DE10215911A1 - Bauteil mit lokaler Wölbstruktur und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Bauteil aus Metallblech, insbesondere ein Karosserieblech, das eine Versteifungszone aufweist, in der das Bauteil mit einer steifigkeitserhöhenden Wölbstrukturierung versehen ist. Das Bauteil wird aus einem wölbstrukturierten Rohling hergestellt, in den mit Hilfe eines Prägeverfahrens lokal begrenzte Anschlußzonen eingeprägt werden, in denen das Bauteil näherungsweise wölbstrukturfrei ist. Diese Anschlußzonen dienen zur Anbindung des Bauteils an weitere Baugruppen.

Description

• Die Erfindung geht aus von einem Bauteil aus Metallblech, insbesondere einem Karosserieblech, nach dem Oberbegriff von Anspruch 1, wie es beispielsweise aus der DE 199 42 383 A1 als bekannt hervorgeht.
• Die DE 199 42 383 A1 beschreibt einen Kraftfahrzeugboden, der durch Tiefziehen eines Rohlings aus wölbstrukturiertem Blech hergestellt ist. Unter "wölbstrukturiertem" Blech wird hierbei ein Blech verstanden, das mit einer versteifenden Makrostruktur versehen ist, welche mit Hilfe eines Beulverfahrens in das Blech eingebracht wird; derartige Bleche sind beispielsweise in der DE 44 37 986 A1 beschrieben. Im Gegensatz zu der Wirkung klassischer Umformverfahren (wie z. B. Walzenprägen oder Hydroforming), bei denen während des Umformens eine Plastifizierung des Blechs stattfindet, wird das Blech beim Wölbstrukturieren lediglich lokal gefaltet; dies ist verbunden mit einer nur unwesentlichen Oberflächenvergrößerung des Materials. Die Beulverformung erfolgt in einem Durchlaufverfahren, so daß gesamte Materialbahnen (bzw. bandartige Bereiche auf ihnen) mit der Wölbstruktur versehen werden. Zur Herstellung steifigkeitserhöhter Karosseriebauteile werden aus diesen Materialbahnen Rohlinge ausgeschnitten, aus denen dann durch weitere Prozeßschritte die gewünschten Bauteile gefertigt werden.
• Schwierigkeiten treten allerdings auf, wenn Karosserieteile aus wölbstrukturiertem Blech unter Verwendung herkömmlicher Fügeverfahren (Punktschweißen, Schraubverbindungen etc.) mit anderen Bauteilen verbunden werden sollen. Aufgrund der Wölbstrukturierung des Bauteils kann nämlich in den Überlappungsbereichen, in denen das wölbstrukturierte Bauteil mit anderen Bauteilen gefügt werden soll, kein flächenhaftes Aufeinandertreffen mit den Fügepartnern sichergestellt werden. Somit kann ein wölbstrukturiertes Blech nicht ohne weiteres mit Hilfe eines Schweißverfahrens - bzw. einer formschlüssigen Schraubverbindung - mit einem weiteren Bauteil gefügt werden.
• Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, wölbstrukturierte Bauteile so zu gestalten, daß sie ein einfaches Anbinden an andere Bauteile ermöglichen. Weiterhin liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein preisgünstiges Verfahren zur Herstellung solcher Bauteile bereitzustellen.
• Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprüche 1 und 7 gelöst.
• Danach ist das Bauteil mit einer Anschlußzone versehen, in der das Bauteil näherungsweise wölbstrukturfrei ist. Diese Anschlußzone wird mit Hilfe eines Prägeverfahrens in den Bauteil-Rohling eingebracht. Das Prägeverfahren gestattet ein Einformen von Anschlußzonen in beliebigen Bereichen des Bauteils, so daß ein weites Spektrum von Anschlußzonen auf dem Bauteil vorgesehen werden kann, im Bereich derer das Bauteil (im Zuge des Fahrzeug-Rohbaus und/oder der Montage) mit Hilfe herkömmlicher Fügeverfahren (insbesondere Schweißverfahren bzw. Schraubverbindungen) an benachbarte Bauteile angebunden werden kann. Außerhalb der Anschlußzonen weist das Bauteil Versteifungszonen auf, in denen die ursprüngliche steifigkeitserhöhende Wölbstruktur des Rohlings erhalten geblieben ist.
• Im Vergleich zu unversteiften Bauteilen haben die erfindungsgemäßen, in der Versteifungszonen lokal wölbstrukturierten Bauteile mehrere Vorteile:
  
• - Zunächst hat die Wölbstrukturierung eine Erhöhung der Beulsteifigkeit bzw. Biegesteifigkeit zur Folge. Gegenüber unstrukturierten Blechen kann daher bei Verwendung wölbstrukturierter Bauteile die Blechdicke - ohne Steifigkeitseinbußen - wesentlich geringer gewählt werden, was mit einer erheblichen Material- und Gewichtsersparnis der Fahrzeugkarosserie verbunden ist, wenn z. B. Bauteile wie Stirnwand, Rückwand, Hauptboden, Tunnel, Boden unter dem Fondsitz und über der Hinterachse, Heckboden etc. aus wölbstrukturierten Blechen gefertigt werden. Gegenüber den bekannten steifigkeitserhöhenden Versickungen dieser Bauteile hat die Wölbstrukturierung den zusätzlichen Vorteil, eine weitgehend richtungsunabhängige Steifigkeitserhöhung zu bewirken. Unabhängig von der niederfrequenten Erhöhung der Bauteilsteifigkeit weisen wölbstrukturierte Bleche in höherfrequenten Bereichen (> 200 Hz) mehr Eigenmoden auf und haben daher eine höhere Elastizität.
• - Weiterhin zeichnen sich wölbstrukturierte Bauteile im Crashfall durch eine erhöhte Energieaufnahme und eine reproduzierbare Verformung aus. Somit ist der Einsatz wölbstrukturierter Bleche für Crashboxen (im Vorbau und im Heck), für Längsträger (im Vorbau- und Heckbereich), für das Innenteil der Motorhaube etc. mit großen Vorteilen verbunden.
• - Zum anderen bewirkt die Wölbstrukturierung - im Vergleich zu unstrukturierten Blechen - eine Verschiebung der Eigenfrequenz des Bauteils. Werden großflächige, flache Bauteile wie z. B. Stirnwand, Rückwand, Hutablage, Bodenblech im Bereich der Hinterachse etc. aus wölbstrukturierten Blechen gefertigt, so können dadurch günstigere akustische Eigenschaften bei geringerem Materialeinsatz erreicht werden. Dadurch wird die Fahrzeugqualität und der Komfort erheblich verbessert.
• - Weiterhin hat die Wölbstrukturierung Einfluß auf die aeroakustischen Eigenschaften des Bauteils: So werden durch Luftverwirbelungen erzeugte Schwingungen der Bauteile zu höheren Frequenzen verschoben; somit kann das akustische Verhalten des Fahrzeugs erheblich verbessert werden, wenn Bauteile wie Hauptboden, Tunnel, Boden unter den Fondsitzen etc. aus wölbstrukturierten Blechen gefertigt werden.
• - Schließlich beeinflußt die Wölbstrukturierung auch die aerodynamischen Eigenschaften eines Bauteils: so macht die Wölbstruktur das betreffende Teil aufgrund des sogenannten "Haifischhaut-Effekts" windschlüpfriger. Dieser Effekt kann insbesondere bei Bauteilen wie z. B. Dachbeplankungen oder der Unterbodenverkleidung genutzt werden.
• Somit können durch die Verwendung wölbstrukturierter Bleche die Steifigkeit, die akustischen Eigenschaften etc. von Karosseriebauteilen positiv beeinflußt werden.
• Andererseits gestatten die erfindungsgemäßen, den Versteifungszonen benachbarten, Anschlußzonen auf den Bauteilen, daß die Vielzahl der oben aufgeführten Karosserie-Bauteile mit Hilfe herkömmlicher, bewährter und großserientauglicher Verfahren - z. B. durch Punktschweißen oder durch Schraubverbindungen - einfach an Folgebauteile angebunden werden können. Dies erst ermöglicht einen breiten und kostengünstigen Großserien-Einsatz solcher wölbstrukturierter Bauteile im Karosseriebau.
• Beim Herstellen der Anschlußzonen wird die Wölbstruktur des Bauteilrohlings lokal geglättet. Im Zuge dieses Glättungsprozesses muß die Oberflächenvergrößerung, die während der Wölbstrukturierung im Zuge der Herstellung des Rohlings erzeugt wurde, in gezielter Weise abgebaut werden. Um dabei einen gezielten Materialfluß zu erreichen und Faltenbildung bzw. die Entstehung von Ausstrahlungen auf dem Bauteil zu vermeiden, ist es zweckmäßig, "Verbraucher" vorzusehen, welche einen definierten Fluß des überschüssigen Werkstoffs gewährleisten. Als solche "Verbraucher" dienen Sicken, die in der Anschlußzone - vorteilhafterweise nahe am Übergang zur Versteifungszone - vorgesehen werden (siehe Anspruch 2). Diese Sicken sind vorzugsweise parallel zu den Übergängen zwischen Versteifungszonen und Anschlußbereichen angeordnet (siehe Anspruch 3).
• Bei einem Großteil der betroffenen Bauteile befinden sich die Anschlußbereiche im Randbereich des Bauteils (siehe Anspruch 4). Weiterhin können zusätzliche Anschlußbereiche im Bauteilinneren vorgesehen sein (siehe Anspruch 5).
• Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiels näher erläutert; dabei zeigen:
• Fig. 1 einen wölbstrukturierten Rohling;
• Fig. 2 eine aus dem Rohling der Fig. 1 gefertigte Kraftfahrzeug-Rückwand
• Fig. 2a in einer Aufsicht;
• Fig. 2b in einer Schnittdarstellung;
• Fig. 3 ein alternatives Beispiel einer aus einem wölbstrukturierten Rohling gefertigten Rückwand.
• Fig. 1 zeigt einen Rohling 1 aus wölbstrukturiertem Blech, aus dem mit Hilfe des erfindungsgemäßen Prägeverfahrens ein in Fig. 2a dargestelltes Bauteil 2 - im vorliegenden Beispiel eine Kraftfahrzeug-Rückwand 3 - hergestellt wird; die Außenkontur der Kraftfahrzeug-Rückwand 3 ist auf dem Rohling 1 der Fig. 1 gestrichelt angedeutet.
• Die Rückwand 3 bildet in der fertigen Fahrzeugkarosserie Teil des Blechverbundes der Fahrgastzelle und stellt ein schubbeaufschlagtes Bauteil 2 dar, das besonders hohe Anforderungen in bezug auf Biegefestigkeit erfüllen muß. Um die hierfür erforderlichen Steifigkeitswerte zu erreichen, ist der Rohling 1 mit einer Wölbstruktur 5 versehen. Die Erzeugung dieser Wölbstruktur 5 auf einem (in den Figuren nicht dargestellten) ebenen Blech erfolgt mit Hilfe eines Beulverfahrens, das beispielsweise in der DE 44 37 986 A1 im Detail beschrieben ist. Da das Einbringen der Wölbstruktur 5 in einem Durchlaufverfahren erfolgt, weist der Rohling 1 die Wölbstrukturierung 5 auf seiner gesamten Oberfläche auf; alternativ kann der Rohling 1 in einem (oder mehreren) bandartigen Streifen (entsprechend der Vorschubrichtung des Beulverfahrens) mit einer Wölbstrukturierung 5 versehen sein, in benachbarten Streifen jedoch frei von Wölbstrukturen sein.
• Die Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 hat im vorliegenden Ausführungsbeispiel eine hexagonale Symmetrie, was in Fig. 1 schematisch durch ein Wabenmuster angedeutet ist. Die Gitterkonstante 10 sowie die Wölbhöhe des Wabenmusters 5 ist dabei der Dicke des daraus zu fertigenden Bauteils 2 sowie der gewünschten Steifigkeitserhöhung (bzw. den gewünschten Schwingungseigenschaften) des Bauteils 2 angepaßt. - Alternativ zu der in Fig. 1 gezeigten hexagonalen Wölbstruktur 5 kann der Rohling 1 auch eine Wölbstruktur mit einer trigonalen oder einer rechteckigen Grundsymmetrie aufweisen.
• Die aus dem wölbstrukturierten Rohling 1 durch ein Prägeverfahren hergestellte Rückwand 3 weist eine großflächige wölbstrukturierte Versteifungszone 4 auf, in der die ursprüngliche Wölbstrukturierung des Rohlings 5 erhalten bleibt, und die die gewünschte Biegesteifigkeit der Rückwand 3 gewährleistet. Wenn die Wölbstruktur 5 der Versteifungszone 4 hochsymmetrisch ist (wie im Fall der Fig. 1 und 2 in Form eines regelmäßigen hexagonalen Gitters), so hat diese Wölbstruktur 5 eine richtungsunabhängige versteifende Wirkung auf die Rückwand 3. In Randbereichen 6, 6', 6" sowie in einem im Bauteilinneren liegenden Bereich 7 ist die Rückwand 3 mit Anschlußzonen 8, 9 versehen, welche weitgehend frei von Wölbstrukturen sind und die Form von flachen Flanschen haben. In diesen Bereichen 8, 9 ist die ursprünglich vorliegende Wölbstruktur 5 des Rohlings 1 durch ein Prägeverfahren geglättet. Im Bereich dieser Anschlußzonen 8, 9 kann die Rückwand 3 somit mit Hilfe herkömmlicher Fügeverfahren (wie z. B. Punktschweißen) an weitere Bauteile angebunden werden, welche im Überlappungsbereich mit den Anschlußzonen 8, 9 ebenfalls näherungsweise flach sind.
• Um sicherzustellen, daß die Rückwand 3 bestimmten Spezifikationen in bezug auf die geforderte Biegesteifigkeit erfüllt, muß eine vordefinierte Orientierung der Wölbstruktur 5 auf dem Bauteil 2 gegeben sein. Dies hat seine Ursache einerseits in der Tatsache, daß die mit Hilfe des Beulverfahrens eingebrachte Wölbstruktur 5 im Regelfall nicht vollständig symmetrisch ist, sondern eine Vorzugsrichtung aufweist. Weiterhin beeinflußt - insbesondere in den Übergangsbereichen 11, 11', 11", 12 zwischen den Versteifungszonen 4 und den Anschlußzonen 8, 9 - die Orientierung der Wölbstruktur 5 die direktionale Steifigkeit des Bauteils 2.
• Im Beispiel der Fig. 2a und 2b ist die Wölbstruktur 5 in den Versteifungsbereichen 4 in einer solche Weise orientiert, daß die Symmetrieachse 13 der Rückwand 3 mit einer der Symmetrieachsen der hexagonalen Wölbstruktur 5 übereinstimmt. Weiterhin sind die Anschlußzonen 8 so gegenüber der Versteifungszone 4 angeordnet, daß im Bereich des oberen Randes 6' der Übergang 11' zwischen Versteifungszone 4 und Anschlußzone 8 durch die gezackten Ränder des wölbstrukturierten Musters 5 gebildet wird, während im Bereich des unteren Randes 6" der Übergang 11" zwischen Versteifungszone 4 und Anschlußzone 8 zentral durch die Sechsecke der Wölbstruktur 5 verläuft. Die optimale Ausrichtung der Wölbstruktur 5 auf dem Bauteil 2 wird zweckmäßigerweise durch numerische Festigkeitsuntersuchungen bestimmt.
• Die mittig in der Versteifungszone 4 angeordnete Anschlußzone 9 dient der Anbindung des Gehäuses der Rückwand (Verlängerung der Mittelkonsole), das im Zuge der Montage an die Anschlußzone 9 angeschraubt wird. Im Übergangsbereich 12 zwischen der Versteifungszone 4 und der mittigen Anschlußzone 9 ist eine umlaufende Sicke 14 vorgesehen. Diese Sicke dient als "Verbraucher" des Materialüberschusses, welcher durch die Oberflächenvergrößerung im Zuge des Wölbstrukturierens entstanden ist und nun - im Zuge des Glättens der Wölbstruktur 5 - gezielt abgeführt werden muß. Die Sicke 14 unterbindet einerseits eine Faltenbildung in der geglätteten Anschlußzone und vermeidet andererseits Ausstrahlungen in die Versteifungszone 4 hinein.
• Im Bereich der randseitigen Anschlußzonen 6, 6', 6" ist die Rückwand 3' der Fig. 3 ebenfalls mit Sicken 15 versehen. Diese Sicken 15 verlaufen parallel zum Übergangsbereich 11 zwischen der Versteifungszone 4 und den randseitigen Anschlußzonen 6, 6', 6". Auch sie haben die Wirkung, Ausstrahlungen bzw. Faltenbildung auf der Rückwand 3 während des Prägeprozesses zu vermeiden; weiterhin führen sie zu einer richtungsabhängigen Versteifung dieser Bereiche.
• Wird die Rückwand 3 aus Stahlblech hergestellt, so gestattet die Wölbstrukturierung 5 der Versteifungszone 4 eine Reduktion der Blechdicke gegenüber herkömmlichen, aus unstrukturiertem Stahlblech hergestellten Bauteilen und somit einen geringeren Materialeinsatz. Weiterhin können als Werkstoffe - neben Stahlblech - auch Leichtbau-Werkstoffe mit geringerer spezifischer Dichte und geringerem Elastizitätsmodul, beispielsweise Aluminium, zum Einsatz kommen. Die lokale Wölbstruktur 5 in der Versteifungszone 4 bewirkt einerseits eine Versteifung der Rückwand 3 im niederfrequenten Bereich und stellt andererseits im höherfrequenten Bereich (> 200 Hz) ein elastisches Verhalten der Rückwand 3 sicher.
• Fig. 3 zeigt ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Rückwand 3', deren wölbstrukturierte Versteifungszone 4 mit zwei Anschlußzonen 9' versehen ist. Diese Anschlußzonen 9' dienen als Anbindungsflächen, an denen in weiteren Herstellungsschritten Anschlußteile mittels Schrauben, Schweißen, Kleben etc. befestigt werden.
• Die Erfindung ist keineswegs beschränkt auf Kraftfahrzeug- Rückwände 3, 3'. Vielmehr kann die Erfindung auf beliebige Karosseriebauteile angewendet werden, indem - ausgehend von einem wölbstrukturierten Rohling 1 - beliebig angeordnete Anschlußzonen 8, 9 des Rohlings 1 selektiv geglättet werden, um flache Flansche zu schaffen, im Bereich derer das Bauteil an weitere Karosseriekomponenten angebunden werden kann.

Claims (8)

1. Bauteil aus Metallblech, insbesondere Karosserieblech, mit einer Versteifungszone, in der das Bauteil mit einer steifigkeitserhöhenden Wölbstrukturierung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (2, 3) eine durch ein Prägeverfahren in das Bauteil eingebrachte Anschlußzone (8, 9) aufweist, in der das Bauteil (2, 3) näherungsweise wölbstrukturfrei ist.

2. Bauteil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (2, 3) im Bereich der Anschlußzone (8, 9) mit Sicken (14, 15) versehen ist.

3. Bauteil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicken (14, 15) näherungsweise parallel zum Rand (11, 12) der Versteifungszone (4) angeordnet sind.

4. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußzone (8) randseitig auf dem Bauteil (2, 3) angeordnet ist.

5. Bauteil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (2, 3) zusätzlich zu der randseitigen Anschlußzone (8) weitere, im Bauteilinneren angeordnete Anschlußzonen (9) aufweist.

6. Bauteil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauteil (2, 3) eine Kraftfahrzeug-Rückwand (3) ist.

7. Verfahren zur Herstellung eines Bauteils aus Metallblech, insbesondere eines Karosserieblechs,

- mit einer Versteifungszone, in der das Bauteil mit einer steifigkeitserhöhenden Wölbstrukturierung versehen ist

- wobei als Rohling zur Herstellung des Bauteils ein wölbstrukturierter Blechzuschnitt verwendet wird,

dadurch gekennzeichnet, daß der wölbstrukturierten Blechzuschnitt (1) mit einer näherungsweise wölbstrukturfreien Anschlußzone (8, 9) versehen wird, welche durch einen Prägeprozeß erzeugt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Zuge des Prägeprozesses Sicken (14, 15) in die Anschlußzone (8, 9) des Blechzuschnitts (1) eingeprägt werden.