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Heutzutage werden in der Kraftfahrzeugbranche die Anforderungen an das Gewicht der Kraftfahrzeuge, sowie der Anhänger für Kraftfahrzeuge gesteigert. Um den Kraftstoffverbrauch zu senken, ist es erforderlich das Gewicht so gering wie möglich zu halten. Dennoch sollen die Kosten gering gehalten werden und zudem müssen die Kraftfahrzeuge und Anhänger den Sicherheitserfordernissen genügen.
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Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass diese Aufgabe gelöst werden kann, indem eine oder mehrere Achsen des Fahrwerks eines Kraftfahrzeuges oder Kraftfahrzeuganhängers mit geeigneten Eigenschaften hergestellt werden.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird die Aufgabe daher gelöst durch einen Kraftfahrzeuganhänger mit mindestens einer Fahrwerkachse mit mindestens einem Rohrelement. Der Kraftfahrzeuganhänger ist dadurch gekennzeichnet, dass das Rohrelement eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 600 MPa, eine Zugfestigkeit Rm von mindestens 850 MPa, eine Bruchdehnung A5 von mindestens 14% und eine Kerbschlagarbeit Av bei –20°C von mindestens 27 J aufweist. Bevorzugt beträgt die Bruchdehnung mindestens 16 % oder die Zugfestigkeit mindestens 900 MPa.
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Der Kraftfahrzeuganhänger kann gemäß der vorliegenden Erfindung ein Anhänger für einen Personenkraftwagen oder für einen Nutzfahrzeug sein. Der Kraftfahrzeuganhänger wird im Folgenden auch als Trailer und die Fahrwerkachse des Kraftfahrzeuganhängers als Trailerachse bezeichnet.
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Der Kraftfahrzeuganhänger weist mindestens eine Fahrwerkachse auf. Als Fahrwerkachse wird im Sinne der Erfindung eine Achse bezeichnet, über die die Verbindung des Fahrgestells zu den Rädern hergestellt wird. Die Fahrwerkachse dient somit der Radaufhängung. Die Fahrwerkachse umfasst ein Rohrelement, das die Verbindung zwischen Rädern an gegenüberliegenden Seiten eines Kraftfahrzeuges und damit an gegenüberliegenden Seiten eines Kraftfahrzeuganhängers bildet. Das Rohrelement der Fahrwerkachse wird auch als Achsrohr bezeichnet.
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Insbesondere weist das Rohrelement eine Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 600 MPa, eine Streckgrenze oder Zugfestigkeit Rm von mindestens 850 MPa, eine Bruchdehnung A5 von mindestens 14% und eine Kerbschlagarbeit Av bei –20°C von mindestens 27 J auf. Bevorzugt beträgt die Bruchdehnung mindestens 16 % bei oder die Zugfestigkeit 900 MPa.
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Fahrwerkachsen, insbesondere Anhängerachsen, der heutigen Generation, die auch als Trailerachsen bezeichnet werden, werden mit Rohrelementen gefertigt, deren Streckgrenzen bei 500MPa oder leicht darüber liegen. Die Kerbschlagarbeit beträgt bei –20°C >= 27J.
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Indem bei dem erfindungsgemäßen Kraftfahrzeuganhänger eine Fahrwerkachse eingesetzt wird, deren Rohrelement eine Dehngrenze von über 600 MPa und eine Zugfestigkeit von über 850 MPa aufweist und dessen Bruchdehnung A5 bei mindestens 14 % liegt und das eine Kerbschlagarbeit Av bei –20°C von mindestens 27 J aufweist, kann ohne die Sicherheitsanforderungen zu verletzen, eine Fahrwerksachse eingesetzt werden, die ein Rohrelement geringerer Wandstärke aufweist. Hierdurch kann das Gewicht der Fahrwerkachse und damit des Trailers verringert werden und dennoch können die Sicherheitsanforderungen erfüllt werden. Dennoch entspricht die Fahrwerkachse den Beanspruchungen, die beispielsweise in dem Kraftfahrzeuganhänger an der Fahrwerkachse auftreten können.
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Insbesondere kann eine hohe Kraft von der Fahrwerkachse und insbesondere dem Rohrelement aufgenommen werden. Zudem ist die Bruchfestigkeit bei gleichzeitig guten Zähigkeitseigenschaften gegeben.
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Die Kerbschlagarbeit des Rohrelementes wurde mittels des Charpy-Kerbschlagbiegeversuches ermittelt. Insbesondere wurde eine Probe mit V-förmiger Kerbe verwendet.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das Rohrelement der Fahrwerkachse aus einem bainitischen, lufthärtenden Werkstoff. Hierdurch können zum einen durch das überwiegend bainitische Gefüge des Werkstoffes die erfindungsgemäß geforderten Kennwerte auf einfache Weise erfüllt werden. Zum anderen kann dadurch, dass die Kennwerte durch Abkühlung an Luft eingestellt werden können, die Herstellung des Rohrelementes und damit der Fahrwerkachse und des Trailers vereinfacht werden. Insbesondere ist eine aufwändige Wärmebehandlung des Rohrelementes nicht erforderlich.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Erfindung durch eine Fahrwerkachse, insbesondere für einen Anhänger eines Kraftfahrzeuges, gelöst. Die Fahrwerkachse kann aber beispielsweis auch für eine Fahrwerkachse an einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden.
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Die Fahrwerkachse ist dadurch gekennzeichnet, dass diese mindestens ein Rohrelement mit einer Dehngrenze Rp0,2 von mindestens 600 MPa, einer Zugfestigkeit Rm von mindestens 850 MPa, einer Bruchdehnung A5 von mindestens 14% und eine Kerbschlagarbeit Av bei –20°C von mindestens 27 J aufweist.
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Das Rohrelement stellt vorzugsweise ein nahtloses Rohr dar.
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Bei der erfindungsgemäßen Fahrwerkachse besteht das mindestens eine Rohrelement vorzugsweise aus einem bainitischen, lufthärtenden Werkstoff.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform weist das Gefüge des Rohrelementes der Fahrzeugachse mindestens 60% Bainit, Rest Ferrit und/oder Martensit und/oder Restaustenit. Insbesondere besteht der Rest aus mindestens 15% Ferrit und maximal 10% Martensit und/oder Restaustenit.
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Bei bekannten bainitischen Werkstoffen, die eine hohe Streckgrenze und Kerbschlagarbeit aufweisen, ist es erforderlich einen hohen Gehalt an Restaustenit einzustellen. Dieser kann beispielsweise bis zu 20% betragen. Beispiele hierfür sind (CBF(Carbide-free Bainit)- und TBF(TRIP-aided Bainitic Ferrite)-Stähle). Um die geforderten Kennwerte zu erzielen ist bei diesen Stählen allgemein eine teuere, aufwändige und technisch schwierig zu realisierende Wärmebehandlung erforderlich, um die gewünschte Menge Restaustenit bis Raumtemperatur zu stabilisieren. Diese Wärmebehandlung setzt eine aufwändige Prozessregelung voraus und ist in üblichen Produktionsanlagen von Werken zur Rohrherstellung schwierig prozesssicher umsetzbar. Da bei dem erfindungsgemäß vorzugsweise verwendeten Gefüge die Kennstoffwerte maßgeblich durch den Bainitanteil bedingt sind und ein Gehalt an Restaustenit wie im Stand der Technik nicht erforderlich ist, kann die Herstellung des Rohrelementes für die Fahrwerkachse vereinfacht werden und insbesondere können die Herstellungskosten verringert werden.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform besteht das mindestens eine Rohrelement aus einem Stahlwerkstoff auf Eisenbasis, der in Gewichtsprozent die folgenden Legierungselemente umfasst:
| C | 0,06–0,15% |
| Mn | 1,0–3,0% |
| Si | 0,4–2,0% |
| Cr | > 0,4% und maximal 2,0% |
| Nb | 0,001–0,1% |
| Al | maximal 0,25% |
| N | 0,001–0,1%. |
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Zusätzlich können in dem Stahlwerkstoff, der im Folgenden auch als Werkstoff bezeichnet wird, unvermeidbare Verunreinigungen vorliegen.
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Kohlenstoff C liegt erfindungsgemäß bis maximal 0,15 Gew.% vor. Hierdurch kann die Zementitbildung Fe3C in dem Stahlwerkstoff gering gehalten werden und eine ausreichende Zähigkeit der Fahrwerkachse wird sichergestellt. Erfindungsgemäß kann aber auch ein Kohlenstoffgehalt von bis zu maximal 0,13% ausreichen, um diese Eigenschaften einzustellen.
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Silizium Si wird in einer Menge von mindestens 0,4 Gew.-% zugegeben. Es ist auch möglich Silizium in einer Menge von mindestens 0,5% Gew.-% zuzugeben. Durch diese Zugabe kann zum einen eine ausreichende Bainitbildung erzielt werden und zum anderen dient auch Silizium dazu die Fe3C-Bildung zu unterdrücken. Zudem dient die Zugabe von Silizium der Erhöhung der Streckgrenze durch Mischkristallbildung.
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Mangan Mn wird in einer Menge von mindestens 1,0 Gew.-% zugegeben. Auch hierdurch werden die Durchhärtbarkeit und eine ausreichende Bainitbildung in dem Werkstoff gewährleistet. Bevorzugt können mindestens 1,6 Gew.% Mangan vorgesehen werden, wodurch Zugfestigkeit und Streckgrenze erhöht werden können.
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Ein Mindestgehalt von Stickstoff N von 0,001 Gew.-% ist erforderlich, um eine für eine Zähigkeitserhöhung durch Kornfeinung notwendige Niob-Karbonitridbildung zu ermöglichen.
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Chrom kann erfindungsgemäß auch in einer geringeren Menge als der angegebenen Untergrenze von 0,4 Gew.-% vorliegen. Die Untergrenze von Chrom kann daher beispielsweise auch mit 0 Gew.-% angegeben werden. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform wird Chrom Cr allerdings in eine Menge von mehr als > 0,4 Gew.-% zugegeben. Hierdurch kann eine Anlassbeständigkeit des Werkstoffes und damit des Rohrelementes der Fahrwerkachse erzielt werden. Zudem wird die Durchhärtbarkeit durch die Zugabe von Chrom verbessert. Gemäß der bevorzugten Ausführungsform, wird Chrom allerdings maximal bis zu 2 Gew.-% zugegeben. Hierdurch kann eine ausreichende Kerbschlagarbeit und -zähigkeit gewährleistet werden, insbesondere da eine Nitridbildung oder Carbidbildung bei diesen relativ geringen Gehalten an Chrom vermieden werden kann. Zudem sind die Kosten für den Werkstoff des Rohrelementes bei einer Begrenzung des Chromgehaltes auf maximal 2 Gew.-% geringer.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das Rohrelement der Fahrwerkachse ein warmgeformtes und anschließend an Luft gekühltes Rohrelement. Bei der Herstellung des Rohrs beziehungsweise bei der Warmumformung wird hierbei das Rohr, aus dem das Rohrelement gefertigt wird, auf eine Temperatur, die oberhalb der Ac3-Temperatur des Werkstoffes liegt, erwärmt. In der bevorzugten Ausführungsform wird das Rohrelement ohne anschließende Wärmebehandlung nach der Warmumformung hergestellt. Es hat sich gezeigt, dass dennoch die erfindungsgemäßen Eigenschaften des Rohrelementes eingestellt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform wird das Rohrelement so hergestellt, dass bei der Warmumformung eine mittlere Austenitkorngröße von weniger als 50µm eingestellt wird. Anschließend wird das Rohrelement an Luft abgekühlt. Die Abkühlung kann an bewegter oder ruhender Luft stattfinden. Insbesondere wird die Abkühlung so durchgeführt, dass der Temperaturbereich zwischen 800°C und 500°C mit einer Kühlrate von 0,1 bis 8,0 °C durchlaufen wird.
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Hierdurch kann ein feinkörniges und gleichmäßiges Gefüge erzielt werden, dessen Festigkeits- und Zähigkeitseigenschaften weiter verbessert sind.
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Gemäß einer Ausführungsform stellt die Fahrwerkachse eine reibgeschweißte Fahrwerkachse dar, bei der das Rohrelement über Reibschweißung mit mindestens einem Achszapfen verbunden ist. Eine solche Ausgestaltung ist bei der vorliegenden Erfindung möglich, da auch nach dem Anarbeiten, beispielsweise dem Anschweißen der Achszapfen, die Kennwerte in dem Rohrelement weiterhin vorliegen.
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Die Fahrwerkachse ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform eine Starrachse. Als Starrachse wird die Art der Radaufhängung bezeichnet, bei der die Räder einer Achse über einen starren Achskörper, insbesondere das Rohrelement miteinander verbunden sind.
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Die Fahrwerkachse kann eine Achse des Kraftfahrzeuges darstellen. Auch hierbei ist die Fahrwerkachse vorzugsweise eine Starrachse. Besonders bevorzugt ist die Fahrwerkachse eine Kraftfahrzeuganhängerachse. Diese Achsen, die in der Regel als Starrachsen ausgebildet sind, werden Zug- und/oder Druckbeanspruchungen, insbesondere aber Biege- und Torsionsbeanspruchungen ausgesetzt. Mit den erfindungsgemäßen Eigenschaften der Fahrwerkachse, kann diese den Beanspruchungen standhalten und die Sicherheit ist somit gewährleistet.
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Zusätzlich oder alternativ kann die Fahrwerkachse Gelenke oder andere Anbauteile zur Radanbindung und/oder eine Lenkstange umfassen oder als Verbundlenkerachse ausgebildet sein.
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Die vorliegende Erfindung betrifft somit auch eine Verwendung einer erfindungsgemäßen Fahrwerkachse in einem Kraftfahrzeug und vorzugsweise in einem Kraftfahrzeuganhänger.
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Die erfindungsgemäße Fahrwerkachse zeichnet sich zudem durch eine verbesserte Oberflächengüte aus, wodurch eine Beschichtung der Fahrwerkachse möglich wird. Die Fahrwerkachse kann daher erfindungsgemäß beschichtet sein. Hierdurch kann die Korrosionsbeständigkeit der Fahrwerkachse verbessert werden. Zudem kann die Fahrwerkachse auch gegen mechanische Beschädigung, beispielsweise durch Steinschlag, geschützt werden. Die Beschichtung kann beispielsweise eine Verzinkung, Kunststoffbeschichtung, Lackierung oder dergleichen sein.
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Gemäß einem weiteren Aspekt wird die Aufgabe gelöst durch eine Verwendung eines Werkstoffes zur Herstellung eines Rohrelementes einer Fahrwerkachse für ein Kraftfahrzeug oder einen Kraftfahrzeuganhänger. Der Werkstoff ist dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff einen Stahlwerkstoff auf Eisenbasis darstellt, der in Gewichtsprozent die folgenden Legierungselemente umfasst:
| C | 0,06–0,15% |
| Mn | 1,0–3,0% |
| Si | 0,4–2,0% |
| Cr | > 0,4% und maximal 2,0% |
| Nb | 0,001–0,1% |
| Al | maximal 0,25% |
| N | 0,001–0,1%. |
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Die Vorteile dieser Legierungselemente in dem erfindungsgemäß verwendeten Werkstoff wurden bereits oben ausgeführt.
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Zudem ist darauf hinzuweisen, dass der erfindungsgemäß verwendete Werkstoff aufgrund der zwingend enthaltenen Legierungselemente, die vergleichsweise kostengünstig sind, einen kostengünstigen Werkstoff darstellt, mit dem dennoch zuverlässig die erfindungsgemäßen Eigenschaften des Rohrelementes und der Fahrwerkachse eingestellt werden können.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform umfasst der Stahlwerkstoff zusätzlich zumindest eines der folgenden Legierungselemente: Vanadium, Titan, Bor, Nickel, Molybdän. Diese Legierungselemente liegen, sofern vorhanden, vorzugsweise in den folgenden Mengen in Gewichtsprozent vor:
| V | maximal 0,15 |
| Ti | maximal 0,1 |
| B | maximal 0,005 |
| Ni | maximal 2,0 |
| Mo | maximal 0,5. |
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform liegt der Aluminiumgehalt bei mindestens 0,05 Gew.-%. Durch diesen Aluminiumgehalt kann eine bainitische Umwandlung unterstützt werden. Liegt der Aluminiumgehalt unter diesem Gehalt kann es dazu kommen, dass die bainitische Umwandlung zu langsam abläuft und daher der vorzugsweise angestrebte Bainitgehalt nicht auf einfache Weise eingestellt werden kann.
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Ein Beispiel der Zusammensetzung des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes, ist ein Werkstoff, der außer Eisen und unvermeidbaren Verunreinigungen die folgenden Legierungselemente in den angegebenen Mengen in Gew.-% aufweist:
| C | 0,08 |
| Mn | 2,28 |
| Si | 0,72 |
| Cr | 1,2 |
| Nb | 0,03 |
| Al | 0,03 |
| N | 0,008. |
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Mit einem solchen Werkstoff konnten die folgenden Kennwerte erzielt werden: Rp0.2 >= 600MPa, Rm >= 900 MPa, A5 > 16%, Av (–20°C) >= 27J, Zustand: +AR (wie gewalzt)
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Während Aluminium ein optionales Element des Werkstoffes ist, sind die weiteren Legierungselemente des erfindungsgemäß verwendeten Werkstoffes Musskomponenten des Werkstoffes, um mit diesem Werkstoff die gewünschten Eigenschaften erzielen zu können.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Gehalt an Niob in dem erfindungsgemäß verwendeten Werkstoff mindestens 0,01 Gew.-%. Durch diese Zugabe von Niob kann eine gute Kornfeinung in dem Werkstoff erzielt werden und so die erfindungsgemäßen Eigenschaften zuverlässig eingestellt werden.
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Der Werkstoff kann als optionale Legierungselemente mindestens eines der folgenden Elemente enthalten: Vanadium, Titan, Bor, Nickel, Molybdän und Aluminium. Diese Legierungselemente sind aber zum Erzielen der erfindungsgemäßen Eigenschaften des Rohrelementes und damit der Fahrwerkachse nicht zwingend erforderlich. Somit können die Kosten des Werkstoffes auf einem geringen Niveau gehalten werden.
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Vorteile und Merkmale, die bezüglich des Kraftfahrzeuganhängers, der Fahrwerkachse oder der Verwendung beschrieben werden, gelten, soweit anwendbar auch für den jeweils anderen Gegenstand und werden daher gegebenenfalls nur einmalig beschrieben.
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Im Folgenden werden drei Ausführungsformen einer Fahrwerkachse anhand der beiliegenden Figur erläutert.
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1: zeigt eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Fahrwerkachse nach der vorliegenden Erfindung,
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2: zeigt eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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3: zeigt eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
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4: zeigt einen erfindungsgemäßen Anhänger mit Fahrwerkachse.
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In 1 ist eine erste Ausführungsform einer Fahrwerkachse 1 schematisch gezeigt. Die Fahrwerkachse 1 weist in der dargestellten Ausführungsform ein Rohrelement 10 auf, das auch als Achsrohr bezeichnet werden kann. Das Rohrelement 10 stellt vorzugsweise ein nahtloses Rohrelement 10 dar. An den beiden Enden des Rohrelementes 10 ist jeweils ein Achszapfen 11 vorgesehen. Die Achszapfen 11 sind an den Enden des Rohrelementes 10 angeordnet. Die Achszapfen 11 sind bei der Ausführungsform nach 1 durch Umformen der Enden des Rohrelementes 10 selbst, insbesondere durch Warmformen, ausgeformt. Beispielsweise können die Achszapfen 11 eingezogene oder rundgeknetete Enden des Rohrelementes 10 darstellen.
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In der 2 ist eine zweite Ausführungsform einer Fahrwerkachse 1 schematisch gezeigt. Die Fahrwerkachse 1 weist in der dargestellten Ausführungsform ein Rohrelement 10 auf, das auch als Achsrohr bezeichnet werden kann. Das Rohrelement 10 stellt vorzugsweise ein nahtloses Rohrelement 10 dar. An den beiden Enden des Rohrelementes 10 ist jeweils ein Achszapfen 11 vorgesehen. Die Achszapfen 11 sind an den Enden des Rohrelementes 10 angeordnet. Die Achszapfen 11 können beispielsweise mit dem Rohrelement 10 durch Stoffschluss, insb. Reibschweißen verbunden sein. In der in 2 gezeigten Ausführungsform handelt es sich bei den Achszapfen 11 um geschmiedete Achszapfen 11, die durch Stoffschluss, beispielsweise durch Reibschweißen an den Enden des Rohrelementes 10 mit diesem verbunden sind.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform einer Fahrwerkachse 1 gezeigt. Auch bei dieser Ausführungsform weist die Fahrwerkachse 1 ein Rohrelement 10 auf und an dessen Enden sind Achszapfen 11 befestigt. In der in 3 gezeigten Ausführungsform sind die Achszapfen 11 über Verbindungsstücke 12 mit den Enden des Rohrelementes verbunden und insbesondere damit verschweißt.
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In 4 ist eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Anhängers 2 gezeigt. In der dargestellten Ausführungsform weist der Anhänger 2 drei Fahrwerkachsen 1 auf. Diese sind erfindungsgemäß ausgestaltet und können beispielsweise eine der in 1 bis 3 gezeigte Ausgestaltung der Fahrwerkachse 1 aufweisen.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein kostengünstiger Werkstoff offenbart, der eine Streckgrenze von >= 600 MPa und einer Kerbschlagarbeit >= 27J bei –20°C aufweist und zur Herstellung nahtloser Rohre ohne nachfolgende Wärmebehandlung geeignet ist.
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Die Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Zum einen ist mit der vorliegenden Erfindung ein Leichtbaupotential gegeben, das beispielsweise für Fahrzeuganhänger oder Trailerachsen genutzt werden kann. Insbesondere kann aufgrund der deutlich höheren Streckgrenze (>= 600MPa), die Wandstärke des Rohrelementes verringert werden und dadurch das Gewicht der Fahrwerkachse verringert werden. Zudem garantiert ein niedriges Streckgrenzenverhältnis von beispielsweise 0,6–0,7 eine gute Umformbarkeit des Werkstoffes und daher eine einfachere Herstellung der Fahrwerkachse.
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Der erfindungsgemäß verwendete Werkstoff stellt vorzugsweise einen hochfesten bainitischen Werkstoff dar, mit dem eine gute Zähigkeit auch ohne nachträgliche Wärmebehandlungen eingestellt werden kann. Es werden Werte Rp0,2 >= 600MPa, Rm >= 850 MPa, A5 >= 14%, Av (–20°C) >= 27J erzielt. Der Lieferzustand kann hierbei +AR (wie gewalzt) sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fahrwerkachse
- 10
- Rohrelement
- 11
- Achszapfen
- 12
- Verbindungsstück
- 2
- Anhänger
