DE10221880B4

DE10221880B4 - Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Rohrs, ein solches Rohr und dessen Verwendung

Info

Publication number: DE10221880B4
Application number: DE2002121880
Authority: DE
Inventors: Eckhard Prof. Dr.-Ing. habil. Beyer; Irene Dr.rer.nat. Jansen
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2002-05-16
Filing date: 2002-05-16
Publication date: 2007-03-15
Anticipated expiration: 2022-05-17
Also published as: DE10221880A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines längs seiner axialen Richtung und/oder seines Umfangs zumindest abschnittsweise verstärkten Rohres, bei dem auf mindestens ein erstes Rohr mindestens ein sich zumindest abschnittsweise längs seiner axialen Richtung und zumindest abschnittsweise längs seiner Umfangslinie erstreckendes Verstärkungselement, in Form eines spiralförmig um das erste Rohr gewickelten Metall streifens, aufgeklebt wird und der Verbund aus erstem Rohr und Verstärkungselement durch Innenhochdruck-Verfahren derart umgeformt wird, dass sich zusätzlich zur Verklebung eine formschlüssige Verbindung des ersten Rohres mit dem Verstärkungselement ergibt.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines verstärkten Rohres sowie auf derartig hergestellte verstärkte Rohre und deren Verwendung. Derartige Rohre werden insbesondere für Rahmenstrukturen im Bereich des Automobilbaus verwendet.

Insbesondere in diesem Bereich werden verstärkt innenhochdruck-umgeformte Teile verwendet. Vor allem Rohre werden auf diese Weise zu zum Teil sehr komplizierten Rahmenstrukturen verformt. Da die umgeformten Strukturen nicht an jeder Stelle die gleiche Steifigkeit und Festigkeit aufweisen müssen, geht man dazu über, sogenannte „Tailored Tubes" herzustellen. Dabei werden Rohre mit unterschiedlichem Material, insbesondere mit unterschiedlicher Wandstärke, aneinander geschweißt und anschließend hochdruck-umgeformt. Dies führt dazu, dass an einigen Stellen das Bauteil eine größere Wandstärke aufweist und somit hier mehr Kräfte aufnehmen und übertragen kann, ohne dass es zu Fehlern kommt. In Bereichen, in denen keine derartige Bauteil-Steifigkeit erforderlich ist, wird die Wandstärke jedoch auf die minimal erforderliche Wandstärke reduziert, so dass insgesamt der Rahmen bei optimaler Steifigkeit und Festigkeit in den relevanten Bereichen ein minimales Gewicht aufweist.

Zum Verbinden der unterschiedlich dicken Rohre werden diese gewöhnlich verschweißt. Bei diesen geschweißten Rohren werden neben unterschiedlichen Dicken auch unterschiedliche Materialien miteinander verbunden. Ziel ist es auch hier, das Bauteil so leicht wie möglich ohne Einbußen an Steifigkeit in den relevanten Bereichen herzustellen.

Nachteilig an diesem Verfahren ist insbesondere, dass viele verschiedene Rohre sehr aufwendig und mit hohen Kosten miteinander verbunden werden müssen.

Aus der DE 100 38 337 A1 ist es bekannt, Rohrprofile mit Versteifungs- und/oder Funktionselementen herzustellen indem die Versteifungs- oder Funktionselemente auf einer ebenen Blechplatine angeschweißt und anschließend die ebene Blechplatine zu einem Rohr angeformt wird. Die Längskanten der Platine werden dann miteinander verbunden, beispielsweise verschweißt.

In DE 198 51 492 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils mittels Innenhochdruck-Umformen beschrieben. Dabei werden ein oder mehrere Rohre übereinander geschoben, so dass an einem Innenrohr ein Abschnitt mit einem weiteren Rohr überdeckt ist und nachfolgend eine Innenhochdruck-Umformung im festen Verbinden der Rohre miteinander durchgeführt werden kann.

Aus DE 197 37 969 A1 ist ein umformbares, bereits vorgeformtes, dünnwandiges Halbfabrikat aus insbesondere Blech bekannt, das noch durch ein weiteres Umformen zu einem Fertigteil verarbeitet werden soll. Dabei ist auf dem Wandbereich ein aufgebrachtes Verstärkungsteil vorhanden, das beim Umformen fest mit dem Halbfabrikat verbunden werden soll. Als Halbfabrikat sollen Rohre oder sonstige geschlossene Hohlprofile Verwendung finden.

Lokal begrenzte verstärkte, tiefziehbare Bleche sind aus DE 196 21 944 A1 bekannt. Diese Bleche sollen lokal begrenzt durch ein Zusatzmaterial verstärkt werden, wobei auf ein Basisblech eine Verstärkungslage aufgeklebt und nachfolgend ein Tiefziehen durchgeführt wird. Ähnlich soll bei der in DE 197 42 817 A1 beschrieben, vorgegangen werden, wobei Verstärkungsbleche mit Durchgangsöffnungen eingesetzt werden sollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein kostengünstiges Verfahren zum Herstellen verstärkter Rohre bzw. kostengünstige verstärkte Rohre zur Verfügung zu stellen, die einfach und sicher hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird durch das Verfahren nach Patentanspruch 1 sowie das Rohr nach Patentanspruch 4 gelöst. Verwendungen ergeben sich mit den Ansprüchen 11 und 12. Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Verfahren und des erfindungsgemäßen Rohres werden in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen gegeben.

Vor dem Anmeldetag der vorliegenden Erfindung war es bekannt, dass auf ein erstes Rohr ein Verstärkungselement aufgeklebt wird und anschließend nach dem Verkleben das Rohr und das Verstärkungselement, die zusammen einen Verbund bilden, durch Innenhochdruck-Umformen in die gewünschte Form gebracht werden. Ein Verstärkungselement kann dabei selbst ein Rohr oder Blech sein, das aufgrund seines größeren Durchmessers auf das erste Rohr aufgeschoben oder aufgebracht werden kann. Die Länge bzw. Größe des aufzuschiebenden Rohres oder Bleches entspricht dabei der Länge oder Größe des zu verstärkenden Bereiches des ersten Rohres oder Bleches. Es genügt dabei bereits, ein Rohrsegment aufzuschieben, das lediglich eine bestimmte Länge hat oder einen Rohrausschnitt, der sich nicht über den vollen Umfang des ersten Rohres erstreckt. Vorteilhaft ist es jedoch, wenn sich das aufzuschiebende Rohr bzw. Rohrsegment/Rohrausschnitt über mehr als 180° des Umfangs des ersten Rohres erstreckt oder selbst Öffnungen aufweist. Dies führt beim Innenhochdruck-Umformen, bei dem das erste Rohr in Öffnungen bzw. um den Rand des aufgeschobenen Rohres oder Rohrsegmentes/Rohrausschnitts umgeformt wird, zu einer mechanischen nicht zu lösenden Verbindung zwischen den beiden Rohrteilen des Verbundes.

Aus dem Bereich der Blechherstellung ist die Verstärkung von Blechen mittels so genannter „Tailored Blanks" bereits bekannt, wobei hier flache Bleche unterschiedlicher Legierungen bzw. unterschiedlicher Dicken zusammengeschweißt und anschließend umgeformt werden. Aufgrund der stirnseitigen Verbindung entsteht hier jedoch nicht eine nachträgliche, durch das Umformen erzeugte mechanische Verbindung der beiden Bleche.

Im Bereich der „Tailored Tubes" und „Tailored Blanks" führte das Verfahren der Verklebung mehrerer aufeinander geschobener Rohrstücke jedoch bereits zu Vereinfachungen und Verbesserungen in der Herstellung.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Ränder des Verstärkungselementes angefast sind. Im Falle einer negativen Anfasung wird eine verstärkte formschlüssige Verbindung hergestellt und eine Schälwirkung, welche bei späterer Belastung verstärkt an den Rändern entsteht, verringert.

Die formschlüssige Verbindung kann weiterhin verbessert werden, wenn in das Verstärkungselement bzw. in das erste Rohr zuvor einige Bohrungen oder Schlitze eingebracht werden. Beim Innenhochdruck-Umformen des Verbundes wird dann das erste Rohr oder Blech in diese Bohrungen oder Schlitze hineingedrückt (fließen).

Werden die Durchbrechungen positiv, d.h. sich zum ersten Rohr hin aufweitend, angesenkt, kann der Fließvorgang und damit die formschlüssige Verbindung verbessert werden. Im Falle eines negativen Absenkens der Bohrung, d.h. wenn sich der Querschnitt der Bohrung zum ersten Rohr hin verengt wird zwar der Fließvorgang schwieriger, dafür kommt es jedoch zu einer direkten, unlösbaren mechanischen Verklammerung. Dies gilt entsprechend für Schlitze in dem aufgeschobenen Versteifungsrohr bzw. ganz allgemein in aufgebrachten Verstärkungselementen.

Bisher war es zum Herstellen der Tailored Tubes allerdings nicht zwingend erforderlich, ein ganzes Rohrsegment, d.h. sich über den vollen Umfang erstreckendes Rohr über das erste Rohr zu schieben und dann umzuformen. Es genügte bereits, wenn ein Rohrausschnitt vor dem Umformen aufgeklebt wird. Eine stoff- und kraftschlüssige Verbindung liegt auch dann vor, wenn das aufzubringende Teil mehr als einen halben Rohrumfang umfasst. Auch hier bzw. wenn das Verstärkungselement nicht den halben Rohrumfang des ersten Rohres umgreift, verbessern Bohrungen mit positiver oder negativer Ansenkung die formschlüssige Verbindung. Gleiches gilt auch für in das Verstärkungselement eingebrachte Schlitze.

Vorteilhaft bei den erfindungsgemäßen Verfahren ist es weiterhin, dass in den Bereichen, in denen Bohrungen oder Schlitze im Verstärkungselement angeordnet sind, sich das Grundmaterial des ersten Rohres oder Bleches nach außen durchdrückt. An diesen Stellen ist dann kein Kleber vorhanden, so dass hier weitere Komponenten problemlos von außen angeschweißt werden können, beispielsweise durch Laserschweißen.

Erfindungsgemäße Verstärkungselemente sind Metallstreifen, die spiralförmig um das erste Rohr gewickelt sind. In diesem Fall wird die Verbindung zwischen dem ersten Rohr und den Metallstreifen durch das Hochdruck-Umformen formschlüssig, wenn die Spirale sich über die mehr als 180° des Umfangs des ersten Rohres erstreckt.

Weiterhin ist es vorteilhaft bei der vorliegenden Erfindung, dass durch die formschlüssige Verbindung der außen aufgesetzten Teile mit dem ersten Rohr beim Hochdruck-Innenumformen die Schälwirkung, d.h. das Auftreten von Spannungen in der Klebung am äußeren Rand, verringert wird. Diese Schälwirkung kann weiter minimiert werden, indem die Ränder des Verstärkungselementes negativ angefast sind oder die Durchbrechungen im Bereich des Randes der Verstärkung angeordnet sind.

Im Folgenden werden einige Beispiele bekannter und ein erfindungsgemäßes Tailored Tubes beschrieben werden. Es zeigen
1 Tailored Tubes nach dem Stand der Technik;
2 weitere bekannte Tailored Tubes;
3 weitere Tailored Tubes nach dem Stand der Technik;
und
4 die Ansicht weiterer Tailored Tubes und in 4B ein erfindungsgemäßes.
Im Folgenden werden für gleiche Elemente immer gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt in 1A einen Abschnitt eines herkömmlichen Tailored Tubes mit einem ersten Rohr 1 und einem darin eingeschweißten verdickten Rohr 2 als Zwischenstück. 1B zeigt im Querschnitt ein Tailored Tube nach dem Stand der Technik. Hier sind ein erstes dünnwandiges Rohr 1 und ein dickwandiges Rohr 2 über Schweißnähte 3 miteinander verbunden. Dadurch ergibt sich eine Versteifung und Verfestigung des Tailored Tubes im Bereich des dickwandigen Rohres 2.
1C zeigt ein bekanntes Tailored Tube vor dem Hochdruck-Umformen. Ein erstes Rohr 4 ist von einem zweiten Rohr 5 umgeben, wobei das zweite Rohr 5 mit einer Klebstoffschicht 6 auf das erste Rohr 4 aufgeklebt ist. Anschließend erfolgt ein Innenhochdruck-Umformen, so dass sich die Struktur der 1D ergibt (die Dimensionen der einzelnen Elemente sind je weils willkürlich und nicht maßstäblich eingezeichnet). Es ist zu erkennen, dass das erste Rohr 4 sich um das zweite Rohr 5 geformt hat, so dass das zweite Rohr 5 in das erste Rohr 4 eingebettet ist.
2 zeigt in den Teilbildern A und B sowie C und D sowie E und F jeweils ein Tailored Tube vor dem Hochdruck-Umformen (A, C, E) sowie nach dem Hochdruck-Umformen (D, E, F).
In 2A sind die Ränder des zweiten Rohres 5 positiv angefast, so dass beim Hochdruck-Umformen das erste Rohr 4 leichter um das zweite Rohr 5 geformt werden kann.
2C zeigt wiederum ein Außenrohr 5, das auf ein Innenrohr 4 aufgeklebt ist. In diesem Falle sind die Enden des Außenrohres 5 positiv angefast. Wie in 2D nach der Innenhochdruck-Umformung zu erkennen ist, ergibt sich wiederum eine feste Verklammerung um Bereich der Fase 7 zwischen dem Innenrohr 4 und dem Außenrohr 5.
In 2E ist das zweite Rohr 5', 5, 5'' mit mehreren Durchbrechungen 8, 8' versehen. Die Ränder dieser Durchbrechungen sind negativ angefast (7', 8') bzw. positiv angefast (7, 8). Wie in 2F zu erkennen ist, wird nunmehr wiederum das Innenrohr 4 um das Außenrohr 5 geformt durch Innenhochdruck-Umformen, wobei nunmehr im Bereich der negativen Fase 7' eine Verzahnung bzw. Verklammerung des Innenrohres 4 mit dem Außenrohr 5 erfolgt. Diese ist überaus stabil und führt zu einer nahezu unlösbaren Verbindung der beiden Rohrteile. Eine derartige Verbindungstechnik ist unmittelbar auch für flache Bleche von Tailored Blanks anwendbar, wobei hier die Rundform als Flach form darzustellen wäre.
3 zeigt in den Teilbildern A und B bzw. C und D bzw. E und F Querschnitte von Tailored Tubes jeweils vor dem Innenhochdruck-Umformen (A, C, E) bzw. nach dem Innenhochdruck-Umformen (B, D, F).
In 3A ist das Innenrohr 4 nicht auf dem vollen Umfang von dem Verstärkungselement 5 als Rohrausschnitt umgeben. Der Rohrausschnitt 5 umgibt jedoch das Innenrohr 4 um mehr als 180° des Umfangs. Wie in 3B zu erkennen ist, ergibt sich in diesem Falle dennoch eine formschlüssige und kraftschlüssige Verbindung des ersten Innenrohres 4 und des Verstärkungsrohres 5.
In 3C ist das Verstärkungselement ebenfalls ein Rohrausschnitt 5, der sich jedoch über weniger als 180° des Umfangs des Innenrohres 4 erstreckt. In diesem Falle ergibt sich eine Verzahnung bzw. Verklammerung zwischen den beiden Rohrteilen 4 und 5 lediglich an den Rändern des Rohrausschnittes 5.
Um eine derartige Verklammerung zu erreichen, wird das Verstärkungselement 5 wie in 3E dargestellt mit Durchbrechungen (Bohrungen oder Schlitzen) 8, 8' versehen, deren Ränder positiv angefast sind. Wie in 3F zu erkennen ist, formt sich nun das Innenrohr 4 in diese Durchbrechungen ein und verklammert sich mechanisch nahezu unlösbar mit dem Verstärkungselement 5. So ist es also auch möglich, mechanisch stabile dauerhafte verbundene Verstärkungen eines Rohres 4 nur in einem Teilbereich längs des Umfanges des Rohres 4, d.h. über weniger als 180° längs seines Umfangs, zu erzeugen.
4 zeigt in den Teilfiguren A, B und C Tailored Tubes. Sämtliche Bilder in 4 sind jeweils vor dem Innenhochdruck-Umformen dargestellt. 4A entspricht dabei der Ausführungsform aus 3A, wobei hier das Verstärkungselement 5 sich als Rohrausschnitt über mehr als die Hälfte des Umfangs des Innenrohres 4 erstreckt. In 4B ist erfindungsgemäß das Verstärkungselement 5 um das erste Rohr 4 spiralartig gewickelt, wobei es sich über mehr als den halben Umfang des Innenrohres 8 erstreckt. In 4C ist ein Rohrausschnitt über weniger als den halben Umfang des Innenrohres gewickelt, es weist jedoch Bohrungen 8, 8' auf, die nach der Hochdruck-Umformung der Verklammerung des Innenrohres 4 und des Verstärkungselementes 5 bzw. als Schweißpunkte für spätere Schweißverbindungen dienen.
Das in 4C dargestellte Rohr könnte auch entlang einer Längsseite aufgeschnitten und abgewickelt (flach) dargestellt werden und zeigt dann die Herstellung eines Tailored Blanks.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines längs seiner axialen Richtung und/oder seines Umfangs zumindest abschnittsweise verstärkten Rohres, bei dem auf mindestens ein erstes Rohr mindestens ein sich zumindest abschnittsweise längs seiner axialen Richtung und zumindest abschnittsweise längs seiner Umfangslinie erstreckendes Verstärkungselement, in Form eines spiralförmig um das erste Rohr gewickelten Metall streifens, aufgeklebt wird und der Verbund aus erstem Rohr und Verstärkungselement durch Innenhochdruck-Verfahren derart umgeformt wird, dass sich zusätzlich zur Verklebung eine formschlüssige Verbindung des ersten Rohres mit dem Verstärkungselement ergibt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass erste Rohre und/oder Verstärkungselemente mit Durchbrechungen, durchgehenden Bohrungen und/oder Schlitzen verwendet werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass erste Rohre und/oder Verstärkungselemente verwendet werden, deren Außenkanten und/oder deren Kanten der Durchbrechungen, Bohrungen und/oder Schlitzen positiv oder negativ angefast sind.
Rohr mit längs seiner axialen Richtung und/oder längs seines Umfangs zumindest abschnittsweiser Verstärkung oder Versteifung, dabei auf mindestens einem ersten Rohr zumindest abschnittsweise längs seiner axialen Richtung und zumindest abschnittsweise längs seiner Umfangslinie mindestens ein Verstärkungselement, in Form eines spiralförmig um das erste Rohr gewickelten Metallstreifens, aufgeklebt und durch Innenhochdruck-Verfahren das erste Rohr und das Verstärkungselement aneinander angeformt sind.
Rohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstärkungselement Durchbrechungen, durchgehende Bohrungen und/oder Schlitze aufweist.
Rohr nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass Kanten und Ränder des Verstärkungselementes und/oder die Ränder der Durchbrechungen, Bohrungen und/oder Schlitze positiv oder negativ angefast sind.
Rohr nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr und das Verstärkungselement aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Rohr nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Rohr ein Rundrohr, ein Vierkantrohr oder ganz allgemein ein Hohlprofil ist.
Rohr nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Hochdruck-Umformen weitere fließbare und/oder dehnbare Materialien auf das erste Rohr oder das Verstärkungselement aufgeklebt sind.
Rohr nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die dehnbaren und/oder fließbaren Materialien Gewebe sind.
Verwendung eines Rohres nach einem der Ansprüche 4 bis 10 als Tailored Tube und/oder zur Konstruktion von Rahmen und Trägern.
Verwendung nach dem vorhergehenden Anspruch im Fahrzeug- und Flugzeugbau.