DE102007002450B3

DE102007002450B3 - Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge und Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils für eine Verbundlenkerachse

Info

Publication number: DE102007002450B3
Application number: DE200710002450
Authority: DE
Inventors: Armin Zuber; Rudi Töws; Andeas Frehn
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2007-01-11
Filing date: 2007-01-11
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2027-01-12
Also published as: DE102007002450B8

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils (1) für eine Verbundlenkerachse. In den kritischen Bereichen an den Bogenabschnitten (21) der Schenkel (15, 16) des Torsionsprofils (1) wird eine sich in Längsrichtung des Torsionsprofils (1) erstreckende und durch eine Materialverprägung gebildete Verfestigungsprofilierung (5) vorgesehen. Diese ist innenseitig der Bogenabschnitte (21) angeordnet und durch Längsrillen (6, 7) gebildet. Bei einer Variante zur Herstellung eines Torsionsprofils (1) ist vorgesehen, dass eine ebene Metallplatine (2) mittels Druckrollen (4) mit Längsrillen (6, 7) versehen wird. Die Metallplatine (2) wird dann zu einem Rohr (10) eingerollt, längsnahtverschweißt und zum Torsionsprofil (1) mit einem V-förmigen Mittelabschnitt (12) umgeformt. Die Längsrillen (6, 7) an der Metallplatine (2) sind so positioniert, dass diese nach der Herstellung des Rohrs (10) und Umformung zum Torsionsprofil (1) im kritischen Bereich innenseitig an den Bogenabschnitten (21) liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einerseits eine Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 1 und andererseits ein Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils für eine Verbundlenkerachse gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Anspruch 6 bzw. 7.
Aus der DE 44 16 725 B4 oder auch der DE 196 53 959 C1 sind gattungsgemäße Verbundlenkerachsen sowie Verfahren zu deren Herstellung bekannt. Eine solche Verbundlenkerachse weist zwei durch ein Torsionsprofil verbundene Längslenker auf. Das Torsionsprofil besitzt einen V- oder U-förmig gemuldeten, doppelwandigen Mittelabschnitt mit zwei Schenkeln. Jeder Schenkel umfasst eine Innenwand und eine Außenwand, welche an ihren freien Enden über einen Bogenabschnitt verbunden sind. Die Enden des Torsionsprofils sind üblicherweise kreisrund ausgestaltet. Die Übergänge zwischen den Enden und dem Mittelabschnitt verlaufen kontinuierlich vom runden zum eingemuldeten Querschnitt.
Zur Herstellung des Torsionsprofils wird ein rundes Ausgangsrohr spanlos umgeformt. Hierbei taucht ein so genannter Schwertstempel in das Ausgangsrohr ein und drückt dieses in einem Werkzeuggesenk im mittleren Bereich in die U- bzw. V-Form. Um die Querschnittsgeometrie an den Enden beizubehalten und einen definierten Übergangsbereich zu erzeugen, werden die Rohrenden mit Hilfe von Axialdornen abgestützt. Bei diesem Prozess unterliegen die Flanken im Bereich der Bogenabschnitte an den freien Enden der Schenkel besonders starken Umformbelastungen, so dass die Gefahr einer ungünstigen Abstreckung im Material besteht. Zusätzlich ist das Rohr gezwungen, am Werkzeugstempel abzurollen. Dies kann ebenfalls zu ungünstigen Oberflächeneigenschaften führen, welche die Neigung zur Längsrissbildung im Bereich der Bogenabschnitte fördern.
Die DE 10 2005 023 604 A1 beschreibt eine Verbundlenkerachse mit einem Torsionsprofil, welches zur Erhöhung der Dauerfestigkeit in gefährdeten Bereichen mit einer partiellen Verstärkung aus einem Metallgewebe versehen ist. Das Metallgewebe kann auf das Torsionsprofil vollflächig verklebt oder punktschweißverklebt sein.
Bei der aus der EP 1 785 496 A1 bekannten Verbundlenkerachse wird die Festigkeit des Torsionsprofils entlang seiner Bogenabschnitte durch Induktionshärten erhöht.
Zum Stand der Technik zählen ferner die EP 1 577 404 A1 und die EP 0 752 332 A1 . Dort wird die Festigkeit des Torsionsprofils der Verbundlenkerachse durch Einprägungen erhöht. Die Einprägungen befinden sich am Scheitel des Torsionsprofils und sind quer zur Längserstreckung des Torsionsprofils gerichtet.
Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zu Grunde, eine Verbundlenkerachse mit einem für den betrieblichen Einsatz verbesserten Torsionsprofil und erhöhter Lebensdauer zu schaffen sowie ein Verfahren zur Herstellung des Torsionsprofils aufzuzeigen.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht nach der Erfindung in einer Verbundlenkerachse gemäß den Merkmalen von Anspruch 1.
Erfindungsgemäß ist an jedem Bogenabschnitt des Torsionsprofils eine sich in Längsrichtung des Torsionsprofils erstreckende und durch eine Materialverprägung gebildete Verfestigungsprofilierung vorgesehen. Hierdurch wird das Torsionsprofil in den rissanfälligen Bereichen der Bogenabschnitte partiell verfestigt. Durch diese lokale Verfestigung wird die Rissanfälligkeit reduziert, was zu einer Steigerung der Lebensdauer des Torsionsprofils und damit der gesamten Verbundlenkerachse beiträgt. Auch führt die Verfestigungsprofilierung zum Aufbau von Druckeigenspannungen in den Bogenbereichen, wodurch die Rissanfälligkeit weiter reduziert wird.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Verbundlenkerachse sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche 2 bis 5.
In der Praxis hat sich gezeigt, dass die Problemzonen insbesondere innenseitig der Bogenabschnitte liegen. Folglich wird die Verfestigungsprofilierung hier auf der Innenseite der Bogenabschnitte ausgebildet. Die Verfestigungsprofilierung ist folglich auf der Seite des Bogenabschnitts angeordnet, welche zu dem von dem Bogenabschnitt eingeschlossenen Hohlraum liegt. Insbesondere ist die Verfestigungsprofilierung hier auf der Innenseite der Schenkel auslaufseitig der Bogenabschnitte am Übergang zur Innenwand eines Schenkels angeordnet.
Die Verfestigungsprofilierung kann durch eine oder mehrere nebeneinander angeordnete Längsrillen gebildet sein. Des Weiteren ist es möglich, die Verfestigungsprofilierung durch eine Anzahl aneinander gereihter, vorzugsweise kugelabschnittsförmig gestalteten, Vertiefungen zu bilden.
Es wird eine spannungsoptimierte Verfestigungsprofilierung angestrebt. Vorzugsweise besitzt die Verfestigungsprofilierung im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche und ist spiegelsymmetrisch zu ihrer Mittellängsebene ausgestaltet. Die Verfestigungsprofilierung weist seitlich schräg verlaufende Flanken auf, die etwa unter einem Winkel von 45° zur ebenen Blechoberfläche verlaufen. Die Tiefe der Verfestigungsprofilierung beträgt maximal 0,5 mm. Das Verhältnis der Breite der Verfestigungsprofilierung zu ihrer Tiefe ist vorzugsweise zwischen 3:1 und 6:1 bemessen, insbesondere wird ein Verhältnis von 5:1 als vorteilhaft angesehen.
Zwei eigenständige Lösungen des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe zeigen die Ansprüche 6 und 7 auf.
Gemäß Anspruch 6 ist vorgesehen, dass die Verfestigungsprofilierung an der ebenen Metallplatine vor der Umformung zum Rohr erzeugt wird, und zwar in den Bereichen der späteren Bogenabschnitte. Diese Vorgehensweise gewährleistet eine große Prozessfreiheit sowie -stabilität und ist kostengünstig. Auf diese Weise ist eine große Prägefreiheit gewährleistet, da lediglich ebene Metallplatinen und keine komplexen Geometrien im Raum bearbeitet werden müssen.
Grundsätzlich kann die Verfestigungsprofilierung aber auch nach der Rohrfertigung am Rohr mit geeigneten Werkzeugen hergestellt werden, wie dies Anspruch 7 vorsieht. Hierbei wird das Rohr in den Bereichen der späteren Bogenabschnitte mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden und durch eine Materialverprägung gebildeten Verfestigungsprofilierung versehen.
Ein mit den Verfestigungsprofilierungen versehenes Rohr wird dann spanlos umgeformt und in seinem Mittelabschnitt zu einem U- bzw. V-förmigen Querschnittsprofil eingedrückt. Der Umformvorgang erfolgt so, dass die Verfestigungsprofilierungen beim fertigen Torsionsprofil an den Bogenabschnitten in den kritischen Zonen der Schenkel liegen.
Vorzugsweise wird die Verfestigungsprofilierung gemäß Anspruch 8 durch Druckwalzen hergestellt. Die Verprägung wird so ausgeführt, dass die Verfestigungsprofilierung seitlich schräg verlaufende Flanken aufweist, die etwa unter einem Winkel vom 45° zur Blechoberfläche verlaufen.
Die Verfestigungsprofilierung kann durch eine Längsrille oder mehrere nebeneinander angeordnete Längsrillen erzeugt werden (Anspruch 9).
Gemäß Anspruch 10 wird die Verfestigungsprofilierung in Form von aneinander gereihten Vertiefungen hergestellt.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:
1 den Prozess zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Torsionsprofils in mehreren Schritten;
2 in vergrößerter Darstellungsweise einen vertikalen Querschnitt durch eine Verfestigungsprofilierung und
3 verschiedene Ausführungsformen von Verfestigungsprofilierungen, schematisch dargestellt an einer Metallplatine.
1 zeigt die Herstellung eines Torsionsprofils 1 für eine nicht näher dargestellte Verbundlenkerachse eines Kraftfahrzeugs. Das Torsionsprofil 1 verbindet die beiden seitlichen Längslenker der Verbundlenkerachse.
Zunächst wird eine Metallplatine 2 in einer Walzvorrichtung 3 mittels Druckrollen 4 in Längsrichtung mit einer Verfestigungsprofilierung 5 in Form von Längsrillen 6, 7 versehen (1a) und 1b)). Die Längsrillen 6, 7 werden durch eine Materialverprägung an der ebenen Metallplatine 2 erzeugt und erstrecken sich mit Abstand a entlang der Längskanten 8, 9 der Metallplatine 2.
Anschließend wird die Metallplatine 2 zu einem Rohr 10 eingerollt und längsnahtverschweißt (1c) und d)). Die Umformung erfolgt so, dass die Verfestigungsprofilierung 5 bzw. die Längsrillen 6, 7 auf der Innenseite 11 des Rohrs 10 liegen.
Hiernach wird das Rohr 10 spanlos zum Torsionsprofil 1 umgeformt, indem es mittels eines Schwertstempels in seinem Mittelabschnitt 12 eingedrückt und zu einem V-förmigen Querschnittsprofil unter Beibehaltung von runden Rohrenden 13, 14 umgeformt wird. Der V-förmige Mittelabschnitt 12 weist zwei Schenkel 15, 16 mit einem gemeinsamen Scheitel 17 auf. Jeder Schenkel 15, 16 besitzt eine Innenwand 18 und eine Außenwand 19, die einander kontaktieren. An den freien Enden 20 der Schenkel 15, 16 gehen die Innenwand 18 und die Außenwand 19 über schlaufenartige Bogenabschnitte 21 unter Ausbildung eines Längskanals 22 ineinander über.
Das Rohr 10 wird in den Bereichen der Bogenabschnitte 21 beim Umformvorgang mit abwechselnder bzw. sich überlagernder Zug-/Druckspannung belastet, so dass hier eine ungünstige Abstreckung im Material entstehen kann. Der kritische Bereich ist in der 1f) mit Z gekennzeichnet. Hier besteht eine hohe Rissanfälligkeit beim fertigen Torsionsprofil 1. Der Rissanfälligkeit wird durch eine Materialverfestigung in Form der Verfestigungsprofilierung 5 entgegengewirkt. Die Umformung des Rohrs 10 zum Torsionsprofil erfolgt in einer solchen Art und Weise, dass die vorher in das Material eingeprägten Längsrillen 6, 7 im kritischen Bereich Z der Bogenabschnitte 21 liegen. Kritische Bereiche liegen insbesondere in den Bogenabschnitten 21 innenseitig der Schenkel 15, 16 am Übergang bzw. vor den Innenwänden 18 auf.
2 zeigt den Ausschnitt Z der 1f) in vergrößerter Darstellung. Die durch eine Längsrille 6 gebildete Verfestigungsprofilierung 5 liegt auf der Innenseite 23 der Bogenabschnitte 21 auf der Seite des von dem Bogenabschnitt 21 umschlossenen Längskanal 22. Die Längsrille 7 ist genauso ausgebildet wie Längsrille 6.
Wie anhand der 2 zu erkennen ist, weist die Verfestigungsprofilierung 5 im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche auf und ist bezogen auf ihre Mittellängsebene MLE symmetrisch ausgestaltet. Das Verhältnis der Breite b einer Längsrille 6 zur Tiefe t 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. Die Blechdicke ist in der 2 mit s bezeichnet.
Die Kontur einer Längsrille 6 wird durch einen aus Dreiecken ermittelten Polygonzug gebildet, wobei die Knicke zwischen den Punkten I, II, III, IV jeweils ausgerundet werden. Die Breite des Mittelbereichs c im so genannten Rillenbett kann je nach Anwendungsfall variieren.
Eine spannungsoptimierte Rillenkontur ergibt sich, wenn die Oberfläche der Längsrille 6 durch die Koordinate t/2; t/2 verläuft. Hierbei bildet jeweils eine Längskante 24 der Längsrille 6 am Übergang zur Innenseite 23 den Koordinatenursprung in einem kartesischen Koordinatensystem, wobei die positive Abszisse (x-Achse) in Richtung zur Mitte der Längsrille 6 sowie die positive Ordinate (y-Achse) in Richtung zur Tiefe t der Längsrille 6 orientiert ist.
Die seitlichen Flanken 25 der Längsrille 6 verlaufen schräg und dringen unter einem Winkel α von ca. 45° in die Blechoberfläche ein.
3 zeigt drei Alternativen der Ausbildung einer Verfestigungsprofilierung.
Die durch B gekennzeichnete Verfestigungsprofilierung entspricht der zuvor beschriebenen. Sie besteht aus einer durch eine Materialverprägung gebildeten Längsrille 6 bzw. 7, die sich in Längsrichtung eines Torsionsprofils 1 erstreckt.
Bei der Verfestigungsprofilierung A sind mehrere (Mikro-)Längsrillen 26, 27 in Reihe nebeneinander angeordnet. Die Rillenkontur entspricht derjenigen von Längsrille 6 gemäß 2.
Bei der Verfestigungsprofilierung C sind eine Anzahl von kugelabschnittsförmigen Vertiefungen 28, 29 in die Metallplatine 2 eingeprägt. Die Vertiefungen 28, 29 weisen sowohl in Längs- als auch in Querrichtung eine der 2 entsprechende Querschnittskontur auf. Die Verfestigungsprofilierung C erstreckt sich über die gesamte Länge der Metallplatine bzw. eines Torsionsprofils 1. Dies ist in der 3 durch den Pfeil P angedeutet.
Die beschriebenen Verfestigungsprofilierungen 5 bzw. A, B, C im kritischen Bereich Z der Bogenabschnitte 21 eines Torsionsprofils 1 und die hierdurch erzeugte, gezielte partielle Materialverfestigung der rissanfälligen Bereiche in den Bogenabschnitten 21 mit dem Aufbau von Druckeigenspannungen, schaffen ein Torsionsprofil 1 mit deutlich gesteigerter Lebenserwartung, welches sowohl statisch als auch dynamisch hochbelastbar ist.

1: Torsionsprofil
2: Metallplatine
3: Walzvorrichtung
4: Druckrolle
5: Verfestigungsprofilierung
6: Längsrille
7: Längsrille
8: Längskante
9: Längskante
10: Rohr
11: Innenseite v. 10
12: Mittelabschnitt
13: Rohrende
14: Rohrende
15: Schenkel
16: Schenkel
17: Scheitel
18: Innenwand
19: Außenwand
20: freies Ende v. 15, 16
21: Bogenabschnitt
22: Längskanal
23: Innenseite
24: Längskante
25: Flanke v. 6, 7
26: Längsrille
27: Längsrille
28: Vertiefung
29: Vertiefung
a: Abstand
b: Breite v. 6, 7
c: Mittelpunkt
P: Pfeil
s: Blechdicke
t: Tiefe v. 6, 7
α: Winkel

Claims

Verbundlenkerachse für Kraftfahrzeuge, welche zwei durch ein Torsionsprofil (1) verbundene Längslenker aufweist, wobei das Torsionsprofil (1) auf dem wesentlichen Teil seiner Länge einen U- oder V-förmigen Querschnitt mit zwei Schenkeln (15, 16) aufweist, wobei jeder Schenkel (15, 16) eine Innenwand (18) und eine Außenwand (19) besitzt, welche am freien Ende (20) des Schenkels (15, 16) über einen Bogenabschnitt (21) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass an jedem Bogenabschnitt (21) eine sich in Längsrichtung des Torsionsprofils (1) erstreckende und durch Materialverprägung gebildete Verfestigungsprofilierung (5; A; B; C) vorgesehen ist.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (5; A, B, C) innenseitig der Bogenabschnitte (21) vorgesehen ist.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (5; A; B) durch zumindest eine Längsrille (6, 7; 26, 27) gebildet ist.
Verbundlenkerachse nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (C) durch aneinander gereihte Vertiefungen (28, 29) gebildet ist.
Verbundlenkerachse nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (5; A, B, C) im vertikalen Querschnitt eine konkav ausgeformte Oberfläche besitzt.
Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils (1) für eine Verbundlenkerachse, wobei eine Metallplatine (2) zu einem Rohr (10) umgeformt und gefügt wird, wonach das Rohr (10) in seinem Mittelabschnitt (12) eingedrückt und zu einem U- oder V-förmigen Querschnittsprofil mit zwei Schenkeln (15, 16) umgeformt wird, wobei jeder Schenkel (15, 16) eine Innenwand (18) und eine Außenwand (19) besitzt, welche am freien Ende (20) des Schenkels (15, 16) über einen Bogenabschnitt (21) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallplatine (2) vor der Umformung zum Rohr (10) in den Bereichen der späteren Bogenabschnitte (21) mit einer sich in Längsrichtung der Metallplatine (2) erstreckenden und durch Materialverprägung gebildeten Verfestigungsprofilierung (5; A; B; C) versehen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Torsionsprofils für eine Verbundlenkerachse, wobei eine Metallplatine (2) zu einem Rohr (10) umgeformt und gefügt wird, wonach das Rohr (10) in seinem Mittelabschnitt (12) eingedrückt und zu einem U- oder V-förmigen Querschnittsprofil mit zwei Schenkeln (15, 16) umgeformt wird, wobei jeder Schenkel (15, 16) eine Innenwand (18) und eine Außenwand (19) besitzt, welche am freien Ende (20) des Schenkels (15, 16) über einen Bogenabschnitt (21) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (10) in den Bereichen der späteren Bogenabschnitte (21) mit einer sich in Längsrichtung erstreckenden und durch Materialverprägung gebildeten Verfestigungsprofilierung (5; A; B; C) versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (5; A; B; C) durch Druckwalzen hergestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (5; A; B) in Form von zumindest einer Längsrille (6, 7; 26, 27) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verfestigungsprofilierung (C) in Form von aneinander gereihten Vertiefungen (28, 29) erzeugt wird.