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Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung und ein Verfahren zur längsseitigen Befestigung eines Karosserieprofilbauteils an wenigstens einem anderen Karosseriebauteil. Die Erfindung betrifft ferner einen Schweller für eine Fahrzeugkarosserie.
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In Fahrzeugkarosserien werden auch vorgefertigte Profilbauteile, wie bspw. stranggepresste Hohlprofile, verbaut, z. B. im Schweller (Seitenschweller). Insbesondere längere Profilbauteile müssen dabei längsseitig, d. h. entlang wenigstens einer sich in Längsrichtung des Profilbauteils erstreckenden Seiten- oder Außenfläche, befestigt werden. Fertigungstechnisch erfordert dies mitunter einen hohen Aufwand.
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Die
DE 10 2013 001 945 A1 beschreibt einen Schweller für eine Fahrzeugkarosserie. Der Schweller ist aus zwei Teilen aufgebaut, einem Außenhohlprofilabschnitt und einem Innenhohlprofilabschnitt. Sowohl der Außenhohlprofilabschnitt als auch der Innenhohlprofilabschnitt sind mit Flanschbereichen ausgebildet und an diesen Flanschbereichen beispielsweise über Halbhohlstanznieten miteinander verbunden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Befestigungsanordnung zur längsseitigen Befestigung eines Karosserieprofilbauteils anzugeben, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur vermindert aufweist und die insbesondere eine einfache Befestigung des Profilbauteils ermöglicht.
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Die Aufgabe wird gelöst durch die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Mit nebengeordneten Patentansprüchen erstreckt sich die Erfindung auch auf ein erfindungsgemäßes Verfahren und auf einen Schweller (Karosserieschweller) für eine bzw. an einer Fahrzeugkarosserie, der eine erfindungsgemäße Befestigungsanordnung aufweist und/oder mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gefertigt ist. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Erfindungsbeschreibung und auch aus der Zeichnung.
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Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung zur Befestigung eines Karosserieprofilbauteils (zweites Bauteil) an wenigstens einem anderen Karosseriebauteil (erstes Bauteil), wobei das Karosserieprofilbauteil längsseitig an mehreren Befestigungspunkten (die auch als Fügepunkte bzw. Fügestellen bezeichnet werden können) am anderen Karosseriebauteil befestigt ist bzw. befestigt wird, ist dadurch gekennzeichnet, dass (längsseitig) wenigstens drei Befestigungspunkte vorgesehen sind, an denen das Karosserieprofilbauteil mittels Steckverbindungselementen am anderen Karosseriebauteil befestigt ist bzw. befestigt wird, wobei an wenigstens einem dieser mittels Steckverbindungselementen gebildeten Befestigungspunkte eine Festlagerverbindung (Festlager) und an wenigstens zwei dieser mittels Steckverbindungselementen gebildeten Befestigungspunkte jeweils eine Loslagerverbindung (Loslager) besteht bzw. entsteht.
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Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung ermöglicht ein einfaches, schnelles und kostengünstiges Befestigen (Fügen) des Karosserieprofilbauteils durch Aufstecken auf das andere Karosseriebauteil, wobei sich die Steckverbindungselemente formschlüssig verbinden. Spezielle Werkzeuge (bspw. Nietwerkzeuge) und Flanschbereiche, die eine Zugänglichkeit für die Werkzeuge ermöglichen, sind nicht erforderlich. Das erfindungsgemäße Befestigungskonzept aus Fest- und Loslagern ermöglicht einerseits beim Befestigen einen Toleranzausgleich und ermöglicht andererseits nach dem Befestigen unterschiedliche Wärmeausdehnungen des Karosserieprofilbauteils und des anderen Karosseriebauteils (Delta-Alpha-Problematik). Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung ist daher insbesondere auch für Misch- bzw. Hybridverbindungen (Mischbau) geeignet, wobei das Karosserieprofilbauteil bspw. aus Aluminium oder faserverstärktem Kunststoff (FVK) und das andere Karosseriebauteil bspw. aus Stahl gebildet sein kann.
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Unter einem Profilbauteil wird insbesondere ein langgestrecktes, stangenartiges Bauteil mit einer definierten Querschnittsform (Profil) verstanden, das einen geraden oder auch gekrümmten bzw. gebogenen axialen Verlauf aufweisen kann. Bevorzugt handelt es sich um ein Hohlprofilbauteil (Hohlprofil), das wenigstens eine geschlossene Profilkammer (Hohlraum) aufweist. Das Karosserieprofilbauteil ist bevorzugt aus Aluminium gebildet (Aluminiumprofil). Das Karosserieprofilbauteil hat bevorzugt eine (axiale) Länge von wenigstens 1000 mm, besonders bevorzugt von wenigstens 1500 mm und insbesondere von wenigstens 2000 mm. Das Karosserieprofilbauteil kann auch kürzer sein (d. h. < 1000 mm). Die Bauteildicke (äußere Wanddicke) des Karosserieprofilbauteils kann mehrere Millimeter betragen (bspw. 2 mm bis 5 mm).
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Das andere Karosseriebauteil kann ein Blechbauteil, ein Gussbauteil oder auch ein Profilbauteil sein und ist bevorzugt aus Stahl oder gegebenenfalls auch aus Aluminium gebildet.
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Unter Steckverbindungselementen werden am zu befestigenden Karosserieprofilbauteil und am anderen Karosseriebauteil angeordnete Formschlussmittel verstanden, die komplementär bzw. korrespondierend ausgestaltet und durch Ineinanderstecken formschlüssig verbindbar sind. Die Steckverbindungselemente ermöglichen eine einfache Steckbefestigung des Karosserieprofilbauteils, indem an den Befestigungspunkten die Steckverbindungselemente ineinander gesteckt werden.
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Unter einem Festlager (Fixlager) wird eine Befestigung verstanden, die am Befestigungspunkt keine Relativverschiebung des befestigten Karosserieprofilbauteils zulässt. Unter einem Loslager wird eine Befestigung verstanden, die am Befestigungspunkt eine Relativverschiebung des befestigten Karosserieprofilbauteils zulässt bzw. ermöglicht. Die Steckverbindungselemente können dementsprechend ausgebildet sein.
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Bevorzugt sind entlang des Karosserieprofilbauteils drei Befestigungspunkte vorgesehen, wobei am mittleren Befestigungspunkt eine Festlagerverbindung und an den beiden anderen (äußeren) Befestigungspunkten jeweils eine Loslagerverbindung besteht. Der mittlere Befestigungspunkt kann beim Befestigen als Referenzpunkt fungieren. Außerdem kann sich das befestigte Karosserieprofilbauteil ausgehend vom mittleren Befestigungspunkt in beide Längsrichtungen (thermisch) ausdehnen. Insbesondere ist vorgesehen, dass sich der mittlere Befestigungspunkt in etwa mittig (z. B. +/- 50 mm) zwischen den Bauteilenden (des Karosserieprofilbauteils) befindet und dass sich die beiden anderen Befestigungspunkte im Bereich (z. B. in einem 50 mm-Bereich) der axialen Bauteilenden befinden. Ebenso kann vorgesehen sein, dass an einem der äußeren Befestigungspunkte eine Festlagerverbindung besteht und an den beiden anderen Befestigungspunkten, d. h. am mittleren und am gegenüberliegenden (äußeren) Befestigungspunkt, Loslagerverbindungen bestehen. Ausgehend vom Festlager, das sich insbesondere im Bereich eines axialen Bauteilendes befindet, kann sich das Karosserieprofilbauteil dann in eine Längsrichtung (thermisch) ausdehnen.
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Bevorzugt sind die Steckverbindungselemente als ineinandergreifende Bolzen und Buchsen ausgebildet. Die Bolzen und Buchsen sind aus geeigneten Werkstoffen gebildet, z. B. aus Metall oder Kunststoff (gegebenenfalls auch FVK), und sind in geeigneter Weise am Karosserieprofilbauteil und am anderen Karosseriebauteil angebracht, z. B. angeschweißt, angenietet, festgeclipst, eingepresst oder dergleichen. Die Bolzen und Buchsen sind so ausgebildet und/oder angebracht, dass diese je nachdem eine Festlagerverbindung oder eine Loslagerverbindung bilden.
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Bevorzugt ist das Karosserieprofilbauteil längsseitig auch mit dem anderen Karosseriebauteil verklebt. Die Befestigung des Karosserieprofilbauteils am anderen Karosseriebauteil erfolgt also durch eine Kombination aus Formschluss mittels Steckverbindungselementen und Stoffschluss mittels Verkleben. Dadurch können hohe Verbindungsfestigkeiten und Verbundsteifigkeiten erzielt werden. Die Verklebung erfolgt bevorzugt längsseitig zwischen einander zugewandten Flächenabschnitten. Bevorzugt sind entlang des Karosserieprofilbauteils mehrere Klebepunkte bzw. Klebestellen vorgesehen, um eine unterschiedliche Wärmeausdehnung (s. o.) zu ermöglichen. Bevorzugt werden Klebstoffpads verwendet.
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Bevorzugt ist zwischen dem Karosserieprofilbauteil und dem anderen Karosseriebauteil ein Spalt ausgebildet. Der Spalt weist bspw. ein Spaltmaß von bis zu 6 mm auf. Durch den Spalt kann, insbesondere bei Mischbau (s. o.), eine Kontaktkorrosion verhindert werden. Der Spalt kann durch Abstandshalter (engl. Spacer) exakt eingestellt werden. Bevorzugt sind die Steckverbindungselemente bereits mit Abstandshaltern ausgebildet, insbesondere einstückig. Mittels Klebstoffpads oder dergleichen kann eine Verklebung über den Spalt hinweg erfolgen.
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Bevorzugt sind die Befestigungspunkte, an denen das Karosserieprofilbauteil mittels Steckverbindungselementen am anderen Karosseriebauteil befestigt ist, nicht-fluchtend, sondern zu einer gedachten Fluchtlinie versetzt angeordnet. Dadurch kann, insbesondere falls ein Spalt zwischen dem Karosserieprofilbauteil und dem anderen Karosseriebauteil vorgesehen ist (s. o.), ein Verkippen des Karosserieprofilbauteils verhindert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Befestigung eines Karosserieprofilbauteils an wenigstens einem anderen Karosseriebauteil, wobei das Karosserieprofilbauteil längsseitig an mehreren Befestigungspunkten am anderen Karosseriebauteil befestigt wird, weist zumindest folgende Schritte auf:
- - Anbringen von Steckverbindungselementen am Karosserieprofilbauteil und/oder am anderen Karosseriebauteil, sofern die Steckverbindungselemente nicht bereits vorhanden sind;
- - Ausrichten des Karosserieprofilbauteils relativ zum anderen Karosseriebauteil, das auch bereits in einer Fahrzeugkarosserie verbaut sein kann, und Aufstecken, wozu das Karosserieprofilbauteil in (nur) einer Fügerrichtung bewegt wird und, an den Befestigungspunkten, die Steckverbindungselemente ineinandergreifen, wobei an wenigstens einem Befestigungspunkt eine Festlagerverbindung und an wenigstens zwei Befestigungspunkten jeweils eine Loslagerverbindung entsteht bzw. erzeugt wird.
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Bevorzugt ist auch eine Verklebung vorgesehen. Das erfindungsgemäße Verfahren weist dann zumindest folgende Schritte auf:
- - Anbringen von Steckverbindungselementen am Karosserieprofilbauteil und am anderen Karosseriebauteil und Auftragen eines Klebstoffs auf das Karosserieprofilbauteil und/oder auf das andere Karosseriebauteil, gegebenenfalls durch Verwendung wenigstens eines Klebstoffpads;
- - Fixieren des Karosserieprofilbauteils am anderen Karosseriebauteil, wozu das Karosserieprofilbauteil relativ zum anderen Karosseriebauteil ausgerichtet und in (nur) einer Fügerichtung bewegt und aufgesteckt wird, sodass die Steckverbindungselemente ineinandergreifen (und erfindungsgemäße Fest- und Loslagerverbindungen entstehen);
- - Aushärten des Klebstoffs durch Erwärmung, insbesondere in einem Ofen (bevorzugt bei 160° C bis 220° C, insbesondere bei 180° C bis 200° C), z. B. in einem KTL-Trockenofen.
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Diese Verfahrensweise ähnelt dem sogenannten Punktschweißkleben, wobei anstatt der als Festlager fungierenden Schweißpunkte Steckverbindungselemente verwendet und an wenigstens zwei Befestigungspunkten Loslagerverbindungen gebildet werden, sodass beim Aushärten im Ofen eine unterschiedliche Wärmeausdehnung ermöglicht und Beschädigungen an den Bauteilen und Verbindungselementen verhindert werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend beispielhaft und in nicht einschränkender Weise mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in den Figuren der Zeichnung gezeigten und/oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch unabhängig von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung entsprechend weiterbilden.
- 1 veranschaulicht in zwei einzelnen Darstellungen das Prinzip der erfindungsgemäßen Befestigungsanordn ung.
- 2 zeigt in zwei einzelnen Darstellungen ein Karosserieprofilbauteil, das in erfindungsgemäßer Weise im Schweller einer Fahrzeugkarosserie verbaut wird bzw. verbaut ist.
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1a zeigt ein schalenartig ausgebildetes Karosseriebauteil 10 (erstes Bauteil), das bspw. aus einem pressgehärteten Stahlblechmaterial gebildet ist. Am Karosseriebauteil 10 soll zur Bildung eines Bauteilverbunds 100' ein Karosserieprofilbauteil 20 (zweites Bauteil) befestigt werden, das als Aluminium-Einkammerhohlprofil ausgebildet ist. Das Karosserieprofilbauteil 20 weist eine axiale Länge L von bspw. 1000 mm bis 2000 mm und mehr auf und wird längsseitig an drei Befestigungspunkten am anderen Karosseriebauteil 10 befestigt, wobei das Karosseriebauteil 10 bereits in einer Fahrzeugkarosserie verbaut sein kann. Die drei Befestigungspunkte befinden sich in der (axialen) Mitte und in den äußeren Endbereichen.
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Am Karosseriebauteil 10 sind an den Befestigungspunkten abragende Bolzen 31, 32, 33 fest angebracht, die insbesondere aus Metall (z. B. Stahl) gebildet sind. Die Bolzen 31, 32, 33 sind lochfrei angeschweißt (Schweißbolzen) oder gegebenenfalls auch eingestanzt (Stanzbolzen) und sind bezüglich einer Fluchtlinie A versetzt angeordnet. Am zu befestigenden Karosserieprofilbauteil 20 sind (an den Befestigungspunkten) komplementäre Buchsen 41, 42, 43 angebracht, die vorzugsweise aus Kunststoff und insbesondere aus einem Elastomer gebildet sind. Die mittlere Buchse 42 ist fest (im Sinne von unbeweglich) angebracht, wohingegen die beiden äußeren Buchsen 41 und 43 mit begrenztem Spiel bzw. Bewegungsfreiraum schwimmend angeordnet sind, wie durch die Pfeile angedeutet. Die Bolzen 31, 32, 33 und Buchsen bzw. Hülsen 41, 42, 43 sind komplementäre bzw. korrespondierende Steckverbindungselemente, die auch anders gestaltet sein können.
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Zum Befestigen wird das Karosserieprofilbauteil 20 zum Karosseriebauteil 10 ausgerichtet und dann in einer linearen, bspw. horizontalen, Fügerichtung F aufgesteckt (siehe 1b), wobei die Bolzen 31, 32, 33 in die Buchsen 41, 42, 43 eingreifen. (Die Bolzen und Buchsen können hierzu auch umgekehrt oder alternierend angeordnet sein.) Dabei ermöglicht die schwimmende Anordnung der äußeren Buchsen 41 und 43 sowie die gegebenenfalls elastomere Ausbildung dieser oder aller Buchsen einen Ausgleich von Bauteil- und Positioniertoleranzen (bspw. von +/-1,25 mm). Die Grobverzahnung (Tannenbaumstruktur) der Bolzen 31, 32, 33 führt zu einer hinterschnittigen Verrasterung mit den entsprechend innenverzahnten Buchsen 41, 42, 43, sodass das Karosserieprofilbauteil 20 schließlich sowohl in bspw. vertikaler Richtung v als auch in bspw. horizontaler Richtung h befestigt ist. Ein zerstörungsfreies Herausziehen der Bolzen 31, 32, 33 aus den Buchsen 41, 42, 43 ist nicht möglich. Die Buchsen 41, 42, 43 können so ausgebildet sein, dass diese durch die Bolzen 31, 32, 33 aufgeweitet werden (Dübeleffekt). Zur Verstärkung des Dübeleffekts und/oder zur einfacheren Montage der Buchsen 41, 42, 43 können diese mit Längsschlitzen versehen sein. Zur Befestigung des Karosserieprofilbauteils 20 am Karosseriebauteil 10 ist eine einseitige Zugänglichkeit ausreichend. Es ist weder ein Werkzeug noch eine Innenzugänglichkeit zu den Befestigungspunkten erforderlich. Ergänzend kann auch noch eine Verklebung erfolgen (s. u.).
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Am mittleren Befestigungspunkt wird eine Festlagerverbindung und an den beiden äußeren Befestigungspunkten werden Loslagerverbindungen gebildet, wodurch dann unterschiedliche Wärmeausdehnungen möglich sind. Die Bolzen 31, 32, 33 und die Buchsen 41, 42, 43 weisen ringartige Abstandshalter 35, 45 auf, sodass sich zwischen dem Karosserieprofilbauteil 20 und dem Karosseriebauteil 10 ein definierter Spalt ausbildet. Durch diesen Spalt wird in Verbindung mit aus Kunststoff gebildeten Buchsen 41, 42, 43 eine elektrische Trennung (Isolierung) bewirkt und Kontaktkorrosion verhindert. D. h., die Befestigung des Karosserieprofilbauteils 20 am anderen Karosseriebauteil 10 kann ohne metallischen Kontakt erfolgen.
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2 zeigt eine bevorzugte Anwendung der Erfindung in einem als sogenannten Hybrid- bzw. Mischbauschweller ausgebildeten Schweller bzw. Seitenschweller 100 einer Fahrzeugkarosserie (best mode). Die Erfindung ist aber ausdrücklich nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt, sondern eignet sich auch für andere Anwendungsfälle im Fahrzeugkarosseriebau. Das in 2a gezeigte Karosserieprofilbauteil 20 (zweites Bauteil), wobei nur ein mittlerer Abschnitt gezeigt ist, ist als stranggepresstes Aluminium-Mehrkammerhohlprofil ausgebildet. Das Mehrkammerhohlprofilbauteil 20 kann aber bspw. auch aus einem faserverstärkten Kunststoff (z. B. CFK oder GFK) gebildet und bspw. durch Pultrusion (sogenanntes Pultrusionsprofil) hergestellt sein. Das Mehrkammerhohlprofilbauteil 20 wird, analog zu den vorausgehenden Erläuterungen in Bezug auf die 1, als äußere Schwellerverstärkung längsseitig an einem inneren Schwelleraufbau 10 (erstes bzw. anderes Bauteil) aus Stahlblechen befestigt, wie in 2b gezeigt. Das Bezugszeichen 15 zeigt auf eine zum Schwelleraufbau 10 gehörende Verstärkung. Dabei ist längsseitig auch eine mehrfache Verklebung vorgesehen. Der verwendete Klebstoff weist bevorzugt elastische Eigenschaften auf.
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Das zu befestigende Karosserieprofilbauteil 20 wird durch Anbringen der Kunststoffbuchsen 41, 42, 43 (bspw. durch Einpressen in Bohrungen oder Ausnehmungen, die gegebenenfalls Übermaß aufweisen, um eine schwimmende Befestigung mit definiertem Spiel zu erreichen) und durch Auftragen eines Klebstoffs bzw. durch Aufbringen von Klebstoffpads 50 vorbereitet. Am anderen Karosseriebauteil 10 können die Bolzen 31, 32, 33 bereits im Karosserierohbau durch Bolzenschweißen oder dergleichen angebracht werden. Danach wird das Karosserieprofilbauteil 20 in Fahrzeug- bzw. Schwellerlängsrichtung x und relativ zum inneren Schwelleraufbau 10 ausgerichtet und dann durch Aufstecken in einer im Wesentlichen linearen horizontalen Fügerichtung F am inneren Schwelleraufbau 10 fixiert, sodass die Bolzen 31, 32, 33 und Buchsen 41, 42, 43 ineinandergreifen.
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Durch Erwärmung in einem Ofen, insbesondere in einem KTL-Trockenofen (bei der Lacktrocknung der Fahrzeugkarosserie), wird dann der Klebstoff 50 ausgehärtet (bevorzugt ist der Klebstoff bzw. sind die Klebstoffpads 50 auch wärmeexpandierend). Das Fest-Loslager-Prinzip ermöglicht dabei in Schweller- bzw. Fahrzeuglängsrichtung x eine im Wesentlichen freie Wärmeausdehnung des Aluminium-Profilbauteils 20 (bspw. um + 1,5 mm) relativ zum Stahl-Schwelleraufbau 10. Zwischen dem äußeren Karosserieprofilbauteil 20 und dem inneren Schwelleraufbau 10 ist ein Spalt 60 ausgebildet, sodass auch keine elektrisch leitende Verbindung besteht.
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Die Verbindungsfestigkeit und Verbundsteifigkeit wird hier wesentlich durch die Verklebung bestimmt. Die Anzahl der durch die Bolzen 31, 32, 33 und Buchsen 41, 42, 43 gebildeten Befestigungspunkte ist so gewählt (bevorzugt sind drei Befestigungspunkte vorgesehen, wobei auch mehr als drei Befestigungspunkte vorgesehen sein können) und die an den Befestigungspunkten mit den Bolzen 31, 32, 33 und Buchsen 41, 42, 43 herbeigeführten Steckverbindungen sind so beschaffen, dass das Karosserieprofilbauteil 20 bis zum Aushärten des Klebstoffs 50 zuverlässig gehalten und zumindest die Gewichtskraft sicher getragen wird (ein Lösen ist aufgrund der hinterschnittigen Verrasterung zwischen den Bolzen 31, 32, 33 und Buchsen 41, 42, 43 nicht möglich). Auch nach dem Aushärten des Klebstoffs 50 können über die Steckverbindungen zwischen den Bolzen 31, 32, 33 und Buchsen 41, 42, 43 Kräfte übertragen werden, bspw. im Crashfall.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Karosseriebauteil (erstes Bauteil)
- 15
- Verstärkung
- 20
- Karosserieprofilbauteil (zweites Bauteil)
- 31
- Bolzen (Steckverbindungselement)
- 32
- Bolzen (Steckverbindungselement)
- 33
- Bolzen (Steckverbindungselement)
- 35
- Abstandshalter
- 41
- Buchse (Steckverbindungselement)
- 42
- Buchse (Steckverbindungselement)
- 43
- Buchse (Steckverbindungselement)
- 45
- Abstandshalter
- 50
- Klebstoff, Klebstoffpad
- 60
- Spalt
- 100
- Schweller (Bauteilverbund)
- 100'
- Bauteilverbund
- A
- Fluchtlinie
- F
- Fügerichtung
- L
- axiale Länge
- h
- horizontale Richtung
- v
- vertikale Richtung
- x
- x-Achse (Fahrzeugkoordinatensystem)
- y
- y-Achse (Fahrzeugkoordinatensystem)
- z
- z-Achse (Fahrzeugkoordinatensystem)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013001945 A1 [0003]
