JP7180013B2 - 構成部材ならびに構成部材を急冷する方法および装置 - Google Patents

Description

本発明は、ホイールの形態の構成部材ならびにホイールの形態の構成部材を急冷（焼入れ）する方法および装置に関する。

中国特許出願公開第１０８６４２２６４号明細書からは、ハブ、スポークおよび踏面を備えたホイールを急冷する装置および方法が公知である。装置は、スポークを冷却するスポーク冷却ノズルと、ホイールの踏面を冷却する、周方向で分配された複数の踏面冷却ノズルとを有している。

独国特許出願公開第１９３３７８１号明細書からは、鋼製の鉄道車輪を部分調質する方法および装置が公知である。踏面のための急冷装置と、鉄道車輪の板部およびハブのための急冷装置とが設けられている。急冷装置の供給管路内には、複数の高速開放弁が設けられている。これらの高速開放弁は、互いに依存せずにタイムスイッチにより制御される。

米国特許第６３９４７９３号明細書からは、円形のモータ構成要素を急冷する方法および装置が公知である。冷却のために圧縮された空気をモータ構成要素の領域に向けるために、装置は、周方向で分配された多数の孔を備えた、同心的に配置された複数の空気急冷管を含んでいる。モータ構成要素の上下には、それぞれモータ構成要素の径方向内側の厚みのある区分のための径方向内側の急冷管と、モータ構成要素の径方向外側の厚みのある区分のための径方向外側の急冷管とが設けられている。

独国特許発明第３４４３２２６号明細書からは、硬化可能なアルミニウム合金から成る車両ホイールのホイールディスクの動的強度を改善する方法が公知である。ホイールディスクは、冷却剤を吹き付けられる。冷却剤は、ホイール内で径方向の温度勾配が生じるように、まずは真ん中の領域に、その後に外側領域にあたる。ホイールの軸線には、吹付け装置が配置されている。この吹付け装置は、ホイールの内側領域を冷却するために設けられており、別の吹付け装置は、ホイールの外側領域を冷却するために、ホイールの周面に配置されている。

国際公開第２００５／００７９１７号からは、軽金属から成る鋳造部材を急冷する方法が公知である。鋳造部材は、気体状の急冷媒体によって急冷される。種々の肉厚を有する鋳造部材では、急冷媒体の流入部から離れて位置する、より肉厚の高い鋳造部材領域において、緩慢な冷却が行われる。ホイールでは、ハブ領域は、急冷媒体の通流部に面している、より小さな肉厚を有するリムのフランジ領域よりも小さな硬度を有している。強度分布は、小さな強度の内側のスポーク領域から、高い強度の外側のスポーク領域へと径方向で連続している。

独国特許出願公開第１０２０１２１０３８８４号明細書からは、貫通開口を備えた鋳造部材、特に内燃機関のシリンダクランクケーシングを鋳造する方法が公知である。鋳型内への金属溶融物の流込み後に、貫通開口を通ってガイドされる貫通通路が形成される。この貫通通路は、鋳型の外面に開口しており、鋳造部材は、鋳型内で冷却媒体による通路の通流によって冷却される。冷却媒体は、空気または別の気体状の媒体であってよく、高められた最小冷却率の場合のために、水蒸気、または空気と水蒸気との混合物の使用も記載される。

独国特許発明第１０２３４０２６号明細書からは、側方のアンダカットを有する円形鋳造部材、特に車両ホイールリムを製造する低圧鋳造鋳型が公知である。

欧州特許出願公開第３１６２４６０号明細書からは、亜共晶アルミニウム鋳造合金から成る軽金属鋳造構成部材が公知である。この軽金属鋳造構成部材は、３．５～５．０重量パーセントのケイ素および０．２～０．７重量パーセントのマグネシウムを含んでいる。

本発明の根底にある課題は、できるだけ有利な残留応力部分布を有しており、これにより高い寿命を有している、ホイールの形態の構成部材を提案することである。さらに、迅速な冷却を可能にし、構成部材内で有利な残留応力分布が形成される、ホイールの形態の構成部材を急冷するための対応する方法および装置を提案するという課題がある。

上記課題を解決するために、ホイールの形態の構成部材であって、ハブ区分と、外側リムフランジおよび内側リムフランジを備えたリム区分であって、外側リムフランジと内側リムフランジとの間にホイール中心平面が定義されている、リム区分と、ハブ区分とリム区分との間に延びる、周方向で分配された複数のスポークと、を含んでおり、スポークおよびハブ区分が、ホイール中心平面に関して、外側リムフランジの方向にずらされて配置されていて、かつホイール中心平面に面した内面と、ホイール中心平面から離れる方向に向いた外面とを有しており、外側リムフランジが、少なくとも１つの部分領域において、周方向に作用する引張残留応力を有しており、この引張残留応力が、内側リムフランジの少なくとも１つの部分領域において周方向に作用する残留応力よりも大きい、構成部材が提案される。

少なくとも１つの部分領域とは、特に、隣り合うそれぞれ２つのスポーク間の１つの、または複数の、または大抵の、または全ての周方向部分領域を意図している。外側リムフランジの引張残留応力は、同一の周方向部分領域および／または別の周方向部分領域において、内側リムフランジの残留応力よりも大きい。本明細書において外側リムフランジおよび内側リムフランジに関連して観察される残留応力は、特に、周方向に関する。ここで、径方向または軸線方向で別の残留応力が発生し得ることは自明である。たとえば、リム床、内側リムフランジおよび外側リムフランジの分離時に開く切断ギャップによって、外側リムフランジの少なくとも１つの部分領域において、内側リムフランジの部分領域よりも大きな、周方向に作用する引張残留応力を確認することができる。切断ギャップは、切開後に、外側リムフランジにおいて、内側リムフランジにおけるよりもより大きく開く。外側リムフランジは、特に、周方向の延在長さ全体にわたって、内側リムフランジよりも大きな引張残留応力を有している。たとえば、外側リムフランジにおいて全周にわたって発生する引張残留応力の平均値は、内側リムフランジにおいて全周にわたって発生する残留応力の平均値よりも大きくてよい。代替的または付加的には、少なくとも、２本のスポークの間にそれぞれ位置する周方向部分領域において、外側リムフランジにおける引張残留応力は、内側リムフランジにおける残留応力より大きくてよい。外側リムフランジは、引張残留応力を有する周方向部分領域の他に、残留応力のない周方向部分領域を有していてもよい。内側リムフランジは、引張残留応力を有する周方向部分領域、残留応力のない周方向部分領域および／または圧縮残留応力を有する周方向部分領域を有していてよい。

外側リムフランジの部分領域における引張残留応力が、内側リムフランジの部分領域における残留応力よりも大きいという特徴は、対応して反対に、内側リムフランジにおける残留応力が外側リムフランジにおける引張残留応力よりも小さいことを意味する。本開示の枠内では、引張残留応力を正の符号で、圧縮残留応力を負の符号で定義することができる。内側リムフランジの、外側リムフランジのそれぞれの引張残留応力に比べて小さな残留応力とは、量的により小さな引張残留応力であるか、または圧縮残留応力であってよく、ゼロの残留応力も可能である。

スポークは、少なくとも部分区分において、特に径方向に発生する圧縮残留応力を有していてよい。特に、スポークは、内面の縁部層における圧縮残留応力よりも、外面の縁部層において大きな圧縮残留応力を有していてよい。内面に比べて大きな、スポークの外面の領域における圧縮残留応力によって、ホイールは全体的に小さな歪みしか有していない。さらに、スポークの外面の領域において、特に良好な機械的特性が達成されるので、このことは、全体としてホイールを長寿命化する。本開示の枠内では、残留応力という用語は、外力が作用しておらず、熱平衡状態にある構成部材において生じている機械的な応力を含む。残留応力は、構成部材の製造時に、たとえば熱処理の枠内で生じることもあるが、機械的な処理または熱処理によって意図的に発生させることもできる。本明細書では、残留応力は、ホイールに負荷が加えられていない状態に関する。

ホイールはワンピースで製造されているか、または複数ピースで製造されていてよい。ホイールまたはホイールの部品は、たとえば鋳造部材として、つまり鋳造工具内への鋳造材料の流れ込みにより、または鍛造部材として、つまり鍛造型内での鍛造ブランクの鍛造により、またはフライス加工部材として、つまりフライスブランクからのフライス加工により、製造することができる。ワンピースのホイールの製造時に、リムスパイダ（Felgenstern）とリム床とが互いに一体的に結合される。材料としては、たとえば、アルミニウムを主な合金成分として含んでいてよい軽金属合金が挙げられる。しかし、任意で別の金属製の鋳造材料または鍛造材料も可能である。ホイールは、タイヤを収容するリム区分、ハブ区分およびホイールスポークを含んでいる。ハブおよびスポークは一緒に、ホイールディスクまたはホイールスパイダと呼ぶことができる。ホイールスパイダは、車両ハブにおいてホイールを中心で取り付ける働きをする。複数ピースのホイールでは、ホイールスパイダとリムとは、まず別々に製造され、後から、たとえば力結合式、形状結合式または材料結合式の結合によって互いに結合される。

本開示の枠内で１本または複数本のスポークについての特徴が説明されている限り、これは別の各スポークに同様に適用することができることは自明である。スポークは、少なくとも１つの部分区分において、内面よりも外面において大きな圧縮残留応力を有している。部分区分とは、これに関連して、特にスポークの径方向の部分が意図されており、この部分は、対応して外側で内側よりも大きな圧縮残留応力を有している。可能な１つの構成によれば、スポークは、少なくとも径方向の延在長さの半分にわたって、かつ／または径方向の延在長さ全体にわたって、内面の縁部層における圧縮残留応力よりも外面の縁部層において大きな圧縮残留応力を有しているように、構成されていてよい。この場合、圧縮残留応力下にある外面の縁部層は、スポークの外側の端面を起点として、スポークの軸線方向の厚さの少なくとも１０％、特に少なくとも２０％、特に少なくとも３０％にわたって延びていてよい。また、１つの実施形態によれば、圧縮残留応力は、スポークの厚さ全体にわたって、内面にまで延びていてよく、この場合、圧縮残留応力は、外面から内面に向かって減少する。代替的には、ホイールは、内面の縁部層において引張残留応力が加えられているように構成することもできる。このような引張残留応力は、スポークの内側の表面を起点として、たとえばスポークの軸線方向の厚さの３０％までの深さにわたって存在していてよい。

可能な１つの実施形態によれば、スポークには、ホイールに負荷が加えられていない状態で、リム区分とハブ区分との間で全体的に圧縮負荷が加えられている。このことは、リムから径方向外側でスポークに作用する力が、径方向内方に向けられている一方で、ハブから径方向内側でスポークに作用する力が、径方向外方に向けられていることを意図している。これにより、全体的には、スポークは、径方向の圧縮負荷を受けており、これに対してリムには周方向で引張負荷が加えられる。このような負荷状態は、たとえば、フリーカット法（Freischneidemethode）により求めることができる。隣り合う２本のスポークの間でリム床が軸線方向に切開される。スポークが圧縮負荷を受けているか、またはリム区分が引張負荷を受けている場合、リム床のフリーカットされた端部が開く。本開示では、特に断りのない限り、径方向、軸線方向および周方向という表記は、ホイールの軸線に関する。

リム区分は、外側リムフランジが内側リムフランジよりも大きな引張残留応力を有しているように構成されている。内側リムフランジの引張残留応力は、たとえば外側リムフランジの引張残留応力よりも１０％以上小さくてよい。リムの縦断面で観察すると、引張残留応力は、外側リムフランジからリム床を介して内側リムフランジに向かって減少する。リム区分が、軸線方向の全長にわたって引張残留応力下にあり、内側リムフランジにおける圧縮残留応力よりも外側リムフランジにおける引張残留応力が大きいことによって、フリーカット法によって僅かなＶ字形のギャップが生じる。

上記課題の解決方法は、さらに、構成部材を急冷する方法にあり、構成部材が、ホイールの形態で構成されており、ホイールが、ハブ区分と、リム区分と、周方向で分配された複数のスポークとを有しており、このスポークが、ハブ区分とリム区分との間に延びており、リム区分が、外側リムフランジと内側リムフランジとを有しており、外側リムフランジと内側リムフランジとの間にホイール中心平面が定義されており、スポークおよびハブ区分が、ホイール中心平面に関して、外側リムフランジの方向にずらされて配置されていて、ホイール中心平面に面した内面と、ホイール中心平面から離れる方向に向いた外面とを有しており、方法が、以下の急冷順序を有している：すなわち、ハブ区分の急冷よりも先に、スポークの急冷を行う。この急冷順序によって、外側リムフランジは、内側リムフランジよりも周方向で大きな引張残留応力を得る。スポークの急冷は、特に径方向でハブ区分とリム区分との間の領域に関する。スポークの外面および／または内面を急冷することができる。このことはハブ区分にも当てはまる。

上述の急冷法の利点は、この方法により製造された構成部材が、特に小さな歪み、高い強度および長い寿命を有していることである。その限りでは、方法の利点と、この方法により製造された構成部材の利点とは互いに関連する。これに関連して、製造物に関連して挙げられた全ての特徴および利点は、方法にも適用され、その逆もまた然りであることは自明である。

本開示の枠内では、構成部材の種々異なる領域の急冷順序が言及されている限り、このことは、特に急冷の開始時点に関する。つまり、後続の領域の急冷は、先行する領域に時間的にずらされている、かつ／または一部時間的にオーバラップして行うことができる。時間的にずらされている場合、次の領域の急冷は、先行する領域の急冷が終了してからようやく開始する。時間的にオーバラップして方法を実施する場合、第１の領域のための急冷は、第２の領域の急冷よりも時間的に先に開始されるが、その後、両領域は、それぞれの所望の目標温度に到達するまで、時間的にオーバラップして引き続き急冷されることが規定されている。

スポークおよび／または内側リムフランジを、最初に急冷することができる。内側リムフランジの急冷は、ハブ区分および／またはリム床の急冷前に開始することができる。ハブ区分はリム床よりも先に急冷することができる。これらの構成は個別に、または組み合わせで、内側リムフランジの領域において周方向に作用する引張残留応力を形成するために寄与する。ハブ区分は内側および外側で急冷することができ、ハブ区分の内面の急冷は、ハブ区分の外面の急冷よりも先に、同時にまたは後に開始することができる。ハブ区分の外面と内側リムフランジの領域とを、同時に、または僅かに時間的にずらして急冷することができる。リム床の急冷は、スポーク、外側リムフランジおよび／またはリム区分の内面の急冷後に開始することができる。

個別の領域の急冷は、好適には別個に駆動可能な冷却または急冷ユニットにより行われ、それぞれ複数のユニットを周方向で分配して配置することができる。たとえば、少なくとも４つ、５つ、特に少なくとも７つ、またはそれどころか９つよりも多い別個に制御可能な急冷ユニットにより急冷を実施することができる。全周にわたって特に均一な冷却または急冷挙動を達成するために、急冷時にホイールを定置に保持するか、または回転させることができる。

急冷のための媒体として、好適には蒸気、または液体と気体と混合物を使用し、特に急冷を、水により、または空気と水との混合物により行うことができる。急冷は、高圧で、たとえば、少なくとも３０バール、特に少なくとも８０バール、またはそれどころか１００バールを超えるノズル圧力により実施される。急冷は、たとえば少なくとも７５Ｋ／ｓ、特に少なくとも９０Ｋ／ｓ、またはそれどころか１００Ｋ／ｓを超える高い冷却速度で実施することができる。急冷の前に、構成部材に固溶化熱処理を行うことができる。急冷はたとえば、ほぼ析出温度に到達するまで実施することができる。特に、構成部材は、温度が、析出温度の１．１倍未満かつ０．９倍超になるまで急冷することができる。析出温度は、たとえば１５０℃から２００℃の間であってよい。析出後、ホイールを特に水によって室温にまで冷却することができる。

上記課題はさらに、ホイールの形態の構成部材を急冷するための装置であって、ホイールが、ハブ区分と、リム区分と、周方向で分配された複数のスポークとを有しており、スポークが、ハブ区分とリム区分との間に延びており、スポークおよびハブ区分が、外面および内面を有しており、この装置が、以下の構成、すなわちハブ区分を急冷する少なくとも１つの冷却ユニットと、スポークを急冷する少なくとも１つの冷却ユニットとを含んでおり、冷却ユニットは、それぞれ冷却媒体をホイールに吹き付けるように構成されており、冷却ユニットを時間的に互いに依存せずに駆動するように構成されている制御ユニットをさらに含んでいる、装置によって解決される。

冷却ユニットの制御順序は、生じさせるべき応力分布の需要に応じて、たとえば方法に関連して説明したように、調節することができる。記載される急冷装置の１つの利点は、この装置で急冷された構成部材は、特に小さな歪みと、高い寿命を有していることである。その限りでは、装置の利点、方法の利点、および方法または装置により製造される構成部材の利点は互いに関連する。これに関連して、製造物および方法に関連して挙げられた全ての特徴および利点は、装置にも準用され、その逆もまた然りであることは自明である。

より具体的には、スポークの外面を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット、スポークの内面を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット、ハブの外面を急冷する少なくとも１つの冷却ユニットおよび／またはハブの内面を急冷する少なくとも１つの冷却ユニットが設けられていてよい。別の冷却ユニット、特に、内側リムフランジを急冷する少なくとも１つの冷却ユニット、リムの内周面を急冷する冷却ユニットおよび／または外側リムフランジを急冷する冷却ユニットが設けられていてよい。内側リムフランジを急冷する冷却ユニットは、複数の部分ユニット、特に内側リムフランジの外面を急冷するユニットおよび／または内側リムフランジの内面を急冷するユニットを含んでいてよい。

急冷装置は、冷却ユニットの第１の部分量が配置されている第１の装置部分と、冷却ユニットの第２の部分量または別の部分量が配置されている、第１の装置部分に対して運動可能な１つまたは複数の第２の装置部分とを含んでいてよい。たとえば、ホイールの外面を冷却するために役立つ全ての冷却ユニットが、１方の装置部分に対応配置されており、ホイールの内面を冷却するために役立つ全ての冷却ユニットが、他方の装置部分に配置されていてよい。両方の装置部分は、互いに相対的に運動可能に構成されていてよく、すなわち一方の装置部分が他方の装置部分に対して相対的に、またはその逆、あるいは両方の装置部分が運動可能である。両方の装置部分は、ハウジングのように構成されていてよく、これにより、閉じた状態では、ホイールが、これにより形成される中空室内に収容されている。ホイールが保持される装置部分は、ホイールを回転させるための回転ユニットを有していてよい。

以下、好ましい実施形態を図面に基づき説明する。

本発明によるホイールを斜め外側から見た斜視図である。 図１に示したホイールを軸線方向から見た図である。 図２に示したＩＩＩ－ＩＩＩ線に沿って切断したホイールを示す図である 図２に示したＩＶ－ＩＶ線に沿って切断したホイールを示す図である。 図１に示したホイールを、内側リムフランジおよび外側リムフランジにおける記入された残留応力と一緒に示す径方向から見た図である。 スポークの外面の縁部層における残留応力分布を概略的に示す図である。 スポークおよびリム区分の領域における記入された残留応力と一緒にホイールを示す図である。 切開されたリム床を備えた、図１に示したホイールを径方向で見た図である。 変更された実施形態における本発明によるホイールを半分の縦断面で、スポークの外面および内面の縁部層において概略的に記入された残留応力分布と一緒に示す図である。 切開されたリム床を備えた、図９に示したホイールを径方向で見た図である。 ホイールを急冷する本発明に係る装置を概略的に示す縦断面図である。 本発明による急冷時の時間温度図である。 本発明によらない急冷時の時間温度図である。

以下に一緒に説明される図１～図１０は、ホイール２の形態の本発明に係る構成部材を示している。

ホイール２は、ハブ区分３と、このハブ区分３に続く、周方向で分配されたスポーク４と、リム区分５とを有している。ハブ区分３は、車両ホイールハブにホイール２をセンタリングし、取り付ける働きをする。このために、ハブ区分３は、中心のセンタリング孔６と、周方向で分配された複数の貫通孔７とを有している。これらの貫通孔７は一緒に孔サークルとも呼ばれ、対応する取付け手段によって貫通させることができる。代替的な１つの構成によれば、ハブは、孔サークルの代わりに、センタリングと同時に取り付けのためにも働く唯一の中心の孔のみを備えて構成されていてもよい。単にリムとも呼ばれるリム区分４は、タイヤを収容するように構成されている。リム４は、外側リムフランジ８と、リム床９と、内側リムフランジ１０とを含んでいる。ホイール２は、軸線Ａを有しており、この軸線Ａを中心として、ホイール２は、組み付けられた状態で回転可能である。

特に図３において確認可能であるように、一緒にホイールスパイダとも呼ばれるハブ区分３およびスポーク４は、両リムフランジ８，９の間に位置するホイール中心平面Ｅに対してずらされて配置されている。ホイール２は、ホイールの組付け状態で視認可能である外面１２と、組付け状態で車両に面している内面１３とを有している。

図４は、加工が終了した構成部材のスポーク４を通る半分の縦断面図を示している。図５は、径方向から見たリム２を、概略的に記入された外側リムフランジ８における残留応力Ｓ８と、概略的に記入された内側リムフランジ１０における残留応力と一緒に示している。図６は、スポーク４の外面１２の縁部層における残留応力分布を示しており、図５に示した外側の輪郭Ｋ１が、製造誤差を有するブランク構成部材を図示している一方で、内側の輪郭Ｋ２は、加工が終了した構成部材の輪郭を表している。本明細書において説明される全ての特徴は、ブランク構成部材、たとえばブランク鋳造品またはブランク鍛造部材にも、加工が終了した構成部材にも関連する。

特に図５から明らかであるように、ホイール２は、外側リムフランジ８と内側リムフランジ１０とが、少なくとも部分領域において、それぞれ長手方向軸線Ａを中心とした周方向に作用する引張残留応力を有しているように、製造されている。引張残留応力は、小さな矢印Ｓ８，Ｓ１０によって概略的に図示されている。外側リムフランジ８の引張残留応力Ｓ８は、内側リムフランジ１０の引張残留応力Ｓ１０よりも大きいことが規定されている。なお、外側リムフランジ８は、単に周方向部分領域において引張残留応力を有していてよく、別の周方向部分領域では残留応力を有していなくてもよく、かつ／または、内側リムフランジ１０が、少なくとも周方向部分領域において残留応力なしであってもよく、または圧縮残留応力を有していてもよいことは自明である。この場合、外側リムフランジ８の引張残留応力は、少なくとも１つの周方向部分領域において、内側リムフランジ１０の、加えられている残留応力よりも大きい。

さらに図６から確認可能であるように、スポーク４が、少なくとも外面１２の縁部層１４において径方向の圧縮残留応力を有しており、この圧縮残留応力は、小さな矢印Ｓ１４によって図示されている。外面１２の縁部層１４における圧縮残留応力が、内面１３の縁部層１５における圧縮残留応力よりも大きいことが規定されている。このことは、それぞれのスポーク４の径方向の延在長さの部分区分に、またはスポークの径方向の延在長さ全体に関していてよい。圧縮残留応力が、スポーク４の径方向の延在長さにわたって変化することが可能である。負荷を加えられていない状態では、好適には、スポーク４の外面１２全体の縁部層１４が、圧縮残留応力を有しているか、または引張残留応力を有していない。

本実施形態では、スポーク４の部分領域のみに圧縮残留応力が加えられているのではなく、全スポーク自体にそれぞれ圧縮負荷が加えられている。換言すると、スポークは、理論上の思考モデルとして、ハブ区分３とリムリング５との間に緊締されている、つまり、スポーク４の内側の端部には、ハブ区分２から径方向外方に向けられた力が作用する一方で、スポーク４の外側の端部には、リムリング５から径方向内方に向けられた力が作用する。このことは、少なくとも外面１２の縁部層にとって云える。内面１３の縁部層では、外面１２の縁部層における圧縮残留応力よりも小さな圧縮残留応力が存在しており、ここでは引張残留応力が加えられていてもよい。これにより全体的には、スポーク４は、少なくとも外面１２の領域において径方向の圧縮負荷を受けているのに対して、リム５は、周方向の引張負荷を受ける。このような負荷状況が、図７に示されている。図７では、例示的にスポーク４において、圧縮負荷が向かい合う方向で作用すべき矢印Ｆ４によって図示されており、かつリム５において、引張負荷が互いに離れる方向に向けられた破線矢印Ｆ５によって図示されている。

このような負荷状態は、たとえば、フリーカット法により求めることができる。この場合、リム床９は、周方向で隣り合う２つのスポーク４間で軸線方向に切開される。リム区分５が周方向の引張負荷を受けているか、またはスポーク４が圧縮負荷を受けている場合、リム区分５のフリーカットされた端部が開く。図８は、切開されたリム区分５を備えたホイール２を径方向で見た図である。フリーカットされたリムセグメント１７，１８の開きによって形成されたスリット１６が明確に確認可能である。スリット１６は、内側リムフランジ１０を起点として外側リムフランジ８に向かって軸線方向で開く。このことは、外側リムフランジ８における引張残留応力Ｓ８が、内側リムフランジ８の残留応力１０（圧縮残留応力または引張残留応力）よりも大きいか、または切開前に大きかったことを意味する。

図９および図１０は、変更された実施形態のホイール２のための本発明に係る構成部材を示している。この構成部材は、図１～図８に示した実施形態にほぼ対応しており、その限りでは、図１～図８に示した実施形態の説明が参照される。同一の個別部分には、上記の図面における参照符号と同一の参照符号を付している。

上記実施形態と共通して、図９および図１０に示したホイール２では、スポーク４の外面の縁部層１４に圧縮残留応力Ｓ１４が加えられている。これに対して、スポーク４は、内面１３の縁部層１５において引張残留応力Ｓ１５を受けている。ホイール２は、スポーク４の軸線方向の延在長さＬにわたって、外面１２の縁部層１４を起点として内面１３の縁部層１５に向かって、圧縮残留応力Ｓ１４から引張残留応力Ｓ１５へと変化する、可変の残留応力分布を有している。スポーク４の内部には、応力が圧縮残留応力から引張残留応力へと変化する、残留応力を有しない移行層がある。本実施形態では、スポーク４は、理論的な思考モデルとして、外側の縁部層１４においてハブ区分３とリムリング５との間に緊締されている。したがって、ホイール２の軸線方向で外側に位置する面１２では、スポーク４の径方向で内側の端部に、ハブ区分３から径方向外方に向けられた力が作用する一方で、スポーク４の径方向外側の端部に、リムリング５から径方向内方に向けられた力が作用する。これに対して、内面１３の縁部層１５において引張残留応力Ｓ１５が加えられており、つまり、リムスパイダの軸線方向内側に位置する面では、スポーク４の径方向で内側の端部に、ハブ区分３から径方向内方に向けられた力が作用するのに対して、スポーク４の外側に位置する端部に、リムリング５から径方向外方に向けられた力が作用する。これにより、全体的には、スポークは、外面１４の領域において径方向の圧縮負荷を受けており、かつ内面１３の領域において径方向の引張負荷を受けている。対応して、リム区分５には、外側リムフランジ８の領域において周方向の引張負荷が加えられている一方で、内側リムフランジ１０の領域において、周方向の圧縮負荷が加えられている。

上述の残留応力を有するこの構成では、２つのスポーク４間の周方向領域におけるリム床５のフリーカットにより、リム床のフリーカットされた端部１７，１８が、外側リムフランジ８の軸線方向の区分において開くが、内側リムフランジ１０の軸線方向の領域では互いに接近している。全体として、この実施形態では、図１０に示すように、外側リムフランジ８から内側リムフランジ１０に向かって先細りするギャップ１６が生じ、ギャップの開放角は、本実施形態では上記の実施形態よりも大きい。

上述の両実施形態に関して、ホイールのための材料として、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金あるいはマグネシウムまたはマグネシウム合金のような軽金属を使用することができるが、この軽金属に制限するものではないということが云える。アルミニウム鋳造合金は、たとえば少なくとも９３．０重量％のアルミニウム、３．５～５．０重量％のケイ素、０．２～０．７重量％のマグネシウムおよび任意で１．５重量％までの別の合金元素を有していてよい。

たとえば鋳造、鍛造またはフライス加工によるブランク部材の製造後に、このブランク部材に、熱処理、特に固溶化熱処理を行う。熱処理後に、構成部材は急冷され、構成部材２は、固溶化熱処理後かつ急冷前に、さらに予備冷却することができる。急冷は、特に、構成部材において望ましい残留応力分布が生じるように実施される。

図１１は、ホイール２の形態の構成部材を急冷する本発明に係る装置２０を示している。装置２０が、ホイール２を急冷する複数の冷却ユニット２１，２２，２３，２４，２５を有していることが確認可能である。本実施形態では、ハブ３を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット２１，２５と、スポーク４を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット２２と、リム５の外面１２を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット２３と、内側リムフランジ１０を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット２４とが設けられている。さらに、外側リムフランジ８を急冷する少なくとも１つの冷却ユニットおよび／またはリム５の内面１３を急冷する少なくとも１つの冷却ユニットが設けられていてもよい（図示せず）。

冷却ユニット２１，２２，２３，２４，２５は、それぞれ冷却媒体をホイールに吹き付けるように構成されている。これらの冷却ユニット２１，２２，２３，２４，２５は、１つの制御ユニット（図示せず）によって、冷却の開始および継続時間ならびに場合によっては、冷却媒体の温度または圧力のような、急冷効果に影響を与える少なくとも１つの別のパラメータに関して、別個に制御可能である。冷却媒体として、たとえば、蒸気、または液体と気体との混合物、特に水、または水と空気との混合物を使用することができる。冷却ユニット２１，２２，２３，２４，２５は、対応するノズルを含んでおり、これらのノズルにより、噴霧が高圧で構成部材２に吹き付けられる。この場合、少なくとも３０バール、特に少なくとも８０バールの高いノズル圧力で急冷を実施することができる。装置２０により、少なくとも７５Ｋ／ｓ、特に少なくとも９０Ｋ／ｓ、またはそれどころか１００Ｋ／ｓ以上の高い冷却速度が達成される。

急冷装置２０は、ホイール２の内面１３に作用する冷却ユニット２４，２５が配置されている第１の装置部分３１と、ホイール２の外面１２に冷却するように作用する冷却ユニット２１，２２，２３が取り付けられている第２の装置部分３２とを有していることが確認可能である。ここでは、上側部分とも呼ぶことができる第２の装置部分３２は、下側部分とも呼ぶことができる第１の装置部分３１に対して相対的に、右側に矢印Ｐによって示唆されているように、軸線方向に運動可能に構成されている。両方の装置部分３１，３２は、ハウジングのように構成されている。ホイール２は、第１の装置部分３１の支持要素３３の上に被せ嵌められ、次いで上側の装置部分３２が、所望の距離に達するまでホイール２に向かって下降する。最終的に、急冷プロセスが開始する。下側の装置部分３１は、急冷時にホイール２を回転駆動するための回転ユニットを有していてもよい。

ホイール２を急冷する冷却ユニットは、たとえば、以下の順序で駆動することができ、すなわちハブ区分３の冷却ユニット２１よりも先に、スポーク４の外面１２を冷却する冷却ユニット２２を、その後に、ハブ区分２の内面１３を冷却する冷却ユニット２２を、その後にリム床９またはハブ区分３の内面１３を冷却する冷却ユニット２５を、その後にリム床９の外面１２を冷却する冷却ユニット２３を駆動することができる。内側リムフランジ１０を冷却する冷却ユニット２４は、スポーク４の外面１２と同時に、かつハブ区分２の冷却ユニット２１，２５よりも時間的に先に、かつ／または、リム床の冷却ユニット２３よりも先に作動させることができる。

個別の冷却ユニットによる冷却または急冷は、上述の順序で開始するが、引き続き、少なくとも部分的に個々の冷却ユニットの時間的な重複をもって、かつ冷却すべきホイール領域における所望の目標温度に到達するまで、行うことができる。急冷は、たとえば、析出温度に到達するまで実施することができる。析出後に、ホイールを特に水を用いて室温まで冷却することができる。

図１２は、固溶化熱処理後の出発温度Ｔｓから室温Ｔに至るまでの、本発明による急冷中の時間温度図を示している。Ｘ軸は時間、Ｙ軸は温度Ｔを示している。４つの曲線が描かれており、外面１２に設けられた孔サークル３の領域における温度Ｔ３１２を表す第１の曲線と、内面１３に設けられた孔サークル３の領域における温度Ｔ３１３を表す第２の曲線と、スポーク４における温度Ｔ４を表す第３の曲線と、内側リムフランジ１０の温度Ｔ１０を表す第４の曲線が描かれている。４つの曲線が互いに隣接しており、実質的に互いに等間隔で延びている、つまり各時点でホイール２において発生する最大温度差が特に小さいことが確認可能である。このことは全体的に、ホイール２における小さな残留応力または有利な残留応力分布をもたらし、これは長寿命にも寄与する。

これと比較して、図１３は、水浴中における本発明によるものではない従来の急冷プロセスに関する急冷中の時間温度図である。６つの曲線が描かれており、外面に設けられた孔サークルの領域における温度Ｔ３１２’ を表す第１の曲線と、内面に設けられた孔サークルの領域における温度Ｔ３１３’ を表す第２の曲線と、スポークにおける温度Ｔ４’ を表す第３の曲線と、内側リムフランジにおける温度Ｔ１０’ を表す第４の曲線と、外側リムフランジにおける温度Ｔ８’ を表す第５の曲線と、リム床における温度Ｔ９’ を表す第６の曲線とが描かれている。６つの曲線が、種々異なる時点で降下している、つまり種々異なる領域において種々異なる時点で冷却が開始することが確認可能である。さらに、開始温度Ｔｓ（ほぼ固溶化熱処理温度）を起点として、温度曲線が時間の経過とともに大きく乖離する。この２つの状況は、ホイール２において発生する特に高い最大温度差ΔＴｍａｘ’をもたらし、ひいてはホイール２における高い残留応力をもたらす。

２ ホイール
３ ハブ区分
４ スポーク
５ リム区分
６ センタリング孔
７ 貫通孔
８ 外側リムフランジ
９ リム床
１０ 内側リムフランジ
１２ 外面
１３ 内面
１４ 縁部層
１５ 縁部層
１６ スリット
１７ フリーカットされた端部
１８ フリーカットされた端部
２０ 装置
２１～２５ 冷却ユニット
３１ 装置部分
３２ 装置部分
３３ 支持要素
Ａ 軸線
Ｅ 平面
Ｋ 輪郭
Ｌ 延在長さ
Ｐ 矢印
Ｓ 残留応力
Ｔ 温度
ｔ 時間

Claims (13)

1. ホイールの形態の構成部材であって、
   ハブ区分と、
   外側リムフランジ（８）および内側リムフランジ（１０）を備えたリム区分（５）であって、前記外側リムフランジ（８）と前記内側リムフランジ（１０）との間にホイール中心平面（Ｅ）が定義されている、リム区分（５）と、
   前記ハブ区分（３）と前記リム区分（５）との間に延びる、周方向で分配された複数のスポーク（４）と、
   を含んでおり、
   前記スポーク（４）および前記ハブ区分（３）が、前記ホイール中心平面（Ｅ）に関して、前記外側リムフランジ（８）の方向にずらされて配置されていて、かつ前記ホイール中心平面（Ｅ）に面した内面（１３）と、前記ホイール中心平面（Ｅ）から離れる方向に向いた外面（１２）とを有している、
   構成部材において、
   前記外側リムフランジ（８）が、少なくとも１つの部分領域において、周方向に作用する引張残留応力を有しており、該引張残留応力が、前記内側リムフランジ（１０）の少なくとも１つの部分領域において周方向に作用する残留応力よりも大きいことを特徴とする、構成部材。
2. 前記外側リムフランジ（８）が、その周方向の延在長さ全体にわたって、周方向に作用する引張残留応力を有しており、該引張残留応力が、前記内側リムフランジ（１０）の、周方向に作用する残留応力よりも大きい、請求項１記載の構成部材。
3. 前記外側リムフランジ（８）が、周方向に作用する引張残留応力を有しており、前記スポーク（４）が、少なくとも１つの部分領域において、径方向に作用する圧縮残留応力を有している、請求項１または２記載の構成部材。
4. 前記スポーク（４）が、少なくとも１つの部分区分において、前記外面（１２）の縁部層において、前記内面（１３）の縁部層における圧縮残留応力よりも大きな圧縮残留応力を有しており、前記スポーク（４）が、前記内面（１３）の前記縁部層において、圧縮残留応力または引張残留応力を有している、請求項１から３までのいずれか１項記載の構成部材。
5. 前記スポーク（４）に、前記ホイール（２）に負荷が加えられていない状態において、前記リム区分（５）と前記ハブ区分（３）との間で圧縮負荷が加えられており、前記リム区分（５）に、少なくとも前記外側リムフランジ（８）の領域において、周方向で引張負荷が加えられている、請求項１から４までのいずれか１項記載の構成部材。
6. 構成部材を急冷する方法であって、
   前記構成部材が、ホイール（２）の形態で構成されており、該ホイール（２）が、ハブ区分（３）と、リム区分（５）と、周方向で分配された複数のスポーク（４）とを有しており、該スポーク（４）が、前記ハブ区分（３）と前記リム区分（５）との間に延びており、
   前記リム区分（５）が、外側リムフランジ（８）と、リム床（９）と、内側リムフランジ（１０）とを有しており、前記外側リムフランジ（８）と前記内側リムフランジ（１０）との間にホイール中心平面（Ｅ）が定義されており、
   前記スポーク（４）および前記ハブ区分（３）が、前記ホイール中心平面（Ｅ）に関して、前記外側リムフランジ（８）の方向にずらされて配置されていて、かつ前記ホイール中心平面（Ｅ）に面した内面（１３）と、前記ホイール中心平面（Ｅ）から離れる方向に向いた外面（１２）とを有している、構成部材を急冷する方法において、
   前記スポーク（４）を、前記ハブ区分（３）よりも先に急冷することを特徴とする、方法。
7. 前記ハブ区分（３）を、前記リム床（９）よりも先に急冷する、請求項６記載の方法。
8. 前記内側リムフランジ（１０）を、前記リム床（９）よりも先に急冷する、請求項６または７記載の方法。
9. 前記急冷を、液体と気体との混合物により行い、特に空気と水との混合物により行う、請求項６から８までのいずれか１項記載の方法。
10. 前記急冷を、別個に制御可能な少なくとも４つの、特に少なくとも５つの冷却ユニット（２１～２５）により実施し、該冷却ユニット（２１～２５）を、時間的に相前後して駆動する、請求項６から９までのいずれか１項記載の方法。
11. 前記急冷を、少なくとも３０バール、特に少なくとも８０バールの圧力により実施する、請求項７から１０までのいずれか１項記載の方法。
12. ホイールの形態の構成部材を急冷する装置であって、前記ホイールが、ハブ区分（３）と、リム区分（５）と、周方向で分配された複数のスポーク（４）とを有しており、該スポーク（４）が、前記ハブ区分（３）と前記リム区分（５）との間に延びており、前記スポーク（４）および前記ハブ区分（３）が、外面（１２）および内面（１３）を有しており、前記装置が、
    前記ハブ区分（３）の前記外面（１２）を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット（２１）と、
    前記ハブ区分（３）の前記内面（１３）を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット（２５）と、
    前記スポーク（４）の前記外面（１２）を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット（２２）と、
    前記リム区分（５）を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット（２３）と、
    を含んでおり、
    前記冷却ユニット（２１，２２，２３，２５）は、それぞれ冷却媒体を前記ホイールに吹き付けるように構成されており、
    前記冷却ユニット（２１，２２，２３，２５）を時間的に互いに依存せずに駆動するように構成されている制御ユニットが設けられている、装置。
13. 個別に駆動可能である、前記内側リムフランジ（２４）を急冷する少なくとも１つの冷却ユニット（２４）をさらに含んでいる、請求項１２記載の装置。

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