DE102012016666A1

DE102012016666A1 - Knot element for angularly connecting two profiles, particularly hollow profile beams of light metal in frame structure of motor vehicle, has varying and increasing radius for rounding in transition between two profiles

Info

Publication number: DE102012016666A1
Application number: DE201210016666
Authority: DE
Inventors: Sascha Dietz; Jan Krüger; Asmir Salkic
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2013-01-31

Abstract

The knot element (1) has a varying and increasing radius (5) for rounding in a transition (4) between the two profiles (2,3). Bionic rounding of the knot element is carried out in the form of a hyperbola, a parabola or a clothoid, in the transition between the two profiles. Lugs (6) are provided for insertion into the profiles that are joined together.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Knotenelement zum abgewinkelten Verbinden von zumindest zwei Profilen, insbesondere zum Verbinden von Hohlprofilträgern, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft außerdem eine Rahmenstruktur mit zumindest einem derartigen Knotenelement sowie ein Kraftfahrzeug mit einer derartigen Rahmenstruktur.The present invention relates to a node element for angled connecting at least two profiles, in particular for connecting hollow profile beams, according to the preamble of claim 1. The invention also relates to a frame structure with at least one such node element and a motor vehicle with such a frame structure.

Aus der DE 10 2006 026 385 A1 ist ein gattungsgemäßes Knotenelement, insbesondere für einen Karosserierahmen einer Kraftfahrzeugkarosserie, bekannt, mit zumindest einem ersten Hohlprofilträger und einem zweiten Hohlprofilträger, wobei der erste und der zweite Hohlprofilträger mittels eines Knotenelementes miteinander verbunden sind. Zur Verringerung des Fertigungsaufwandes bei gleichzeitig hoher Genauigkeit wird dabei vorgeschlagen, dass der Knoten eine in eine Trägeröffnung des ersten Hohlprofilträgers und in eine Trägeröffnung des zweiten Hohlprofilträgers eingreifende inkompressible Einlage und eine die Einlage umgreifende und die Hohlprofilträger verbindende Umbettung aufweisen soll.From the DE 10 2006 026 385 A1 is a generic node element, in particular for a body frame of a motor vehicle body, known, with at least a first hollow profile carrier and a second hollow profile carrier, wherein the first and the second hollow profile carrier are interconnected by means of a node element. In order to reduce the manufacturing costs while maintaining high accuracy, it is proposed that the knot should have an incompressible insert engaging in a carrier opening of the first hollow profile carrier and in a carrier opening of the second hollow profile carrier, and a rebonding encompassing the insert and connecting the hollow profile carriers.

Aus der DE 10 2010 033 289 A1 ist eine Rohrrahmenkonstruktion für einen Kraftwagenaufbau bekannt, mit einer Mehrzahl von Rohrrahmenprofilen, die über jeweilige Knotenelemente miteinander verbunden sind. Die Rohrrahmenkonstruktion ist dabei zumindest partiell von Rohrrahmenprofilen aus einem faserverstärkten Kunststoff gebildet.From the DE 10 2010 033 289 A1 For example, there is known a tubular frame construction for a motor vehicle body having a plurality of tubular frame profiles connected together by respective node members. The tubular frame construction is at least partially formed by tubular frame profiles of a fiber-reinforced plastic.

Aus der DE 44 07 731 C2 ist eine Fahrzeugtür aus faserverstärktem Kunststoff bekannt, mit einem Türkörper und gegebenenfalls einem Fensterrahmen, wobei der Türkörper einen geschlossenen Rahmen aus Schloss- und Scharnierträgern und damit verbundenen Querträgern bildet. Durch die Rahmenkonstruktion aus faserverstärktem Kunststoff soll die Fahrzeugtür insbesondere leicht aufgebaut werden können.From the DE 44 07 731 C2 is known a vehicle door made of fiber-reinforced plastic, with a door body and optionally a window frame, wherein the door body forms a closed frame of lock and hinge supports and associated cross members. Due to the frame construction made of fiber-reinforced plastic, the vehicle door should in particular be easy to set up.

Aus der DE 10 2007 008 641 A1 ist eine Knotenstruktur aus geschlossenen Hohlprofilen bekannt, mit zumindest einem ersten und einem zweiten geschlossenen Hohlprofil, wobei das erste geschlossene Hohlprofil mindestens eine Formausnehmung aufweist und das zweite geschlossene Hohlprofil in dieser Formausnehmung derart angeordnet ist, dass die Knotenstruktur gebildet wird. Das erste geschlossene Hohlprofil wird dabei unter Verwendung einer speziellen Einrolltechnik aus einer Platine hergestellt, wobei dessen Formausnehmung zur Aufnahme des zweiten Hohlprofils vor und/oder während des Umformens der nach dem Tiefziehen ein W-förmiges Querschnittsprofil aufweisenden Platine zum geschlossenen ersten Hohlprofil eingebracht wird.From the DE 10 2007 008 641 A1 is a node structure of closed hollow sections known, with at least a first and a second closed hollow profile, wherein the first closed hollow profile has at least one mold recess and the second closed hollow profile is arranged in this mold recess such that the node structure is formed. The first closed hollow profile is produced using a special Einrolltechnik from a board, wherein the mold cavity for receiving the second hollow profile before and / or during the forming of the deep drawing a W-shaped cross-sectional profile having board is introduced to the closed first hollow section.

Profil- oder rohrartig faserverstärkte Kunststoffe oder Metallstrukturen können fest und dauerhaft über sogenannte Knotenelemente miteinander verbunden werden. Üblicherweise sind dabei die Knotenelemente in einem Übergang zwischen zumindest zwei Profilen mit einem vorgegebenen Radius ausgerundet. Nachteilig bei derartigen bekannten Knotenelementen ist jedoch, dass hierbei lokale Spannungsspitzen der statischen oder dynamischen oder Dauerbelastungen auftreten können, wodurch die Knotenelemente nicht mit maximal möglicher Gewichtsersparnis hergestellt werden können.Profile- or tube-like fiber-reinforced plastics or metal structures can be firmly and permanently connected to each other via so-called node elements. Usually, the node elements are rounded in a transition between at least two profiles with a predetermined radius. A disadvantage of such known node elements, however, is that this local stress peaks of static or dynamic or permanent loads may occur, whereby the node elements can not be produced with maximum possible weight savings.

Die vorliegende Erfindung beschäftigt sich daher mit dem Problem, für einen Knotenelement der gattungsgemäßen Art eine verbesserte Ausführungsform anzugeben, die sich insbesondere durch einerseits eine leichte Ausbildung und andererseits eine optimierte Belastungsaufnahme auszeichnet.The present invention therefore deals with the problem of providing a node element of the generic type an improved embodiment, which is characterized in particular by on the one hand a slight training and on the other hand, an optimized load absorption.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.This problem is solved according to the invention by the subject matters of the independent claims. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Die vorliegende Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einem an sich bekannten Knotenelement zum abgewinkelten Verbinden von zumindest zwei Profilen, einen Übergang zwischen diesen zumindest zwei Profilen mittels variierendem, insbesondere mittels in eine Richtung zunehmendem, Radius auszurunden. Dies stellt eine deutliche Abkehr von der bisherigen Fertigungsweise mit konstantem Radius dar, die jedoch nicht nur eine deutlich höhere Belastungsaufnahme ermöglicht, sondern auch eine deutliche Gewichtsreduzierung bei gleich bleibender Belastung. Mittels dem mit variierendem, insbesondere mit zunehmendem, Radius ausgerundeten Übergang können insbesondere lokale Spannungsspitzen abgebaut und die Spannungen im Knotenelement insgesamt homogenisiert werden, wodurch einerseits das Knotenelement in der Lage ist, höhere Belastungen aufzunehmen, und andererseits bei der Auslegung auf gleiche Belastungen leichter ausgebildet werden könnte. Der variierende Radius im Übergang zwischen den zumindest zwei miteinander zu verbindenden Profilen am Knotenelement stellt dabei eine bionische Lösung dar, die insbesondere in der Natur häufig zu beobachten ist. Im Laufe der Evolution hat die Natur viele optimierte Lösungen für bestimmte mechanische, strukturelle oder organisatorische Probleme entwickelt, wobei bei dem vorliegenden Knotenelement die Abänderung des Radius im Übergang die Übernahme des aus der Natur optimierten Effekts auf ein derartiges Knotenelement darstellt.The present invention is based on the general idea, in a per se known node element for angled connecting at least two profiles, a transition between these at least two profiles auszurunden by means of varying, in particular by means of increasing in one direction, radius. This represents a clear departure from the previous manufacturing method with a constant radius, which not only allows a much higher load absorption, but also a significant reduction in weight while maintaining the same load. By means of the varying, in particular with increasing, radius-rounded transition, in particular local stress peaks can be reduced and the stresses in the nodal element as a whole homogenized, whereby on the one hand the node element is able to absorb higher loads, and on the other hand are designed to be easier to design for equal loads could. The varying radius in the transition between the at least two profiles to be connected to one another at the nodal element represents a bionic solution which is frequently observed, in particular in nature. In the course of evolution, nature has developed many optimized solutions for certain mechanical, structural or organizational problems, with the present nodal element, the change of the radius in the transition represents the adoption of the nature-optimized effect on such a node element.

Bei einer vorteilhaften Weiterbildung der erfindungsgemäßen Lösung ist das Knotenelement im Übergang zwischen den zumindest zwei Profilen bionisch ausgerundet, insbesondere in der Art einer Hyperbel, einer Parabel oder einer Klothoide. Unter einer Hyperbel versteht man eine spezielle Kurve, die aus zwei zueinander symmetrischen, sich ins Endliche erstreckenden Ästen besteht. Demgegenüber ist die Parabel eine Kurve zweiter Ordnung mit einer Exzentrizität von 1. Die Parabel und die Hyperbel zählen dabei zu den Kegelschnitten. Bei der Klothoide nimmt der Krümmungsverlauf linear zu, weshalb die Klothoide oftmals im Straßen- oder Eisenbahnbau eingesetzt wird, da so eine ruckfreie Fahrdynamik erzielt werden kann. Die Krümmung der Kurve ist dabei eine stetige Funktion der Länge. Sämtliche aufgeführten geometrischen Formen stellen dabei eine Abkehr von dem bisher starren und gleich bleibenden Radius im Übergang dar und ermöglichen insbesondere eine gesteigerte Aufnahme von Belastungen im Knotenelement durch insbesondere den Abbau von Spannungsspitzen. Sollen lediglich gleiche Belastungen wie bisher aufgenommen werden, so können die erfindungsgemäßen Knotenelemente aufgrund ihrer Leistungssteigerung deutlich gewichtsreduziert ausgebildet werden. Derart bionische Radien weisen darüber hinaus den großen Vorteil auf, dass diese produktionsgerecht, insbesondere im Hinblick auf die Kosten, sind.In an advantageous development of the solution according to the invention, the node element is in the transition between the at least two profiles bionically rounded, especially in the manner of a hyperbola, a parabola or a clothoid. By a hyperbola one understands a special curve, which consists of two mutually symmetrical, at last extending branches. In contrast, the parabola is a second-order curve with an eccentricity of 1. The parabola and the hyperbola count among the conic sections. In the case of the clothoid, the curvature increases linearly, which is why the clothoid is often used in road construction or railroad construction, since jolt-free driving dynamics can thus be achieved. The curvature of the curve is a continuous function of the length. All listed geometric shapes represent a departure from the previously rigid and constant radius in the transition and allow in particular an increased absorption of loads in the node element in particular by the reduction of voltage spikes. If only the same loads as previously taken up, the node elements of the invention can be formed significantly reduced weight due to their performance. Such bionic radii also have the great advantage that they are production-friendly, especially in terms of cost.

Zweckmäßig ist das Knotenelement aus Leichtmetall oder aus Kunststoff, insbesondere aus faserverstärktem Kunststoff, ausgebildet. Da die Betriebskosten insbesondere eines Kraftfahrzeuges nahezu proportional mit dessen Gewicht zusammenhängen, ist es wünschenswert, das Gewicht des Kraftfahrzeuges möglichst stark zu reduzieren, wobei jedoch darauf geachtet werden muss, dass die auftretenden Belastungen, insbesondere auch im Hinblick auf einen Crashfall, aufgenommen werden können. Erfindungsgemäße Knotenelemente aus Leichtmetall bzw. aus faserverstärktem Kunststoff bieten dabei eine optimierte Lösung aus maximal möglicher Belastungsaufnahme und maximal möglicher Gewichtsreduzierung. Als Leichtmetalle kommen dabei insbesondere Aluminium oder Magnesiumguss in Frage, wobei faserverstärkte Kunststoffe beispielsweise Karbonfasern enthalten können.Suitably, the node element made of light metal or plastic, in particular made of fiber-reinforced plastic, is formed. Since the operating costs of a motor vehicle are almost proportionally related to its weight, it is desirable to reduce the weight of the motor vehicle as much as possible, but care must be taken that the loads occurring, in particular with regard to a crash, can be recorded. Node elements made of light metal or of fiber-reinforced plastic according to the invention provide an optimized solution of maximum possible load absorption and maximum possible weight reduction. In particular, aluminum or magnesium casting may be considered as light metals, wherein fiber-reinforced plastics may contain carbon fibers, for example.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung weist das Knotenelement Laschen zum Einstecken in die zumindest zwei miteinander zu verbindenden Profile auf. Mittels derartiger Laschen kann insbesondere ein Zusammenbau einer aus derartigen Profilen und Knotenelementen gebildeten Rahmenstruktur deutlich vereinfacht werden, wo durch deren Herstellungskosten reduziert werden können. Eine Fixierung der Profile an den Laschen der Knotenelemente kann beispielsweise über Kleben, Schweißen, Löten oder Verstemmen erfolgen. Selbstverständlich können am Kontenelement auch Öffnungen vorgesehen sein, in welche die Hohlprofile einsteckbar sind.In a further advantageous embodiment of the solution according to the invention, the node element tabs for insertion into the at least two profiles to be joined together. By means of such tabs in particular an assembly of a frame structure formed from such profiles and node elements can be significantly simplified, where can be reduced by their production costs. A fixation of the profiles on the tabs of the node elements can be done for example by gluing, welding, soldering or caulking. Of course, openings can also be provided on the account element into which the hollow profiles can be inserted.

Die Erfindung beruht weiter auf dem allgemeinen Gedanken, eine Rahmenstruktur, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, mit Hohlprofilen und den zuvor genannten Knotenelementen auszubilden, wodurch eine einerseits äußerst belastungsfähige und andererseits besonders gewichtsreduzierte Rahmenstruktur erreicht werden kann. Die Hohlprofile sind dabei besonders bevorzugt aus faserverstärkten Kunststoffen (FVK) gebildet. Diese Hohlprofile können auf zapfenförmige Enden der Knotenelemente aufgesteckt werden.The invention is further based on the general idea to form a frame structure, in particular for a motor vehicle, with hollow sections and the aforementioned node elements, whereby on the one hand extremely resilient and on the other hand, particularly reduced weight frame structure can be achieved. The hollow sections are particularly preferably formed from fiber-reinforced plastics (FRP). These hollow profiles can be plugged onto pin-shaped ends of the node elements.

Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus der zugehörigen Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.Other important features and advantages of the invention will become apparent from the dependent claims, from the drawings and from the associated figure description with reference to the drawings.

Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.It is understood that the features mentioned above and those yet to be explained below can be used not only in the particular combination given, but also in other combinations or in isolation, without departing from the scope of the present invention.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile beziehen.Preferred embodiments of the invention are illustrated in the drawings and will be described in more detail in the following description, wherein like reference numerals refer to the same or similar or functionally identical components.

Dabei zeigen, jeweils schematisch,Show, in each case schematically,

1 eine Ansicht auf ein erfindungsgemäßes Knotenelement, 1 a view of an inventive node element,

2 eine Teilansicht auf das erfindungsgemäße Knotenelement im Bereich eines Übergangs, 2 a partial view of the node element according to the invention in the region of a transition,

3 eine Rahmenstruktur mit zwei Hohlprofilen und einem diese beiden Hohlprofile miteinander verbindenden Knotenelement. 3 a frame structure with two hollow sections and one of these two hollow sections interconnecting node element.

Entsprechend den 1 bis 3, weist ein erfindungsgemäßes Knotenelement 1 zum abgewinkelten miteinander Verbinden von zumindest zwei Profilen 2, 3 (vergleiche 3) in einem Übergang 4 zwischen den zumindest zwei Profilen 2, 3 einen variierenden, insbesondere in eine Richtung zunehmenden Radius 5 auf. Das Knotenelement 1 ist somit erfindungsgemäß im Übergang 4 zwischen den zumindest zwei Profilen 2, 3 bionisch ausgerundet, insbesondere in der Art einer Hyperbel, einer Parabel oder einer Klothoide, und ist dadurch einerseits in der Lage, vergleichsweise hohe Spannungen aufzunehmen bei andererseits gleichzeitig deutlich reduziertem Gewicht des Knotenelements 1. Durch den erfindungsgemäßen Übergang 4 mit sich veränderndem Radius 5 kann eine belastungsgerechte Kurve erzeugt werden, die nicht nur dazu beiträgt, das Knotenelement 1 auszusteifen, sondern zudem auch das Gewicht dieser Knotenstruktur bzw. dieses Knotenelements 1 reduziert. Mit dem erfindungsgemäß variierenden Radius 5 im Übergang 4 lassen sich insbesondere statische, dynamische bzw. dauermechanische Eigenschaften erhöhen. Werden lediglich die bisher erforderlichen Belastungen gefordert, so kann das erfindungsgemäße Knotenelement 1 leichter und zugleich kostengünstiger ausgebildet werden. Der bionische Radius kann dabei generell als Regel bei der Konstruktion von anisotropen Werkstoffen, wie beispielsweise faserverstärkte Kunststoffe verwendet werden, jedoch ebenso auch für isotrope Werkstoffe, wie beispielsweise Leichtmetalle, insbesondere Magnesium oder Aluminium.According to the 1 to 3 has an inventive node element 1 for angled connecting together at least two profiles 2 . 3 (see 3 ) in a transition 4 between the at least two profiles 2 . 3 a varying, in particular in one direction increasing radius 5 on. The node element 1 is thus according to the invention in transition 4 between the at least two profiles 2 . 3 bionically rounded, in particular in the manner of a hyperbola, a parabola or a clothoid, and is thus on the one hand able to absorb comparatively high stresses while on the other hand at the same time significantly reduced weight of the node element 1 , By the transition according to the invention 4 with changing radius 5 A load-oriented curve can be generated, which not only contributes to the node element 1 auszusteifen, but also the weight this node structure or this node element 1 reduced. With the invention varying radius 5 in transition 4 In particular, static, dynamic or permanent mechanical properties can be increased. If only the previously required loads are required, then the node element according to the invention 1 be made lighter and cheaper at the same time. The bionic radius can generally be used as a rule in the construction of anisotropic materials, such as fiber-reinforced plastics, but also for isotropic materials, such as light metals, especially magnesium or aluminum.

Betrachtet man die 2, so kann man erkennen, dass der Radius 5 an dem Übergang zwischen dem Profil 2 zum Knotenelement 1 deutlich kleiner ist als Radius 5 am Übergang vom Knotenelement 1 zum Profil 3, woraus die Zunahme des Radius 5 über den Übergang 4 entsteht.Looking at the 2 , so you can tell that the radius 5 at the transition between the profile 2 to the node element 1 significantly smaller than radius 5 at the transition from the node element 1 to the Profile 3 , from which the increase of the radius 5 about the transition 4 arises.

Zur erleichterten Verbindung der Profile 2, 3, die beispielsweise als Hohlprofile, insbesondere als Aluminiumstrangpressprofile, ausgebildet sein können, kann das Knotenelement 1 Laschen 6 aufweisen, die in das jeweilige Profil 2, 3 eingesteckt werden. Generell kann dabei mit dem erfindungsgemäßen Knotenelement 1 und den zugehörigen Profilen 2, 3 vergleichsweise einfach eine Rahmenstruktur 7, insbesondere für ein Kraftfahrzeug bzw. einen Teil eines Kraftfahrzeuges durch ein einfaches Ineinanderstecken erzeugt werden. Zur Fixierung der Profile 2, 3 am Knotenelement 1 können diese mit den Laschen 6 verklebt, verschweißt, verlötet oder verstemmt sein.For easier connection of the profiles 2 . 3 , which may be formed, for example, as hollow profiles, in particular as aluminum extruded profiles, may be the node element 1 tabs 6 exhibit in the respective profile 2 . 3 be plugged in. Generally speaking, with the node element according to the invention 1 and the associated profiles 2 . 3 comparatively simple a frame structure 7 , are produced in particular for a motor vehicle or a part of a motor vehicle by a simple nesting. For fixing the profiles 2 . 3 at the node element 1 can these with the tabs 6 glued, welded, soldered or caulked.

Mit dem erfindungsgemäßen Knotenelement 1 ist es somit möglich, eine Rahmenstruktur 7, beispielsweise für eine Karosseriestruktur eines Kraftfahrzeuges, belastungsgerecht und dadurch belastungsoptimiert auszubilden oder aber bei gleich bleibenden Belastungen deutlich gewichtsreduziert, was insbesondere im Kraftfahrzeugbau von großem Vorteil ist.With the node element according to the invention 1 is it thus possible to have a frame structure 7 , For example, for a body structure of a motor vehicle, load-oriented and thereby form the load optimized or significantly reduced weight at constant loads, which is particularly advantageous in motor vehicle construction.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102006026385 A1 [0002]
DE 102010033289 A1 [0003]
DE 4407731 C2 [0004]
DE 102007008641 A1 [0005]

Claims

Node element ( 1 ) for the angled connection of at least two profiles ( 2 . 3 ), in particular hollow profile carriers made of fiber-reinforced plastic, characterized in that the node element ( 1 ) in a transition ( 4 ) between the at least two profiles ( 2 . 3 ) by means of varying and increasing radius ( 5 ) is rounded.

Node element according to claim 1, characterized in that the node element ( 1 ) in transition ( 4 ) between the at least two profiles ( 2 . 3 ) is bionically rounded, in the manner of a hyperbola, a parabola or a clothoid.

Node element according to claim 1 or 2, characterized in that the node element ( 1 ) made of light metal or plastic or fiber-reinforced plastic is formed.

Node element according to one of the preceding claims, characterized in that the node element ( 1 ) Tabs ( 6 ) for insertion into the profiles to be connected ( 2 . 3 ) having.

Frame structure ( 7 ), in particular for a motor vehicle, with at least one node element ( 1 ) according to one of the preceding claims interconnected hollow profiles ( 2 . 3 ).

Motor vehicle with a frame structure ( 7 ) according to claim 5.