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CN120003187B - 一种复合车轮及其制造方法 - Google Patents

一种复合车轮及其制造方法

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CN120003187B
CN120003187B CN202510488885.2A CN202510488885A CN120003187B CN 120003187 B CN120003187 B CN 120003187B CN 202510488885 A CN202510488885 A CN 202510488885A CN 120003187 B CN120003187 B CN 120003187B
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Abstract

本发明涉及汽车零部件车轮制造技术领域，具体包括一种复合车轮及其制造方法，所述车轮包括铝合金轮盘、铝合金轮辋支撑体和碳纤维轮辋；铝合金轮辋支撑体保留与铝合金轮盘结合的部分；铝合金轮辋支撑体的圆周外围铺贴碳纤维。铝合金轮辋支撑体上设有凹槽和凸起；碳纤维在铺贴时形成支撑材料包裹层和凹陷区，凸起嵌合在凹陷区内；共同固化形成碳纤维轮辋；在复合车轮的制造中，铝合金轮辋支撑体在碳纤维铺贴时给予支撑，并在碳纤维模压固化成型时作为芯模，省去了铺贴模具和特制芯模；成型后对铝合金轮辋支撑体以不同的设计需求进行车削加工，保留不同位置、不同厚度的铝合金结构，实现对碳纤维轮辋性能的调控。

Description

一种复合车轮及其制造方法
技术领域
本发明涉及汽车零部件车轮制造技术领域，特别涉及一种复合车轮及其制造方法。
背景技术
随着新能源汽车的快速发展，轻量化成为提高汽车续航里程和性能的关键因素。碳纤维复合材料因其低密度、高强度和耐腐蚀等特性，在车轮制造领域具有广阔的应用前景。
然而，现有的碳纤维车轮制造技术也存在诸多弊端：
1.当前市面上常见的碳纤维车轮，是一种通过螺栓连接碳纤维轮辋和铝合金轮盘的两件式车轮，其制作过程需要大量模具和工装夹具，工艺较为复杂，不仅生产成本大，而且大量的模具和工装夹具导致安装工序繁琐、生产效率低下，因而难以大规模推广应用。
2.碳纤维虽然具备卓越的拉伸性能，但其抗弯折刚性相对而言不够突出。另外，碳纤维复合材料具有较低的延伸率和断裂韧性，碰撞吸能性较差。而车轮的轮辋呈环状结构，车辆在行驶过程中轮辋需应对来自径向的强大的冲击，这导致碳纤维轮辋失效的风险增加。
3.由于车轮的运行环境恶劣，尤其外侧轮盘的位置，会经常性地发生磕碰，碳纤维的抗冲击和抗磕碰能力不如铝合金，其纤维组织在遭受破坏后性能会严重下降且极难修复，影响其使用寿命和性能，这也限制了碳纤维在车轮制造领域的推广应用。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种复合车轮及其制造方法，所使用的技术方案是：
一种复合车轮，包括沿径向从内向外分布的铝合金轮盘、铝合金轮辋支撑体和碳纤维轮辋；
所述铝合金轮辋支撑体至少保留与所述铝合金轮盘结合的部分；
所述铝合金轮辋支撑体上设有至少一处凹槽和至少一处凸起；所述碳纤维轮辋对应凹槽形成支撑材料包裹层，所述支撑材料包裹层内填充有支撑材料；所述碳纤维轮辋对应凸起形成凹陷区；所述凸起嵌合在对应的所述凹陷区内。
进一步地，所述碳纤维轮辋采用碳纤维预浸布或碳纤维SMC材料。
进一步地，所述支撑材料采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料。
进一步地，所述凹槽位于所述铝合金轮盘上的轮辐根部。
一种复合车轮的制造方法，具体如下：
S1，通过金属加工工艺获得一体成型的铝合金轮盘和铝合金轮辋支撑体的毛坯；
S2，通过机加工的方式对步骤S1中得到的毛坯进行加工，并进行表面粗化和表面预处理，得到铝合金轮盘和铝合金轮辋支撑体，铝合金轮辋支撑体上形成凹槽和凸起；
S3，在铝合金轮辋支撑体上铺贴碳纤维；其中，碳纤维铺贴至凹槽所在位置时，首先在凹槽内壁上铺贴上碳纤维，随后向凹槽内填充支撑材料，填充完毕后继续铺贴碳纤维，将支撑材料包裹在支撑材料包裹层内；碳纤维铺贴至凸起所在位置时形成凹陷区，凸起嵌合在对应的凹陷区内；
S4，采用模压的方式，以铝合金轮辋支撑体为芯模，通过边模将碳纤维压出设定的尺寸和形状并固化成型，使铝合金轮盘、铝合金轮辋支撑体和碳纤维结合为整体，碳纤维形成碳纤维轮辋；
S5，根据设计需求，对铝合金轮辋支撑体进行车削加工。
进一步地，步骤S1中，所述金属加工工艺采用铸造或锻造的方式。
进一步地，步骤S2中，所述表面粗化采用抛丸和/或喷砂的方式。
进一步地，步骤S2中，所述表面预处理包括清洗和阳极氧化。
进一步地，步骤S5中，所述车削加工是将铝合金轮辋支撑体从内轮缘位置到槽底位置的部分全部切削掉。
进一步地，步骤S5中，所述车削加工是对铝合金轮辋支撑体从内轮缘位置到槽底位置的部分进行切削，保留铝合金轮辋支撑体在内轮缘位置、内胎圈座位置和槽底位置的厚度。
由于本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下优点：
本发明的复合车轮，包括沿径向从内向外分布的铝合金轮盘、铝合金轮辋支撑体和碳纤维轮辋，铝合金轮辋支撑体上设有凹槽和凸起，碳纤维轮辋上对应凹槽设有支撑材料包裹层（支撑材料包裹层内填充支撑材料），对应凸起设有凹陷区，复合车轮通过上述两种凹凸结合的方式，在共同固化的作用下，使铝合金轮盘、铝合金轮辋支撑体和碳纤维轮辋结合为整体，实现碳纤维和铝合金的性能互补，相比市面上现有的螺栓连接的两件式碳纤维车轮，减少了模具以及工装夹具的开发，省去了螺接或铆接等连接工艺，降低了成本，缩短了开发制造周期，提高了生产效率。
本发明的复合车轮，实现了碳纤维轮辋和铝合金轮盘、铝合金轮辋支撑体之间的有效连接，既能发挥碳纤维低密度、高强度、耐腐蚀的优势，又具有铝合金高韧性、耐高温、抗磕碰、价格低廉的特点，有效降低碳纤维轮辋失效的风险，并且铝合金可将碳纤维轮辋易于磕碰的位置遮挡住，从而保护碳纤维轮辋，防止磕碰影响碳纤维轮辋的使用寿命和性能。
本发明的复合车轮，通过在铝合金轮辋支撑体的凹槽内填充支撑材料，保证连接紧密性的同时，进一步降低车轮重量，并且能在一定程度上阻隔轮胎与地面之间振动的传递，改善车辆的NVH（噪声、振动、声振粗糙度）；复合车轮相比常规的铝合金车轮，重量可以减少20％～30％。
本发明的复合车轮制造方法中，铝合金轮辋支撑体在碳纤维铺贴时给予支撑，并在碳纤维模压固化成型时作为芯模，省去了铺贴模具和特制芯模，减少生产工序，提高生产效率，削减生产成本。
本发明的复合车轮制造方法，通过对铝合金轮辋支撑体进行不同方式的车削加工，能够根据不同的强度和性能需求，保留不同位置、不同厚度的铝合金结构，以实现对碳纤维轮辋性能的调控，适应不同的设计需求。
附图说明
图1为本发明复合车轮的正向结构示意图；
图2为本发明复合车轮的背向结构示意图；
图3为本发明铝合金轮盘和铝合金轮辋支撑体的整体结构示意图；
图4为本发明铝合金轮盘和铝合金轮辋支撑体的细节结构示意图；
图5为本发明碳纤维轮辋的整体结构示意图；
图6为本发明碳纤维轮辋的侧面结构示意图；
图7为本发明复合车轮在车削加工前的剖面爆炸示意图；
图8为本发明图7中A处的局部放大示意图；
图9为本发明图7中B处的局部放大示意图；
图10为本发明复合车轮在车削加工前的细节爆炸示意图；
图11为本发明图10中C处的局部爆炸示意图；
图12为本发明图10中D处的局部爆炸示意图；
图13为本发明实施例2中车削加工后复合车轮的剖面位置爆炸示意图；
图14为本发明图13中E处的局部放大结构示意图；
图15为本发明图13中F处的局部放大结构示意图；
图16为本发明实施例3中车削加工后复合车轮的剖面位置爆炸示意图；
图17为本发明图16中G处的局部放大结构示意图；
图18为本发明图16中H处的局部放大结构示意图；
图19为本发明复合车轮制造方法的流程示意图。
附图标号：
1-铝合金轮盘；
2-碳纤维轮辋；201-支撑材料包裹层；202-凹陷区；
3-支撑材料；
4-铝合金轮辋支撑体；401-凹槽；402-凸起；
5-铝合金轮辋支撑体一；
6-铝合金轮辋支撑体二。
具体实施方式
下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员能够在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“进”、“出”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例提供一种复合车轮及其制造方法。
复合车轮包括沿径向从内向外分布的铝合金轮盘1、铝合金轮辋支撑体4和碳纤维轮辋2；
如图3-图4和图7-图12所示，铝合金轮辋支撑体4为旋转体，外轮侧与铝合金轮盘1一体成型；铝合金轮辋支撑体4根据设计需求进行车削加工，保留相应位置上的铝合金厚度，图13-图15所示的铝合金轮辋支撑体一5和图16-图18所示的铝合金轮辋支撑体二6为两种车削加工后的产品；
铝合金轮辋支撑体4的圆周外围铺贴碳纤维，并通过凹凸结合和共同固化的方式与碳纤维结合为整体，碳纤维形成碳纤维轮辋2，实现碳纤维和铝合金的性能互补；碳纤维轮辋2可采用碳纤维预浸布或碳纤维SMC材料，优选为碳纤维预浸布；本实施例中，碳纤维轮辋2采用的是T700，丝束值12K的碳纤维复合材料环氧树脂预浸布。
如图3-图12所示，铝合金轮辋支撑体4上设有凹槽401，本实施例中，凹槽401位于铝合金轮盘1上的轮辐根部，凹槽401的形状和尺寸需根据轮辐根部的形状和尺寸进行设计；在铺贴碳纤维时，由于凹槽401所在位置截面厚度变化急剧，所以最终得到的碳纤维轮辋2在凹槽401所在位置会形成支撑材料包裹层201，支撑材料包裹层201内填充有支撑材料3；
一方面，支撑材料3能够为碳纤维轮辋2的模压成型提供支撑，另一方面，选择合适的支撑材料3能够在一定程度上阻隔轮胎与地面之间振动的传递，改善车辆的NVH（噪声、振动、声振粗糙度）；支撑材料3可采用碳纤维复合材料、玻璃纤维复合材料、泡沫材料、塑料、橡胶等；本实施例中，支撑材料3采用PMI（聚甲基丙烯酰亚胺）泡沫材料；
铝合金轮辋支撑体4上设有至少一处凸起402，本实施例以图9和图12所示的凸起402为例进行说明；在铺贴碳纤维时，最终得到的碳纤维轮辋2在凸起402所在位置会形成凹陷区202，凸起402嵌合在对应的凹陷区202内，有效增加铝合金轮辋支撑体4和碳纤维轮辋2之间的结合强度。
碳纤维轮辋2成型后，铝合金轮辋支撑体4进行车削加工。
如图19所示，上述复合车轮的制造方法如下：
步骤一，通过铸造或锻造的方式获得一体成型的铝合金轮盘1和铝合金轮辋支撑体4的毛坯；
步骤二，通过机加工的方式对步骤一得到的毛坯进行加工，并进行表面粗化（抛丸、喷砂）和表面预处理（清洗、阳极氧化），得到铝合金轮盘1和铝合金轮辋支撑体4，铝合金轮辋支撑体4上形成凹槽401和凸起402；
步骤三，在铝合金轮辋支撑体4上铺贴碳纤维；其中，碳纤维铺贴至凹槽401所在位置时，首先在凹槽401内壁上铺贴碳纤维，随后向凹槽401内填充支撑材料3，填充完毕后继续铺贴碳纤维，将支撑材料3包裹在支撑材料包裹层201内；碳纤维铺贴至凸起402所在位置时形成凹陷区202，凸起402嵌合在对应的凹陷区202内；
步骤四，采用模压的方式，以铝合金轮辋支撑体4为芯模，通过边模将碳纤维压出设定的尺寸和形状并固化成型，使铝合金轮盘1、铝合金轮辋支撑体4和碳纤维结合为整体，碳纤维形成碳纤维轮辋2；
步骤五，根据设计需求，对铝合金轮辋支撑体4进行车削加工。
作为本实施例的一个具体实施方式，如图11-图12所示，步骤四中铝合金轮盘1、铝合金轮辋支撑体4和碳纤维结合为整体后，铝合金轮辋支撑体4和碳纤维轮辋2的各位置厚度范围如下：
铝合金轮辋支撑体4：内轮缘位置a=2～6mm，圆周中部（即除内轮缘和外轮缘以外的其他位置）b=2～8mm，外轮缘位置c=2～6mm；
碳纤维轮辋2：内轮缘位置d=3～15mm，内胎圈座位置e=2～6mm，内驼峰与槽底连接段f=2～5mm，槽底位置g=2～6mm，槽底与外驼峰连接段h=3～10mm，外胎圈座位置i=3～10mm，外轮缘位置j=3～15mm。
实施例二
本实施例在实施例一的基础上，对复合车轮的制造方法步骤五的车削加工进行具体说明。
本实施例中，如图13-图15所示，将铝合金轮辋支撑体4从内轮缘位置到槽底位置的部分全部切削掉，得到铝合金轮辋支撑体一5，以此获得最大化的轻量化效果。
实施例三
本实施例在实施例二的基础上，如图13-图15所示，保留铝合金轮辋支撑体4在内轮缘位置、内胎圈座位置和槽底位置的一定厚度，得到铝合金轮辋支撑体二6，以此利用铝合金的韧性和刚性为碳纤维轮辋2的内轮缘位置和槽底位置提供更大的径向结构强度，提升碳纤维轮辋2的抗冲击性能。
作为本实施例的一个具体实施方式，铝合金轮辋支撑体二6厚度范围为：内轮缘k=0.5～10mm，内胎圈座m=0.5～4mm，槽底位置n=0.5～4mm。

Claims (8)

1.一种复合车轮的制造方法，其特征在于，具体如下：
S1，通过金属加工工艺获得一体成型的铝合金轮盘(1)和铝合金轮辋支撑体(4)的毛坯；
S2，通过机加工的方式对步骤S1中得到的毛坯进行加工，并进行表面粗化和表面预处理，得到铝合金轮盘(1)和铝合金轮辋支撑体(4)，铝合金轮辋支撑体(4)上形成凹槽(401)和凸起(402)；
S3，在铝合金轮辋支撑体(4)上铺贴碳纤维；其中，碳纤维铺贴至凹槽(401)所在位置时，首先在凹槽(401)内壁上铺贴上碳纤维，随后向凹槽(401)内填充支撑材料(3)，填充完毕后继续铺贴碳纤维，将支撑材料(3)包裹在支撑材料包裹层(201)内；碳纤维铺贴至凸起(402)所在位置时形成凹陷区(202)，凸起(402)嵌合在对应的凹陷区(202)内；
S4，采用模压的方式，以铝合金轮辋支撑体(4)为芯模，通过边模将碳纤维压出设定的尺寸和形状并固化成型，使铝合金轮盘(1)、铝合金轮辋支撑体(4)和碳纤维结合为整体，碳纤维形成碳纤维轮辋(2)；
S5，根据设计需求，对铝合金轮辋支撑体(4)进行车削加工；
步骤S5中，所述车削加工是将铝合金轮辋支撑体(4)从内轮缘位置到槽底位置的部分全部切削掉，或是对铝合金轮辋支撑体(4)从内轮缘位置到槽底位置的部分进行切削，保留铝合金轮辋支撑体(4)在内轮缘位置、内胎圈座位置和槽底位置的厚度。
2.根据权利要求1所述一种复合车轮的制造方法，其特征在于，步骤S1中，所述金属加工工艺采用铸造或锻造的方式。
3.根据权利要求1所述一种复合车轮的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述表面粗化采用抛丸和/或喷砂的方式。
4.根据权利要求1所述一种复合车轮的制造方法，其特征在于，步骤S2中，所述表面预处理包括清洗和阳极氧化。
5.一种根据权利要求1-4任一项所述一种复合车轮的制造方法制作得到的复合车轮，其特征在于，包括沿径向从内向外分布的铝合金轮盘(1)、铝合金轮辋支撑体(4)和碳纤维轮辋(2)；
所述铝合金轮辋支撑体(4)至少保留与所述铝合金轮盘(1)结合的部分；
所述铝合金轮辋支撑体(4)上设有至少一处凹槽(401)和至少一处凸起(402)；所述碳纤维轮辋(2)对应凹槽(401)形成支撑材料包裹层(201)，所述支撑材料包裹层(201)内填充有支撑材料(3)；所述碳纤维轮辋(2)对应凸起(402)形成凹陷区(202)；所述凸起(402)嵌合在对应的所述凹陷区(202)内。
6.根据权利要求5所述一种复合车轮，其特征在于，所述碳纤维轮辋(2)采用碳纤维预浸布或碳纤维SMC材料。
7.根据权利要求5所述一种复合车轮，其特征在于，所述支撑材料(3)采用聚甲基丙烯酰亚胺泡沫材料。
8.根据权利要求5所述一种复合车轮，其特征在于，所述凹槽(401)位于所述铝合金轮盘(1)上的轮辐根部。
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