用于商用车辆的超轻量化钢制车轮制造技术

本申请涉及用于商用车辆的超轻量化钢制车轮(1)，其具有优异的材料特性和先进的设计，该车轮由用于安装轮胎的轮辋(2)和具有用于可拆卸地连接至车轮轮毂或轮轴的轮毂凸缘(5)的轮辐(3)组成，其中轮辋(2)和/或轮辐(3)由碳含量在0.18重量％和0.37重量％之间且经热处理和硬化的钢材料制成，轮辐(3)和/或轮辋(2)主要由马氏体微观组织构成并且拉伸强度为至少900MPa，其特征在于，轮辋(2)的最大厚度(T3)小于4.50mm和/或轮辐(3)的最大厚度(T1)小于12.00mm，其中车轮直径(D)乘以车轮宽度(W)再除以车轮质量的值大于4000mm

【技术实现步骤摘要】
用于商用车辆的超轻量化钢制车轮
本申请涉及用于商用车辆的超轻量化钢制车轮，其具有优异的材料特性和先进的设计，该车轮由用于安装轮胎的轮辋和具有用于可拆卸地连接到车轮轮毂或轮轴的轮毂凸缘的轮辐组成，其中轮辋和/或轮辐由碳含量为0.18重量％至0.37重量％的经热处理和硬化的钢材料制成，所述轮辐和/或轮辋主要由马氏体微观组织构成并且拉伸强度为至少900MPa。
技术介绍
用于诸如卡车、公共汽车和拖车之类的商用车辆(CV)的标准钢制车轮由永久固定的一件式车轮轮辐和一件式车轮轮辋构成。车轮轮辋形成车轮的外周部分，从而用于保持有内胎或无内胎轮胎。车轮轮辐具有用于可拆卸地连接至车辆的车轮轮毂的轮毂凸缘。几十年来，将冷成形工艺用于由扁钢材料批量制作车轮轮辐和轮辋。通常使用的钢材料为碳含量低于0.18重量％和/或拉伸强度(Rm)低于700MPa的非合金钢、结构钢或微合金细晶粒结构钢(例如HR420/S420MC)。对商用车辆车轮的主要要求是在重量和成本最小的情况下具有最大的疲劳寿命、安全性和强度。商用车辆的轻量化对总燃料/能量消耗、可持续性和有效载荷增加具有直接影响，因为车轮也在旋转运动，因此其质量是重要的影响因素。此外，由于CO2排放的日益增加和严格规定，OEM正在寻找用于汽车和货车部件的可持续且成本效益好的轻量化解决方案。为了减轻车轮重量，已知的做法是局部减小部件的厚度，保持总体性能不受影响并且仍可满足需求。例如，轮辐的轮毂凸缘的厚度为锥形车轮轮辐区域或用于与轮辋接合的外凸缘的约两倍。可以通过轮辐和/或轮辋的旋压/旋压成形实现局部的和逐渐的厚度减小，这是在国际专利申请WO2015/159231A1(对轮辐)和WO2018/051282A1(对轮辋)中公开的实例。实现减重的另一种方法是利用具有较高强度的钢材料，例如专利CN103909381B1中所公开的。通常，高强度钢伴随着成形性和加工特性的降低，这使得难以充分挖掘轻量化的潜力。此外，更高的材料强度不会自动关联更高的疲劳性能和安全性，而这是使创新的钢制车轮能够进一步轻量化的关键因素。本申请旨在解决的问题是提供用于商用车辆的超轻量化且成本效益好的钢制车轮，与已知的现有技术相比，该钢制车轮能够以优化的方式设计疲劳性能、安全性和重量。
技术实现思路
根据本申请，上述问题由于以下特征得以解决，其中轮辋的最大厚度小于等于4.50mm和/或轮辐的最大厚度小于等于12.00mm，其中车轮直径乘以车轮宽度再除以车轮质量的值大于4000mm2/kg，优选大于4400mm2/kg，尤其是大于4600mm2/kg。通过基于不同钢种的特殊弯曲试样的疲劳测试的综合研究，本专利技术人惊奇地发现，以马氏体微观组织为主且具有指定化学组成的钢材料在循环弯曲载荷下显示出显著改善的疲劳性能，这对于车轮应用是特别有益的。具体的替代测试(样品带)的目标是再现车轮在弯曲疲劳测试期间的不均匀应力状态。疲劳测试期间，在测定装置中夹持指定样品的一端，并且使相对的自由端暴露于正弦载荷下(交变载荷)。在专利EP3115767B1中公开了相关的车轮替代测试方法。基于测试结果，表1示出示例性的提取物，确定了有利的钢材料，其平均的循环弯曲疲劳强度比用于商用车辆车轮的标准钢(例如HR420)高至少三倍。此外，与有利的钢材料A相比，经热处理和硬化的钢材料B和C的疲劳性能显著降低，因此还证明了材料强度和/或碳含量的增加不会自动地直接导向更好的疲劳行为。此外，可以通过特定的表面处理实现经热处理和硬化的钢材料的附加性能的提高。表1材料CSiMnCrMo弯曲疲劳HR4200.110.11.52--440MPa钢A0.220.211.220.08-1470MPa钢B0.380.390.780.920.24950MPa钢C0.450.410.620.310.08900MPa本申请的第二部分涉及应用确定的材料特性和测定的有利应力条件，以对直径为420mm至600mm且宽度为175mm至300mm的轻量化钢制车轮进行开发和新设计。通过基于模拟的进一步深入的研究工作和随后的原型测试可以确定，如果车轮直径乘以车轮宽度再除以车轮质量的值大于4000mm2/kg、优选大于4400mm2/kg、尤其是大于4600mm2/kg的情况下，根据本申请的钢制车轮的性能是特别有利的。此外，轮辋的最大厚度乘以轮辐的最大厚度的值不超过56mm2，优选不超过50mm2。特别地，轮辋的最大厚度应当小于等于4.50mm和/或轮辐的最大厚度应当小于等于12.00mm。因此，在疲劳强度和安全性方面的要求仍然切实可行的同时，可以实现所开发的车轮的显著减重和转动惯量的降低。根据(例如)ETRTO、T&RA和DIN中定义的标准，从胎圈座至胎圈座区域测量车轮的宽度和直径。测定钢制车轮的总质量作为车轮质量，不考虑轮胎。轮辐的最大厚度通常位于轮毂凸缘处，即在车轮与轮毂或轮轴(用螺栓)紧固的区域，并且最小轮辐厚度通常在锥形区域和/或与轮辋接触的区域。通常在凹槽轮辋的轮辋槽和/或接合区域和/或与轮胎直接接触并因此需要承受高局部应力集中的轮辋边缘处获得轮辋的最大厚度。为了适当地平衡所公开的轻量化钢制车轮的应力分布，从而最大程度地减重，轮辋和轮辐的最大厚度组合的指定值为56mm2、优选为50mm2是非常重要的。最大厚度组合的合理值应当超过15mm2，优选超过20mm2。已经发现，当最大厚度组合的值大于56mm2时，不能充分挖掘轻量化潜力，并且在一些应用和设计中甚至导致性能差，这是因为没有适当地平衡位于轮毂和轮胎之间的车轮的刚度和变形行为，使得在钢制车轮中引入高的局部应力集中，这导致过载和早期失效。通过将最大轮辋厚度限制为至多4.50mm、并且将最大轮辐厚度限制为至多12.00mm，获得了最佳的性能结果。因此，根据本申请的新发现，应当将轮辋和轮辐的最大厚度配比限定在所公开的范围内并满足标准。此外，轮辋厚度在任何位置处都不应小于最小厚度1.5mm，优选不小于2.0mm，特别是不小于2.5mm，以确保轮辋部分具有足够的局部刚度和强度。此外，轮辐在轮毂凸缘的区域中的最小厚度不应小于6.00mm，优选为不小于7.50mm，并且在锥形区域中不小于2.0mm，优选为不小于2.5mm，尤其是不小于3.0mm，以避免轮辐中不期望的应力局部化，并且由此防止早期裂纹萌生和整个部件失效。为了进一步优化轮辐和轮辋的接合区域的应力分布，发现当锥形区域和/或接触区域中最大轮辋厚度乘以最小轮辐厚度的值不超过30mm2时，局部应力水平可以减小且均匀化。否则，接头的刚度过高，将导致在接本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种商用车辆钢制车轮(1)，其具有用于安装轮胎的轮辋(2)和具有用于可拆卸地连接至车轮轮毂的轮毂凸缘(5)的轮辐(3)，其中所述轮辋(2)和/或轮辐(3)由碳含量在0.18重量％和0.37重量％之间的经热处理和硬化的钢材料制成，所述轮辐(3)和/或轮辋(2)主要由马氏体微观组织构成并且拉伸强度为至少900MPa，其特征在于，所述轮辋(2)的最大厚度(T3)小于等于4.50mm和/或所述轮辐(3)的最大厚度(T1)小于等于12.00mm，所述车轮直径(D)乘以车轮宽度(W)再除以车轮质量的值大于4000mm

【技术特征摘要】
1.一种商用车辆钢制车轮(1)，其具有用于安装轮胎的轮辋(2)和具有用于可拆卸地连接至车轮轮毂的轮毂凸缘(5)的轮辐(3)，其中所述轮辋(2)和/或轮辐(3)由碳含量在0.18重量％和0.37重量％之间的经热处理和硬化的钢材料制成，所述轮辐(3)和/或轮辋(2)主要由马氏体微观组织构成并且拉伸强度为至少900MPa，其特征在于，所述轮辋(2)的最大厚度(T3)小于等于4.50mm和/或所述轮辐(3)的最大厚度(T1)小于等于12.00mm，所述车轮直径(D)乘以车轮宽度(W)再除以车轮质量的值大于4000mm2/kg。


2.根据权利要求1所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述轮辋(2)的最大厚度(T3)乘以所述轮辐(3)的最大厚度(T1)小于56mm2。


3.根据权利要求1或2所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述轮辋的最大厚度(T3)乘以所述轮辐的最小厚度(T2)小于30mm2。


4.根据前述权利要求中任一项所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述轮辐(3)和轮辋(2)经过压入配合，并且另外通过焊接和/或粘合剂结合和/或钎焊从而永久固定，其中，全部车轮部件的压入配合接头的接触区域(A)的总厚度(O)小于11.0mm。


5.根据前述权利要求中任一项所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述轮辐(3)和/或轮辋(2)在熔接区域(F)周围表现出半径(R)为25mm的附加受热区域，该附加受热区域中所述轮辐(3)和/或所述轮辋(2)的硬度值降至低于350HV0.1。


6.根据前述权利要求中的任一项所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述车轮直径(D)大于等于420mm和/或所述车轮宽度(W)大于等于175mm。

【专利技术属性】
技术研发人员：大卫·皮耶罗纳克，田伟，
申请(专利权)人：蒂森克虏伯钢铁北京有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11