DE102015109039A1

DE102015109039A1 - Konstruktion aus vorderem Schweller, Boden und Stirnwand für einen Pickup-Koffer

Info

Publication number: DE102015109039A1
Application number: DE102015109039.2A
Authority: DE
Inventors: Mark Joseph Courtright; Vince Chimento; Jack Marchlewski; John Comiez; Jeffrey Alan Firzlaff
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-06-09
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2035-06-10
Also published as: RU2015125254A3; DE102015109039B4; CN105313995B; CN105313995A; US9757825B2; MX360629B; MX2015007641A; US20150375818A1; RU2677751C2; RU2015125254A

Abstract

Eine Aluminium-Pickup-Pritsche wird aus einer gepressten Stirnwand, einer gepressten Bodenplatte und einem walzprofilierten vorderen Schweller zusammengebaut. Die Stirnwand, ein Bodenplattenflansch, der von der Bodenplatte nach unten verläuft, und einer Vorderwand des vorderen Schwellers bilden eine dreiteilige Sandwich-Struktur. Von der Stirnwandseite aus werden Fließbohrschrauben in der Sandwich-Struktur installiert. Der vordere Schweller beinhaltet einen geschlossenen vorderen Flansch und einen offenen hinteren Flansch, die jeweils an der Bodenplatte angeschweißt sind.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Offenbarung betrifft das Gebiet der Pickup-Wagenstrukturen. Insbesondere betrifft die Offenbarung die Struktur einer Pickup-Pritsche.
HINTERGRUND
Pickup-Wagen sind Kraftfahrzeuge mit einer hinteren, offenen Ladefläche, die oft als Pritsche bezeichnet wird. Pickup-Wagen sind vor allem deshalb beliebt, weil die Pritsche sie vielfältig verwendbar macht, einschließlich zum Befördern verschiedener Arten von Ladung und zum Ziehen verschiedener Arten von Anhängern. Traditionell wurden die Karosseriestrukturen von Pickup-Wagen überwiegend aus Stahllegierungen gefertigt. Durch jahrelange Erfahrungen haben Gestalter von Pickup-Wagen gelernt, wie man stählerne Wagenkarosserieteile entwirft, die der Vielzahl anspruchsvoller Pickup-Wagen-Anwendungen standhalten. Das aktuelle gesetzliche und wirtschaftliche Umfeld verstärkt die Wichtigkeit, Pickup-Wagen kraftstoffeffizienter zu machen ebenso wie funktional und langlebig. Ein Weg zur Reduzierung des Kraftstoffverbrauchs eines Fahrzeugs ist es, das Gewicht der Fahrzeugstruktur zu reduzieren, insbesondere wenn es unbeladen ist.
Aluminiumlegierungen weisen typischerweise ein höheres Festigkeit-zu-Gewicht-Verhältnis als Stahllegierungen auf. Folglich bietet Ersetzen von Stahl durch Aluminium das Potential für eine Gewichtsverringerung. Der Elastizitätsmodul von Aluminium ist jedoch im Allgemeinen geringer als der Elastizitätsmodul von Stahl. Ebenso funktionieren möglicherweise Herstellungsverfahren und Verfahren zum Verbinden von Teilen, die für Stahlteile gut funktionieren, nicht gut für das gleiche Aluminiumteil. Aufgrund dieser und anderer Unterschiede erzeugt eine einfache Materialersetzung nicht notwendigerweise einen akzeptablen Entwurf.
Aluminiumlegierungen werden allgemein durch eine vierstellige Zahl identifiziert, von der die erste Ziffer typischerweise das wichtigste Legierungselement angibt. Beim Beschreiben einer Reihe von Aluminiumlegierungen basierend auf dem Hauptlegierungselement können der ersten Nummer drei x (Groß- oder Kleinbuchstaben) oder drei Nullen folgen. Zum Beispiel ist das wichtigste Legierungselement in einer Aluminiumlegierung der 6xxx(oder 6000)-Reihe Magnesium und Silicium, wohingegen das wichtigste Legierungselement der 5xxx-Reihe Magnesium und der 7xxx-Reihe Zink ist. Zusätzliche Ziffern, die in der Reihenbezeichnung durch den Buchstaben "x" (oder Nullen) dargestellt werden, definieren die genaue Aluminiumlegierung. Beispielsweise hat eine Aluminiumlegierung 6061 eine Zusammensetzung von 0,4–0,8 % Silizium, 0–0,7 % Eisen, 0,15–0,4 % Kupfer, 0–0,15 % Mangan, 0,8–1,2 % Magnesium, 0,04–0,35 % Chrom, 0–0,25 % Zink und 0–0,15 % Titan. Unterschiedliche Legierungen bieten verschiedene Kompromisse hinsichtlich Festigkeit, Härte, Bearbeitbarkeit und anderer Eigenschaften.
Darüber hinaus können für Aluminiumlegierungen fünf grundlegende Bezeichnungen zur Art des Temperns angegeben werden, und zwar: F – wie hergestellt, O – weichgeglüht, H – kaltverfestigt, T – wärmebehandelt und W – wie abgeschreckt (zwischen Lösungsglühen und künstlicher oder natürlicher Alterung). Auf die Bezeichnung des Temper-Verfahrens kann zur weiteren Abgrenzung eine ein- oder zweistellige Zahl folgen. Zum Beispiel wurde Aluminium mit einer T6-Behandlungsbezeichnung lösungsgeglüht und künstlich gealtert, aber nach dem Lösungsglühen nicht kaltbearbeitet (oder so, dass die Kaltbearbeitung in den Materialeigenschaften nicht erkennbar wäre).
KURZDARSTELLUNG
Eine Aluminium-Wagenpritsche beinhaltet eine Bodenplatte, einen vorderen Schweller und eine Stirnwand. Der vordere Schweller kann eine Rückwand, eine Bodenwand, eine Vorderwand, einen geschlossenen vorderen Flansch und einen hinteren Flansch beinhalten. Der vordere und der hintere Flansch können an die Bodenplatte angeschweißt sein. In der Bodenwand des vorderen Schwellers können mehrere Löcher ausgeformt sein, um ein Anschweißen des geschlossenen vorderen Flanschs an die Bodenplatte zu ermöglichen. Ein Bodenplattenflansch kann zwischen der Stirnwand und der Vorderwand des vorderen Schwellers von der Bodenplatte aus nach unten verlaufen. Die Stirnwand, der Bodenplattenflansch und die Vorderwand des vorderen Schwellers können durch Fließbohrschrauben befestigt sein.
Ein Verfahren zum Zusammenbauen einer Wagenpritsche beinhaltet das Beschaffen einer Bodenplatte, das Beschaffen eines vorderen Schwellers, das Beschaffen einer Stirnwand, das Befestigen der Bodenplatte an einem vorderen Flansch des vorderen Schwellers sowie das Installieren von Schrauben durch die Stirnwand, einen vorderen Flansch der Bodenplatte und eine Vorderwand des vorderen Schwellers. Bei den Schrauben kann es sich um Fließbohrschrauben handeln, die von der Stirnwandseite der Sandwich-Struktur aus installiert werden. Vorgebohrte Löcher sind nicht erforderlich. Der vordere Flansch des vorderen Schwellers kann durch Einführen eines Schweißwerkzeugs durch Löcher in einer Bodenwand des vorderen Schwellers befestigt werden. Die Bodenplatte und die Stirnwand können aus einem Aluminiumlegierungsmaterial wie 6111 gepresst werden. Der vordere Schweller kann aus einem Aluminiumlegierungsmaterial wie 6111 walzprofiliert werden.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Schnittdarstellung einer Pickup-Wagenpritsche.
2 ist eine grafische Querschnittsdarstellung eines Querträgers der Pickup-Wagenpritsche aus 1.
3 ist eine grafische Querschnittsdarstellung eines vorderen Schwellers der Pickup-Wagenpritsche aus 1.
4 ist eine grafische Querschnittsdarstellung einer Fließbohrverbindung des Pickup-Wagenpritsche aus 1.
5 ist eine Schnittdarstellung eines Teils der Pickup-Wagenpritsche aus 1.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Die Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind Beispiele, und andere Ausführungsformen können verschiedene und alternative Formen annehmen. Die Figuren sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu und einige Merkmale können übertrieben oder minimiert sein, um Details von bestimmten Komponenten zu zeigen. Die speziellen strukturellen und funktionalen Details, die hier offenbart werden, sollen deshalb nicht als einschränkend interpretiert werden, sondern lediglich als eine repräsentative Basis, um einen Fachmann zu lehren, wie die vorliegende Erfindung zu nutzen ist. Verschiedene Merkmale, die unter Bezugnahme auf eine beliebige der Figuren dargestellt und beschrieben werden, können mit Merkmalen kombiniert werden, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, um Ausführungsformen zu schaffen, die nicht explizit dargestellt oder beschrieben werden. Kombinationen und Modifikationen der Merkmale, die den Lehren der vorliegenden Offenbarung entsprechen, können für bestimmte Anwendungen oder Implementierungen genutzt werden.
1 zeigt eine Schnittansicht eines Pickup-Wagenkoffers und Rahmenträger. Die Kofferstruktur beinhaltet eine Bodenplatte 10, linke und rechte Seitenwände 12 und eine Stirnwand 14. Die Bodenplatte, Seitenwände und Stirnwand können durch einen Stanzprozess aus Metallblech ausgebildet sein. Zur Erhöhung der Steifigkeit können mehrere Querträger 16 an die Bodenplatte 10 angeschweißt werden. Der am nächsten an der Stirnwand befindliche, vorderste Querträger 18 kann als ein Schweller bezeichnet werden. Die Querträger können in einem Profilwalzprozess aus Metallblech gefertigt werden. Durch einen Walzprofilierprozess hergestellte Teile weisen eine konstante Querschnittsform auf. Die Bodenplatte, Stirnwand, Seitenwände und Querträger können aus einer Aluminiumlegierung wie 6111 bestehen. Die Kofferstruktur ist an Rahmenträgern 20 verschraubt.
Während der Nutzung können an verschiedenen Punkten des Koffers und in verschiedenen Richtungen unterschiedlichste Lasten wirken. Die Kofferstruktur ist konzipiert, diese Belastungen bei akzeptablen Durchbiegungsgraden und ohne Schwächen oder Lösen jeglicher Verbindungen oder bleibende Verformung auf die Rahmenträger zu übertragen. Es wurde ermittelt, dass in Konstruktionen nach dem Stand der Technik bestimmte Arten von Lasten gelegentlich Defekte an Schweißverbindungen verursachen. Insbesondere die Verbindung zwischen dem vorderen Schweller, der Stirnwand und der Bodenplatte muss so konzipiert sein, dass sie großen vertikalen Kräften widersteht, die auf die Stirnwand wirken, sowie konzentrierten vertikalen Kräften, die in unmittelbarer Nähe der Stirnwand auf die Bodenplatte wirken. Diese Lasten können beispielsweise auftreten, wenn der Wagen mit installiertem Pickup-Wohnmobilaufbau über eine unebene Straße fährt.
2 zeigt einen Querschnitt durch einen Querträger 16, der an der Bodenplatte 10 angebracht ist. Der Querträger beinhaltet eine Bodenwand 22, eine Vorderwand 24 und eine Rückwand 26, einen vorderen Flansch 28 und einen hinteren Flansch 30. Der Querträger 16 kann entlang des vorderen und hinteren Flanschs in Intervallen mittels Punktschweißen an der Bodenplatte angebracht sein. Flansche, die vom Rest des Querträgers weg verlaufen, beispielsweise in der 2 die Flansche 28 und 30, werden als offene Flansche bezeichnet. Offene Flansche erleichtern das Schweißen, da die Unterseite des Flanschs leicht zugänglich ist. Wenn auf die Bodenplatte zwischen den Rahmenträgern eine vertikale Last ausgeübt wird, werden die Bodenwand in Spannung und die Flansche in Pressung versetzt, woraus sich Biegefestigkeit ergibt.
Wenn der Stirnwandschweller zwei offene Flansche hat, wie in der 2 dargestellt, muss die Stirnwand von der Vorderwand des Schwellers getrennt werden, damit das Anschweißen des vorderen Flansches an die Bodenplatte möglich ist. Die auf die Stirnwand wirkende vertikale Last wird dann durch die Bodenplatte an den Schweller und dann letztlich an die Rahmenträger übertragen. Dadurch wird die Bodenplatte in einer Region mit begrenzter Biegefestigkeit Biegelasten ausgesetzt. Folglich kann es zu einer übermäßig hohen Durchbiegung kommen. Aufgrund des geringen Elastizitätsmoduls von Aluminiumlegierungen ist diese Durchbiegung eher bei einer Wagenpritsche aus Aluminium ein Problem als bei einer Wagenpritsche aus Stahl. Auf gewisse Biegelasten kann auch durch Ziehen gegen die Schweißungen am hinteren Schwellerflansch reagiert werden, was dazu führen kann, dass diese Schweißungen geschwächt oder zerstört werden.
3 ist eine Querschnittsansicht eines vorderen Schwellers 18, der Stirnwand 14 und der Bodenplatte 10. Der vordere Schweller 18 beinhaltet eine Bodenwand 32, eine Vorderwand 34 und eine Rückwand 23, einen vorderen Flansch 38 und einen hinteren Flansch 40. Der vordere Flansch 38 ist ein geschlossener Flansch, der von der Oberkante der Vorderwand 34 in derselben Richtung verläuft, in der die Bodenwand 32 von der Unterkante der Vorderwand 34 verläuft. Die Bodenwand 32 ist in Intervallen entlang ihrer Länge mit Löchern versehen, die einen Zugang zum Anschweißen des vorderen Flanschs 38 an die Unterseite des Bodenplatte 10 ermöglichen. Der hintere Flansch 40 ist ein offener Flansch, der das Schweißen ohne besondere Vorkehrungen ermöglicht. Die Bodenplatte 10 beinhaltet einen vorderen Flansch 42, der von der Vorderkante nach unten verläuft. Der vordere Flansch 42 ist zwischen der Stirnwand 14 und der Vorderwand 34 angeordnet; alle drei Teile sind befestigt.
Die über drei Dicken verlaufende Verbindung zwischen der Stirnwand 14, dem vorderen Flansch 42 und der Vorderwand 34 kann mit Fließbohrschrauben hergestellt werden. Beim Fließbohren werden alle drei Teile gemeinsam festgespannt, während durch alle drei Materialdicken ein Satz Schrauben eingedreht wird. Ein Einführwerkzeug dreht jede Schraube, während diese auf das zu verbindende Material eine axiale Kraft ausübt. Ein Vorbohren von Löchern ist nicht erforderlich. Beim Fließbohren wird während des Eindrehens der Schraube das Metallblech zeitweilig lokal geschmolzen. Während sich das Metall in der Umgebung der Schraube neu verfestigt, werden im Metall Gewinde gebildet. 4 zeigt einen Querschnitt durch eine der Fließbohrschrauben 44. Zu beachten ist, dass durch überschüssiges Material, das von dem nun durch die Schraube 44 eingenommenen Raum wegfließt, eine leichte Auswölbung 46 gebildet werden kann.
Im Vergleich zum Schweißen dieser Verbindung weist das Fließbohren einige Vorteile auf. Mittels Fließbohren können mehr als zwei Teile in einer einzelnen Verbindung miteinander verbunden werden. Die hohe elektrische Leitfähigkeit von Aluminium wirkt sich auf das Fließbohren nicht nachteilig aus. Zum Fließbohren müssen nicht beide Seiten der Teile zugänglich sein. Da eine Gewindeverbindung gebildet wird, kann die Schraube entfernt und dann wieder eingedreht oder durch eine andere Schraube ersetzt werden.
Die über drei Dicken verlaufende Verbindung bietet eine effektive Möglichkeit zum Übertragen auf die Stirnwand 14 wirkender vertikaler Lasten an die Vorderwand 34 des Schwellers 18. Darüber hinaus verschafft der vordere Flansch der Bodenplatte 10 in der Nähe der Vorderkante Steifigkeit und überträgt effektiv vertikale Lasten zur Vorderwand 34 des Schwellers 18. Diese Lasten werden primär über Scherkräfte übertragen, die durch Fließbohrschrauben 44 wirken. Da keine Biegelasten generiert werden, wirkt zwischen dem hinteren Flansch 40 und der Bodenplatte 10 nur eine minimale Belastung. Von der Vorderwand des Schwellers 18 werden die Lasten problemlos an Rahmenträger 20 übertragen, an denen der Schweller verschraubt ist.
5 zeigt eine Schnittdarstellung der Bodenplatte 10, der Stirnwand 14 und des vorderen Schwellers 18. Eine Anzahl Fließbohrschrauben 44 wird entlang der Front der Pritschenanordnung installiert. Auch eines der Löcher 48 in der Bodenwand des Schwellers 18, das das Anschweißen des vorderen Flanschs 38 an die Bodenplatte 10 ermöglicht, ist sichtbar.
Obgleich oben beispielhafte Ausführungsformen beschrieben werden, ist nicht beabsichtigt, dass diese Ausführungsformen alle möglichen Formen beschreiben, die von den Ansprüchen mit umfasst werden. Die in der Beschreibung verwendeten Wörter haben einen beschreibenden und keinen einschränkenden Charakter. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen vorgenommen und die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden können, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt sind. Während verschiedene Ausführungsformen zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber weiteren Ausführungsformen oder Umsetzungen des Stands der Technik beschrieben werden, versteht der Durchschnittsfachmann, dass zwischen einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden, um die gewünschten Gesamtsystemmerkmale zu erreichen, die von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängig sind. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder als Umsetzungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Aluminium-Wagenpritsche, umfassend: eine Bodenplatte; einen vorderen Schweller mit einem an der Bodenplatte befestigten hinteren Flansch, einer vom hinteren Flansch aus verlaufenden Rückwand, einer von der Rückwand aus verlaufenden Bodenwand und einem geschlossenen vorderen Flansch, der von der Vorderwand aus verläuft und an der Bodenplatte befestigt ist; und eine Stirnwand, die durch Fließbohrschrauben an der Vorderwand des vorderen Schwellers befestigt ist.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 1, wobei die Bodenplatte über einen nach unten verlaufenden Bodenplattenflansch verfügt, der zwischen der Stirnwand und der Vorderwand des vorderen Schwellers angeordnet ist.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 1, wobei die Bodenwand des vorderen Schwellers mehrere Löcher definiert, die einen Zugang für das Anschweißen des vorderen Flanschs an der Bodenplatte bereitstellen.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 1, wobei der hintere Flansch an die Bodenplatte geschweißt ist.
Aluminium-Wagenpritsche, umfassend: eine Stirnwand; einen vorderen Schweller mit einer Vorderwand und einem vorderen Flansch, verlaufend von der Vorderwand; und eine an den vorderen Flansch angeschweißte Bodenplatte, wobei die Bodenplatte über einen Bodenplattenflansch verfügt, verlaufend von einer vorderen Kante nach unten und zwischen der Stirnwand und der Vorderwand angeordnet sowie mit diesen Teilen verbunden.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 5, darüber hinaus umfassend mehrere Schrauben, die die Stirnwand, den Bodenplattenflansch und die Vorderwand des vorderen Schwellers miteinander verbinden.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 6, wobei die Schraubverbindung zwischen der Stirnwand, dem Bodenplattenflansch und der Vorderwand fließbohrgeschraubt ist.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 5, wobei der vordere Schweller darüber hinaus Folgendes umfasst: eine von der Vorderwand verlaufende Bodenwand; eine von der Bodenwand verlaufende Rückwand; und einen von der Bodenwand verlaufenden hinteren Flansch, der im Wesentlichen koplanar zum vorderen Flansch verläuft und an die Bodenplatte geschweißt ist.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 8, wobei der vordere Flansch ein geschlossener Flansch und der hintere Flansch ein offener Flansch ist.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 9, wobei die Bodenwand mehrere Löcher definiert, die einen Zugang für das Anschweißen des vorderen Flanschs an der Bodenplatte darstellen.
Aluminium-Wagenpritsche nach Anspruch 5, wobei die Bodenplatte, die Stirnwand und der Schweller aus Aluminiumlegierung der Serie 6xxx geschweißt sind.
Verfahren zum Zusammenbauen einer Wagenpritsche, umfassend: Beschaffen einer Bodenplatte mit einem Bodenplattenflansch; Beschaffen eines vorderen Schwellers mit einer Vorderwand und einem vorderen Flansch; Befestigen der Bodenplatte am vorderen Flansch; Beschaffen einer Stirnwand; und Installieren mehrerer Schrauben durch die Stirnwand, den Bodenplattenflansch und den vorderen Schweller, sodass der Bodenplattenflansch zwischen der Stirnwand und der Vorderwand angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die mehreren Schrauben von einer Stirnwandseite aus installiert werden.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Schrauben Fließbohrschrauben sind.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei die Schrauben ohne vorgebohrte Löcher installiert werden.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der vordere Schweller eine Bodenwand hat, die ein Zugangsloch definiert, und wobei das Befestigen der Bodenplatte am vorderen Flansch das Einführen eines Schweißwerkzeugs durch das Zugangsloch und das Anschweißen der Bodenplatte an den vorderen Flansch umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Beschaffen des vorderen Schwellers das Walzprofilieren von Aluminiumlegierungsmaterial zum Formen des vorderen Flanschs, der Vorderwand, einer Bodenwand, einer Rückwand und eines hinteren Flanschs umfasst.
Verfahren nach Anspruch 17, darüber hinaus umfassend das Anschweißen des hinteren Flanschs an die Bodenplatte.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Beschaffen der Bodenplatte und das Beschaffen der Stirnwand jeweils das Pressen von Aluminiumlegierungsmaterial umfassen.