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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gefüge aus mehreren Bauteilen, insbesondere eine Kraftfahrzeugkarosserie. Im Bemühen, das Gewicht einer Kraftfahrzeugkarosserie zu minimieren, ohne dabei Einbußen an der statischen Belastbarkeit und der damit einhergehenden Sicherheit der Insassen dienen zu müssen, haben die Kraftfahrzeugkonstrukteure in den letzten Jahren zunehmend Möglichkeiten untersucht, unterschiedliche Werkstoffe in einer Kraftfahrzeugkarosserie zu kombinieren. Ein erhebliches Problem stellen dabei thermische Spannungen dar, die bei wechselnden Temperaturen zwischen aus verschiedenen Materialien bestehenden Bauteilen auftreten können, wenn diese an mehreren, voneinander entfernten Punkten fest miteinander verbunden sind.
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Aus
DE 10 2011 107 035 A1 ist ein Verfahren zum Fügen von Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten bekannt, bei dem die Bauteile auf eine Temperatur vorgewärmt werden, die in der Mitte eines Temperaturintervalls liegt, in welchem das fertige Gefüge formhaltig sein soll, so dass das Gefüge zwar an beiden Grenzen des Temperaturintervalls unter Spannung steht, diese Spannungen aber nicht so stark werden, dass sie das Gefüge verformen. Für eine Kraftfahrzeugkarosserie impliziert dies, dass sie, da in der Praxis die Umgebungstemperatur die untere Grenze dieses Temperaturintervalls bildet, die Karosserie während des Gebrauchs des Kraftfahrzeugs ständig unter Spannung steht und, wenn sie bei einem Unfall beschädigt wird, diesen Spannungen unter Umständen durch eine abrupte Verformung nachgeben kann. Darüber hinaus erfordert dieses bekannte Verfahren einen hohen Aufwand an Zeit, Energie und Material, da die benötigten Werkzeuge zum Aufheizen der zu verbindenden Komponenten bereitgestellt und betrieben werden müssen, und der Zeitaufwand zum Zusammenfügen der Karosserie sich wenigstens um die zum Temperieren der Bauteile benötigte Zeit verlängert.
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Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, ein Gefüge aus Bauteilen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zu schaffen, das auch bei starken Temperaturschwankungen nicht zu einer spannungsinduzierten Verformung neigt.
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Die Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zu Folge gelöst, indem bei einem Gefüge, insbesondere einer Kraftfahrzeugkarosserie, mit wenigstens zwei auf einer langgestreckten Überlappungszone aneinander befestigten Bauteilen aus Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten an wenigstens einem ersten der beiden Bauteile die Überlappungszone durch in ihrer Querrichtung orientierte Schwachstellen in in Längsrichtung aufeinanderfolgende Abschnitte unterteilt ist.
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Indem das erste Bauteil sich lokal an den Schwachstellen verformt, kann das Auftreten von Spannungen, die das Gefüge global verformen, verhindert werden. Ein zeitaufwendiger Temperierschritt ist nicht notwendig. Die Erzeugung der Schwachstellen kann mit geringem Aufwand in die Fertigung des ersten Bauteils, insbesondere durch Zuschneiden, Ausstanzen, Tiefziehen oder dergleichen, integriert werden.
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Eine feste Verbindung zum zweiten Bauteil sollte in mehreren dieser Abschnitte gebildet sein. Vorzugsweise sollte jeder dieser Abschnitte eine feste Verbindung aufweisen, denn wenn ein Abschnitt mit dem zweiten Bauteil unverbunden bleibt, können er und die ihn begrenzenden Schwachstellen durch eine einzige, eventuell breitere Schwachstelle ersetzt und die Struktur des ersten Bauteils auf diese Weise vereinfacht werden.
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Die feste Verbindung kann von beliebiger Art sein, die die Bauteile lokal aneinander unbeweglich fixiert, wie etwa eine Schweiß-, Niet-, Clinch- oder Klebverbindung.
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Indem die Schwachstellen bei steigender Temperatur enger und bei abnehmender Temperatur weiter werden, können sie das Wärmeausdehnungsverhalten des ersten Bauteils in der Überlappungszone an das des zweiten Bauteils angleichen, so dass eine Deformation analog zum bekannten Bimetalleffekt unterbleibt. Wenn das Bauteil mit dem höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten als erstes Bauteil ausgewählt wird, wird sich die Wärmeausdehnung des gesamten Gefüges im Wesentlichen nach dem niedrigeren Ausdehnungskoeffizienten des zweiten Bauteils richten.
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Einer einfachen und zweckmäßigen Ausgestaltung zu Folge sind die Schwachstellen als in Querrichtung der Überlappungszone orientierte Schlitze ausgebildet.
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Wenigstens das erste Bauteil sollte ein Zuschnitt aus Flachmaterial, insbesondere Blech, sein; dann kann sich die Überlappungszone entlang eines Rands des Flachmaterialzuschnitts erstrecken. Dies erleichtert es dem ersten Bauteil, der in der Überlappungszone einwirkenden Spannung nachzugeben, ohne dadurch irreversibel verformt zu werden. Natürlich kann auch das zweite Bauteil ein Flachmaterialzuschnitt sein und die Überlappungszone auch am Rand dieses Zuschnitts verlaufen.
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Ein reversibles Nachgeben des ersten Bauteils bei thermischer Spannung kann insbesondere dadurch erleichtert sein, dass die Schlitze zum Rand des Flachmaterialzuschnitts des ersten Bauteils offen sind.
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Eine Aufweitung an einem randfernen Ende der Schlitze trägt dazu bei, die in dem ersten Bauteil auftretenden thermischen Spannungen räumlich zu verteilen und der Gefahr der Bildung von Spannungsrissen im ersten Bauteil, insbesondere am randfernen Ende der Schlitze, entgegenzuwirken.
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Zur Vermeidung von übermäßigen, eventuell materialschädigenden Spannungen an den randfernen Enden der Schlitze kann ferner beitragen, dass deren Entfernung vom Rand größer ist als die Entfernung der festen Verbindungen vom Rand.
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Um eine Undichtigkeit des Gefüges zu vermeiden, sollten die Schlitze von dem zweiten Bauteil vollständig überdeckt sein.
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Um zu verhindern, dass sich Schmutz oder Feuchtigkeit in den Schlitzen sammelt, können diese mit einer dauerelastischen Dichtungsmasse ausgefüllt sein.
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Wenn das erste Bauteil den niedrigeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten hat, sollte das Ausfüllen der Schlitze mit der Dichtungsmasse sollte niedriger Temperatur erfolgen. So kann sichergestellt werden, dass die Dichtungsmasse allenfalls auf Druck, nicht aber auf Zug belastet wird, der ein Aufreißen der Verbindung der Dichtungsmasse zu den die Schlitze begrenzenden Flanken des ersten Bauteils zur Folge haben könnte.
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Einer möglichen Anwendung zu Folge bilden die beiden Bauteile zusammen ein Hohlprofil, im Falle einer Kraftfahrzeugkarosserie insbesondere einen Karosserielängs- oder Querträger oder einen Schweller.
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Einer bevorzugten Anwendung zu Folge ist eines der beiden Bauteile ein Dachblech einer Fahrzeugkarosserie, und das andere ist ein Holm, der sich seitlich vom Dachblech, insbesondere über einer Türöffnung der Karosserie, erstreckt.
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Bei einer typischen Anwendung ist das erste Bauteil aus Aluminium, während das zweite Bauteil aus Stahl bestehen kann.
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Beim Trocknen einer aufgebrachten Lackschicht ist ein Gefüge wie etwa eine Kraftfahrzeugkarosserie meist hohen Temperaturen ausgesetzt, so dass insbesondere während des Trocknens der Lackschicht starke thermische Spannungen auftreten können. Derartige lackierte Gefüge bilden ein bevorzugtes Anwendungsgebiet der Erfindung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Rahmenstruktur einer Kraftfahrzeugkarosserie;
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2 ein vergrößertes Detail aus der Rahmenstruktur der 1 in perspektivischer Ansicht;
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3 das Detail der 2 in Draufsicht;
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4 eine zu 3 analoge Draufsicht gemäß einer abgewandelten Ausgestaltung;
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5 ein Oberteil einer Kraftfahrzeugkarosserie;
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6 einen Schnitt entlang der Ebene VI-VI aus 5; und
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7 eine Überlappungszone zwischen zwei Bauteilen gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt als ein erstes Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung einen Ausschnitt aus einer einen unteren Teil einer Kraftfahrzeugkarosserie bildenden Rahmenstruktur. Die Rahmenstruktur umfasst in an sich bekannter Weise einen Längsträger 1, der sich im Wesentlichen über die gesamte Länge der Fahrzeugkarosserie erstreckt und von dem hier lediglich ein hinterer Teil gezeigt ist, der sich von einem Fersenblech 2 in Richtung des Fahrzeughecks erstreckt. Die Rahmenstruktur ist spiegelsymmetrisch bezüglich einer in 1 durch eine strichpunktierte Linie 3 markierten Symmetrieebene; die sich jenseits der Symmetrieebene erstreckenden Hälften des Fersenblechs 2 sowie von von dem Längsträger 1 ausgehenden Querträgern 4, 5 sind in der Figur nicht dargestellt.
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Der Längsträger 1 setzt sich aus mehreren Blechen zusammen, die in sich in Fahrzeuglängsrichtung erstreckenden Überlappungszonen miteinander verbunden sind, indem an den Rändern der Bleche geformte langgestreckte Flansche aneinander verschweißt, verklebt oder in anderer Weise befestigt sind. Zwei solche Bleche, die miteinander in Überlappungszonen 6, 7 verbunden sind und einander zumindest an einem vorderen Ende des gezeigten Abschnitts des Längsträgers 1 zu einem geschlossenen Hohlprofil ergänzen, sind mit 8 bzw. 9 bezeichnet.
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Ein weiteres langgestrecktes Blech 10, das vor dem Fersenblech 2 einen umgekehrt hutförmigen Querschnitt aufweist und unterhalb einer (nicht dargestellten) Bodenplatte der Fahrgastzelle verläuft, verschmilzt in Höhe einer hinteren Radkastenaussparung 11 mit den Blechen 8, 9 und ist mit dem Blech 9 in einer Überlappungszone 12 verbunden. Auch die Querträger 4, 5 setzen sich jeweils aus zwei langgestreckten, an Überlappungszonen 13 miteinander verbundenen Blechen zusammen.
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Die miteinander entlang der Überlappungszonen 6, 7, 12 oder 13 miteinander verbundenen Bleche können aus unterschiedlichen Materialien bestehen, insbesondere kann eines der Bleche aus Stahl und das andere Blech aus Aluminium bestehen.
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In den Überlappungszonen berühren sich jeweils zwei Flansche der beiden Bleche, wie in 2 exemplarisch für die Bleche 8, 9 vergrößert gezeigt. Um zu verhindern, dass sich bei hoher Temperatur, insbesondere wenn nach dem Lackieren der Karosserie diese bei hoher Temperatur getrocknet wird, die miteinander verbundenen Bleche verziehen, ist bei einem der beiden Bleche, hier dem Aluminiumblech 9, der Flansch 15 durch eine Vielzahl von zum Rand des Blechs hin offenen Schlitzen 16 in zungenartige Abschnitte 17 gegliedert, von denen jeder einzelne am gegenüberliegenden Flansch 14 des Stahlblechs 8 durch Verbindungen 18 in Form von Schweiß- oder Klebepunkten, Nieten oder dergleichen befestigt ist. Die im Vergleich zu Stahl höhere Wärmeausdehnung des Aluminiums führt dazu, dass bei hoher Temperatur die Schlitze 16 geringfügig enger werden. So werden Spannungen zwischen den Blechen 8, 9, die anderenfalls zur Verbiegung oder zum Aufreißen der Verbindungen 18 führen könnte, vermieden. Aufweitungen 19 an den randfernen Enden der Schlitze 16 erleichtern die erforderliche Deformation des Blechs 9 und verhindern, dass sich die Spannungen im Blech 9, insbesondere an den Enden der Schlitze 16, auf so engem Raum konzentrieren, dass es dort zum Knicken oder Reißen des Blechs 9 kommen kann.
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Die Schlitze 16 sind in 2 und 3 leer dargestellt; in der Praxis können sie, insbesondere wenn die Möglichkeit des Kontakts mit korrosionsfördernden Stoffen wie etwa Niederschlagswasser oder von der Fahrbahn aufgewirbeltem Schmutz besteht, zweckmäßigerweise mit einer dauerelastischen Dichtungsmasse ausgefüllt sein, die diese Stoffe daran hindert, sich in den Schlitzen 16 anzusammeln und vorzugsweise dem Flansch 15 an seiner vom Flansch 14 abgewandten Oberseite eine ebene Oberfläche verleihen, die diese Stoffen möglichst wenig Halt bietet.
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4 zeigt eine zu 3 analoge Draufsicht auf miteinander verbundene Flansche 14, 15 der zwei Bleche 8, 9, wobei die Verbindung hier durch eine auf den nicht geschlitzten Flansch 14 des Blechs 8 kontinuierlich aufgetragene Klebstoffraupe 20 gebildet ist. Der Klebstoff dringt beim Gegeneinanderdrücken und Verkleben der Flansche 14, 15 ein Stück weit in die Schlitze 16 des Blechs 9 ein, ist aber auch im ausgehärteten Zustand noch nachgiebig genug, um eine Verengung der Schlitze 16 bei hoher Temperatur nicht zu behindern.
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Auch hier können die Schlitze 16, soweit sie nicht bereits von dem Klebstoff ausgefüllt sind, mit der oben erwähnten Dichtungsmasse ausgefüllt sein.
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5 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Oberteils einer Kraftfahrzeugkarosserie. Ein Dachblech 21 ist hier beiderseits flankiert von Holmen 22, die oberhalb von Türöffnungen 23, 24 A- und C-Säulen 25, 26 der Karosserie miteinander verbinden.
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6 zeigt im Schnitt entlang der in 5 mit VI-VI bezeichneten Ebene einen partiellen Schnitt durch einen der Holme 22 und das daran angrenzende Dachblech 21. Der Holm 22 ist zusammengefügt aus einem Außenblech 27, einem Innenblech 28, die miteinander über in eine beiderseits von den Holmen 22 begrenzte Dachöffnung 29 hinein vorspringende, in Fahrzeuglängsrichtung langgestreckte Flansche 30, 31 sowie über in der 6 nicht gezeigte Flansche am oberen Rand der Türöffnung 24 verbunden sind.
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Ein Verstärkungsblech 32 erstreckt sich durch den von Außen- und Innenblech 27, 28 begrenzten Hohlraum und greift zwischen die jeweils miteinander verbundenen Flansche von Außen- und Innenblech 27, 28 ein.
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Das Dachblech 21 ist an seinem seitlichen Rand C-ähnlich gebogen, mit einer in etwa aufrechten Flanke 33, die einer ansteigenden Flanke des Außenblechs 27 gegenüberliegt, und einem an die Flanke 33 anschließenden, in etwa horizontal ausgerichteten Flansch 34. Die Flansche 30, 31 und 34 bilden eine Überlappungszone, in der sich der Flansch 34 des Dachblechs 21 auf den Flanschen 30, 31 des Holms 22 abstützt und an diesen durch eine in Fahrzeuglängsrichtung verlaufende Klebstoffraupe 20, analog zur Darstellung der 4, befestigt ist. Auch hier ist der Flansch 34 des aus Aluminium bestehenden Dachblechs 21 durch zahlreiche Schlitze 16 in Längsrichtung unterteilt, die, indem sie bei hoher Temperatur enger werden, das Auftreten von verformenden Verspannungen zwischen dem Dachblech 23 und den stählernen Blechen 27, 28, 32 des Holms 22 verhindern.
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7 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Ausschnitt aus zwei miteinander verbundenen Flanschen 14, 15, ähnlich denjenigen der 3 und 4. Während jedoch in 3 und 4 Schlitze 16 den Flansch 15 des Blechs 9 schwächen, sind zu diesem Zweck in 7 Sicken 35 in das Blech 9 eingeprägt. Auch diese können, wenn sich die zwischen ihnen liegenden Abschnitte 17 bei hoher Temperatur stärker ausdehnen als das gegenüberliegende Blech 8, durch Engerwerden Spannungen abfangen.
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Als ein weiteres Beispiel einer möglichen festen Verbindung 18 zwischen den Blechen 8, 9 sind in 7 Clinch-Verbindungen in den Abschnitten 17 angedeutet.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere können die erwähnten Bleche aus anderen Metallen als aus Stahl und Aluminium bestehen, auch Paarungen von Metall mit Verbundwerkstoffen wie etwa Organoblech oder Paarungen von Verbundwerkstoffen untereinander sind möglich
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Allgemein gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Längsträger
- 2
- Fersenblech
- 3
- Linie
- 4
- Querträger
- 5
- Querträger
- 6
- Überlappungszone
- 7
- Überlappungszone
- 8
- Blech
- 9
- Blech
- 10
- Blech
- 11
- Radkastenaussparung
- 12
- Überlappungszone
- 13
- Überlappungszone
- 14
- Flansch
- 15
- Flansch
- 16
- Schlitz
- 17
- Abschnitt
- 18
- Verbindung
- 19
- Aufweitung
- 20
- Klebstoffraupe
- 21
- Dachblech
- 22
- Holm
- 23
- Türöffnung
- 24
- Türöffnung
- 25
- A-Säule
- 26
- C-Säule
- 27
- Außenblech
- 28
- Innenblech
- 29
- Dachöffnung
- 30
- Flansch
- 31
- Flansch
- 32
- Verstärkungsblech
- 33
- Flanke
- 34
- Flansch
- 35
- Sicke
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011107035 A1 [0002]
