CN109414751B - 车轮和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车轮，其包括用于容纳轮胎的轮辋和连接在该轮辋上的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地连接在轮架上的连接区域。提供一种相比于已知的现有技术在重量和/或旋转加速方面可更优化设计的车轮的目的这样解决，即，轮辋和/或轮盘由密度降低的钢合金制成。

Description

车轮和应用
技术领域
本发明涉及一种车轮，其包括用于容纳轮胎的轮辋和连接在该轮辋上的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地连接在轮架上的连接区域。此外本发明还涉及车轮的应用。
背景技术
传统上，车轮作为浇铸件或者锻造件由铝材、或者以板材构建方式由钢材制造。例如以板材构建方式由钢材制造的车轮包括至少一个用于容纳轮胎的轮辋和连接在该轮辋上的轮盘，该轮盘具有用于可拆卸地连接在轮架上的连接区域。车轮是安全构件并且必须在运行中可以持续承受高的机械交变应力。尤其要求在足够可变形性的同时有足够的强度和疲劳强度。为了满足这些要求，目前使用具有基本上主要是铁素体组织结构的微合金钢，(结构钢合金)，例如用于商用车轮，该微合金钢通过冷成型而成型为其最终几何形状。构件性能的提升可以通过例如使用多相钢，例如双相钢、复相钢或者调质钢来实现。替代性或叠加性地，这些钢具有一定的轻质化构建潜力，这些钢在最终状态下可具有高强度并且用在替换已存在的、例如具有低强度的材料配方的领域。通过这种替换可以在具有基本上保持不变的性能的构件设计中由于更高的强度而降低材料厚度，由此，降低的材料厚度对所使用质量的降低产生有利影响。降低的质量也可以有利地在旋转构件中产生影响。研究已经表明，具有非常高强度的钢材在振动负载中至少区域性具有针对薄弱处，例如结合处、边缘、切口的高敏感性，并且由此通常可能抵消现存的轻质化构建潜力。
发明内容
在已知的现有技术的背景下，对于车轮来讲，较高强度钢的材料使用十分受限。尤其地，当弯曲为主的构件中强度损失过度降低时，相对于传统上所使用的材料，板材厚度的降低并不能达到目的。由此，本发明的目的在于提供一种相比于已知的现有技术在重量和/或旋转加速方面可更优化设计的车轮，以及该车轮相应的应用。
根据本发明的第一个方面，该目的通过根据本发明的车轮来解决，该车轮包括用于容纳轮胎的轮辋和连接在轮辋上的轮盘，轮盘具有用于能够拆卸地连接在轮架上的连接区域，其中，轮辋和/或轮盘由密度降低的钢合金构成。
发明人已经确定，通过将密度降低的钢合金用于轮辋和/或轮盘，根据本发明的车轮可具有相比于传统上所使用的材料降低的质量。如果特别优选地将密度降低的钢合金用在轮辋中，车轮的外部区域环绕地具有较小的密度。远离旋转轴的质量越小，对惯性力矩的贡献就越小，其中间距以平方形式产生影响。这可以对车轮的质量惯性产生有利影响。由此可以在基本相当或保持不变的性能的情况下在轮辋和/或在轮盘中使用更少的质量，其对于所使用质量的降低和旋转加速度的改善产生有利影响。通过例如铝和钢的混合构造方式同样可以达到车轮中改善的质量平衡以及旋转加速度。然而，在钢轮的轮制造中所使用的传统接合方法MAG焊接和涂层方法就不再能够使用。同时也必须考虑混合车轮中的腐蚀行为以及热膨胀行为。这些问题通过根据本发明的车轮解决。
根据本发明，密度降低的钢合金含有以重量％为单位的以下合金组分：
C:最大0.4％,
Al:3.0-20.0％,
P:最大0.1％,
S:最大0.1％,
N:最大0.1％,
和选择性地含有下列元素中的一种或者多种
Nb:最大0.5％,
Ti:最大0.5％,
至少一种稀土金属元素:最大0.2％,
Mn:最大25.0％,
Si:最大2.0％,
Cr:最大9.0％,
Zr:最大1.0％,
V:最大1.0％,
W:最大1.0％,
Mo:最大1.0％,
Co:最大1.0％,
Ni:最大2.0％,
B:最大0.1％,
Cu:最大3.0％,
Ca:最大0.1％,
其余为Fe和不可避免的杂质。
通过这些合金元素调整得到密度降低的钢合金中所希望的特性。铝是密度为约2.7g/cm3的元素，并且扩张了钢晶格。为了能够达到钢合金中显著的密度降低，最小含量为至少3.0重量％，尤其至少5.0重量％，优选至少6.0重量％。高于20.0重量％的含量导致不希望的易碎金属间相的形成，其中含量尤其限制在最大15重量％，优选在最大12重量％，以能够特别有效地利用铝的作用。
碳可以以最大0.4重量％的含量存在。为了能够保证足够的接合性能，碳含量尤其可以限制在最大0.3重量％。优选可以将碳含量限制在最大0.1重量％，以避免不希望的易碎碳化物形式的析出物并且由此极大降低对成型性能的负面损害。
磷可以以最大0.1重量％的含量存在。为了能够极大降低钢合金中会对机械特性产生负面影响的偏析，其含量可限制在最大0.01重量％。
氮和硫对钢合金的特性产生负面影响，尤其通过形成硫化物和氮化物，并且因此限制在最大0.1重量％的含量。尤其可以将硫含量限制在最大0.01％，并将氮含量限制在最大0.02重量％，由此基本上不会对钢合金振动负荷的适用性产生负面影响。
铌和/或钛尤其结合碳并且可以分别限制在最大0.5重量％的含量，尤其限制在最大0.3重量％，以基本避免钢合金中不希望的、大的析出物。分别至少0.01重量％的最小含量可以对钢合金中组织结构的控制产生正面影响。
至少一种稀土金属元素(铈和/或镧)可以以最大0.2重量％的含量存在，以基本上避免钢合金中不希望的、大的析出物。为了能够对钢合金中组织结构的控制产生正面影响，至少一种稀土金属元素的含量可以为至少0.01重量％。
含量分别为至少0.01重量％的锰对密度降低的钢中的强度有着正面影响。其在高含量下引起硬化组织(α-和ε-马氏体)的形成以及引起相变诱导塑性(TRIP)或孪晶诱导塑性(TWIP)奥氏体并且导致特别良好的强度-可成型性关系。高于25.0重量％时，诱导塑型的机制会降低并且进一步关乎成本的合金化是无用的。锰尤其可以以最大3.0重量％的含量添加至合金中。
硅和/或铬尤其可以分别以至少0.01重量％的含量尤其对防腐蚀性产生正面影响。具有高于2.0重量％含量的硅导致不希望的易碎金属间相的形成。铬以最大9.0重量％的含量尤其结合铝促成良好的防腐蚀性，这里，进一步关乎成本的合金化是无用的。这些含量尤其可以分别限制在最大1.0重量％，优选分别至最大0.5重量％。
锆、钒、钨、钼和/或钴是碳化物形成物并且可以分别以最大1.0重量％的含量存在。其含量可分别限制在最大0.5重量％。
镍和/或铜可分别以最大2.0重量％的含量存在并且可以分别以最少0.01重量％的含量改善防腐蚀性。尤其可以将其含量分别限制在最大0.5重量％。
硼可以促进精细组织结构的形成并且可以以最大0.1重量％的含量存在，其中其含量可以限制在最大0.01重量％，从而可以有效利用硼的效果。
钙用于结合硫并且可以以最大0.1重量％的含量存在。其含量尤其可以限制在最大0.01重量％。
根据符合本发明的车轮的第一个实施方案，密度降低的钢合金具有最大7.4g/cm3的密度，尤其最大7.2g/cm3的密度，优选最大7.0g/cm3的密度。密度越小，这就对于根据本发明的车轮的重量降低和/或更好的旋转加速度产生更加有利的效果。
如果车轮的两个组件，即轮辋和轮盘不都是由密度降低的钢合金组成，由此，根据车轮的另一个设计方案，由未经密度降低的钢合金制成的组件，轮辋或者是轮盘，由微合金钢合金、主要单相钢合金、多相钢合金或者可调质的钢合金制成。多相钢合金，例如双相钢合金、复相钢合金、铁素体-贝氏体钢合金或者主要单相的钢合金，例如马氏体相钢合金，多相钢合金的抗拉强度为至少500MPa，优选至少600MPa，特别优选至少700MPa，其中多相钢合金的组织结构由铁素体、贝氏体、奥氏体或者马氏体中的至少两相组成，或者由可调质的(可硬化)的钢合金组成，例如热成型钢合金或者空气硬化钢合金，其抗拉强度为至少700MPa，优选至少800MPa，并且特别优选至少900MPa，其中可调质钢合金的组织结构主要由马氏体构成，尤其多于90％的组织结构由马氏体构成，随着强度的增高，可以在性能基本保持不变的情况下降低轮盘相应的材料厚度并由此进一步降低重量。替代性地也可以使用目前传统所使用的钢合金。
根据符合本发明的车轮的另一个实施方案，轮盘至少区域性地与轮辋材料配合地、力配合地和/或形状配合地，优选借助于熔焊焊缝或者钎焊焊缝连接。可至少区域性地，尤其完整围绕地在轮盘的边缘上将该轮盘优选借助于以MIG焊缝、MAG焊缝、激光焊缝或者钎焊缝的形式实施的角焊缝与轮辋相连。替代性或叠加性地，也可以考虑其他的焊缝形式或者接合方法，例如摩擦搅拌焊或者电阻点焊。通过轮盘和轮辋之间在接触区中的(额外)压配合形成的力配合连接可以促使对点形或者线形连接，尤其材料配合连接的减压。尤其可以在轮盘和轮辋之间的整个接触区域中额外设置聚合物层或者结构漆层，其可以防止在后续使用中尤其喷溅水的侵入以及随之而来的轮盘和轮辋之间的腐蚀。聚合物层可以由含硅酮的层构成，例如硅酮胶膜，其既可以熔焊也可以钎焊。替代性地，例如夹紧或者冲压的机械连接也可以考虑。轮盘和轮辋之间的连接不是必须在轮辋所谓的深槽中进行。过渡到其它车轮结构，例如半面轮(Semi-face-Scheibenrad)以及全面轮(Full-face-Scheibenrad)或者多件式的实施方案同样是可行的。
根据符合本发明的车轮的另一个实施方案，轮辋和/或轮盘分别借助于压缩成型，拉伸成型，拉伸压缩成型，弯曲成型，剪切成型，旋压成型和/或深冲来成型，特别是借助于具有至少部分模压淬火的热成型，或通过所述生产方法的组合成型。
本发明的第二方面涉及根据本发明的车轮在内燃机驱动和/或电动的载人车辆、商用车辆、载重车辆、特种车辆、巴士、公共汽车，挂车或者拖车中的应用。
附图说明
接下来借助于示出了实施例的图示来进一步说明本发明。相同的部件以相同的附图标记标出。图中：
图1)示出了根据本发明的车轮的透视图，以及
图2)示出了图1)中的车轮的部分横截面图。
具体实施方式
图1中示出了根据本发明的车轮1的一个实施例的透视图，该车轮例如用于载人车辆。图2)示出了车轮1的部分横截面图，其中由于旋转对称的设计，仅示出了车轮1在对称轴12上方的上部区域。车轮1包括尤其成型的、用以容纳未示出的轮胎的轮辋2和连接在该轮辋2上的轮盘3。轮盘3基本成型为壳形。彼此间的连接可以是材料配合的、形状配合的和/或力配合的。如在图2中详细可见，轮盘3优选至少部分地在其边缘3.1上通过实施为MIG焊缝、MAG焊缝、激光焊缝的熔焊焊缝或者钎焊焊缝7连接在轮辋2上。额外地也可以通过压配合在接触区域9中设置力配合连接，以例如在运行中为角焊缝7减压。
轮盘包括中央开口4和环绕的接片区域11，在该接片区域中设置有多个围绕该中央开口4安置的、用于容纳未示出的连接装置，例如柱销和/或螺栓的开口。接片区域11的至少一个部分构成了用于可拆卸地与未示出的轮架连接的连接区域。此外，轮盘3具有在径向上远离该接片区域11并且在横截面中形成为例如V形的区域10，在该区域中设置有通风开口6，这些通风开口例如作为通风孔和/或可以通过目的性的冲裁或去除材料额外节省车轮1的重量。区域10包括径向上远离的肩部区域8，其构成用于连接至轮辋2上的接触区域9。尤其可以在轮盘3和轮辋2之间的整个接触区域9中额外设置聚合物层或者结构漆层。
轮辋2特别优选由密度为最大7.4g/cm3的密度降低的钢合金构成，其优选包含下列以重量％为单位的合金元素：C:最大0.4％,Al:3.0-20.0％,P:最大0.1％,S:最大0.1％,N:最大0.1％,和选择性地含有下列元素中的一种或者多种：Nb:最大0.5％,Ti:最大0.5％,至少一种稀土金属元素:最大0.2％,Mn:最大25.0％,Si:最大2.0％,Cr:最大9.0％,Zr:最大1.0％,V:最大1.0％,W:最大1.0％,Mo:最大1.0％,Co:最大1.0％,Ni:最大2.0％,B:最大0.1％,Cu:最大3.0％,Ca:最大0.1％,其余为Fe和不可避免的杂质。
轮盘3可以由多相钢合金制成，例如双相钢合金、复相钢合金、铁素体-贝氏体钢合金或者马氏体相钢合金，多相钢合金的抗拉强度为至少500MPa，优选至少600MPa，特别优选至少700MPa，其中多相钢合金的组织结构由铁素体、贝氏体、奥氏体或者马氏体中的至少两相组成，或者由可调质的钢合金组成，例如热成型钢合金或者空气硬化钢合金，其抗拉强度为至少700MPa，优选至少800MPa，并且特别优选至少900MPa，其中可调质钢合金的组织结构主要由马氏体构成，尤其多于90％的组织结构由马氏体构成。替代性地，轮盘3也可以由密度降低的钢合金构成，其优选具有3.0和20.0重量％之间的Al含量。轮盘3例如也可以由目前传统所使用的钢合金构成。
轮盘3和轮辋2分别借助于压缩成型，拉伸成型，拉伸压缩成型，弯曲成型，剪切成型，旋压成型或深冲来成型，特别是借助于具有选择性至少部分的模压淬火的热成型，或通过所述生产方法的组合成型。
如图1所示组装出传统的车轮，例如载重车轮，其由均匀厚度为3.6mm的轮盘和均匀厚度为2.0mm的轮辋组成。将由双相钢制成的钢合金用于轮辋和轮盘，其具有以重量％为单位的：最大0.12％的C，最大0.08％的Al，最大1.5％的Mn，最大0.8％的Si，最大1.0％的Cr和Mo，最大0.005％的B,最大0.15％的Nb和Ti,最大1.0％的Ca和Co和Ni和V和Cu,最大0.06％的P,最大0.01％的S,最大0.01％的N，其余为Fe和不可避免的、熔融所致的杂质。
钢合金的密度为约7.8g/cm3。车轮的重量为约8.4kg并且高度上的质量惯量为0.260kg/m2。
与此相比，根据本发明的、具有相同尺寸和设计形式的车轮具有由前述双相钢合金构成的轮盘和由密度降低的钢合金构成的轮辋，该密度降低的钢合金由下列重量％为单位的组分构成：C＝0.01-0.1％,Al＝6.0-7.0％,P＜0.01％,S＜0.001％,N＜0.02％,Nb＝0.05-0.3％,Ti＝0.05-0.4％,Mn＜0.2％,Si＝0.01-0.1％,Cr＝0.2-0.8％,Ni＜0.2％,B＜0.0004％,其余为Fe和不可避免的、熔融所致的杂质。根据本发明的车轮具有在基本相当或保持不变的性能的情况下更小的轮辋质量，该轮辋能够有利于所使用的总质量降低约10％以及由于小的质量惯量带来改善的旋转加速度。
本发明不限制在图中所示的实施例以及在总体说明中的实施形式，轮辋2和/或轮盘3也可以由拼焊产品，例如拼焊板和/或拼焊辊轧板构成。根据车辆类型，以具有相应的、也可以沿着各个相应横截面变化的材料厚度的轮盘和轮辋，在负载和/或重量方面优化地设计车轮。特别优选地也可以将本发明应用在商用车轮和/或其它主动或从动的车辆类型上。
附图标记说明
1 车轮
2 轮辋
3 轮盘
4 中央开口
5 柱销开口
6 通风开口
7 熔焊焊缝，钎焊焊缝，角焊缝
8 肩部区域
9 接触区域
10 区域
11 接片区域
12 对称轴

Claims (11)

1.车轮(1)，所述车轮包括用于容纳轮胎的轮辋(2)和连接在所述轮辋(2)上的轮盘(3)，所述轮盘(3)具有用于能够拆卸地连接在轮架上的连接区域，其特征在于，所述轮辋(2)和/或所述轮盘(3)由密度降低的钢合金构成并且含有下列重量％为单位的合金组分：
C:最大0.4％,
Al:3.0-20.0％,
P:最大0.1％,
S:最大0.1％,
N:最大0.1％,
和选择性地含有下列元素中的一种或者多种
Nb:最大0.5％,
Ti:最大0.5％,
至少一种稀土金属元素:最大0.2％,
Mn:最大25.0％,
Si:最大2.0％,
Cr:最大9.0％,
Zr:最大1.0％,
V:最大1.0％,
W:最大1.0％,
Mo:最大1.0％,
Co:最大1.0％,
Ni:最大2.0％,
B:最大0.1％,
Cu:最大3.0％,
Ca:最大0.1％,
其余为Fe和不可避免的杂质。
2.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于，所述密度降低的钢合金具有最大7.4g/cm3的密度。
3.根据权利要求2所述的车轮，其特征在于，所述密度降低的钢合金具有最大7.2g/cm3的密度。
4.根据权利要求2所述的车轮，其特征在于，所述密度降低的钢合金具有最大7.0g/cm3的密度。
5.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于，所述轮辋(2)或者所述轮盘(3)由微合金钢合金、单相钢合金、多相钢合金或者可调质的钢合金制成。
6.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于，所述轮盘(3)至少区域性地与所述轮辋(2)材料配合地借助于熔焊焊缝或者钎焊焊缝(7)连接。
7.根据权利要求1所述的车轮，其特征在于，所述轮辋(2)和/或所述轮盘(3)借助于压缩成型，拉伸成型，拉伸压缩成型，弯曲成型，剪切成型，旋压成型和/或深冲来成型。
8.根据权利要求7所述的车轮，其特征在于，所述轮辋(2)和/或所述轮盘(3)借助于具有至少部分的模压淬火的热成型来成型。
9.根据权利要求1至8中任意一项所述的车轮在载人车辆、载重车辆中的应用，其中所述载人车辆、载重车辆是内燃机驱动和/或电动的。
10.根据权利要求1至8中任意一项所述的车轮在巴士中的应用，其中所述巴士是内燃机驱动和/或电动的。
11.根据权利要求1至8中任意一项所述的车轮在拖车中的应用。
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