DE102006061989B3

DE102006061989B3 - Struktur- oder Fahrwerkbauteil für Kraftfahrzeuge

Info

Publication number: DE102006061989B3
Application number: DE200610061989
Authority: DE
Inventors: Rudi Töws; Armin Zuber; Jürgen Krogmeier
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2006-12-21
Filing date: 2006-12-21
Publication date: 2007-10-25
Anticipated expiration: 2026-12-22

Abstract

Bei einem Struktur- oder Fahrwerkbauteil für Kraftfahrzeuge, welches einen Bauteilkörper (1) aus einer umgeformten Platine umfasst und der Bauteilkörper (1) zumindest einen Längsschenkel (2, 3) aufweist, werden zur Reduzierung der Rissanfälligkeit an den Außenkanten (5, 6) der Längsschenkel (2, 3) Längskerben (7, 8) mit Abstand (a) von den Außenkanten (6) vorgesehen. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Breite (b) der Längskerbe (7, 8) zur Tiefe (t) der Längskerbe (7, 8) zwischen 3:1 und 6:1, vorzugsweise 5:1, bemessen, wobei die Tiefe (t) maximal 0,5 mm und der Abstand (a) mindestens 2 mm beträgt. Die Längskerben (7, 8) besitzen im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche und sind spiegelsymmetrisch zu ihrer Mittellängsebene (MLE) ausgestaltet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Struktur- oder Fahrwerkbauteil für Kraftfahrzeuge gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1.
Bei hoch beanspruchten Pressbauteilen aus Metallblechen, insbesondere bei im Fahrzeugbau eingesetzten Struktur- oder Fahrwerkbauteilen aus hochfesten Stählen oder Leichtmetallen, stellen die Schnittkanten regelmäßig eine Schwachstelle dar, von denen vor allem unter dynamischer Belastung Risse ausgehen können. Ursache hierfür sind Gefügeveränderungen und Mikrorisse in den Kantenbereichen, welche die Rissanfälligkeit der Struktur- bzw. Fahrwerkbauteile erhöhen. Diese entstehen beim mechanischen Beschneiden der Platinen. Auch wird die Blechdicke an der Beschnittkante in Folge des notwendigen Schneiddrucks reduziert.
Die vorgenannten nachteiligen Einflüsse können nicht nur zum Versagen der fertigen Struktur- oder Fahrwerkbauteile führen, sondern auch bei im Fertigungsprozess nachfolgend auftretenden Beanspruchungen, z.B. durch Aufweiten, Abkanten oder ähnliches, Risse oder Einschnürungen an den Kantenbereichen verursachen.
Aus der DE 600 24 313 T2 ist ein Struktur- oder Fahrwerkbauteil für Kraftfahrzeuge in Form einer Hinterachse mit einem Querträger bekannt, bei dem die Längsschenkel des Querträgers einer Behandlung unterzogen werden, um ihre Haltbarkeit gegenüber Werkstoffermüdung zu erhöhen. Diese Behandlung kann aus einer Stahlverfestigung oder aus einer Kaltverfestigung, insbesondere durch Walzen, bestehen.
Zur Beseitigung von Zugspannungen und Mikrorissen an den Längskanten von Torsionsprofilen von Verbundlenkerachsen schlägt die DE 196 42 995 C1 vor, die Längskanten zu stauchen, um hier Druckeigenspannungen zu erzeugen. Durch das Stauchen werden die Oberflächen der Schnittkanten geglättet und vorhandene Mikrorisse kalt verschweißt. In bevorzugter Ausgestaltung sollen bei der DE 196 42 995 C1 zunächst Längsrillen bzw. -kerben mit kleinem Abstand von den Längskanten in die Platine eingepresst und dabei oder danach die Längskanten gestaucht werden.
Der bekannte Vorschlag stellt bereits einen Schritt zur Erhöhung der Lebensdauer einer Verbundlenkerachse bzw. deren Torsionsprofil dar. Dennoch bleiben Kerben und Kanten potenzielle Schwachstellen, wenn sie nicht auf die auftretenden Zug- und Druckbelastungen optimiert sind, weil sie durch überlagerte Biegespannungen bzw. Kerbspannungen verformt werden können.
Der Erfindung liegt daher ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, ein hinsichtlich seines Belastungsverhaltens verbessertes Struktur- oder Fahrwerkbauteil mit optimierter Kerbkontur zu schaffen.
Die Lösung dieser Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Struktur- oder Fahrwerkbauteil gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
Das Struktur- oder Fahrwerkbauteil für Kraftfahrzeuge besitzt einen Bauteilkörper aus einer umgeformten Metallplatine. Der Bauteilkörper weist zumindest einen Längsschenkel auf. Mit Abstand von der Außenkante des Längsschenkels ist eine Längskerbe vorgesehen. Diese Längskerbe besitzt eine optimierte Kerbkontur. Erfindungsgemäß ist das Verhältnis der Breite der Längskerbe zur Tiefe der Längskerbe zwischen 3:1 und 6:1 bemessen. Insbesondere wird ein Verhältnis von 5:1 als vorteilhaft angesehen. Die Längskerbe ist folglich in Relation zu ihrer Tiefe deutlich breiter, so dass eine relativ flache, jedoch breite Längskerbe entsteht.
Die Schnitt- bzw. Außenkante der Platine wird durch die Längskerbe partiell verfestigt. Durch diese lokale Verfestigung des Kantenbereichs wird die Rissanfälligkeit reduziert, was zu einer Steigerung der Lebensdauer des Struktur- oder Fahrwerkbauteils beiträgt. Die Längskerben können ein- oder beidseitig in die Platine eingebracht werden. Dies ermöglicht die Erzielung eines verfestigten Bereichs, der die Rissausbreitung in das Bauteil von der Kante aus stoppt. Des Weiteren führen die Längskerben im Abstand von der Außenkante der Längsschenkel zu Druckeigenspannungen in diesen Bereichen, wodurch die Rissanfälligkeit weiter reduziert wird.
Vorzugsweise werden die Längskerben an der ebenen Platine vor der Umformung zum Bauteilkörper hergestellt. Dies gewährleistet eine große Prozessfreiheit und -stabilität sowie eine Kostenreduzierung. Diese Prozessreihenfolge stellt eine größere Prägefreiheit zur Verfügung, da man lediglich ebene Platinen und keine komplexen Geometrien im Raum bearbeiten muss.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und praktische Weiterbildungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 7.
Vorzugsweise besitzt die Längskerbe im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche und ist spiegelsymmetrisch zu ihrer Mittellängsebene ausgestaltet. In der Praxis sollte der Abstand der Längskerbe von der Außenkante des Längsschenkels mindestens 2 mm betragen. Die Rillentiefe beträgt maximal 0,5 mm.
Es wird eine spannungsoptimierte Längskerbengeometrie bzw. -kontur angestrebt. Hierzu weist die Längskerbe seitlich schräg verlaufende Kerbenflanken auf, die etwa unter einem Winkel von 45° zur ebenen Blechoberfläche verlaufen. Bei einer für die Praxis als besonders vorteilhaft angesehenen Längskerbenform verläuft die Oberfläche der Längskerbe bezogen auf ein kartesisches Koordinatensystem, bei dem eine Längskante der Längskerbe am Übergang zur ebenen Schenkelfläche den Koordinatenursprung bildet und die positive Abszisse (x-Achse) in Richtung zur Mitte der Längskerbe sowie die positive Ordinate (y-Achse) in Richtung zur Tiefe der Längsrille gemessen wird, durch die Koordinaten t/2; t/2, wobei t für die Tiefe der Längskerbe steht.
Vorzugsweise handelt es sich bei dem Struktur- oder Fahrwerkbauteil um das Torsionsprofil einer Verbundlenkerachse. Demgemäß weist der Bauteilkörper einen U- oder V-förmigen Querschnitt auf, wobei beide Längsschenkel in ihrem Außenkantenbereich durch erfindungsgemäße Längskerben verfestigt sind.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand von Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 in der Seitenansicht das Torsionsprofil einer Verbundlenkerachse;
2 in vergrößerter Darstellungsweise den Endabschnitt eines Längsschenkels des Torsionsprofils und
3 eine schematische Darstellung der Herstellung von Längskerben am Längsschenkel eines Bauteilkörpers.
1 zeigt einen Bauteilkörper 1 eines Struktur- oder Fahrwerkbauteils eines Kraftfahrzeugs, konkret in Form eines Torsionsprofils einer Verbundlenkerachse. Eine solche Verbundlenkerachse umfasst im Wesentlichen zwei radführende, hier nicht dargestellte Längslenker, welche über das Torsionsprofil 1 verbunden sind.
Der Bauteilkörper 1 besteht aus einer umgeformten metallischen Platine und besitzt über seine Länge ein V-förmiges, einlagiges Querschnittsprofil mit zwei Schenkeln 2, 3 und einem die Schenkel 2, 3 verbindenden Firstabschnitt 4.
Mit Abstand a von der Außenkante 5, 6 der Längsschenkel 2, 3 ist sowohl innen- als auch außenseitig der Längsschenkel 2, 3 eine Längskerbe 7, 8 vorgesehen (siehe hierzu auch 2).
Das Verhältnis der Breite b der Längskerbe 7, 8 zur Tiefe t der Längskerbe 7, 8 ist zwischen 3:1 und 6:1 bemessen, vorzugsweise liegt das Verhältnis der Breite b zur Tiefe t bei 5:1, wobei die Tiefe t maximal 0,5 mm beträgt. Der Abstand a liegt bei 2 mm oder mehr. Die Blechdicke ist in der 2 mit s bezeichnet. Die Längskerben 7, 8 weisen im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche auf und sind, bezogen auf ihre Mittellängsebene MLE, symmetrisch ausgestaltet.
Die Kerbkontur der Längskerben 7, 8 wird durch einen aus Dreiecken ermittelten Polygonzug gebildet, wobei die Knicke zwischen den Punkten I, II, III jeweils ausgerundet werden. In der Mitte der Längskerbe 7, 8 im so genannten "Rillenbett", verläuft die Tangente an dem tiefsten Punkt IV parallel zur äußeren ebenen Schenkelfläche 9 bzw. 10.
Eine spannungsoptimierte Kerbkontur ergibt sich, wenn die Oberfläche der Längskerbe 7, 8 durch die Koordinate t/2; t/2 verläuft. Hierbei bildet jeweils eine Längskante 11, 12 der Längskerbe 7, 8 am Übergang zur ebenen Schenkelfläche 9 bzw. 10 den Koordinatenursprung in einem kartesischen Koordinatensystem, wobei die positive Abszisse (x-Achse) in Richtung zur Mitte der Längskerbe 7, 8 sowie die positive Ordinate (y-Achse) in Richtung zur Tiefe t der Längsrille 7, 8 orientiert ist. Die seitlichen Kerbenflanken 13, 14 verlaufen schräg und dringen unter einem Winkel α von ca. 45° in die Blechoberfläche ein.
Das Ausformen der Längskerben 7, 8 an der ebenen Ausgangsplatine ist schematisch in der 3 dargestellt. Hierbei dringen Prägewerkzeuge 15, 16 in Vertikalrichtung gemäß den Pfeilen P orthogonal zur Blechoberfläche in die Platine ein und prägen mit Abstand a zur Außenkante 5, 6 der Schenkel 2, 3 die konkav ausgeformten Längskerben 7, 8 in die Platine ein.
Die beschriebene Ausgestaltung der Längskerben 7, 8 an den Schenkeln 2, 3 des Bauteilkörpers 1 und die so erzeugte, gezielte partielle Verfestigung entlang der Längskantenbereiche des Bauteilkörpers 1 mit dem Aufbau von Druckeigenspannungen schaffen einen Bauteilkörper 1 mit deutlich gesteigerter Lebenserwartung, der sowohl statisch als auch dynamisch hoch belastbar ist.

1: Bauteilkörper
2: Schenkel
3: Schenkel
4: Firstabschnitt
5: Außenkante
6: Außenkante
7: Längskerbe
8: Längskerbe
9: Schenkelfläche
10: Schenkelfläche
11: Längskante
12: Längskante
13: Kerbenflanke
14: Kerbenflanke
15: Prägewerkzeug
16: Prägewerkzeug
a: Abstand
b: Breite v. 7, 8
t: Tiefe v. 7, 8
s: Blechdicke
α: Winkel
MLE: Mittellängsebene
P: Pfeil

Claims

Struktur- oder Fahrwerkbauteil für Kraftfahrzeuge, welches einen Bauteilkörper (1) aus einer umgeformten Platine umfasst, wobei der Bauteilkörper (1) zumindest einen Längsschenkel (2, 3) aufweist und mit Abstand (a) von der Außenkante (5, 6) des Längsschenkels (2, 3) eine Längskerbe (7, 8) vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis der Breite (b) der Längskerbe (7, 8) zur Tiefe (t) der Längskerbe (7, 8) zwischen 3:1 und 6:1 bemessen ist.
Struktur- oder Fahrwerkbauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskerbe (7, 8) im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche besitzt.
Struktur- oder Fahrwerkbauteil nach Anspruch 1 oder 2, wobei eine Längskante (11, 12) der Längskerbe (7, 8) am Übergang zur ebenen Schenkelfläche (9, 10) den Koordinatenursprung in einem kartesischen Koordinatensystem bildet und die positive Abszisse (x-Achse) in Richtung zur Mitte der Längskerbe (7, 8) sowie die positive Ordinate (y-Achse) in Richtung zur Tiefe der Längskerbe (7, 8) orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Längskerbe (7, 8) durch die Koordinate t/2; t/2 verläuft.
Struktur- oder Fahrwerkbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Längskerbe (7, 8) spiegelsymmetrisch zu ihrer Mittellängsebene (MLE) ausgestaltet ist.
Struktur- oder Fahrwerkbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand (a) mindestens 2 mm beträgt.
Struktur- oder Fahrwerkbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe (t) maximal 0,5 mm beträgt.
Struktur- oder Fahrwerkbauteil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Bauteilkörper (1) einen U- oder V-förmigen Querschnitt besitzt.