毕业设计（论文）-轮毂设计及三维造型（全套图纸三维）.doc

大学学位论文摘要轮毂作为汽车重要的安全部件，其材料的选择不仅关乎轻量化的发展，而且还直接影响汽车的性能，铝合金是汽车轮毂的最佳选择材料。为了达到高强度，轻质量，造型美观这些要求，在设计汽车轮毂时，不仅要选择即轻又牢的材料，还要对其结构，布局上进行整体设计，以及在形状及尺寸上进行合理的优化设计。优化设计是一种寻求最优设计方案的技术，是机械产品设计和创新发展的主导方向，是生产企业生存发展的重要手段。随着科学技术的发展，ABAQUS分析软件提供的优化设计和拓扑优化两个优化模块日益成熟。本文利用基于ABAQUS环境下的优化设计对汽车轮毂进行分析，从而达到高强度，轻质量等要求。基于ABAQUS软件分析了汽车轮毂在正常承载的工况下所产生应力最大的部位(热应力区)，并就这些部位进行了合理设计，力求以相同的约束，施加相同的载荷得到更小的应力，这样为汽车轮毂的承载和轻量化提供了储备。为了节省汽车轮毂材料，提高汽车启动的加速度，减小汽车行驶的阻力以及减少汽车的耗油量，采用了ABAQUS软件的语言建立汽车轮毂的参数化优化设计模型，并进行了轮毂尺寸优化设计，以减轻汽车轮毂的质量。 关键词：铝合金轮毂，结构设计，有限元仿真全套图纸，加153893706ABSTRACTHub as important safety parts, the choice of materials is not just about the development of lightweight, but also directly affect the cars performance, aluminum alloy material is the best choice for automobile wheel hub. In order to achieve high intensity, light quality, aesthetically pleasing these requirements, in the design of car wheel, not only have to choose the material that is light and fast, but also on its structure, the overall design layout, and the reasonable optimization design on the shape and size.Optimization design is a kind of to seek the optimal design scheme of technology, is one of the leading direction of mechanical product design and innovation and development, is an important means of production enterprises survival and development. With the development of science and technology, the analysis software of ABAQUS provides the optimization design and topology optimization of two optimization module is becoming more and more mature.Based on optimization design of automobile wheel hub based on ABAQUS environment is analyzed, so as to achieve high intensity, light quality, etc. Based on ABAQUS software, automobile wheel hub under normal load conditions are analyzed stress generated by the biggest parts of the thermal stress (area), and these parts for the reasonable design, makes every effort to the same constraints, exert the same load get smaller stress, such as automotive wheel hub bearing and lightweight of the reserves.Automobile hub in order to save material, improve the auto start acceleration, to reduce the cars drag and reduce automobile fuel consumption, using ABAQUS software language car wheel hub of the parametric optimization design model is established, and the wheel size optimization design, in order to reduce the quality of automobile hub. Key words: aluminum alloy wheel hub, structure design, finite element simulation目录摘要1ABSTRACT2第一章 绪论61.1 汽车行业的发展61.2 汽车轮毂的研究现状71.3 汽车轮毂的制造设备、技术及趋势101.4 课题研究的目的意义及主要工作111.4.1 课题的目的111.4.2课题意义111.4.3 课题的主要工作和研究方法11第二章 铝合金轮毂的性能分析及工艺132.1 铝合金轮毂的材料性能分析及其工艺性132.1.1 铝合金汽车轮毂材料的机械性能132.1.2 铝合金汽车轮毂制造工艺性162.2 汽车轮毂造型212.2.1 汽车轮毂结构222.2.2 汽车轮毂结构部位的名称及作用232.2.3 汽车轮毂结构部位的重要参数25第三章 铝合金轮毂的三维造型设计273.1 PRO/E概述283.1.1 PRO/E各功能板块293.1.2 PRO/E建模优点29 3.2 轮毂的实体造型31 3.3 轮毂的二维cad图35致谢46参考文献47第一章 绪论 1.1 汽车行业的发展 2012年，我国汽车市场实现平稳增长，节能与新能源汽车快速发展，出口高速增长，产业集中度进一步提高，汽车产业结构进一步优化。1.1.1 汽车产销量双超1900万辆，产销量世界第一2012年，我国汽车市场保持平稳增长态势，产销量月月超过120万辆，平均每月产销突破150万辆，全年累计产销超过1900万辆，再次刷新全球历史纪录。中国汽车工业协会统计，我国全年累计生产汽车1927.18万辆，同比增长4.6，销售汽车1930.64万辆，同比增长4.3，产销同比增长率较2011年分别提高了3.8和1.8个百分点。其中，乘用车产销1552.37万辆和1549.52万辆，同比分别增长7.2%和7.1%；商用车产销374.81万辆和381.12万辆，同比分别下降4.7%和5.5%。2012年12月，全国汽车产销分别为178.49和180.99万辆，同比分别增长5.5%和7.1%。其中乘用车产量144.23万辆，同比增长5.7%，销量146.29万辆，同比增长6.8%；商用车产销分别为34.26万辆和34.70万辆，同比分别增长4.5%和8.2%。1.1.2 1.6升及以下排量乘用车市场平稳发展2012年，在节能汽车推广政策及节约能源、新能源车辆车船税优惠政策的作用下，小排量乘用车市场占有率逐步回升。2012年，1.6升及以下排量乘用车全年共销售1040.50万辆，同比增长5.7%；占乘用车销售市场的67.2，较2011年下降0.8个百分点；占汽车销售市场的53.9%，较2011年增长0.7个百分点。随着工业化的发展，原材料和能源的需求量日益增大，省材、节能环保已成为工业发展的主导方向，而作为现代工业发展标志的汽车行业也表现得尤为突出。目前，汽车的保有量在急剧升温，随之带来的原料、能源、环境问题亦日益紧张。对于汽车行业的企业家来说，追求经济效益是他们生存发展的亘古不变的硬道理，因此在考虑节能的同时必须考虑尽可能地节省材料，使材料的利用率最大化。其实，省材和节能是密切相关的。对于汽车来说，减轻汽车自身的重量是节能的重要方式。实践证明：一辆自重为1300多千克的汽车，如果整个车的重量降低10%，那么可以节省8%的汽油。换而言之，如果汽车质量过大，势必会造成不必要的能源消耗，最后出现的结果将是能源过早耗尽和环境污染，因而轻量化就显得尤为重要了。在轻量化设计中，研究设计人员可以从减少材料的用量和降低材料的密度两个方面进行考虑。因此，在设计汽车的各部件时，应保证在其安全使用的前提下，尽量地降低其厚度，减轻整个汽车的自重。而轮毂作为汽车的重要组成部分，同样也要求减轻自身的重量，以达到轻量化。从数据上可以看出我国已成为一个汽车大国，对汽车的需求仍在进一步扩大，未来汽车将进入家家户户，对于汽车轮毂作为汽车的主要零部件需求将是巨大的，同时，随着保护环境节能减排的进一步深入人心，对汽车轻量化的要求将更加迫切，寻找一种更为有效的设计轮毂的方法，设计出更轻便更美观的汽车轮毂显得尤为迫切。1.2 汽车轮毂的研究现状对于轮毂的制造材料方面，目前全球都在向着轻量化、安全性、环保性这三个趋势发展。从轻量化的角度来说，铝制轮毂的优势显而易见，采用铝制轮毂对整个车身重量的减轻都非常有帮助。此外，在欧美国家，一个显著的特点是：高时速的汽车采用得都是铝制轮毂；而钢轮只有低时速的车辆才会采用。这是因为，铝和铁的散热性能不同，铝的导热性更好，当汽车行驶速度非常快或路面温度非常高时，铝制轮毂的安全性显然比钢轮毂更强。从环保性上来说，铝制轮毂对轮胎的寿命也比钢轮毂要好。此外，铝轮毂与钢轮毂的制造工艺也完全不同，铝轮毂采用融灌成型浇铸的制造工艺，因此能生产复杂多变的造型；而钢轮毂采用冲压制造方法，造型相对单调、难多样化。尽管铝制轮毂的优势明显，但受成本因素的影响，铝制轮毂的价格是同样造型大小的钢轮毂的两倍，因此，很多价格低廉的车型仍然在采用钢轮毂。但另一方面，随着消费者追求个性化的新趋势，很多豪华车也开始越来越多地采用造价更为高昂的镁合金轮毂。镁的轻量化、导热性和材料本身的金属属性比铝要更好，以前，镁主要运用在军工、航天等方面，现在，我国的相关研究机构也在竭力进行镁材料的民用化推广。可以肯定得是，未来几年，镁材料的成本必将有所下降，镁合金轮毂将成为未来的流行趋势。 铝合金汽车轮毂研究现状在汽车轮毂的选材中，轻合金一直是研究设计人员的重点考虑对象。长沙航空职业技术学院的唐立山和上海电子信息职业技术学院的别红玲对轻合金轮毂进行了研究，并阐明了轻合金和轻量化以及环保之间的关系。研究人员经过大量的实践论证和综合评估，发现铝合金是制造汽车轮毂的最佳材料。文献2论证了铝合金轮毂投入市场的可行性，并提出了铝合金轮毂将取代钢轮毂主宰市场。而重庆大学的周渝庆基于镁合金轮毂具有密度小、造型美观、高强度、易加工等优点，并对镁合金轮毂的疲劳强度及寿命进行了研究。但是，镁合金的抗拉强度以及屈服点较铝合金低，刚度较小，易变形，因此不宜于作为汽车轮毂材料，况且镁在地壳中的含有量不及铝，而且价格昂贵，在现生产阶段，绝大部分还是使用铝合金轮毂。在国外，也有学者对铝合金的金属性能进行研究：Q.G.Wng以及K.N.Smith等研究了铝合金在疲劳的状态下所产生的应力以及应变规律，分析发现铝合金具有良好的抗疲劳性能。本文也针对铝合金轮毂进行了研究。为了满足铝合金汽车轮毂的市场需求和使用性能，市场上提供了整体式和多件组合式的汽车轮毂，而对于普通的轿车来说，使用整体式轮毂将足以满足其性能要求。文献71通过对轮惘与轮辐过渡圆角半径分别为10mm、15mm、20mm、25mm和30mm的汽车轮毂进行有限元分析，通过有限元分析结果对比，发现轮惘与轮辐过渡的圆角半径极大地影响了汽车轮毂的服役应力，并为汽车轮毂结构再设计提供了很好的借鉴。对于汽车轮毂的结构造型的研究，燕山大学的孙利提出了四种关于本土化设计的方法：人文关照法、引经据典法、时尚追随法、借指通感法。燕山大学的刘宏禹经研究分析，以有限元分析技术、计算机辅助制造技术以及三维实体造型技术为基础，并以性能分析、模拟加工、动态仿真以及结构设计等为研究背景，提出了结构设计与实体造型一体化的方法。浙江大学的张响研究发现：在铝合金汽车轮毂的生产制造过程中，工艺参数将影响轮毂的质量，并对工艺参数进行合理优化。浙江大学的闰胜咎通过直轮辐、曲轮辐和背面有掏料直轮辐进行比较分析得出：直轮辐结构有利于承受弯矩载荷；曲轮辐结构有利于承受冲击载荷；而背面有掏料的直轮辐结构最为合理，集直轮辐结构与曲轮辐结构的优点于一体，而且体积也最小。Russ基于冲击试验对轮缘的结构进行设计，以提高轮毂的抗冲击性能阴，在汽车轮毂的结构优化方面，重庆大学的周渝庆和河北工业大学的王利辉分别利用有限元软件ABAQUS和MSC.NASPRAN，以轮辐厚度和轮惘的厚度作为设计变量，弯曲疲劳强度作为状态变量，整个汽车轮毂的重量作为目标函数，进行优化设计，达到了轻量化设计的目的。燕山大学的孙红梅基于有限元法综合考虑了汽车轮毂模态，轮惘刚度以及轮毂弯曲疲劳寿命的影响，建立了汽车轮毂优化设计模型，并进行优化，获得了较为满意的汽车轮毂结构参数。齐铁力、王立辉等利用软件建立以轮辐和轮惘的厚度作为设计变量。汽车轮毂重量最小作为目标函数的优化设计模型，优化后轮毂质量大大减轻。崔胜民、杨占春以轮辐上各段圆弧的曲面半径以及弧面所对应的圆心角作为设计变量，轮辐的整个曲面弧长最小为目标函数进行优化设计，使用优化变量较多的是哈尔滨工业大学的刘国军，选取复合材料汽车轮毂的安装凸台的厚度、轮辊的厚度、以及轮毂截面的各轮廓尺寸作为设计变量，成功地进行优化。在国外，也有学者对汽车轮毂的优化设计进行了研究。土耳其的Akbulut基于汽车轮毂的冲击试验，以轮毂结构单元的重要节点的位移变化量作为设计变量，结构应力最小为目标函数进行结构优化。HamidJahed，BehroozFarshi等建立了三次样条曲线的轮毂模型，以曲线函数的各项参数为设计变量，利用MATLAB优化工具进行优化四。文献25-26也利用了结构优化设计对轮毂进行轻量化研究。1.3 汽车轮毂的制造设备、技术及趋势轮毂是汽车上最重要的安全零件之一，有钢制轮毂和铝制轮毂之分，轮毂承受着汽车和载物质量作用的压力，受到车辆在起动、制动时动态扭矩的作用，还承受汽车在行驶过程中转弯、凹凸路面、路面障碍物冲击等来自不同方向动态载荷产生的不规则交变受力。轮毂的质量和可靠性不但关系到车辆和车上人员物资的安全性，还影响到车辆在行驶中的平稳性、操纵性、舒适性等性能，这就要求轮毂动平衡好、疲劳强度高、有好的刚度和弹性、尺寸和形状精度高、质量轻等，铝轮毂以其良好的综合性能满足了上述要求，在安全性、舒适性和轻量化等方面表现突出，博得了市场青睐，正逐步代替钢制轮毂成为最佳选择。 1.4 课题研究的目的意义及主要工作1.4.1 课题的目的 目前，工业化生产的不断壮大所带来的原料、能源以及环境问题日益紧张，无论是企业还是消费者都必须引起高度重视。而要想缓解或解决这些问题，必须从产品的轻量化设计入手。汽车轮毂是汽车的重要承载部件，号称劲旅之鞋，欲提高汽车的行驶速度，而且节省油耗，则要保证有足够强度的前提下，尽可能地减轻轮毂本身的重量，这是本文主要的研究的目的和方向。但是其他的因素也应该予以考虑，例如轮毂的刚度，要满足这个性能则应适当地降低轮毂的变形量，以保证其轮惘的圆度，改善驾驶舒适性和可操作性，提高其安全性能，在轮毂设计中，应设计合理的轮毂结构，以保证轮毂有足够的刚度。另外，造型美观的轮毂将会带来很好的市场效应，对于豪华型轿车更是如此。总之，在轮毂设计时，应以足够的强度为前提，轻量化设计为主导方向，兼顾满足其它性能，设计出更优质的轮毂。 1.4.2课题意义基于有限元法的优化设计在现代生产以及生活中赋予了其新的意义：对于汽车轮毂行业来说，基于有限元优化设计是轻量化设计的重要工具，对节能，减排起到了积极性的作用。通过对本课题的研究，我们应用了较为成熟的工具来解决实际问题，并不断地丰富专业知识以满足时代发展的需要。汽车轮毂的轻量化设计不仅能够提高企业的研发能力以及竞争力，而且有助于提高材料利用率，缩短周期，降低成本，更重要的是起到了节能环保的作用。因此该课题有着非常广阔的发展前景。1.4.3 课题的主要工作和研究方法本文以轮毂型号208J为研究对象，以铝合金为汽车轮毂材料，采用了一体化铸造方式，并利用ABAQUS分析软件进行结构优化设计后，达到了轻量化设计的目的。轮毂的实体模型的建立是通过PRO/E三维设计软件来实现的。在汽车轮毂的结构设计方面，通过有限元应力分析得出了螺栓孔设计为锥面的合理性，这为轮毂的承载和轻量化的后期设计提供了储备。在轮毂的尺寸优化方面。为了使汽车轮毂达到轻量化设计的目的，首先在材料上选择了比重较轻的铝合金，然后在轮毂的结构，布局上进行了合理的设计。具体作法为：先在PRO/E里建立实体模型，特殊部位经简化处理后，利用接口实现数据共享和图形交换，导入分析软件ABAQUS中进行结构分析。第二章 铝合金轮毂的性能分析及工艺2.1 铝合金轮毂的材料性能分析及其工艺性 汽车轮毂结构设计三要素：承重，散热，美观。这三要素是评价汽车轮毂优劣的重要标准，也是设计人员所要研究的重点。经过大量的实验研究，发现铝合金是制造汽车轮毂的最佳材料，它与钢铁相比，具有良好的机械性能和美观度。铝合金不仅应用于汽车轮毂，而且在汽车的其它部件上的应用也越来越广泛了，以铝代钢已成为发展趋势。为了平衡汽车轮毂的实用性和经济性，在使用铝合金做汽车轮毂材料时，还必须考虑它的制造工艺性。2.1.1 铝合金汽车轮毂材料的机械性能铝合金轮毂，顾名思义为铝合金材质，它与传统钢材质轮毂比，主要有以下优势： 一、散热好：铝合金的传热系数比钢材大三倍。汽车在行驶过程中轮胎与地面以及制动盘与制动片的摩擦会产生出很高热量，这种情况会导致轮胎和制动片老化以及加速磨损，制动性能会因高温而急剧衰减，轮胎内气压也会升高存在爆胎隐患。铝合金轮毂相比钢制轮毂能够更快地将这些热量传导到空气中，增加了安全系数。 二、重量轻：铝合金轮毂的比重小于钢制轮毂，平均每只比同尺寸钢制轮毂轻两公斤左右，除去备用车轮总共可减重八公斤；更轻的轮毂还可减少起步和加速时的阻力，两者共同作用使车辆更加省油。 三、精度高：铝合金轮毂铸造的精密程度远高于钢制轮毂，失圆度及不平衡重较小；另外铝合金的弹性模数小，抗振性能优于钢制轮毂。这两项能有效减小车辆振动，驾乘更为舒适。 四、更美观：铝合金在高温液体状态下流动性及张力比钢制轮毂好，后期抛光和电镀工艺使其能够制造出更美观多变的外型；表面抗腐蚀处理以及静电粉体涂装也让其历久如新。铝合金轮毂有两种生产工艺，一种铸造，一种是锻造。下面讲的是铸造轮毂的制作工艺。重力的制造工艺：工厂将铝锭化成铝水浇铸在轮毂模型中由上至下冲压而成，3分钟一只，此工艺适合给汽车生产厂配套大批量生产。叉压(低压)的制造工艺：工厂将铝锭化成铝水，通过传送管直接挤压到轮毂模型中，上举下压而成，30分钟一只。汽配店所买轮毂都为此工艺。 锻造轮毂是指制造轮毂的一种工艺手法为锻造方式，对这种运用锻造工艺制造出的轮毂可叫作锻造轮毂。锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力，使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能、一定形状和尺寸锻件的加工方法，锻压(锻造与冲压)的两大组成部分之一。通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷，优化微观组织结构，同时由于保存了完整的金属流线，锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件。相关机械中负载高、工作条件严峻的重要零件，除形状较简单的可用轧制的板材、型材或焊接件外，多采用锻件。锻造轮毂的工艺特点大概有以下几点 1，采用圆柱状设计，直径越大的轮毂就是用较粗的铝材去锻压，与铸造铝圈毂使用“原材料”的制造方法愈然不同。 2，根据铝毂宽度所需的J数切割铝材。 3，先将铝锭加热至摄氏400上下，此时便可以准备进行锻压。 4，热锻压成型，吨数越高的锻压机所需的铝锭工作温度越低，所锻造出来的产品晶粒较小，韧度也较高。 5，经过高温高压成型的粗胚温度非常高，表面布满黑色碳化物，必须使用叉动机来搬运.而经过酸洗表面处理之后的粗胚已经具有轮毂的雏型。 6，在T4及T6两种热处理机的长时间再加工热处理后，粗胚的晶粒将更紧实，产品的韧度也会提高。 7，锻造铝毂必须靠着机械加工，将粗胚加工至轮毂成型，因此工作内容包括胎唇成型，螺丝孔钻洞，盘面车削，细部加工等等步骤。 8，在涂装之前，必须在检查一次轮毂表面是否有瑕疵。 锻造轮毂简单说有以下优点：1.强度高，2.重量轻，3.相对铸造轮毂节省燃油。铝合金汽车轮毂(以A356铝合金为例)与钢铁轮毂相比，具有如下优势：(1)铝合金因质量轻而惯性小，从而改善了制动性，提高了加速度，省油而平稳。(2)铝合金具有良好的导热性能(导热能力是钢的五倍)，不仅能降低的轮胎的工作温度，提高轮胎的使用寿命，而且改善了制动系统的散热性能，更利于将制动产生的热量迅速释放，有效地预防了因连续刹车产生高热而导致制动失灵，减少了交通事故的发生。(3)铝合金的强度较高，强度与钢相当，铝合金轮毂的刚性也较大，因而能减小过弯路时轮毂和轮胎的倾斜度。(4)铝合金汽车轮毂自身的质量较小，它表现出了很好的转弯性能和更为精确的转向动作，提高了驾驶的操作性。(5)铝合金汽车轮毂具有成型性好，耐腐蚀，减震性能好，尺寸精准，轮胎寿命长，加工精准，平衡性好，材料利用率高等优点，符合现代汽车节能，安全，环保的要求。(6)铝合金具有反弹力量的金属特性以及良好的吸振特性。铝合金轮毂经数控机床加工的真圆度高，偏摆跳动小，加工的尺寸精度也较高，平衡好，因而能提高汽车行驶的舒适性(7)铝合金轮毂经过镀漆处理后，表面光泽夺目，而且经久耐用，增强了美观度。铝合金轮毂和镁合金轮毂的比较如下：镁合金虽然密度比铝合金小，也具有优良的塑性和韧性，但是，镁合金的抗拉强度以及屈服点比铝合金低，刚度也较小，且易变形，不益于作为汽车轮毂材料。镁元素在地壳中的含有量不及铝，而且价格昂贵，因此经综合比较，选择铝合金作为汽车轮毂材料。 表2-1 轮毂材料(Q235钢，A356铝合金，AM91D镁合金)的性能参数综上所述，铝合金材料的这些优良的机械性能对降低汽车自重，减少油耗量，改善可操作性能，减轻环境污染等有着重大的意义，因此铝合金己成为汽车轮毂的首选材料。目前几乎所有的轿车和轻型汽车均采用铝合金轮毂，据统计，当今轿车使用铝合金轮毂的比例高达九成以上。2.1.2 铝合金汽车轮毂制造工艺性铝合金汽车轮毂制造工艺有如下几种：铸造，锻造，机加工，打磨抛光，热处理，涂装。汽车铝轮毂的最主要的生产工艺流程是：熔化精炼材料检验低压铸造X射线探伤热处理机械加工动平衡检验气密性检验涂装。 1、 熔化 轮毂铝合金的熔化设备，按炉型分为塔式炉、感应炉、倾转炉、固定炉，按能源形式分为柴油、天然气、煤制气、电能。塔式炉熔化速度快、烧损少、能耗低；感应炉熔化速度快、合金成分均匀、生产环境好；倾转炉可以配料也可以做保温炉使用、使用安全、维护方便；固定炉可以配料也可以做保温炉使用、使用和维护简便；燃油热值高、熔化效率高、使用维护方便，燃气生产环境好、清洁、使用维护方便；煤制气经济实惠，电能容易控制、生产环境好。其中以燃油或燃气的塔式快速熔化炉为佳，同时配以铝屑熔化室使用更加方便，是主选设备。熔化设备的关键在于炉温的控制，由于需要现场制造，故以国产为宜，而且，施工维护便利。由于轮毂铝合金对Fe（铁）含量要求严格（0.15%），因此炉衬必须采用非金属材料制作，配料时选用高牌号的纯铝，回炉料的比例要严格控制。 国内已有少数厂家采购生产用液态铝合金，并将液态铝合金直接运送到生产现场，采用液态铝合金直接铸造铝轮毂这种工艺方式，大大减少了原材料熔化时的烧损及二次熔化时能源的消耗，是铝轮毂制造技术发展的新方向。 2、 精炼 铝液的精炼方法有气体法和熔剂法，处理方式有通入管路法、钟罩压入法、精炼机等。铝液精炼的设备，按形式分为固定式、移动式、吊装式、简易通管式，按精炼介质分为单一气体、双气体、气体加熔剂。固定式的设备运行平稳、可靠、精炼效果好，移动式的则使用灵活、方便，吊装式的使用方便，简易通管式的使用简单。为了提高精炼效果，避免对环境的污染，以采用双气体的固定式精炼机的使用效果最好，是主选设备，该精炼设备的关键在于控制系统的技术水平和设备的可靠性，进口和国产设备均可。 细化变质以采用杆状的AlTiB、AlSr合金为佳，使用无污染的熔剂已成为精炼细化变质处理的发展方向；而采用热分析和密度当量仪进行精炼、细化、变质效果的炉前分析则是铝液快速分析技术发展的新趋势。 3、铸造 汽车铝轮毂的成形工艺分为金属型重力铸造、低压铸造、挤压铸造、锻造工艺、旋压工艺，低压铸造具有生产效率高、铸件组织致密、自动化程度高等特点，可满足汽车铝轮毂的需要，成为了近年来国际上的主流工艺。国内汽车铝轮毂成形技术中，总产量的85以上是采用低压铸造工艺生产，其余采用金属型重力铸造、挤压铸造和锻造工艺技术生产。 低压铸造机的关键在于炉压的控制精度和设备的可靠性，国内厂家选用的低压铸造机以保温炉为熔池式的为主，模具以四开模的形式为主，模具冷却是水气并用，由于铝轮毂正在朝大型化方向发展，因此设备的刚性一定要好，并有足够的开合模的力量。 4、X射线探伤 铝轮毂X射线探伤设备采用的是工业实时成象系统，使用的X射线管为进口160KVA的金属管，能穿透50mm以上级的铝合金，并能清晰地观察到缩松、针孔等缺陷。缺陷的识别有人工识别和程序自动识别等方式，并有图象处理和存储功能。该设备有进口和国产，但国产设备在可靠性和自动识别程序的开发上尚存在较大的差距，无法与国外设备相媲美，因此此类设备以进口带自动识别功能的X射线探伤设备使用效果最好，是主选设备。考虑到生产的自动化程度，在设备的进出口端要有输送料道系统，合格品与非合格品能够自动分离，带有生产统计软件功能的设备是行业中的应用发展趋势。 5、热处理 铝轮毂的热处理工艺为固熔加时效处理（T6处理），工艺要求炉温均匀性5。热处理设备按炉型分为周期炉、连续炉，按能源形式分为天然气、电能。轮毂在炉内的放置多采用料架，产品分开放置以防轮毂变形。连续热处理炉按传动方式又分辊棒式、吊筐式、推盘式、步进式。其中连续热处理炉的炉温均匀性好（3）、产品质量好、生产效率高、节能，是大批量生产的主选设备，而燃气吊筐式和无料筐式连续热处理炉是该类设备的发展方向。小批量间歇式生产时可以使用周期炉。由于连续热处理炉的生产量大，因此设备的可靠性和控制水平十分重要，为了工艺的可追述性，要配备温度记录仪。为方便操作，提高车间面积利用率，热处理生产线以U型布置或双层布置为佳。该设备以国产为宜，施工维护便利。 6、机械加工 在铝轮毂的加工方面，国内厂家一般是采用进口或国产的单轴立式或卧式数控机床，高精度CNC加工单元，切削液冷却，传统的加工顺序是在线外去除冒口，然后以毛坯外圆定位先车后钻，对于铝轮毂而言加工精度是足够的了。为了减少加工工序、提高生产效率和加工精度，同时满足环保的要求，新的技术是采用高精度CNC双轴立式加工单元，无切削液的干式加工刀具微润滑空气冷却方式，加工顺序是先钻后车，以产品螺栓孔定位，车削转速至少2500r/min，并将去冒口在钻床上完成，减少了钻冒口工序，是铝轮毂加工技术的新趋势。 7、气密性检验 铝轮毂气密性检验的方法有水压试验和氦气质谱漏气试验。水压试验是在0.4MPa的气压下保压30s，通过目测观察水中铝轮毂漏气时的气泡来检验铝轮毂的漏气情况，这是国内绝大多数厂家选用的气密性检验方法，设备以国产为主。新的气密性检验方法是采用氦气质谱漏气试验，该方法是利用氦气质谱分析的原理，能够快速自动检测氦气的泄漏情况（漏气速率110-6 Pa?cm3/s），考虑到生产的自动化程度，在设备的工件进出口端要有输送料道系统，合格品与非合格品能够自动分离，该技术是气密性检验技术的新趋势，设备以进口为佳。 8、涂装 铝轮毂的外观式样有涂装、轮辐车亮面涂透明漆、抛光涂透明漆、电镀等，涂装的颜色有银灰色、运动银、细银、烟灰色、黑色等。由于电镀工艺对环保的影响大，应用量正在逐步减少，涂装为主导工艺。 涂装是铝轮毂生产的最后一道工序，其目的是提高铝轮毂的耐腐蚀性和美感，为了确保涂装的质量，生产现场要求清洁无尘。涂装的方法有手动喷和自动喷，手动喷涂的涂层厚度及喷涂质量不易控制，自动喷涂可将涂层厚度的精度控制在10mm、且均匀，厚度可根据顾客的要求进行调节；喷枪有静电喷枪和空气喷枪，后者只适用于喷油漆；涂装的工艺流程是：预处理喷底粉喷色漆喷透明粉，特殊的也有预处理喷色漆喷透明粉或预处理喷透明粉，但后两种工艺涂层的耐腐蚀性不如前者。目前采用的先进的工艺和设备是预处理喷底粉喷色漆喷透明粉的涂装自动生产线。 先进的涂装自动生产线由表面预处理、烘干、静电粉末喷涂、喷漆、固化等组成，传输系统以地面链的方式将铝轮毂水平放置、铝轮毂可自转为好，并带有搬运机器人、粉末回收系统、粉末更换系统和废水处理装置。采用的自动化涂装工艺装备中，选用了静电喷枪和高速静电旋杯喷枪技术（转速20000r/min以上）、环保型无铬化预处理技术、喷粉技术、环保型水性漆技术，由于生产线的生产效率高、节省涂料、对环保好，是铝轮毂涂装技术发展的新趋势，其中喷枪、处理剂、粉剂、水性漆以进口产品为佳，目前只有个别厂家在使用。下面着重介绍铸造和锻造。铸造包括低压铸造，反压铸造和高反压模型铸造。低压铸造是把熔融的金属浇铸在已设计好的模具型腔里硬化成型。具体做法是：在密闭且低压环境下把液态金属压入模具型腔内后逐渐冷却成型。这样不仅保证铸件金属密度均匀，而且铸件内没有出现气孔和杂质，因而这种方法生成的铸件强度很高。它是目前生产铝合金轮毂的最基本方法，可以大批量的生产质量较高的轮毂，而且铝液的利用率高，生产出来的产品表面较光滑，也比较经济。适用于轻型面包车和轿车。反压铸造是预先创造一个较强的真空环境，利用压强差把金属吸进模具型腔第2章铝合金汽车轮毂的性能分析及三维造型内成型并硬化。它是国内较为先进的铸造方法，但制造成本较高。主要适用于越野车及中型面包车等。高反压模铸是非常先进的铸造方法，在国内的工艺生产中应用较少，德国名厂 系列铝轮毂就是采用高反压模铸法铸造的。采用该铸造方法生产的铸件的强度非常高，当然其制造成本也相当高。主要适用于高级越野车，军用车及载重卡车等。锻造包括普通锻造和滚锻。锻造是以大约60MPa的压力把铝锭在热高温状态下，锻压成件。它是制造铝合金轮毂的最先进的方法，铝合金轮毂的强度的好几倍，采用这种方法制成的铝合金轮毂的强度一般是铸造2倍而且比铸造轮毂还轻的、，但很难进行一次性锻压成型，而且价格昂贵。但是对于结构相对复杂的轮所以普通的轿车轮毂往往用不上这种制造方法，主要用于越野车及载重商用车等。滚锻(又称模锻)，是将制件的毛坯放在模具型腔内并进行滚动而成型的制造方法。经过滚锻制造出来的锻件不仅能保证有足够强度，而且能减少锻件壁的厚度，以压缩体积。采用这种工艺制造出来的铝合金轮毂不仅表面平滑、密度均匀、质量轻，而且大大地提高了铝合金轮毂的抗压能力。但是，这种制造方法所需要的生产设备极其先进，制造工艺也相当困难，成品率只有五成左右，制造成本非常高，价格极其昂贵，仅用于少数特种车辆。本文研究的是轿车铝合金轮毂，为了达到实用性和经济性的和谐统一，故采用了低压一体化铸造的方法，并展开对该制造方法所制得的轮毂进行研究。2.2 汽车轮毂造型2.2.1 汽车轮毂结构轮毂和轮胎是车辆行驶系统中极为重要的部件，有时它们又统称为车轮，轮毂是介于汽车半轴和轮胎之间的用于承受汽车自重及外界载荷的旋转部件。车轮的功能用途是：车辆所执行的驱动力和制动力是通过轮胎与路面的附着力来实现的;能支撑整个车辆的所有重量;可以缓和来自不平整路面所产生的冲击力;在遇到障碍物时能保证车辆顺利通过;汽车在弯道上行驶时，车轮可以产生自动回正力矩来平衡离心侧抗力。轮毂主要是由轮辐和轮惘构成。轮辐是介于轮辆与车轴之间的起支撑作用的重要部件。轮毂按轮辐的构造来分，可以分为辐条式轮毂和辐板式轮毂两种。辐条式轮毂的轮辐是由许多钢丝辐条组成的，虽然这种钢丝辐条能起到很好通风散热的作用，但是在制作轮毂时，这种辐条不仅要求数量多而且价格贵。除此之外，由于需要固定的辐条比较多，不便于安装及维修，因此仅仅适用于高级轿车和高档赛车上。辐板式轮毂通常是由辐板，轮惘，挡圈及气门嘴孔组成的，其中辐板就是用以连接轮惘和安装凸台的支架或圆盘，即我们常说的轮辐。本文研究的是铸造制的铝合金辐板式轮毂。由于轮辐的数量和形式多种多样，我们常见的有五辐，六辐，七辐的居多，市场需求和客户没有统一的要求，因而设计人员在对轮毂结构以及美观度的设计上有了很大的发展空间。需要尽情地发挥其想象，设计出即能满足承载要求，又美观的新型轮毂。轮惘是在轮毂上安装和支撑轮胎的部件，轮惘的外部是轮缘，轮缘与轮胎相配合。轮缘的外沿部分很容易遭受外力载荷的冲击，而且在冲击后很容易产生变形，甚至形成裂纹导致汽车轮胎胎压的泄漏。轮惘常见结构形式主要有深槽式，对开式，平底式，深槽宽式，半深槽式，全斜底式，平底宽式，整体式，可拆卸式等。其中深槽式轮辆是整体式的，它的特点是：深槽式轮惘结构简单，质量小且刚度大，适合小尺寸弹性大的轮胎。本文研究的是整体深槽式轮辆。2.2.2 汽车轮毂结构部位的名称及作用 图2-1 轮毂结构 胎圈座是指轮惘为轮胎提供径向支承的部分，主要起到衬托胎缘的作用，表现为束紧胎缘，在车辆在行驶中，即使在胎压剧减的情况下，也能保证轮毂与轮胎也不分离。胎斗主要起到支撑胎圈的作用，在车辆急转弯时，此时轮胎容易产生倾斜，而轮毂肩部的胎斗可以防止胎缘内滑。轮缘是指轮辆两侧的边缘部分，作用是给予轮胎以轴向支承并保护胎圈以免受外界损伤。中心孔是指轮毂中心套入车轴的圆形开口孔，以便于车轮的安装和定位，有第2章铝合金汽车轮毂的性能分析及三维造型些还留有空隙，是为了通风散热，以降低轮毂的工作温度。轮惘槽是指轮惘体底部有足够深度和宽度的凹槽，用以方便轮胎的拆装。安装凸台是靠近车轴的轮辐根部与安装面之间突起的圆台部分，这部分的厚度较大，作用是隔离安装面的高应力区域和减小轮辐边缘的弯曲变形，分散螺栓孔处所产生的高应力，因而合理地改善了汽车轮毂的结构性能。中心线是指轮辍的侧断面的宽度的平分线，是定义偏置距的基准线。通风口是指轮辐之间的空隙部分，起到了通风散热的作用，它不仅能降低轮毂的工作温度，提高轮毂寿命，增强轮毂整体美观度，而且能大大地减轻轮毂的质量，以达到轻量化。1、轮毂尺寸：以18x8.0为例，18是指轮毂的直径为18英寸，轮辋的宽度为8.0英寸。这里的直径和宽度都是指装轮胎位置（胎圈座）的直径和宽度；2、PCD：以5x112为例，5是指螺栓孔的数量是5个，112是指螺栓孔中心所在圆的直径为112毫米。PCD是最关键的装车参数，可以简单理解为螺栓孔的数量以及到轮毂中心的距离；3、偏距，OFF SET，简称ET，以ET40为例，是指轮毂安装面到轮辋中心面的距离为40毫米。若轮毂安装面位于轮辋中心面的外侧，则为正偏距，否则为负偏距。ET可以理解为轮毂相对于汽车的内外位置。ET值越小，则轮毂按照在车上就越往外凸。ET太大，会使轮胎擦到汽车车体，或者轮辐碰到刹车，ET值太小，会使轮毂突出在轮眉外面，或者轮胎擦到外侧轮眉；4、中心孔，Center Bore（简称CB）或者HUB。 以CB73.1为例，是指轮毂中心孔的直径为73.1毫米。如中心孔比车轴直径小，则轮毂无法安装到汽车上，若中心孔比车轴直径大，可以通过配变径圈（也叫轴套环）来解决；5、轮毂表面状态/表面工艺（FINISH）：是指轮毂表面的处理方式，主要有3种：1、涂装。也就是烤漆。根据油漆的不同以及涂装工艺的不同，可分为银色，黑色，亚光黑，枪灰色，高亮银，高亮黑等；2、涂装车面/车边。就是涂装好的轮毂正面面或者轮缘/轮唇重新用车床把油漆车掉，露出亮亮的铝的金属色，然后再在表面喷一层保护用的透明漆。3、电镀，分为传统的水电度和真空电镀两种。2.2.3 汽车轮毂结构部位的重要参数A. 外径：从每个圆缘座的垂直高度（而不是轮圆量度的垂直高度）B. 宽度：每个圆缘座内缘的宽度（而不是外缘量度的宽度）C. 胎唇座：主要起到衬托胎缘的作用（其功能是束紧胎圈，可保证车行驶中胎压聚减时轮毂与轮胎也不脱离）D. Hump：主要起到支撑胎圈。因车辆在急转弯时，胎侧更容易弯曲，而轮毂肩部可防止胎缘内滑（子午线轮胎需要有肩形的轮毂）E. 凸緣形狀F. 总宽：轮毂侧面总宽G. 螺丝孔径：安装螺丝的孔径H. 螺丝孔中心直径（P.C.D）：轮毂螺栓之间假想圆形直径I. 轮轴孔直径：轮毂中心套入车轴之圆形开口J. 安装面：安装到圆盘内面的一面K. 轮胎组裝后中心：轮毂侧宽面的平分线L. 气门嘴孔M. 轮胎中心与轮圈安装面的距离（offset）：（1） 正偏位值 当安装面凹向轮毂外侧 此时的偏径为正数 叫正偏径值（2） 负偏位值 当安装面凸向轮毂外侧 此时的偏位为负数 叫负偏位值 注意： 改变偏径对车辆的影响如下（1）改变车辆轨迹和大王梢偏移（2）偏径减小增加圆盘轴承的载重量（3）改变操纵性能 偏径往外侧移 车辆开起来比较平稳图2-2 轮毂主要尺寸第三章 铝合金轮毂的三维造型设计轮毂的几何实体造型部分相当重要，它是进行轮毂有限元分析的基础环节，没有轮毂实体就不能进行轮毂的有限元分析。它直接关系到后续分析部分工作量的大小，甚至分析成功还是失败。我们知道，传统的轮毂生产流程是先进行轮毂的二维 图形设计，然后通过二维图形进行模具的设计。二维图形的各视图之间都是一一对 应的，稍有不注意就容易产生错误，并且也不直观没有立体感，不能进行有限元的 分析。所以，我们对轮毂采用三维实体建模。当前，三维实体建模主要有两种方法，一是采用专业扫描软件如对已有的实体进行扫描，然后对扫描后的点云进行处理，生成线、面、体。这就是逆向工程的原理。二是采用三维CAD/CAE软件对轮毂进行实体建模实体扫描虽然原理比较简单，操作起来比较方便，但是对于复杂体最佳扫描路径的选择非常困难，而且在对点云以及线、面、体的处理也相当困难。如果要得到 能够在有限元软件中进行分析的三维实体，就要付出很大的人力。所以，现在还是 一种新生事物，有待进一步开发。并且客户给我们提供的多数都是设计要求，没有成型的轮毂实体模型供我们进行扫描，除非是把合格的轮毂产品用于批量生产， 否则都要求我们进行实体设计工作。相比较而言，三维PRO/E软件己经有了长足的 发展，到目前己比较完菩，已被国内外广大用户所认可。多数三维PRO/E软件都能 拥有强大的几何实体造型的功能，而且不需要成型的实体模型进行参考，大大的提高了实体造型的灵活性。所以，本课题采用三维PRO/E软件对轮毂进行几何实体的建模。PRO/E是计算机辅助设计的简称，它是指在人的参与下，应用计算机及其外围设备去开发、分析或修改工程设计的任何形式的设计活动或工程。计算机辅助设计技 术是当今杰出的技术成就之一，它带来了设计与制造水平质的飞跃。它使工程设计 人员从繁重的绘图工作中解放出来，转向更为重要的创造性劳动，而且提高了工作 效率和产品设计质量，这对在现代市场经济中存在激烈竞争的产品是极为重要的。目前，在CAD市场上较为流行的三维CAD软件有高端的PRO/E、Ug等。其中高端软件都具有高速的数据处理 能力和数值计算能力，以适应大量的工程计算、有限元分析、机械运动分析及模拟 仿真的需求；具有较强图形处理能力，以适应设计与制造过程中二维及三维图形处理以及透视渲染、真实感图形处理、可视化、虚拟现实等种种高级图形处理技术的需求；还具有友好的操作界面，使用方便。而中端的两种软件也同样具有高端软件 的大多数功能，而且还具有界面友好、容易上手、易学易用等特点轮毂是汽 车的重要部件，对造型有很高的要求，因此我们需要用计算机辅助设计技术对其进行造型，以提高设计质量，缩短设计周期。在本课题中建立铝合金车轮的模型时， 使用了三维设计软件PRO/E进行铝合金轮毂的建模。因为使用PRO/E软 件具有很多的优点，其功能十分完善。并且PRO/E与有限元分析软件abaqus有着良好的接口程序，在PRO/E中的建立的模型，能直接以口如形式导入abaqus且修改工作量少，能更好的减少后续工作。在后续的轮毂模具加工环节 我们要用到数控机床，而的数控加工模块是其最为强大的模块之一，能够很容易的生成数控代码，改动工作量相当少。其他三维软件生成的数控代码与数 控机床之间的匹配有一定的难度。加之本人对PRO/E比较熟悉。所以本课题中的轮毂实体模型采用了 PRO/E建模。3.1 PRO/E概述Pro/Engineer操作软件是美国参数技术公司（PTC)旗下的CAD/CAM/CAE一体化的三维软件。Pro/Engineer软件以参数化著称，是参数化技术的最早应用者，在目前的三维造型软件领域中占有着重要地位，Pro/Engi