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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Hilfsrahmens für ein Fahrzeug, insbesondere Kraftfahrzeug, wobei mindestens ein erstes Bauteil formschlüssig mit mindestens einem zweiten Bauteil verbunden wird.
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Daneben betrifft die Erfindung einen Hilfsrahmen mit mindestens einem ersten Bauteil und mindestens einem zweiten Bauteil.
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Aus dem Stand der Technik sind Hilfsrahmen im vorderen oder hinteren Bereich von Kraftfahrzeugen in einer Vielzahl an Ausgestaltungen bekannt. Hilfsrahmen dienen der Lagerung von Antriebsaggregaten, Radaufhängungselementen oder ähnlichen Elementen. In der Regel werden die Aggregate über schwingungsdämpfende Lager mit dem Hilfsrahmen verbunden, wobei der Hilfsrahmen mit dem Fahrzeugaufbau starr verbunden wird. Dazu sind Anbindungspunkte jeweils links und rechts am Fahrzeugaufbau vorgesehen, an denen der Hilfsrahmen befestigt wird. Aufgrund der Funktion des Hilfsrahmens, beispielsweise zum Halten von Antriebsaggregaten, ist es notwendig, dass dieser entsprechend verwindungssteif ausgestaltet ist.
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Klassische Hilfsrahmenkonzepte geraten immer mehr unter Druck. Anforderungen an Hilfsrahmen wie Steifigkeit, Betriebsfestigkeit, ein minimales Gewicht, eine geringe Fertigungszeit und eine unkomplizierte Fertigung müssen auch im Rahmen der Elektromobilität weiter eingehalten werden. Nicht zuletzt entsteht daraus der Wunsch nach einer Skalierbarkeit, um die Breite an unterschiedlichen Fabrikaten bedienen zu können. Dazu zählen vor allem die Spurweite einer Hinterachse und die Achslastvariation.
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Aus dem Stand der Technik ist der Einsatz großer Schweißgruppen als Hilfsrahmen bekannt. Aufgrund der langen Entwicklungszeiten gerät diese Vorgehensweise für dynamische Projekte mit wechselnden Anforderungen unter Druck.
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Neben den klassischen Schweißgruppenkonzepten gibt es Guss- und Hybridhilfsrahmenkonzepte, welche jedoch andere Systematiken nutzen. Das Bauteil „Hilfsrahmen“ lässt sich grundlegend in zwei Bereiche zerlegen: Funktionsbereiche und Streckenbereiche. Ziel eines Hybridhilfsrahmens ist die material- und fertigungstechnische Auflösung der Bereiche.
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DE 199 22 800 B4 beschreibt beispielsweise einen Hybridhilfsrahmen mit verschweißten oder magnetumgeformten Verbindungen zwischen Funktions- und Streckenelement.
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DE 10 2016 201 815 A1 beschreibt ein Fügeverfahren auf Basis einer Presspassung zwischen Funktions- und Streckenelement.
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Ein Einsatz der vorgenannten Hybrid-Hilfsrahmen in Großserie ist allerdings nur mit erhöhtem Aufwand zu bewerkstelligen. Die Fertigungsverfahren weisen eine höhere Fertigungszeit beziehungsweise eine komplizierte Fertigung auf. Toleranzen können nur mit hohem Aufwand eingehalten werden.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Hilfsrahmens für ein Fahrzeug sowie einen Hilfsrahmen anzugeben, bei denen die Fertigungszeit und entsprechend auch die Komplexität der Fertigung minimiert wird.
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Diese Aufgabe ist bei der vorliegenden Erfindung zunächst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass an dem ersten Bauteil in einem ersten Abschnitt der Umfang vergrößert wird, dass sich ausgehend von dem ersten Abschnitt ein Einführabschnitt erstreckt, dass an dem zweiten Bauteil ein zum ersten Abschnitt korrespondierender Anlageabschnitt ausgebildet ist, dass das erste Bauteil mit dem Einführabschnitt in eine Öffnung des zweiten Bauteils eingeführt wird, bis der erste Abschnitt an dem korrespondierenden Anlageabschnitt anliegt und dass der Einführabschnitt derart umgeformt wird, dass der Einführabschnitt zumindest teilweise in einen Hinterschnitt mit dem zweiten Bauteil gebracht wird. Dabei ist gegebenenfalls eine überelastische Umformung des eingeführten Bauteils anzuwenden, da Passungsspiel aufgrund von Rückfederung zu vermeiden ist.
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Ein erster Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch den Verzicht auf stoffschlüssige Verbindungen, wie Schweißen, eine sauberere, prozesssichere und schnellere Fertigung erzielt werden kann.
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Der erste Abschnitt kann sich theoretisch an einer beliebigen Stelle des ersten Bauteils befinden. Bevorzugt ist der Abschnitt an einem Endbereich des ersten Bauteils angeordnet. Die Vergrößerung des Umfangs kann mittels unterschiedlicher Techniken realisiert werden. Denkbar wäre beispielsweise, dass ein Flansch am ersten Abschnitt ausgebildet oder befestigt wird. Denkbar sind auch Fräsungen, Umformungen oder sonstige Verfahren, die dazu geeignet sind, den Umfang des ersten Bauteils im ersten Abschnitt zu vergrößern. Bevorzugt erfolgt die Vergrößerung des Umfangs in Richtung des Einführabschnittes sprunghaft, beispielsweise stufenartig, um die Anlagefläche zu maximieren.
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Bei dem Einführabschnitt kann es sich um eine Erstreckung des ersten Bauteils, ausgehend von dem ersten Abschnitt handeln. Dabei erstreckt sich der Einführabschnitt in Einführrichtung des Einführabschnittes in die Öffnung des zweiten Bauteils. Somit kann der Einführabschnitt durch die Öffnung hindurchtreten, bevor der erste Abschnitt an dem Anlageabschnitt anliegt.
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Bei dem Anlageabschnitt kann es sich um eine Vertiefung handeln. Denkbar ist aber auch, dass es sich bei dem Anlageabschnitt lediglich um eine äußere Bewandung des zweiten Bauteils handelt. Der Anlageabschnitt kann dabei die Öffnung umlaufen beziehungsweise sich umlaufend um die Öffnung erstrecken.
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Durch das Anliegen des ersten Abschnittes an dem Anlageabschnitt ist zunächst das Bewegen des ersten Bauteils, relativ zum zweiten Bauteil in Einführrichtung blockiert. Um eine Bewegung in die Gegenrichtung zu blockieren, wird der Einführabschnitt, der durch die Öffnung des zweiten Bauteils hindurchtritt, derart umgeformt, dass er in einen Hinterschnitt mit einem Teil des zweiten Bauteils gebracht wird. Dabei kann beispielsweise ein Umbiegen des Einführabschnittes zu einem Hinterschnitt führen. Unter einem Hinterschnitt ist im Rahmen der Erfindung eine Blockade zu verstehen, die durch Aufweiten des Einführabschnittes entsteht. Dabei ist es wesentlich, dass die Aufweitung dazu führt, dass der Umfang, der Durchmesser oder der Querschnitt des Einführabschnittes größer als der Umfang, der Durchmesser oder der Querschnitt der Öffnung wird, sodass der Einführabschnitt nicht mehr durch die Öffnung aus dem zweiten Bauteil herausgezogen werden kann.
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Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
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Bei einem ersten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass sich, ausgehend von der Öffnung des zweiten Bauteils, ein konischer Abschnitt, insbesondere ein trichterförmiger Abschnitt, erstreckt, wobei sich der konische Abschnitt ausgehend von der Öffnung in das Bauteil aufweitet und dass das erste Bauteil derart umgeformt wird, dass es zumindest teilweise an dem konischen Abschnitt anliegt.
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Durch die Ausbildung des konischen Abschnittes muss für einen Hinterschnitt kein Einsatz im zweiten Bauteil vorgesehen werden. Dadurch, dass das erste Bauteil zumindest teilweise an dem konischen Abschnitt anliegt, ist der Umfang des ersten Bauteils, das sich innerhalb des zweiten Bauteils befindet, also durch die Öffnung hindurchtritt, größer als der Umfang der Öffnung. Das erste Bauteil kann somit nicht mehr aus dem zweiten Bauteil entfernt werden. Bei einem trichterförmigen Abschnitt kann das erste Bauteil beispielsweise derart aufgeweitet werden, dass der Einführabschnitt nicht nur teilweise, sondern nahezu vollständig an dem trichterförmigen Abschnitt anliegt.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist vorgesehen, dass der Einführabschnitt eine Stempelöffnung aufweist, dass ein Aufhalsstempel vorgesehen ist, dass der Aufhalsstempel in die Stempelöffnung eingeführt wird, wodurch der Einführabschnitt derart umgeformt wird, dass der Einführabschnitt zumindest teilweise in einen Hinterschnitt mit dem zweiten Bauteil gebracht wird. Durch das Einführen des Aufhalsstempels in die Stempelöffnung wird das erste Bauteil aufgeweitet. Der Aufhalsstempel kann vorzugsweise eine konische Geometrie, beispielsweise in Form eines Kegelstumpfes, aufweisen. Der Durchmesser beziehungsweise der Umfang des Kegelstumpfes vergrößert sich über die Länge in Einführrichtung stetig, wodurch das Material des ersten Bauteils im Bereich der Stempelöffnung nach außen gedrückt wird. Besonders bevorzugt weißt der Aufhalsstempel eine Kontur auf, die im Wesentlichen identisch zu der Kontur des konischen Abschnittes ist, wobei die Wandstärke des ersten Bauteils, welches sich beim Einführen des Aufhalsstempels in die Stempelöffnung zwischen dem konischen Abschnitt und dem Aufhalsstempel befindet, von der Größe der Kontur des Aufhalsstempels subtrahiert werden muss.
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Zusätzlich kann bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der Aufhalsstempel eine Kontur aufweist, die nicht rotationssymmetrisch ist, sodass eine Rotation des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil vermieden wird. Dabei kann zusätzlich vorgesehen sein, dass auch der konische Abschnitt eine Kontur aufweist, die nicht rotationssymmetrisch ist. Entsprechend wird bei der Dimensionierung des Aufhalsstempels die Materialstärke des ersten Bauteils subtrahiert. Durch Einführen des Aufhalsstempels in die Stempelöffnung wird das Material des Einführabschnittes nahezu vollständig an den konischen Abschnitt gedrückt. Bei einer solchen Ausgestaltung kann das erste Bauteil folglich nicht relativ zum zweiten Bauteil rotiert werden. Zusammen mit der Blockierung des ersten Bauteils in Einführrichtung, durch den Anlageabschnitt, und die Blockierung entgegengesetzt der Einführrichtung, durch das Umformen des Einführabschnittes, gibt es folglich keine Freiheitsgrade für eine Bewegung des ersten Bauteils relativ zum zweiten Bauteil.
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Zusätzlich oder alternativ kann bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass eine Querbrücke zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ausgebildet wird, sodass eine Rotation des ersten Bauteils verhindert wird.
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Vorteilhafterweise ist bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass das zweite Bauteil mittels eines Gießverfahrens hergestellt wird. Auf diese Weise kann beispielsweise bei komplexen Lenkergeometrien vorteilhafterweise ein Gussbauteil ausgestaltet werden. Wenn eine weitere Versteifung notwendig ist, kann Guss als Material dort zur Versteifung eingesetzt werden, wo es benötigt wird. Bei einer Schalenbauweise mit Lenkerkonsolen, wie es im Stand der Technik üblich ist, ist dies nicht möglich.
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Um die Flexibilität des erfindungsgemäßen Verfahrens weiter zu erhöhen, ist bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass das erste Bauteil durch einen Rohrabschnitt gebildet wird, insbesondere durch einen Standardrohrabschnitt. Durch die Variabilität der Rohrstrecke in Geometrie, beispielsweise Durchmesser, Wandstärke, Länge, und auch Material, wodurch auch die mechanischen Eigenschaften, wie die Streckgrenze, die Oberflächenbeschichtung, Bruchdehnung etc. beeinflusst werden können, können bei identischen Knotenpunkten am zweiten Bauteil viele Achsvarianten erzeugt werden. Das Verfahren zur Verbindung des ersten Bauteils mit dem zweiten Bauteil bleibt dabei aber immer identisch.
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Somit kann die Steifigkeit auf günstige Art und Weise beeinflusst werden. Während die Rohrstrecken vorzugsweise aus Stahl gefertigt werden können, also bei vergleichsweise geringer Wandstärke hohe Steifigkeiten aufweisen.
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Besonders bevorzugt ist bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der erste Abschnitt mittels Umformen des ersten Bauteils gebildet wird. An dem ersten Bauteil kann beispielsweise ein Kragen ausgebildet werden. Denkbar wäre auch, dass das erste Bauteil im ersten Abschnitt entsprechend durch Biegen oder Kanten eine Vergrößerung des Umfangs erfährt.
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Zusätzlich kann dabei bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen sein, das erste Bauteil eine erste Länge L0 aufweist und dass das erste Bauteil nach dem Umformen eine zweite Länge L1 aufweist, wobei die zweite Länge kleiner als die erste Länge ist. Das erste Bauteil wird folglich derart gestaucht, dass eine Wulst um den Umfang des ersten Bauteils im ersten Abschnitt entsteht. Auf diese Weise kann der Umfang des ersten Abschnittes ohne weitere Fügeverfahren, oder ohne das Material am ersten Abschnitt zu schwächen, vergrößert werden.
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Die vorgenannte Aufgabe wird außerdem gelöst von einem Hilfsrahmen für ein Fahrzeug, mit mindestens einem ersten Bauteil und mindestens einem zweiten Bauteil. Dabei ist vorgesehen, dass der Hilfsrahmen durch ein erfindungsgemäßes Verfahren hergestellt ist.
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Die obigen Ausführungen betreffend das erfindungsgemäße Verfahren gelten entsprechend auch für den erfindungsgemäßen Hilfsrahmen.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 einen ersten Schritt eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
- 2 ein zweites Bauteil in einem Längsschnitt;
- 3 ein erste Bauteil, das in ein zweites Bauteil eingeführt wird;
- 4 die Aufweitung eines Einführabschnitts mit einem Aufhalsstempel;
- 5 eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil gemäß den 1 bis 4 und
- 6 einen Hilfsrahmen, der gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
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1 zeigt einen ersten Schritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Hilfsrahmens 10 mit einem hier zunächst dargestellten ersten Bauteil 12 und einem nicht dargestellten zweiten Bauteil 14. In einem ersten Schritt wird der Umfang des ersten Bauteils 12 vergrößert. Dabei wird das erste Bauteil 12 derart gestaucht, dass in einem ersten Abschnitt 16 der Umfang beziehungsweise der Durchmesser des ersten Bauteils 12 vergrößert. Durch die Umformung verkürzt sich die Länge des ersten Bauteils 12 von einer ersten Länge L0 auf eine zweite Länge L1. Bei dem ersten Bauteil 12 handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um einen Standardrohrabschnitt. Das Standardrohr weist einen kreisförmigen, hier nicht dargestellten, Querschnitt auf. Der ausgebildete erste Abschnitt 16 unterteilt das erste Bauteil 12 in einen Streckenabschnitt und einen Einführabschnitt 18. Der Einführabschnitt 18 ist dazu ausgestaltet, in das zweite Bauteil 14 eingeführt zu werden.
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2 zeigt ein zweites Bauteil 14 in einem Längsschnitt. Das zweite Bauteil 14 ist in diesem Ausführungsbeispiel als Gussteil ausgebildet. Das zweite Bauteil 14 weist einen Anlageabschnitt 20 auf, dessen Kontur zum ersten Abschnitt 16 korrespondiert. Der Anlageabschnitt 20 umrahmt eine Öffnung 22, die am zweiten Bauteil 14 ausgebildet ist, das heißt, dass sich der Anlageabschnitt 20 um den kompletten Umfang der Öffnung 22 erstreckt. Sowohl der Anlageabschnitt 20 als auch die Öffnung 22 sind in diesem Ausführungsbeispiel kreisförmig ausgestaltet. Ausgehend von der Öffnung 22 erstreckt sich ein konischer Abschnitt 24 in das zweite Bauteil 14. Der konische Abschnitt 24 ist in diesem Ausführungsbeispiel trichterförmig ausgestaltet. Der konische Abschnitt 24 weitet sich, ausgehend von der Öffnung 22, in das zweite Bauteil 14 aus.
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3 zeigt einen weiteren Schritt des Verfahrens, bei dem das erste Bauteil 12 in das zweite Bauteil 14 eingeführt wurde. Dabei ist zu erkennen, dass der Einführabschnitt 18 durch die Öffnung 22 hindurchtritt. Der Einführabschnitt 18 befindet sich nahezu vollständig innerhalb des konischen Bereichs 24 innerhalb des zweiten Bauteils 14. Das erste Bauteil 12 wird so tief in das zweite Bauteil 14 eingeführt, bis der erste Abschnitt 16 an dem Anlageabschnitt 20 anliegt. Eine weitere Verschiebung des ersten Bauteils 12 in das zweite Bauteil 14 hinein wird auf diese Weise blockiert. Weiterhin ist aber ein Herausziehen des ersten Bauteils 12 aus dem zweiten Bauteil 14 möglich.
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4 zeigt einen weiteren Verfahrensschritt, bei dem die Verschiebbarkeit des ersten Bauteils 12 aus dem zweiten Bauteil 14 heraus blockiert wird. Dazu weist das erste Bauteil 12 eine Stempelöffnung 26 auf. Da es sich in diesem Ausführungsbeispiel bei dem ersten Bauteil 12 um einen Rohrabschnitt handelt, ist die Stempelöffnung 26 mit der Rohröffnung gleichzusetzen. In die Stempelöffnung 26 wird ein Aufhalsstempel 28 eingeführt. Der Aufhalsstempel 28 weist eine zur Kontur des konischen Abschnittes 24 korrespondierende Kontur auf. Da der konische Abschnitt 24 in diesem Ausführungsbeispiel trichterförmig ausgestaltet ist, weist der Aufhalsstempel 28 die Kontur eines Kegelstumpfes auf. Die Kontur des Aufhalsstempels 28 korrespondiert nicht exakt mit der Kontur des konischen Abschnittes 24. Der Aufhalsstempel 28 ist insgesamt volumenmäßig etwas kleiner ausgebildet, als der konische Abschnitt 24. Auf diese Weise kann der Aufhalsstempel 28 in die Stempelöffnung 26 des Einführabschnittes 18 eingeführt werden, wodurch der Einführabschnitt 16 aufgeweitet wird. Der Aufhalsstempel 28 muss dabei derart dimensioniert sein, dass beim Einführen des Aufhalsstempels 28 in die Stempelöffnung 26 das Material des ersten Bauteils 12 beziehungsweise des Einführabschnittes 16 zwischen den konischen Abschnitt 24 und den Aufhalsstempel 28 passt.
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5 zeigt das Ausführungsbeispiel gemäß 4, nachdem der Aufhalsstempel 28 aus dem ersten Bauteil 12 entfernt wurde. Es ist ersichtlich, dass der Einführabschnitt 18 derart aufgeweitet wurde, dass er nun vollständig an dem konischen Abschnitt 24 anliegt. Durch die Aufweitung des Einführabschnittes 18 wird auch der Querschnitt beziehungsweise der Umfang des Einführabschnittes 18 so weit vergrößert, dass er größer ist als der Umfang beziehungsweise der Querschnitt der Öffnung 22. Auf diese Weise kann das erste Bauteil 12 nicht mehr aus dem zweiten Bauteil 14 herausgezogen werden. Dadurch, dass das erste Bauteil 12 zusätzlich durch das Zusammenwirken des ersten Abschnittes 18 und des Anlageabschnittes 20 nicht weiter in das zweite Bauteil 14 eingeführt werden kann, entsteht auf diese Weise eine formschlüssige Verbindung zwischen dem ersten Bauteil 12 und dem zweiten Bauteil 14, ohne, dass ein komplexes Fügeverfahren angewendet werden muss.
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6 zeigt einen Hilfsrahmen 10 für ein Kraftfahrzeug. Bei dem Hilfsrahmen 10 sind mehrere erste Bauteile 12 mit mehreren zweiten Bauteilen 14 verbunden. Die Bauteile 12, 14 sind jeweils nach dem zuvor dargestellten Verfahren miteinander befestigt. In 6 wird der Vorteil des vorgenannten Verfahrens und eines daraus resultierenden Hilfsrahmens 10 deutlich. Durch die Variabilität der Rohrstrecke in Geometrie (Durchmesser, Wandstärke, Länge) und Material (mechanische Eigenschaften, wie die Streckgrenze, die Oberflächenbeschichtung, Bruchdehnung etc.) können bei identischen Gussknoten viele Achsvarianten erzeugt werden.
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Wenn bei dem Verfahren Rohrabschnitte mit Gussknoten verbunden werden kann das Verfahren in unterschiedlichen Anwendungsfällen identisch bleiben.
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Durch den Verzicht auf stoffschlüssige Verbindungen, wie Schweißen, kann eine sauberere, prozesssichere und schnellere Fertigung erzielt werden. Lediglich das Gießen bleibt als thermisches Verfahren übrig. Auch die Fertigungszeit kann verringert werden. Schließlich wird die Steifigkeit auf günstige Art und Weise beeinflusst. Während die Rohrstrecken vorzugsweise aus Stahl gefertigt werden können, also bei recht geringer Wandstärke hohe Steifigkeiten aufweisen, kann über den Guss bei komplexen Lenkergeometrien Material dort zur Versteifung eingesetzt werden, wo es benötigt wird. Bei einer Schalenbauweise mit Lenkerkonsolen (klassische Schweißgruppe) ist dies nicht möglich.
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Gegenüber einer Vollgusslösung bietet der Gussknotenansatz einen Vorteil, da keine sehr große Kokille zum Einsatz kommen muss. Der Gießprozess ist bei vier kleineren Knoten deutlich besser temperaturtechnisch steuerbar. Außerdem kann weitestgehend auf Einsätze für Hinterschnitte verzichtet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Hilfsrahmen
- 12
- erstes Bauteil
- 14
- zweites Bauteil
- 16
- erster Abschnitt
- 18
- Einführabschnitt
- 20
- Anlageabschnitt
- 22
- Öffnung
- 24
- Konischer Abschnitt
- 26
- Stempelöffnung
- 28
- Aufhalsstempel
- L0
- erste Länge
- L1
- zweite Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19922800 B4 [0007]
- DE 102016201815 A1 [0008]
