汽车轮毂材料轻量化与造型设计
随着汽车持有量的快速增长，环境污染及能源消耗问题日益严重，对社会可持续发展造成了不利影响。面对这种情况，我国在“中国制造2025”中明确提出了汽车轻量化目标，要求对汽车结构进行优化，积极选用轻量化材料。而轮毂轻量化是汽车轻量化的重要组成，轮毂材料、加工工艺与造型设计等因素影响到轮毂轻量化的实现。因此，在汽车轮毂轻量化研究中，需将材料选择、加工工艺、造型设计等作为关注的重点。
1汽车轮毂材料类型及特性
1.1碳素钢与球墨铸铁
早期国产轿车、低端日系车中经常使用碳钢轮毂，此种轮毂具有十分简单的制造工艺，不需要较高的成本，具有较强的抗疲劳能力。碳素钢与球墨铸铁 材料具有较大的密度，导致轮毂容易产生较大的惯性阻力，随之提升了汽车燃油率。同时，碳钢轮毂缺乏良好的抗腐蚀能力，生锈问题经常出现。
1.2铝合金
铝合金轮毂在现代国产汽车、主流德系汽车中应用较多，由于其不需要较高的造价成本，目前应用十分广泛。铝合金轮毂具有较强的导热性，和传统碳钢材料相比，铝合金轮毂质量较轻，拥有更好的散热性。铝合金轮毂具有相对较小的惯性阻力，高速行驶过程中轮胎阻力随之降低，可促使汽车油耗得到减少。和碳钢材料相比，铝合金具有较高的导热系数, 不但汽车制动性能得到增强，轮胎、制动碟刹的使用寿命也可得到延长。
1.3镁合金
近年来，镁合金轮毂逐渐被应用于乘用车中，其具有良好的力学性能与较轻的质量。与普通轮毂相比，镁合金轮毂的散热性能更佳，通过优化轮毂结构，可向空气中快速排出制动系统产生的热量。同时，镁合金轮毂在造型设计方面的发挥空间较大，通过加宽设计镁合金轮毂轮胎，可促使汽车的前进抓地力、刹车有用功以及汽车操控性得到增强。由于镁合金轮毂的质量较轻，这样汽车整体质量能够得到降低，随之减少汽车行驶油耗。镁合金轮毂能够对汽车行驶颤动进行吸收，促使汽车行驶平稳性得到提升。但需要注意的是，铝合金轮毂具有较为复杂的加工工艺和较高的造价成本，且容易出现腐蚀问题。另外，与传统合金材质相比，镁合金具有相对较低的弹性模量，如果轮毂形变没有超出极限范围，将会快速恢复，促使汽车震感得到降低。与碳钢材料相比，镁合金结构具有数倍以上的弹性可恢复变形量。即便汽车行驶路面不够平整，铝合金轮毂依然可以将其抗颠簸优势体现出来。
1.4碳纤维及其他材料
碳纤维复合材料由于造价成本较高，通常在赛车轮毂中应用。与其他材料相比，碳纤维复合材料具有更轻的质量和更好的抗疲劳性能，其振动阻尼特性较为特殊，不但行驶噪音可以得到降低，而且修理损伤的难度更小。通过汽车轮毂中应用碳纤维复合材料，轮毂质量可以进一步减轻。近年来，钛合金材料在汽车刹车零部件、轮毂改装等领域也得到了应用，钛合金的耐高热、耐低温等优势明显，但具有较为复杂的加工工艺，批量生产难以实现。
2汽车轮毂加工工艺及表面处理技术
2.1加工工艺
第一，锻造工艺。此种工艺先预备锻造合金材 料，锻造温度控制在300℃~ 400℃之间，支护利用锻压机塑形处理金属材料，依据相关方案改变金属材料的形状。结合实践表明，锻造工艺具有较高的加工效率，但存在着较多的生产工序与较高的成本。
第二，铸造工艺。铸造工艺的类型众多，不同工艺具有差异化的特点。重力铸造较为传统，利用重力、填充等工艺改变液体金属的形状。此种生产工艺的难度较小，批量化生产可以顺利实现，但难以保证产品内部质量，容易出现严重的缩孔缩松问题，目前基本上不再使用。低压铸造是在低压模式下实施浇注工序，可将具备较高质量的轮毂大批量生产出来。相较于以往的重力铸造工艺，此种方式难以高效利用金属熔化液体，具有较高的生产成本。现阶段，低压铸造工艺获得较快发展，能够有效保证产品质量。挤压铸造融合了铸造与锻造工艺，将两种工艺的优势集中起来，不需要较高的成本，但需利用精密加工仪器对轮毂造型进行完善。
第三，3D打印。锻造、铸造等加工工艺 具有较高的温度，对钛合金的使用造成了很大程度的限制。近年来，3D带引技术逐渐成熟，为钛合金轮毂加工提供了良好的条件。3D打印技术的快速成型优势明显，具有较大的发展潜力。就现阶段来讲，钛合金材料主要在汽车零部件生产中应用，涵盖材料挤出型、粉末熔融型、粘结喷射型等多种工艺。相较于传统工艺技术，3D打印技术可对零部件定制成本、小批量加工成本等进行控制，但3D材料价格昂贵。
2.2表面处理
通过将表面处理技术应用于汽车轮毂生产中，可促使轮毂耐腐蚀性以及造型美观性得到提升。现阶段，主要有这些表面处理技术：
第一，烤漆。烤漆工艺的经久耐用优势明显，不需要较高的成本，但会在很大程度上破坏生态环境。目前，在乘用车轮毂修补方面经常会使用烤漆工艺。
第二，喷涂。此种工艺由前期处理、喷粉、喷漆等工序组成，可促使合金材质的抗腐蚀性得到增强，且乘用车轮毂的耐污渍能力也可得到提升。
第三，电镀。此种工艺由水电镀与纯电镀两种类型组成，环保优势明显，且腐蚀性能优良。水电镀的成本相对较低，但表面光泽的保存时间较短。纯电镀工艺具有相对较高的价格，但轮毂表现光泽可长时间保存。第四，水转印。此种工艺借助于活化剂与水的压力溶解转移水转印载体薄膜上的剥离层，具有较强的环保性。
3汽车轮毂的造型设计
3.1轮毂造型设计的内容
第一，结构造型设计。通常情况下，可从轮辋和轮辐两个方面划分汽车轮毂结构造型设计的内容。现阶段，轮辆主要采用充气内胎、无充气内胎两种方式安装轮胎，轮辆可对汽车质量直接承载，直接决定到轮毂强度。轮毂轮辐部分具有不同类型的形状，辅助性支撑车身强度。同时，通过科学设计轮辐造型，可促使汽车整体美观度以及品牌辨识度得到提高。
第二，外观造型设计。轮毂材料加工工艺直接影响到汽车轮毂的外观造型设计，轮辋和轮辐决定着轮毂的造型，轮毂外观又会对汽车美观性、辨识性等产生影响。以劳斯莱斯为例，其一直沿用双R轮毂标识，将此品牌轮毂的辨识性彰显出来。其中，轮辐的造型设计在很大程度上决定着轮毂外观造型美观度，现阶段，轮辐的造型方式逐渐增多，涵盖纹理装饰式、移花接木式、标准发散式等多种类型。通过科学设计轮毂造型，可促使汽车美观度得到提高。
3.2不同材料轮毂的造型设计
第一，碳钢轮毂。与其他材质相比，碳钢轮毂具 有较大密度、简单造型、良好强度以及较低的价格成本等优势，但缺乏足够的刚性，无法轻易改变轮毂造型，影响到轮毂的美观性。在汽车轮毂生产制造中, 往往会对轮辆厚度进行增大，这样虽然能够提升汽车支撑力，但会随之加大碳钢轮毂的质量，降低轮毂散热性。面对这种情况，国内研究者将异种钢材组装式车轮设计出来，此种车轮的内轮螭与外轮辆分别采用热压高强钢与低碳钢材料，不仅设计寿命要求得到满足，还可有效减轻轮毂质量。但相较于目前广泛应用的铝合金轮毂，此种轮毂依然存在着较多的不足。为促使钢轮毂的美观性得到改善，设计师往往利用塑料装饰罩遮挡碳钢轮毂。
第二，铝合金轮毂。此种材质的轮毂具有灵活多样的生产加工工艺，纤细的网状造型与立体造型可以便捷实现。在铝合金轮毂锻造生产中，不但能够保证其镂空程度，还不会影响到轮毂刚性。相较于钢轮毂，铝合金轮毂较为轻便，目前在汽车生产中应用十分广泛。铝合金轮辆具有较大的成形力，国内研究者已将空心坯料反挤压成形技术研发出来，不但这一问题得到有效解决，还可以大幅度降低轮辋质量。同时，针对铝合金轮毂结构复杂等问题，可先分开设计轮辆与轮辐，再组合装配二者，这样能够减小轮毂断面梯度变化，促使铝合金轮毂制造工艺难度、成本等得到降低。铝合金轮毂材料质量、加工工艺等是影响轮毂价格的主要因素。现阶段，消费者对汽车的要求日趋提升，在关注汽车安全性能的基础 上，也十分重视汽车的造型美观性，而轮毂造型会对整车造型产生直接影响。就目前来讲，铝合金轮毂主要采用单幅式与双幅式结构。单幅式轮毂具有相对较宽的轮辐和较少的轮辐数目，存在着较大的基本骨架。三幅式、四幅式轮毂一般会密集排列轮辐，与动物利爪较为类似。
第三，镁合金轮毂。镁合金材料具有较轻的质量，利用镁合金材料制作轮毂，提升轮毂 的强度、散热性与阻尼减震性能，且能够回收利用废 旧轮毂，有利于实现汽车轮毂轻量化目标。国内团队利用轻量化镁合金轮毂对电动汽车的原有产品进行替代，发现能够降低20%左右的汽车能耗，具有十分显著的经济效益。同时，镁合金龙骨具有更加多变与精致的外观，可促使汽车档次得到提高。但镁合金轮 毂也存在着诸多的缺点，如造价成本较高，腐蚀概率更大等。近年来，随着镁合金加工技术的快速发展, 将会逐一克服镁合金轮毂的缺陷，如缺乏良好耐腐蚀性等。
第四，碳纤维轮毂。此种轮毂的造型灵活多变，视觉效果十分酷炫。同时，利用碳纤维材料制作汽车轮毂，可促使汽车行驶中车轮的径向惯性力得到显著降低。与其他材质的轮毂相比，碳纤维轮毂结构尺寸具有良好稳定性、较强设计性等优势，目前已成为汽车轻量化研究的重要方向。但碳纤维轮毂具有复杂的加工工艺和较高的造价成本，且缺乏理想的散热性能，现阶段主要在高昂赛车上应用，在大众汽车品牌中应用较少。
4结语
综上所述，汽车整车轻量化的实现，受汽车轮毂轻量化的直接影响。在汽车轮毂轻量化研究中，一方面要考虑轮毂使用的材料材质，另一方面要结合材料材质选用适宜的造型设计方法。在未来发展过程中， 汽车轮毂材料类型将会逐渐增多，加工工艺也会日趋成熟，进而在较大程度上推动汽车轮毂轻量化的实现，促进汽车生产制造业的整体发展。
转载来源：轻量化联盟，来源：《汽车知识》，作者：林斌
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