DE102015109658A1

DE102015109658A1 - Verfahren zum Befestigen von Fahrzeugteilen

Info

Publication number: DE102015109658A1
Application number: DE102015109658.7A
Authority: DE
Inventors: David Edward Paul; Amanda Kay Freis; Jina Kim; Aindrea McKelvey Campbell
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2014-06-27
Filing date: 2015-06-17
Publication date: 2015-12-31
Also published as: CN105195662A; CN105195662B; RU2015125466A3; MX362436B; RU2673205C2; US20170113738A1; US9573186B2; MX2015007702A; US10286962B2; US20150375795A1; RU2015125466A

Abstract

Ein verbesserter Fügeprozess verzahnt Teile miteinander und vermeidet Ausbrechungen bei Fügestellen, die sonst nicht realisierbar wären. Der Prozess wird zum Zusammenfügen eines verhältnismäßig dünnen hinteren Teils mit einem relativ dicken vorderen Teil verwendet. Eine zugeordnete Stützplatte wird an das vordere und das hintere Teil angefügt, so dass das hintere Teil zwischen dem vorderen Teil und der Stützplatte eingelegt ist. Das vordere Teil, das hintere Teil und die Stützplatte werden plastisch umgeformt, um beim Einsetzen eines Stanznietes, beim Verkrallen, oder beim Einsetzen einer fließlochformenden Schraube eine Verzahnung zu erreichen.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Diese Offenbarung bezieht sich auf das Gebiet des Fahrzeugbaus. Insbesondere bezieht sich die Offenbarung auf ein Verfahren zum Befestigen von Fahrzeugteilen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Pickup-Nutzfahrzeuge sind Kraftfahrzeuge mit einer hinteren offenen Ladefläche, die oft als Pritsche bezeichnet wird. Pickup-Nutzfahrzeuge sind beliebt, vor allem weil sie wegen ihrer Pritsche in vielfältiger Art und Weise benutzt werden können, u.a. zum Befördern verschiedener Arten von Lasten und zum Ziehen verschiedener Arten von Anhängern. Die meisten Karosseriestrukturen auf Pickup-Nutzfahrzeugen werden traditionell aus Stahllegierungen gebildet. Aufgrund jahrelanger Erfahrung haben die Entwickler von Pickup-Nutzfahrzeugen gelernt, wie man Nutzfahrzeugteile aus Stahl entwickelt, die den vielfältigen Anwendungen von Pickup-Nutzfahrzeugen widerstehen. Das derzeitige regelwerktechnische und wirtschaftliche Umfeld haben die Wichtigkeit der Herstellung von kraftstoffeffizienteren Pickup-Nutzfahrzeugen verstärkt, die auch funktionell und langlebig sind. Ein Weg zur Verminderung des Kraftstoffverbrauchs eines insbesondere unbeladenen Fahrzeugs führt über die Verminderung des Gewichts der Fahrzeugstruktur.
Aluminiumlegierungen weisen in der Regel ein besseres Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht auf als Stahllegierungen. Demzufolge bietet der Ersatz von Stahl durch Aluminium bei diversen Fahrzeugteilen das Potential zur Gewichtsverminderung. Der Elastizitätsmodul von Aluminium ist jedoch allgemein geringer als der Elastizitätsmodul von Stahl. Ebenso können sich Fabrikationstechniken und -verfahren, die sich bei Stahlteilen bewähren, bei gleichartigen Aluminiumteilen weniger gut eignen. Aufgrund dieser und anderer Unterschiede ergibt sich aus der einfachen Materialsubstitution nicht unbedingt eine annehmbare Konstruktion. Es sind diverse Verfahren zum Zusammenfügen von Fahrzeugteilen zu einem Fahrzeugaufbau bekannt, wobei jedes Verfahren Vor- und Nachteile aufweist. Einige Verfahren sind zum Zusammenfügen eines Teils aus einem Material mit einem Teil aus einem anderen Material nicht geeignet.
Bei einem Verfahren, das sich zum Zusammenfügen von Teilen – auch von Teilen aus unterschiedlichen Materialen – eignet, handelt es sich um einen Stanznietprozess. Ein Stanznietprozess ist in den 1 und 2 abgebildet. Ein Stapel mit Teilen, der ein vorderes Teil 10 und ein hinteres Teil 12 aufweist, wird zwischen einer Matrize 16 und einem Werkstückhalter 18 eingespannt. Die Matrize weist einen Vorsprung 20 auf. Ein Niet 22 wird durch einen Stempel 24 in den Stapel gedrückt. In 1 hat der Niet 22 soeben mit dem Umformen des Materials im Stapel begonnen. In 2 ist der Niet genügend weit in den Stapel hinein gedrückt worden, dass der Nietkopf ungefähr mit der Oberfläche des vorderen Teils 10 fluchtet, wobei das vordere Teil 10 und das hintere Teil 12 umgeformt werden. Das Material, das während dem Prozess in die Matrize gepresst wird, wird als Butzen bezeichnet. 3 zeigt einen Querschnitt durch den Butzen. Es ist zu beachten, dass der Niet 24 das vordere Teil 10 durchdrungen hat und sich beim Aufspreizen in das hintere Teil 12 hinein erstreckt. Durch diese Nietaufspreizung wird eine mechanische Verzahnung erzeugt, wobei als ein Maßstab für die Verzahnung die Differenz zwischen den Durchmessern D2 und D1 geteilt durch 2 beschrieben werden kann. D1 ist gleich dem Durchmesser des Niets bei der Schnittstelle zwischen dem vorderen Teil 10 und dem hinteren Teil 12. D2 ist gleich dem Maximaldurchmesser des aufgespreizten Nietschweifs.
Beim Stanznietprozess können zwei Fehlermodi auftreten. Bei einem Fehlermodus wird das Durchmesserverhältnis, das zur Verzahnung der Teile erforderlich ist, nicht erreicht. Unter einigen Umständen kann der Fehlermodus der fehlenden Verzahnung durch die Verwendung eines längeren Niets bereinigt werden. Bei einem zweiten Fehlermodus bricht das hintere Teil am Butzenfuss. Dies kann eine Oberfläche freilegen, die korrosionsanfällig ist. Auch kann ein Klebstoff, der zwischen den Teilen aufgebracht sein kann, durch den Bruch hindurch hinausgedrückt werden und sich am Vorsprung 20 der Matrize 15 ansammeln, wobei spätere Fügestellen beeinträchtigt werden, wenn keine Reinigung erfolgt. Unter einigen Umständen kann dieser zweite Fehlermodus, d.h. das Ausbrechen, durch Verwendung eines kürzeren Niets bereinigt werden. Unter einigen Umständen, so z.B. wenn das hintere Teil im Vergleich zum vorderen Teil dünn ist, ist ein Niet, der lang genug ist um eine Verzahnung zu erzielen, jedoch zu lang, um ein Ausbrechen zu vermeiden. Demzufolge hat sich der Stanznietprozess traditionell auf Fügestellen beschränkt, in denen das hintere Teil verhältnismäßig dick ist.
KURZBESCHREIBUNG
Ein Verfahren zum Anbringen eines hinteren Teils an einem vorderen Teil umfasst das Klemmen des hinteren Teils zwischen dem vorderen Teil und einer zugeordneten Stützplatte sowie das Aufbringen einer Kraft auf das vordere Teil, um die Teile und die Stützplatte umzuformen und eine Verzahnung zu erreichen. Beispielsweise wird bei einem Stanznietprozess die Kraft durch Einsetzen eines Niets durch das vordere und das hintere Teil hindurch in die Stützplatte hinein aufgebracht.
Eine Verzahnung wird erreicht, so wie sich der Niet beim Einsetzen des Niets aufspreizt, so dass ein Nietdurchmesser bei der Schnittstelle zwischen dem hinteren Teil und der Stützplatte geringer ist als ein Nietdurchmesser, der sich weiter einwärts in der Stützplatte befindet. Im Stanznietprozess handelt es sich beim Material, das sich in die Stützplatte hinein erstreckt, um den Niet. Der Prozess bietet sich an, wo das hintere Teil brechen, d.h. ausbrechen, würde, wenn ein Niet, der lang genug ist um eine Verzahnung zu erzielen, ohne die Stützplatte verwendet würde. Dieser Prozess kann in der Kombination mit der Verwendung eines Klebstoffs angewendet werden. Dieses Verfahren kann sich bei Fügestellen anbieten, bei denen das hintere Teil dünner ist als das vordere Teil, das hintere Teil weniger als 1,5 mm dick ist, oder das vordere Teil mehr als 3,0 mm dick ist. Dieses Verfahren kann angewendet werden, wenn das hintere Teil aus einem Laminat fabriziert wird.
In einer anderen Ausführungsform umfasst ein Verfahren zum Anbringen eines dünnen hinteren Teils an einem dickeren vorderen Teil, das Klemmen des hinteren Teils zwischen dem vorderen Teil und einer Stützplatte, die dicker ist als das hintere Teil, zum Bilden eine Stapels sowie das Eintreiben eines Befestigungselements in den Stapel hinein. Beim Befestigungselement kann es sich beispielsweise um einen Stanzniet handeln.
Eine Fahrzeugbaugruppe weist ein stirnwandseitiges Blech, eine Stützplatte, einen zwischen dem stirnwandseitigen Blech und der Stützplatte eingelegten Armaturenträger und einen Niet auf, der sich durch das stirnwandseitige Blech und den Armaturenträger hindurch in die Stützplatte hinein erstreckt. Der Armaturenträger kann dünner sein als das stirnwandseitige Blech. Beim stirnwandseitigen Blech und bei der Stützplatte kann es sich um Aluminium handeln. Beim Armaturenträger kann es sich um eine Stahllaminatstruktur handeln. Der Niet kann sich auch durch einen Scharnierpfosten hindurch erstrecken.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 zeigt eine Schnittbildansicht eines Frühstadiums beim Einsetzen eines Stanzniets in einen Stapel von Teilen aus dem Stand der Technik.
2 zeigt eine Schnittbildansicht eines Endstadiums beim Einsetzen eines Stanzniets in einen Stapel von Teilen aus dem Stand der Technik.
3 zeigt eine Querschnittsansicht einer Stanznietfügestelle mit Verzahnung aus dem Stand der Technik.
4 zeigt eine Abbildung einer Kraftfahrzeugbaugruppe mit einem stirnwandseitigen Blech, einem Armaturenträger und einem Scharnierpfosten.
5 zeigt eine Querschnittsansicht einer ersten Stanznietfügestelle innerhalb der Baugruppe aus 4, wobei eine zugeordnete Stützplatte gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung darin enthalten ist.
6 zeigt eine Querschnittsansicht einer zweiten Stanznietfügestelle innerhalb der Baugruppe aus 4, wobei eine zugeordnete Stützplatte gemäß einer Ausführungsform dieser Offenbarung darin enthalten ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
Bei den Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung handelt es sich um Beispiele, und andere Ausführungsformen können davon verschiedene und alternative Formen aufweisen. Die Figuren sind nicht unbedingt maßstabsgetreu, und einige Merkmale können zur besseren Kenntlichmachung bestimmter Bauteile vergrößert oder verkleinert sein. Die spezifischen konstruktiven und funktionellen Einzelheiten, die offenbart werden, sind nicht als einschränkend auszulegen, sondern lediglich als repräsentative Grundlage, um einem Fachmann die Anwendung der vorliegenden Erfindung zu lehren. Diverse Merkmale, die mit Bezug auf eine der Figuren dargestellt und beschrieben werden, können mit Merkmalen, die in einer oder mehreren anderen Figuren dargestellt sind, zu Ausführungsformen kombiniert werden, die nicht ausdrücklich dargestellt oder beschrieben werden. Kombinationen und Abwandlungen von Merkmalen, die mit der Lehre dieser Offenbarung übereinstimmen, könnten für bestimmte Anwendungen oder Realisierungen verwendet werden.
4 zeigt eine Anordnung mit einem Armaturenträger 30, einem stirnwandseitigen Blech 32 und einem Scharnierpfosten 34. Der Armaturenträger 30 wir aus einem Stahllaminat gestanzt, in welchem zwei dünne Stahllagen miteinander verbunden sind. Das stirnwandseitige Blech 32 wird aus einem legierten Aluminiumrohling vom Typ 5754-O gestanzt, und der Scharnierpfosten 34 wird aus einem legierten Aluminiumrohling vom Typ 6111-T4 gestanzt. Diese Bleche könnten aus anderen Aluminiumlegierungen aus den Serien 5000 und 6000 hergestellt werden. Der Armaturenträger 30 und das stirnwandseitige Blech 32 sind im Bereich 36 zusammenzufügen. In diesem Bereich ist der Armaturenträger 30 weniger als 1,5 mm dick, und das stirnwandseitige Blech 32 ist 2,0 mm dick. Der Armaturenträger 30, das stirnwandseitige Blech 32 und der Scharnierpfosten 34 sind im Bereich 38 zusammenzufügen. In diesem Bereich weisen der Armaturenträger 30 und das stirnwandseitige Blech 32 die gleiche Dicke wie oben beschrieben auf, und der Scharnierpfosten 34 ist mehr als 2,0 mm dick. In diesem Bereich ist der Armaturenträger 30 zu dünn, als dass er sich als ein hinteres Teil für einen Stanznietprozess andienen könnte.
Durch das Anfügen einer zugeordneten Stützplatte wird bei einem Stanznietprozess in Fügestellen eine Verzahnung ohne Ausbrechungen erzielt, in denen sonst einer der zwei Fehlermodi aufgetreten wären. Bei der zugeordneten Stützplatte handelt es sich um ein eigenständiges Teil, das an das hintere Teil sowie an andere Teile im Stapel angefügt wird, das jedoch anderweitig nicht unangebracht ist und keine andere Funktion ausübt, als der Fügestelle Stabilität zu verleihen und den Montageprozess bei der Herstellung praktisch realisierbar zu gestalten. Ein revidierter Stanznietprozess, der eine Stützplatte verwendet, kann praktisch realisierbare Fügestellen für Fügestellen produzieren, bei denen die vorderen Teile dicker als 3,0 mm sind, für Fügestellen, bei denen die hinteren Teile dünner als 1,5 mm sind sowie für Fügestellen, bei denen das hintere Teil dünner ist als das vordere Teil.
Im revidierten Prozess wird für den Bereich 38 der Armaturenträger 30 zwischen dem stirnwandseitigen Blech 32 und der zugeordneten Stützplatte 40 geklemmt. Der Niet wird dann durch das stirnwandseitige Blech 32, das vordere Teil sowie durch den Armaturenträger 30 und das hintere Teil in die Stützplatte 40 hineingedrückt. In 5 wird ein Querschnitt durch die sich daraus ergebende Fügestelle in dem Fall gezeigt, in dem die Stützplatte 2,5 mm dick ist und aus einem legierten Aluminium aus der Serie 5000 oder 6000 gefertigt ist. Eine annehmbare Fügestelle mit Verzahnung wird mit einer Stützplatte von 3,0 mm Dicke erzielt. Es findet kein Ausbrechen statt, was einen unerwünschten Fehlermodus darstellen würde. Im revidierten Prozess umfasst der Stapel für den Bereich 38 den Scharnierpfosten 34, das stirnwandseitige Blech 32, den Armaturenträger 30 und die zugeordnete Stützplatte 40. Der Niet wird dann durch den Scharnierpfosten 34, das stirnwandseitige Blech 32 und den Armaturenträger 30 hindurch in die Stützplatte 40 hinein eingesetzt. In 6 wird ein Querschnitt durch die sich daraus ergebende Fügestelle in dem Fall gezeigt, in dem die Stützplatte 2,5 mm dick ist und aus einem legierten Aluminium aus der Serie 5000 oder 6000 gefertigt ist.
Das Anfügen einer zugeordneten Stützplatte kann verkrallte Fügestellen auch für Anwendungen praktisch realisierbar gestalten, bei denen das hintere Teil sonst übermäßig dünn wäre. Ein Verkrallungsprozess ist dem oben beschriebenen Stanznietprozess ähnlich, außer dass kein Niet eingesetzt wird. In einem Verkrallungsprozess wird das vordere Teil durch einen Stempel in das hintere Teil hineingedrückt, so dass eine Verzahnung erreicht wird, wenn Material in einen Amboss oder eine Matrize eindringt. In einem revidierten Verkrallungsprozess wird das vordere Teil zum Erreichen einer Verzahnung in die zugeordnete Stützplatte hineingedrückt.
Durch das Anfügen einer zugeordneten Stützplatte kann auch eine Fügestelle mit einer fließlochformenden Schraube für Anwendungen praktisch realisierbar gestaltet werden, in denen das hintere Teil sonst übermäßig dünn wäre. Beim fließlochformenden Schraubprozess wird eine Schraube mit einem Einsetzwerkzeug durch den Stapel gedrückt. Das Einsetzwerkzeug dreht die Schraube, während gleichzeitig ein axialer Druck auf den Stapel ausgeübt wird. Das Vorbohren eines Führungslochs oder einer Durchsteckbohrung in der Blechanordnung kann dabei für die praktische Realisierbarkeit der Fügestelle entfallen. Der fließlochformende Schraubprozess weicht das örtliche Material bei der Fügefläche vorübergehend auf, wenn sich die Schraube mit hoher Geschwindigkeit dreht. Während des Fügeprozesses werden Gewinde vor Ort gebildet. Da eine Gewindefügestelle gebildet wird, kann die Schraube entfernt werden und danach wieder eingesetzt oder mit einer anderen Schraube ersetzt werden. Ist das hintere Teil zu dünn, kann sich der darauf folgende, fehlende Gewindeeingriff beim korrekten Zusammenfügen der Materialien als ungenügend erweisen. Andrerseits werden beim Anfügen einer zugeordneten Stützplatte am Stapel hinter dem hinteren Teil in der Stützplatte genügend Gewinde ausgebildet.
Es wurden oben zwar Ausführungsbeispiele beschrieben, jedoch sollen diese Ausführungsformen nicht alle möglichen Formen, die von den Ansprüchen umfasst werden, beschreiben. Die in der Beschreibung verwendeten Ausdrücke sind Ausdrücke der Beschreibung und nicht der Einschränkung. Es versteht sich, dass verschiedene Änderungen durchgeführt werden können und die Merkmale verschiedener Ausführungsformen kombiniert werden können, um weitere Ausführungsformen der Erfindung zu bilden, die möglicherweise nicht explizit beschrieben oder dargestellt werden. Verschiedene Ausführungsformen könnten zwar als Vorteile bietend oder bevorzugt gegenüber anderen Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik hinsichtlich einer oder mehrerer gewünschter Eigenschaften beschrieben worden sein, jedoch können, wie für den Durchschnittsfachmann offensichtlich ist, zwischen einem oder mehreren Merkmalen oder einer oder mehreren Eigenschaften Kompromisse geschlossen werden, um die gewünschten Gesamtsystemmerkmale zu erreichen, was von der besonderen Anwendung und Implementierung abhängig ist. Ausführungsformen, die bezüglich einer oder mehrerer Eigenschaften als weniger wünschenswert als andere Ausführungsformen oder Implementierungen des Stands der Technik beschrieben werden, liegen somit nicht außerhalb des Schutzbereichs der Offenbarung und können für bestimmte Anwendungen wünschenswert sein.

Claims

Verfahren zum Anbringen eines hinteren Teils an einem vorderen Teil, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Klemmen des hinteren Teils zwischen dem vorderen Teil und einer zugeordneten Stützplatte, und Plastisches Verformen des vorderen Teils, des hinteren Teils und der Stützplatte, so dass sich Material in die Stützplatte erstreckt, wobei das Material bei einer Schnittstelle zwischen dem hinteren Teil und der Stützplatte einen ersten Durchmesser und weiter einwärts in der Stützplatte einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das plastische Umformen des vorderen Teils, des hinteren Teils und der Stützplatte das Einsetzen eines Niets durch das vordere Teil und das hintere Teil hindurch in die zugeordnete Stützplatte umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Einsetzen des Niets durch das vordere Teil hindurch ohne das Vorhandensein der zugeordneten Stützplatte ein Brechen des hinteren Teils verursachen würde.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Verfahren weiterhin das Aufbringen eines Klebstoffs zwischen dem vorderen Teil und dem hinteren Teil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das hintere Teil eine Dicke aufweist, die geringer ist als die Dicke des vorderen Teils.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das hintere Teil eine Dicke aufweist, die geringer ist als eine Dicke der zugeordneten Stützplatte.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das hintere Teil eine Dicke von weniger als 1,5 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das vordere Teil eine Dicke von mehr als 3,0 mm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei das hintere Teil aus einem Laminat fabriziert wird.
Verfahren zum Anbringen eines hinteren Teils an einem vorderen Teil, das dicker ist als das hintere Teil, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst: Klemmen des hinteren Teils zwischen dem vorderen Teil und einer Stützplatte, die dicker ist als das hintere Teil, zum Bilden eines Stapels, und Eintreiben eines Befestigungselements in den Stapel hinein zum plastischen Umformen des vorderen Teils, des hinteren Teils und der Stützplatte.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei es sich beim Befestigungselement um einen Stanzniet handelt.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei sich der Niet in die Stützplatte hinein erstreckt und wobei der Niet bei einer Schnittstelle zwischen dem hinteren Teil und der Stützplatte einen ersten Durchmesser und weiter einwärts in der Stützplatte einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, aufweist.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Eintreiben des Stanzniets in einen Stapel hinein, der aus dem vorderen Teil und dem hinteren Teil besteht, ein Brechen des hinteren Teils verursacht.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das Verfahren weiterhin das Aufbringen eines Klebstoffs zwischen dem vorderen Teil und dem hinteren Teil umfasst.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei das hintere Teil aus einem Stahllaminat fabriziert wird.
Fahrzeug, das Folgendes umfasst: ein stirnwandseitiges Blech, eine Stützplatte, einen zwischen dem stirnwandseitigen Blech und der Stützplatte eingelegten Armaturenträger, und einen Niet, der sich durch das stirnwandseitige Blech und den Armaturenträger hindurch in die Stützplatte hinein erstreckt, wobei der Niet bei einer Schnittstelle zwischen dem Armaturenträger und der Stützplatte einen ersten Durchmesser und weiter einwärts in der Stützplatte einen zweiten Durchmesser, der größer ist als der erste Durchmesser, aufweist.
Fahrzeug nach Anspruch 16, wobei der Armaturenträger eine Dicke aufweist, die geringer ist als eine Dicke des stirnwandseitigen Blechs und geringer ist als eine Dicke des Armaturenträgers.
Fahrzeug nach Anspruch 16, wobei es sich bei der Stützplatte und dem stirnwandseitigen Blech um Aluminium handelt und beim Armaturenträger um ein Stahllaminat handelt.
Fahrzeug nach Anspruch 16, wobei das Fahrzeug weiterhin einen Scharnierpfosten umfasst und wobei sich der Niet auch durch den Scharnierpfosten hindurch erstreckt.