CN214984582U - 用于商用车辆的超轻量化钢制车轮 - Google Patents

Abstract

本申请涉及用于商用车辆的超轻量化钢制车轮(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)由经热处理和硬化的钢材料制成，其中所述轮辋(2)的最大厚度(T3)小于等于4.50mm，其中所述车轮直径(D)大于等于560mm，并且所述车轮宽度(W)大于等于200mm，其特征在于，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，其中所述轮辐(3)具有最大厚度(T1)和最小厚度(T2)，其中所述轮辋(2)的最大厚度(T3)乘以所述轮辐(3)的最大厚度(T1)小于56mm²，并且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。

Description

用于商用车辆的超轻量化钢制车轮

技术领域

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，其中所述轮辋由经热处理和硬化的钢材料制成，轮辋的最大厚度小于等于4.50mm，车轮直径大于等于560mm并且车轮宽度大于等于200mm。

背景技术

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(R_m)低于700MPa的非合金钢、结构钢或微合金细晶粒结构钢(例如HR 420/S420 MC)。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WO 2015/159231A1(对轮辐)和WO 2018/051282A1(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CN 103909381B1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。

发明内容

根据本申请，上述问题通过以下特征得以解决，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，轮辐具有最大厚度和最小厚度，轮辋的最大厚度乘以轮辐的最大厚度小于56mm²，并且轮辋的最大厚度乘以轮辐的最小厚度小于30mm²。

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，优选为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，可以获得最佳的性能结果。因此，根据本申请的新发现，应当将轮辋和轮辐的最大厚度组合限定在指定范围内并满足标准。

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，将导致在接触区域附近开始高应力集中，这可能导致轮辋中占主导的马氏体微观组织的早期失效，从而降低所公开的车轮的总体性能。最大轮辋厚度与最小轮辐厚度的乘积的合理值应当超过7mm²。

轮辐由经冷成形、未经热处理且未经硬化的钢材料制成。轮辐的厚度可以小于等于14.00mm。

轮辋由经热处理和硬化的钢材料制成，尤其是碳含量在0.18重量％和0.37重量％之间的此类钢材料，其主要由马氏体微观组织构成并且拉伸强度为至少900MPa。

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，本发明人惊奇地发现，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EP 3 115 767B1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HR 420)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	C	Si	Mn	Cr	Mo	弯曲疲劳
							HR 420	0.11	0.1	1.52	-	-	440MPa
钢A	0.22	0.21	1.22	0.08	-	1470MPa
							钢B	0.38	0.39	0.78	1.0	0.24	950MPa
钢C	0.45	0.41	0.62	0.31	0.08	900MPa

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560mm至600mm且宽度为200mm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14.00mm。由此，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。

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，以确保轮辋具有足够的局部刚度和强度。此外，轮辐在轮毂凸缘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。

根据本申请的商用车辆钢制车轮的另一个实施方案，对轮辐和轮辋进行压入配合，并且另外通过焊接、钎焊、结合或其他接合技术固定。压入配合导致轮辋和轮辐的搭接以及接触区域的材料加倍。接触区域中搭接接头的总厚度应当小于11.0mm，优选小于9.5mm，以确保应力有利地传递到不同的组件中。已经发现，当搭接接头的总厚度大于11.0mm时，由于不适当的刚度过渡，从而主要导致焊接区域附近的经热处理和硬化的轮辋的早期失效，由此导致整个车轮的完全失效。另一方面，总厚度应当超过5mm，以确保接头具有适当的疲劳和刚度性能。

在组装期间，热接合技术将在最终部件(轮辐/轮辋)中引入额外的热，并且可影响/改变以马氏体微观组织为主的经热处理和硬化的钢的材料特性。根据所公开的设计准则，在接触区域的熔接区域周围，局部硬度低于350HV 0.1且半径为25mm的热影响区域是可接受的，条件是使用压入配合和附加接合技术。此外，如果车轮轮辐具有检查孔，其边缘附近的硬度不低于350HV 0.1，那么可以获得额外的性能提高。

根据本申请的商用车辆钢制车轮的又一个实施方案，经热处理和硬化的钢为硼钢或锰硼钢，轮辋中经热处理和硬化的钢的微观组织主要由马氏体构成，优选大于80％、尤其大于90％的微观组织由马氏体构成。如17MnB3、20MnB5、22MnB5、30MnB5、34MnB5等的可热处理的钢适用于硬化工艺，并用作制造轮辋的工件，其在钢制样品的弯曲疲劳测试和随后的车轮原型测试期间展示出所需性能和最佳性能。与常规使用的钢的概念相比，上述钢具有更高的循环弯曲疲劳强度，这尤其可以延长相应组件的使用寿命，并且可以在很大程度上防止过早的材料失效。

根据本申请的商用车辆钢制车轮的又一个实施方案，应用间接热冲压或加压硬化工艺，以制造轮辋中以马氏体微观组织为主的经热处理和硬化的钢材料。在这种情况下，热处理是指在高于奥氏体化温度时加热，随后得到硬化的马氏体微观组织。

根据本申请的商用车辆钢制车轮的又一个实施方案，经热处理和硬化的轮辋的平均表面粗糙度Ra在0.8μm和1.8μm之间。特别是，对经热处理和硬化的轮辋的表面进行机械处理，例如喷丸或喷丸硬化，从而改善以马氏体微观组织为主的最终部件的表面质量。

根据本申请的轮辐由碳含量低于0.22重量％、特别是低于0.20重量％、优选低于0.18重量％的钢材料制成，其通过冷成形制得、未经热处理且未经硬化；特别是例如HR420、HQ 420、S420 MC、S460MC、HR 500、HR 550、HQ 600MC、HR 700、HR 760或更高等级的微合金化细晶粒结构钢。或者，也可以应用结构钢，如S235、S275、S355；非合金钢，如DD11；多相钢，如铁素体-贝氏体双相钢或贝氏体钢。按照要求，冷成形之后的轮辐和作为最终部件的轮辐的钢材料的微观组织中马氏体含量小于40％、特别小于20％、优选小于5％(包括0％)。

附图说明

下面将借助于描述样品实施方案的附图更详细地阐述本申请。相同的部件具有相同的附图标记。在附图中：

图1示出了包括根据本申请的商用车辆钢制车轮的示意性截面图的样品实施方案，

图2示出了穿过轮辋和轮辐之间的接合和接触区域的显微照片。

具体实施方式

图1示出穿过根据本申请的商用车辆钢制车轮(1)的样品实施方案的截面图。商用车辆车轮(1)包括：具有(例如)15°胎圈座的凹槽轮辋(2)，其用于保持无内胎轮胎(轮胎未示出)；以及连接至轮辋(2)的轮辐(3)。所示出的商用车辆车轮的直径(D)为572mm且宽度(W)为229mm，该商用车辆车轮设计为卡车车轮尺寸为22.5×9.00，并且最大车轮载荷为4000kg。

轮辐(3)呈碗状，主要包括平面的轮毂凸缘区域(5)和锥形区域(10)，轮毂凸缘区域(5)具有中心孔(8)以及用于可拆卸地连接至轮毂的螺栓孔(9)，锥形区域(10)具有通风孔或检查孔(11)，且该锥形区域终止于外径和轮辋(2)的接合区域(A)。轮辐(3)通过旋压而形成为单件，并且具有不同的厚度，最大厚度(T1)位于轮毂凸缘区域(5)并且达到12.0mm。锥形区域(10)的厚度沿径向变化，并且最小厚度为6.0mm(T2)。

轮辋(2)由锰硼钢、特别是22MnB5制成，而轮辐(3)由碳含量低于0.22重量％的钢材料制成，该钢材料经过冷成形、并且未经热处理和硬化，特别是微合金细晶粒结构钢，尤其是S 550MC。轮辋厚度(T3)达到3.50mm，轮辐(3)在轮毂凸缘(5)中的最大厚度(T1)达到12mm，并且轮辐(3)在锥形区域(10)中的最小厚度(T2)达到6.00mm。仅对轮辋(2)进行额外的热处理和硬化且具有以马氏体为主的微观组织，优选具有至少90％的马氏体，并且轮辋的强度大于1400MPa(Rm)。相反，轮辐(3)的微观组织没有改变，并且材料强度等于约700MPa，特别是在轮毂凸缘区域(5)。由于经旋压的冷成形工艺而使得锥形区域的材料强度增加。

轮辐(3)和轮辋(2)通过压入配合和电弧焊接而接合。搭接接头的总厚度(O)为9.5mm，因此小于最大允许厚度11.0mm。基于全部部件的设计厚度，满足所有限定的厚度要求。最大轮辋厚度(T3)乘以锥形区域(10)的最小厚度(T2)等于21mm²，其小于指定值30mm²。轮辐的最大厚度(T1)和轮辋的最大厚度(T3)的乘积等于42mm²，其小于指定值50mm²。总车轮质量为约27kg，因此所设计的车轮的关键性能因子为约4851mm²/kg，其大于所要求的4000mm²/kg。

相比之下，对于现有技术中处于相当状态且具有相同的尺寸和车轮载荷的商用车辆钢制车轮，其重量为大约36kg。最大轮辋厚度大于4.50mm，并且轮辐在轮毂凸缘中的最大厚度通常大于14.0mm。因此，标准车轮不能满足所公开的车轮的全部要求。

为了进一步减重，还可以将旋压工艺应用于轮辋(2)，而不是仅应用于轮辐(3)，并且在热处理和硬化工艺之前优化沿着轮辋宽度的厚度分布。

从内侧胎圈座区域到外侧胎圈座区域径向地测量车轮(1)的宽度(W)，并且从一个胎圈座区域到另一个胎圈座区域径向地测量直径(D)，如图1所示。

图2示出穿过轮辋(2)和轮辐(3)之间的接合和接触区域(A)的显微照片。在该实施例中，轮辐(3)和轮辋(2)通过压入配合和附加电弧焊(F)接合。轮辐(3)和轮辋(2)的热接合不限于电弧焊，也可以使用激光焊接、CMT焊接、激光混合焊接、钎焊，但是优选热输入低且可控的接合技术。因此，也可以应用粘合剂结合以使应力分布均匀，并且避免更多的热输入进入车轮部件中。

附图标记：

1 商用车辆钢制车轮

2 轮辋

3 轮辐

4.1 轮辋的胎圈座(外)

4.2 轮辋的胎圈座(内)

5 轮辐的车轮轮毂凸缘(连接区域)

6 (深槽)轮辋的轮辋槽(具有(例如)15度胎圈座)

7.1 轮辋凸缘/边缘(外)

7.2 轮辋凸缘/边缘(内)

8 轮辐的中心孔

9 轮毂凸缘的螺栓孔

10 轮辐的锥形区域

11 通风孔/检查孔

D 车轮直径/轮辋直径[mm]

W 车轮宽度/轮辋宽度[mm]

A 轮辐和轮辋之间的搭接接头的接触区域[mm]

R 熔接区域半径(涉及轮辐和/或轮辋的范围)

O 接触区域的搭接接头的总厚度

F 热接合导致的熔接区域

T1 轮辐的(最大)厚度(轮毂凸缘区域处)[mm]

T2 轮辐的(最小)厚度(锥形或接触区域处)[mm]

T3 轮辋的(最大)厚度(轮辋槽处)[mm]

Claims (8)

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)由经热处理和硬化的钢材料制成，其中所述轮辋(2)的最大厚度(T3)小于等于4.50mm，其中所述车轮直径(D)大于等于560mm，并且所述车轮宽度(W)大于等于200mm，其特征在于，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，其中所述轮辐(3)具有最大厚度(T1)和最小厚度(T2)，其中所述轮辋(2)的最大厚度(T3)乘以所述轮辐(3)的最大厚度(T1)小于56mm²，并且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。

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。

3.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。

4.根据权利要求1所述的商用车辆钢制车轮，

其特征在于，所述车轮直径(D)乘以所述车轮宽度(W)再除以所述车轮质量的值大于4600mm²/kg。

5.根据权利要求1所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述车轮直径(D)在560mm和600mm之间。

6.根据权利要求1所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述车轮宽度(W)在200mm和300mm之间。

7.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)的平均表面粗糙度(Ra)在0.8μm和1.8μm之间。

8.根据权利要求1所述的商用车辆钢制车轮，其特征在于，所述轮辐(3)和/或轮辋(2)具有不同厚度。

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