汽车车轮

汽车车轮在前一节里，我们了解到了车身底盘材料钢结构的选用情况及相关知识。本节中，让我们的视角转向汽车底盘中另一重要结构——车轮。汽车车轮承受着车辆的垂直负荷、横向力、驱动（制动）扭转力和行驶过程中外界所产生的各种力，同时，它是高速回转运动的零件，要求尺寸精度高、不平衡度小、支撑轮胎的轮辋外形准确、质量轻，并有一定的刚度、弹性和耐疲劳性。简而言之，汽车车轮的工作状况非常严酷。因此要求车轮具有足够的负载能力及速度能力、良好的缓冲性和气密性、良好的均匀性和质量平衡性和装饰性、尺寸精度高、质量小、价格低、拆装方便、互换性好等特性。所以，车轮材料的选用、车轮结构和制造工艺与上述要求密切相关，是决定车轮性能好坏的关键因素。1.1我们经常在文章中看到这样的字眼——“历史的车轮”，在了解汽车车轮选用材料之前，也让我来认识一下“车轮的历史”。说起人类利用圆圆的车轮来代步的历史，即可说轮子出现的很早，也可说出现的很晚。在距我们久远的《诗经》中，就有关于车的的记载，“载驰载驱，归唁卫侯”——《墉风》。但比起整个人类史来说，可算做短短的一瞬间，如昙花盛放般短暂。不要说车轮，在170万年之前，我们没有发现任何呈圆形的任何工具。可以说我们的祖先很长的一段时间，就不会运用圆，只知道月亮每一段时间呈现一种均匀的形状，或者把石头抛进水里时，水面会出现跟月亮一样形状的波纹。说到圆形车轮的诞生，要追溯到公元前3300年左右，在现在称为伊拉克的两河流域，苏美人受到制陶器用的转轮的启发，制造出了用4个木轮组成的战车，这才开启了人类使用车轮的历史大门。公元前3000年时，埃及、欧洲、伊朗、印度也都出现了马拉战车、运输车、狩猎车和祭祀用车。公元前2000年时，我国也出现了装有车轮的轻型的马拉车。公元前1400年时，车上装有包金皮革顶棚的两轮狩猎车和战车出现。公元前1350年前后，为防止磨损，埃及法老图坦哈门的战车轮子上包上了皮革。从此，人类开始了尝试减少车轮磨损以及车辆颠仆的摸索与尝试。公元前1300年，在欧洲有辐条的车轮出现。公元前1250年，中国出现了带辐条的车轮。公元前700年，亚述人在战车轮子上加了一层木料。公元前100年，塞尔特人的战车和货车都装有铁轮箍，走起来吱呀乱响，车辆剧烈颠簸。1835年，美国的古德伊尔发明了橡胶。1845年，苏格兰有一位土木工程师汤普森，他申请了《改善车辆的车轮》的专利。专利说明书上写道：“车轮的内胎，是用弹性硫橡胶或者杜仲胶制成的一层膜覆以胶布制成管状，再套上几层筒状胎皮而成，最后用螺钉固定在车轮上。”这就是空气轮胎。1846年，汤普森的专利公开后，引起人们的极大兴趣。把富有弹性的内胎放在外胎之内，充入空气，增加了弹性和硬度。此后，汤普森的轮胎在马车上进行试验，结果在平滑道路上的效率提高60％，不平道路上提高30％，车子行驶毫不费力。遗憾的是，开始时的橡胶轮胎是手工制造，价格昂贵，而且轮胎安装在车轮上还需数十只螺钉，很难更换，几年之后，这种轮胎便销声匿迹了。1846年，英国橡胶商汉考克用硬质橡胶做了一副实心轮胎，套在木轮外的铁轮缘上，轮胎有1.5英寸宽、1.25英寸厚，比铁轮胎的噪声小，抗震力高，深受骑自行车人士的欢迎。1870年，英国的自行车几乎都安装上了橡胶轮胎。1887年的一天，苏格兰的一位兽医邓禄普，在看10岁儿子骑车，当时车胎用的是院子中浇水的水管，里面放满水。邓禄普的家庭医生建议他在轮胎中充入空气。于是邓禄普开始制做一种新轮胎，用橡胶做内胎，外边包上亚麻布，装在木制的车轮上，用空气泵给轮胎打气。1888年2月28日，邓禄普给三轮自行车的后轮装上了两个新式轮胎，这就是新发明的空气轮胎。此后，他与埃德林公司签了合同，使用空气轮胎生产比赛用自行车。后来邓禄普放弃兽医职业，建立轮胎制造厂，接着他又研制出易装卸的轮胎，使空气轮胎具有了真正的实用价值。古代车字均突出轮的形象，例如甲骨文与金文车字：自行车轮子的演化1895年，爱德华·米其林驾驶一辆装有空气轮胎的普戈特车参加了巴黎至波尔多的汽车比赛。结果，在19辆赛车中，名列第九。米其林公司以自身的成功。向世界宣告了第一辆空气轮胎汽车的问世。1902年7月，又出现了世界第一辆使用空气轮胎的卡车。这辆德国制造的车自重1.5吨，每天往返于伦敦和克拉肯韦尔·罗德的仓库。20世纪初，几乎所有汽车均改用气胎，而不再使用实心橡胶胎了。1937年，法国米其林公司研制成功了子午线轮胎，这是人们在30年代经过多次研究和试验才造出来的。其优点是极大地改善了轮胎在行驶方向的稳定性，是一种使胎冠和胎侧功能有所不同的汽车轮胎。这种轮胎于1946年6月4日获得专利。1981年，英国邓禄普公司发明了一种新颖轮胎，叫做“Denovo”。这种汽车轮胎具有如下优点：在发生轮胎穿孔时仍可继续行驶，且轮胎不会从轮辋上脱出，胎冠内表面涂有聚凝胶，既是密封剂，又是润滑剂。因此，汽车瘪胎情况下仍能保持平均每小时80公里的速度行驶2小时而轮胎完好无损。这种轮胎拆装方便，安全寿命可达10─15万公里。车轮的起源及演变的历程，如同浮现在我们面前的一幅生动的场景图，让我们清晰地看到：人类大脑是创造奇迹的根源，新型材料是实现奇迹的基础，“人”与“物”的完美结合，才会让人类过上更美好的生活。1.2在历史这条康庄大道上，汽车车轮一路滚来，我们也了解到了车轮的发展，同时我们也认识到车轮材料的演化过程。20世纪末，人类进入信息时代，人们对轮子的需求更加多元化，材料也更加多样。下面我们再来详细了解一下，在现代社会中，汽车车轮的材料选用问题。1.2.1所谓“知其然，更要知其所以然”，首先让我们了解一下汽车车轮的相关知识，这样在我们学习车轮材料选用的道路上会起到事半功倍的效果。我们一般认为汽车车轮是一个整体结构，可实际上它有两部分组成：金属车轮与轮胎。车轮与轮胎合称车轮总成。车轮与轮胎的功用是：支承整车；缓和来自路面的冲击力；产生驱动力、制动力和侧向力；产生回正力矩；承担越障提高通过性的作用等。车轮是介于轮胎和车轴之间承受负荷的旋转金属组件，主要由轮辋、轮辐和轮毂组成。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（这两种材料制造的车轮所占市场份额为95％）。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。近年来，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。究其原因，虽然钢制车轮在低成本和安全性方面较铝合金车轮具有很大的优势，所以，目前的载重汽车车轮大部分是钢材制造的。但钢制车轮的缺点也是非常明显的，钢材的加工成型性能和制造工艺决定了钢轮难以做到铝合金车轮那样的结构和外形多样化。同时，由于钢车轮质量大，制造和使用钢车轮消耗的能量都比铝制车轮大得多。据统计，小、中型车（如轿车、SUV等）使用铝合金车轮的比例现已高达90％以上。铝合金车轮与钢轮相比，具有如下明显的优势：（1）美观、舒适和节能等优势；（2）非载荷质量小，从而提高了抓地性表现出更为精确的转向动作和更好的转弯性能；（3）惯性小，改善了加速性和制动性；铝合金具有良好的导热性能，提高了制动系统的散热性能，大幅度降低了由高热导致的制动失灵。除此之外，铝合金车轮还有耐腐蚀、成形性好、减震性能好、轮胎寿命长、尺寸精确、平衡好、加工精准、材料利用率高等显著优点，符合现代汽车安全、节能、环保三大主题的要求。这对降低汽车自重、减少油耗、减轻环境污染与改善操作性能等有着重大意义，因此铝合金已成为汽车车轮的首选材料车轮材料的化学成分(质量分数)为：1.5%～3.5%的Cu,10.5%～12.0%的Si,＜0.3%的Mg，＜1.0%的Zn，＜0.5%的Mn，＜1.3%的Fe,＜0.5%的Ni,＜0.5%的Sn，其余为Al。力学性能要求：σb＞276MPa,σs＞115MPa,σ＞4.4%,HB＞92。近年来，面对替代品的渗透和挑战，国际钢轮行业在技术方面进行一系列的革新，包括：（1）新材料微合金钢HSLA，双相钢（DP）和贝氏体钢等高强度和先进高强度钢种成功开发并逐步应用于制造车轮，为钢轮减轻质量和更加大胆的款式设计创造了条件。据统计，HSLA车轮比一般碳素钢车轮重量轻约15％。（2）新工艺，国际钢轮行业与设备制造商紧密合作研究发展了旋压生产工艺，应用到钢制车轮生产中。目前商用车无内胎车轮的轮辐使用旋压生产工艺已非常普遍，MagnettoWheels的法国工厂和HayesLemmerzInternational的西班牙工厂开始投入小批量生产，日本Topy和美国ArvinMeritor称已掌握了这项技术。在巨大的成本压力和钢制车轮的制造技术和材料技术革新的局势之下，国际汽车业也开始重新评估钢轮和铝轮的价值。(双相钢，其同时具有马氏体和铁素体的优良晶相，即在铁素体的基础上有许多马氏体小岛，冲压加工时铁素体具有良好的延展性而马氏体则保证了结构强度，另外铁素体在冲压中发生滑动，晶体间相互交结，形成加工硬化使冲压成型后的零件强度更高。)除此之外还有一些其它材料的车轮。比如镁合金车轮。与其它结构材料相比，镁合金具有以下几个特点：1）镁合金的密度是钢的23％，铝的67％，塑料的170％，是金属结构材料中最轻的金属，镁合金的屈服强度与铝合金大体相当，只稍低于碳钢，是塑料的4-5倍，其弹性模量更远远高于塑料，是它的二十多倍，因此在相同的强度和刚度情况下，用镁合金做结构件可以大大减轻零件重量，这点对航空工业、船舶工业、汽车工业、军工、手提电子器材均有很重要的意义。2）镁合金与铝合金、钢、铁相比具有较低的弹性模量，在同样受力条件下，可消耗更大的变形功，具有降噪、减振功能，可承受较大的冲击震动负荷。镁在实用金属中密度最小，它带给汽车的好处一是能减轻整车重量，减少油耗。二是强度高于铝合金和钢，刚度接近铝合金和钢，能够承受一定的负荷。三是具有良好的铸造性和尺寸稳定性，易加工，废品率低，降低了生产成本。四是具有良好的阻尼系数，减振量大于铝合金和铸铁，用作轮圈可以减少振动，提高汽车的安全性和舒适性。随着汽车工业的发展,轿车车轮开始采用铸造镁合金。但由于这类铸件试验条件十分严格和气密性要求高,同时还要求工艺出品率高,生产成本低,给铸造生产带来极大困难，因此成本仍偏高于铝合金。尽管如此，镁合金的应用前景仍然看好，国外已有部分企业试制并生产镁合金轮毂，其应用领域包含高档摩托车和高级轿车，当前，发达国家的赛车及部分民用高档车正在使用镁合金轮毂，大幅度提高镁合金锻造轮毂的用量。随着镁合金相关技术的不断研究发展，其成本必将降低，未来的车轮将逐步普及铝镁合金材料。目前国内尚无系统化研究生产镁合金轮毂的企业，因此国内镁合金轮毂的发展潜力极大，现已有极少企业开始研制镁合金轮毂。用镁合金制造车轮，是汽车车轮轻量化发展的一个趋势。1.2.2如果把金属车轮称为车轮总成的骨架，那么，轮胎就可以算得上是它的皮肤了！对于人类而言，皮肤的作用是非常多的：首先，皮肤是人类自身最外层的保护膜，作为一道屏障，它可以将大部分对人体有害的细菌隔开；同时，皮肤可以与物体产生摩擦，提供摩擦力，这样我们才能用手握住光滑的玻璃杯；而且，皮下的脂肪层可以对外界产生的冲击力起到一定缓冲作用，同时它可以防止过多的体内热外散，又可防止过高的体外热传入，对维持肌体正常功能所需要的较为恒定的体温起着十分重要的调节作用……人类的皮有这么多作用，那么，车轮的这层“皮肤”又有什么作用呢？轮胎的作用：（1）缓冲减振；（2）与路面相互作用产生驱动力、制动力和侧向力；（3）保证汽车通过性；（4）承受汽车重力；轮胎的类型和结构汽车轮胎按胎体结构不同可分为充气轮胎和实心轮胎。现代汽车绝大多数采用充气轮胎。充气轮胎