DE102006021149A1

DE102006021149A1 - Rahmeneinlage

Info

Publication number: DE102006021149A1
Application number: DE102006021149A
Authority: DE
Inventors: Lars Riebeck; Zeljko Gazic
Original assignee: MAN Nutzfahrzeuge AG
Current assignee: MAN Truck and Bus SE
Priority date: 2006-05-06
Filing date: 2006-05-06
Publication date: 2007-11-29
Anticipated expiration: 2026-05-07
Also published as: DE102006021149B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Rahmeneinlage (1) zur Verstärkung von Trägerelementen (10), insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem Basisabschnitt (3), der in einer vorgegebenen Ebene verläuft und wenigstens zwei sich von diesem Basisabschnitt (3) in einer Längsrichtung (L) der Rahmeneinlage (1) erstreckenden Armen (4, 5, 7a), wobei diese Arme (4, 5, 7a) voneinander beabstandet sind. Dabei erstreckt sich erfindungsgemäß zwischen den Armen (4, 5) und dem Basisabschnitt (3) eine Aussparung (9) und diese Aussparung erstreckt sich in der Längsrichtung (L) über wenigstens 10% der Höhe (H) der Rahmeneinlage (1).

Description

Technisches Gebiet:
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Rahmeneinlage zur Verstärkung von Tragelementen. Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf eine Rahmeneinlage beschrieben, die zur Verstärkung von Rahmenlängsträgern in Kraftfahrzeugen und insbesondere in Nutzfahrzeugen Anwendung findet. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Rahmeneinlage auch in anderen Trägerelementen für Fahrzeuge Anwendung finden kann.
Stand der Technik:
Derartige Rahmenlängsträger weisen üblicherweise einen Knickbereich auf, d. h. einen Bereich, in dem sich die Richtung des Rahmenslängsträgers geringfügig ändert. In diesem Knickbereich sind diese Rahmenlängsträger besonders anfällig gegenüber mechanischen Belastungen, wie Biegemomenten oder Torsionen. Daher ist es im Stand der Technik bekannt, in dem Längsträger und insbesondere in dem Bereich dieses Knicks eine Rahmeneinlage vorzusehen, die den Längsträger in diesem Bereich verstärkt. Genauer gesagt, verstärken diese Rahmeneinlagen überwiegend den vertikalen Steg des Rahmenlängsträgers im Knickbereich. In den Bereichen über dem Knick weisen die aus dem Stand der Technik bekannten Rahmeneinlagen offene oder zugeschweißte Ausschnitte in vertikalen Stegen auf, sodass durch eine Biegung dieses vertikalen Stegs der Knickwinkel des Rahmenlängsträgers in der Rahmeneinlage nachgebildet werden kann.
Die bekannten Rahmeneinlagen ermöglichen eine zufrieden stellende Verstärkung des Rahmenlängsträgers gegen Biegemomente um dessen horizontale Achse. Bei Biegebelastungen um die vertikale Achse und bei Torsionsbelastungen ist jedoch die Verstärkung des Rahmenslängsträgers nicht optimal, da die horizontalen Stege der Rahmeneinlage geschwächt sind. Dadurch kann es zu lokalen Spannungsmaxima in dem betreffenden Ausschnitt oder in der Schweißnaht über dem Knickbereich kommen und diese lokalen Spannungsmaxima in den horizontalen Stegen sind zu hoch, ohne dass gleichzeitig eine zufrieden stellende Spannungsreduktion am Rahmenlängsträger erreicht wird.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Rahmeneinlage zur Verfügung zu stellen, die einfach in der Herstellung ist und gleichzeitig eine Gewichtsoptimie rung erlaubt. Daneben sollen die Herstellungskosten gesenkt werden. Daneben soll eine Spannungsverbesserung an der Rahmeneinlage und eine Spannungsreduktion an dem Rahmenlängsträger erreicht werden.
Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche 1 und 8 erreicht. Vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass nicht notwendigerweise alle Aufgaben durch die Gegenstände aller Unteransprüche gleichermaßen erreicht werden.
Die erfindungsgemäße Rahmeneinlage zur Verstärkung von Tragelementen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, weist einen Basisabschnitt auf, der in einer vorgegebenen Ebene verläuft. Daneben sind zwei sich von diesem Basisabschnitt wenigstens abschnittsweise im Wesentlichen in einer Längsrichtung der Rahmeneinlage erstreckende Arme vorgesehen, wobei diese Arme voneinander beabstandet sind. Erfindungsgemäß ist zwischen den Armen und dem Basisabschnitt, insbesondere in der Ebene des Basisabschnitts, eine Aussparung vorgesehen und die Aussparung erstreckt sich in der Längsrichtung der Rahmeneinlage über wenigstens 10 % der Höhe der Rahmeneinlage.
Unter einer Erstreckung der Arme in im Wesentlichen der Längsrichtung wird verstanden, dass die Erstreckungsrichtung gegenüber der Längsrichtung um nicht mehr als 20° und bevorzugt um nicht mehr als 10° abweicht. Auch wäre es möglich, dass sich die Arme aus mehreren Abschnitten zusammensetzen und sich lediglich ein Abschnitt in der Längsrichtung der Rahmeneinlage erstreckt, wobei es sich bei dieser Ausführungsform bevorzugt um denjenigen Abschnitt des Arms handelt, der sich an den Basisabschnitt anschließt. Bevorzugt erstrecken sich jedoch alle Abschnitte der Arme in der Längsrichtung der Rahmeneinrichtung.
Vorzugsweise erstreckt sich die Aussparung über wenigstens 12% der Höhe der Rahmeneinlage und besonders bevorzugt über wenigstens 15% der Höhe der Rahmeneinlage. In aufwändigen Studien und Testreihen wurden die erwähnten Prozentwerte als besonders geeignet ermittelt, um eine insgesamt Kosten sparende und gleichwohl den Stabilitätserfordernissen genügende Verstärkung zu erreichen. Damit ist erfindungsgemäß die Aussparung erheblich größer als die im Stand der Technik vorgesehenen Ausschnitte. Durch diese Aussparung wird eine unnötige Verstärkung des Rahmenlängsträgers im Knickbereich selbst vermieden und damit eine Gewichtseinsparung erreicht. Diese Verstärkung im Knickbereich ist unnötig, da schon durch den Knick selbst eine ausreichende Stabilität gegen Beulen und Biegungen um die horizontale Achse des Längsträgers erreicht wird.
Durch die Beabstandung der Arme und deren getrennte Anordnung wird erreicht, dass eine einfache Herstellung der Rahmeneinlage durch einen Biegeprozess und insbesondere ohne Schweißvorgänge möglich ist. Vorzugsweise erstrecken sich beide Arme in im Wesentlichen der gleichen Richtung.
Vorzugsweise weist die Rahmeneinlage zwei Seitenabschnitte auf, die an dem Basisabschnitt angeordnet sind und in einem vorgegebenen von 0° verschiedenen Winkel gegenüber dem Basisabschnitt verlaufen, d. h. die Ebenen, in denen die Seitenabschnitte verlaufen und die Ebene, in der der Basisabschnitt verläuft, sind in dem vorgegebenen Winkel zueinander angeordnet.
Vorzugsweise sind die Seitenabschnitte in einem Winkel von 90° gegenüber dem Basisabschnitt angeordnet und damit sind auch Krümmungsbereiche vorgesehen, über die der Basisabschnitt in die Seitenabschnitte übergeht. Damit wird eine Knickverstärkung nur durch die (horizontalen) Seitenabschnitte der Einlage erreicht und auf diese Weise eine effektive Verstärkung gegen Torsions- und Biegebelastungen um die Vertikalachse bewirkt. Daneben wird durch das Vorsehen des Ausschnittes im Knickbereich und auch die offenen Arme der Einlage eine Verspannung der Einlage vermieden. Vorzugsweise sind die Arme über die Seitenabschnitte mit dem Basisabschnitt verbunden. Damit umfassen die Arme einen Teilbereich des Seitenabschnitts und einen sich hiervon erstreckenden Abschnitt, der in der vorgegebenen Ebene der Rahmeneinlage verläuft. Dieser Zusammenhang wird unter Bezugnahme auf die Figuren noch genauer erläutert.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform verläuft wenigstens ein Abschnitt der Aussparung in der Ebene des Basisabschnitts, wobei dieser Abschnitt materialfrei ist. Mit anderen Worten weist die Rahmeneinlage einen Bereich auf, in dem in der vorgegebenen Ebene kein Material anzufinden ist. Auch auf diese Weise kann der Gefahr von Verspannung zwischen der Rahmeneinlage und dem Längsträger entgegengewirkt werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist wenigstens ein Arm einen dem Basisabschnitt zugewandten gekrümmten Rand auf. Durch diesen gekrümmten bzw. kantenfreien Rand kann das Auftreten von Spannungsspitzen innerhalb der Rahmeneinlage verhindert werden.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Materialstärke insbesondere in den vertikalen Abschnitten der Arme gegenüber der Materialstärke im Bereich des Basisabschnitts reduziert. Insbesondere ist in demjenigen Bereich der Arme, in dem dieser mit dem Längsträger verschraubt wird, das Material bzw. die Materialstärke auf dasjenige Minimum reduziert, welches für die Verschraubung am Rahmenlängsträger nötig ist.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Trägerelement, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer Rahmeneinlage der oben beschriebenen Art gerichtet.
Dabei ist das Trägerelement um eine vorgegebene geometrische Linie abgewinkelt. Diese Linie stellt gleichzeitig die Knicklinie bzw. den Knickbereich dar.
Vorzugsweise erstrecken sich die Arme von einer Seite der Knicklinie aus. Genauer gesagt, erstrecken sich die Seitenabschnitte der Arme über den Knick hinweg und die vertikalen Abschnitte beider Arme sind bevorzugt nur auf einer Seite der Knicklinie angeordnet. Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist die Rahmeneinlage im Wesentlichen achsensymmetrisch bezüglich einer Mittelebene. Dabei sind die Positionen der Schraubbohrungen bei der Beurteilung der Symmetrie nicht berücksichtigt.
Vorzugsweise ist die Rahmeneinlage mit dem Trägerelement über wenigstens eine Verschraubung verschraubt. Diese Verschraubungen stellen im Wesentlichen die einzigen kraftschlüssigen Verbindungen zwischen der Rahmeneinlage und dem Trägerelement dar. Dies bedeutet, dass die Rahmeneinlage nicht mit dem Trägerelement zusätzlich verschweißt wird. Durch diese Verschraubung kann ebenfalls einer Bruchgefahr in Folge von Verspannungen entgegengewirkt werden.
Vorzugsweise ist jede Verschraubung oder Vernietung um einen vorbestimmten Abstand von der geometrischen Linie, d. h. dem Knickbereich, beabstandet und dieser Abstand beträgt besonders bevorzugt wenigstens 30 % der Höhe der Rahmeneinlage. Durch diese Entfernung der Verschraubung von dem Knickbereich wird erreicht, dass keine Kerbspannungen in der Biegekante des Einlagenarmes auftreten und sich über dem Knickbereich in dem Arm der Einlage ein homogenes Spannungsfeld einstellen kann. Anstelle einer Verschraubung ist es auch möglich, eine Vernietung vorzusehen.
Die vorliegende Erfindung ist weiterhin auf ein Verfahren zur Herstellung einer Rahmeneinlage der oben beschriebenen Art gerichtet, wobei die Rahmeneinlage durch einen Biegeprozess hergestellt wird. Insbesondere werden bei dem erfindungsgemäßen Verfahren keine Schweißverfahren durchgeführt, sondern die Rahmeneinlage ausschließlich durch den Biegeprozess hergestellt. Diese Art der Herstellung wird dadurch ermöglicht, dass, wie oben dargestellt, die Rahmeneinlage mit zwei voneinander getrennten Armen ausgeführt wird.
Weitere Vorteile und Ausführungsformen ergeben sich aus den beigefügten Zeichnungen.
Darin zeigen:
1 einen Rahmenlängsträger mit einer Rahmeneinlage nach dem Stand der Technik; und
2 einen Rahmenlängsträger mit einer erfindungsgemäßen Rahmeneinlage.
1 zeigt einen Rahmenlängsträger 10 mit einer Rahmeneinlage 1 nach dem Stand der Technik. Dieser Längsträger 10 weist einen Knick 22 auf, d. h. einen Bereich, in dem der Rahmenlängsträger 10 um einen vorgegebenen Winkel von bis zu 10° abgewinkelt ist. Genauer gesagt wird der Rahmenlängsträger entlang der Linie LK abgewinkelt. An dem Rahmenlängsträger 10 ist die Rahmeneinlage 1 mit einer Vielzahl von Schraubverbindungen 23 angeordnet. Die Rahmeneinlage 1 weist Arme 5 auf und diese Arme 5 wiederum offene oder zugeschweißte Ausschnitte 21 über dem Knick.
Auch auf diese Weise kann der Knickwinkel des Rahmenlängsträgers 10 in der Rahmeneinlage 1 nachgebildet werden. In diesem vergleichsweise engen Ausschnitt können jedoch hohe lokale Spannungsmaxima insbesondere in dem Knickpunkt 24 der Rahmeneinlage 1 auftreten. Diese Spannungsmaxima können insbesondere bei einer Biegebelastung um die vertikale Achse oder bei Torsionsbelastungen zu einer Schwächung des horizontalen Bereichs bzw. Seitenabschnitts 7 der Rahmeneinlage führen.
Daneben kann durch die Anordnung nach 1 bedingt durch den engen Ausschnitt 21 keine verbesserte Gesamtspannungsreduktion an dem Rahmenlängsträger 10 erreicht werden.
2 zeigt einen Rahmenlängsträger 10 mit einer erfindungsgemäßen Rahmeneinlage 1. Diese Rahmeneinlage 1 weist einen Basisabschnitt 3 auf, der in einer Ebene E angeordnet ist. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform handelt es sich hierbei um eine ungekrümmt verlaufende Ebene, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
An den Basisabschnitt 3 der Rahmeneinlage 1 schließen sich zwei Seitenabschnitte 7 an, die bei dieser Ausführungsform um 90° gegenüber dem Basisabschnitt abgewinkelt sind. Der Basisabschnitt 3 und die Seitenabschnitte 7 werden über einen gekrümmten Übergangsbereich 8 miteinander verbunden. Die Seitenabschnitte 7 liegen an Seitenabschnitten 11 des Rahmenlängsträgers 10 an und bewirken auf diese Weise dessen Versteifung.
Dabei sind die Seitenabschnitte 7 der Rahmeneinlage und die Seitenabschnitte 11 des Rahmenlängsträgers parallel zueinander. Durch die Bohrungen 17 der Rahmeneinlage 1 können Verbindungselemente wie Schrauben oder Nieten geführt werden, um die Rahmeneinlage 1 mit dem Rahmenlängsträger 10 zu verbinden. Auch können auf diese Weise weitere Komponenten an den Seitenabschnitten 11 des Rahmenlängsträgers angeordnet werden.
Ausgehend von dem Basisabschnitt 3 erstrecken sich zwei Arme 4, 5, 7a in Längsrichtung der Rahmeneinlage. Diese Arme setzen sich aus einem Endabschnitt 7a des Seitenabschnitts 7 und jeweils den vertikalen Abschnitten 4, 5 zusammen.
Zwischen diesen vertikalen Abschnitten 4, 5 und dem Basisabschnitt 3 ist jeweils eine Aussparung 9 vorgesehen. Diese Aussparung 9 ist jeweils voll ausgeschnitten, d. h. im Bereich der Ebene E ist im Bereich des Ausschnittes kein Material vorgesehen. Des Weiteren erstreckt sich der Ausschnitt in einem Bereich von mindestens 15 % der Rahmenhöhe vor und hinter dem Knickbereich, der durch die Linie L_K gekennzeichnet ist. Im Gegensatz zu konventionell gestalteten Rahmeneinlagen (1), welche im Bereich des Knicks 22 des Rahmenlängsträgers 10 zu hohen Spannungen in dem Knickpunkt oder Knickbereich 24 führen und damit auch eine Überlastung der Rahmeneinlage 1 oder des Rahmenlängsträgers 10 bewirken können, wird durch die erfindungsgemäße Gestaltung der Rahmeneinlage 1 erreicht, dass keine hohen Spannungen auftreten und gleichwohl die Verstärkungswirkung für den Rahmenlängsträger 10 erhalten bleibt. Das Bezugszeichen 9a bezieht sich auf einen Bereich der Aussparung 9, in dem die Rahmeneinlage entlang der gesamten Höhe H materialfrei ist. Dieser Bereich 9a ist in dem Bereich der Knicklinie L_K vorgesehen.
Die Bezugszeichen 14, 16 und 18 beziehen sich auf Öffnungen, mit denen die Rahmeneinlage gegenüber dem Rahmenlängsträger 10 verschraubt werden kann. Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind vor dem Knick, d. h in 2 auf der rechten Seite des Knicks, in einem Abstand von wenigstens 30 % der Höhe H der Rahmeneinlage keine Verschraubungen vorgesehen. Hinter dem Knick, also in 2 linksseitig des Knicks, sind in einem Bereich von wenigstens 40 % der Rahmenhöhe H keine Verschraubungen vorgesehen. Bei der Rahmeneinlage 1 handelt es sich um ein Biegeteil, d. h. dieses wird ausschließlich durch Biegeprozesse hergestellt, wobei keine weiteren Verschweißungen nötig sind.
Wie eingangs erwähnt, weisen die vertikalen Abschnitte 4, 5 eine gekrümmte Kante 15 auf. Auf diese Weise ist eine weiche Krafteinleitung zur Entlastung der ersten Schraube, welche sich durch die Öffnung 14 erstreckt, möglich. Auch wird durch diese Vorgehensweise der Endabschnitt 7a des Seitenabschnitts 7 der Rahmeneinlage 1 entlastet. Der Basisabschnitt 3 weist ebenfalls eine leicht gekrümmte Kante 13 auf, wobei auch diese Kante von dem Knickbereich um wenigstens 15 % der Rahmenhöhe beabstandet ist. Die Bezugszeichen 16, 18 beziehen sich ebenfalls auf Verschraubungen.
Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform ist die gekrümmte Kante 13 des Basisabschnitts 3 näher an der Knicklinie L_K als die gekrümmte Kante 15 der vertikalen Abschnitte 4, 5. Auch verläuft die Krümmung der Kante 15 in der Längsrichtung L der Rahmeneinlage wesentliche flacher als die Krümmung der Kante 13. Hierdurch wird ebenfalls eine verbesserte und insbesondere weiche Kräfteverteilung erreicht.
Genauer kann durch die optimale Kontur des ausgeschnittenen Bereichs eine weiche Krafteinteilung zur Entlastung insbesondere der ersten (nicht gezeigten) Schraube, welche durch die Öffnung 14 geschoben wird, erreicht werden.
Sämtliche in den Anmeldungsunterlagen offenbarten Merkmale werden als erfindungswesentlich beansprucht, sofern sie einzeln oder in Kombination gegenüber dem Stand der Technik neu sind.

1: Rahmeneinlage
3: Basisabschnitt
4, 5: vertikaler Abschnitt der Arme
7: Seitenabschnitte der Rahmeneinlage
7a: Endabschnitt des Seitenabschnitts
8: gekrümmter Übergangsbereich
9: Aussparung
9a: Bereich der Aussparung
10: Rahmenlängsträger
11: Seitenabschnitte des Rahmenlängsträgers
13: Kante des Basisabschnitts 3
15: Kante der vertikalen Abschnitte 4, 5
14, 16, 18: Öffnungen in dem vertikalen Abschnitt 5
21: Ausschnitt (Stand der Technik)
22: Knick
23: Schraubverbindungen
24: Knickbereich
E: Ebene
L: Längsrichtung der Rahmeneinlage
L_K: Knicklinie des Längsträgers
H: Höhe der Rahmeneinlage

Claims

Rahmeneinlage (1) zur Verstärkung von Trägerelementen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, mit einem Basisabschnitt (3), der in einer vorgegebenen Ebene verläuft und wenigstens zwei sich wenigstens abschnittsweise von diesem Basisabschnitt (3) in einer Längsrichtung (L) der Rahmeneinlage (1) erstreckenden Armen (4, 5, 7a), wobei diese Arme (4, 5, 7a) voneinander beabstandet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den Armen (4, 5, 7a) und dem Basisabschnitt (3) eine Aussparung (9) vorgesehen ist, und sich die Aussparung in der Längsrichtung (L) über wenigstens 10% der Höhe (H) der Rahmeneinlage erstreckt.
Rahmeneinlage nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmeneinlage zwei Seitenabschnitte (7) aufweist, die an dem Basisabschnitt (3) angeordnet sind und in einem vorgegebenen von 0° verschiedenen Winkel gegenüber dem Basisabschnitt (3) verlaufen.
Rahmeneinlage nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme einen vertikalen im Wesentlichen in der vorgegebenen Ebene verlaufenden Abschnitt (4,5) und einen Endabschnitt (7a) der Seitenabschnitte (7) umfassen und über den Endabschnitt (7a) der Seitenabschnitte (7) mit dem Basisabschnitt (3) verbunden sind.
Rahmeneinlage nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (4, 5, 7a) Verschraubungsöffnungen (14, 16, 18) zum Verschrauben der Rahmeneinlage mit dem Trägerelement aufweisen.
Rahmeneinlage nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Bereich (9a) der Aussparung (9) in der Ebene (E) verläuft und dieser Bereich materialfrei ist.
Rahmeneinlage nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Arm (4, 5, 7a) einen dem Basisabschnitt (3) zugewandten gekrümmten Rand (15) aufweist.
Rahmeneinlage nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialstärke im Bereich der vertikalen Abschnitte (4,5) der Arme (4, 5, 7a) gegenüber der Materialstärke im Bereich des Basisabschnitts (3) reduziert ist.
Trägerelement, insbesondere für ein Kraftfahrzeug mit einer Rahmeneinlage nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche.
Trägerelement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement um eine vorgegebene geometrische Knicklinie (L_K) abgewinkelt ist.
Trägerelement nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8-9, dadurch gekennzeichnet, dass sich beide Arme bezüglich der Knicklinie (L_K) in eine im Wesentlichen gleiche Richtung erstrecken.
Trägerelement nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche 8-10, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmeneinlage (1) mit dem Trägerelement (10) über Verschraubungen verschraubt sind und diese Verschraubungen im Wesentlichen die einzigen kraftschlüssigen Verbindungen zwischen der Rahmeneinlage und dem Trägerelement darstellen.
Trägerelement nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass jede Verschraubung um einen vorbestimmten Abstand von der geometrischen Linie beabstandet ist und dieser Abstand wenigstens 30% der Höhe des Trägers beträgt.
Verfahren zur Herstellung einer Rahmeneinlage nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Rahmeneinlage (1) durch einen Biegeprozess hergestellt wird.