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Die Erfindung betrifft einen Fügewerkzeug-Rahmen, insbesondere zur Verwendung an einem Fertigungsroboter, zur Aufnahme der bei einem Fügevorgang auftretenden Kräfte, wobei dieser Rahmen zumindest näherungsweise C-förmig gestaltet ist und zwei sich gegenüberliegende Schenkel und ein diese Schenkel verbindendes Mittelstück aufweist.
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Die Erfindung betrifft ferner eine Handhabungseinrichtung bzw. ein Handhabungsgerät, wie insbesondere einen Mehrachs-Fertigungsroboter, die bzw. das oder der mit einem betreffenden Fügewerkzeug-Rahmen ausgestattet ist.
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Fügewerkzeug-Rahmen der betreffenden Art werden auch als C-Rahmen oder C-Bögen bezeichnet. Solche Rahmen dienen dazu, bei zweiseitiger Fügestellenzugänglichkeit, die korrespondierenden Fügewerkzeugteile eines Fügewerkzeugs zu haltern und während des Fügevorgangs zueinander auszurichten. Die Fügewerkzeugteile sind typischerweise an den Enden der sich gegenüberliegenden und durch das Mittelstück beabstandeten Schenkel angeordnet. Ein Fügevorgang kann bspw. ein Nietvorgang oder Schweißvorgang zur dauerhaften Verbindung der zwischen den Schenkeln positionierten Bauteile sein. Ferner dient ein solcher Fügewerkzeug-Rahmen auch dazu, eine Anbindung des Fügewerkzeugs an eine Handhabungseinrichtung, wobei es sich insbesondere um einen Mehrachs-Fertigungsroboter handeln kann, zu ermöglichen, so dass der Fügewerkzeug-Rahmen und die daran gehalterten Fügewerkzeugteile im Raum bewegt und relativ zu den zu fügenden Bauteilen positioniert werden können.
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Abhängig vom Fügevorgang müssen solche Fügewerkzeug-Rahmen hohe Kräfte aufnehmen können und dabei steif sein, so dass die Aufweitung zwischen den Schenkeln unter Betriebslast gering ist und idealerweise kein Fluchtungsfehler (Winkelversatz und/oder Lateralversatz) zwischen den korrespondierenden Fügewerkzeugteilen eintritt. Andererseits besteht die Forderung, dass dieselben Fügewerkzeug-Rahmen kompakt und leicht sein sollen. Um diesen widersprüchlichen Anforderungen gerecht zu werden, sind aus dem Stand der Technik verschiedene Ansätze bekannt, wozu auf die Patentschriften
DE 100 64 238 A1 und
EP 0 391 551 A1 verwiesen wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Fügewerkzeug-Rahmen der eingangs genannten Art anzugeben, der den widersprüchlichen Anforderungen nach hohem Lastaufnahmevermögen, Steifigkeit und geringem Gewicht gerecht wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch einen erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Mit einem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der Aufgabe auch auf ein Handhabungsgerät, das mit einem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen ausgestattet ist. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen ergeben sich analog für beide Erfindungsgegenstände sowohl aus den abhängigen Ansprüchen als auch aus den nachfolgenden Erläuterungen.
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Der erfindungsgemäße Fügewerkzeug-Rahmen zur Aufnahme der bei einem Fügevorgang auftretenden Kräfte, wobei dieser Rahmen zumindest näherungsweise C-förmig gestaltet ist und zwei sich gegenüberliegende Schenkel und ein die Schenkel verbindendes Mittelstück aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass zumindest das Mittelstück aus einem Faserverbundwerkstoff gebildet ist und dass wenigstens einer der Schenkel ein aus Metallwerkstoff gebildetes Endstück bzw. ein metallisches Endstück zur Aufnahme der bei einem Fügevorgang zwischen den Schenkeln wirkenden Betriebslast aufweist, wobei dieses (metallische) Endstück mit wenigstens einem vorgespannten Zuganker mit dem Mittelstück verspannt ist.
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Unter einem Rahmen wird insbesondere die Gesamtheit an Komponenten verstanden, die während eines Fügevorgangs einen nicht durch die zu fügenden Bauteile gehenden Kraftfluss zwischen den korrespondierenden an den gegenüberliegenden Schenkeln gehalterten Fügewerkzeugteilen ermöglicht, wobei der Rahmen insbesondere auch der Anbindung an eine Handhabungseinrichtung, wie insbesondere einem Mehrachs-Fertigungsroboter, dient. Einzelne Rahmenteile können, je nach Betrachtungsweise, auch dem Fertigungsroboter, an dem der erfindungsgemäße Fügewerkzeug-Rahmen angebunden bzw. befestig sein kann, zugeordnet werden. Ein erfindungsgemäßer Fügewerkzeug-Rahmen kann auch als Rahmenstruktur für eine Fügevorrichtung bezeichnet werden.
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Unter einer Betriebslast wird die bei einem Fügevorgang zwischen den Schenkeln des Rahmens erzeugte Kraft zur Durchführung des Fügevorgangs verstanden. Diese Kraft dient insbesondere dem Fügen der Bauteile, wobei abhängig vom Fügeverfahren (je nach dem mit oder ohne Fügehilfselement) unterschiedliche hohe Betriebslasten auftreten. Typischerweise hat die Betriebslast einen nicht konstanten Zeitverlauf. Bevorzugt ist vorgesehen, dass einer der Schenkel (freier Schenkel) die von einer am anderen Schenkel angeordneten Krafterzeugungs- bzw. Antriebseinrichtung erzeugte Kraft bzw. Betriebslast aufnimmt.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Schenkel bzw. Wangen des erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens über das Mittelstück (bzw. C-Bogen-Mittelstück oder auch Zwischenstück) starr miteinander verbunden und insbesondere auch fest zueinander beabstandet sind. Insbesondere ist vorgesehen, dass das aus einem Faserverbundwerkstoff und insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildete Mittelstück bzw. Mittelteil verhältnismäßig breit (insbesondere bezogen auf die Schenkel) und somit stabil ausgebildet ist. Insbesondere ist vorgesehen, dass das Mittelstück dickwandig ausgebildet ist. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass zumindest das insbesondere dickwandige Mittelstück aus einem massiven bzw. kompakten (d. h. keine eingeschlossenen Hohlräume aufweisenden) Faserverbundwerkstoff und im Besonderen einstückig aus einem massiven bzw. kompakten Faserverbundwerkstoff gebildet ist. Die Schenkel des erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens können mit Werkzeugaufnahmen zur lösbaren Halterung der korrespondierenden Fügewerkzeugteile ausgebildet sein.
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Unter einem Zuganker wird vorrangig ein sich axial erstreckendes Bauteil verstanden, dass an seinen axialen Enden direkt oder indirekt mit dem metallischen Endstück und mit dem Mittelstück kraftschlüssig und insbesondere formschlüssig verbunden ist und das der Erzeugung einer Vorspannung in Form von Zugkräften und einer damit einhergehenden Verspannung zwischen dem metallischen Endstück und mit dem Mittelstück dient. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zuganker aus einem metallischen Werkstoff gebildet ist. Insbesondere handelt es sich um eine Dehnschraube, einen Gewindestift bzw. -bolzen oder dergleichen. Bevorzugt ist vorgesehen, dass die bei einem Fügevorgang vom metallischen Endstück aufgenommenen Kräfte (Betriebslast) im Wesentlichen über diesen Zuganker in das Mittelstück eingeleitet bzw. abgeleitet werden können. Das metallische Endstück ist bspw. aus Stahl gebildet.
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Abhängig vom Lastfall und insbesondere bei geringen Betriebslasten kann das Endstück prinzipiell auch aus einem nicht metallischen Werkstoff gebildet sein, wobei dieser Werkstoff jedoch andere Eigenschaften, wie bspw. Festigkeit, Dichte, Temperaturbeständigkeit und dergleichen, als der Faserverbundwerkstoff des Mittelstücks aufweist. Bspw. könnte das Endstück auch aus einem keramischen Werkstoff, mineralischen Werkstoff (z. B. Gestein), biologischen Werkstoff (z. B. Holz) oder dergleichen gebildet sein.
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Mit dem Zuganker wird eine beanspruchungsgerechte, platzsparende und belastbare Verbindung zwischen einem aus metallischem Werkstoff gebildeten Bauteil und einem aus Faserverbundwerkstoff gebildetem Bauteil geschaffen, die insbesondere auch mit einem geringen Materialeinsatz auskommt, wobei die hergestellte Verbindung lösbar ist.
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Die durch Vorspannung des Zugankers herbeigeführte Verspannung zwischen dem metallischen Endstück und dem Mittelstück führt in vorteilhafter Weise zu Druckspannungen in dem aus einem Faserverbundwerkstoff und insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildeten Mittelstück bzw. Mittelteil. Hierdurch wird dem Umstand Rechnung getragen, dass Faserverbundwerkstoffe im Allgemeinen gut geeignet sind insbesondere in Faserrichtung hohe Druckspannungen mit verhältnismäßig geringem Materialeinsatz ertragen zu können. Die Vorspannung des Zugankers und die hiermit herbeigeführte Verspannung zwischen dem Endstück und dem Mittelstück ist insbesondere so groß, dass diese bei einem Fügevorgang von der zwischen den korrespondierenden Fügewerkzeugteilen und somit zwischen den Schenkeln wirkenden Betriebslast (die die Schenkel an ihren freien Enden auseinander drückt) bzw. von der auf das metallische Endstück am freien Schenkel aufgebrachten Betriebslast nicht aufgehoben werden kann und somit die Druckspannungen im Faserverbundwerkstoff auch während eines Fügevorgangs aufrecht erhalten bleiben. Zugspannungen und damit einhergehende Dehnungen und elastische Verformungen treten nicht auf.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Zuganker schräg angeordnet ist und dass dessen Längsachse einen spitzen Winkel mit der Kraftachse der Betriebslast einnimmt, insbesondere derart, dass die an diesem Zuganker herbeigeführte Vorspannung anteilig entgegen der bei einem Fügevorgang auf das metallische Endstück aufgebrachten Betriebslast wirken kann. Bevorzugt liegt dieser Winkel in einem Bereich zwischen 10° und 85° (10° bis 85°) und insbesondere in einem Bereich zwischen 30° und 75° (30° bis 75°).
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Zur Anbindung des Zugankers an das Mittelstück ist insbesondere vorgesehen, dass der Zuganker an seinem vom metallischen Endstück wegweisenden axialen Ende mit einem im Querschnitt runden Querbolzen verbunden ist, wobei dieser Querbolzen in einer im Mittelstück ausgebildeten Querbohrung angeordnet ist. Der Querbolzen kann bezüglich seines Querschnitts auch unrund oder eckig ausgebildet sein. Durch einen im Querschnitt runden und insbesondere kreisrunden Querbolzen ergibt sich eine günstige Lochleibungspressung und die Gefahr von auftretenden Kerbspannungen im Faserverbundwerkstoff des Mittelstücks wird verringert. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass der Querbolzen als hohle Hülse und insbesondere als zylindrische Hülse ausgebildet ist. Durch die Ausführung als Hohlbauteil kann, insbesondere bei im Querschnitt verhältnismäßig groß dimensionierten Querbolzen, Gewicht eingespart werden. Ferner ergibt sich die Möglichkeit, dass die Vorspannung des Zugankers über die durch den Hohlraum gegebene Zugänglichkeit durch die Hülse hindurch verändert und/oder eingestellt werden kann.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der erfindungsgemäße Fügewerkzeug-Rahmen für eine Betrieblast größer 50000 N [Newton] bzw. 50 kN und insbesondere größer als 60000 N bzw. 60 kN ausgelegt ist. Damit kann die zwischen den Schenkeln wirkende und auf das metallische Endstück einwirkende Betrieblast bis zu 60 kN und mehr (bspw. auch 65 kN) betragen. Dem steht nicht entgegen, dass der erfindungsgemäße Fügewerkzeug-Rahmen für geringere Betriebslasten ausgelegt ist. Für das Punktpressschweißen kann bspw. eine Betriebslast von 5 kN bis 10 kN ausreichend sein.
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In besonders bevorzugter Weise ist vorgesehen, dass das metallische Endstück über korrespondierende zylindrische Montageflächen oder teilzylindrische Montageflächen (dies sind Flächen, die Mantelsegmente eines Zylinders bilden) mit dem Schenkel (oder gegebenenfalls auch direkt mit dem Mittelstück) verbunden bzw. an den Schenkel angebunden ist. Durch eine solche formschlüssige Anbindung des metallischen Endstücks ist bei veränderlicher Betriebslast immer gewährleistet, dass die aus Vorspannung und Betriebslast resultierende Kraft als Druckkraft senkrecht zur Montagefläche am Schenkel steht. Dies wird nachfolgend im Zusammenhang mit den Figuren noch näher erläutert.
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Bevorzugt ist vorgesehen, dass der mit dem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen durchführbare Fügevorgang ein Niet-, Clinch- oder Schraubvorgang oder ein Punktschweiß-, Punktpressschweiß- oder Reibschweißvorgang oder dergleichen ist. Hierzu sind an den Schenkeln des Fügewerkzeug-Rahmens entsprechende Fügewerkzeugteile (bspw. Nietstempel und Matrize oder Schweißelektroden) befestigt. Ferner kann an wenigstens einem der Schenkel, wobei dies insbesondere der dem metallischen Endstück gegenüberliegende Schenkel ist, eine Krafterzeugungs- bzw. Antriebseinrichtung angeordnet und insbesondere integriert sein, mit der die Betriebslast erzeugt werden kann.
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Mit dem nebengeordneten Anspruch erstreckt sich die Lösung der oben genannten Aufgabe auch auf eine Handhabungseinrichtung, wobei es sich insbesondere um einen Mehrachs-Fertigungsroboter handelt, die bzw. der mit (wenigstens) einem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen ausgestattet ist. Insbesondere handelt es sich um einen Nietroboter oder Schweißroboter. Bevorzugter Weise ist der erfindungsgemäße Fügewerkzeug-Rahmen über einen Schenkel oder das Mittelstück an einen Arm bzw. Roboterarm angebunden und insbesondere angeflanscht. Aufgrund der geringen Masse des erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmens werden schnelle Bewegungen und hohe Beschleunigungen bzw. Verzögerungen ermöglicht. Ferner kann die Handhabungseinrichtung bzw. der Roboter mit verhältnismäßig klein dimensionierten Antriebsaggregaten (hinsichtlich Baugröße und Leistung bzw. Energieaufnahme) ausgestattet sein. Auch der erforderliche Platz- bzw. Raumbedarf fällt verhältnismäßig gering aus.
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Bei den mit einem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen zu fügenden Bauteilen handelt es sich insbesondere um Karosseriebauteile zur Herstellung einer Fahrzeugkarosserie und insbesondere einer PKW-Karosserie. Besonders bevorzugt ist vorgesehen, dass die betreffenden Bauteile mit dem erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen dauerhaft in eine Karosseriestruktur eingebunden werden. Die Bauteile können Blechbauteile (einschließlich blechähnlicher Kunststoff- oder Kunststoffverbundbauteile), Profilteile, Gussteile oder dergleichen sein. Es können wenigstens zwei oder mehr Bauteile gefügt werden.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgenden beispielhaften Erläuterungen anhand der schematischen und nicht maßstabsgetreuen Figuren. Die in den Figuren gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein.
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1 zeigt in einer perspektivischen Ansicht eine Ausführungsmöglichkeit für einen erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen.
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2 veranschaulicht in einer Seitenansicht mit Teilschnitt die bei einem Fügevorgang am Fügewerkzeug-Rahmen der 1 auftretenden Kräfte.
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3 veranschaulicht in allgemeiner Weise das am Fügewerkzeug-Rahmen der 1 und 2 umgesetzte Verbindungsprinzip.
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1 zeigt einen insgesamt mit 100 bezeichneten erfindungsgemäßen Fügewerkzeug-Rahmen. Die Raumausrichtung des Rahmens 100 ist nur beispielhaft. Der Rahmen 100 ist C-förmig ausgestaltet und weist zwei sich gegenüberliegende Schenkel bzw. Wangen 110 und 120 auf, die über ein breites und stabiles Mittelstück bzw. Mittelteil 130 verbunden und zueinander beabstandet sind. Der Rahmen 100 kann mit dem Schenkel 110 an den Arm eines nicht dargestellten Fertigungsroboters angeflanscht werden, so dass der Rahmen 100 mittels des Roboters im Raum bewegt werden kann. Der Rahmen 100 kann auch über das Mittelstück 130 an einen Roboterarm angeflanscht werden. Die Länge der Schenkel 110 und 120 und die damit verbundene Ausladung des Rahmens 100 ist nur beispielhaft. Insbesondere können die Schenkel 110 und 120 wesentlich länger als dargestellt ausgebildet sein. Auch der gezeigte Abstand zwischen den Schenkel 110 und 120 ist nur beispielhaft.
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Mit 200 ist ein im Rahmen 100 aufgenommenes Fügewerkzeug bezeichnet, wobei es sich beispielhaft um ein Nietwerkzeug handelt. Das Werkzeug 200 umfasst einen Stempel 210, der am roboterseitigen Schenkel 110 angeordnet ist, und eine korrespondierende Matrize 220, die am freien Schenkel 120 angeordnet ist. Die Stempelbewegungsrichtungen sind mit einem Doppelpfeil S veranschaulicht. Eine Krafterzeugungs- bzw. Antriebseinrichtung zur Bewegung und Kraftbeaufschlagung des Stempels 210 ist nicht dargestellt. Eine solche Antriebseinrichtung kann bspw. in der zylindrischen Ausnehmung 115 im Schenkel 110 oder roboterseitig angeordnet sein.
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In dem gezeigten Beispiel sind die Schenkel 110 und 120 einstückig mit dem Mittelstück 130 ausgebildet. Ebenso ist denkbar, dass der Schenkel 110 als separater Schenkel ausgebildet ist, was durch die punktierte Linie 111 veranschaulicht ist. Ferner ist denkbar, dass der Schenkel 110 ohne einen Stempelaufnahmebereich 112 ausgebildet ist, was durch die punktierte Linie 113 veranschaulicht ist. Ferner ist auch denkbar, dass der Rahmen 100 ohne den Schenkel 110 ausgebildet ist, so dass der Rahmen 100 zumindest annähernd L-förmig ausgebildet ist. In diesen Fällen können die betreffenden Komponenten roboterseitig angeordnet sein. Weitere Ausgestaltungsmöglichkeiten liegen im Rahmen des fachmännischen Könnens und Wissens.
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Zum Fügen wird der Rahmen 100 mit dem Roboter (oder dergleichen) so positioniert, dass sich die zu fügenden Bauteile, wobei es sich z. B. um Karosseriebauteile und insbesondere um Karosseriebleche oder dergleichen einer Kraftfahrzeugkarosserie handelt, zwischen den Schenkeln 110 und 120 befinden. Anschließend wird der Stempel 210 axial in Richtung der Matrize 220 bewegt und mit Kraft beaufschlagt. Die Bewegungs- und Kraftachse ist mit L bezeichnet. Hierbei werden die zu fügenden Bauteile in an und für sich bekannter Weise mittels Niete gefügt. Anschließend wird der Stempel 210 zurückbewegt. In vergleichbarer Weise kann auch ein Punktpressschweißen zur Erzeugung eines Schweißpunkts oder das Einschrauben einer Schraube zur Erzeugung einer Schraubverbindung erfolgen.
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Während eines Fügevorgangs wird die wirksame Stempelkraft F in die Matrize 220 eingeleitet. Typischerweise hat die Stempelkraft F während des Fügevorgangs einen nicht konstanten Verlauf, so dass die Matrize 220 während des Fügevorgangs verschiedenen in Richtung der Achse L wirksamen Kräften bzw. einer nicht konstanten zwischen den Schenkeln 110 und 120 wirksamen Betriebslast F ausgesetzt ist. Der Krafteinleitungspunkt in die Matrize 220 ist mit P bezeichnet. Die bei einem Fügevorgang auftretende Betriebslast F wirkt gegen beide Schenkel 110 und 120 und drückt diese auseinander, was zu einer elastischen Aufweitung des Rahmens 100 führt, so dass die Kraftachse L des Stempels 210 in nachteiliger Weise nicht mehr mit dem vorgesehenen Krafteinleitungspunkt P an der Matrize 220 fluchtet (Fluchtungsfehler). Dies soll typischerweise durch eine steife Konstruktion des Rahmens 100 verhindert werden. Eine steife Konstruktion des Rahmens 100 führt jedoch zu einem hohen Gewicht, das vom Roboter getragen und bewegt werden muss.
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Der erfindungsgemäße Rahmen 100 ist daher dickwandig gestaltet und aus einem massiven bzw. kompakten Faserverbundwerkstoff und insbesondere aus einem massiven bzw. kompakten kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildet. Der Rahmen 100 weist somit bei einem verhältnismäßig geringen Gewicht bzw. bei einer verhältnismäßig kleinen Masse eine hohe Steifigkeit auf. Der freie Schenkel 120 weist ein aus einem Metallwerkstoff gebildetes Endstück 125 zur Halterung der Matrize 220 auf, wobei dieses Endstück 125 auch zur Aufnahme der bei einem Fügevorgang auftretenden Betrieblast F dient. Die Matrize 220 kann einstückig mit dem metallischen Endstück 125 ausgebildet sein. Bevorzugt ist vorgesehen, dass das metallische Endstück 125 aus einem massiven bzw. kompakten metallischen Werkstoff und insbesondere aus Stahl gebildet ist.
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Im Vergleich zu einem aus Faserverbundwerkstoff gebildeten Endstück weist das aus einem metallischen Werkstoff gebildete Endstück 125 sehr kompakte Abmessungen bzw. ein kleines Bauvolumen auf und verfügt trotzdem über eine hohe Festigkeit und ausreichende Steifigkeit. Aufgrund dieser kompakten bzw. platzsparenden Abmessungen des metallischen Endstücks 125 wird insgesamt die Handhabung des Rahmens 100 vereinfacht und die Zugänglichkeit, insbesondere zu verbauten Fügestellen an Kraftfahrzeugkarosserien, verbessert oder überhaupt erst ermöglicht (bspw. bei beengten Platzverhältnissen). Ferner ermöglicht das metallische Endstück 125 auch eine optimale Anbindung der Matrize 220. Zudem kann das metallische Endstück 125 gegen ein anderes Endstück gleicher oder verschiedener Bauart ausgewechselt werden, womit der Rahmen 100 einfach wartbar und reparierbar, sowie flexibel einsetzbar ist.
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Das metallische Endstück 125 ist in einem Verbindungsbereich bzw. Anbindungsbereich 122 durch korrespondierend gewölbte Montageflächen formschlüssig mit dem aus einem Faserverbundwerkstoff gebildeten Schenkelstumpf 121 des Schenkels 120 verbunden. Das Endstück 125 kann größer bzw. länger als dargestellt ausgebildet sein und kann insbesondere auch bis an das Mittelstück 130 heranreichen, was durch die punktierte Linie 122' veranschaulicht ist.
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Während eines Fügevorgangs muss die vom Stempel 210 auf die Matrize 220 aufgebrachte und vom Endstück 125 aufgenommene Betriebslast F in das Mittelstück 130 abgeleitet bzw. eingeleitet werden. Um dies optimal zu bewerkstelligen, ist das Endstück 125 mit einem vorgespannten Zuganker 140, wobei es sich bspw. um eine Dehnschraube handelt, mit dem Mittelstück 130 verspannt. Bei einem Fügevorgang wird die vom Endstück 125 aufgenommene Betriebslast F im Wesentlichen über diesen Zuganker 140 in das Mittelstück 130 eingeleitet. Die mit dem Zuganker 140 durch Vorspannung herbeigeführte Verspannung zwischen dem Endstück 125 und dem Mittelstück 130 ist so groß, dass diese von der Betriebslast F bei einem Fügevorgang nicht aufgehoben werden kann. Dies wird nachfolgend anhand der 2 noch näher erläutert.
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Der Zuganker 140 greift mit einem axialen Ende direkt am Endstück 125 an und ist beispielhaft mit dem Endstück 125 verschraubt. Im Weiteren erstreckt sich der Zuganker 140 durch eine im Schenkelstumpf 121 und im Mittelstück 130 ausgebildete Längsbohrung 141. Die Verbindung zwischen dem Zuganker 140 und dem Mittelstück 130 ist durch eine im Mittelstück 130 angeordnete zylindrische Hülse 150, die in einer entsprechenden Querbohrung 151 im Mittelstück 130 aufgenommen ist, realisiert. Der Zuganker 140 ist beispielhaft an seinem vom Endstück 125 wegweisenden axialen Ende mit der Hülse 150 verschraubt. Über den zugänglichen Innenraum der Hülse 150 kann die Vorspannung durch Verdrehen des Zugankers 140 verändert und eingestellt werden. Bei der gezeigten Ausführungsmöglichkeit kann die Vorspannung des Zugankers 140 auch über die gegebene Zugänglichkeit durch die Bohrung 126 im Endstück 125 verändert und eingestellt werden. Sowohl der Zuganker 140 als auch die Hülse 150 sind verdeckt angeordnet und führen somit zu keinen Beeinträchtigungen bei der Handhabung des Rahmens 100.
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Wie sehr gut in 2 erkennbar, erstreckt sich der Zuganker 140 bezüglich seiner axialen Längserstreckung K in einem spitzen Winkel a zur Bewegungs- und Kraftachse L des Stempels 210. D. h. die Achsen L und K sind spitzwinklig zueinander ausgerichtet. Die in Längsrichtung bzw. Axialrichtung K des Zugankers 140 wirksame Vorspannung V nimmt somit denselben spitzen Winkel a zur Kraftachse L der Betriebslast F ein, wobei der Kraftanteil in Richtung der Kraftachse L entgegen der auf das metallische Endstück 125 einwirkenden Kräfte bzw. entgegen der Betriebslast F gerichtet ist. Dieser Anteil ist mit F' bezeichnet. Die Vorspannung V führt zu einer Druckbeanspruchung im Faserverbundwerkstoff des Schenkelstumpfs 121 und des Mittelstücks 130, wobei Faserverbundwerkstoffe prinzipiell gut geeignet sind, mit vergleichsweise geringem Materialeinsatz hohe Druckkräfte aufnehmen und übertragen zu können.
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Die mit dem Zuganker 140 durch die Vorspannung V herbeigeführte Verspannung zwischen dem Endstück 125 und dem Mittelstück 130 ist so groß, dass diese von der auftretenden Betriebslast F bei einem Fügevorgang nicht aufgehoben werden kann. Während eines Fügevorgangs bleibt somit die Druckbeanspruchung im Faserverbundwerkstoff des Schenkelstumpfs 121 und des Mittelstücks 130 in vorteilhafter Weise erhalten und Zugspannungen treten nicht auf. Die bei einem Fügevorgang resultierende Kraft R weist immer noch einen Kraftanteil auf, der entgegen der auf die Matrize 220 einwirkenden Kraft bzw. Betriebslast F gerichtet ist. Eine Aufweitung des Rahmens 100 zwischen den Schenkeln 110 und 120 und ein daraus resultierender Fluchtungsfehler zwischen dem Stempel 210 und der Matrize 220 wird verhindert. Dies hat positive Auswirkungen auf die Qualität der hergestellten Fügeverbindung und auf den Verschleiß am Fügewerkzeug 200.
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Durch die großdimensionierten und gewölbten Montageflächen im Verbindungsbereich 122 zwischen Endstück 125 und Schenkelstumpf 121 und durch die ebenfalls groß dimensionierte und im Kraftübertragungsbereich ebenfalls gewölbte Hülse 150 werden Kerbspannungen im Faserverbundwerkstoff des Schenkelstumpfs 121 und des Mittelstücks 130 im Wesentlichen verhindert.
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Eine besonders bevorzugte Ausgestaltung sieht vor, dass im Verbindungsbereich 122 die korrespondierenden Montage- bzw. Kontaktflächen am Endstück 125 und am Schenkelstumpf 121 teilzylindrische Mantelflächen sind, wobei sich die Kraftachsen L und K des Stempels 210 und des Zugankers 140 im Mittelpunkt bzw. auf der Mittelachse M des zugehörigen Umfangskreises U schneiden. Dies ist in 2 gezeigt. D. h. die Wirkungslinien L und K der Betriebslast F und der Vorspannkraft V schneiden sich in der Mittelachse M der teilzylindrischen Montageflächen. Auf diese Weise kann gewährleistet werden, dass auch bei veränderlicher Betriebslast F die aus Vorspannung V und Betriebslast F resultierende Kraft R senkrecht zu den Montageflächen ausgerichtet ist bzw. wirkt. Damit entstehen in den kraftübertragenden Montageflächen nahezu ausschließlich Druckspannungen, was insbesondere für den Faserverbundwerkstoff des Schenkelstumpfs 121 im Verbindungsbereich 122 vorteilig ist. Scherbelastungen treten im Wesentlichen nicht auf.
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Abhängig von der Höhe der wirkenden Betriebslast F führt die vom metallischen Endstück 125 aufgenommene Kraft zu einer resultierenden Druckkraft R zwischen dem Endstück 125 und dem Mittelstück 130, wobei diese resultierende Druckkraft R insbesondere außerhalb der durch die Achse K des Zugankers 140 vorgegebenen Wirkungslinie der Vorspannung V liegt. Aufgrund der teilzylindrischen Montageflächen ist eine Kraftübertragung mit unvorherbestimmter Wirkrichtung, d. h. abweichend bzw. außerhalb von der durch die Lage des Zugankers 140 vorherbestimmten Wirkungslinie K der Vorspannkraft V, möglich. Scherkraftanteile, die durch Reibung und/oder Verklebung zwischen den Montageflächen herbeigeführt werden können, sind nicht erforderlich.
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Das zuvor erläuterte Verbindungsprinzip kann in allgemeiner Weise auch für Verbindungen zwischen anderen Bauteilen bei sonstigen Anwendungsfällen herangezogen werden. Dieses Verbindungsprinzip soll anhand der 3 nochmals in allgemeiner Weise veranschaulicht und erläutert werden, wobei analog zu den 1 und 2 gleiche Bezugszeichen verwendet sind.
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Die insgesamt mit J bezeichnete Verbindung ist so ausgestaltet bzw. konzipiert, dass jede Betriebslast F (d. h. auch eine die Richtung verändernde Betriebslast), deren Wirkungslinie W durch das Zentrum (bzw. durch den Mittelpunkt oder die Mittelachse) M des zylindrischen Verbindungsbereichs 122 weist, bei geeigneter Einstellung der Vorspannkraft V zu einer resultierenden Kraft R führt, die als senkrechte Druckkraft auf den Verbindungsbereich 122 bzw. auf die teilzylindrische Montagefläche 122a des Bauteils 120 wirkt, wobei zumindest das Bauteil 120 aus einem Faserverbundwerkstoff und insbesondere aus einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff (CFK) gebildet sein kann. Der Verbindungsbereich 122 bzw. die teilzylindrische Montagefläche 122a des Bauteils 120 ist somit immer einer reinen Druckbelastung mit resultierenden Druckspannungen (ohne Scherkraftanteile) ausgesetzt, solange die Richtung der resultierenden Druckkraft R innerhalb des Verbindungsbereichs 122 bzw. innerhalb der strichliniert dargestellten Grenzen G bleibt.
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Ferner kann die mit dem Zuganker 140 herbeigeführte Verspannung der Bauteile 120 und 125 durch die Betriebslast F nicht aufgehoben werden, solange die Betriebslast F unterhalb der Nennlast liegt, für die die Verbindung J ausgelegt ist.
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Eine solche Verbindung J und das damit einhergehende Verbindungsprinzip ist vorrangig für lasttragende oder lastaufnehmende und aus einem Faserverbundwerkstoff gebildete Bauteile geeignet, insbesondere unter der Voraussetzung, dass die Lastrichtung der aufzunehmenden Kraft bzw. Betriebslast F in ihrer Wirkungslinie W definiert werden kann und eine konzentrierte (d. h. annähernd punktförmige) Lasteinleitung in den Faserverbundwerkstoff nicht möglich ist, weswegen zur Aufnahme der Kraft bzw. Betriebslast F ein separates Bauteil, das aus einem anderen oder gegebenenfalls auch aus dem selben Werkstoff mit anderen Eigenschaften, vorzusehen ist, welches mit einer solchen Verbindung J an das aus Faserverbundwerkstoff gebildete Bauteil angebunden bzw. mit diesem verbunden ist. Der Winkel (a) zwischen der Längsachse K des Zugankers 140 und der Kraftachse bzw. Wirkungslinie W (bzw. Kraftachse L in den 1 und 2) der Betriebslast F kann hierbei auch ein stumpfer Winkel sein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10064238 A1 [0004]
- EP 0391551 A1 [0004]
