DE19653509A1 - Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen - Google Patents
Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlossenen, vorprofilierten TrägerelementenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelemen
ten und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Bei einer bekannten Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie (EP 0 671 312 A1) sind
als Knotenelemente Leichtmetallgußteile und als angeschlossene vorprofilierte Träger
elemente Leichtmetall-Strangpreßprofile verwendet. Die Verbindung der Elemente
erfolgt hier unter anderem über Steckverbindungen, bei denen auf angeformte An
schlußstutzen an den Gußknotenelementen Hohlprofile der Trägerelementenden aufge
steckt und durch Kleben oder Schweißen fixiert sind. Eine solche Rahmenstruktur ist
wegen der Verwendung von Aluminiumlegierungen unter der Bezeichnung Aluminium
Space Frame bekannt.
Diese Rahmenstruktur ist bei guter Steifigkeit mit einem günstigen, geringen Gewicht
realisierbar. Die Konstruktionsmerkmale sind jedoch nicht auf eine entsprechende Rah
menstruktur aus Stahl übertragbar, da bei diesem Werkstoff Gußknotenelemente sehr
schwer wären und damit die Fahrzeugkarosserie insgesamt zu schwer wäre und Nach
teile gegenüber einem üblichen selbsttragenden Aufbau aus Stahlblechen gegeben wä
ren.
Bei einer ähnlichen bekannten Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie (DE 44 07 501 A1)
sind ebenfalls Knotenelemente und angeschlossene, vorprofilierte Trägerelemente
aus Leichtmetall verwendet. Hier sind die Knotenelemente nicht gegossen, sondern aus
stranggepreßten Leichtmetallprofilen zugeschnitten. Somit läßt sich auch der Aufbau
dieser Rahmenstruktur nicht ohne Nachteile auf eine Ausführung in Stahl übertragen.
Bei einer weiter bekannten Fahrzeugkarosserie (EP 0 622 289 A1) werden längsverlau
fende Trägerteile und Flächenteile, die alle Strangpreßprofile aus Leichtmetall sind,
miteinander über Fügekanten verbunden. Es ist hieraus bekannt, an Gitterstrukturen und
Flächenbauteilen Aufnahmesicken für Beplankungen vorzusehen.
Es ist weiter bekannt, bei einer Rahmenstruktur (DE 40 13 784 A1) einer Fahrzeugka
rosserie zwei Gußknotenelemente aus Leichtmetall im Verbindungsbereich vorderer
Längsträger-Schweller für eine kostengünstige Montage und ausreichende Steifigkeit in
diesem Bereich unmittelbar zu verbinden.
Ein weiter bekanntes Space Frame Tragwerk für eine Fahrzeugkarosserie (DE 44 23 642 C1)
besteht aus vorgefertigten Rahmenprofilteilen und diese formsteif miteinander
verbindenden Knotenstellen aus Faserverbundwerkstoff. Die Knotenstellen sind dabei
aus mechanisiert vorgefertigten Faser-Vorformlingen mit einer dreidimensional durchlau
fenden Faserstruktur und Aufnahmetaschen für die zugehörigen Rahmenprofilteile her
gestellt. Die Rahmenprofilteile werden in Aufnahmetaschen eingesetzt und die Faser-Vor
formlinge in Formwerkzeugen zu einer festen Faserverbund-Knotenstruktur durch
einen äußeren Druck verdichtet. Diese Maßnahmen sind bei der Verwendung eines
Stahlwerkstoffs zum Aufbau der Rahmenstruktur nicht verwendbar.
Bei einer bekannten Rahmenkonstruktion als Space Frame aus Stahlblechen (DE-OS 30 08 840)
sind rohrförmige Trägerteile aus langen Halbschalen hergestellt, die an Längs
flanschen zusammengeschweißt sind. Auch die Knotenelemente bestehen aus mehrtei
ligen Schalenelementen, die ebenfalls an Flanschen bei der Montage zusammenge
schweißt und zudem mit den Längsträgerteilen verbunden werden. Damit sind hier viele
Schweißvorgänge erforderlich, die einen hohen Aufwand darstellen. Zudem ergeben sich
durch die vielen, langgestreckten Schweißungen Probleme bei der Maßhaltigkeit durch
ein thermisches Verziehen. Für eine Großserienproduktion dürfte damit ein solches
Tragwerk in der Art eines Steel Space Frames nur bedingt geeignet sein.
Bei einer weiteren bekannten Space Frame Anordnung einer Fahrzeugkarosserie (EP 0 597 242 A1)
wird zur Reduzierung der Anzahl von Gußknotenelementen vorgeschlagen,
die A-Säule mit dem Dachlängsträger als werkstoffeinstückiges Profilteil zu biegen und
dieses durchgehende Profilteil über Fügestöße mit daran anschließenden weiteren
Profilteilen zu verbinden. Dieses Profilteil hat hier mehrere Funktionen, wie die Aufnah
me der Windschutzscheibe, die Aufnahme des Rückfensters, die Aufnahme verschiede
ner Dachelemente und die Aufnahme verschiedener Türelemente zwischen der A-,
B- und C-Säule. Hierzu werden im Profilteil unterschiedliche Flansche ausgebildet, die An
schläge für die erwähnten Teile bilden. Ferner werden Fugen und Nutkanäle zur Auf
nahme der Türdichtungen und Türanschläge vorgesehen. Zudem sind wasserführende
Rinnen im Profilteil angeordnet. Gleichzeitig bilden Teilflächen des Profilteils auch sicht
bare Karosserieflächen, so daß als Designelement verwendet werden kann.
Es ist allgemein bekannt, geschlossene Stahlprofilteile, insbesondere Rohrabschnitte in
einem Innenhochdruckverfahren zu verformen. Dazu wird das zu verformende Halbzeug
in ein Werkzeug eingelegt und mit seinen Wänden durch Aufbringen eines hohen Innen
druckes gegen die umgebende Werkzeugform gepreßt und umgeformt. Im sogenannten
Hydroforming wird der hohe Innendruck hydraulisch aufgebracht.
Ein mit diesem Umformverfahren teilweise hergestellter Überrollbügel für ein Kraftfahr
zeug ist bekannt (EP 0 676 316 A1). Rahmenteile dieses Überrollbügels sind durch
Hydroforming mit unterschiedlichen Querschnitten und Materialstärken an die unter
schiedlichen Belastungen angepaßt. Die Längsteile sind hier abschnittweise ineinander
gesteckt und zusätzlich durch Kleben, Schweißen, Löten oder dergleichen miteinander
verbunden. Mit solchen durch Hydroforming geformten länglichen Rahmenteilen und den
verwendeten gegenseitigen Steckverbindungen ist der Aufbau einer räumlichen Rah
menstruktur für ein Kraftfahrzeug als Steel Space Frame wegen der Vielzahl der erfor
derlichen Verzweigungen nicht möglich.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Kno
tenelementen und angeschlossenen vorprofilierten Trägerelementen so weiterzubilden,
daß eine kosten- und gewichtsgünstige Herstellung insbesondere unter Verwendung von
Knotenelementen aus Stahl bei maßgenauen Verbindungen möglich wird.
Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Gemäß Anspruch 1 ist wenigstens ein Knotenelement ein geschlossen verformtes
Bauteil aus Stahlblech und als Hydroforming-Knotenelement durch Aufbringen eines
Innenhochdrucks verformt. Am Hydroforming-Knotenelement ist wenigstens ein An
schlußstutzen direkt angeformt für eine Kombination mit wenigstens einem vorprofilier
ten Trägerelement.
An Stelle eines Gußknotenelements aus Leichtmetall wird damit ein ebenfalls ge
wichtsgünstiges und kostengünstig herstellbares Knotenelement aus Stahlmaterial vor
geschlagen für den Aufbau eines Space Frame Tragwerks einer Fahrzeugkarosserie.
Durch die Innenhochdrucktechnik bei der Herstellung der Anschlußstutzen an den Kno
tenelementen und entsprechende Profilformen der Tragelemente können weitgehend
ohne spanende Bearbeitung hochpräzise Nahtanschlußbereiche für Schweißungen oder
Verklebungen bereitgestellt werden. Durch Hydroforming sind komplizierte Geometrien
bei den Knotenelementen und Anschlußstutzen möglich. Damit können die Hydrofor
ming-Knoten zusätzlich zur Verbindungsfunktion weitere Funktionsformen enthalten, wie
beispielsweise Fügeflansche, Stülpbereiche oder Aufnahmesicken für Beplankungen.
Die Profilformen der Trägerelemente können insbesondere durch Strangpressen, Rollen,
Kanten und ggf. nachträgliches Biegen hergestellt sein. Bei Schweißverbindungen zwi
schen Hydroforming-Knotenelementen und den Trägerelementen ist durch die maßge
nauen Anschlußteile keine weitere Nahtvorbereitung erforderlich. Auch die Trägerele
mente können Hydroforming-Teile sein. Die Trägerelemente sind dabei bevorzugt eben
falls Stahlblechteile zum Aufbau einer Stahlrahmenstruktur als Steel Space Frame, kön
nen jedoch auch aus anderen Materialien hergestellt sein.
Bevorzugt bildet ein Anschlußstutzen an einem Knotenelement mit einem angeschlosse
nen Ende eines Tragelements eine formschlüssige Steckverbindung, die durch ein Befe
stigungsmittel fixiert ist. Enge Toleranzen der Rahmenstruktur sind durch Veränderung
der Einstecktiefen bei einem gleichmäßigen Kraftfluß in der Verbindung gut einzuhalten.
Die Fixierung einer solchen Steckverbindung ist mit bekannten Maßnahmen, insbeson
dere durch Laser-Schweißen oder Verkleben möglich, wobei auf einfache Weise eine
Nut zur Aufnahme einer Kleberraupe einformbar ist und diese bei einem Lackierprozeß
aushärtet.
Eine flächig durchgehende Außenform mit verbessertem Kraftfluß im Bereich der Steck
verbindung wird erreicht, wenn der Anschlußstutzen eine um die Wandstärke des Auf
nahmebereichs am Tragelement verringerte Außenform hat.
Eine Funktionsform eines Strukturbauteils, insbesondere eines Hydroforming-Knoten
elements besteht in einer angeformten Drucknase. An einer solchen stufenförmigen
Drucknase ist ein weiteres Strukturbauteil mit entsprechender Form angeschlossen und
hinterlegt. Eine solche Drucknase weist in die Richtung einer erhöhten Belastung, wie
sie beispielsweise bei einer Kollision auftreten kann. Die Kraftüberleitung zwischen dem
Hydroforming-Strukturbauteil und dem weiteren Bauteil, insbesondere einem Bodenbau
teil und die Krafteinleitung in die gesamte Rahmenstruktur ist damit verbessert, wobei
durch die Stufenhöhe eine hohe Abstützung erfolgt. Durch den Hydroforming-Prozeß ist
es einfach möglich, zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit im Bereich der Drucknase die
Materialstärke gegenüber den angrenzenden Bereichen zu vergrößern.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Trägerelements mit unterschiedlichen
Belastungsbereichen wird dadurch erreicht, daß dieses als Hydroforming-Teil aus einem
rohrförmig geschlossenen Bauteil als Halbzeug hergestellt ist, wobei am Halbzeug
Wandteile unterschiedlicher Wandstärke und/oder Materialqualität vor der Umformung
geschlossen aneinander geschweißt sind. Nach der Umformung kann damit ein Trä
gerelement komplizierter Geometrie vorgefertigt werden, bei dem entsprechend den
Belastungen Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken und Materialqualitäten ohne
Zwischenschaltung von Knotenelementen oder Anschlußteilen aneinanderliegen. Dies
führt zu einer hohen Bauteilintegration bei kostengünstiger Herstellung. Das Hydrofor
ming-Trägerelement ist sehr maßgenau und durch den Wegfall von Zwischenverbindun
gen zwischen den einzelnen unterschiedlichen Bereichen ist eine Rahmenstruktur mit
engen Toleranzen herstellbar. Dies ist wichtig für einen problemlosen und paßgenauen
Einbau von Ausstattungsteilen, wie Armaturentafeln, etc. Eine solche Trägerelementaus
führung ist besonders vorteilhaft bei einem Längsschweller verwendbar mit unterschied
lichen Wandstärken am vorderen und hinteren Schwellerende, im Bereich der A-Säule
und der hinteren Achsaufnahme sowie im mittleren Längsbereich.
Bei Verwendung gleicher Hydroforming-Knotenelemente und unterschiedlich langer
Trägerelemente kann die Größe und Art der Rahmenstruktur einfach variiert werden,
beispielsweise zur Herstellung von zwei- oder viertürigen Ausführungen, Caravanver
sionen, Komfortlängenausführungen, etc. Die Hydroforming-Knotenelemente bilden da
bei Modulkomponenten als wenige gleiche Grundbauteile mit denen unterschiedliche
Fahrzeugkonzepte und Fahrzeuglängen einfach aufgebaut werden können. Besonders
eignet sich eine solche Anordnung zur Herstellung der Längsstruktur bei einem Schwel
ler mit drei Hydroforming-Knotenelementen als Anschlußelemente für die A-Säule, für
die B-Säule und als Radabschluß hinten, zwischen denen unterschiedlich lange Träger
elemente einsetzbar sind. Diese Trägerelemente können dabei als Rollprofile oder
Strangprofile ausgeführt sein.
Mit der Hydroforming-Technik ist es möglich, die Außenhaut der Fahrgastzelle oder
zumindest Teile davon in einem Arbeitsgang aus einem Halbzeug herzustellen. Es kann
dazu ein Rohr als Halbzeug verwendet werden, das mit Innendruck beaufschlagt wird,
wodurch in einem Werkzeug die Kontur der Fahrzeugaußenfläche entsteht. Anschlie
ßend können erforderliche Ausschnitte für Türen und Fenster insbesondere mit einer
gesteuerten Laser-Schneideinheit ausgeschnitten werden. Dadurch ist auf sehr einfache
und schnelle Weise eine Fahrgastzelle herstellbar. Zur Stabilisierung ist es zweckmäßig,
eine aushärtbare Schaumschicht von innen her aufzuspritzen. Eine Verteilung kann dabei
mittels Lanzen erfolgen. Durch eine Rotation der hergestellten Fahrgastzelle wird der
Schaum durch Zentrifugalkraft auf das Trägermaterial gepreßt. Weitere Einbauten, wie
die Instrumententafel, Sitze, Rahmenverkleidungen, etc. werden aktiv zur Aussteifung
der Struktur mit herangezogen.
In einer bevorzugten Weiterbildung der Anschlußtechnik wird die Hydroforming-Technik
nicht nur zur Herstellung der Bauteilgeometrie, sondern zugleich zur Herstellung einer
Verbindung zwischen Rahmenstrukturteilen genutzt. Dazu wird ein bereits gefertigtes
Anschlußteil, insbesondere ein Trägerelement, zusammen mit dem zu verformenden
Halbzeug eines weiteren Bauteils, insbesondere eines Knotenelements, in ein Werkzeug
eingelegt und mit Innendruck beaufschlagt. Das Material eines Anschlußstutzens wird
gegen das im Werkzeugteil fixierte Anschlußteil kraftschlüssig angepreßt. Vorteilhaft
wird die Formung des Anschlußstutzens und die Verbindung in einem Vorgang im selben
Werkzeug durchgeführt, wobei das Material des sich bildenden Anschlußstutzens gegen
das Anschlußteil fließt.
Dadurch ergibt sich ein homogener Kraftfluß zwischen den verbundenen Bauteilen bei
einer maßgenauen Verbindung. Es ist kein zusätzlicher Arbeitsgang für den Fügeprozeß
erforderlich. Eine Wärmebeeinflussung der Bauteile, wie sie durch Schweißen erfolgt,
besteht hier nicht, so daß bei einer solchen Kaltverformung auch ein vorhandener Kor
rosionsschutz erhalten bleibt. Wenn im Werkzeugteil im Verbindungsbereich Ausbau
chungen enthalten sind, wird auch das Anschlußteil mit verformt, so daß sich zusätzlich
zur kraftschlüssigen Verbindung eine hochbelastbare Formschlußverbindung ergibt.
Anhand einer Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Teil einer Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie als Steel Space
Frame mit Hydroforming-Knotenelementen und vorprofilierten Trägerelementen,
Frame mit Hydroforming-Knotenelementen und vorprofilierten Trägerelementen,
Fig. 2 ein Hydroforming-Knotenelement,
Fig. 3 einen Querschnitt durch eine Steckverbindung zwischen einem
Anschlußstutzen und einem Trägerelementende,
Fig. 4 ein Bodenbauteil und ein Hydroforming-Strukturbauteil mit einer Drucknase,
Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A aus Fig. 4,
Fig. 6 eine Seitenansicht eines Hydroforming-Schwellers,
Fig. 7 eine Draufsicht auf das Halbzeug zu Fig. 6,
Fig. 8 eine Seitenansicht auf eine alternative Schwellerausführung mit mehreren
Hydroforming-Knotenelementen,
Fig. 9 eine vergrößerte Darstellung eines Längsschnitts im Bereich B aus Fig. 8,
Fig. 10 ein rohrförmiges Halbzeug,
Fig. 11 eine durch Hydroforming aus dem Halbzeug nach Fig. 10 hergestellte Fahrgast
zelle,
Fig. 12 eine Heckansicht der Fahrgastzelle nach Fig. 11 mit einer schematischen Dar
stellung einer Schaumschichtaufbringung,
Fig. 13 einen Schnitt durch ein Hydroforming-Werkzeug mit eingelegtem Halbzeug,
Fig. 14 die Anordnung nach Fig. 13 mit zusätzlich aufgebrachten Stempeln und Innen
druckbeaufschlagung,
Fig. 15 eine entsprechende Anordnung mit zusätzlich eingelegtem Anschlußteil zur Her
stellung einer Verbindung durch Hydroforming,
Fig. 16 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs C aus Fig. 15 mit einer kraftschlüssi
gen Verbindung, und
Fig. 17 eine alternative Ausführung entsprechend Fig. 16 mit einer zusätzlichen, form
schlüssigen Verbindung.
In Fig. 1 ist ein hinterer Bereich einer Rahmenstruktur 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie
als Steel Space Frame mit Hydroforming-Knotenelementen 2, 3 und angeschlossenen,
vorprofilierten Trägerelementen, wie einem Schwellerelement 4 und dem unteren Teil
einer A-Säule 5 dargestellt.
In Fig. 2 ist das Hydroforming-Knotenelement 3 vergrößert dargestellt. Dabei ist aus
einem Hohlprofil-Halbzeug durch Aufbringen eines Innendrucks die gezeigte geometri
sche Form mit Anschlußstutzen 6, 7 hergestellt, wie dies weiter unten mit weiteren
Details erläutert wird. Die Anschlußstutzen 6, 7 sind hier Teile von Steckverbindungen,
wobei die Trägerelemente in die Hohlform der Anschlußstutzen 6, 7 eingesetzt und
durch Schweißen oder Verkleben fixiert sind.
In Fig. 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Steckverbindung dargestellt mit
einem Anschlußstutzen 8 eines Hydroforming-Elements 9, der paßgenau in eine Hohl
form eines angeschlossenen Trägerelements 10 eingesteckt ist. Das Hydroforming-Ele
ment 9 ist geschlossen verformt und das Trägerelement 10 hat eine kontinuierlich
durchlaufende Kontur. Der Anschlußstutzen 8 ist im Einsteckabschnitt 11 um die Mate
rialstärke des Trägerelements 10 eingezogen, so daß insgesamt die Außenkontur an der
Verbindungsstelle glatt durchläuft. Durch mehr oder weniger tiefes Einstecken des
Einsteckabschnitts 11 in das Trägerelement 10 können Toleranzen ausgeglichen wer
den. Die Verbindung ist durch eine umlaufende Schweißnaht 12 fixiert. Das vorprofi
lierte Trägerelement 10 ist ein kaltprofiliertes Stahlblechelement, kann jedoch auch aus
Aluminium oder ähnlichen Materialien bestehen.
In Fig. 4 ist schematisch eine Seitenansicht aus einem Bodenbereich einer Kraftfahr
zeugkarosserie dargestellt mit einem Bodenbauteil 13 und einem Hydroforming-Element
14. In Fig. 5 ist der Bereich A vergrößert dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daß bei der
Hydroforming-Herstellung des Elements 14 eine Drucknase 15 angeformt wurde, die
zudem gegenüber der angrenzenden Materialstärke verdickt ausgeführt ist. Das Boden
bauteil 13 verläuft formgleich hinter der Drucknase 15. Eine Kraft (Pfeil 16) bei einer
Kollision wird durch die hohe Abstufung im wesentlichen von der stabilen Drucknase 15
aufgenommen, wodurch das Bodenbauteil 13 weniger belastet ist.
In Fig. 6 ist als Trägerelement ein durch Hydroforming hergestellter Längsschweller 17
in einer Seitenansicht dargestellt mit einem mittleren Längsbereich 18, einem nach oben
führenden A-Säulenbereich 19 und einem entsprechenden hinteren Bereich 20 zur
Achsaufnahme sowie einem vorderen Längsträgerbereich 21 und einem hinterem Längs
trägerbereich 22. Im Bereich 18 ist zudem ein Stumpf 23 zum Anschluß einer B-Säule
angeformt.
Dieser Längsschweller 17 ist in einem einzigen Hydroforming-Arbeitsgang aus dem in
Fig. 7 dargestellten Halbzeug hergestellt, wobei auch hier die entsprechenden Längsbe
reiche 18 bis 22 eingezeichnet sind. Der Bereich 18 besteht aus einem Rohr eines be
stimmten, größeren Durchmessers, während die Bereiche 21 und 22 aus Rohrteilen mit
einem kleineren Durchmesser bestehen. Die Bereiche 19 und 20 sind trichterförmige
Teile, die die Rohrstücke mit den unterschiedlichen Durchmessern mit Hilfe von umlau
fenden Schweißnähten verbinden. Die einzelnen Rohr- und Trichterbereiche haben un
terschiedliche Wandstärken, die den unterschiedlichen Belastungen des fertiggeformten
Längsschwellers nach Fig. 6 angepaßt sind.
In Fig. 8 ist ein alternativer Längsschwelleraufbau gezeigt mit drei Hydroforming-Kno
tenelementen 24, 25, 26, wobei das Element 24 einen A-Säulenstumpf, das Element 25
einen B-Säulenanschluß und das Element 26 einen hinteren Radabschluß der Längs
struktur darstellen. Zwischen die Elemente 24, 25 und 26 ist je ein vorderes Schweller
teil 27 und hinteres Schwellerteil 28 gesteckt. Durch Variation der Länge dieser
Schwellerteile 27, 28 sind unterschiedliche Fahrzeuggrößen und Konzepte realisierbar.
Der A-Säulenstumpf 24 bleibt dabei bis oberhalb der eingezeichneten Scharnierflächen
29 mit gleicher Scharnierlage zur vorderen Dichtung 30 gleich. Die Schwellerteile 27,
28 sind Rollprofile oder Strangprofile.
Aus dem vergrößerten Teilabschnitt der Fig. 9 ist zu ersehen, daß ähnlich wie in Fig. 3
die Anschlußstutzen 31 der Knotenelemente 24, 25, 26 formschlüssig in die Hohlform
der Trägerelementenden ggf. mit einer Reduzierung um die Wandstärke der Anschluß
teile eingesteckt sind. Damit liegen die angrenzenden Anlageflächen maßgenau fest, da
durch das Innenhochdruckverfahren das Material des Halbzeugs maßgenau mit der
Außenkontur gegen das umgebende Werkzeug gedrückt wird. Damit sind mit dem glei
chen Werkzeug ohne mehr Aufwand auch Knotenelemente mit den gleichen Außenab
messungen und unterschiedlichen Wandstärken herstellbar. In Fig. 7 ist beispielsweise
mit der strichlierten Linie 32 eine halbe Wandstärke angedeutet.
In Fig. 10 ist ein Rohrabschnitt 33 als Halbzeug für einen Hydroforming-Arbeitsgang
dargestellt in der Länge 34 entsprechend etwa der Länge 35 einer herzustellenden Fahr
gastzelle 36. Auch der Durchmesser des Rohrabschnitts 33 entspricht etwa dem
Durchmesser der Fahrgastzelle 36. Als geeignete Abmessungen ergeben sich eine Länge
von ca. 1800 mm, ein Durchmesser von ca. 1400 mm und eine Wandstärke von ca.
0,8 mm.
In einem Hydroforming-Prozeß wird durch Beaufschlagung mit einem Innendruck die
Fahrzeugaußenfläche hergestellt und anschließend wird der Fahrzeuggrundkörper in den
Bereichen der Fenster- und Türausschnitte mit einer umlaufenden Laserschneideinrich
tung beschnitten. Damit wird der Grundkörper 36 entsprechen Fig. 11 erhalten.
Zur Stabilisierung wird gemäß Fig. 12 auf den Grundkörper 36 von innen eine aushärt
bare Schaumschicht 37 aufgespritzt, die mittels Lanzen verteilt wird. Der Grundkörper
36 wird um eine Achse 38 gedreht (Pfeil 39), so daß die Schaumschicht 37 durch die
Zentrifugalkraft auf das Trägermaterial gedrückt wird.
Eine weitere Stabilisierung und Aussteifung erfolgt durch (nicht eingezeichnete) Einbau
teile und Rahmenverkleidungen.
In Fig. 13 ist ein Schnitt durch ein Werkzeug 40 mit einem eingelegten Rohrstück 41 als
Halbzeug und mit einem rechtwinklig abstehenden Schacht 42 zur Formung eines An
schlußstutzens am Halbzeug 41 dargestellt.
In Fig. 14 sind für einen stirnseitigen Abschluß am Halbzeug 41 Stempel 43, 44 einge
drückt (Pfeil 45). Durch diese Stempel 43, 44 führen Hydraulikkanäle 46 zum Innenbe
reich des Halbzeugs 41, durch die ein hoher Innendruck (Pfeil 47) aufgebracht wird. Zu
dem ist der Schacht 42 mit einem weiteren Stempel 48 dicht verschlossen.
Wie dargestellt breitet sich der hohe Innendruck im Halbzeug aus (Pfeile 49), wodurch
während des Umformvorgangs Material des Halbzeugs 41 in den Bereich des Schachts
42 fließt und gegen die dortige Werkzeuginnenform zur Ausbildung eines Anschlußstut
zens 51 gepreßt wird.
In Fig. 15 ist ein Strukturbauteil mit einem Anschlußstutzen 51 dargestellt, wobei hier
der Anschlußstutzen 51 ähnlich wie in Fig. 3 nach innen zum Einstecken in ein Hohl
profilträgerelement 52 um dessen Materialstärke abgesetzt ist.
Die zusammengesteckten Teile sind hier in ein Werkzeug 53 zur Herstellung einer Ver
bindung durch Hydroforming eingelegt. Die Verbindung kann auch in einem Arbeitsgang
bei der Formung des Anschlußstutzens in einem Werkzeug hergestellt werden. Beim
Aufbringen eines Innendrucks im Bereich des Anschlußstutzens 51, der durch den
Deckel 54 dicht abgeschlossen ist, wird das Material für einen kontinuierlichen Kraft
schluß von innen her gegen den aufgesteckten Wandbereich des Hohlprofilträgerele
ments 52 gepreßt. Eine solche kraftschlüssige Verbindung ist durch Vergrößerung des
Bereichs C in Fig. 16 dargestellt.
Wenn im Werkzeug 53 im Verbindungsbereich zudem eine umlaufende Nut vorgesehen
ist, wird sowohl das Material des Anschlußstutzens 51 als auch des Hohlprofilträger
elements 52 beim Aufbringen des Innenhochdrucks in diese Nut gepreßt, wodurch der in
Fig. 17 dargestellte Formschluß entsteht. Die Verformung des Halbzeugs und die
Herstellung der Verbindung können durch die Druckhöhe und durch geregelt verfahrbare
Stempel gezielt beeinflußt werden.
Claims (20)
1. Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlosse
nen, vorprofilierten Trägerelementen, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein
Knotenelement ein geschlossen verformtes Bauteil aus Stahlblech ist und als Hydro
forming-Knotenelement (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) durch Aufbringen eines Innen
hochdrucks verformt ist, am Hydroforming-Knotenelement wenigstens ein An
schlußstutzen (6, 7; 8; 31; 51) direkt angeformt ist, für eine Kombination mit
wenigstens einem vorprofilierten Trägerelement (4; 10; 17; 27, 28; 52).
2. Rahmenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilformen
der Trägerelemente (4; 10; 17; 27, 28; 52) durch Hydroforming und/oder Strang
pressen und/oder Rollen und/oder Kanten und/oder nachträgliches Biegen hergestellt
sind.
3. Rahmenstruktur nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydro
forming-Knotenelemente (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) zusätzlich zur Verbindungs
funktion zu den Trägerelementen weitere Funktionsformen enthalten.
4. Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
die Anschlußstutzen als Fügeflansche oder Stülpbereiche ausgebildet sind.
5. Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Anschlußstutzen (8; 31; 51) mit einem angeschlossenen Ende eines Trägerele
ments (10; 27; 52) eine formschlüssige Steckverbindung bildet, wobei der Außen
querschnitt des Anschlußstutzens dem Innenquerschnitt des Trägerelementendes
entspricht, und daß die Steckverbindung durch ein Befestigungsmittel (12) fixiert
ist.
6. Rahmenstruktur nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußstut
zen (8; 31; 51) eine um die Wandstärke des Aufnahmebereichs am Trägerelement
ende (10; 27; 52) verringerte Außenform hat, und daß der Anschlußstutzen so
lange ist, daß Längentoleranzen im Steckbereich beim Zusammenbau der Rahmen
struktur durch unterschiedliche Einstecktiefen ausgleichbar sind.
7. Rahmenstruktur nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Befesti
gungsmittel eine im Bereich der Steckverbindung umlaufende, insbesondere durch
Laser-Schweißung hergestellte Schweißnaht (12) und/oder Verklebung ist.
8. Rahmenstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nut zur Auf
nahme einer Kleberraupe eingeformt ist, die im Lackierprozeß aushärtet.
9. Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß
ein Hydroforming-Strukturbauteil (14), insbesondere als Hydroforming-Knotenele
ment eine angeformte Drucknase (15) als Stufe aufweist, an der ein weiteres Struk
turbauteil, insbesondere ein Bodenbauteil (13) formentsprechend angeschlossen ist.
10. Rahmenstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucknase (15)
eine Materialverdickung aufweist.
11. Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens ein Trägerelement (17) durch Hydroforming eines rohrförmig geschlos
senen Bauteils als Halbzeug hergestellt ist, wobei am Halbzeug Wandteile unter
schiedlicher Wandstärke und/oder Materialqualität geschlossen aneinander ge
schweißt sind, die beim fertig geformten Hydroforming-Trägerelement an zugeord
neten Bereichen (18 bis 22) unterschiedlicher Belastung liegen.
12. Rahmenstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung
des Halbzeugs Zylinderbereiche und/oder Kegelbereiche als Wandteile unterschiedli
cher Wandstärke und/oder unterschiedlicher Materialqualität aneinandergeschweißt
sind.
13. Rahmenstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroforming-Träger
element ein Längsschweller (17) geformt ist mit unterschiedlichen Wandstär
ken am vorderen und hinteren Schwellerende (21, 22), im Bereich der A-Säule (19)
und der hinteren Achsaufnahme (20) sowie im mittleren Längsbereich (18).
14. Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß
wahlweise gleiche Hydroforming-Knotenelemente (24, 25, 26) und unterschiedlich
lange Trägerelemente (27, 28) zur Größenvariation der Rahmenstruktur verwendet
sind.
15. Rahmenstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung
eines Schwellers im Abstand drei Hydroforming-Knotenelemente (24, 25, 26) als
Anschlußelemente für die A-Säule und B-Säule und als Radabschluß hinten ange
ordnet sind, zwischen denen zwei Schwellerteile (27, 28) zugeordneter Länge ein
gesetzt sind.
16. Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest
ein Teil der Außenhaut der Fahrgastzelle (36) aus einem Halbzeug (33) als Hydro
forming-Bauteil hergestellt ist.
17. Rahmenstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung
des Hydroforming-Bauteils ein Rohr als Halbzeug (33) verwendet ist, das mit In
nendruck beaufschlagt wird, wodurch die Kontur der Fahrzeugaußenfläche entsteht
und anschließend die Ausschnitte für Türen und Fenster ausgeschnitten werden.
18. Rahmenstruktur nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß am Hy
droforming-Bauteil (36) von innen eine Schaumschicht bevorzugt mittels Zentrifu
galkraft aufgebracht ist.
19. Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß
der Hydroformingvorgang nicht nur zur Herstellung der Bauteilgeometrie, sondern
zugleich zur Herstellung einer Verbindung zwischen Rahmenstrukturteilen benutzt
wird, indem ein bereits gefertigtes Anschlußteil, insbesondere ein Trägerelement
(52) zusammen mit dem zu verformenden Halbzeug (41) eines weiteren Bauteils,
insbesondere eines Knotenelements in ein Werkzeug (40; 53) eingelegt und mit In
nendruck beaufschlagt wird, wobei das Material eines sich bildenden Anschluß
stutzens (51) in das Hohlprofil des Anschlußteils (51) fließt und durch den hohen
Innendruck gegen das im Werkzeugteil (40; 53) fixierte Anschlußteil (52) gepreßt
wird.
20. Rahmenstruktur nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausbau
chungen im Werkzeugteil im Verbindungsbereich eine formschlüssige Verbindung
geschaffen wird, indem auch das Anschlußteil (52) mit verformt wird.
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