DE10158679C2 - Aus Stahlblech bestehendes Verbindungselement für Hohlprofile aus Stahlblech, insbesondere eine Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aus Stahlblech bestehendes Verbindungselement in Form eines Verbindungsknotens mit mindestens zwei Anschlußsteckverbindungen für insbesondere aus Stahlblech bestehende Hohlprofile, die Teile einer Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie bilden.

Vorgefertigte Verbindungselemente dieser Art erleichtern und beschleunigen den Zusammenbau von Hohlprofilen zu einer Rahmenkonstruktion einer Fahrzeugkarosserie. Dies gilt insbesondere dann, wenn in einem Punkt, einem sogenannten Knotenpunkt, mindestens zwei Hohlprofile miteinander verbunden werden sollen. Auch erlauben sie die Anwendung auch von solchen Fügetechnologien, die bei unmittelbarer Verbindung von Hohlprofilen vor allem mit kleinen Wandstärken (z. B. Schweißverbindung bei aufgesteckten Profilen) gar nicht oder nur schwer zu realisieren sind.

Ein bekanntes Verbindungselement der eingangs genannten Art (DE 196 53 509 A1) ist als ein durch Innenhochdruckumformen aus Stahlblech hergestelltes Knotenelement mit wenigstens zwei Anschlußstutzen als Anschlußsteckverbindungen ausgebildet. Die Herstellung eines solchen Knotenelementes ist nur in Einzelfertigung möglich und wegen der IHU-Technologie (Innenhochdruckumformen) recht aufwendig. Auch läßt eine solche Einzelfertigung es nicht zu, auf einfache Art und Weise die Winkelausrichtung und/oder die Dimensionierung der Anschlußsteckverbindung zu verändern. Darüber hinaus eignet sich das IHU-Verfahren nur sehr begrenzt zur Herstellung von Knotenelementen aus höherfesten bis höchstfesten Stahlgüten, da die Umformung von aus solchen Stahlgüten bestehenden Rohlingen nur sehr begrenzt möglich ist.

Neben solchen aus Stahlblech bestehenden Verbindungselementen gibt es für die Verbindung von Aluminium-Hohlprofilen aus Aluminium bestehende Verbindungselemente, die aus Abschnitten eines Strangpreßprofils gefertigt sind (US 5 767 476 A). Die einzelnen Abschnitte bilden jeweils einen Profilkörper mit einem zentralen kastenartigen Teil und mehreren Paaren von radial nach außen weisenden, parallelen Flanschen. Während zwischen die Flansche radial anzuschließende Hohlprofile gesteckt werden können, kann in den kastenartigen Teil ein Hohlprofil zur Bildung eines dreidimensionalen Knotens axial eingesteckt werden. Für den Zusammenhalt der am Profilkörper zusammengeführten und -gehaltenen anzuschließenden Hohlprofile ist darüber hinaus eine Schweißverbindung erforderlich. Dafür werden beidseitig der zusammengeführten Hohlprofile angeordnete Blechzuschnitte eingesetzt, an denen die einzelnen anzuschließenden Hohlprofile angeschweißt sind. Eine solche Konstruktion ist schon wegen der vielen anzuschweißenden Blechzuschnitte aufwendig. Wie das andere bekannte Verbindungselement aus Stahlblech ist auch dieses Verbindungselement auf eine ganz bestimmte Anschlußkonfiguration festgelegt. Es läßt sich nicht durch einfache Maßnahmen bezüglich der Anschlußwinkel und der Dimensionierung der anzuschließenden Hohlprofile variieren. Ein solches Verbindungselement hat aufgrund seiner massiven Ausführung mit großen Wanddicken eine hohe Steifigkeit und wegen des verwendeten Materials Aluminium auch ein vergleichsweise geringes Gewicht, in einer Stahlgußausführung wäre aber sein Gewicht für einen Fahrzeugleichtbau zu groß.

Aus der US 5,338,080 A ist ein als Seitenlängsträger einer Fahrzeugrahmenstruktur ausgebildetes Verbindungselement bekannt, in dem einzelne Baugruppen auf Basis von Hohlprofilen gehalten sind. Dieses Verbindungselement weist einen integralen Aufbau auf und ist vorzugsweise mittels Strangpressens aus einem Stahl- oder Aluminiumwerkstoff gefertigt. Im einzelnen besteht es aus einer rohrförmigen zentralen Zelle und einer daran integral angeschlossenen weiteren rohrförmigen Zelle sowie daran und an der zentralen Zelle angeschlossenen paarweise parallelen Seitenwänden. An das Verbindungselement lassen sich die Hohlprofile der einzelnen Baugruppen der Tragstruktur einfach und in variabler Konfiguration anschließen. Jedoch handelt es sich bei diesem Verbindungselement nicht um einen Verbindungsknoten, sondern um ein Haupttragelement der Rahmenstruktur mit Anschlußmöglichkeiten für andere Hohlprofile der Rahmenstruktur. Die bevorzugte Herstellung mittels Strangpressens ermöglicht zudem nicht den Einsatz höherfester Stähle.

Darüber hinaus ist aus der GB 640,087 eine Säule für den Einsatz in Fahrzeugkarosserien mit parallelen nach außen weisenden Flanschen beschrieben, die aus blech- oder rohrförmigen Halbzeugen gefertigt ist. Die Flansche bestehen jeweils aus gefalteten, flach aufeinander liegenden Blechabschnitten. Der Anschluß weiterer Elemente der Fahrzeugkarosserie an die Säule über deren nach außen weisende Flansche ist denkbar, wird in der Druckschrift jedoch nicht explizit vorgeschlagen. In jedem Fall handelt es sich nicht um einen Verbindungsknoten zur punktweisen Zusammenführung und Befestigung von Hohlprofilen als Teilen einer Fahrzeugrahmenstruktur.

Schließlich sind aus Wuich, Walter "Kleben von Metallen", Teil 2 aus: Der junge Karosserie- und Fahrzeugbauer, April 1990, S. 63 Konstruktionsbeispiele zur Erzeugung von geschlossenen Blechprofilen und von Eckverbindungen und -versteifungen bekannt. Bei diesen liegen einzelne Abschnitte eines oder mehrerer gebogener Bleche formschlüssig aneinander und sind mittels Kleben miteinander verbunden. Die als Eckverbindungen bezeichneten Konstruktionsbeispiele weisen jedoch keine Anschlußsteckverbindungen, sondern lediglich Auflageflächen für weiter nicht spezifizierte anzuschließende Bauteile auf. Derartige Eckverbindungen sind daher kaum als Verbindungselemente in Form von Verbindungsknoten innerhalb einer Fahrzeugkarosserie einsetzbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindungselement der eingangs genannten Art zu schaffen, das ohne großen Fertigungsaufwand herzustellen ist, ohne großen Aufwand an verschiedene Konfigurationen der anzuschließende Hohlprofile (Winkel und Dimensionierung) anpaßbar ist und mit den angeschlossenen Hohlprofilen als Knoten eine hohe Steifigkeit aufweist. Insbesondere soll es auch aus höherfesten Stahlwerkstoffen ohne Probleme gefertigt werden können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Verbindungselement als Profilwalzteil ausgebildet ist, bei dem jede Anschlusssteckverbindung von einem Paar paralleler Flansche aus gefalteten, flach aufeinander liegenden Blechteilen gebildet ist.

Ein solches Verbindungselement ist konstruktiv einfach gestaltet und lässt sich als Profilwalzteil auch mit der Zielrichtung Leichtbau aus höher- bis höchstfesten Stählen problemlos herstellen. Aus höherfesten Stählen lassen sich auch im Vergleich zu Gusskörpern aus Stahl Profilwalzteile mit dünneren Wandstärken und damit auch bei gleicher Steifigkeit leichtgewichtigere Profilwalzteile realisieren. Aber auch bei Knoten an Rahmenstrukturen, die aus Stahlblechen gleicher Qualität und gleicher Blechdicke einerseits nach herkömmlicher Schalenbauweise und andererseits unter Einsatz von erfindungsgemäßen Verbindungselementen hergestellt wurden, konnten Geometrien für einen erfindungsgemäßen Knoten realisiert werden, der in allen für eine Rahmenstruktur besonders wichtigen Achsen eine verbesserte Steifigkeit hatte. Das Verbindungselement kann als Einzelteil gefertigt sein, vorzugsweise ist es aber aus Gründen einer kostengünstigen Fertigung aus einem Endlosprofil als Abschnitt gefertigt. Die Flansche erlauben einen Toleranzausgleich der anzuschließenden Hohlprofile in mehrfacher Hinsicht, und zwar einerseits dadurch, daß die Hohlprofile mehr oder weniger tief zwischen oder auf die Flansche gesteckt werden, anderseits vor allem bei zwischen den Flanschen eingesteckten Hohlprofilen dadurch, daß sie zwischen den Flanschen verschwenkt werden können, weil der Raum zwischen den Flanschen seitlich offen ist. Der seitlich offene Raum erlaubt es auch, daß mit ein und demselben Verbindungselement Hohlprofile in gestreckter Lage, aber auch in Winkellage oder sogar parallel miteinander zu verbinden. Außerdem bildet das erfindungsgemäße Verbindungselement mit den eingesteckten oder auch aufgesteckten Hohlprofilen große Überlappungsflächen, die auch bei dünnwandigen Stahlblechen die Anwendung aller üblichen Fügetechnologien problemlos ermöglichen.

Das Profilwalzteil lässt sich auch unter Beachtung des Aspektes Leichtbau mit einfachen Mitteln aussteifen. Z. B. kann der Profilwalzteil durch örtliche Verbindungsstellen in Bereichen flach aufeinander liegender Blechteile versteift ist. Das Profilwalzteil kann aber auch einen zentralen kastenartigen Teil aufweisen. Durch einen Einsatzkörper in diesem kastenartigen Teil kann das Profilwalzteil weiter ausgesteift sein. Auch ist es möglich, das Profilwalzteil durch während des Profilwalzens angeformte Versteifungsstreben auszusteifen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer verschiedene Ausführungsbeispiele schematisch darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 ein Verbindungselement mit zwei zwischen abgewinkelten Flanschen eingesteckten Hohlprofilen zur Bildung eines zweidimensionalen L-Knotens in Ansicht in axialer Richtung des Verbindungselementes,

Fig. 2 ein Verbindungselement in einer zum Verbindungselement gemäß Fig. 1 abgewandelten Ausführung mit drei zwischen Flanschen eingesteckten Hohlprofilen zur Bildung eines dreidimensionalen Knotens in Ansicht in axialer Richtung des Verbindungselementes und

Fig. 3 ein Verbindungselement in einer zum Verbindungselement gemäß Fig. 2 abgewandelten Ausführung mit drei zwischen Flanschen eingesteckten Hohlprofilen zur Bildung eines T- Knotens in Ansicht in axialer Richtung des Verbindungselementes und

Fig. 4 ein Verbindungselemente in zum Verbindungselement gemäß Fig. 3 abgewandelten, schematisch dargestellten Ausführungen mit drei zwischen Flanschen eingesteckten Hohlprofilen zur Bildung eines T-Knotens in Ansicht in axialer Richtung des Verbindungselementes.

Das in Fig. 1 dargestellte Verbindungselement V₁ ist ein Abschnitt eines Endlos-Profils, das durch Profilwalzen/Rollprofileren eines Stahlblechbandes gefertigt ist. Das Profil besteht aus zwei mit Abstand voneinander und winklig zueinander angeordneten Stegen 1, 2 und zwei von diesen Stegen 1, 2 auf Abstand gehaltenen Gurten 3, 4. Beide Gurte 3, 4, die mit den Stegen 1, 2 einen kastenartigen Teil 5 bilden, überragen den kastenartigen Teil 5 unter Bildung von zwei Paaren abgewinkelter, paralleler Flansche 3a, 4a, 3b, 4b. Das Profilwalzen erlaubt es, dem kastenartigen Teil 5 eine Vielzahl von Formen, insbesondere eine einem eventuell anzuschließenden Profil der Tragstruktur angepaßte Form, zu geben. Die die Flansche 3a, 3b, 4a, 4b bildenden, beim Profilwalzen gefalteten, flach aufeinander liegenden Blechteile können zum Zwecke der Versteifung an Stellen X geheftet sein. Zur Erhöhung der Steifigkeit des Verbindungselementes V₁ kann in dem kastenartigen Teil 5 ein vorzugsweise leichtgewichtiger Aussteifungskörper 5a eingesetzt sein.

Die einzelnen Paare von Flanschen 3a, 4a, 3b, 4b dienen als Anschlußsteckverbindungen für ein- oder aufzusteckende Hohlprofile 6, 7, in diesem Fall Vierkantprofile. Die größte Freiheit bietet dabei die Einstecklösung. Das Verbindungselement V₁ läßt wegen der seitlich offenen Flansche 3a, 4a, 3b, 4b verschiedene Anschlußarten der Hohlprofile 6, 7 zu. Neben der in Fig. 1 dargestellten Konfiguration eines zweidimensionalen L- Knotens kann auch ein L-Knoten mit einem achsparallel zum Verbindungselement angeschlossenen Hohlprofil 6, 7 realisiert werden. Schließlich läßt sich auch ein Parallelknoten realisieren. Darüber hinaus erlauben die Flansche 3a, 4a, 3b, 4b beim Anschluß der Hohlprofile 6, 7 einen Toleranzausgleich, indem sie mehr oder weniger weit zwischen die Flansche 3a, 4a, 3b, 4b gesteckt werden. Da sie seitlich offen sind, kann auch ein Toleranzausgleich bezüglich des Anschlußwinkels erreicht werden.

Zur Verbindung der mit einem Verbindungselement V₁ zusammengesteckten Hohlprofile 6, 7 eignen sich verschiedene Fügetechnologien. Durch Kleben oder Löten erhält man eine flächige Verbindung, so daß in der Fügezone ein sehr homogener Spannungszustand vorliegt und Spannungsspitzen vermieden werden. Darüber hinaus wird bei Anwendung dieser Technologien keine bzw. nur geringe Wärme erzeugt, so daß es zu keinen Aufhärtungen, Gefügeänderungen oder ähnlichem kommt. Vor allem bei Hohlprofilen mit kleinen Wandstärken bieten sich diese Fügetechnologien an, sowie bei Hohlprofilen, die durch einen Einsatzkörper aus Kunststoff versteift sind. Alternativ kann auch linienförmig gefügt werden durch Schweißen oder Löten. So kann im überlappten Bereich an der Stoßkante eine Schweißnaht gezogen werden oder zurückversetzt eine Durchschweißung erfolgen.

Während beim Verbindungselement V₁ des Ausführungsbeispiels der Fig. 1 zu dessen Versteifung in dem kastenartigen Teil 5 der Einsatzkörper 5a eingesetzt ist, fehlt beim Verbindungselement V₂ des Ausführungsbeispiels der Fig. 2 eine solche Aussteifung. Stattdessen ist dieses Verbindungselement V₂ durch außerhalb der parallelen Flansche 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b angeordnete Streben 11, 12 versteift. Wie beim ersten Ausführungsbeispiel kann auch in diesem Fall durch mehrere örtliche Verbindungsstellen X in Bereichen flach aufeinander liegender Teile eine Versteifung erzielt werden. Im übrigen bestehen bei diesem Ausführungsbeispiel die gleichen vielfältigen Anschlußmöglichkeiten von in diesem Fall drei Hohlprofilen 13, 14, 15 wie beim vorigen Ausführungsbeispiel. Gleiches gilt für die anwendbaren Fügetechnologien.

Das Ausführungbeispiel der Fig. 3 ist dem der Fig. 1 sehr ähnlich. Das Verbindungselement dient hier zum Anschluß von drei Hohlprofilen zu einem zweidimensionalen T- Knoten. Ein solcher T-Knoten hat zu einem herkömmlichen T-Knoten in Schalenbauweise aus gleichem Stahlblech in allen für die Tragstruktur eines Fahrzeuges wichtigen Achsen eine wesentlich höhere Steifigkeit.

Fig. 4 zeigt zum Verbindungselement der Fig. 3 für einen T-Knoten weitere durch Profilwalzen herstellbare Geometrien. Die Steifigkeiten dieser Verbindungselemente sind hinsichtlich der für den Fahrzeugbau relevanten Achsen (X-, Y- und Z-Achse und der Torsionsachsen) unterschiedlich. Entsprechend der tatsächlich auftretenden Belastung kann aus diesen Knotenelementen das am besten geeignete ausgewählt werden.

Claims (7)

1. Aus Stahlblech bestehendes Verbindungselement (V₁, V₂) in Form eines Verbindungsknotens mit mindestens zwei Anschlußsteckverbindungen für insbesondere aus Stahlblech bestehende Hohlprofile (6, 7, 13, 14, 15), die Teile einer Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie bilden, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbindungselement (V₁, V₂) als Profilwalzteil ausgebildet ist, bei dem jede Anschlußsteckverbindung von einem Paar paralleler Flansche (3a, 3b, 4a, 4b, 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) aus gefalteten, flach aufeinander liegenden Blechteilen gebildet ist.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilwalzteil von einem Abschnitt eines Endlos- Profils gebildet ist.

3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilwalzteil durch örtliche Verbindungsstellen (X) in Bereichen flach aufeinander liegender Blechteile versteift ist.

4. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Profilwalzteil durch außerhalb der Flansche (3a, 3b, 4a, 4b, 8a, 8b, 9a, 9b, 10a, 10b) angeordnete Streben (11, 12) ausgesteift ist.

5. Verbindungselement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Streben (11, 12) integrale Bestandteile des Profilwalzteils sind.

6. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Profilwalzteil einen zentralen kastenartigen Teil (5) aufweist.

7. Verbindungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß kastenartige Teil (5) durch einen Einsatzkörper (5a) ausgesteift ist.