DE102005045008A1

DE102005045008A1 - Verbundhohlprofil

Info

Publication number: DE102005045008A1
Application number: DE200510045008
Authority: DE
Inventors: Heiko Rudolf; Thomas Drescher; Christoph Stoßberg
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-09-21
Filing date: 2005-09-21
Publication date: 2007-03-22

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verbundhohlprofil (7) mit einem als Hohlkörper ausgeführten Basisteil (1) sowie mit mehreren abschnittsweise gegen den Umfang des Basisteils (1) außenseitig anliegenden Funktionsprofilen (2, 3, 4, 5). Zur Verbesserung der Funktionseigenschaften wird das Basisteil (1) mittels Innenhochdruckumformverfahrens stoff-, kraft- oder formschlüssig mit den Funktionsprofilen (2, 3, 4, 5) verbunden. Die Wandstärke der einzelnen Funktionsprofile (2, 3, 4, 5) entspricht dabei den gewünschten Verformungseigenschaften des Verbundhohlprofils (7). Entsprechend der Formgebung eines nicht gezeigten Werkzeugs weist das Verbundhohlprofil (7) einen entlang der Mittellängsachse (6) konstanten Verlauf des Außenquerschnitts auf, wobei sich zugleich ein konturierter Verlauf einer Innenwandfläche (8) des Verbundhohlprofils (7) ergibt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbundhohlprofil zumindest umfassend ein als Hohlkörper ausgeführtes Basisteil sowie ein zumindest abschnittsweise gegen den Umfang des Basisteils außenseitig anliegendes und mittels eines Innenhochdruckumformverfahrens stoff-, kraft- oder formschlüssig fixiertes Funktionsprofil.
Ein solches durch fügen bevorzugt mit Innenhochdruck hergestelltes Verbundhohlprofil erschließt vielfältige Möglichkeiten bei der Gestaltung und rationellen Fertigung. Durch das Innenhochdruckfügen in unmittelbarer technologischer Verknüpfung mit dem Innenhochdruckumformen oder als separater Arbeitsgang ist eine vorteilhafte Erweiterung der Anwendungsbereiche der Innenhochdruckverfahren zur Fertigung komplexer Verbundhohlprofile gegeben. Das Innenhochdruckfügen ist vom Grundvorgang her ein spezielles Innenhochdruckumformen, durch welches das Funktionsprofil und das Basisteil kraft- und/oder formschlüssig miteinander verbunden werden.
Zur Erzielung der geforderten Eigenschaften des Verbundhohlprofils wie Verdrehsicherheit, Mindestabzugskraft, Werkstoffe, Geometrie usw. sind die Bedingungen des speziellen Innenhochdruckumformvorganges und die Eigenschaften der Basisteile und die Funktionsprofile zweckentsprechend zu gestalten.

Die DE 199 29 957 A1 beschreibt auch bereits ein Verbundhohlprofil mit einer Fügeverbindung zwischen einem umfänglich geschlossenen Hohlprofil und einem mit einer Durchgangsöffnung versehenen Anbauteil, welches aus einem Werkstoff geringerer Festigkeit als dem des Hohlprofils besteht. Um in einfacher Weise reproduzierbar und prozesssicher ein Hohlprofil und ein Anbauteil mit geringerer Festigkeit als das Hohlprofil unlösbar miteinander zu verbinden und die Positionierung der beiden Fügepartner in der Fügeverbindung zueinander prozesssicher zu erreichen, ist an der Innenseite der Durchgangsöffnung eine von den Stirnseiten des Anbauteils beabstandete Ausnehmung vorgesehen. Das Anbauteil wird mit seiner Durchgangsöffnung auf das Hohlprofil aufgeschoben und in dieser Schiebesitzlage mit diesem durch eine lokale, mittels Innenhochdruckumformens an der Stelle der Ausnehmung gebildete Aufweitung des Hohlprofils verklemmt.

Die DE 199 57 508 C1 betrifft eine Vorrichtung zum Fügen von mit einer Durchgangsöffnung versehenen Fügeteilen auf Hohlprofile durch partielle Aufweitung der Hohlprofile an der Stelle der mit der Durchgangsöffnung aufgeschobenen Fügeteile mittels fluidischem Innenhochdrucks.

Die DE 197 21 358 A1 offenbart eine Anordnung zum Fügen von verschiedenen Formteilen aus metallischen oder nichtmetallischen Materialien, deren verschiedenen Formteile ineinander so integriert sind, dass diese eine formschlüssige Verbindung miteinander eingehen. Das mindestens eine Nebenformteil ist mit seiner vorbestimmten Form aufgrund des hohen hydraulischen Druckes gegen die Innenkontur des Hauptformteils und deren daraus resultierenden aufgeweiteten Außenkontur des Hauptformteils in das selbige eingebettet und formschlüssig miteinander verbunden. Die Nebenformteile können aus einem Vollmaterial bestehen oder sind aus einzelnen Elementen, wie Lagen oder Lamellen paketiert.

Die DE 198 02 484 C2 offenbart ferner eine Nockenwelle, wobei auf eine Hohlwelle zumindest ein Nocken aufgeschoben wird, wonach die Hohlwelle zwischen den beiden quer zur Längserstreckung der Hohlwelle verlaufenden Stirnseiten des Nockens und an der jeweiligen Lagerstelle mittels eines hochgespannten Druckfluids derart aufgeweitet wird, dass einerseits ein Pressverbund von Nocken und Hohlwelle und andererseits eine den Abstand zwischen Hohlwelle und Gegenlager überbrückende Ausbauchung der Lagerstelle der Hohlwelle entsteht.

Die DE 199 46 340 C2 beschreibt auch das Fügen von fügeteilen auf einem Hohlprofil durch partielle Aufweitung der Hohlprofile an der Stehe der aufgeschobenen Fügeteile mittels Innenhochdruck.

Die DE 197 50 067 A1 bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum fügen eines Bauteils an einen Hohlkörper, insbesondere ein Rohrelement, sowie auf ein dadurch herstellbares Verbundhohlprofil. Hierzu werden das Bauteil und der Hohlkörper in einem Hochdruckumformwerkzeug lagefixiert angeordnet und mittels Hochdruckumformung an dem Verbundhohlprofil wenigstens ein Nebenformelement hergestellt, durch welches das Bauteil und der Hohlkörper formschlüssig miteinander verbunden sind.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verbundhohlprofil der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dadurch die Funktionseigenschaften wesentlich verbessert werden.

Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Verbundhohlprofil gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Verbundhohlprofil vorgesehen, bei dem das Funktionsprofil das Basisteil ringförmig einschließt und die Wandstärke des Funktionsprofiles entsprechend der gewünschten Belastungseigenschaften, insbesondere der Verformungseigenschaften des Verbundhohlprofils bemessen ist. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass die Wandstärke des Verbundhohlprofils dann in einfacher Weise beanspruchungs-, funktions- und anforderungsgerecht ausgelegt werden kann, wenn durch das Funktionsprofil gezielt eine Verstärkung des Verbundhohlprofils durch eine Erhöhung der Gesamtwandstärke des Verbundhohlprofils erreicht wird. Beispielsweise wird bei einer lokal oder partiell erhöhten Teilspannung die Gesamtwandstärke des Verbundhohlprofils in diesen Bereichen entsprechend angepasst. Dabei kann mit den so erzielbaren Wandstärken- und Materialvarianten ein definiertes Verformungsverhalten eingestellt werden, so dass je nach Belastungsart ein vorbestimmtes Verformungsverhalten mit reproduzierbarer Genauigkeit erzielt wird. Überraschend liegt der Erfindung dabei die Erkenntnis zugrunde, dass das an sich bekannte Innenhochdruckumformverfahren nicht zur Verbindung von Bauteilen mit dem Ziel, gewünschte Funktionseigenschaften, insbesondere Rohrleitungseigenschaften zu realisieren eingesetzt wird, sondern dass vielmehr mittels einfacher hülsenförmiger Funktionsprofile die Einstellung der Verformungseigenschaften durch die Variation der Wandstärke des Verbundhohlprofil realisiert werden kann. Dadurch kann in einfacher Weise auf der Basis eines einzigen Basisteils eine Vielzahl unterschiedlicher Verbundhohlprofile als Bauelemente für verschiedene Einsatzzwecke geschaffen werden, so dass insbesondere auch die Bauteillogistik bei hoher Bauteilvarianz wesentlich optimiert wird. Das Verbundhohlprofil kann bevorzugt in einer Kraftfahrzeugkarosserie sowie in Verbindung mit Achs- und Fahrwerkskomponenten eingesetzt werden.

Das Funktionsprofil könnte nach Art einer Klammer abschnittsweise gegen den Umfang anliegen, so dass die Belastbarkeit des Verbundhohlprofils insbesondere auch in unterschiedlichen radialen Winkelpositionen abweichend bemessen sein kann. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn das Funktionsprofil rohrförmig mit einer geschlossenen Mantelfläche ausgeführt ist und dabei als eine Manschette das Basisteil radial vollständig einschließt.

Das Funktionsprofil könnte eine über den Umfang veränderliche oder flexible Materialstärke aufweisen. Eine andere besonders vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird hingegen dadurch erreicht, dass das Funktionsprofil eine über den Umfang konstante Materialstärke aufweist. Hierdurch wird der Fertigungsaufwand für das Verbundhohlprofil reduziert indem zur Realisierung der gewünschten Verformungseigenschaften des Verbundhohlprofils einfache Hülsen, die dabei auch mehrlagig übereinander angeordnet werden können, eingesetzt werden. Die Hülsen können dabei in Standardabmessungen verfügbar und dadurch die Belastbarkeit des Verbundhohlprofils zumindest überschlägig aufgrund der Identifizierung der entsprechend gekennzeichneten Hülsen ohne aufwendige Berechnung bestimmt werden.

Bei einem einfachen Verbundhohlprofil können das Basisteil und das Funktionsprofil koaxial angeordnet und mit übereinstimmender Länge ausgeführt sein, um so die gewünschte Verformungseigenschaft über die gesamte Länge zu erhalten. Besonders praxisnah ist es hingegen, wenn die Wandstärke des Verbundhohlprofils in Richtung der Mittellängsachse des Basisteils in verschiedenen Bereichen unterschiedlich bemessen ist, um auf diese Weise über die Längserstreckung abschnittsweise an die Belastung angepasste Verformungseigenschaften zu realisieren.

Dabei wird eine weitere ebenfalls besonders praxisnahe Abwandlung der vorliegenden Erfindung dadurch erreicht, dass jeweils ein Funktionsprofil an beiden Endbereichen des Basisteils angeordnet ist. Hierdurch können auch sehr dünnwandige Basisteile in einen Bauteilverbund eingeschweißt werden, indem die Endbereiche zur Durchführung einer ordnungsgemäßen Ausführung der Schweißverbindung, insbesondere im Hinblick auf die dadurch erreichbare Festigkeit, durch das Fügeteil entsprechend verstärkt wird. Die Wandstärken können dabei von 0,2 mm bis zu 8 mm variieren.

Dabei erweist es sich auch als besonders günstig, wenn das Verbundhohlprofil mehrere Funktionsprofile aufweist. Hierdurch können nahezu beliebige Kombination der Funktionsprofile realisiert und dadurch mit geringem Aufwand über die Haupterstreckung gezielt in jedem Bereich eine der zu erwartenden Belastung entsprechende Verstärkung erreicht werden. Die Funktionsprofile können dabei unmittelbar aneinander angrenzen oder zwischen sich einen Spalt einschließen.

Eine besonders zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung wird dadurch erreicht, dass das Verbundhohlprofil einen entlang der Mittellängsachse konstanten Verlauf des Außenquer schnitts aufweist, um so eine Stufenbildung zu vermeiden. hierdurch wird je nach dem vorbestimmten Einsatzzweck die Verbindung zu weiteren Funktionselementen wesentlich vereinfacht.

Demgegenüber kann es auch vorteilhaft sein, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung das Verbundhohlprofil einen entlang der Mittellängsachse konstanten Verlauf des Innenquerschnitts aufweist, um so einerseits eine stufenlosen Innenwandfläche zu erzeugen, andererseits aber auch die dabei entstehenden Absätze der Außenwandfläche als Anlagefläche für weitere, beispielsweise das Verbundhohlprofil mit einer Durchbrechung einschließende Bauelemente, zu ermöglichen. Selbstverständlich sind auch Mischformen mit sowohl an der Innenwandfläche als auch an den Außenwandflächen vorgesehenen Absätzen realisierbar. Insbesondere wird die Kontur im Wesentlichen durch die Formgebung des das Verbundhohlprofil bei der Umformung einschließenden Werkzeuges bestimmt.

Das Basisteil und das Funktionsprofil können aus unterschiedlichen oder übereinstimmenden Werkstoffen, beispielsweise Metall oder Kunststoff bestehen. Besonders vorteilhaft ist es hingegen, wenn das Verbundhohlprofil als einen wesentlichen Werkstoffbestandteil Stahl oder Aluminium aufweist, wobei grundsätzlich für das Basisteil ein besonders umformgeeigneter Werkstoff zu bevorzugen ist. Weiterhin bestimmt sich die Werkstoffauswahl insbesondere nach den Anforderungen hinsichtlich der Festigkeit, der Eignung für Schweißverbindungen, der Temperaturbeständigkeit sowie der Korrosionsbeständigkeit.

Dabei kann zur Verbesserung der Verbindungsfestigkeit, insbesondere zur Vermeidung einer axialen oder tangentialen Verschiebung, sowie zur Funktionserhöhung das Funktionsprofil eine oder mehrere Ausnehmungen aufweisen, die rund, oval oder elipsenförmig und jeweils auch als Durchbrechungen ausgeführt sein können.

Weiterhin kann die Belastbarkeit des Verbundhohlprofils dadurch verbessert werden, dass zumindest abschnittsweise zwischen dem Funktionsprofil und dem Basisteil eine Adhäsionsverbindung vorgesehen ist.

Das Verbundhohlprofil eignet sich grundsätzlich für nahezu beliebige technische Einsatzzwecke. Besonders vorteilhaft sind dabei alle Bereiche, in denen der Leichtbau von hoher Bedeutung ist, wie dies insbesondere auf den Bereich der Luft- und Raumfahrt oder für Ausgestaltungen zutrifft, bei denen das Verbundhohlprofil als ein Kraftfahrzeugbauteil ausgeführt ist.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt jeweils in einer Prinzipdarstellung in
1 ein für ein Verbundhohlprofil bestimmtes Basisteil mit mehreren außenseitig aufgesetzten Funktionsprofilen;
2 das in 1 gezeigte Verbundhohlprofil nach dem Innenhochdruckumformen des Basisteils und der Funktionsprofile;
3 ein weiteres Verbundhohlprofil mit einer konturierten Innen- und Außenwandfläche;
4 mehrere mit Ausnehmungen ausgestattete Funktionsprofile in einer perspektivischen Ansicht;
5 ein für ein weiteres Verbundhohlprofil bestimmtes Basisteil mit zwei im Endbereich aufgesetzten Funktionsprofilen;
6 das in 5 gezeigte Verbundhohlprofil nach dem Innenhochdruckumformen des Basisteils und der Funktionsprofile.
1 zeigt ein zur Herstellung eines in 2 gezeigten Verbundhohlprofils 7 bestimmtes Basisteil 1 mit mehreren außenseitig aufgesetzten Funktionsprofilen 2, 3, 4, 5, die gegen den Umfang des Basisteils 1 außenseitig anliegen. Die Funktionsprofile 2, 3, 4, 5 schließen das Basisteil 1 ringförmig ein, wobei die Wandstärke der Funktionsprofile 2, 3, 4, 5 entsprechend der gewünschten Belastungseigenschaften des Verbundhohlprofils 7 in Richtung der Mittellängsachse 6 des Basisteils 1 unterschiedlich bemessen ist.
Demgegenüber zeigt 2 das Verbundhohlprofil 7 nach dem Abschluss des Innenhochdruckumformens des Basisteils 1 und der Funktionsprofile 2, 3, 4, 5. Entsprechend der Formgebung eines nicht gezeigten Werkzeugs weist das Verbundhohlprofil 7 einen entlang der Mittellängsachse 6 konstanten Verlauf des Außenquerschnitts auf, wobei sich zugleich ein konturierter Verlauf einer Innenwandfläche 8 des Verbundhohlprofils 7 ergibt.
3 zeigt ein weiteres Verbundhohlprofil 9 nach der Durchführung des Innenhochdruckumformens des Basisteils 1 und der Funktionsprofile 2, 3, 4, 5 mit konturierter Innenwandfläche 8 sowie ebenfalls konturierter Außenwandfläche 10. Andeutungsweise ist neben einem stufenförmigen Übergang benachbarter Funktionsprofile 4, 5 auch ein nahezu stufenloser Übergang der benachbarten Funktionsprofile 3, 4 dargestellt.
Ergänzend zeigt 4 in einer perspektivischen Darstellungen mehrere mit Ausnehmungen 11, 12, 13 ausgestattete Funktionsprofile 14, 15, 16. Hierdurch wird bei der Innenhochdruckumformung eine mechanische Verklammerung des in die Ausnehmungen 11, 12, 13 hinein fließenden Materials des nicht gezeigten Basisteils erreicht, um so die Belastbarkeit des so zu schaffenden Verbundhohlprofils zu erhöhen.
Ein für ein weiteres Verbundhohlprofil 21 bestimmtes Basisteil 17 mit zwei jeweils im Endbereich 18, 19 aufgesetzten Funktionsprofilen 20 zeigt 5, welches durch Innenhochdruckumformung zu dem in 6 gezeigten Verbundhohlprofil 21 mit einem konstanten Außendurchmesser verformt wird. Hierdurch kann das Verbundhohlprofil 21 in seinen Endbereichen 18, 19 in gewohnter Weise durch Schweißen mit weiteren nicht gezeigten Bauelementen verbunden und dabei zugleich das Gesamtgewicht des Verbundhohlprofils wesentlich reduziert werden.

1: Basisteil
2: Funktionsprofil
3: Funktionsprofil
4: Funktionsprofil
5: Funktionsprofil
6: Mittellängsachse
7: Verbundhohlprofil
8: Innenwandfläche
9: Verbundhohlprofil
10: Außenwandfläche
11: Ausnehmung
12: Ausnehmung
13: Ausnehmung
14: Funktionsprofil
15: Funktionsprofil
16: Funktionsprofil
17: Basisteil
18: Endbereich
19: Endbereich
20: Funktionsprofil
21: Verbundhohlprofil

Claims

Verbundhohlprofil (7, 9, 21) zumindest umfassend ein als Hohlkörper ausgeführtes Basisteil (1, 17) sowie ein zumindest abschnittsweise gegen den Umfang des Basisteils (1, 17) außenseitig anliegendes und mittels Innenhochdruckumformverfahrens stoff-, kraft- und/oder formschlüssig fixiertes Funktionsprofil (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20), dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprofil (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) das Basisteil (1, 17) ringförmig einschließt und die Wandstärke des Funktionsprofiles (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) entsprechend der gewünschten Belastungseigenschaften, insbesondere der Verformungseigenschaften des Verbundhohlprofils (7, 9, 21) bemessen ist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprofil (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) rohrförmig mit einer geschlossenen Mantelfläche ausgeführt ist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprofil (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) eine über den Umfang konstante Materialstärke aufweist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandstärke des Verbundhohlprofils (7, 9, 21) in Richtung der Mittellängsachse (6) des Basisteils (1, 17) in verschiedenen Bereichen unterschiedlich bemessen ist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der, vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7, 9, 21) mehrere Funktionsprofile (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) aufweist.
Verbundhohlprofil (21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils ein Funktionsprofil (20, 21) an beiden Endbereichen (18, 19) des Basisteils (17) angeordnet ist.
Verbundhohlprofil (7) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7) einen entlang der Mittellängsachse (6) konstanten Verlauf des Außenquerschnitts aufweist.
Verbundhohlprofil nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil einen entlang der Mittellängsachse konstanten Verlauf des Innenquerschnitts aufweist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7, 9, 21) als einen wesentlichen Werkstoffbestandteil Stahl oder Aluminium aufweist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprofil (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) und das Basisteil (1, 17) aus unterschiedlichen Werkstoffen, insbesondere Werkstoffgruppen und/oder Werkstoffarten bestehen.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Funktionsprofil (14, 15, 16) eine oder mehrere Ausnehmungen (11, 12, 13) aufweist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest abschnittsweise zwischen dem Funktionsprofil (2, 3, 4, 5, 14, 15, 16, 20) und dem Basisteil (1, 17) eine Adhäsionsverbindung vorgesehen ist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7, 9, 21) als ein Kraftfahrzeugbauteil ausgeführt ist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7, 9, 21) einen 1-, 2- oder 3- dimensionalen Verlauf aufweist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7, 9, 21) in seiner axialen Erstreckung eine Querschnittsänderung aufweist.
Verbundhohlprofil (7, 9, 21) nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundhohlprofil (7, 9, 21) als ein Kraftfahrzeugbauteil ausgeführt ist.