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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen einem Gusselement aus Leichtmetall und einem Stahlprofil sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Kraftfahrzeugbauteil umfassend mehrere Gusselemente aus einem Leichtmetall, die durch ein oder mehrere Stahlprofile miteinander verbunden sind.
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Im modernen Automobilbau sind Leichtmetalle als Material für gewichtsparende leichtbauende Komponenten nicht mehr wegzudenken. Materialien wie Aluminium oder Magnesium können mit Hilfe von Guss- oder Strangpressverfahren in äußerst komplexe Geometrien gebracht werden. Die Formvariabilität ist dabei nahezu beliebig. Nachteilig wirkt sich aber die relativ geringe Steifigkeit der Leichtmetalle gegenüber im Automobilbau üblichen Stahlwerkstoffen aus. Stahlwerkstoffe wiederum sind zwar günstiger als Leichtmetallwerkstoffe, sind allerdings in punkto Gestaltungsmöglichkeit und Gewicht unterlegen. Demzufolge nehmen die Bestrebungen zu, die Materialeigenschaften beider Werkstoffgruppen miteinander zu kombinieren.
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Hier tritt jedoch das Problem auf, dass diese Werkstoffe im Allgemeinen nur sehr schwer miteinander stoffschlüssig verbunden werden können. Aus dem Stand der Technik sind mehrere Verfahren bekannt, diese Hürde zu überwinden.
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In der
DE 10 2009 037 905 A1 wird eine Klebeverbindung zwischen einem Leichtmetallkörper aus Leichtmetallguss und einem Rohrkörper aus Stahl offenbart. Zwischen den beiden Komponenten ist eine Klebstofftasche vorgesehen, die mit Klebstoff befüllt ist. Des Weiteren sind an den inneren und äußeren Übergangsbereichen des Stahlrohrs und des Leichtmetallkörpers ebenfalls Klebungen vorgesehen, die zudem die Gefügezone vor Korrosion schützen. Klebeverbindungen sind allerdings in ihrer Tragfähigkeit begrenzt. Außerdem wird die Lebensdauer von entsprechenden Fahrzeugkomponenten durch die Alterung der Klebung eingeschränkt. In der Herstellung sind solche Bauteile ebenfalls aufwendig, da die Fügeflächen vor dem Fügen vorbehandelt werden müssen, um die Oberflächen zu aktivieren und/oder um Schmutz- und Ölreste zu entfernen.
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Die
DE 10 2008 038 276 A1 offenbart eine mechanische formschlüssige Verbindung zwischen einem ersten Fahrwerksteil, bei dem es sich um ein Stahlrohr oder ein Stahlprofil handeln kann und einen zweiten Fahrwerksteil, dass ein Aluminiumgussteil oder Schmiedeteil sein kann. Beide Bauteile werden in einem Überlappungsbereich formschlüssig und kraftschlüssig durch Innenhochdruckfügen miteinander verbunden. Nachteilig ist hier insbesondere, dass für dieses Verfahren ein Innenhochdruckwerkzeug notwendig ist, was einen erheblichen finanziellen Aufwand bedeutet.
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Weiterhin lehrt die
DE 10 2008 020 467 A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Hilfsrahmens, wobei ein Rahmen aus Hohlprofilen aus einem Stahlwerkstoff in ein Gießwerkzeug eingelegt wird und zur Ausbildung von Gussknoten bereichsweise umgossen wird. Hier sind allerdings sehr große und teure Gießwerkzeuge erforderlich. Bei der Entnahme aus dem Gießwerkzeug besteht zudem die Gefahr, dass die Gesamtstruktur verzogen wird. Problematisch für das Gießwerkzeug ist es zudem, eine ausreichende Dichtigkeit über das ganze Volumen des Bauteils herzustellen.
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Die
DE 103 57 939 A1 offenbart eine Tragrahmenstruktur, die als dünnwandiges Stahlgussteil ausgestaltet ist. In dieser Tragrahmenstruktur ist ein Stahlblech eingebettet, dass dazu dient, das Stahlgussteil mit weiteren Fahrzeugteilen zu verbinden.
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Die
WO 2008/004715 A1 offenbart eine Verbindungsanordnung zwischen einem Gusselement aus Leichtmetall mit einem Stahlprofil, wobei das Stahlprofil unmittelbar über ein metallisches Kopplungselement mit dem Gusslement verbunden ist. Ein Endabschnitt des Kopplungselements ist von dem Gusselement umgossen. Ein weiterer Endabschnitt des Stoffes wird durch eine Schweißung mit dem Stahlprofil verbunden. Darüber hinaus weist das Kopplungselement Löcher auf, die von dem Material des Gusselements durchgriffen sind, wodurch ein Formschluss erzeugt wird, der die Verbindung stabiler werden lässt. Der Nachteil ist hier allerdings, dass diese Formschlusslöcher durch ein zusätzliches Werkzeug in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt eingebracht werden müssen, was insbesondere bei hochfesten Materialien mit erhöhtem Aufwand verbunden ist.
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Auch die
DE 10 2011 108 126 A1 offenbart eine Verbindungsanordnung zwischen einem Gusselement aus Leichtmetall und einem Stahlprofil, wobei die Verbindung mittelbar über ein metallisches Kopplungselement erzeugt ist. Ein Endabschnitt des Kopplungselements ist von dem Gusselement umgossen, wobei das Kopplungselement eine Oberflächenbeschichtung aufweist, die bei dem Gussvorgang aufschmilzt und ein Stoffschluss zwischen dem Kopplungselement und dem Gusselement erzeugt. Ein weiterer Endabschnitt des Kopplungselements ist stoffschlüssig mit dem Stahlprofil verbunden. Nachteilig ist hier insbesondere die Beschichtung des Kopplungselements, die einen zusätzlichen Bearbeitungsschritt erfordert und außerdem erhöhte Kosten verursacht.
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Es ist also Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verbindungsanordnung vorzuschlagen, durch die Leichtmetallbauteile mit Stahlbauteilen verbunden werden können, wobei die Verbindungsanordnung möglichst einfach und kostengünstig erzeugbar sein, den Leichtbauanforderungen des modernen Automobilbaus Rechnung trägt sowie eine stabile und dauerhafte Verbindung garantieren soll. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Verbindungsanordnung bereitzustellen sowie ein Kraftfahrzeugbauteil vorzuschlagen, das aus mehreren Gusselementen aus Leichtmetall besteht, die durch ein oder mehrere Stahlprofile miteinander verbunden sind.
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Betreffend die Verbindungsanordnung wird die Aufgabe gelöst durch eine Verbindunganordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Besondere Ausgestaltungen der Verbindungsanordnung sind durch die abhängigen Ansprüche 2 bis 4 beschrieben. Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung gemäß Patentanspruch 5. Erfindungsgemäße Weiterbildungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Unteransprüche 6 bis 9. Die Aufgabe ein Kraftfahrzeugbauteil betreffend wird gelöst durch ein Kraftfahrzeugbauteil gemäß Patentanspruch 10, wobei erfindungsgemäße Weiterbildungen des Kraftfahrzeugbauteils in den abhängigen Ansprüchen 11 und 12 erfasst werden.
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Die Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zwischen einem Gusselement aus Leichtmetall und einem Stahlprofil, wobei das Stahlprofil mittelbar über ein metallisches Kopplungselement mit dem Gusselement verbunden ist. Bei dem Kopplungselement handelt es sich um ein offenes oder geschlossenes Profil, wobei ein Endabschnitt des Kopplungselements von dem Gusselement umgossen ist und ein weiterer Endabschnitt des Kopplungselements stoffschlüssig mit dem Stahlprofil verbunden ist. Der von dem Gusselement umgossene Endabschnitt des Kopplungselements ist zumindest bereichsweise aufgeweitet.
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Das Kopplungselement dient gewissermaßen als Adapter zur Verbindung der Gusselemente aus Leichtmetall und der Stahlprofile, da eine direkte Verbindung üblicherweise nur sehr aufwendig zu erzeugen ist. Bevorzugt wird für das Kopplungselement ebenfalls ein Stahlwerkstoff, insbesondere verzinkter Stahl, verwendet.
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Das Kopplungselement ist ein offenes oder geschlossenes Profil. Bei dem Kopplungselement handelt es sich beispielsweise um ein kurzes Stück Rohr aus einem Stahlwerkstoff, das umfangsseitig offen oder geschlossen ist. Als geschlossenes Profil hat das Kopplungselement beispielsweise Zylinderform, als offenes Profil beispielsweise einen U-Querschnitt. Je nach Bedarf und Anforderung an das Werkstück kann das Kopplungselement aber einen beliebigen Querschnitt, auch einen variierenden Querschnitt über seine Länge aufweisen. Die Stahlprofile, die hier zum Einsatz kommen, können umfangsseitig offen oder geschlossen sein. Es ist möglich, die Stahlprofile vor oder nach dem Verbinden mit dem Gusselement aus Leichtmetall zu biegen. Idealerweise sind sie auch mit Anbindungen für weitere Bauteile versehen. Es ist möglich, Ausnehmungen zur Gewichtsersparnis oder auch zu Anbindungszwecken in das Stahlprofil einzubringen.
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Für das Stahlprofil kommen im Automobilbau übliche Materialien zum Einsatz. Insbesondere werden verzinkte Stähle eingesetzt, da diese bereits über einen Korrosionsschutz verfügen, so dass eine spätere Beschichtung nicht mehr notwendig wird.
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Um eine weitere Gewichtsersparung zu erhalten, werden insbesondere dünnwandige Stahlprofile aus hochfesten Materialien eingesetzt. Zudem ist es möglich, an Stelle von klassischen langgestreckten Stahlprofilen auch räumlich weiter ausgedehnte Blechschalen einzusetzen, die gleichzeitig mehrere Gusselemente miteinander verbinden.
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Für die Gusselemente kommen Leichtmetalle zum Einsatz wie beispielsweise Aluminium oder Magnesium. Diese Materialien lassen sich in unterschiedlichsten Gussverfahren sehr einfach verarbeiten. Als Fertigungsverfahren kommen Druckguss, Kokillenguss und weitere übliche Gussverfahren in Frage.
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Ein Endabschnitt des Kopplungselements ist von dem Gusselement umgossen und ein weiterer Endabschnitt des Kopplungselements stoffschlüssig mit dem Stahlprofil verbunden.
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Das Kopplungselement verbindet folglich das Gusselement und das Stahlprofil dauerhaft und fest miteinander. Auf der einen Seite geht das Kopplungselement eine stoffschlüssige Verbindung mit dem Stahlprofil ein, wobei hier als Verbindungsverfahren beispielsweise Schweißen oder Löten in Frage kommen. Die Verbindung kann äußerst einfach mit fachüblichen Schweißverfahren wie beispielsweise MAG-Schweißen oder Laserschweißen erzeugt werden. Ein solcher Prozessschrift bedarf also keiner aufwendigen Einrichtungen und ist mit relativ geringen Mitteln und Fachwissen zu realisieren.
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Mit dem Gusselement ist das Kopplungselement hingegen durch einen Formschluss verbunden. Es ist vorgesehen, dass der von dem Gusselement umgossene Endabschnitt des Kopplungselements zumindest bereichsweise aufgeweitet ist. Unter einer Aufweitung ist zu verstehen, dass der Querschnitt des Kopplungselements zu dem vom Gusselement umgossenen Ende hin kontinuierlich oder in mehreren aufeinanderfolgenden diskreten Schritten vergrößert wird. Beispielsweise kann der Endabschnitt eine trompetenförmige oder trichterförmige Ausgestaltung aufweisen. Durch diese Aufweitung des von dem Gusselement umgossenen Endabschnitts wird ein Hinterschnitt erzeugt, der den Formschluss zwischen dem Kopplungselement und dem Gusselement verbessert. Das Ergebnis ist eine stabilere Verbindung zwischen den beiden Bauteilen.
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Damit ist es nicht notwendig, beispielsweise Aluminium oder Magnesium und einen Stahlwerkstoff direkt schweißtechnisch oder löttechnisch miteinander zu verbinden. Es ergibt sich also eine vorteilhafte Kombination der Werkstoffe für den Leichtbau Die jeweils positiven Materialeigenschaften und Verarbeitbarkeit werden genutzt, wobei hier insbesondere die komplementären Eigenschaften eine Rolle spielen. Durch die leichte Verarbeitbarkeit des Leichtmetalls in Gussverfahren ist es möglich, äußerst komplexe Gusselemente zu erzeugen. Die mangelnde Steifigkeit von Aluminium- oder Magnesiumwerkstoffen wird durch die hochfesten Materialeigenschaften der Stahlprofile kompensiert, die ihrerseits wieder schwer zu bearbeiten sind und im Wesentlichen Tragfähigkeit und Steifigkeit in das Gesamtbauteil einbringen.
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Bei der Herstellung der Gusselemente ist es zudem möglich, einfach gestaltete Gusswerkzeuge einzusetzen. Die im Gegensatz zu den Stahlprofilen relativ kleinen Kopplungselemente sind leichter in einem Gusswerkzeug zu handhaben, wobei gleichzeitig die Dichtigkeit des Gusswerkzeugs einfacher als bei langen Stahlprofilen während des Gussvorganges gewährleistet werden kann. Auch nach der Entnahme oder beim Entnehmen des Gusselements aus dem Gießwerkzeug ist die Gefahr eines Verzuges viel geringer, als dies bei einem Umgießen eines kompletten Stahlrahmens der Fall wäre. Auch wird der Wärmeeintrag in den Stahl während des Gießprozesses minimiert und es besteht auch nicht die Gefahr, dass flüssiges Aluminium in die hohlen Stahlprofile eindringt, wodurch ebenfalls ein unerwünschter Wärmeeintrag in den Stahl verbunden wäre.
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Bevorzugt weist das Kopplungselement in dem von dem Gusselement umgossenen Endabschnitt zumindest ein Formschlusselement auf. Bei dem Formschlusselement kann es sich beispielsweise um eine Sicke, eine Ausnehmung, einen Durchbruch, eine Ausbeulung oder Ähnliches handeln. Das flüssige Leichtmetall kann dann während des Gießprozesses das Formschlusselement durchgreifen oder in das Formschlusselement eingreifen, wodurch eine stabilere Verbindung zwischen dem Kopplungselement und dem Gusselement hergestellt wird. Der verbesserte Formschluss wird dann dadurch hergestellt, dass das Gusselement das Kopplungselement durchgreift oder einen Hinterschnitt bildet.
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Weiterhin ist es in einer besonderen Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass das mit dem Stahlprofil verbundene Ende des Kopplungselementes eine Außenkontur aufweist, die komplementär zur Innenkontur des Stahlprofils ist, sodass das Stahlprofil auf das Kopplungselement aufsteckbar ist oder dass das mit dem Stahlprofil verbundene Ende des Kopplungselements eine Innenkontur aufweist, die komplementär zur Außenkontur des Stahlprofils ist, sodass das Kopplungselement auf das Stahlprofil aufsteckbar ist. Diese Ausgestaltung der Erfindung verbessert in vorteilhafter Weise den Herstellungsprozess. Werden die Bauteile mit ihren Stirnseiten direkt stumpf aufeinander geschweißt, müssen sie in einer Spannvorrichtung für die Schweißung festgehalten werden. Bereits geringe Toleranzabweichungen oder Schweißverzüge könnten dann ein nicht optimales Endergebnis liefern. Durch das Aufstecken der beiden Bauteile aufeinander sind diese bereits relativ zueinander fixiert, so dass eine entsprechende Spannvorrichtung entsprechend einfacher gestaltet werden kann und die Schweißnaht mit hoher Präzision und minimalen Verzügen aufgebracht werden kann.
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Die Schweißnaht verbindet dann insbesondere den endseitigen Rand des jeweils außen liegenden Bauteils mit der Außenoberfläche des innenliegenden Bauteils.
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Insbesondere wenn beide Bauteile geschlossene Profile sind, ist diese Maßnahme von großem Vorteil, aber auch bei offenen Profilen ist es möglich, diese jeweils aufeinander zu stecken. Wichtig ist lediglich, korrespondierende Innen- und Außenkonturen vorzusehen, so dass keine Verschiebung der beiden Bauteile zueinander möglich ist.
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Um diese Steckverbindung stabiler auszugestalten, ist in einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung vorgesehen, dass zwischen den überlappenden Abschnitten von Kopplungselement und Stahlprofil eine kraftschlüssige Verbindung ausgebildet ist. Durch das Aufeinanderstecken der beiden Bauteile wird ein Presssitz ausgebildet, der zum einen die relative Unbeweglichkeit der beiden Bauteile zueinander während des Schweißens und davor verbessert. Gleichzeitig wird die Verbindung zwischen Kopplungselement und Stahlprofil zusätzlich zu der Schweißung oder stoffschlüssigen Verbindung weiter verbessert. Dies wirkt sich auch positiv auf die Lebensdauer aus, da durch Belastung der verbundenen Bauteile die Schweißnaht dann weniger geschädigt wird.
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Weiterhin beansprucht wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung zwischen einem Gusselement und einem Stahlprofil, wobei ein Gusskern, insbesondere ein Sandkern, und ein metallisches Kopplungselement, in ein Gusswerkzeug eingelegt werden und danach ein Gusselement aus einem Leichtmetall gießtechnisch hergestellt wird, wobei der Gusskern und ein Endabschnitt des Kopplungselementes umgossen werden, wobei der Gusskern nach dem gießtechnischen Herstellen des Gusselements entfernt wird, so dass ein hohles Gusselement ausgebildet wird und anschließend ein Stahlprofil mit einem weiteren freien Endabschnitt des Kopplungselements verbunden wird.
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Die hier zum Einsatz kommenden Gießwerkzeuge können sehr einfach und kompakt gestaltet werden. Es werden hier lediglich die in ihren Ausdehnungen relativ kleinen Kopplungselemente in dem Gusswerkzeug verarbeitet und nicht die relativ langen Stahlprofile, wodurch die Ausmaße der Gusswerkzeuge automatisch kleiner werden. Entsprechende Gusswerkzeuge sind zudem leichter abzudichten.
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Der Gusskern wird während des Gießvorganges mit dem flüssigen Leichtmaterial umgossen. Durch die Erzeugung eines hohlen Gusselements wird das Material optimal eingesetzt, das Bauteil insgesamt günstiger und auch leichter. Handelt es sich bei dem Kopplungselement um ein hohles Profil, kann der Gusskern nach dem Gießvorgang äußerst einfach durch das Kopplungselement entfernt werden. Würde man hingegen die Stahlprofile direkt mit dem Gusselement verbinden, müsste der Gusskern in dem fertigen Bauteil verbleiben, da eine Entfernung nicht mehr unproblematisch möglich wäre. Nach der Entnahme des Gusselements aus dem Gusswerkzeug können zusätzliche Bearbeitungsschritte wie Entgraten, Sandstrahlen oder Oberflächenreinigung erfolgen.
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Durch das nachträgliche Anbringen der Stahlprofile an den Kopplungselementen wird vermieden, dass beim gießtechnischen Herstellen des Gusselements flüssiges Leichtmetall in die Stahlprofile eindringt. Dies hätte einen ungewollten Wärmeeintrag und damit eine Veränderung der Materialeigenschaften sowie möglicherweise Verzüge in der Struktur der Stahlprofile zur Folge. Wäre ein bereits vollständiger Stahlrahmen hier gießtechnisch mit den Gusselementen zu versehen, bestünde auch die Gefahr, dass bei der Entnahme des Rahmens Verzüge entstehen. Dadurch, dass kleinere Werkzeuge verwendet werden können, werden auch die Kosten für die Herstellung von Bauteilen mittels dieses Verfahrens verringert, so dass ein entsprechendes Verfahren für den Serieneinsatz attraktiver wird.
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Es ist auch möglich, dass das Gusselement und Kopplungselement nicht sofort nach dem Gussvorgang aus dem Gusswerkzeug entnommen werden, sondern dass das Gusswerkzeug bereits als Fixiermittel dient, um das Kopplungselement vor dem Schweißvorgang einzuspannen, sodass das Gusswerkzeug gleichsam als Teil eines Spannwerkzeugs fungiert und das Stahlprofil und Kopplungselement vor dem Verbinden lagefest zueinander festhält.
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Ein Kopplungselement kann auch derart gestaltet sein, dass es mehrere freie Endabschnitte aufweist, so dass mehrere Stahlprofile an dem Kopplungselement angebunden werden können.
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Bevorzugt wird das Kopplungselement stoff- und/oder kraftschlüssig mit dem Stahlprofil verbunden. Ein Stoffschluss zwischen den beiden Bauteilen ist durch übliche Verbindungstechniken wie Schweißen oder Löten durchführbar. Zum Einsatz kommen können unterschiedlichste industriell genutzte Schweißverfahren wie beispielsweise MAG- oder Laserschweißen.
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Eine kraftschlüssige Verbindung kann hergestellt werden, indem Kopplungselement und Stahlprofil aufeinander gesteckt werden, wobei sich im überlappenden Bereich der beiden Bauteile ein Presssitz ausbildet. Dies hat den besonderen Vorteil, dass beide Bauteile für einen nachfolgenden Stoffschluss bereits zueinander lagefixiert sind. Es kann sowohl das Stahlprofil auf das Kopplungselement als auch das Kopplungselement auf das Stahlprofil aufgesteckt werden.
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Zusätzlich werden beide Bauteile in einer Schweißvorrichtung gegeneinander fixiert. Dies ist insbesondere dann wichtig, wenn kein Kraftschluss oder Steckverbindung zwischen beiden Bauteilen hergestellt wird, so dass die beiden Bauteile stumpf an ihren jeweiligen stirnseitigen Rändern miteinander verbunden werden müssen.
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Das Stahlprofil kann vor oder nach der Verbindung mit dem Kopplungselement gebogen und/oder mechanisch bearbeitet werden. Dies dient insbesondere der optimalen Ausnutzung von Bauraum, dem Einbringen von Durchführungen oder Anbindungen für weitere Bauteile eines Fahrzeugs oder auch der Gewichtsersparnis.
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Weiterhin sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, dass an dem Kopplungselement vor dem Umgießen zumindest ein Formschlusselement ausgebildet wird. Bei einem Formschlusselement handelt es sich um eine Sicke oder eine Ausnehmung oder einen Durchbruch oder auch eine Ausbeulung oder dergleichen. Diese Formschlusselemente werden üblicherweise durch eine mechanische Bearbeitung wie Schneiden, Prägen, Stanzen oder andere Umformverfahren in das Kopplungselement eingebracht. Die Formschlusselemente dienen dazu, eine verbesserte Verbindung zwischen dem Gusselement und dem Kopplungselement durch einen zusätzlichen Formschluss zu erreichen.
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Bevorzugt wird das Kopplungselement vor dem Einlegen in das Gusswerkzeug auf den Gusskern aufgesteckt. Der Gusskern besitzt zu diesem Zweck eine Nase, die das Kopplungselement voll oder teilweise ausfüllt. Dadurch werden Gusskern und Kopplungselement zueinander lagefixiert. Das hat zur Folge, dass sich bei der gießtechnischen Herstellung des Gusselements eine hohe Wiederholgenauigkeit hinsichtlich der Wandstärken einhalten lässt. Gleichzeitig lassen sich Gusskerne und Kopplungselemente beim Einlegen in das Gusswerkzeug leichter handhaben. So können beispielsweise in einer Serienproduktion bereits fertig auf die Gusskerne aufgesteckte Kopplungselemente für den Gießvorgang bereitgestellt werden, so dass die Gießwerkzeuge einfacher bestückt werden können und dadurch die Taktzeiten sinken.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens sieht vor, dass mehrere Kopplungselemente in das Gusswerkzeug eingelegt werden und bei der gießtechnischen Herstellung des Gusselements umgossen werden. Gerade bei der Herstellung komplexer Tragwerke ist es möglich, dass ein Gusselement mit mehreren anderen Gusselementen durch die Stahlprofile verbunden wird. Da eine Gussform nahezu beliebig gestaltet werden kann, ist für ein erfindungsgemäßes Gusselement eine große Breite an Formvariabilität gegeben, so dass grundsätzlich beliebig ausgestaltete Tragwerke hergestellt werden können. Bei einer direkten Verbindung zwischen Stahlprofil und Gusselement müsste jedes Stahlprofil einzeln mit dem Gusselement verbunden werden, wodurch das Gusselement bei beispielsweise schweißtechnischen Verbindungen immer wieder neuem Wärmeeinfluss ausgesetzt wäre. Wollte man mehrere Stahlprofile in einem Gusswerkzeug mit einem Gusselement verbinden, würde dies zusätzlich große Herausforderungen an die Ausgestaltung eines entsprechenden Gusswerkzeuges stellen. Zudem müssten die Gusswerkzeuge ausreichend groß konstruiert werden, um alle Stahlprofile aufnehmen zu können, was wiederum mit hohen finanziellen Investitionen verbunden wäre.
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Gegenstand der Erfindung ist weiterhin ein Kraftfahrzeugbauteil umfassend mehrere Gusselemente aus einem Leichtmetall, die durch ein oder mehrere Stahlprofile miteinander verbunden sind. Dabei sind die Gusselemente und Stahlprofile mittels einer Verbindungsanordnung wie oben beschrieben miteinander verbunden. Beispiele für erfindungsgemäße Kraftfahrzeugbauteile sind etwa Hilfsrahmen oder Verbundlenkerachsen oder Integralträger.
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Hilfsrahmen beispielsweise sollen eine hohe Steifigkeit aufweisen, um die auf sie einwirkenden Kräfte aufnehmen zu können. Gleichzeitig sind sie mit unterschiedlich gearteten Anbindungsstellen ausgestattet, an denen weitere Bauteile wie Lenker und dergleichen angebunden werden sollen. An diesem Beispiel werden insbesondere die Vorteile der jeweiligen verwendeten Materialien deutlich. Stahlprofile dienen als einfach gestaltete steife Träger, wohingegen die Gusselemente komplexer gestaltet sind und auch eine gewisse Gewichtsersparnis mit einbringen. Da die Stahlprofile keine komplexe Formgebung aufweisen, können hochfeste Stähle verwendet werden, was ebenfalls dem Leichtbau zuträglich ist.
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In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass an den Gusselementen und/oder Stahlprofilen Anbindungen für weitere Kraftfahrzeugbauteile ausgebildet sind. Bei den Gusselementen sind komplexe Strukturen relativ einfach herzustellen, da durch die Gussverfahren nahezu beliebige Ausgestaltungen realisiert werden können. Auch bei einem Stahlprofil ist es möglich, Ausnehmungen oder Durchbrüche einzubringen oder auch Anbindungselemente, beispielsweise schweißtechnisch, anzubringen. Sowohl Gusselemente als auch Stahlprofile können nach der Herstellung der mittelbaren Verbindung zwischen beiden Teilen weiter verarbeitet bzw. bearbeitet werden. Insbesondere das Stahlprofil kann vor oder nach der Verbindung mit dem Kopplungselement gebogen und/oder mechanisch bearbeitet werden.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass es sich bei den Gusselementen um hohle Gusselemente handelt. Dadurch wird der Leichtbaugedanke weiter umgesetzt. Zudem kann das zumeist teure Leichtmetall effektiv und kostensparend eingesetzt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausführungsformen anhand der Zeichnungen. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung mit einem Gusskern;
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2 eine weitere Ausführung einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
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3 eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung mit mehreren Kopplungselementen und Stahlprofilen;
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4 das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Verbindungsanordnung mit einem Gusskern;
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5 eine Verbundlenkerachse mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
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6 einen Hilfsrahmen mit einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung.
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Die 1 zeigt eine Verbindungsanordnung 1 zwischen einem Gusselement 2 aus Leichtmetall und einem Stahlprofil 3, wobei das Stahlprofil 3 mittelbar über ein metallisches Kopplungselement 4 mit dem Gusselement 2 verbunden ist. Ein erster Endabschnitt 5 des Kopplungselements ist dabei von dem Gusselement 2 umgossen. Der erste Endabschnitt 5 ist dabei bereichsweise aufgeweitet und bildet einen Trichter, der von dem Material des Gusselements 2 umgriffen ist, sodass das Kopplungselement 4 formschlüssig mit dem Gusselement 2 verbunden ist. Ein zweiter Endabschnitt 6 des Kopplungselements 4 ist mit dem Stahlprofil 3 stoffschlüssig verbunden. Der Stoffschluss wird durch eine Schweißnaht 7 hergestellt. Der zweite Endabschnitt 6 ist vor dem Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung derart umgeformt worden, dass seine Außenkontur 8 komplementär zur Innenkontur 9 des Stahlprofils 3 ausgestaltet ist. Dadurch kann das Stahlprofil 3 auf das Kopplungselement 4 gesteckt werden, so dass sich zwischen den beiden Bauteilen ein Presssitz ausbildet. Dieser Presssitz befindet sich dann in dem überlappenden Bereich 10 der beiden Bauteile.
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Das Gusselement 2 ist in diesem Ausführungsbeispiel hohl ausgestaltet und mit einem Gusskern 11 ausgefüllt. In diesem Ausführungsbeispiel handelt es sich um einen sogenannten verlorenen Kern, der in dem Gusselement 2 verbleibt. Im Gegensatz dazu wurde in dem Ausführungsbeispiel in 3 der Gusskern 11 nach dem gießtechnischen Herstellen des Gusselements 2 entfernt, wodurch das leere hohle Gusselement 2 zurückbleibt.
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Vergleichsweise ist in 2 eine Verbindungsanordnung 1 gezeigt, wie sie auch aus dem Stand der Technik bekannt ist. Hier wird die Verbindung zwischen dem Gusselement 2 und dem Kopplungselement 4 durch Formschlusselemente 14 unterstützt. Der von dem Gusselement 2 umgossene Endabschnitt 5 des Kopplungselements 4 ist aber nicht zumindest bereichsweise aufgeweitet. Die Formschlusselemente 14 sind im ersten Endabschnitt 5 des Kopplungselements 4 ausgebildet. In dieser Ausführung handelt es sich bei dem Formschlusselement 14 um eine Sicke, die in Umfangsrichtung des Kopplungselements 4 radial nach innen zeigend eingebracht worden ist. Das Material des Gusselements greift in diese Sicke hinein, so dass ein Hinterschnitt 15 gebildet wird, der den Formschluss zwischen Gusselement 2 und Kopplungselement 4 sicherstellt. Nachteilig ist hier aber, dass entsprechende Formschlusselemente 14 durch relativ aufwendige zusätzliche Werkzeuge in das Kopplungselement 4 eingebracht werden müssen.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 1 zeigt die 3. Hier sind mit dem Gusselement 2 mehrere Stahlprofile 3 über jeweils ein Kopplungselement 4 verbunden. Beispielsweise kann es sich hier um einen Gussknoten für einen Hilfsrahmen handeln. Das Gusselement 2 ist hier hohl gestaltet, um Gewicht und Kosten zu sparen. Die Kopplungselemente 4 sind mit den Stahlprofilen 3 über eine Schweißnaht 7 verbunden, wobei hier jeweils der stirnseitige Rand 12 des Stahlprofils mit dem korrespondierenden stirnseitigen Rand 16 des Kopplungselements 4 stumpf verbunden ist.
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4 verdeutlicht den Herstellungsprozess einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung mit Hilfe eines Gusskerns 11 zur Herstellung eines hohlen Gusselements 2. Zunächst wird der Gusskern 11 bereitgestellt (4a). Dieser Gusskern 11 besitzt eine Nase 17, auf die das Kopplungselement 4 mit einem ersten Endabschnitt 5 aufgesteckt wird (4b). Sodann wird der Gusskern zusammen mit dem Kopplungselement 4 in einem Gusswerkzeug eingelegt und danach ein Gusselement 2 aus einem Leichtmetall gießtechnisch hergestellt. Dabei wird der Endabschnitt 5 des Kopplungselements mit dem Leichtmetall umgossen (4c).
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Kopplungselement 4 und Gusselement 2 bilden dabei eine formschlüssige Verbindung aus, die durch das aufgeweitete Ende des Endabschnitts 5 zusätzlich unterstützt wird. Daraufhin wird der Gusskern 11 durch das Kopplungselement 4 entfernt, so dass ein hohles Gusselement 2 zurückbleibt (4d). Schließlich wird ein Stahlprofil 3 mittels einer Schweißung 18 mit einem weiteren freien Endabschnitt 6 des Kopplungselements 4 stoffschlüssig verbunden.
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Die 5 und 6 zeigen zwei exemplarische Ausführungen eines erfindungsgemäßen Kraftfahrzeugbauteils, das mehrere Gusselemente 2 umfasst, die durch Stahlprofile 3 miteinander verbunden sind, wobei jeweils eine erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 1 ausgebildet ist. 5 zeigt eine Verbundlenkerachse 19 mit zwei als Gusselemente 2 gestalteten Längslenkern, die durch ein Stahlprofil 3, nämlich den Querträger, miteinander verbunden sind.
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In 6 ist ein Hilfsrahmen 20 gezeigt, der mehrere Gusselemente 2 als Knotenelemente aufweist, die durch Stahlprofile 3 miteinander verbunden sind. Die Verbindung besteht in einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung 1, wobei zwischen den Gusselementen 2 und den Steuerprofilen 3 jeweils ein Kopplungselement 4 angeordnet ist. Hier sind jedem Gusselement 2 jeweils zwei Kopplungselemente 4 bzw. Stahlprofile 3 zugeordnet. Für dieses Ausführungsbeispiel werden bevorzugt zunächst die einzelnen Gusselemente 2 mit den Kopplungselementen 4 hergestellt. Die Gusselemente 2 können dabei beliebig gestaltet werden, so dass eine Vielzahl von Anbindungen 21 für weitere Fahrzeugteile ausgestaltet werden können.
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Die Halbzeuge bestehend aus Gusselement 2 und Kopplungselementen 4 werden dann nach und nach mit den Stahlprofilen 3 gefügt, so dass Bauteil für Bauteil ein Hilfsrahmen entsteht. Es ist leicht vorstellbar, dass auf diesem Wege auch weitaus komplexere Tragestrukturen gefertigt werden können, indem die einzelnen Bauteile sukzessive miteinander gefügt werden.
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Davon unabhängig ist es natürlich auch möglich, in dieser Ausführungsform alle Gusselemente 2 und Kopplungselemente 4 mit den Stahlprofilen 3 in Lagefixierung zu bringen und die einzelnen Bauteile simultan miteinander zu verbinden. Die Vorgehensweise hängt hier insbesondere davon ab, wie komplex die Tragestruktur ist, die mit den erfindungsgemäßen Mitteln erzeugt werden soll.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verbindungsanordnung
- 2
- Gusselement
- 3
- Stahlprofil
- 4
- Kopplungselement
- 5
- Endabschnitt 1
- 6
- Endabschnitt 2
- 7
- Schweißnaht
- 8
- Außenkontur Kopplungselement
- 9
- Innenkontur Stahlprofil
- 10
- überlappender Bereich
- 11
- Gusskern
- 12
- stirnseitiger Rand
- 13
- Oberfläche
- 14
- Formschlusselement
- 15
- Hinterschnitt
- 16
- stirnseitiger Rand
- 17
- Nase von 11
- 18
- Schweißung
- 19
- Verbundlenkerachse
- 20
- Hilfsrahmen
- 21
- Anbindung
