车辆车轮设计指导书

产 品 设 计 指 导 书（内部保密资料）编号：版本号：修改次数：受控状态： 实施日期：2004 年 月 日分发号：批准 日期审核 日期编制 日期一、目的1、规范设计人员产品设计，提高设计质量。2、为研发中心产品设计人员提供参考。二、范围1、本指导书适用于研发中心产品设计人员。2、本指导书适用于铝合金压铸车轮的设计。目录 车轮产品结构基本知识一、车轮结构各部位名称二、车轮的种类三、车轮的基本装配知识 产品设计工作流程 产品结构设计一、确定车轮的参数二、5 度深槽轮辋轮辋设计三、气门孔尺寸和位置四、车轮安装盘设计五、车轮轮辐结构设计六、轮辐掏料结构设计七、车轮中心孔结构设计八、螺栓孔结构设计九、装饰盖结构设计十、车轮机加余量的常规性设计十一、各种规格车轮的重量设计标准十二、常用 PCD 与中心孔对应表 车轮飞轮结构设计 车轮产品结构基本知识一、车轮结构各部位名称1、轮辋：与轮胎装配配合，支撑轮胎的车轮部分。2、轮辐：与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。3、偏距：轮辋中心面到轮辐安装面间的距离。有正偏距、零偏距、负偏距之分。4、轮缘：保持并支撑轮胎方向的轮辋部分。5、胎圈座：与轮胎圈接触，支撑维持轮胎半径方向的轮辋部分。6、槽底：为方便轮胎装拆，在轮辋上留有一定深度和宽度的凹坑。7、气门孔：安装轮胎气门嘴的孔。1 轮辋宽度 10 螺栓孔节圆直径2 轮辋名义直径 11 螺栓孔直径3 轮缘 12 轮辐安装面4 胎圈座 13 安装面直径5 凸峰 14 后距6 槽底 15 轮辐7 气门孔 16 轮辋8 偏距 17 轮辋中心线9 中心孔 18二、车轮的种类按轮辋和轮辐结合形式的不同，车轮可分为如下结构，其代表型结构用图例来表示：1、整体式：轮辐和轮辋是由一个整体组成的。2、组合式：由 2 个以上的零件组合而成的车轮，其组成的零件可以分开，按其组合形式可分为三类：（1）、两片式车轮：由轮辋和轮辐结合起来的结构；（2）、三片式车轮：由两个轮辋零件和一个轮辐结合起来的结构。（3）、辐条式车轮：轮辋与中央轮盘部件，通过很多辐条实现连结的车轮结构。三、车轮的基本装配知识车轮的有关装配主要有以下的几种装配情况：1 车轮轮辋与轮胎之间的装配2 车轮与装饰钉之间的装配3 车轮与刹车钳之间的装配4 车轮安装面与车轴之间的装配5 车轮螺栓孔与螺母之间的装配6 车轮螺栓孔与车轴之间的装配7 车轮与装饰盖之间的装配8 车轮中心孔与车轴之间的装配9 车轮气门孔与气门嘴之间的装配10 车轮与平衡块之间的装配产品设计工作流程 产品结构设计车轮的结构设计的基本步骤：（1）、根据车轮的装车情况对设计的车轮进行归类，并初定出车轮的各种装配参数。（2）、车轮装配参数确定后，根据车轮的外观形状和偏距、装配情况等要素来确定车轮选用正向轮辋还是反向轮辋及其形状。（3）轮辋确定后就可以根据装车的要求、车轮形状和载荷等确定出车轮安装盘和轮辐的初步设计。（4）、根据轮辐形状、轮辋形状和车轮的规格定义出机加余量和掏料结构的设计。（6）、对做出的车轮进行重量计算和有限元分析，确定是否需要进一步优化车轮的产品结构。（7）、如果重量计算和有限元分析合理，即可完成车轮的结构设计并输出工程图纸，如果不合理则重复上面步骤进行更改。一、确定车轮的参数1、一般在设计的初期，客户会提供设计新开发车轮的一些装车要求，如车轮的 PCD、偏距、规格、装车情况等信息。如果客户输入不清晰，根据设计的车轮是用于轿车还是卡车（或 SUV）我们可以大概设定出这个车轮的装配参数，见下表：车型 常用规格 常用 PCD 范围 常用偏距范围 安装盘直径20X8.518X7.5轿车17X7.0 4/5X100120.653050mm150155mm（按上面定义的安装盘直径设计）20X9.022X9.5SUV/ 卡车 24X10 5/6X127139.7 030mm170175mm（按上面定义的安装盘直径设计）比如我们要设计一个用于轿车的车轮，根据上面的表我们选用这个车轮的装配参数如下：规格：20X8.5；偏距：45mm；PCD 范围：5X114.35X120.65；安装盘直径：155mm。2、装车载荷的确定由于国家地域的差异，为不同地区设计的车轮载荷也不一样，一般设计时按客户提供的参数来决定。比如为北美设计的车轮，设计的载荷可按照下表来大致确定：PCD 范围 设计载荷（LBS）PCD6X139.7 21002200PCD8X165.1 31003200二、5 度深槽轮辋轮辋设计(参考各国的轮辋标准)1、轮辋直径（J 型轮辋）A、16 英寸及其以下：名义直径减去 0.8mm（0.032In）；B、17 英寸及其以上：名义直径加上 4.8mm（0.188In）。轮辋轮廓种类 轮辋名称（in） 名义直径（mm）10 253.212 30413 329.414 354.815 380.216 405.617 436.618 46219 487.420 512.821 538.222 563.623 58924 614.426 665.25 度深槽轮辋28 7162、轮辋宽度（J 型轮辋）轮辋轮廓种类 轮辋名称（in） 轮辋直径（mm）4.5 114.35 1275.5 139.76 152.46.5 165.17 1787.5 190.58 2038.5 2165 度深槽轮辋9 228.59.5 241.310 25410.5 266.711 279.512 30513 3303、轮辋厚度规定（只适用于压铸轮辋）尺寸（in） 载荷（LBS） 轮辋厚度（mm）15 4.21517 4.51819 4.82022 5.02316005.515 4.51517 4.81819 5.02022 5.223210025005.815 5.01517 5.21819 5.52022 5.82331006.04、车轮胎圈座组合胎圈座组合表组合状态 内侧 外侧标准（适用正向轮辋） 圆峰 平峰选用（适用反向轮辋） 平峰 圆峰选用 圆峰 圆峰（凸峰圆角 R4 取36mm）5、轮辋扁平凸峰轮廓尺寸和形状(mm)单位：mm轮辋标准轮缘高度 H1凸峰高度H2胎座宽度 P1平峰宽度 P2轮缘圆角 R2胎座圆角 R3胎座侧圆角 R4轮缘厚度 P3TRA 标准 17.5min 0.20.5 19.8min 4min 9.5min 6.5max 4max 11min注：A、上面附图为 5 度深槽 J 型轮辋扁平峰设计的常规尺寸（适用于 TRA 标准，适用的规格范围为 14 英寸到 28 英寸）；B、其中 min 为最小值的意思；max 为最大值的意思。6、轮辋圆周凸峰轮廓尺寸和形状(mm)单位：mm轮辋标准轮缘高度 H1胎座宽度P1轮缘厚度 P3轮缘圆角 R2胎座圆角 R3凸峰圆角 R5凸峰侧圆角 R4凸峰侧圆角 R6TRA 标准 17.5min 21min 11min 9.5min 6.5max 8min 3min 3min注：A、上面附图为 5 度深槽 J 型轮辋圆凸峰设计的常规尺寸（适用于 TRA 标准，适用的规格范围为 14 英寸到 28 英寸）；B、其中 min 为最小值的意思；max 为最大值的意思。7、轮辋正面轮缘结构设计轮辋正面的轮缘设计主要涉及到铸造，轻量化和冲击试验等方面的因素。在符合轮辋标准的同时，下面为轮辋正面轮缘的常用设计结构。单位：mm轮辋标准 轮缘厚度 P1 胎圈座宽度 P2 轮缘圆角 R1 轮缘圆角 R2TRA 标准 12 5.05.5 2 608、轮辋反面轮缘结构设计单位：mm轮辋标准轮缘宽度P1轮缘宽度P2轮缘厚度H轮缘圆角R1轮缘圆角R2轮缘圆角R3TRA 标准 12 6.5 5.5 1.5 3 9.59、正面包不锈钢圈时的正面轮缘设计不休钢圈是车轮的一种装饰物，通过把不锈钢圈包扎在正面轮辋的外围，可使车轮呈现出一种轮缘车亮面的效果，见下图。下面为包不锈钢圈时，正面轮缘部位的凹槽结构图：轮辋是车轮结构里面标准化的一部分，由于轮辋和轮胎装胎时要保证两者的配合处有良好的气密性，所以轮辋胎圈座的两侧要严格按照标准执行。按照轮辋的使用情况，轮辋可分成正向轮辋和反向轮辋，但两种结构的胎圈座结构都用上面的结构设计。 下面为应用正向轮辋和反向轮辋的示意图：正向轮辋：装胎端在轮辋正面，轮胎从车轮的正面开始往里安装。反向轮辋：装胎端在轮辋背面，轮胎从车轮的背面开始往里安装。轮辋的选用主要根据车轮的形状、轮缘深度（LIP）、装车情况等参数来确定。1、车轮需要深轮缘效果时，可采用反向轮辋结构，否则选用正向轮辋结构。2、对用于轿车车轮，规格小于 17 英寸时，尽量采用正向轮辋，3、对用于 SUV 或卡车车轮，规格小于 18 英寸时，尽量采用正向轮辋。三、气门孔尺寸和位置1、气门孔位置尺寸说明H1 最小值为 8.1mmH2 最小值为 6.8mmH3 对于如上图所示的正向轮辋，在结构允许下，槽底深度最小值可设计为 21mm2、气门孔结构尺寸气门孔类型 气门孔尺寸：DxdxH（mm）备注A 19.1x11.5x3.5 常用型B 17.5x11.5x3.5X常用型C 20.6x11.5x3.5 少用型D 16x11.5x3.5 少用型注：A、对于小孔厚度 H，常规情况下用 3.5mm，而对于公司的 AR 客户则要求小孔厚度 H 值为 3.68mm。B、根据 JIS 中的 TR 413 标准，采用无内胎场合时，气门嘴部位的壁厚，理想情况为 3.04.5mm。C、对于小孔直径 d，常规情况下用 11.5mm，而对于公司的德国客户则要求小孔直径为 11.3mm。四、车轮安装盘设计1、安装盘直径设计（1）、使用裸露螺栓孔的装饰盖时的安装盘直径：（2）、使用覆盖螺栓孔的装饰盖和螺孔有沉孔结构的安装盘直径：2、安装盘的装配设计安装盘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。（1）、设计时应使车轮的安装盘直径比车轴上的连接面小一点。（2）、根据装配的需要，一般要求车轮安装面的平面度在0.1mm 以下。为了更好的减少安装面平面度对车轮与车辆之间配合的影响，设计时可让车轮安装面向内倾斜，即成锥面结构（见下图）。斜面与轮辋中心平面的夹角为 0.2 度。（3）、车轮安装面不须涂装或电镀处理，原因是车轮安装面要与车轴连接面相配合、车轮的装拆易使涂层脱落，难于确保安装面的平面度，使车辆行驶时性能（车身振动、松动等）受其影响。五、车轮轮辐结构设计一般轮辐设计的顺序是先根据车轮的外观设计出轮辐正面的轮廓线，再设计轮辐背面的轮廓线，然后根据装车空间的需要进行调整两条线的位置，确定车轮剖截面的设计。下图为设计好的一个轮辐示意图。从上图的结构可以看出，轮辐的设计特点是靠近轮辋位置的轮辐截面积最小，然后越靠近安装盘轮辐的截面积就越大。这是因为考虑到轮辐的受力分布（越靠近安装盘，轮辐受到的应力就越大）、铝液顺序凝固和补缩通道的需要。根据载荷和轮辐宽度的差异，对于靠近轮辋部位的轮辐厚度，设计时可先考虑在 20mm 到 26mm 之间波动。而靠近安装盘部位的轮辐厚度，设计时可先考虑在 25mm 到 32mm 之间波动。而应用覆盖螺栓孔的装饰盖设计时，可把安装盘的厚度控制在2025mm 之间，而安装盘和轮辐之间的“脖子”厚度控制在2527mm 之间。六、轮辐掏料结构设计轮辐掏料的设计主要考虑到轻量化，平衡轮辐应力和铸造等方面的因素。下面为轮辐的一个掏料设计示意图：掏料设计主要根据车轮冲击和弯曲的有限元分析来进行。做初步的掏料设计时，可参考下面的参数（如上图 A-A截面）进行：（1）轮辐厚度 H2：厚度范围在 2026mm 之间（根据轮辐的宽度来设计具体的数值）然后以 36 度的梯度递增。（2）掏料底部到轮辐正面的距离 H1：厚度范围在 812 之间。（3）掏料斜面和窗口面之间的夹角：夹角范围在 35 度之间（比如窗口的拔模角度为 7 度时，掏料的拔模角度为 1012 度之间）。（4）、掏料底部圆角：对此处的 R 角可尽量设大一点,一般 R角的范围在 R5R9 之间。（5）、掏料侧边厚度 P：厚度范围在 68mm 之间，然后以24 度的梯度递增。七、车轮中心孔结构设计中心孔结构的设计主要是需要更多的考虑装配的关系，即中心孔与车轴之间、中心孔与卡口盖之间、中心孔与杯盖之间的配合。由于每个汽车厂商的车轴直径、车轴长度及其形状设计不一样，所以对中心孔设计的统一比较困难。一般中心孔的设计需要根据客户提供的中心孔直径参数和该车型的装车曲线来确定。1、中心孔安装面倒角的设计：由于有些汽车车轴与车轴连接面之间可能存在着倒角关系，所以一般在中心孔安装面处设计一个倒角过渡（倒角结构见下图），以适应上面的需要。2、中心孔直径设计：车轮中心孔与车轴之间的配合为间隙配合，假使车轴直径为D1，中心孔直径为 D，则两者正常的装配关系可用下面的公式表示：DD10.30.5mm3、车轮中心孔有效高度设计当车轴与中心孔之间进行配合时，除了保证车轮中心孔与车轴之间的配合为间隙配合外，还要求中心孔有足够的高度，以保证中心孔或装饰盖和车轴顶部不会干涉。常见的车轴结构如下图：根据上图车轴的结构，我们常用的中心孔结构主要有以下的几种结构。（1）、使用覆盖螺栓孔的装饰盖设计时，中心孔结构设计：此时中心孔设计可采用简单的通孔型设计，安装面处设计一个3.5X45 度的倒角即可。安装盘厚度 H1 一般设计为 2025mm。考虑到零售市场装车要求的多样性：当车轮应用于轿车时，中心孔安装面到装饰盖底部的距离设计H2 最好为 45mm 以上；当车轮应用于卡车或 SUV 时，H2 为最好为 65mm 以上，所以从产品结构、成本和铸造合理性考虑，应尽量使用覆盖螺栓孔的装饰盖设计，以减少材料成本和铸造难度。（2）、使用裸露螺栓孔的装饰盖设计时的中心孔结构设计：此时的中心孔设计由于考虑到装饰盖的安装，一般可分成以下的几种结构。当使用裸露螺栓孔的装饰盖时，应尽量应用中心孔结构（A）、（B）这两种常用性设计，因为这两种结构设计能够提供更大的空间以避免与车轴的干涉，同样的：当车轮应用于轿车时，中心孔安装面到装饰盖底部的距离设计H2 最好为 45mm 以上；当车轮应用于卡车或 SUV 时，H2 为最好为 65mm 以上。而对于中心孔结构（C），根据上面车轴结构来看，其中心孔有效高度有两个，即为 H1 和 H2。若非特别需要，或装车的情况不清楚，这种结构应该尽量免用，同样的：车轮应用于轿车时，中心孔安装面到装饰盖底部的距离设计H2 最好为 45mm 以上；而 H1 最好为 14mm 以上。当车轮应用于卡车或 SUV 时，H2 为最好为 65mm 以上，而 H1最好为 18mm 以上。注：以上提供的中心孔有效高度为装车情况不清楚时的一般性数据，当有足够关于车轴的数据时，应根据其数据来设计有具体数据的中心孔结构，以进一步的优化中心孔结构。八、螺栓孔结构设计1、螺栓孔结构根据车辆与车轮之间的安装方式，一般螺栓孔结构有以下三种：（1）、根据车辆与车轮的装配关系，螺栓孔结构上的锥面座和球面座是主要的支撑部位，该部位的高度设计不应过小。对于锥面座，高度尺寸 H 不应小于 3mm，锥面角度为 60 度。对于球面座，高度尺寸 H 不应小于 5mm，球面 R 角为1215mm。（2）、对于螺栓孔通孔的直径尺寸 d，根据现有生产车辆的统计，绝大部分汽车车轴上的螺栓规格设计有两种：A：12mmX1.5inB：14mmX1.5in根据上面车轴螺栓的设计，螺栓通孔直径尺寸 d 一般不应小于14.5mm。对于要求尺寸 d 小于 14mm 的螺栓孔设计，可让客户提供车轴螺栓的规格，以确定具体尺寸 d。（3）、对于螺栓孔沉孔直径 D，一般设计直径在 28mm 以上，以适应可用多种螺母的需要。（4）、为适应一些车轴螺栓底部存在倒角或凸台的需要，要在螺栓孔的底部增加浅沉孔结构，保证螺栓和螺栓孔的准确配合。一般沉孔直径设计为 27mm；深度为 2.5mm（见下图）。2、在一些常用的 PCD 当中，螺栓孔沉孔结构是需要考虑的，这些 PCD 的具体参数如下：PCD中心孔直径 备注6x139.7 78.1 需要增加浅沉孔结构5x135 不定 需考虑具体的车型是否增加浅沉孔结构5x115 任意直径值 需要增加浅沉孔结构5x114.3 偏距为 0 和 30 时，需要增加浅沉孔结构5/4x100 72.69 需要增加浅沉孔结构3、常用的螺栓孔结构（1）：锥面螺栓孔结构：（2）:球面螺栓孔结构：九、装饰盖结构设计1、覆盖螺栓孔的装饰盖对于多偏距的车轮产品来说，使用覆盖螺栓孔的装饰盖设计是优化产品结构的一个很好的思路。一般覆盖螺栓孔的装饰盖和车轮之间的配合设计有两种：A、使用螺钉连接配合（推荐使用）；B、使用卡脚连接配合（须加启盖槽）。除非有特殊的要求，一般连接配合的螺钉用 M6 或 M8 的不锈钢螺钉，螺距和钉头等都应符合国标。从外观效果来看，螺钉的钉头应低于装饰盖的表面会较好。（1）、覆盖螺栓孔的装饰盖支撑面与装饰盖之间的配合设计考虑到车轮铸造、热处理、机加、表面抛光、电镀、或涂装等制造工艺对产品的影响，在进行车轮的装饰盖设计时，都应考虑在设计时，使装饰盖和车轮支撑面之间预留出一定的配合间隙已达到车轮成品和装饰盖之间能有良好配合。上图中的 H2 是指装饰盖的厚度，对于以 ABS 材料为主的塑料盖，一般 H22.5mm，下表列出上面各