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Die Erfindung betrifft einen Längsträger für ein Nutzfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und Verfahren zur Herstellung eines solchen Längsträgers gemäß den Ansprüchen 7 und 8.
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Tragstrukturen von Nutzfahrzeugen weisen üblicherweise Tragrahmen auf. Sie dienen unter anderem der Befestigung und Abstürzung von Triebstrang- und Fahrgestellkomponenten, Fahrzeugaufbauten, Traglastbehältern und Betriebsstofftanks. Eine der bekanntesten Bauformen bei Nutzfahrtzeugtragrahmen ist insbesondere im Schwerlastverkehr der Leiterrahmen, der im Wesentlichen aus zwei Längsträgern besteht, die in der Regel durch Querstreben verbunden sind. Zunehmend wird der Leiterrahmen durch komplexere Rahmenstrukturen abgelöst. Bei deren Konstruktion steht eine belastungsgerechte Auslegung im Vordergrund. Bei gleichzeitiger Gewichts- und Kostenoptimierung wird eine höchstmögliche Zuverlässigkeit der Rahmenstrukturen angestrebt.
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Aus dem Stand der Technik sind Stahl-Längsträger mit einem Obergurt und einem Untergurt mit gleicher und konstanter Wandstärke sowie mit einem Stegblech mit demgegenüber geringerer, ebenfalls konstanter Wandstärke bekannt. Obergurt, Untergurt und Stegblech bilden zusammen ein U-Profil. Sie bestehen jeweils aus einem Flachmaterial konstanter Wandstärke. Die Gurte sind über Schweißnähte mit den Schmalseiten des Stegblechs verbunden. In Einbaulage erstrecken sich der Ober- und der Untergurt jeweils als Profilflanke in Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerrichtung und das Stegblech als Profilboden in Fahrzeughoch- und Fahrzeuglängsrichtung. Die Wanddickenverteilung wurde mit dem Ziel gewählt, einen möglichst leichten und in Fahrzeughochrichtung besonders biegesteifen Längsträger zu schaffen. Um Rissbildungen bei Dauerwechsellasten im Fahrbetrieb auszuschließen, müssen die Wandstärken aber derart gestalteten Längsträgern im Bereich der Schweißnähte groß gewählt werden, was einer angestrebten Gewichtsoptimierung entgegenwirkt.
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Zum weiteren technischen Hintergrund: Aus der
DE 20 2004 018 858 U1 ist ein Aluminiumlängsträger für ein Nutzfahrzeug bekannt. Der vorschlagsgemäße Aluminiumlängsträger ist als Doppel-T-Träger ausgelegt. Er umfasst einen Obergurt, einen Untergurt und ein Stegblech, welches den Ober- und den Untergurt miteinander verbindet. Bereiche des Ober- und des Untergurtes weisen im Vergleich zum Stegblech eine größere Wanddicke auf. Diese Wanddickenverteilung wurde gewählt, um dem Aluminiumlängsträger mit möglichst geringem Materialeinsatz eine möglichst hohe Biegesteifigkeit in Fahrzeughochrichtung zu verleihen. Der vorgeschlagene Doppel-T-Träger ist – unter anderem aufgrund des ungünstigen mit der Mittellängsachse des Trägers zusammenfallenden Schubmittelpunktes – für den Einsatz in Leiterrahmen oder ähnlich aufgebauten Tragstrukturen nicht optimal. Er ist ferner aufgrund seiner komplexen Profilgeometrie im Strangpressverfahren hergestellt. Dieses Verfahren bietet sich hier werkstoffbedingt an, ist aber für im Tragrahmenbau von Nutzfahrzeugen übliche Stahlkonstruktionen nicht geeignet.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Längsträger der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher im Hinblick auf besonders hohe Stabilität bei gleichzeitig niedrigem Gewicht weiter verbessert ist. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, mit dem ein solcher Längsträger besonders einfach herstellbar ist.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Längsträger mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Der Längsträger umfasst einen Obergurt, einen Untergurt und ein Stegblech, welche zusammen ein U-Profil bilden. In Einbaulage erstrecken sich der Ober- und der Untergurt jeweils als Profilflanke in Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerrichtung und das Stegblech als Profilboden in Fahrzeughoch- und Fahrzeuglängsrichtung. Das U-Profil weist im Profilquerschnitt betrachtet unterschiedliche Wandstärken auf. Der Obergurt und der Untergurt weisen an ihrer dem Stegblech zugewandten Schmalseite in etwa um 90 Grad abgewinkelte Krümmungsbereiche mit im Wesentlichen konstanter Wandstärke auf, welche sich jeweils stirnseitig an eine Schmalseite des Stegblechs anschließen. Das Stegblech hat eine gegenüber der Wandstärke des Ober- und des Untergurts zumindest bereichsweise verringerte Wandstärke. Diese erfindungsgemäße Gestaltung bewirkt ein im Hinblick auf in Fahrzeughochrichtung einwirkende Biegebelastungen optimiertes Flächenträgheitsmoment bei gleichzeitig niedrigem Gewicht des Längsträgers. Bei im Fahrbetrieb üblichen Biegebelastungen in Fahrzeughochrichtung wirken auf das Stegblech geringere Zug- und Druckbelastungen als auf den Ober- und den Untergurt, wobei die Belastungen in Richtung neutraler Faser mit zunehmendem Randfaserabstand abnehmen. Vorzugsweise ist das Stegblech deshalb aus mehreren, in ihrer Wandstärke den jeweils lokalen Belastungen angepassten Teilabschnitten – beispielsweise Bändern – aufgebaut, die an ihren Schmalseiten miteinander verbunden sind. Dabei weist das Stegblech im Bereich der neutralen Faser eine besonders geringe und in zum Ober- und Untergurt benachbarten Bereichen eine größere Wandstärke auf. Eine auf diese Weise lastoptimierte Materialverteilung des Stegblechs erlaubt eine besonders hohe Biegesteifigkeit des Längsträgers in Fahrzeughochrichtung bei gleichzeitig niedrigem Gewicht. Dies ist insbesondere im Hinblick auf einen möglichst niedrigen Kraftstoffverbrauch des Nutzfahrzeugs vorteilhaft.
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Eine vorteilhafte Ausführungsform des Längsträgers gemäß Anspruch 2 zeichnet sich dadurch aus, dass das Stegblech über Schweißnähte mit dem Obergurt und dem Untergurt verbunden ist, wobei die Schweißnähte zwischen dem Stegblech und den Krümmungsbereichen in Mittellängsrichtung des Längsträgers verlaufen. Bei dieser Ausgestaltung ist vorgesehen unterschiedliche Halbzeuge, wie beispielsweise Flachstähle und Winkelprofile zur Herstellung des Längsträgers durch Schweißen miteinander zu fügen. Die vorgeschlagene Anordnung ist auf eine möglichst niedrige Wechselbelastung der Schweißnähte hin ausgelegt. Im Hinblick auf im Fahrbetrieb hauptsächlich in Fahrzeughochrichtung in den Längsträger eingeleitete Biegebelastungen bilden die obere Flachseite des Obergurtes und die untere Flachseite des Untergurtes besonders stark auf Zug und Druck beanspruchte Randfaserbereiche. Bei dieser Ausführungsform vorgesehene Anordnung liegen die Schweißnähte – zur neutralen Faser hin verlagert – in einem Abstand zum jeweiligen Randfaserbereich. Der Abstand entspricht in etwa dem Krümmungsradius des Ober- oder Untergurts im Krümmungsbereich. Eine Zug- bzw. Druckbeanspruchung im Fahrbetrieb ist hier im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten, randfasernahen Schweißnähten reduziert. Dies verbessert die Dauerfestigkeit des Längsträgers im Fahrbetrieb maßgeblich.
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Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des Längsträgers gemäß Anspruch 3 sind die Krümmungsbereiche im Profilschnitt betrachtet in etwa viertelkreisringförmig ausgebildet. Der so ausgebildete Längsträger zeichnet sich durch eine besonders hohe Dauerfestigkeit im Hinblick auf in Fahrzeughochrichtung eingeleitete Biegewechselbeanspruchungen im Fahrbetrieb aus. Durch die im Profilschnitt gesehen viertelkreisringförmige Gestaltung der Krümmungsbereiche wird eine kraftflussoptimierte Verrundung zwischen Profiboden und Profilflanken erreicht. Spannungsspitzen sind durch diese Ausformung im Übergangsbereich zwischen Stegblech und Ober- beziehungsweise Untergurt minimierbar, was einer gleichmäßigen, optimierten Materialbelastung über den gesamten Profilquerschnitt des Längsträgers zugute kommt.
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Auch die über die Krümmungsbereiche konstante Wandstärke wirkt Spannungssprüngen entgegen. Durch dieses Gestaltungsmerkmal sind Ermüdungsrisse vermeidbar, wie sie von Profilen mit Wandstärkenänderungen in kritischen Eckbereichen bekannt sind.
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Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung des Längsträgers nach Anspruch 4 sind unterschiedliche Materialien vorgesehen. Die vorschlagsgemäße Gestaltung erlaubt beispielsweise eine Nutzung von Halbzeugen aus speziellen, den lokalen Belastungsprofilen angepassten Materialien oder Materialgüten für den Obergurt, den Untergurt und das Stegblech. Die Halbzeuge – beispielsweise Blechbänder – sind im Herstellungsprozess des Längsträgers vorzugsweise durch Schweißnähte zu Taylor-Blanks miteinander verbindbar.
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Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des Längsträgers nach Anspruch 5 ist vorgesehen, dass dieser zumindest abschnittsweise aus einem Stahlwerkstoff besteht. Der erfindungsgemäße Längsträger hat sich gerade im Hinblick auf im Nutzfahrzeugbau häufig eingesetzte Stahlwerkstoffe als vorteilhaft erwiesen, da er aufgrund seiner Gestaltung beispielsweise aus Walzstahlhalbzeugen mit hoher Oberflächenqualität und hoher Maßhaltigkeit herstellbar ist.
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Gemäß einer weiteren vorteilhafte Ausgestaltung des Längsträgers nach Anspruch 6 ist vorgesehen, dass das Stegblech mindestens einen Durchbruch aufweist. Durchbrüche am Stegblech ermöglichen eine form- und kraftschlüssige Befestigung von Fahrgestellkomponenten, Fahrzeugaufbauten und Anbauteilen. Sie dienen überdies der Gewichtsreduzierung und sind vorzugsweise in Bereichen niedriger Zug- und Druckwechselbelastungen angeordnet, wie beispielsweise in Bereichen nahe der neutralen Faser bezüglich in Fahrzeughochrichtung eingeleiteter Biegebelastungen.
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Zur Losung der Aufgabe wird ferner ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 7 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Längsträgers vorgeschlagen. Es ist vorgesehen, dass in einem ersten Walzvorgang die Wandstärke eines ebenen Blechbandes im Profilschnitt betrachtet zumindest bereichsweise von einer Ausgangswandstärke auf eine kleinere Endwandstärke reduziert wird. In einem zweiten Walzvorgang wird mindestens ein Randbereich des Blechbandes zu einer Flanke aufgestellt. Die für den erfindungsgemäßen Längsträger beschriebenen Vorteile ergeben sich sinngemäß auch für das vorgeschlagene Verfahren.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein weiteres Verfahren mit den Merkmalen gemäß Anspruch 8 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Längsträgers angegeben. Diesem gemäß werden in einem ersten Schritt ein erstes ebenes Blechband und ein zweites ebenes Blechband mit unterschiedlichen Wandstärken an jeweils einem ihrer Seitenränder durch Schweißen zu einem dritten ebenen Blechband miteinander verbunden. In einem Folgeschritt wird durch einen Walzvorgang mindestens ein seitlicher Randbereich des dritten Blechbandes zu einer Flanke aufgestellt. Die für den erfindungsgemäßen Längsträger beschriebenen Vorteile ergeben sich sinngemäß auch für dieses Verfahren.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Längsträgers sowie weitere vorteilhafte Herstellungsverfahren ergeben sich aus Kombinationen der aus den Unteransprüchen, der Zeichnung sowie der zugehörigen Figurenbeschreibung hervorgehenden Merkmale.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 in perspektivischer Ansicht einen Endbereich eines erfindungsgemäßen Längsträgers,
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2 einen Detailausschnitt des in 1 dargestellten Längsträgers in perspektivischer Darstellung,
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3 eine Prinzipdarstellung eines Blechbandes als Halbzeug zur Herstellung des Längsträgers gemäß 1 und
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4 eine Prinzipdarstellung eines weiteren Blechbandes und einer Walzeinrichtung während eines Walzvorgangs zur Herstellung eines zweiten erfindungsgemäßen Längsträgers.
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1 zeigt als in perspektivischer Ansicht einen Endbereich eines erfindungsgemäßen Längsträgers 2 eines nicht dargestellten Nutzfahrzeugs. Im dargestellten Koordinatensystem zeigt die x-Richtung in Fahrzeuglängsrichtung des Nutzfahrzeugs, die y-Richtung zeigt in Fahrzeugquerrichtung und die z-Richtung weist in Fahrzeughochrichtung. Der Längsträger 2 umfasst einen Obergurt 4, einen Untergurt 6 und ein Stegblech 8, welche zusammen ein U-Profil bilden. Der Obergurt 4 und der Untergurt 6 erstrecken sich in dargestellter Einbaulage jeweils als Profilflanke in Fahrzeuglängs- und Fahrzeugquerrichtung und das Stegblech 8 als Profilboden in Fahrzeughoch- und Fahrzeuglängsrichtung. Der Obergurt 4 und der Untergurt 6 weisen an ihrer dem Stegblech 8 zugewandten Schmalseite in etwa um 90 Grad abgewinkelte Krümmungsbereiche 14a und 14b mit im Wesentlichen konstanter Wandstärke auf, welche sich jeweils stirnseitig an eine Schmalseite des Stegblechs anschließen. Die Krümmungsbereiche sind im Profilschnitt betrachtet in etwa viertelkreisringförmig ausgebildet. Obergurt 4 und Untergurt 6 weisen jeweils eine Wandstärke a auf. Das Stegblech 8 hat eine demgegenüber in etwa halb so große Wandstärke b. Diese Gestaltung bewirkt durch die hohen Wandstärken b an Obergurt 4 und Untergurt 6 ein im Hinblick auf in Fahrzeughochrichtung einwirkende Biegebelastungen hohes Flächenträgheitsmoment. Die demgegenüber geringe Wandstärke b des Stegblechs 8 wirkt sich gewichtsreduzierend aus.
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Bei einer hier nicht dargestellten Ausführungsvariante ist das Stegblech aus mehreren, in ihrer Wandstärke den jeweils lokalen Belastungen angepassten Teilabschnitten aufgebaut, die an ihren Schmalseiten über Schweißnähte miteinander verbunden sind. Dabei weist das Stegblech im Bereich einer bei Auftreten von in Fahrzeughochrichtung eingeleiteten Biegelasten spannungsfreieren, neutralen Faser N eine besonders geringe und in zum Obergurt 4 und Untergurt benachbarten Bereichen eine größere Wandstärke auf.
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2 zeigt einen Detailausschnitt des in 1 dargestellten Längsträgers 2 in vergrößerter Ansicht. x-, y-, und z-Richtung sind analog 1 ausgerichtet. In der Darstellung ist eine Schweißnaht 18 erkennbar, welche das Stegblech 8 an einer Schmalseite mit dem Krümmungsbereich 14a des Untergurtes 6 verbindet. Im Hinblick auf im Fahrbetrieb hauptsächlich in Fahrzeughochrichtung in den Längsträger eingeleitete Biegebelastungen bilden die obere Flachseite des Obergurtes und die untere Flachseite des Untergurtes besonders stark auf Zug und Druck beanspruchte Randfaserbereiche. Bei der dargestellten Ausführungsform liegt die Schweißnaht 18 in einem Abstand D zum einem Unteren Randfaserbereich Ru. Biegespannungen durch in Fahrzeughochrichtung auf den Längsträger 2 einwirkende Kräfte sind in Abhängigkeit von Abstand D gegenüber dem Randfaserbereich Ru reduziert. Gleiches gilt für Torsionsspannungen mit Drehrichtung um die Mittellängsachse des Längsträgers 2. Der Krümmungsbereich 14a weist an der Profilaußenseite einen Krümmungsradius r auf welcher in etwa dem doppelten der Wandstärke a entspricht. Der hier nicht abgebildete obere Krümmungsbereich weist – hierzu spiegelverkehrt bezüglich der x-z-Ebene – dieselbe Geometrie auf. Der dargestellte Längsträger 2 zeichnet sich insbesondere wegen der Ausgestaltung der Krümmungsbereiche 14a und 14b durch eine besonders hohe Dauerfestigkeit im Hinblick auf in Fahrzeughochrichtung eingeleitete Biegewechselbeanspruchungen im Fahrbetrieb aus. Durch die im Profilschnitt gesehen viertelkreisringförmige Gestaltung der Krümmungsbereiche wird eine kraftflussoptimierte Verrundung zwischen Profiboden und Profilflanken erreicht. Zur Gewichtsreduzierung und zum Zwecke der Anbindung von Anbauteilen, Fahrgestellkomponenten und Fahrzeugaufbauten sind Durchbrüche 16 im Stegblech 8 vorgesehen.
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3 zeigt eine Prinzipdarstellung eines Blechbandes 23 als Halbzeug zur Herstellung des Längsträgers 2 gemäß 1. Das Blechband wurde in einem ersten Fertigungsschritt durch Schweißen hergestellt. Im dargestellten Koordinatensystem zeigt die x-Richtung in Mittellängsrichtung des Blechbandes 23 aus der Zeichenebene heraus, die y-Richtung liegt in der Zeichenebene parallel zu den Flachseiten des Blechbandes 23. Die z-Richtung liegt ebenfalls in der Zeichenebene und weist normal zur x-y-Ebene nach oben.
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Das Blechband 23 besteht aus einem ersten, sich mit seiner Mittellängsachse in x-Richtung und parallel zur x-y-Ebene erstreckenden Blechband 24 mit einer Wandstärke b und zwei weiteren, parallel hierzu verlaufenden Blechbändern 22a und 22b mit einer Wandstärke a, die sich beidseitig an die Schmalseiten des Blechbandes 24 anschließen. Die Blechbänder 22a und 22b sind über Schweißnähte 18 (s. auch 1 und 2) mit dem Blechband 24 verbunden. Ihre Wandstärken a verjüngen sich auf ihrer dem Blechband 24 zugewandten Schmalseite jeweils über eine Fase F1 und F2 auf die Wandstärke b des Blechbandes 24.
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In einem weiteren, hier nicht näher dargestellten Fertigungsschritt werden Randbereiche R3 und R4 der Blechbänder 22a und 22b in einem Walzvorgang um 90 Grad in z-Richtung zum Obergurt 4 und zum Untergurt 6 aufgestellt. Die Anordnungen des Obergurts 4 und des Untergurts 6 nach diesem Fertigungsschritt sind in 3 strichliert angedeutet. Das Blechband 24 entspricht im Wesentlichen dem Stegblech 8 in den 1 und 2.
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4 zeigt eine Prinzipdarstellung eines weiteren Blechbandes 20 und einer Profilwalze W während eines Walzvorgangs zur Herstellung eines Halbzeugs für einen zweiten erfindungsgemäßen Längsträger. Im dargestellten Koordinatensystem zeigt die x-Richtung in Mittellängsrichtung des Blechbandes 20 aus der Zeichenebene heraus, die y-Richtung liegt in der Zeichenebene parallel zu den Flachseiten des Blechbandes 20. Die z-Richtung liegt ebenfalls in der Zeichenebene und weist normal zur x-y-Ebene nach oben. Die Profilwalze W ist mit ihrer Mittellängsachse in y-Richtung gelagert. Ihr Außenumfang weist in ihrem Mittelbereich einen Walzradius WR2 und in ihren äußeren Randbereichen einen Walzradius WR1 auf. Ein hier nicht dargestelltes Ausgangsblechband mit einer Ausgangswandstärke wird in x-Richtung zwischen einem Gegenlager G und der Profilwalze W unter Rotation der Profilwalze W hindurchgefördert. Das Ausgangsblechband wird dabei in das Blechband 20 mit Wandstärken E1 und E2 umgeformt. In einem weiteren, hier nicht dargestellten Walzvorgang werden Randbereiche R1 und R2 des Blechbandes 20 um 90 Grad in z-Richtung zu einem Obergurt und einem Untergurt des zu fertigenden Längsträgers aufgestellt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202004018858 U1 [0004]
