汽车车轮轻量化技术：理论与应用

　　本书以车轮轻量化技术研发为主线，在讨论车轮共性评价与测试技术、共性设计与分析技术的基础上，详细阐述了轻量化铸造铝合金车轮、锻造铝合金车轮、高强度钢车轮、热成形钢车轮、镁合金车轮、新兴轻量化车轮等的最新设计、工艺技术，并对未来车轮轻量化技术的发展及应用路线图进行了探讨。 本书由长期从事车轮研发的高校教师、车轮材料/ 制造企业或研发机构的专业技术人员、汽车整车企业的工程师以及行业资深专家联合编写，汇集了目前我国在汽车车轮轻量化领域最新的技术和进展，并在车轮轻量化的理论方法、前沿技术和工程应用方面均有较深入的分析，具有较强的实用性。 本书主要面向汽车工业及汽车车轮产业相关的设计开发人员、工艺技术人员和管理人员，以及高等院校及科研机构相关专业的研发人员和学生。

　　徐佐，1987年毕业于昆明理工大学金属学及热处理专业，2009年获中国人民大学EMBA学位，研究员。现任中国中信集团有限公司副总经理兼总工程师，兼任中信戴卡股份有限公司和中信金属集团有限公司董事长，第十三届全国人大代表。金属材料专家，三十余年专注汽车铝合金零部件的新材料、新工艺及产业化基础与应用研究，先后获国家科技进步二等奖1项、省部级科技进步一等奖2项，获“全国五一劳动奖章”“全国优秀企业家”等荣誉。刘献栋，工学博士，北京航空航天大学教授，博士生导师。先后毕业于吉林工业大学和北京航空航天大学。长期从事汽车结构强度分析及轻量化、汽车系统动力学、汽车振动与噪声控制等领域的研究和开发。主持国家级、省部级以及企业科研项目50余项，发表论文180余篇，合作出版英文专著2部、中文专著1部，获发明专利近20项，获国家科技进步二等奖及省部级科技进步奖4项。兼任中国汽车工程学会振动噪声分会专家委员会委员、北京汽车工程学会常务理事等。

第1章  车轮轻量化技术发展
1.1　汽车轻量化    002
1.1.1　乘用车轻量化    003
1.1.2　商用车轻量化    004
1.2　车轮轻量化与整车性能的关系    004
1.2.1　底盘轻量化对整车性能的影响    004
1.2.2　车轮轻量化对整车性能的影响    006
1.3　汽车车轮的分类及特征    007
1.4　汽车车轮及其轻量化发展历程    008
1.4.1　汽车车轮发展历史    008
1.4.2　中国车轮轻量化的发展及行业推动    009
1.5　汽车轻量化车轮的最新进展    010
1.5.1　铝合金车轮    010
1.5.2　高强度钢车轮    011
1.5.3　镁合金车轮    013
1.5.4　复合材料车轮    013
1.6　我国车轮企业的轻量化技术状况    014
本章小结    016
参考文献    016

第2章  轻量化车轮的共性评价及测试技术
2.1　车轮弯曲疲劳试验要求及测试评价    018
2.1.1　乘用车车轮弯曲疲劳试验要求及试验方法    019
2.1.2　商用车车轮弯曲疲劳试验要求及试验方法    020
2.2　车轮径向疲劳试验要求及测试评价    021
2.2.1　乘用车车轮径向疲劳试验要求及试验方法    022
2.2.2　商用车车轮径向疲劳试验要求及试验方法    023
2.3　车轮冲击性能要求及测试评价    023
2.3.1　乘用车轻合金车轮13°冲击试验    024
2.3.2　乘用车轻合金车轮90°冲击试验    025
2.3.3　商用车轻合金车轮30°冲击试验    028
2.4　车轮双轴疲劳试验及测试评价    029
2.4.1　车轮双轴疲劳试验机    030
2.4.2　乘用车车轮双轴疲劳试验及测试评价    031
2.4.3　商用车车轮双轴疲劳试验及测试评价    033
2.5　车轮刚度测试及评价方法    038
2.5.1　车轮静态弯曲刚度试验方法    038
2.5.2　商用车15°深槽钢制车轮静态刚度试验方法    041
2.6　车轮其他要求及测试评价    042
2.6.1　汽车车轮螺母座强度试验    043
2.6.2　汽车车轮固有频率试验方法    044
2.7　车轮测试方法展望    046
本章小结    047
参考文献    048

第3章  轻量化车轮的共性设计及分析技术
3.1　车轮结构的模态分析    050
3.1.1　车轮模态的试验测试    050
3.1.2　车轮模态的仿真    054
3.2　不同载荷工况下车轮性能仿真的共性问题    055
3.2.1　车轮材料的非线性    055
3.2.2　螺栓预紧力的计算    056
3.2.3　车轮应力状态的分析    057
3.2.4　车轮疲劳寿命预测方法    058
3.3　车轮弯曲载荷的施加方式    061
3.4　径向载荷作用下车轮结构强度仿真分析    062
3.4.1　余弦函数模型    063
3.4.2　弹性圆环模型    063
3.4.3　胎-轮间载荷分布的测试与分析    065
3.4.4　简化的均质轮胎模型    069
3.4.5　复合结构轮胎模型    069
3.4.6　车轮在径向载荷作用下的强度仿真模型    071
3.5　冲击载荷工况下车轮强度分析    072
3.5.1　乘用车车轮在13°冲击载荷下的强度分析    073
3.5.2　乘用车车轮在90°冲击载荷下的强度分析    075
3.6　双轴载荷工况下车轮强度分析    077
3.6.1　采用内转鼓的商用车车轮双轴疲劳试验仿真方法    078
3.6.2　采用外转鼓的乘用车车轮双轴疲劳试验仿真方法    080
3.7　车轮结构的拓扑优化设计    082
3.7.1　车轮结构拓扑优化的特点    083
3.7.2　连续体多目标拓扑优化理论    083
3.7.3　车轮结构拓扑优化的实例    085
3.8　车轮结构的参数优化设计    088
3.8.1　车轮参数优化的特点    089
3.8.2　车轮参数优化的常用方法及基本流程    090
3.8.3　车轮参数优化实例    092
本章小结    094
参考文献    094

第4章  轻量化铸造铝合金车轮
4.1　铸造铝合金车轮常用材料及其技术要求    099
4.1.1　A356铸造铝合金    099
4.1.2　铸造铝合金熔炼工艺及铝液质量控制    108
4.1.3　铸造铝合金前景与展望    108
4.2　铸造铝合金车轮成型工艺    109
4.2.1　低压铸造工艺    110
4.2.2　铸造铝合金车轮模具设计    112
4.2.3　铸造铝合金车轮的常见缺陷及其应对措施    120
4.2.4　铸造仿真在铝合金车轮工艺与模具开发中的应用    121
4.3　铸造铝合金车轮热处理    125
4.3.1　热处理中组织演变机理    125
4.3.2　热处理工艺    127
4.3.3　热处理质量检查及常见缺陷的控制    128
4.4　铸造轻量化铝合金车轮典型案例    130
4.4.1　轻量化车轮结构设计    130
4.4.2　轻量化车轮工艺开发    131
4.4.3　台架试验及仿真验证    133
本章小结    135
参考文献    135

第5章  轻量化锻造铝合金车轮
5.1　锻造铝合金车轮的材料、组织及性能    138
5.1.1　原材料生产工艺、组织及性能    138
5.1.2　锻造铝合金车轮的组织与性能    142
5.1.3　锻造铝合金车轮疲劳性能    145
5.2　锻造铝合金车轮制造工艺    148
5.2.1　锻造铝合金车轮的生产工艺流程    148
5.2.2　锻造铝合金车轮生产准备    148
5.2.3　锻造铝合金车轮成型工艺    150
5.2.4　锻造铝合金车轮热处理工艺    150
5.2.5　锻造铝合金车轮的质量检验    154
5.3　锻造铝合金车轮轻量化技术    155
5.3.1　锻造铝合金车轮的材料轻量化    155
5.3.2　锻造铝合金车轮的制造轻量化    156
5.3.3　锻造铝合金车轮的结构轻量化    157
5.3.4　锻造铝合金车轮的表面强化技术    158
5.4　案例分析    160
5.4.1　商用车锻造铝合金车轮轻量化的典型案例    160
5.4.2　乘用车锻造铝合金车轮轻量化的典型案例    162
本章小结    165
参考文献    166

第6章  轻量化钢制车轮
6.1　高强度车轮钢的开发及性能    168
6.1.1　车轮钢的分类    169
6.1.2　高强度轮辐专用钢    170
6.1.3　高强度轮辋专用钢    171
6.2　钢制车轮的轮辐成形工艺及其仿真    171
6.2.1　轮辐成形工艺    172
6.2.2　乘用车轮辐冲压工艺仿真    174
6.2.3　商用车轮辐旋压工艺仿真    178
6.3　钢制车轮的轮辋成形工艺及其仿真    180
6.3.1　轮辋成形工艺    180
6.3.2　轮辋关键成形工艺的仿真    182
6.4　轻量化钢制车轮的焊接工艺    188
6.4.1　高强钢轮辋闪光对焊接头的组织结构特点    188
6.4.2　闪光对焊工艺参数对接头质量的影响    191
6.4.3　提高高强钢焊接接头质量的措施    195
6.4.4　轮辋与轮辐的合成焊接    198
6.4.5　轮辋与轮辐合成焊接的仿真及验证    200
6.5　商用车钢制轻量化车轮案例    205
6.5.1　某款商用车钢制轻量化车轮    205
6.5.2　某款非公路用商用车钢制轻量化车轮    210
6.6　乘用车钢制轻量化车轮案例    215
6.6.1　大通风孔钢制车轮的研发背景及目标    215
6.6.2　轮辐的材料组分    216
6.6.3　大通风孔钢制车轮的结构选型及性能预测    217
6.6.4　大通风孔钢制车轮的工艺及试制    218
6.6.5　大通风孔钢制车轮的台架试验及路试情况    222
本章小结    224
参考文献    224

第7章  热冲压成形超高强钢轻量化车轮
7.1　热冲压成形车轮用钢的开发和性能要求    227
7.1.1　高淬透性、高抗氧化性的热成形用钢    228
7.1.2　铌微合金化高强韧性细晶粒热成形钢    228
7.1.3　铌-钒复合高氢脆抗力热成形钢    229
7.1.4　超高强微合金化热成形钢    232
7.1.5　微合金高强韧性中锰热成形钢    236
7.1.6　1500MPa级热轧态热成形车轮钢    236
7.2　热成形钢的组织细化与强韧性匹配    239
7.3　热成形钢的疲劳    242
7.3.1　不同状态下22MnB5热成形钢的疲劳特性    242
7.3.2　损伤容限和显微组织对疲劳抗力的影响    243
7.4　抗氢脆热成形车轮专用钢的开发    246
7.4.1　钢中氢的来源、扩散和氢引起的断裂    246
7.4.2　氢脆机理及提高超高强度钢延迟抗力的方法    248
7.5　超高强度钢热成形轻量化车轮优化设计案例    252
7.5.1　超高强钢热成形车轮的受力分析和优化设计    252
7.5.2　热成形轻量化车轮的刚度分析和优化设计    257
7.6　热成形轻量化车轮的制造工艺    259
7.6.1　车轮的热成形工艺    259
7.6.2　热冲压成形车轮的连接工艺    260
7.7　热冲压成形轻量化钢制车轮典型案例    261
7.7.1　热冲压成形轻量化钢制车轮    261
7.7.2　热冲压成形轻量化钢制车轮道路验证    263
本章小结    264
参考文献    264

第8章  轻量化镁合金车轮
8.1　轻量化镁合金车轮概述    270
8.2　轻量化镁合金车轮用材料的开发    270
8.3　轻量化镁合金车轮的制造工艺    273
8.4　轻量化镁合金车轮的防护处理及评价    275
8.4.1　镁及镁合金腐蚀原理    275
8.4.2　镁合金车轮的防护措施    276
8.5　轻量化镁合金车轮的安全生产与防护    278
8.5.1　镁及镁合金发生燃烧的化学反应机理    278
8.5.2　镁合金车轮安全生产要求    278
本章小结    279
参考文献    279

第9章  新兴轻量化车轮
9.1　连续碳纤维增强热固性复合材料车轮    282
9.1.1　连续碳纤维增强热固性复合材料车轮的结构优化    284
9.1.2　连续碳纤维增强热固性复合材料车轮的制造工艺    284
9.1.3　连续碳纤维增强热固性复合材料车轮的发展趋势    286
9.2　长纤维增强热塑性复合材料车轮    286
9.2.1　长纤维增强热塑性复合材料的相本构模型反演    287
9.2.2　长纤维增强热塑性复合材料车轮性能联合仿真方法    289
9.2.3　长纤维增强热塑性复合材料车轮的试制及测试结果    293
9.2.4　长纤维增强热塑性复合材料车轮的研发展望    294
9.3　机械连接镁/铝合金组装式轻量化车轮    296
9.3.1　轮辐结构拓扑优化设计    296
9.3.2　组装式车轮多目标优化设计    298
9.3.3　胶栓复合连接镁/铝合金组装式车轮疲劳性能分析    304
9.3.4　压铆连接镁/铝合金组装式车轮疲劳和冲击性能分析    308
本章小结    314
参考文献    315

第10章  车轮及其行业展望
10.1　国家战略及汽车行业发展趋势对车轮及其产业的影响    319
10.1.1　“双碳”目标对车轮及其行业的影响    319
10.1.2　新能源汽车的需求对车轮及其行业的影响    320
10.1.3　安全及智能化对车轮及其行业的影响    322
10.1.4　国际化对车轮及其行业的影响    323
10.2　汽车车轮未来发展及应用路线图    323
本章小结    326
参考文献    327