代科学技术的快速发展，新理论和新技术的出现为产品设计提供了良好的开发平台。本文基于这些理论和技术，归纳总结了产品材料替代再设计的一个通用模型，并应用于镁合金电动车轮毂的研发过程中，具体阐述了开发的技术路线。哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）12哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第三章 镁合金电动车轮毂再结构设计 第三章 镁合金电动车轮毂结构设计 3.1 轮毂结构设计 电动车轮毂主要由轮芯、轮辋、轮辐（轮条）三部分构成，如图 3.1。由于轮 图 3.1 轮毂组成部分 辋按照国家规定标准尺寸设计，所以轮毂的结构更改主要基于轮辐和轮芯，而最常见的更改部位为轮辐。本文以电动车 16前轮毂（以下简称电动车轮毂）为具体研究对象，现常见形式有以下几种，如图 3.2。其中 a、b、c 三种结构的轮毂多为钢制，d 结构的多为铝制轮毂，是现在电动车上应用最多的一种。所以本文基于 d 所（a） (b) (c) (d) 图 3.2 电动自行车轮毂 哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）13哈尔滨工业大学本科毕业设计（论文）浙江工业大学硕士学位论文 第三章 镁合金电动车轮毂再结构设计 示的轮毂结构，根据镁合金材料的性质分析替代设计方案。 3.1.1 镁合金材料性能分析 由于 AM60B 镁合金具有优良的韧性和塑性，适合用于经受冲击载荷和安全性较高的场合。本文选其作为本次替代设计的新材料，其力学性能及常用电动车轮毂材料的力学性能见表 3-1。