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Die
Erfindung betrifft ein Tragstrukturbauteil für einen Kraftwagen nach dem
Oberbegriff von Patentanspruch 1, sowie ein Verfahren zum Anbinden eines
Tragstrukturbauteils in ein kraftwagenkarosserieseitiges Bauteil.
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Solche
Tragstrukturbauteile – beispielsweise Cockpit-
oder Frontendquerträger – sind dem
Stand der Technik als allgemein bekannt zu entnehmen. Die Anbindung
von Tragstrukturbauteilen an den Karosserierahmen erfolgt in der
Regel durch Verschweißen des
Tragstrukturbauteils mit einem kraftwagenkarosserieseitigen Bauteil
unter Zuhilfenahme eines Zusatzblechs. Dieses ist oftmals als Flanschblech
am Tragstrukturbauteil ausgebildet. Anstelle von Zusatzblechen können auch
Montagekonsolen verwendet werden. Durch den Wärmeeintrag beim Schweißen und
die unvermeidliche Schweißnahtschrumpfung kommt
es bei einer derartigen Bauweise jedoch zu Verzügen, welche es nicht immer
gestatten, die optimalen Toleranzen zu erreichen. Weiterhin erhöhen die
verwendeten Zusatzbleche die Gesamtzahl der Bauteile der Kraftwagenkarosserie
und erschweren daher eine Leichtbauweise. Weiterhin kann bei einem
Unfall die Kraft vom Karosserierahmen nicht direkt in das Tragstrukturbauteil
eingeleitet werden, sondern fließt über die genannten Montagebleche oder
Montagekonsolen, welche Schwachpunkte im Kraftfluss bei einem Unfall
darstellen und daher besonders versagensgefährdet sind.
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Es
ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tragstrukturbauteil
nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiter zu entwickeln,
dass eine vereinfachte Anbindung an kraftwagenkarosserieseitige
Bauteile ermöglicht
wird, der Kraftfluss im Falle eines Unfalls verbessert wird und
Gewicht eingespart wird. Es ist weiterhin Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, ein Verfahren zum Anbinden eines solchen Tragstrukturbauteils
bereitzustellen, welches eine toleranzarme und prozesssichere Anbindung des
Tragstrukturbauteils an ein kraftwagenkarosserieseitiges Bauteil
ermöglicht.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Tragstrukturbauteil mit den Merkmalen des
Patentanspruchs 1, sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs
9, gelöst.
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Ein
solches Tragstrukturbauteil für
einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen, ist zumindest
bereichsweise als Hohlprofil ausgebildet und umfasst wenigstens
einen Anbindungsbereich zur Befestigung an einem kraftwagenkarosserieseitigen
Bauteil, beispielsweise im Falle eines Cockpitquerträgers an
einer A-Säule
und/oder einer Kotflügelbank.
Erfindungsgemäß ist in
einer Mantelwand des Tragstrukturbauteils im Anbindungsbereich wenigstens
eine Lochung vorgesehen. Dies ermöglicht eine einfache formschlüssige Verbindung
des Tragstrukturbauteils mit dem kraftwagenkarosserieseitigen Bauteil,
ohne dass eine Verschweißung
oder Zusatzbleche notwendig sind. Damit kann eine toleranzärmere, leichtere
und stabilere Konstruktion geschaffen werden.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist in der Mantelwand des Tragstrukturbauteils im Anbindungsbereich
eine zweite Lochung vorgesehen, welche der ersten Lochung gegenüber liegt.
Dies ermöglicht
eine besonders einfache Anbindung, indem ein Anbindungselement die
beiden Lochungen durchgreifen kann. Bevorzugt weisen die erste und
die zweite Lochung unterschiedliche Geometrien auf, wobei bevorzugterweise
die erste Lochung als Rundloch und die zweite Lochung als Mehrkantloch,
insbesondere als Vierkantloch, ausgebildet ist. Die Lochungen können dabei
auf besonders einfache Weise nach Formen des Tragstrukturbauteils
durch einen Innenhochdruckumformprozess durch Stanzen in den Querträger eingebracht
werden.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
ist in einem Innenraum des Tragstrukturbauteils ein Aufnahmeelement
im Bereich der Lochung angeordnet. Dies dient der stabilen Aufnahme
von Anbindungselementen des kraftwagenkarosserieseitigen Bauteils.
Bevorzugterweise ist dieses Aufnahmeelement als selbststanzendes
Bauteil ausgebildet, wobei es sich entweder um eine Gewindebuchse,
eine Mutter oder eine selbstspannende Gewindebuchse handeln kann.
Dies ermöglicht
eine besonders einfache, formschlüssige Anbindung des Tragstrukturbauteils
an weitere karosserieseitige Bauteile durch Schraubverbindungen.
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Die
Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zum Anbinden eines Tragstrukturbauteils
eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens, an ein
kraftwagenkarosserieseitiges Bauteil. Hierbei wird zunächst ein
Tragstrukturbauteil bereitgestellt, welches zumindest teilweise
als Hohlprofil ausgebildet ist und zumindest einen Anbindungsbereich
aufweist. Im folgenden Verfahrensschritt wird wenigstens eine Lochung
in eine Mantelwand im Anbindungsbereich des Tragstrukturbauteils
eingebracht. Abschließend
wird das Tragstrukturbauteil mit dem kraftwagenkarosserieseitigen
Bauteil verbunden, wozu wenigstens ein Verbindungselement verwendet wird,
welches die wenigstens eine Lochung durchsetzt. Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren
kann somit auf die Verwendung von Zusatzblechen und Schweißverbindungen
verzichtet werden, was eine besonders toleranzarme Anbindung des
Tragstrukturbauteils an das kraftwagenkarosserieseitige Bauteil
ermöglicht.
Bei dem kraftwagenkarosserieseitigen Bauteil kann es sich beispielsweise
um eine A-Säule
oder eine Kotflügelbank
des Kraftwagens handeln. Der Verzicht auf zusätzliche Verbindungsbleche,
welche bei einer Schweißverbindung
notwendig sind, trägt
zudem zur Gewichtseinsparung bei und reduziert somit auch Verbrauchs-
und Emissionswerte des Kraftwagens mit einem derartig angebundenen
Tragstrukturbauteil. Weiterhin wird durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Verfahrens
eine Anbindung des Tragstrukturbauteils bereitgestellt, welche eine
verbesserte Krafteinleitung im Falle eines Unfalls ermöglicht und
somit auch die Sicherheit des Kraftwagens verbessert.
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Bevorzugt
werden im zweiten Verfahrensschritt zwei sich gegenüberliegende
Lochungen in die Mantelwand des Tragstrukturbauteils eingebracht.
Diese weisen bevorzugt unterschiedliche Geometrien auf. Das Einbringen
zweier Lochungen ermöglicht
die Verwendung von Verbindungselementen, die das Tragstrukturbauteil
vollständig
durchsetzen, so dass die Anbindung weiter stabilisiert und die Krafteinleitung
im Falle eines Seitenaufpralls zusätzlich verbessert wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung wird zum Einbringen der Lochung in die Mantelwand
des Tragstrukturbauteils zunächst
eine Matrize mit einer Durchgangsöffnung in einen Innenraum des
Tragstrukturbauteils eingebracht. Die Matrize weist eine Durchgangsöffnung auf,
welche zwei Bereiche aufweist, die jeweils die Geometrie der ersten
bzw. der zweiten zu erzeugenden Lochung besitzen. Beispielsweise
kann es sich hierbei um einen hohlzylindrischen Abschnitt handeln,
der über
eine Stufe in ein Mehrkantloch, vorzugsweise ein Vierkantloch, übergeht.
Auf einer Seite des Tragstrukturbauteils kann weiterhin ein Gegenhalter
positioniert werden, um Matrize und Tragstrukturbauteil während des
folgenden Stanzens der Durchgangsöffnung stabil zu halten und
Verformungen der Mantelwand zu unterbinden. Der Gegenhalter weist
dabei in bevorzugter Weise ebenfalls eine Lochung auf, die die gleiche
Geometrie wie die in der Mantelwand, an welcher der Gegenhalter
anliegt, zu erzeugende Lochung besitzt. In weiterer Ausgestaltung
der Erfindung wird nun in einem weiteren Verfahrensschritt die Lochung durch
einen Stanzstempel erzeugt, welcher von der Matrize geführt wird.
Um die beiden geometrisch verschiedenen Lochungen zu erzeugen, weist
der Stanzstempel einen ersten Bereich auf, der die gleiche Geometrie
besitzt wie die erste zu erzeugende Lochung, sowie einen zweiten
Bereich, der die gleiche Geometrie besitzt, wie die zweite zu erzeugende Lochung.
Die jeweiligen Bereiche enden in einer Schneidkante, durch die die
tatsächliche
Lochung erzeugt wird.
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Für das oben
genannte Beispiel wird hierzu ein Stanzstempel verwendet, welcher
einen ersten, zylindrischen Bereich mit einer zylindrischen Schneidkante
aufweist, welcher in einen Mehrkantabschnitt, bevorzugt einen Vierkantabschnitt
mit einer vierkantigen Schneidkante übergeht. Durch die Abwärtsbewegung
des Stempels wird zunächst
in die erste Mantelfläche
ein Mehrkantloch gestanzt. Bei weiterer Abwärtsbewegung des Stempels wird
dieser von der Matrize aufgenommen und geführt, bis die zweite Schneidkante,
nämlich
diejenige des zylindrischen Abschnitts, die erste Mantelwandung
des Tragstrukturbauteils erreicht. Die zweite Schneidkante besitzt
einen größeren Radius
als die erste Schneidkante und erweitert daher das bereits eingebrachte
Mehrkantloch zu einem Rundloch. Bei weiterer Abwärtsbewegung des Stempels erreicht
die mehrkantige Schneidkante des ersten Bereichs die gegenüberliegende
Mantelwandung des Tragstrukturbauteils und bringt schließlich ein
Mehrkantloch in diese ein, bis der Stempel schließlich vom
Gegenhalter aufgehalten wird. So kann auf einfachste Weise eine
Doppellochung mit zwei unterschiedlichen Lochgeometrien erzeugt
werden, ohne dass hierzu eine Neupositionierung des Werkstückes oder
die Verwendung zweier verschiedener Werkzeuge notwendig wäre.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird ein Verbindungselement
verwendet, welches einen ersten Bereich, welcher zur Geometrie der
ersten Lochung komplementär
ist, und einen zweiten Bereich, welcher zur Geometrie der zweiten Lochung
komplementär
ist, aufweist. Dies garantiert auf einfachste Weise eine seitenrichtige
Anbindung des Tragstrukturbauteils.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der Erfindung wird in einem zusätzlichen
Verfahrensschritt ein Aufnahmeelement in einem Innenraum des Tragstrukturbauteils
im Bereich der Lochung eingebracht. Dieses ist bevorzugt als Gewindebuchse, selbstspannende
Gewindebuchse, Stanzmutter, Schweißmutter oder dergleichen ausgebildet.
Dies ermöglicht
die einfache Verbindung des Tragstrukturbauteils mit dem kraftwagenkarosserieseitigen
Bauteil über
ein Verbindungselement, welches ein komplementäres Gewinde zum Aufnahmeelement
aufweist. Die Verbindung erfolgt damit auf einfachste Weise durch
Verschrauben. Neben den allgemeinen Vorteilen des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird so eine reversible Verbindung zwischen Tragstrukturbauteil
und kraftwagenkarosserieseitigem Bauteil gewährleistet, so dass im Falle
von Beschädigungen, beispielsweise
nach einem Unfall, die Verbindung problemlos gelöst und beschädigte Bauteile
ausgetauscht werden können.
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Es
ist hierbei möglich,
das Aufnahmeelement als selbstschneidendes bzw. selbststanzendes Element
auszubilden, so dass auf ein separates Stanzen der Lochung verzichtet
werden kann. Das Aufnahmeelement kann weiterhin bereits während eines
vorhergehenden Innenhochdruckumformprozesses zur Profilgestaltung
des Cockpitquerträgers eingebracht
werden. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das Aufnahmeelement
als selbststanzendes Aufnahmeelement ausgebildet ist, so dass es
im Rahmen des Innenhochdruckumformens durch Hydrostanznieten oder
dergleichen eingebracht werden kann. Damit entfallen ein separater
Arbeitsschritt sowie die Verwendung zusätzlicher Werkzeuge, was das
Verfahren noch schneller und kostengünstiger macht. Bei der Verwendung
selbstschneidender oder selbststanzender Aufnahmeelemente muss anschließend noch
der Stanzrest entfernt werden. Eine zusätzliche Lagesicherung des Aufnahmeelementes kann
durch mechanisches Umbördeln
des Aufnahmeelementes gewährleistet
werden.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen
näher erläutert werden.
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Dabei
zeigen:
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1A–1F Einzelschritte eines Verfahrens zum
Herstellen einer doppelten Lochung mit unterschiedlicher Lochgeometrie
für ein
Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Tragstrukturbauteils;
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2A–2D Verfahrensschritte der Herstellung eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Tragstrukturbauteils
mit Gewindebuchse;
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3A–3D Verfahrensschritte der Herstellung eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Tragstrukturbauteils
mit selbstspannender Gewindebuchse;
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4A–4C Verfahrensschritte der Herstellung eines
Ausführungsbeispiels
eines erfindungsgemäßen Tragstrukturbauteils
mit Einnietmutter;
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In
allen gezeigten Ausführungsbeispielen
ist das Tragstrukturteil als Cockpitquerträger ausgebildet. Selbstverständlich können auch
andere Kraftwagenstrukturen wie beispielsweise Frontendquerträger oder
dergleichen erfindungsgemäß ausgebildet sein.
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Ein
in 1A gezeigtes Tragstrukturbauteil, im
Ausführungsbeispiel
ein Cockpitquerträger 10 für eine Kraftwagenkarosserie,
ist als Innenhochdruckumformteil ausgebildet. Zusätzlich kann
das IHU-umgeformte Hohlprofil des Cockpitquerträgers 10 bereichsweise
mit Kunststoff umspritzt sein, um so Konsolen, Halter, Versteifungsrippen
und Flansche für
Anbauteile bereitzustellen. Der Endbereich 12 des Cockpitquerträgers 10 dient
der Anbindung an ein weiteres Karosserieteil, beispielsweise eine A-Säule oder
eine Kotflügelbank
der Kraftwagenkarosserie. In dem in 1A gezeigten
Zustand ist der Cockpitquerträger 10 noch
nicht für
diese Anbindung vorbereitet. Die Anbindung des Cockpitquerträgers 10 erfolgt über eine
Lochung in der Mantelfläche 14 des
Cockpitquerträgers 10.
In 1 wird gezeigt, wie diese Lochung durch ein Stanzverfahren
hergestellt werden kann. Hierzu wird ein Gegenhalter 16 unterhalb
des Cockpitquerträgers 10 positioniert.
Der Gegenhalter 16 ist plattenförmig und weist eine Vierkantlochung 18 auf.
In den Hohlraum 20 des Cockpitquerträgers 10 wird eine
Matrize 22 eingeschoben. Die Matrize 22 umfasst
ebenfalls eine Lochung 24, welche im unteren Bereich der
Matrize 22 als Vierkantlochung 26 und im oberen
Bereich als Rundlochung 28 ausgebildet ist. Nachdem, wie
in 1B gezeigt, die Matrize 22 in den Hohlraum 20 des
Cockpitquerträgers 10 eingeschoben
ist, wird, wie in 1C dargestellt,
ein abgesetzter Stanzstempel 30 angesetzt. Der Stanzstempel 30 umfasst
zwei Schneidbereiche, wobei der erste Schneidbereich 32 vierkantig
und der zweite Schneidbereich 34 rund ausgebildet ist.
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Zunächst wird
durch den Stanzstempel 30 mittels des ersten Schneidbereichs 32 ein
Vierkantloch in die obere Fläche 36 der
Mantelwand 14 gestanzt. Bei weiterem Vorschieben des Stanzstempels 30 wird
durch den ersten Schneidbereich 32 ein Vierkantloch durch
die untere Oberfläche 38 der
Mantelwand 14 gestanzt, während der zweite Schneidbereich 34 ein
Rundloch in die obere Fläche 36 der Mantelwand 14 einbringt.
Der Stanzstempel 30 wird dabei durch die Matrize 22 geführt. Nach
Entfernen von Stanzstempel 30, Matrize 22 und
Gegenhalter 16 verbleibt, wie in 1 F zu erkennen,
ein Cockpitquerträger 10,
in dessen Mantelwand 14 im Endbereich 12, welcher
zur Anbindung an die A-Säule
bzw. die Kotflügelbank
dient, eine doppelte Lochung eingebracht ist. Auf der Oberseite 36 des
Cockpitquerträgers 10 ist
ein Rundloch 40 in die Mantelwand 14 gestanzt,
auf der unteren Oberfläche 38 der
Mantelwand 14 ein Vierkantloch 42.
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2 zeigt
die Herstellung einer alternativen Ausführungsform des Cockpitquerträgers 10.
Hierzu wird eine selbstschneidende Gewindebuchse 43 verwendet,
welche in 2A dargestellt ist. Die
Gewindebuchse weist zwei Schneidkanten 44 auf, welche geeignet
sind, jeweils ein Rundloch in die Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 zu
stanzen. Die Gewindebuchse 43 weist einen inneren Hohlraum 46 auf,
welcher die Gewindebuchse 43 über die ganze Länge durchzieht
und mit einem in der Fig. nicht sichtbaren Innengewinde versehen
ist. Zur Herstellung des Anbindungsbereichs des Cockpitquerträgers 10 wird
die selbststanzende Gewindebuchse 43 zunächst in
den Hohlraum 20 des Cockpitquerträgers 10 eingeschoben,
so dass sie im Endbereich 12 zu liegen kommt. Der Hohlraum 20 wird
durch Pressen des Endbereichs 12 in Richtung der Pfeile 48 verkleinert,
so dass die Schneidbereiche 44 der selbststanzenden Gewindebuchse 43 durch
die Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 schneiden.
Wie in 2C dargestellt, wird im folgenden
Bearbeitungsschritt ein Werkzeug 50 eingesetzt, um Stanzreste
an den so entstandenen Öffnungen 52 in
der Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 zu entfernen
und die Schneidkanten der Buchse 43 mechanisch zu umbördeln. Die
Buchse 43 ist somit fest im Innenraum 20 des Cockpitquerträgers 10 verklemmt
und kann über
die Öffnung 52 eine
Schraube aufnehmen, welche den Cockpitquerträger 10 mit weiteren
Karosseriebauteilen verbindet. Der fertige Zustand des so gebildeten
Cockpitquerträgers 10 ist
in 2D gezeigt.
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3 zeigt
die Herstellung einer weiteren alternativen Ausführungsform des Cockpitquerträgers 10,
welche als Verbindungselement eine selbstspannende Gewindebuchse 54 benutzt.
In die Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 werden bereits während des
Innenhochdruckumformens durch IHU-Stanzen Löcher 56 eingebracht,
welche sich auf gegenüberliegenden
Flächen 36, 38 der
Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 befinden.
In den Hohlraum 20 des Cockpitquerträgers 10 wird die selbstspannende
Gewindebuchse 54 eingeschoben, so dass deren Mittenbohrung 58 in Überdeckung
mit den Löchern 56 in
Mantelwand 14 zu liegen kommt, wie in 3B dargestellt.
Die selbstspannende Gewindebuchse 54 umfasst ein Oberteil 60 und
ein Unterteil 62. Wird eine Schraube 64 in den
zentralen Hohlraum 58 der selbstspannenden Gewindebuchse 54 durch
die Löcher 56 der
Mantelfläche 14 des Cockpitquerträgers 10 eingeschraubt,
so bewegen sich Oberteil 60 und Unterteil 62 unter
Federvorspannung auseinander, so dass sie die Gewindebuchse, wie
in 3D gezeigt, gegen die Innenflächen des Hohlraums 20 des
Cockpitquerträgers 10 fest
verspannen.
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4 zeigt
eine weitere alternative Ausführungsform
eines Cockpitquerträgers 10.
Auch hier wird beim Innenhochdruckumformen des Cockpitquerträgers 10 durch
IHU-Stanzen ein Loch 52 in die Mantelwand 14 auf
deren Oberfläche 36 eingebracht. Die
untere Fläche 38 der
Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 bleibt hier
jedoch ungelocht. Eine selbststanzende Mutter 66 mit einem
Innengewinde 68 und einer Schneidkante 70 wird
durch das Loch 52 in den Hohlraum 20 des Cockpitquerträgers 10 eingebracht,
wie in 4B dargestellt. Durch einen nicht
gezeigten Stempel wird Druck in Richtung des Pfeils 72 auf
die selbststanzende Mutter 66 ausgeübt, so dass die Schneidkante 70 durch
die untere Fläche 38 der
Mantelwand 14 des Cockpitquerträgers 10 schneidet
und dort eine weitere Öffnung
erzeugt. Wie in 4C dargestellt, wird
in der Folge durch ein weiteres Zusatzwerkzeug 74 die Schneidkante 70 der
selbststanzenden Mutter 66 umbördelt und gleichzeitig Stanzreste
entfernt, wodurch die Mutter 66 fest im Innenraum 20 des
Endbereichs 12 des Cockpitquerträgers 10 festgelegt
ist und über eine
Schraube die Befestigung des Cockpitquerträgers 10 an einem benachbarten
Bauteil erlaubt.