DE19538459A1 - Verfahren zur Herstellung einer Rahmenstruktur - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung einer von Profilen gebildeten, leiterähnlichen Rahmenstruktur sowie auf nach diesem Verfahren hergestellte Rahmenstrukturen.

Als Profile werden im Zusammenhang mit der Erfindung langgestreckte Bauteile bezeichnet, die bevorzugt einen geschlossenen Querschnitt aufweisen. Die Profile können aus Stahl gefertigt sein, werden jedoch überwiegend aus Leichtmetall, z. B. aus Aluminiumlegierungen, hergestellt und erhalten durch Ablängen ihre gewünschte Länge. Ein bevorzugtes Herstellungsverfahren für die Profile ist das Strangpreßverfahren. Aus Profilen hergestellte Rahmenstrukturen (sogenannte "Spaceframe"-Strukturen) werden z. B. für in kleinen Serien aufgelegte Fahrzeuge verwendet. Die einzelnen Profile werden beispielsweise durch Verklebung oder Verschweißung, gegebenenfalls mit zusätzlichen Knotenelementen, miteinander verbunden.

Bei der Herstellung, dem Ablängen und gegebenenfalls dem Biegen der Profile entstehen Maßabweichungen, die einen Toleranzausgleich zwischen den einzelnen Profilen erforderlich machen. Hierdurch wird die Maßhaltigkeit der fertigen Rahmenstruktur eben so wie die Einhaltung von Spaltmaßen während der Verschweißung der Profile gewährleistet. Bei einer Rahmenstruktur mit zwei einander gegenüberliegenden Trägern (Holmen), die durch einen weiteren Träger (H-förmige Rahmenstruktur) oder durch mehrere weitere Träger (leiterförmige Rahmenstruktur) miteinander verbunden sind, ist ein solcher Toleranzausgleich in jedem Fall vorzusehen. Der Toleranzausgleich kann z. B. durch Verbindungsknoten erfolgen, wie in der EP 0 568 213 A1 beispielsweise beschrieben. Derartige Knotenelemente bedeuten jedoch zusätzliches Gewicht, erhöhten Montageaufwand und höhere Kosten. Beim Verschweißen stumpf aufgesetzter Profile ohne Verwendung von Knotenelementen ist kein oder nur ein geringer Toleranzausgleich möglich, so daß die einzelnen Profile mit hoher Maßhaltigkeit bereitgestellt werden müssen, was die Herstellkosten beträchtlich erhöht.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Herstellverfahren für leiterförmige Rahmenstrukturen bereitzustellen, mit dem in einfacher Weise Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden können, ohne Verwendung zusätzlicher Bauelemente.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Die leiterförmigen Rahmen nach Anspruch 1 weisen zumindest eine "Sprosse" auf, die die beiden "Holme" verbindet. Die Erfindung umfaßt selbstverständlich auch Rahmen, bei denen die Sprossen keinen rechten Winkel mit den Holmen einschließen ebenso wie Rahmen, deren Holme sich außerhalb des Verbindungsbereiches mit den Sprossen schneiden.

Kerngedanke der Erfindung ist es, nach dem Einstecken der Sprosse in einen der Holme durch Verschiebung der Sprosse in ihrer Längsrichtung einen Toleranzausgleich zu erreichen und nach erfolgter Ausrichtung der Sprosse die einzelnen Profile miteinander zu verbinden. Dies ist von besonderer Bedeutung bei mehreren Sprossen, die die Holme miteinander verbinden. Ist die Lage der beiden Holme vor dem Einstecken der Sprosse vorgegeben, ist die Einstecköffnung so zu gestalten, daß die Sprosse schräg eingeführt (eingeschwenkt) und anschließend ausgerichtet werden kann. Außerdem muß das Profil so hoch sein, daß eine ausreichende Einstecktiefe gewährleistet ist.

Durch die Erfindung ergibt sich eine Reihe von Vorteilen: Ohne weitere zusätzliche Teile wird ein Toleranzausgleich durch einfaches Ausrichten ermöglicht, indem die in den ersten Holm eingesteckte Sprosse auf Anschlag bis an den zweiten Holm verschoben wird. Alternativ kann ein Justierwerkzeug zur Einhaltung eines Spaltmaßes zwischen Sprosse und zweitem Holm verwendet werden. Durch den Verzicht auf weitere Teile werden die Herstellkosten gesenkt bei gleichzeitig niedrigem Eigengewicht der Rahmenstruktur.

Zwar ist aus der EP 0 561 801 B1 eine Rahmenstruktur bekannt, bei der eine Ver­ bindung von etwa senkrecht zueinander stehenden Profilen durch Einstecken er­ reicht wird. Diese Schrift befaßt sich jedoch nicht mit der Problematik des Anschlusses eines dritten Bauteils. Vielmehr wird das eingesteckte Profil an der Innenseite des Trägers zur Anlage gebracht und auch dort verschweißt. Ein Toleranzausgleich in Längsrichtung des eingesteckten Profils ist nicht vorgesehen.

Durch die Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 ergibt sich eine besonders einfache Montage des erfindungsgemäßen Rahmens. Durch den Formschluß auch mit dem zweiten Holm wird eine definierte Lage der Sprosse zwischen den beiden Holmen erreicht. Hierdurch erübrigt sich der Einsatz einer Justiervorrichtung.

Die Ansprüche 3 und 4 geben Möglichkeiten an, wie der Formschluß zwischen der Sprosse und dem zweiten Holm realisiert werden kann: Analog der Einstecköffnung im ersten Holm kann auch im zweiten Holm eine Ausnehmung vorgesehen sein (Anspruch 3). Diese Ausnehmung kann beispielsweise die Form von Kerben oder Schlitzen haben mit einer definierten Tiefe, da der To­ leranzausgleich bereits im ersten Holm erfolgt.

Anspruch 4 beschreibt einen zweiten Holm mit einer Außenbreite, die kleiner ist als die Innenbreite der Sprosse, so daß die Seitenwände der Sprosse die Seitenwände des zweiten Holmes außenseitig überlappen. Vorder- und Rückseite der Sprosse müssen hierbei entweder ausgenommen sein oder in Schlitze des zweiten Holmes eingreifen.

Darüber hinaus sind selbstverständlich weitere Möglichkeiten des Formschlusses zwischen der Sprosse und dem zweiten Holm möglich.

Werden die Profile der Rahmenstruktur durch Schweißen miteinander verbunden, ergibt sich ein Festigkeitsabfall in der Wärmeeinflußzone der Schweißnaht. Gemäß Anspruch 5 wird daher vorgeschlagen, die Schweißnähte zwischen der Sprosse und den Holmen nicht in einer Ebene umlaufen zu lassen, sondern die Schweißnähte gegeneinander zu versetzen, wodurch die Wärmeeinflußzonen ebenfalls versetzt werden. Damit wird eine umlaufende Schwächung der Sprosse gegenüber einer Belastung in Querrichtung zur Sprosse vermieden.

Profile, insbesondere Strangprofile, können mit mehreren aneinandergrenzenden Kammern hergestellt werden. Gemäß Anspruch 6 ist es hierbei möglich, beispielsweise den ersten Holm mit einer Kammer zu versehen, die speziell dem Zweck des Einsteckens der Sprosse dient. Voraussetzung ist hierbei, daß die Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften nahezu ausschließlich von den übrigen Kammern der Holme aufgebracht werden, da durch die Einstecköffnung bzw. weitere Aussparungen in den der Sprosse zugewandten Kammern eine Schwächung dieser Kammern bewirkt wird.

Wird die Rahmenstruktur gefertigt, indem die Holme in einer Vorrichtung fixiert sind und die Sprosse zwischen die Holme eingeschwenkt wird, ist gemäß Anspruch 7 eine bestimmte Mindesthöhe für die Einsteckkammer erforderlich, da die Sprosse zunächst maximal in den ersten Holm eintauchen muß, um anschließend wieder auf den zweiten Holm hin verschoben zu werden.

Anspruch 8 trägt dem Grundsatz Rechnung, daß bei Schweißverbindungen die mit­ einander zu verschweißenden Bauteile eine in etwa identische Wandstärke auf­ weisen sollten.

Die entfernbaren Kammern gemäß Anspruch 9 sind lediglich für die Verbindung zwischen Sprosse und Holm vorgesehen und werden bei der Auslegung der Rahmenstruktur hinsichtlich ihrer Steifigkeit und Festigkeit nicht berücksichtigt. Das Entfernen der Kammern erfolgt aus optischen Gründen sowie zur Gewichtsersparnis. Das Entfernen, das beispielsweise durch Fräsen oder Schneiden erfolgen kann, ist hierbei deutlich kostengünstiger als die Verwendung eines abschnittsweise unterschiedlich geformten Trägers.

Durch die Flansche gemäß Anspruch 10 ergibt sich eine Vergrößerung der Anla­ gefläche bei Verklebung bzw. eine Vergrößerung der Schweißnahtlänge bei einer Verschweißung zwischen den einzelnen Profilen. Außerdem besteht bei der Ver­ schweißung die Möglichkeit, die Schweißnähte in mehreren Ebenen zu legen, wo­ durch der unter Anspruch 5 beschriebene Effekt einer umlaufenden Schwächung des Profilquerschnittes vermieden wird.

Anspruch 11 beschreibt eine bevorzugte Anwendung der Erfindung bei Kraftfahr­ zeugen, insbesondere Personenkraftwagen. Erfindungsgemäße Rahmenstrukturen eignen sich vor allem für in Kleinserie hergestellte Fahrzeuge. Eine besondere stilistische Gestaltungsmöglichkeit ergibt sich durch den oberhalb des Schweller verlaufenden Träger bei oben offenen Fahrzeugen, da der Träger hier den horizontalen Fahrzeugabschluß bildet. Der oberhalb des Schwellers verlaufende Träger ist auch hinsichtlich der Steifigkeitseigenschaften der seitlichen Rahmenstruktur von Vorteil.

Ein mögliches Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher dargestellt und beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 einen Abschnitt einer erfindungsgemäßen seitlichen Rahmenstruktur eines oben offenen Fahrzeugs in perspektivischer Ansicht,

Fig. 2 einen Vertikalschnitt entlang der Schnittverlaufslinie II-II in Fig. 1,

Fig. 3 eine vergrößerte Darstellung des Verbindungsbereiches zwischen dem vorderen Pfosten und dem Schweller in perspektivischer Ansicht von innerhalb des Fahrzeugs und

Fig. 4 eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung des Verbindungsbereichs zwischen dem vorderen Pfosten und dem Brüstungsträger.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Rahmenstruktur in der Seitenansicht. Die Rahmenstruktur ist leiterförmig aufgebaut und besitzt zwei, etwa parallel zur Fahrtrichtung FR verlaufende Holme, die nachfolgend als Schweller 1 bzw. Brüstungsträger 2 bezeichnet werden. Zwei Sprossen in Form eines vorderen bzw. eines hinteren Pfostens 3 bzw. 4 stellen die Verbindung zwischen Schweller 1 und Brüstungsträger 2 her und begrenzen einen Türausschnitt 31. Der Brüstungsträger 2 weist an seinem vorderen und hinteren Endabschnitt jeweils eine Aufnahme 5 für ein nicht dargestelltes Federbein auf. Zwischen den Pfosten 3 und 4 ist der Brüstungsträger zur Bildung eines Türelementes 6 durchtrennt, was durch die Trennfugen 7 verdeutlicht wird.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen Einzelheiten der Verbindung zwischen den einzelnen Profilen. Der Schweller 1 ist ein Mehrkammer-Hohlprofil mit einer oberen, einer mittleren, einer unteren sowie einer äußeren Kammer 8, 9, 10 bzw. 11. Außerdem ist ein von der oberen Kammer 8 etwa senkrecht abstehender Flansch 12 vorge­ sehen. Die Kammern werden durch eine obere, eine untere sowie eine seitliche Trennwand 13, 14 bzw. 15 voneinander getrennt.

Auch der Brüstungsträger ist als Hohlprofil mit zwei Kammern ausgebildet. Er setzt sich aus einer oberen sowie einer unteren Kammer 16 bzw. 17 zusammen. Die untere Kammer 17 ist an ihrem dem vorderen Pfosten 3 zugewandten Endab­ schnitt mit einer Querschnittsverengung 18 versehen.

Schweller 1 und Brüstungsträger 2 sind über den vorderen und den hinteren Pfosten 3 bzw. 4 miteinander verbunden. Die Verbindungstechnik soll beispielhaft anhand des vorderen Pfostens 3 dargestellt werden. Der vordere Pfosten 3 wird von einer Einstecköffnung 19 im Schweller 1 formschlüssig aufgenommen. Die maximale Einstecktiefe ist mit t₁, die Einstecktiefe gemäß Konstruktionslage mit t₂ bezeichnet. Das obere Ende des Pfostens 3 übergreift die Querschnittsverengung 18 des Brüstungsträgers 2, da die Innenbreite b des Pfostens 3 größer ist als die Breite der Querschnittsverengung 18. Mit t₃ ist das Überlappungsmaß am Brüstungsträger 2 in Längsrichtung des Pfostens 3 bezeichnet.

Fig. 3 zeigt die untere Verbindungsstelle zwischen dem Pfosten 3 und dem Schweller 1 im Detail: Der in den Schweller 1 eingesteckte Pfosten 3 ist durch die strichlierte Linie dargestellt. Ein außenseitig am Pfosten 3 angeformter Flansch 20 kommt hierbei zur Anlage am Flansch 12 des Schwellers 1.

Die obere Verbindungsstelle zwischen Pfosten 3 und Brüstungsträger 2 ist in Bild 4 näher dargestellt. Während die Seitenwände 21 des vorderen Pfostens 3 an ihrem Endabschnitt die Querschnittsverengung 18 (in Fig. 4 nicht dargestellt; siehe hierzu Fig. 2) des Brüstungsträgers 2 seitlich übergreifen, sind die vordere und die hintere Wand 22 bzw. 23 des Pfostens 3 in Schlitze 24 der unteren Kammer 17 des Brüstungsträgers 2 eingesetzt. Die Schlitztiefe t₃ entspricht dem in Fig. 2 dargestellten Überlappungsmaß t₃. In Längsrichtung des Brüstungsträgers 2 weisen die Schlitze eine Breite s auf.

Nachfolgend wird die Herstellung der erfindungsgemäßen seitlichen Rahmenstruktur näher beschrieben: Schweller 1 und Brüstungsträger 2 werden in einer Montagevorrichtung in ihrer Konstruktionslage fixiert. Zunächst wird der vordere Pfosten 3 von der Fahrzeuginnenseite her schräg in die Einstecköffnung 19 eingeführt. Die maximale Einstecktiefe t₁ ermöglicht es hierbei, den Pfosten 3 so weit einzuführen, daß er trotz des bereits in festem Abstand gehaltenen Brüstungsträgers 2 eingeschwenkt werden kann. Anschließend wird der vordere Pfosten 3 in Richtung seiner Längsachse 32 nach oben verschoben, wobei er in die Schlitze 24 eingreift und nach Erreichen der Schlitztiefe t₃ am Brüstungsträger 2 anliegt. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, hat der vordere Pfosten dann eine Einstecktiefe t₂ in der oberen Kammer 8 des Schwellers 1 erreicht. Nun wird der Pfosten 3 mit dem Schweller 1 und dem Brüstungsträger 2 verschweißt. Die Verschweißung erfolgt in gegeneinander höhenversetzten Ebenen, wodurch eine umlaufende Schwächung durch die Wärmeeinflußzone der Schweißnaht verhindert wird. Die Fig. 2 und 3 geben die höhenversetzten Schweißnähte 25 und 26 an. Analog zeigt Fig. 4 die höhenversetzten Schweißnähte 27 und 28 zwischen Pfosten 3 und Brüstungsträger 2.

Die Wandstärken der oberen Kammer 8 des Schwellers 1 sowie der unteren Kam­ mer 17 des Brüstungsträgers 2 entsprechen in etwa der Wandstärke der Profil­ wände des Pfostens 3. Aus Fig. 1 geht darüber hinaus hervor, daß die obere Kammer 8 in einem Bereich 29 vor dem vorderen Pfosten 3 entfernt wurde. Die obere Kammer 8 dient in erster Linie der Verbindung zwischen Schweller 1 und Pfosten 3 und trägt nicht in nennenswertem Umfang zur Steifigkeit der Rahmenstruktur bei. Maßgeblich für die Steifigkeits- und Festigkeitseigenschaften des Schwellers 1 ist vor allem die obere Trennwand 13, die eine deutlich größere Wandstärke aufweist als die obere Kammer 8. Die obere Trennwand 13 bildet einen durchgehenden Gurt, mit großem Abstand von der Biegemittelebene.

Auch die äußere Kammer 11 des Schwellers 1 ist in einem Bereich 30 entfernt, da sich hier eine nicht dargestellte Verkleidung anschließt, die nahtlos von der äußeren Kammer 11 in eine Abdeckung über den hinteren Pfosten 4 übergeht. Der äußeren Kammer 11 kommen damit ebenfalls keine nennenswerten Festig­ keitsaufgaben zu.

Die Verbindung des hinteren Pfostens 4 mit dem Schweller 1 und dem Brüstungs­ träger 2 erfolgt in analoger Weise, wie oben für den Fall des vorderen Pfostens 3 beschrieben.

Durch die maximale Einstecktiefe t₁ ist sowohl das seitliche Einschwenken des Pfostens 3 als auch ein weiter Toleranzausgleich in Längsrichtung des Pfostens 3 möglich. Die vorgegebene Schlitztiefe t₃ hingegen bildet einen Anschlag für den Pfosten 3 in vertikaler Richtung nach oben. Durch die Schlitzbreite s der Schlitze 24 ist ein begrenzter Toleranzausgleich in Längsrichtung des Brüstungsträgers 2 möglich.

Claims (11)

1. Verfahren zur Herstellung einer von Profilen gebildeten, leiterähnlichen Rah­ menstruktur, mit wenigstens einem ersten Profil (Sprosse (3)), das zwei wei­ tere, zueinander beabstandete Profile (Holme (1, 2)) miteinander verbindet, nach folgenden Schritten:

• 1. Einstecken der Sprosse (3) in eine Einstecköffnung (19) des ersten Holmes (1),
• 2. Überführung der Sprosse (3) in die Konstruktionslage zwischen erstem und zweitem Holm (1, 2) insbesondere unter Verschiebung der Sprosse (3) in Richtung ihrer Längsachse (32) und
• 3. stoffschlüssige Verbindung zwischen Sprosse (3) und erstem und zwei­ tem Holm (1 bzw. 2).

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprosse (3) während des zweiten Schrittes in Formschluß mit dem zweiten Holm (2) gebracht wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprosse (3) in wenigstens eine Ausneh­ mung (24) des zweiten Holms (2) eingesetzt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sprosse (3) auf den zweiten Holm (2) auf­ geschoben wird.

5. Verfahren nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Profile (1 bis 3) miteinander verschweißt werden, wobei die Schweißnähte (25, 26; 27, 28) in verschiedenen Ebenen bezüglich der Längsachse (32) der Sprosse (3) verlaufen.

6. Rahmenstruktur, hergestellt nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Holm (1, 2) von einem Mehr­ kammer-Hohlprofil gebildet wird, das eine der Sprosse (3) zugewandte Kam­ mer (8,17) aufweist, über die der Holm (1, 2) mit der Sprosse (3) verbunden wird.

7. Rahmenstruktur nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer (8) des ersten Holmes (1) eine Höhe (t₁) aufweist, die bei vorgegebenem Abstand zwischen den Holmen (1, 2) ein Einschwenken der Sprosse (3) ermöglicht.

8. Rahmenstruktur nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungswand des Profils (8, 17) im Bereich der Verbindungsstelle zwischen der Sprosse (3) und dem Holm (1, 2) eine Wandstärke aufweist, die etwa der Wandstärke der Sprosse (3) ent­ spricht.

9. Rahmenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kammer(n) (8) von erstem und/oder zwei­ tem Holm (1, 2) außerhalb des Verbindungsbereiches mit der Sprosse (3) zumindest teilweise entfernt werden.

10. Rahmenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Profilen (1 bis 4) Flansche (12, 20) vorgesehen sind, die eine Vergrößerung der Anlagefläche bzw. der Verbin­ dungslänge für die stoffschlüssige Verbindung ermöglichen.

11. Karosserie eines Kraftfahrzeuges mit einer seitlichen Rahmenstruktur nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei

• - der erste Holm von einem Schweller (1),
• - der zweite Holm von einem oberhalb des Schwellers (1) verlaufenden Träger (2) und
• - die Sprosse von zumindest einem einen Türausschnitt (31) begrenzen­ den Pfosten (3, 4) gebildet werden.