DE69704052T2

DE69704052T2 - Verfahren zum herstellen eines motorkraftfahrzeugrades

Info

Publication number: DE69704052T2
Application number: DE69704052T
Authority: DE
Inventors: Guy Marron; Luc Moinier; Pascal Patou
Original assignee: Sollac SA; Lorraine de Laminage Continu SA SOLLAC
Current assignee: Sollac SA
Priority date: 1996-02-08
Filing date: 1997-02-07
Publication date: 2001-08-23
Anticipated expiration: 2017-02-08
Also published as: EP0879105B1; EP0879105A1; FR2744657B1; ATE199070T1; DE69704052D1; FR2744657A1; WO1997028914A1; ES2154024T3

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Rades für ein Motorfahrzeug, das einen Radkörper und eine im wesentlichen zylindrische Felge aufweist, wobei der Radkörper aus einem im wesentlichen ebenen Mittenabschnitt mit einer Anlagefläche besteht zur Zentrierung und Befestigung des Rades an einer Achsnabe des Fahrzeugs, einer im wesentlichen konischen inneren Rampe besteht, einer weiteren entgegengesetzt konischen Rampe besteht, die zusammen mit der inneren Rampe einen konturierten Vorsprung mit großem Krümmungsradius bildet, wobei das entgegengesetzt konische Teil, das den rückwärtigen Teil des konturierten Vorsprungs darstellt, als Randstück endet, das der Verbindung des Radkörpers mit der Felge dient, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe beispielsweise FR-A-2561144).
Der Radkörper und die Felge werden im allgemeinen durch Tiefziehen und/oder Rolldrücken einer homogenen Blechscheibe hergestellt.
Die verschiedenen Bearbeitungsvorgänge führen schließlich zu einem Profil des Radkörpers, das im allgemeinen aus fünf konzentrischen kreisförmigen Bereichen besteht, nämlich:
- der Mittenabschnitt der zur Befestigung des Rades an der Achsnabe des Fahrzeugs dient,
- eine innere konische Rampe, die den Mittenabschnitt mit dem höchsten Punkt des Rades verbindet, der ein konturierter Vorsprung ist,
- der konturierte Vorsprung, der einen großen Krümmungsradius aufweist,
- das rückwärtige Teil des konturierten Vorsprungs, in dem gewichtserleichternde Öffnungen vorgesehen sind,
- das Randstück des rückwärtigen Teils, das im allgemeinen zur Verbindung des Radkörpers mit der Felge dient.
Die Vorgänge zur Herstellung eines Radkörpers aus einer einzigen homogenen Blechscheibe weisen noch den Hauptnachteil auf, dass die Dicken nicht wunschgemäß verteilt werden können. Dies bedeutet, dass es nicht möglich ist, physikalische und mechanische Besonderheiten in den verschiedenen Bereichen auszubilden, beispielsweise in den am stärksten belasteten Bereichen oder auch Wanddickenverringerungen in Bereichen geringerer mechanischer Belastungen vorzusehen. Wird das Rad mechanisch analysiert, so erkennt man, dass während des Einsatzes der am stärksten belastete Bereich des Radkörpers der konturierte Vorsprung ist und der am wenigsten belastete Bereich des Radkörpers das Randstück ist. Um an bestimmten Stellen eine minimal zulässige Dicke vorzusehen, ist das Blech in seiner Dicke überdimensioniert, da örtliche Abtragungen berücksichtigt werden müssen durch die Formgebung der Blechscheibe. Dies bedeutet, dass das Rad konzeptionell bedingt ein übermäßiges Gewicht aufweist.
Der kritische Ermüdungsbereich des Radkörpers ist der konkave Teil des konturierten Vorsprungs. Dieser Bereich neigt zu Rißbildung bei Belastungen des Rades. Es ist bekannt das eine Kompressionsbelastung sich vorteilhaft auf die Widerstandsfestigkeit auswirkt.
Die Veröffentlichung US 4 448 053 beschreibt ein Verfahren zur Erzeugung einer Kompressionsbelastung an einer Felge eines Fahrzeugrades.
Bei diesem Verfahren wird die Belastung durch Kompression des Bleches mittels einer Rolle erzeugt. Eine Kompression vom Typ Nachwalzen bedingt plastische Oberflächenverformungen, die hinsichtlich des Aussehens und der Haltbarkeit nachteilig sind. In der Tat kann ein Nachwalzen das Auftreten von Brüchen bewirken. Außerdem treten die mit diesem Verfahren erzeugten Belastungen an Extremstellen der Felge auf, wodurch ihr Effekt insbesondere im Falle von Zug-Druck-Beanspruchungen, wie sie bei derartigen Rädern im Betrieb auftreten, begrenzt sind. Auf einem anderen Gebiet muß eine Bearbeitung mittels des vorgeschlagenen Nachwalzens vor einem Farbauftrag auf der Radoberfläche durchgeführt werden. Ein späterer Farbauftrag mit einer thermischen Aushärtung der Farbe führt jedoch zu einem teilweisen Nachlassen der durch die Rolle induzierten Belastungen und setzt dadurch die Wirksamkeit des Verfahrens herab.
Das durch die Formgebung im kritischen Bereich des konturierten Vorsprungs hervorgehende Belastungsfeld weist eine "Z"-Form auf. Am unteren Totpunkt der Formgebung wird der konkave Abschnitt des konturierten Vorsprungs einer Kompression unterworfen, während das obere Teil oder der konvexe Abschnitt des konturierten Vorsprungs einer Traktion unterworfen wird. Dabei läßt sich beobachten, dass sich eine Beanspruchung vom Typ Rotationsschwingung örtlich an eine Schwingung vom Typ abwechselnder Planschwingung auf Höhe des Vorsprungs angleicht. Dies bedeutet, dass die Belastung des Rades dadurch erfolgt, dass das untere Teil des konturierten Vorsprungs abwechselnd einer Traktionskraft und einer Kompressionskraft ausgesetzt ist, wobei dieses Verhalten für den oberen Teil des konturierten Vorsprungs umgekehrt ist. In anderen Worten, das Belastungsprofil während des Einsatz des Rades besteht in der Überlagerung zweier Belastungsprofile, ausgehend einerseits von der Formgebung des Radkörpers und andererseits der auf das Rad während des Einsatzes einwirkenden Belastung.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Gewichtsverringerung des Rades zu gewährleisten durch örtliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Rades und zwar durch Veränderung des internen Belastungsprofils, das aus der Formgebung bestimmter Radabschnitte stammt.
Erfindungsgemäß erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit einem Verfahren zur Herstellung eines Rades für ein Motorfahrzeug nach dem Anspruch 1.
Weitere bevorzugte Besonderheiten sind:
- es wird wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades dem Stoß eines Wasserstrahles unterworfen,
- es wird wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades dem Stoß eines Laser-Strahles unterworfen,
- es wird der konkave Abschnitt des konturierten Vorsprungs des Radkörpers einem Stoß unterworfen, der in diesem Abschnitt Kompressionsbelastungen durch Stoß und Stoßwelle erzeugt,
- es wird auf dem Bereich eine Beschichtung angeordnet, die einen Teil der Laser-Strahlungsenergie absorbiert,
- es wird auf der Beschichtung eine für die Laserstrahlung transparente Schicht aufgebracht.
Das Verständnis der Erfindung wird erleichtert durch die nachfolgende, als Beispiel dienende Beschreibung mit den beigefügten Figuren. Es zeigen:
Fig. 1 einen Schnitt durch ein Rad eines Motor-Landfahrzeuges zur Darstellung der verschiedenen Teile des Rades,
Fig. 2 eine schematische Darstellung des durch den Stoß einer Laserstrahlung entstehenden physikalischen Phänomens, und
Fig. 3 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Fahrzeugrad, das einem Stoß durch eine Laserstrahlung unterworfen wird.
Erfindungsgemäß wird also ein Verfahren zur Herstellung eines Rades 1 für ein Motorfahrzeug vorgeschlagen, das gemäß Fig. 1 einen Radkörper 2 und eine im wesentlichen zylindrische Felge 3 aufweist, wobei der Radkörper 2 aus einem im wesentlichen ebenen Mittenabschnitt 4 besteht mit einer Anlagefläche 5 zur Zentrierung und Befestigung des Rades 1 an der Nabe einer Achse, aus einer inneren im wesentlichen konischen Rampe 6 besteht und aus einem anderen Abschnitt 7 mit umgekehrter Konizität besteht, der zusammen mit der inneren Rampe 6 einen konturierten Vorsprung bildet mit einem großen Krümmungsradius, wobei der Abschnitt umgekehrter Konizität 7, der den hinteren Abschnitt des Vorsprungs 8 bildet in einem Randstück 9 endet, das zur Verbindung des Radkörpers 2 mit der Felge 3 dient.
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Radkörpers, bei dem:
die wichtigsten Abmessungsparameter des Rades die folgenden sind:
die Dicke der Ausgangsscheibe und die verwendete Stahlsorte. Unter Berücksichtigung der Wahl der Stahlsorte wird die Dicke der Ausgangsscheibe durch Berechnung des Wertes der Belastung auf Höhe des kritischen Bereichs, beispielsweise auf Höhe des Vorsprungs, ermittelt.
Erfindungsgemäß wird nun in einem kritischen Belastungsbereich während des Einsatzes des Rades ein inneres Belastungsfeld erzeugt, welches dem durch die Formgebung des Radkörpers und/oder der Felge unter der Belastung während des Einsatzes des Rades induzierten Belastung entgegen wirkt.
Erfindungsgemäß
- wird wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades einem Stoß unterworfen, welcher in dem Bereich Kompressionsbelastungen durch Schockwellen induziert.
Bei einem erfindungsgemäßen Anwendungsbeispiel wird wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades dem Stoß eines Wasserstrahls unterworfen. In einem anderen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel wird wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades dem Stoß einer Laserstrahlung unterworfen.
Das erfindungsgemäße Verfahren verändert in keinster Weise das visuelle Aussehen des kritischen Bereichs. Der Stoß erzeugt keine makroskopischen Oberflächenfehler, sodass das Auftreten von induzierten Brüchen verhindert wird. Der auf dem Prinzip einer Schockwelle beruhende Stoß erzeugt tief reichende Belastungen bzw. Spannungen, die sich bis in eine Tiefe von 8 mm unterhalb des kritischen Bereichs ausbreiten, sodass das Verfahren für die Bearbeitung eines Bleches gut geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann selbst an einem Rad verwendet werden, welches bereits mit Lack beschichtet ist und einer Temperaturaushärtung unterworfen wurde.
Wie Fig. 2 zeigt, wird der kritische Bereich dem Strahl 10 eines Leistungslasers ausgesetzt während eines sehr kurzen Zeitraumes. Der bestrahlte Bereich 11 wird in ein Plasma umgewandelt, wobei der dabei auftretende große Druck der metallischen Oberfläche 12 über eine sehr starke Schockwelle zugeführt wird. Zur Erhöhung der Wirksamkeit des Stoßes kann auf der Oberfläche 12, die dem Stoß unterworfen wird, eine Beschichtung 13 aufgebracht werden, welche die Laserstrahlung 10 absorbiert.
Zur Bündelung des Stoßes kann eine für die Laserstrahlung transparente Schicht 14 auf der Beschichtung 13 angeordnet sein.
Der Wert der durch den Stoß erzeugten verbleibenden Belastung kann an der Oberfläche 300 MPa erreichen und bei 0,5 mm Tiefe 100 MPa erreichen, wobei das Spannungsniveau bei 1 mm praktisch Null ist.
Im Falle der Verwendung eines Stoßes mittels Wasserstrahl beträgt der Strahldruck mehr als 4000 Kg/cm² für eine Förderleistung von 6 Liter/pro Minute. Die Verwendung einer geeigneten Düse mit besonderen Installationsparametern ermöglicht es, Stöße auf dem Stahlblech zu erzeugen, aus dem das Rad gebildet wird, ohne Materialablösung.
Es läßt sich die Minimaldicke an jedem Punkt beispielsweise des Radkörpers berechnen, um dieses hinsichtlich der Belastung korrekt zu dimensionieren. Dazu genügt es, das Profil der internen Belastungen, die aus der Formgebung im kritischen Bereich des konturierten Vorsprungs stammen, zu verändern, sodass der schließlich das Belastungsniveau während des Einsatzes im gesamten Radkörper homogen ist. Dies bedeutet, dass die Dicke des kritischen Bereichs nicht mehr überdimensioniert werden muß bei der Auswahl des Ausgagngsbleches.
Hinsichtlich der Durchführung des Verfahrens können zur Verteilung des Stoßes zwei Möglichkeiten in Betracht gezogen werden.
Bei der ersten Möglichkeit steht das Rad fest. Der Stoß, beispielsweise durch eine Laserstrahlung, kann durch einen Strahl 10 erzeugt werden, der durch ein konisches Prisma abgelenkt wird, wobei ein ringförmiger feststehender Spiegel den Laserstrahl beispielsweise auf den inneren Abschnitt 12 des konturierten Vorsprungs lenkt.
Der Stoß kann punktweise auftreten, wobei der Strahl 10 über einen sich drehenden Spiegel 16 z. B. den inneren Abschnitt 15 des konturierten Vorsprungs 8 überstreicht.
Bei der zweiten Möglichkeit dreht sich das Rad. Der Stoß, beispielsweise einer Laserstrahlung, wird durch einen feststehenden Dauerstrichlaser oder einen gepulsten Laser erzeugt, wobei der Auftreffpunkt ein Punkt einer Erzeugenden des Radkörpers ist, die beispielsweise zum konturierten Vorsprung gehört.
Die Tatsache der örtlichen Veränderung des Profils der inneren Belastungen durch das erfindungsgemäße Verfahren gemäß den oben dargestellten Möglichkeiten ermöglicht die Wahl einer Dicke für das Ausgangsstahlblech ohne Überdimensionierung. Dies führt zu einer erheblichen Gewichtseinsparung.
Es ist möglich, die Stoßanordnungen beispielsweise mittels Laserstrahlung und mittels Wasserstrahlen gemeinsam zu verwenden. So kann z. B. der durch den Laser erzeugte Stoß unter einer Wasserschicht den Kompressionseffekt noch erheblich verbessern.
Das Belastungsniveau während des Einsatzes im kritischen Bereich eines Radkörpers bedingt eine Dicke der Blechscheibe von 4,4 mm ohne Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren läßt sich eine Verringerung der Dicke der Blechscheibe in der Größenordnung von 1,4 mm erzielen durch Aufbringen einer Kompression auf den kritischen Bereich des konturierten Vorsprungs von ungefähr 160 MPa. Dies führt zu einer Gewichtseinsparung von 1,5 Kg für ein erfindungsgemäßes Rad, das damit noch ungefähr 3,5 Kg wiegt, sodass der Vorteil 30% beträgt.

Claims

1. Verfahren zur Herstellung eines Rades für ein Motorfahrzeug, das einen Radkörper (2) und eine im wesentlichen zylindrische Felge (3) aufweist, wobei der Radkörper (2) aus einem im wesentlichen ebenen Mittenabschnitt (4) mit einer Anlagefläche (5) besteht zur Zentrierung und Befestigung des Rades (1) an einer Achsnabe des Fahrzeugs, aus einer im wesentlichen konischen inneren Rampe (6) besteht, aus einem weiteren entgegengesetzt konischen Teil (7) besteht, das zusammen mit der inneren Rampe (6) einen konturierten Vorsprung (8) mit großem Krümmungsradius bildet, wobei das entgegengesetzt konische Teil (7), das den rückwärtigen Teil des konturierten Vorsprungs (8) darstellt, als Randstück (9) endet, das der Verbindung des Radkörpers (2) mit der Felge (3) dient, wobei

- für eine gegebene Strahlsorte eine Blechscheibe ausgewählt wird, deren Dicke ermittelt wird durch Berechnung des Belastungswertes auf Höhe der während des Einsatzes kritischen Belastungsbereiche,

- der Radkörper und die Felge geformt und zusammengebaut werden,

dadurch gekennzeichnet, dass:

- in den kritischen Belastungsbereichen während des Einsatzes des Rades ein Belastungs-Kompressionsfeld erzeugt wird durch Stoß und Stoßwelle, das dem durch die Formgebung und die Belastung während des Einsatzes des Rades induzierten Belastungsfeld entgegen wirkt, um die ausgehend von der Formgebung des Radkörpers und/oder der Felge induzierten Belastungen zu kompensieren, Rades kleiner oder gleich der maximal zulässigen Belastung bleibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades dem Stoß eines Wasserstrahls unterworfen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass

- wenigstens ein kritischer Belastungsbereich des Rades dem Stoß einer Laserstrahlung unterworfen wird.

4. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass

- der konkave Abschnitt des konturierten Vorsprungs des Radkörpers einem Stoß unterworfen wird, der in diesem Abschnitt Kompressionsbelastungen durch eine Stoßwelle erzeugt, sodass die Belastung während des Einsatzes des Rades kleiner oder gleich der maximal zulässigen Belastung bleibt.

5. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf dem kritischen Belastungsbereich eine Beschichtung aufgebracht wird, welche einen Teil der Energie der Laserstrahlung absorbiert.

6. Verfahren nach Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass

- auf der Beschichtung eine für die Laserstrahlung transparente Schicht aufgebracht wird.