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Die
Erfindung betrifft einen Fahrzeugrahmen mit wenigstens einem als
geschlossenes Hohlprofil ausgeführten
Querträger,
welcher in einem Verbindungsbereich stirnseitig mit einem Aufnahmebereich an
der Längsseite
quer zum Querträger
angeordneten Längsträgers verbunden
ist, gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1.
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Immer
mehr Teile der Kraftfahrzeugkarosserie werden in Leichtbauweise
ausgeführt.
Gleichzeitig werden immer höhere
Anforderungen an die Fügetechnik
gestellt. Hier liefert beispielsweise bei der Verbindung von Profilen
aus Leichtmetall das Laserschweißverfahren eine sehr gute Nahtqualität. Durch Laserschweißen hergestellte
Verbindungen von Hohlprofilen sind jedoch weitaus empfindlicher
gegen Bauteil- und Lagetoleranzen als herkömmliche Blechprofile in Schalenbauweise,
die beispielsweise durch ein Punktschweißverfahren miteinander verbunden
werden können.
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Aus
der
DE 195 17 918
A1 ist ein Fahrzeugrahmen bekannt, bei dem ein als geschlossenes Hohlprofil
ausgeführter
Querträger
mit seinem Endbereich stumpf an einem Längsträger angeschweißt ist.
Treten bei diesem Fahrzeugrahmen Toleranzen zwischen Längs- und
Querträger
auf, so ist eine schweißtechnische
Verbindung der beiden Teile nicht mehr möglich.
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Weiterhin
ist aus der
DE 199
48 364 A1 ein Fahrzeugrahmen bekannt, bei dem ein Hohlprofil
in seinem Endbereich stufenartig gestaltet ist und in einem Verbindungsbereich
mit einem ebenfalls stufenartig gestalteten Träger verbunden ist. Dabei liegt das
Hohlprofil mit sich aus der Stufenstruktur ergebenden Innen- und
Außenflächen flächig an
entsprechenden, am Träger
vorgesehenen Anschlagsflächen
an. Dabei handelt es sich zum einen um Träger, die aufgrund der Stufenstruktur
fertigungstechnisch schwierig herzustellen sind. Zum anderen tritt
bei dieser Verbindung bei einer relativen Verschiebung des Hohlprofils
zum Querträger
aufgrund von Bauteil- oder Lagetoleranzen das Problem auf, dass
im Verbindungsbereich die entsprechenden Flächen eine unzureichende Überdeckung
aufweisen, so dass eine schweißtechnische
Verbindung von Hohlprofil und Träger
mit hoher Festigkeit nicht mehr möglich ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Fahrzeugrahmen mit einem
im Endbereich mit einem Längsträger verbundenen
Querträger
vorzuschlagen, bei dem auch bei auftretenden Bauteil- und/oder Lagetoleranzen
der Querträger
im Endbereich an mindestens zwei Flächen des Hohlprofils Kontakt
mit dem Längsträger aufweist,
so dass die Teile dort verbunden werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.
Danach liegen die endseitigen Berandungen des Querträgers in
einer Ebene, deren Flächennormale
gegenüber der
Längsachse
des Querträgers
geneigt ist und einen Winkel zur Querachse sowie einen Winkel zur Hochachse
des Querträgers
einschließt.
Auf diese Weise kann erreicht werden, dass mindestens zwei Außen- oder
Innenflächen
des Querträgers
zumindest linienförmige
Kontaktbereiche mit den zugeordneten Anschlagsflächen des Längsträgers aufweisen.
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An
diesen Kontaktbereichen können
Längs- und
Querträger
durch ein Fügeverfahren
verbunden werden, so dass der Zusammenbau eine ausreichende Festigkeit
aufweist.
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Durch
diese Verbindung wird gewährleistet, dass
auch bei vom Soll abweichender Geometrie oder Einbaulage des Querträgers immer
noch eine ausreichende Überdeckung
zwischen dem Endbereich des Querträgers und dem Aufnahmebereich des
Längsträgers besteht,
so dass ein Verbinden möglich
ist.
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Ferner
lässt sich
die Geometrie des Querträgers
durch einen einfachen Säge-Beschnitt
nach dem Herstellen des Querträgers
erzeugen. Daher ist der Fahrzeugrahmen mit einfachen Mitteln und
kostengünstig
realisierbar.
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Ein
weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Fahrzeugrahmens besteht
darin, dass im Rohbau der Querträger
ganz einfach in den Fahrzeugrahmen eingelegt werden kann. Dadurch,
dass der Querträger üblicherweise
ja zwischen zwei Längsträger eingepasst
werden muss, wird die Montage erheblich erleichtert.
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Vorteilhafterweise
sind Querträger
und Längsträger in den
linienförmigen
Kontaktbereichen durch eine Schweißnaht verbunden. So wird eine hohe
Festigkeit der Verbindung erreicht (Anspruch 2).
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Zweckmäßigerweise
wird die Schweißnaht mittels
Laserschweißen
erzeugt. Dies ist ein sehr präzises
Schweißverfahren,
mit dem eine gute Nahtqualität
erzielt werden kann (Anspruch 3).
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Vorteilhafterweise
weisen beide Außenflächen sowie
beide Innenflächen
des Querträgers
zumindest linienförmige
Kontaktbereiche mit den zugeordneten Anschlagsflächen auf. In diesem Fall kann der
Querträger
ringsum durch eine Schweißnaht
am Längsträger angebunden
sein. So erreicht man ein sehr gutes Crash-Verhalten des Fahrzeugrahmens (Anspruch
5).
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform handelt es sich
bei dem Querträger
um ein Strangpressprofil aus Leichtmetall. Weiterhin kann als Längsträger ein
Gussteil aus Leichtmetall vorgesehen werden. So wird eine unter
Leichtbaugesichtspunkten optimale Struktur des Fahrzeugrahmens erreicht
(Ansprüche
6 und 7).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen sowie
der Beschreibung hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
erläutert.
Dabei zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
des Endbereichs des Querträgers
sowie des Aufnahmebereichs des Längsträgers,
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2 eine
weitere Ansicht des Endbereichs des Querträgers und des Aufnahmebereichs
des Längsträgers,
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3 eine
Draufsicht auf den Endbereich des Querträgers,
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4 eine
Seitenansicht des Endbereichs des Querträgers,
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5 eine
Ausführungsform
des Aufnahmebereichs des Längsträgers,
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6 die
Zusammenbaulage von Querträger
und Längsträger,
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7 den
Verbindungsbereich zwischen Längsträger und
Querträger,
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8 den
Verbindungsbereich beim Auftreten von Bauteiltoleranzen sowie
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9 eine
weitere Ausführungsform
des Hohlprofils des Querträgers.
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In 1 ist
in einer schematischen Darstellung ein Endbereich 2 eines
Querträgers 1 dargestellt.
Dieser Querträger 1 ist
Teil eines Kraftfahrzeugrahmens und soll in einem Verbindungsbereich 3 mit
einem quer dazu angeordneten Längsträger 7, dessen
Aufnahmebereich 5 hier schematisch dargestellt ist, verbunden
werden. Dabei soll der Querträger 1 mit
seinen endseitigen Berandungen 9 mit dem Aufnahmebereich 5 an
der Längsseite
des Längsträgers 7 verbunden
werden.
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Der
Querträger 1 ist
als ein geschlossenes Hohlprofil 4 ausgeführt. Unter
einem Hohlprofil 4 soll im folgenden ein einstückiges Profil
verstanden werden, welches einen in sich geschlossenen Querschnitt
aufweist, der eine oder mehrere Hohlkammern besitzt. Ein solches
Hohlprofil 4 kann beispielsweise durch ein Strangpressverfahren
sehr günstig hergestellt
werden. In diesem Ausführungsbeispiel ist
für den
Querträger 1 ein
näherungsweise
rechteckiges Hohlprofil 4 vorgesehen, der Querschnitt kann aber
auch von der Rechteckform abweichen und mehreckig sein. In diesem
Ausführungsbeispiel
besteht das Hohlprofil 4 aus einem Leichtmetall, beispielsweise
aus einer Aluminium-Legierung, es kann aber auch je nach Verwendungszweck
aus einem anderen Werkstoff bestehen.
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1 zeigt
nun die spezielle Gestaltung des Endbereichs 2 des Querträgers 1 vor
dem Zusammenbau mit dem Längsträger 7.
Zur Orientierung ist ein gestrichelt dargestelltes Koordinatensystem 12 in den
Querträger 1 gelegt,
welches die Längsachse 13, die
Querachse 15 sowie die Hochachse 17 des Querträgers 1 festlegt.
Gestrichelt ist weiterhin die Fläche 14 dargestellt,
die durch die Schnittkanten aufgespannt würde, wenn der Querträger 1 unter
einem rechten Winkel zur Längsachse 13 abgeschnitten würde. In
diesem Fall erfolgt der Beschnitt des Querträgers 1 jedoch schräg, so dass
durch die endseitigen Berandungen 9 eine Ebene 10 aufgespannt
wird, deren Flächennormale 11 zur
Längsachse 13 um zwei
Winkel geneigt ist, wie in den 3 und 4 anhand
zweier Ansichten verdeutlicht wird.
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Der
dem Querträger 1 gegenüberliegende Längsträger 7 ist
hier aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur schematisch dargestellt. Sein Aufnahmebereich 5 weist
in Längsrichtung
zwei Stufen sowie eine untenliegende Konsole 6 zur Auflage
des Querträgers 1 auf.
Der Längsträger 7 besitzt
durch die Anordnung der Stufen und die Konsole 6 in seinem
Aufnahmebereich 5 vier Anschlagsflächen 23 bis 23''' zur
Anlage des Querträgers 1.
In 1 sind zwei dieser Anschlagsflächen dargestellt: Eine schraffiert dargestellte
Fläche 23,
welche in der Zusam menbaulage von Querträger 1 und Längsträger 7 einer
hier verdeckt dargestellten hinteren Außenfläche 18 des Querträgers 1 gegenüberliegt,
sowie eine punktiert dargestellte Fläche 23'',
welche in der Zusammenbaulage von Querträger 1 und Längsträger 7 einer hier
verdeckt dargestellten vorderen Innenfläche 20 des Querträgers 1 gegenüberliegt.
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2 zeigt
die beiden anderen relevanten Flächen
des Aufnahmebereichs 5 des Längsträgers 7: Eine schraffiert
dargestellte (verdeckte) Fläche 23' auf der Konsole 6,
welche in der Zusammenbaulage von Querträger 1 und Längsträger 7 der
untenliegenden verdeckten Außenfläche 19 des
Querträgers 1 gegenüberliegt,
sowie und eine punktiert dargestellte Fläche 23''', die in der
Zusammenbaulage von Querträger 1 und
Längsträger 7 der
oben liegenden verdeckten Innenfläche 21 des Querträgers 1 gegenüberliegt.
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Die
Anschlagsflächen 23 bis 23''' sowie
deren Kontaktbereiche 25 mit den entsprechenden Flächen des
Querträgers 1 werden
in den folgenden Zeichnungen genauer beschrieben.
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3 zeigt
zur Verdeutlichung des schrägen Beschnitts
eine Draufsicht auf den Endbereich 2 des Querträgers 1.
Man erkennt, wie die Flächennormale 11 bzw.
deren Projektion in die Zeichenebene einen Winkel α mit der
Querachse 15 einschließt.
Dieser Winkel α ist
kleiner als 90°,
in diesem Ausführungsbeispiel
liegt er etwa bei 75°.
Er kann aber in einem relativ breiten Intervall mit dem Maximum
bei 90°, also
etwa zwischen 60° und
90°, variieren.
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In 4 ist
eine Seitenansicht des Endbereichs 2 des Querträgers 1 dargestellt,
die verdeutlicht, wie die Flächennormale 11 bzw.
deren Projektion in die Zeichenebene einen zweiten Winkel β mit der
Hochachse 17 einschließt.
Für die
Grö ßenordnung
dieses Winkels, der in diesem Beispiel auch etwa 75° misst, gilt
dasselbe wie für
die Größenordnung
des Winkels α.
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Handelt
es sich bei dem Querträger 1 um
ein Strangpressprofil aus Leichtmetall, so kann dieser Beschnitt
in zwei Ebenen einfach und kostengünstig realisiert werden, indem
nach dem Strangpressverfahren der Querträger 1 durch einen
einzigen Sägevorgang
entsprechend beschnitten wird. Daher ist diese schräge Geometrie
in der Fertigung genauso teuer und aufwendig wie ein konventioneller
Beschnitt, der eine zur Längsachse 13 senkrechte Schnittebene 14 erzeugen
würde.
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5 zeigt
in einer weiteren Ausführungsform,
die im Gegensatz zu der in den 1 bis 4 gezeigten
schematischen Darstellung eher einem realen Anwendungsfall entspricht,
den Aufnahmebereich 5 des Längsträgers 7. Dieser Aufnahmebereich 5 ragt
aus dem Längsträger 7 hervor
und weist zwei Konsolen 6 mit zwei an deren Innenseiten
vorgesehenen – hier
schraffiert dargestellten – Anschlagsflächen 23, 23' auf. Weiterhin
umfasst der Aufnahmebereich 5 zwei weitere – hier punktiert
dargestellte – Anschlagsflächen 23'', 23'''. In diesem
speziellen Ausführungsbeispiel
ist die Anschlagsfläche 23'' noch zweigeteilt, wobei die beiden
Teilflächen
um einen Winkel zueinander gekippt sind. Die Anschlagsfläche 23'' kann aber auch als durchgehende
Fläche
realisiert sein. Diese Geometrie mit Konsolen 6 und Anschlagsflächen 23 bis 23''' kann,
sofern es sich bei dem Längsträger 7 um
ein Gussteil handelt, direkt bei der Fertigung vorgesehen werden.
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Weiterhin
weist in diesem Ausführungsbeispiel
der Querträger 1 noch
einen zusätzlichen Flansch 30 auf,
welcher der Stabilität
dient, aber auch weggelassen werden kann.
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6 zeigt
nun schematisch den Querträger 1 und
den Längsträger 7 in
Zusammenbaulage, wobei hier nicht der Querträger 1 als Hohlprofil 4,
sondern aus Gründen
der Übersichtlichkeit
nur die wichtigen Flächen
des Querträgers 1 dargestellt
sind. Die Geometrie des Querträgers 1 weicht
leicht von der in den 1 bis 4 dargestellten
ab, da die Seitenfläche 20 noch
einen Knick aufweist, entsprechend der zweigeteilten Anschlagsfläche 23''.
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Die
Geometrien des Aufnahmebereichs 5 des Längsträgers 7 und des Endbereichs 2 des
Querträgers 1 sind
so aufeinander abgestimmt, dass die beiden schraffierten Außenflächen 18, 19 des
Querträgers 1 den
auf den Konsolen 6 vorgesehenen Anschlagsflächen 23 bzw. 23' gegenüberliegen,
während
die beiden punktierten Innenflächen 20,21 des Querträgers 1 den
beiden anderen Anschlagsflächen 23'' und 23''' gegenüberliegen.
Auf diese Weise entstehen vier Kontaktbereiche 25.
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7 stellt
in einer weiteren Ansicht den Verbindungsbereich 3 von
Querträger 1 und
Längsträger 7 in
der exakten Zusammenbaulage dar. In der Figur ist zu erkennen, dass
der Querträger
mit seinen beiden verdeckten, den sichtbaren Außenflächen 28 und 29 entsprechenden,
Innenflächen 20 und 21 auf den
Anschlagsflächen 23'' bzw. 23''' flächig aufliegt. Die
nicht sichtbaren Außenflächen 18 und 19 wiederum
liegen flächig
an den anderen Anschlagsflächen 23 bzw. 23' an. Es entstehen
also flächige
Kontaktbereiche 25 zwischen Querträger 1 und Längsträger 7.
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In
dieser Lage können
Querträger 1 und Längsträger 7 durch
ein einseitiges Fügeverfahren mit
einer umlaufenden Schweißnaht 27,
beispielsweise durch ein Laserschweißverfahren, verbunden werden.
Alternativ kann als Schweißverfahren
das MIG-Schweißen oder
ein anderes Fügeverfahren verwendet
werden.
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Die
Schweißnaht
wird dabei an zwei Seiten von den Außenflächen der Konsolen 6 her
vorgesehen. An den beiden anderen, in dieser Figur sichtbaren Seiten
wird die Schweißnaht 27 von
den Außenflächen 28 und 29 her,
in diesem Ausführungsbeispiel entlang
der endseitigen Berandungen 9 des Querträgers 1,
vorgesehen.
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Die
in 7 gezeigte Anordnung ergibt sich jedoch nur, solange
keine Bauteil- oder Lagetoleranzen zwischen Querträger 1 und
Längsträger 7 auftreten.
In der Realität
gibt es drei mögliche
Szenarien, wie die realen Einbaumaße von den Sollmaßen abweichen
können:
- 1. Der Querschnitt des Querträgers 1 kann
von den Sollmaßen
abweichen,
- 2. die Breite des Kraftfahrzeugrahmens kann von den Sollmaßen abweichen,
d.h. entweder besitzt der Querträger 1 eine
abweichende Länge
oder der Abstand zwischen dem Längsträger 7 und dem
entsprechenden Längsträger 7' auf der anderen
Seite des Fahrzeugs weicht vom gewünschten Abstand ab, oder
- 3. der Winkel, unter dem der Querträger 1 an den Längsträger 7 angebunden
werden soll, kann von dem gewünschten
Winkel, der hier 90° beträgt, abweichen.
Dies kann dadurch bedingt sein, dass sich die Aufnahmebereiche 5, 5' der beiden
einander gegenüberliegenden
Längsträger 7, 7' nicht exakt
gegenüberliegen,
sondern dass ihre Lagen in Hoch- oder in Längsrichtung des Kraftfahrzeugs
gegeneinander versetzt sind.
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Bei
allen drei Szenarien wird durch die hier vorgestellte Anbindung
von dem Querträger 1 an
den Längsträger 7 in
jedem Fall noch ein ausreichender Kontakt zum Verbinden der beiden
Teile mittels einer Schweißnaht 27 gewährleistet:
Im
ersten Fall, eines zu schmalen oder zu breiten Querschnitts des
Querträgers 1 liegt
die geduldete Toleranz innerhalb von 0,4 mm. Dann würde der Querträger 1 nur
noch mit zwei Flächen,
entweder den beiden Außenflächen 18, 19 oder
den beiden Innenflächen 20, 21,
an den entsprechenden Anschlagsflächen 23, 23' bzw. 23'', 23''' anliegen. Die Distanz
an den Flächen,
an denen der Querträger 1 keinen
Kontakt mehr zu den Anschlagsflächen 23 bis 23''' aufweist,
ist durch ein Laserschweißverfahren jedoch
immer noch überbrückbar, so
dass in diesem Fall eine umlaufende Schweißnaht 27 vorgesehen werden
kann. Ist die Distanz für
das Laserschweißen zu
groß,
kann sie alternativ (bei Distanzen zwischen 0,5 und 1 mm) durch
ein MIG-Schweißverfahren überbrückt werden.
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Der
zweite Fall, eine Längentoleranz
in Richtung der Längsachse 13 des
Querträgers 1,
ist in 8 dargestellt. In diesem Fall ist beispielsweise der
Querträger 1 um
eine Abweichung 31 zu kurz. Diese Abweichung 31 kann
in der Realität
bis zu ±5mm
betragen. Wie in der 8 gezeigt ist, liegt der Endbereich 2 des
Querträgers 1 immer
noch mit allen vier Flächen 18 bis 21 mit
flächigen
Kontaktbereichen 25 an den Anschlagsflächen 23 bis 23''' an,
da die Länge
der Konsolen 6 bzw. die Tiefe der Anschlagsflächen 23'', 23''' entsprechend
gewählt
ist, beispielsweise mit 10mm. Auch in diesem Fall ist noch das Vorsehen
einer umlaufenden Schweißnaht 27 möglich.
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Im
dritten Fall, einem Winkelversatz in Querrichtung 15 oder
Hochrichtung 17, liegt der Endbereich 2 des Querträgers 1 nicht
mehr flächig
an. Durch den in zwei Ebenen schrägen Beschnitt des Querträgers 1 kann
jedoch erreicht werden, dass die Flächen 18 bis 21 linienförmige Kontaktbereiche 25 mit
den entsprechenden Anschlagsflächen 23 bis 23''' aufweisen.
Auch in diesen Fällen
ist es daher möglich,
eine umlaufende Schweißnaht 27 vorzusehen,
sofern der Winkelversatz nicht zu hoch ausfällt.
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Der
dargestellte Fahrzeugrahmen mit der schrägen Anbindung von Querträger 1 an
Längsträger 7 ist
daher unempfindlich gegen die üblicherweise
auftretenden Bauteil- und/oder Lagetoleranzen. Es ist in jedem Fall
möglich,
die Träger 1, 7 durch
ein Schweißverfahren
so zu verbinden, dass die vorliegenden Anforderungen an Festigkeit
und Crash-Sicherheit erfüllt
werden können.
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Weicht
der Querschnitt des Hohlprofils 4 des Querträgers 1 von
dem hier dargestellten näherungsweise
rechteckigen Querschnitt ab, so gelten die obigen Angaben analog
für jeweils
zwei benachbarte Außenflächen 18, 19 und
Innenflächen 20, 21 des Querträgers 1.
Entsprechendes gilt für
die Ausgestaltung des Aufnahmebereichs 5 des Längsträgers 7. 9 zeigt
ein Beispiel für
ein von der Rechteckform abweichendes Hohlprofil 4. Dieses
Hohlprofil 4 besitzt einen näherungsweise fünfeckigen
Querschnitt. Hier sind die Außenflächen 18, 19 sowie
die Innenflächen 20, 21 dargestellt,
welche die Kontaktbereiche mit den entsprechenden Flächen 23 bis 23''' des
Aufnahmebereichs 5 des Längsträgers 7 bilden.
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Die
Erfindung ist nicht beschränkt
auf die vorgestellten Ausführungsbeispiele.
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Zunächst kann
es ausreichen, keine umlaufende Schweißnaht 27 im Verbindungsbereich 3 vorzusehen.
Vielmehr kann je nach erforderlicher Festigkeit das Vorsehen einer
Schweißnaht 27 auf
zwei oder drei Seiten des Querträgers 1 ausreichend
sein.
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Weiterhin
sind die angegebenen Winkelintervalle für die Winkel α und β nicht zwingend,
es können
auch größere Winkel vorgegeben
werden, sie sollten jedoch 45° nicht
unter- bzw. 90° nicht überschreiten.
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Ferner
kann die Gestaltung des Aufnahmebereichs 5 von der in den
Ausführungsbeispielen
dargestellten Geometrie abweichen. Wichtig ist nur, dass der Aufnahmebereich 5 die
Anschlagsflächen 23 bis 23''' zur
Anlage der entsprechenden Flächen des
Querträgers 1 aufweist.
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Weiterhin
kann der Winkel, unter dem Längsträger 7 und
Querträger 1 aneinander
stoßen,
auch von den dargestellten 90° abweichen.
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Ferner
sind die angegeben Maße
für Toleranzen,
Längen
und Breiten nur beispielhaft zu verstehen, sie können durchaus von diesen Zahlenwerten
abweichen.