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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Achshilfsrahmens für ein Kraftfahrzeug gemäß den Merkmalen im Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Kraftfahrzeuge werden heutzutage zumeist mit einer selbsttragenden Karosserie hergestellt, wobei dann an die Karosserie die entsprechenden Fahrwerksbauteile sowie Kraftfahrzeugmotoren und sonstige Antriebskomponenten gekoppelt werden, so dass das Kraftfahrzeug fahrfertig wird.
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Insbesondere werden bei Personenkraftwagen aufwendige Achskonstruktionen mit einer jeweiligen Einzelradaufhängung verbaut, so dass ein hoher Fahrkomfort und zugleich gute Fahreigenschaften sichergestellt werden können.
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Kraftfahrzeuge werden dabei in einer industriellen Fertigungslinie hergestellt, so dass der Montageaufwand, insbesondere bei der Erstmontage bzw. bei dem Zusammenbau des Kraftfahrzeuges, möglichst gering gehalten werden soll. Hierzu sind sogenannte Achshilfsrahmen bekannt, bei denen zunächst eine Achse, beispielsweise Vorderachse oder Hinterachse eines Kraftfahrzeuges, vormontiert wird mit der jeweiligen linken und rechten Radaufhängung und anschließend die Achse, aufweisend einen Achshilfsrahmen, verschiedene Lenker, Radträger, gegebenenfalls Bremsen sowie sonstige Anbauteile, vollständig von unten mit der Kraftfahrzeugkarosserie gekoppelt wird. Für diese Koppelung werden zumeist Schraubverbindungen genutzt, die aufgrund der zu erwartenden Belastungen, welche sich aus statischer und dynamischer Radlast zusammensetzen, die an die Karosserie weitergegeben werden, hochfest sein müssen.
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Um nunmehr Gewicht einzusparen, werden die Achsbauteile als Blechschalenbauteile oder Hohlbaueile hergestellt. Der Einsatz von Leichtbaumaterialien und/oder einer geringeren Wandstärke zur Herstellung eines Achshilfsrahmens gleichzeitig auch bedeutet, dass nur eine geringere Flächenpressung im Anschraubbereich aufgebracht werden kann. Um dem entgegen zu wirken, müssten bei der Schraubverbindung beispielsweise größere Unterlegscheiben eingesetzt werden, was gleichsam wiederum eine Gewichtszunahme sowie Mehrkosten aufgrund der größer dimensionierten Unterlegscheiben bedeutet.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ausgehend vom Stand der Technik die Möglichkeit aufzuzeigen, einen Achshilfsrahmen besonders leicht und kostengünstig herzustellen, der jedoch die geforderten Vorgaben in Bezug auf Anzugsdrehmomente zur Koppelung an eine Kraftfahrzeugkarosserie erfüllt.
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Die zuvor genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren zur Herstellung eines Achshilfsrahmens für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen im Patentanspruch 1 gelöst.
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Vorteilhafte Ausgestaltungsvarianten der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines Achshilfsrahmens für ein Kraftfahrzeug, wobei der Achshilfsrahmen als Schweißbauteil aus einzelnen Leichtmetallgussbauteilen hergestellt ist und Anbindungspunkte zur Koppelung mit einer Kraftfahrzeugkarosserie aufweist, zeichnet sich dadurch aus, dass die Oberfläche im Oberflächenbereich der Anbindungspunkte und/oder in belastungskritischen Oberflächenbereichen mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen thermisch behandelt wird und an die thermische Behandlung direkt folgend abgekühlt wird, so dass die Dehngrenze gegenüber der Ausgangsdehngrenze erhöht wird.
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Die Schweißbauteile setzen sich zusammen aus einzelnen Komponenten, die in Gussbauweise sowie gegebenenfalls als Strangpressbauteile hergestellt werden und anschließend miteinander verschweißt werden.
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Die Dehngrenze ist dabei im Rahmen der Erfindung die Dehngrenze RP 0,2. Im Rahmen der Erfindung können somit zunächst die einzelnen Komponenten des Achshilfsrahmens im Gussverfahren, insbesondere im Kokillengussverfahren mit einer Wandstärke von 3 bis 8 mm hergestellt werden. Insbesondere werden im Rahmen der Erfindung dazu Aluminiumlegierungen verwendet, die sich gießen lassen und gleichzeitig eine gute Schweißbarkeit aufweisen. Die Aluminiumlegierungen haben insbesondere in einem ausgelagerten Zustand T6 eine Dehngrenze RP 0,2 zwischen 170 und 200 MPa, bevorzugt von 190 MPa.
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Um nunmehr eine Flächenpressung zu erreichen, die den geforderten Anzugsdrehmomenten einer Koppelung zwischen Achshilfsrahmen und Kraftfahrzeugkarosserie standhält, sieht die vorliegende Erfindung vor, die Oberfläche im Bereich des Anbindungspunktes mittels Laserstrahlen oder Elektronenstrahlen thermisch zu behandeln. Insbesondere ist der Oberflächenbereich kreisförmig um eine Durchgangsöffnung zum Durchführen einer Schraube zu verstehen. Im Rahmen der Erfindung ist es jedoch alternativ auch möglich, dass belastungskritische Bereiche mit dem erfindungsgemäßen Verfahren in ihrer Festigkeit und somit in ihrer Belastbarkeit weiter gesteigert werden.
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Erfindungsgemäß ist es somit möglich, dass das Bauteil in Bezug auf Materialeinsatz und damit einhergehendem Bauteilgewicht sowie hinreichendem Widerstandsmoment gegenüber der Belastung ausreichend dimensioniert ist. In besonders belastungskritischen Bereichen, beispielsweise Eckbereichen, abgewinkelten oder gekrümmten Flächen und besonders im Bereich um die Anbindungspunkte herum, wird durch das erfindungsgemäße Verfahren eine Ausgangsdehngrenze auf mehr als 200 MPa, insbesondere zwischen 220 bis 300 MPa, bevorzugt 230 bis 280 MPa und insbesondere größer gleich 240 bis 260 MPa gesteigert. Die thermische Behandlung ist dabei kostengünstiger in der Produktion des Achshilfsrahmens durchzuführen, gegenüber lokalen Materialverfestigungen oder aber Einsatz von größeren Verschraubungen bzw. Unterlegscheiben. Zugleich bietet sich der Vorteil, dass kein Mehrgewicht an einem erfindungsgemäßen Achshilfsrahmen mit der thermischen Behandlung einhergeht. Mithin ist der erfindungsgemäße Achshilfsrahmen kostengünstiger und auf das Gewicht bezogen leichter herzustellen, gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren zur Erhöhung der Flächenpressung, insbesondere im Anbindungsbereich.
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Im Rahmen der Erfindung wird bevorzugt für die Herstellung von Achshilfsrahmen eine Aluminiumlegierung der Gruppe EN AC-42100, auch bekannt als EN AC-AlSi7Mg0,3 im ausgelagerten Zustand T6 verwendet. Diese besitzt eine Dehngrenze RP 0,2 von ca. 190 MPa.
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Die lokale Festigkeitssteigerung wird dabei durch ein lokal konzentriertes, insbesondere fokussiertes, gesteuertes Aufschweißen bzw. Aufschmelzend des Werkstoffes in gewünschter Oberflächengeometrie und Tiefe, gemessen von der Oberfläche, mithin Eindringtiefe, mittels Laserstrahltechnologie oder Elektronenstrahltechnologie mit nachfolgender hoher Abkühlgeschwindigkeit durchgeführt. Die Abkühlgeschwindigkeit kann zum einen durch die Wärmeleitung an das den Oberflächenbereich umgebende kalte Material bzw. die kalten Bereiche erzielt werden, mithin passiv. Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, auch aktiv abzukühlen. Hierdurch wird eine Ausgangsgefügestruktur in eine sehr feine Gefügestruktur umgewandelt, welche die angestrebten Festigkeitswerte aufweist. Im Rahmen der Erfindung ist es daher weiterhin möglich, nicht nur den Oberflächenbereich, beispielsweise kreisrund, zu behandeln, sondern auch eine gewünschte Verstärkungsgeometrie bezogen auf die Oberfläche und/oder eine Verstärkungsgeometrie bezogen auf die Eindringtiefe zu realisieren. So kann beispielsweise ein Oberflächenbereich quadratisch, rechteckig, kreisförmig, elliptisch, sternförmig oder in beliebiger Mischform der zuvor genannten geometrischen Ausgestaltungsvarianten hergestellt werden.
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Ist die passive Abkühlung, beispielsweise aufgrund geringer Wandstärke des Bereiches und hoher Eindringtiefe, nicht ausreichend, so kann im Rahmen der Erfindung auch aktiv mit einer Kühlvorrichtung die Abkühlung durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein Kühlgebläse oder ein aufgespritzes Kühlfluid verwendet werden. Alternativ ist auch eine Kontaktkühlung mittels einer Kühlplatte oder ähnlichem vorstellbar. Im Rahmen der Erfindung wäre es auch vorstellbar, das Bauteil in einem Tauchbecken zu kühlen.
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Im Rahmen der Erfindung ist es weiterhin möglich, dass bei der thermischen Behandlung ein Zusatzwerkstoff auf den Oberflächenbereich aufgebracht wird und durch die thermische Behandlung aufschmilzt.
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Der Zusatzwerkstoff wird insbesondere in Pulverform, ganz besonders bevorzugt in voragglomerierter Pulverform aufgetragen. Bei dem Zusatzwerkstoff handelt es sich insbesondere um einen Zusatzwerkstoff auf Aluminiumsiliziumbasis (AlSi40) und/oder NiAl40. Damit kann eine weitere Festigkeitssteigerung, bezogen auf die Dehngrenze, erreicht werden. Es ist jedoch auch möglich, dass der Ausgangswerkstoff zunächst eine Härte von 110 HV0,1 aufweist, welche insbesondere durch die thermische Behandlung des Oberflächenbereichs mit Zusatzwerkstoff auf eine Härte von 200 HV0,1 oder größer gesteigert werden kann. Durch das Aufschmelzen aufgrund des thermischen Behandelns ist es möglich, dass der Zusatzwerkstoff in den Werkstoff des Materials einlegiert wird.
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Insbesondere wird der Zusatzwerkstoff einschichtig oder zweischichtig aufgebracht. Somit ist es möglich, mit dem Zusatzwerkstoff eine Dehngrenze größer 300 MPa, insbesondere zwischen 320 und 360 MPa einzustellen. Durch die Wahl des Zusatzwerkstoffes auf Aluminiumlegierungsbasis und insbesondere auf Aluminiumsiliziumbasis oder aber Nickelaluminiumbasis kann eine harte und insbesondere porenfreie Schicht erzeugt werden. Somit tritt ausschließlich eine Festigkeitssteigerung in Bezug auf die Dehngrenze in dem thermisch behandelten Bereich auf, ohne einhergehende Schwächung.
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Ein Übergangsbereich in dem Oberflächenbereich von hartem Bereich zu nichthartem Bereich kann aufgrund der Wärmeableitung von wärmebehandeltem Material zu kaltem Ausgangsmaterial mit einer Breite kleiner 4 mm, insbesondere bevorzugt kleiner 3 mm und ganz besonders bevorzugt kleiner 2 mm erzeugt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale, Eigenschaften und Aspekte der vorliegenden Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung. Bevorzugte Ausgestaltungsvarianten werden in den schematischen Figuren dargestellt. Diese dienen dem einfachen Verständnis der Erfindung. Es zeigen:
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1 einen Achshilfsrahmen in perspektivischer Ansicht;
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2 einen Achshilfsrahmen in Stirnansicht;
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3 eine Teilansicht eines Bereichs des thermisch behandelten Oberflächenbereichs und
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4 eine Querschnittsansicht durch einen thermisch behandelten Anbindungsbereich.
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In den Figuren werden für gleiche oder ähnliche Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet, auch wenn eine wiederholte Beschreibung aus Vereinfachungsgründen entfällt.
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1 zeigt einen erfindungsgemäßen Achshilfsrahmen 1 für ein Kraftfahrzeug. Der Achshilfsrahmen 1 ist dabei als Schweißbauteil hergestellt, wobei Querträger 2 im Gussverfahren hergestellt sind, insbesondere im Kokillengussverfahren. Längsträger 3 wiederum sind als Strangpressbauteile hergestellt. Optional ist es möglich, Knotenpunkte 4, insbesondere als Gussknoten, herzustellen. Die einzelnen Bauteile sind dann über Schweißnähte 5 miteinander gekoppelt. An dem auf die Bildebene bezogenen hinten dargestellten Querträger 2 ist ein entsprechend mehr belasteter Bereich 6 dargestellt, der eine nach innen gerichtete Krümmung aufweist, so dass auch dieser mit dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren in seiner Festigkeit erhöht ist. Ferner dargestellt sind zum einen Anbindungspunkte 7 zur Koppelung mit einer nicht näher dargestellten Kraftfahrzeugkarosserie. Weiterhin sind Anbindungspunkte 7 dargestellt, die beispielsweise eine Achsaufnahme 8 darstellen oder aber Aufnahmen 9 für ein Motorlager oder aber eine Getriebeglocke.
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2 zeigt eine entsprechende Stirnansicht gemäß der Blickrichtung II aus 1. Hier gut ersichtlich sind wiederum die Anbindungspunkte 7 und ein den Anbindungspunkt 7 umgebender Oberflächenbereich 10. Dargestellt ist dies ebenfalls nochmals in 3. Der Anbindungspunkt 7 selbst zeichnet sich durch ein mittig liegendes Aufnahmeloch 13 sowie ein das Aufnahmeloch 13 umgebender kreisförmiger Bereich aus. Erfindungsgemäß ist nunmehr die Oberfläche 11 des den Anbindungspunkt 7 umgebenden Oberflächenbereich 10 in ihrer Dehngrenze gegenüber der Dehngrenze des Ausgangsmaterials erhöht. Relativ oder ergänzend ist die Härte des Oberflächenbereichs 10 ebenfalls erhöht. Die geometrische Form in Richtung der Oberfläche, in 3 dargestellt als Kreis bzw. Rundform, kann im Rahmen der Erfindung auch der Belastung entsprechend als Rechteck, Dreieck, Sternform, Ellipse oder sonstige Mischform der zuvor genannten Geometrien ausgebildet sein.
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Ferner dargestellt ist in 4 ein Querschnitt gemäß Schnittlinie IV-IV aus 3. In 4 gut ersichtlich dargestellt ist, dass eine Eindringtiefe 12 von der Oberfläche 11 aus in die Wandstärke W des hier dargestellten Querträgers 2 ebenfalls steuerbar ist. Auch in Abhängigkeit der Eindringtiefe 11 ist es somit möglich, die Festigkeit gezielt einzustellen. Gut ersichtlich gemäß der Querschnittsansicht von 4, dass das Gefüge G in dem thermisch behandelten Oberflächenbereich 10 aufgeschmolzen ist und sich entsprechend verändert hat. Während und/oder nach der thermischen Behandlung erfolgt somit eine Wärmeleitung innerhalb der Wandstärke W von verfestigtem Oberflächenbereich 10 in das thermisch nicht behandelte Material M, so dass aufgrund der guten Wärmeleiteigenschaft des Leichtmetalls eine schnelle bzw. rasche Abkühlung, optional aktiv mit Abkühlmitteln, bevorzugt jedoch passiv erfolgt. Zwischen dem verfestigten Bereich 10 und dem restlichen Material M besteht somit eine schmale Übergangszone Ü. Nicht näher dargestellt in 4 ist, das Auflegieren eines Zusatzwerkstoffes, insbesondere in mehrschichtiges Auflegieren. Dies kann entweder derart gestaltet werden, dass die auflegierten Schichten in die Oberfläche 11 eindringen oder aber marginal gegenüber der Oberfläche 11 erhöht sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achshilfsrahmen
- 2
- Querträger
- 3
- Längsträger
- 4
- Knotenpunkt
- 5
- Schweißnaht
- 6
- mehrbelasteter Bereich
- 7
- Anbindungspunkt
- 8
- Achsaufnahme
- 9
- Aufnahme
- 10
- Oberflächenbereich zu 7
- 11
- Oberfläche zu 10
- 12
- Eindringtiefe
- 13
- Aufnahmeloch
- W
- Wandstärke
- G
- Gefüge
- M
- Material
- Ü
- Übergangsbereich
