一种铝合金轮毂的设计

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汽车的安全性和可靠很大程度上撒于所用轮毂的性能和使用寿命。铝合金轮毂具有质量轻、散热快、减震性能好、安全可靠、外观美丽等优点，在汽车领域得到了广泛的应用I1。

目前，多数文献着重研究铝合金轮毂的金属成型工艺、疲劳寿命计算、有限元分析、建模仿真计算等 。然而，涉及铝合金轮毂设计与制造过程的文献较少。实际生产中，铝合金轮毂设计与制造是非常重要的-个方面，需要相关三维建模 、受力分析、机械加工等知识。

针对这-问题，以-种铝合金轮毂的设计为例，较为详细地阐述了铝合金轮毂的设计过程，包括轮毂设计和机加工余量设计等，为铝合金轮毂的加工制造奠定了基矗2轮毂的种类和结构按轮辋和轮辐结合形式的不同，轮毂可分为整体式和组合式，期中组合式又分为两片式车轮、三片式车轮和辐条式车轮三种。轮毂的结构，如图 1所示。

M odeling；Numerical Control. 来稿日期：2012-08-17基金项目：山东省自然科学基金(ZR2012CQ026。ZR2011EL038)；山东省高等学衅技发展计划项 目(J11LD16，J12LB63)作者简介：孙 群，(1979-)，男，山东人，博士，副教授，硕士生导师，主要研究方向：机器人技术第6期 孙 群等：-种铝合金轮毂的设计 55型供客户选择确定，还要考虑到装车时轮胎与轮毂的装配情况。

设计过程中要准确把握轮毂各个装配之间的关系，否则将会发生装车干涉，或无法装车。轮毂的相关的装配关系，如图 2所示。

1.轮辋与轮胎之间的装配 2.轮毂与装饰钉之问的装配3.轮毂与刹车钳之间的装配 4.轮毂安装面与车轴之间的装配5.轮毂螺栓孔与螺母之间的装配 6.轮毂螺栓孔与车轴之间的装配7.轮毂与装饰盖之间的装配 8.轮毂中心孔与车轴之间的装配9.轮毂气f]TL与气门嘴之间的装配 1O.轮毂与平衡块之间的装配图2轮毂装配关系示意图Fig.2 Schematic Diagram of the Hub Assembly Relationship3.2轮辋的设计轮辋俗称轮圈，是车轮周边安装轮胎的部件。轮辋规格代号，其名义宽度和名义直径用英寸表示。轮辋分为正向轮辋和反向轮辋。轮辋的选用主要根据车轮的形状、轮缘深度、装车情况等参数来确定。

3.3中间毂部分的设计33.1安装盘直径设计安装面为车轮与车轴之间的连接面，安装盘直径的设计要考虑两个连接面之间的配合问题。设计时应使车轮的安装盘直径比车轴上的连接面小-点。

3.3-2安装盘平面度设计考虑安装面的防松和螺栓的受力情况，安装面无螺栓孔沉孔结构时，安装面平面应向内凹，-般分三种情况设计：(1)安装面的平面度不超过 0.1mm，且不凸出；(2)从安装面边缘向中心孔 内凹0.2。的斜面，或从安装面边缘到中心孔倒角内凹(0.13-0.38)mln；(3)安装面加-防松槽，深度0.5mm。

3.3-3安装盘掏料及最小壁厚的设计安装盘的掏料及壁厚结构设计 ，如图 3所示。

图3安装盘掏料结构图Fig.3 The Setup Disk Material Structure Diagram安装盘的掏料尺寸及最小壁厚尺寸，如表 1所示。

表 1安装盘掏尺寸Tab.1 The Setup Disk Cut Size3.3.4多组螺栓孔的安装盘掏料设计对多组螺栓孔不共用模 芑：时，安装盘的掏料孔按螺栓孔组设计，如图4所示。

5H式 PCD孔中心盘面逃料设计(俗称五孔材)I I⑧- ， 、 L图4安装盘掏料孔按螺栓孔组设计Fig.4 The Setup Disk Digging Holes in the Bolt Hole Group Design3.4轮辐结构的设计3.4.1轮辐的设计原则车轮的轮辐设计需综合考虑：辐条数、辐条截面及梯度(强度、重量和顺序凝固)、刹车鼓的间隙、辐条背面掏料、窗口面积、小窗El的最许度、拔那度、最小圆角等因素。轮辐的设计应遵循以下原则：(1)从l车轮的平衡性考虑，辐条及窗口旧能设计成对称结构；(2)辐条背面机加工线与刹车干涉线的间隙最小为3mm；(3)辐条截面宽度和厚度，靠近轮辋端的辐条截面积最小，越靠近安装盘的辐条截面积就越大；(4)窗口及辐条侧面的拔模斜度最小为 8。；(5)辐条与轮辋连接处-般都存在局部过厚的情况，极易引起缩松，设计考虑旧能采用最旭度的结构；(6)对宽辐条中问开小窗口的轮型结构，设计小窗口时需考虑最窄部位的宽度应不小于 10mm。

3.4.2辐条背面掏料设计(1)辐条掏料的设计需考虑车轮的重量 、铝液顺序凝固的梯度、刻字位置；(2)辐条掏料的深度最小为 3ram；(3)对细窄类型的辐条结构，掏料宽度优先考虑刻字位置。

3.5车轮中心孔结构的设计中心孑L的设计主要考虑中 ，-fL与轴的装配、中-C，-fL与装饰盖的装配。-般，中心孑L的设计根据客户提供的中心孑L直径参数和该车型的装车曲线来确定。中心孔直径轴外径(0.3～0.5)mm。

56 机械设计与制造No.6June.2013确定中心孔深度时，考虑装饰盖与轴头不干涉的前提下，深度尺寸最小 ，以减小中间毂的厚度。

3.6铝合金轮毂的建模(1)根据客户的需求，大致设计出轮毂的主视图。

(2)做出轮毂的剖视图，主要是轮辐的形状、中间毂的形状、卡口结构、背面掏料等。

(3)将设计好的轮毂(DEG格式)转化成 DXF格式，DXF是Autodesk公司开发的用于 AutoCAD与其它软件之间进行 CAD数据交换的CAD数据文件格式，可以使用AutoCAD创建非常详细和精确的图表和图形。

(4)利用 AutoCAD2006打开做好的dxf文件，首先将剖视图三维旋转 90。，然后将主视图和剖视图分别导入 Pro/Engineer4.0，但是-定要保证轮毂的主视图和剖视图的中心点重合91。

(5)利用在 AutoCAD中做好的主视图和剖视图，在 Pro/E中建立轮毂模型，利用阵列、合并、实体化功能就能做出完整的轮毂，如图 5所示。

图 5轮毂模型Fig.5 The 3D Model of Alloy Wheel Hub4铝合金轮毂的制造4.1轮毂机Jm-r余量的设计4.1.1安装盘和轮辐背面的机加余量设计车轮安装盘和轮辐背面的机加余量的设计原则为：(1)机加余量能有效的消除毛坯轮盘塌陷变形带来的误差：(2)机加余量能有效的消除模具顶杆带来的表面凹坑；(3)机加余量能有效的消除轮辐背面的飞边；(4)机加余量能保证铝液有足够的铸造流道和铝液顺序凝固。

表 2安装盘和轮辐背面的机加余量Tab。2 The Setup Disk and Spoke on theBack of the Machining Alowance4.1-2轮辋的机加余量设计车轮轮辋机加余量的设计原则为：(1)符合上下模及侧模的拔模要求，保证毛坯能容易脱模和减少毛坯变形；(2)符合轮辋部位在凝固过程中的铝液补缩要求；(3)符合轮辋的顺序凝固原理，从结构上能保证铝液从轮辋两端向轮辐顺序凝固；(4)余量设计能够有利于铝液的平稳流动，减少紊流现象的出现；(5)在-定程度上能消除毛坯变形误差带来的影响。

表 3轮辋的机加余量Tab.3 The Rim of the Machining Alowance序号 轮辋 机加余量. D：轮辋和轮辐 余量应小于3mm，防止机加交接处机加余量 过深而使缩孔等缺陷外露E：轮辋内侧 轮辋末端机加余量为 1.5mm，的机加余量 以(O.3-0-4)补缩梯度向轮辐交界处递增。

，：轮辋外侧的 ，.<机加余量 1 L . G：轮辋外侧的 对深轮缘结构，轮辋外侧除了设计 1.Smm余量外，机加余量 2 还要以(0.4"-0.6)。补缩梯度向轮辐交界处递增。

4.1.3车轮表面的机加余量设计车轮表面机加余量的设计原则：(1)机加余量能确保消除毛坯变形带来的影响；(2)机加余量不能过大以减少铸造缺陷的外露；(3)对辐条正面车亮面时，为避免应力集中和尖角腐蚀，角度 视 角的大小而定 ，-般为(30 50)。。

表4车轮表面的机加余量Tab.4 The W heel Surface Machining Alowance序号 车轮面 机加余量4.2车轮表面粗糙度的设计车轮表面的粗糙度按照如表 5所示设计。

表 5车轮表面的粗糙度要求Tab.5 The Wheel Surface Roughness Requirements4.3轮毂的机/j-r编程Mastercam是美国某公司开发的基于PC平台的CAD/CAM软件。Mastercam具有强劲的曲面粗加工及灵活的曲面精加工功能。采用 Mastercam为设计好的铝合金轮毂进行编程。

5结论(1)详细介绍了铝合金轮毂的设计过程，建立了铝合金轮毂的三维模型。

(2)根据铝合金轮毂的制造工艺，设计了各部分的机加工余量，并 Mastercam软件进行了加工编程。

No.6June.2013 机械设计与制造 57在此基础上，可以加丁出铝合金轮毂，并进行相关的试验。