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Die
Erfindung betrifft ein Strukturbauteil für die Karosserie oder ein Fahrwerk
eines Kraftfahrzeugs gemäß den Merkmalen
im Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Einsatzbeispiele
eines derartigen Strukturbauteils sind z. B. Mehrlenkerhinterachsen,
Verbundlenkerachsen, Vorderachsen, einzelne Lenker, Türaufprallträger oder
Instrumententräger.
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Stand der Technik
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Aus
der
DE 197 28 582
A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Metallformteils
bekannt, bei dem das Metallformteil in mehreren aufeinander folgenden
Umformschritten durch Biegen, Pressen und/oder Tiefziehen aus einem
ebenen Zuschnitt aus Metallblech hergestellt wird. Ein nach Durchführung eines
Teils der Umformschritte erzeugtes Zwischenprodukt weist eine Mehrzahl
von im Wesentlichen parallelen Biegelinien und in einem zu den Biegelinien senkrechten
Querschnitt ein rinnenförmiges
Profil oder Teilprofil auf. Um die Biege- oder Verwindungssteifigkeit
des Zwischenproduktes zu vergrößern, so dass
es sich bei späteren
Umformschritten weniger stark verziehen kann, wird das rinnenförmige Profil oder
Teilprofil mit mindestens einem Versteifungsblech versteift, das
im wesentlichen senkrecht zu den Biegelinien in das Profil oder
Teilprofil eingesetzt und starr am Metallblech befestigt wird, bevor
das Metallformteil durch weitere am Metallblech vorgenommene Umformschritte
fertiggestellt wird. Die zusätzlichen
Versteifungsbleche sind primär
dafür vorgesehen,
dass sich das Profil oder Teilprofil bei späteren Umformschritten weniger
stark verziehen kann. Zwangsläufig
führen
die Versteifungsbleche jedoch zu einer Erhöhung des Fahrzeuggesamtgewichts. Teils
sind die Versteifungsbleche sogar störend und es müssen Ausnehmungen
in den Versteifungsblechen vorgesehen werden, um beispielsweise
Kabel, Schläuche
und dergleichen in den versteiften Metallformteilen verlegen zu
können.
Die Versteifungsbleche sind ausschließlich auf den Lastfall während des Umformens
abgestellt und nicht auf die Belastungen bei der späteren Verwendung
des Metallformteils.
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Obwohl
sich die bekannten Strukturbauteile innerhalb einer Karosserie oder
eines Fahrwerks in der Praxis bewährt haben, ist dennoch aus
den verschiedensten Gründen
eine weitere Gewichtsreduzierung die erklärte Absicht der Fahrzeughersteller, und
zwar ohne dass hierbei die jeweiligen Komponenten einer Karosserie
oder eines Fahrwerks hinsichtlich der Steifigkeit und/oder Festigkeit
beeinträchtigt
werden.
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Aufgabenstellung
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strukturbauteil für die Karosserie
oder ein Fahrwerk eines Kraftfahrzeugs, insbesondere eines Personenkraftwagens
mit einem aus einer Platine gebildeten rinnenförmigen oderr hohlen Längenabschnitt zu
schaffen, das eine hohe auf den jeweiligen Anwendungsfall abgestimmte
Steifigkeit bei gleichzeitig geringem Gewicht aufweist.
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Diese
Aufgabe wird mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Unabhängig davon,
ob nun ein Strukturbauteil über
seine gesamte Erstreckung oder nur über eine Teillänge einen
rinnenförmigen
oder hohlen Längenabschnitt
aufweist, macht sich die Erfindung die Erkenntnis aus der Natur
zunutze (Bionik), um durch die Integration mindestens eines eine
Sickung oder Prägung
aufweisenden Querschotts oder eines Längsschotts in den rinnenförmigen oder
hohlen Längenabschnitt
ein Strukturbauteil zu schaffen, das ganz gezielt nur dort eine
Versteifung erfährt,
wo einsatzbedingt höhere
Beanspuchungen zu erwarten sind. Die anderen Bereiche des Längenabschnitts können mit
sehr dünnen
Wanddicken versehen werden. Neben der Gewichtsreduzierung ist ein
weiterer Vorteil der Erfindung, dass auch Material eingespart werden
kann.
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Wie
viele Querschotts und/oder Längsschotts
angeordnet werden und ob gegebenenfalls auch zwei oder mehr Querschotts
unmittelbar nebeneinander angeordnet werden oder ob ein Längsschott
sich durchgehend erstreckt oder in einzelne Teilbereiche untergliedert
ist, hängt
von den jeweiligen Beanspruchungsarten des Strukturbauteils ab.
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Das
Querschott und/oder das Längsschott können in
verschiedenster Weise in den Längenabschnitt
eingegliedert werden. So ist z. B. Kleben oder Löten denkbar. Bevorzugt ist
jedoch entsprechend Anspruch 2 das Querschott und/oder das Längsschott
in den Längenabschnitt
eingeschweißt.
Das Einschweißen
kann punktuell oder linienförmig
erfolgen.
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Der
in Rede stehende Längenabschnitt
eines Strukturbauteils ist entsprechend Anspruch 3 bevorzugt durch
Umformen mindestens einer Platine aus Stahlblech gebildet. Die Platine
kann zu einem rinnenförmigen
Längenabschnitt
oder zu einem hohlen Längenabschnitt
diverser Querschnittskonfiguration umgeformt werden.
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Gemäß den Merkmalen
des Anspruchs 4 sind einander benachbarte Kanten von zu rinnenförmigen oder
hohlen Längenabschnitten
umgeformten Platinen mindestens abschnittsweise durch Schwei ßen verbunden. So können beispielsweise zwei Schalen
mit U-förmigen
Querschnitten hinsichtlich der freien Kanten der Schenkel aneinandergesetzt und
zu einem kastenförmigen
bzw. rohrförmigen
Längenabschnitt
zusammengesetzt werden. Vor dem Zusammensetzen der beiden Schalen
wird mindestens ein Querschott und/oder ein Längsschott in eine Schale eingesetzt
und lagefixiert. Vorstellbar ist aber auch, dass eine Platine einteilig
zu einem rohrförmigen
Längenabschnitt
verformt wird, der einen runden, ovalen, rechteckigen oder dreieckigen
Querschnitt aufweist. Die Längskanten
werden miteinander verschweißt,
nachdem das Querschott und/oder das Längsschott eingesetzt wurde.
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Gemäß den Merkmalen
von Anspruch 5 können
zur Einstellung einer definierten Steifigkeit der Strukturbauteile
in den Querschotts und/oder den Längsschotts quer oder längs gerichtete
Sicken, bereichsweise Ausstellungen in Form von Prägungen und/oder
Durchbrechungen vorgesehen sein.
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Vorstellbar
ist es nach Anspruch 6 auch, dass ein rinnenförmiger Längenabschnitt durch radiales
Prägen
eines Rohrs gebildet ist. Der Längenabschnitt
hat dann eine Wand aus zwei Lagen. Das Querschott und/oder Längsschott
wird an der vorgesehenen Stelle in den Längenabschnitt lagefixiert.
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Ein
besonders vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines rohr- oder
kastenförmigen
Längenabschnitts
eines Strukturbauteils wird in den Merkmalen des Anspruchs 7 erblickt.
Danach wird zunächst
eine Platine aus Stahlblech zu einer im Querschnitt U-förmigen Schale
umgeformt. In die Schale wird dann mindestens ein Querschott und/oder
ein Längsschott
eingebracht und lagefixiert. Anschließend werden die neben den freien
Kanten liegenden Randbereiche der Schale um das Querschott und/oder
das Längsschott
zu einem rohr- oder kastenförmigen
Längenabschnitt
gebogen. Die freien Kanten werden letztlich mindestens abschnittsweise verschweißt. Auf
diese Weise wird ein Strukturbauteil geschaffen, das ähnlich wie
bei einem in der Natur gewachsenen Bambusstab dort versteift ist,
wo es im praktischen Einsatz erforderlich ist.
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Ausführungsbeispiel
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand von in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 bis 6,
und 8 bis 10 in schematischer Perspektive
jeweils eine Ausführungsform
eines Längenabschnitts
eines Strukturbauteils und
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7 in
schematischer Perspektive ein Ablaufschema zur Fertigung des Längenabschnitts
der 1.
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In
der 1 ist mit 1 ein Längenabschnitt eines ansonsten
nicht näher
veranschaulichten Strukturbauteils für die Karosserie oder ein Fahrwerk
eines Kraftfahrzeugs bezeichnet. Der Längenabschnitt 1 weist
einen kreisrunden Querschnitt auf. In den Längenabschnitt 1 ist
ein Querschott 2 in Form einer Stahlblechronde eingeschweißt. Er ist
durch Biegen einer Platine aus Stahlblech hergestellt. Die freien Kanten 3 sind
durch eine Schweißnaht 4 verbunden.
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Die 2 zeigt
einen Längenabschnitt 5 eines
ansonsten nicht näher
dargestellten Strukturbauteils, der ebenfalls als Rohr ausgebildet
und längsnahtgeschweißt ist.
Zur Versteifung dieses Längenabschnitts 5 ist
ein Längsschott 6 eingeschweißt. Das Längsschott 6 kann
durchgehend ausgebildet oder in gegebenenfalls in der Länge voneinander
abweichende Teilbereiche gegliedert sein.
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In
der 3 ist ein im Querschnitt ovaler Längenabschnitt 7 eines
ansonsten nicht näher
dargestellten Strukturbauteils veranschaulicht. Auch dieser Längenabschnitt 7 ist
längsnahtgeschweißt und mit
einem an den ovalen Querschnitt angepassten eingeschweißten Querschott 8 versehen.
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Statt
dieses Querschotts 8 kann auch mindestens ein Längsschott ähnlich der
Darstellung der 2 eingeschweißt sein.
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Die 4 zeigt
einen hohlen, kastenartigen Längenabschnitt 9 eines
ansonsten nicht näher
dargestellten Strukturbauteils, der aus zwei im Querschnitt U-förmigen Schalen 10, 11 zusammengesetzt ist.
Die Schenkel 12 sind über
ihre Längskanten 13 verschweißt. In den
Längenabschnitt 9 ist
ein hinsichtlich des Querschnitts angepasstes Querschott 14 eingeschweißt.
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Statt
dieses Querschotts 14 kann auch mindestens ein Längsschott ähnlich der
Darstellung der 2 eingeschweißt sein.
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In
der 5 ist ein rinnenförmiger Längenabschnitt 15 eines
ansonsten nicht näher
dargestellten Strukturbauteils dargestellt. Dieser weist einen trapezförmigen Querschnitt
mit einem Boden 16, zwei schräg gestellten Schenkeln 17 und
sich endseitig an die Schenkel 17 anschließenden Flanschen 18 auf.
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Zwischen
die Schenkel 17 und den Boden 16 ist ein Querschott 19 eingeschweißt.
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Im
Falle der Ausführungsform
der 6 ist ein rinnenförmiger Längenabschnitt 20 eines
ansonsten nicht näher
dargestellten Strukturbauteils dargestellt, der durch radiales Prägen eines
Rohrs geformt wurde. Dadurch weist dieser Längenabschnitt 20 zwei
aneinander liegende Wände 21, 22 auf.
In den Längenabschnitt 20 ist
ein Querschott 23 eingeschweißt.
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Die
Herstellung des Längenabschnitts 1 gemäß der 1 ist
nachfolgend anhand der 7 erläutert.
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Danach
wird zunächst
eine Platine 24 aus Stahlblech (-a-) zu einer im Querschnitt
U-förmigen Schale 25 umgeformt
(-b-). Dies ist durch die Pfeile PF in (-a-) veranschaulicht.
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In
die U-förmige
Schale 25 wird dann eine Blechronde (-c-) als Querschott 2 gemäß dem Pfeil PF1
eingefügt
und gemäß (-d-)
durch Schweißen
lagefixiert.
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Danach
werden die neben den freien Kanten 3 liegenden Randbereiche 26 der
Schale 25 entsprechend den Pfeilen PF2 um das Querschott 2 gebogen,
bis die freien Kanten 3 entsprechend (-c-) stirnseitig
voreinander liegen. Danach werden die freien Kanten 3 miteinander
verschweißt.
Der Längenabschnitt 1 ist
fertig.
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Die
in den 8 und 9 dargestellten Ausschnitte eines
Strukturbauteils entsprechen von der grundsätzlichen Konfiguration her
der Ausführungsform,
wie anhand der 5 beschrieben. Von daher tragen
einander entsprechende Bauteile die gleichen Bezugszeichen. In den
rinnenförmig
gestalteten Längenabschnitt 15 ist
ein Querschott 27 bzw. 28 eingegliedert und fügetechnisch
zumindest an den Schenkeln 17, vorzugsweise aber auch am
Boden 16 festgelegt.
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Man
erkennt, dass im Querschott 27 gemäß der 8 zwei in
Bildebene vertikal gerichtete Sicken 29 vorgesehen sind,
die sich über
die gesamte Höhe
des Querschotts 27 erstrecken.
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Das
Querschott 28, wie in 9 dargestellt, weist
eine längs
gerichtete sich zwischen den Schenkeln 17 über die
Länge des
Querschotts 28 erstreckende Sicke 30 auf.
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Grundsätzlich kann
die Breite und Tiefe einer Sicke 29 oder 30 über ihre
Länge variieren.
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In
der 10 ist der Ausschnitt eines Strukturbauteils dargestellt,
welches vom grundsätzlichen Aufbau
demjenigen gemäß 2 entspricht.
Im Längenabschnitt 5 ist
ein Längsschott 31 eingeschweißt. Im Längsschott 31 sind
Durchbrechungen 32, 33 sowie eine aus dem Material
des Längsschotts 31 durch
Schubumformung ausgestellte Prägung 34 vorgesehen.
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Durch
die Sicken 29, 30 ebenso wie durch die Durchbrechungen 32, 33 und
Prägungen 34 in den
Querschotts 27, 28 oder dem Längsschott 31 kann
dem Steifigkeitsverhalten ebenso wie dem statischen und dynamischen
Belastungsverhalten eines Strukturbauteils eine definierte Charakteristik
gegeben werden.
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- 1
- Längenabschnitt
- 2
- Querschott
in 1
- 3
- freie
Kanten
- 4
- Schweißnaht
- 5
- Längenabschnitt
- 6
- Längsschott
in 5
- 7
- Längenabschnitt
- 8
- Querschott
in 7
- 9
- Längenabschnitt
- 10
- Schale
v. 9
- 11
- Schale
v. 9
- 12
- Schenkel
v. 10, 11
- 13
- Längskanten
v. 12
- 14
- Querschott
in 9
- 15
- Längenabschnitt
- 16
- Boden
v. 15
- 17
- Schenkel
v. 15
- 18
- Flansche
v. 15
- 19
- Querschott
in 15
- 20
- Längenabschnitt
- 21
- Wand
v. 20
- 22
- Wand
v. 20
- 23
- Querschott
in 20
- 24
- Platine
- 25
- Schale
- 26
- Randbereiche
v. 25
- 27
- Querschott
- 28
- Querschott
- 29
- Sicke
- 30
- Sicke
- 31
- Längsschott
- 32
- Durchbrechung
- 33
- Durchbrechung
- 34
- Prägung
- PF
- Pfeile
- PF1
- Pfeil
- PF2
- Pfeile