DE10303175B4

DE10303175B4 - Verbindungsknoten zwischen Hohlprofilen einer Rahmenstruktur insbesondere für Fahrzeuge und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE10303175B4
Application number: DE2003103175
Authority: DE
Inventors: Ernst Weckenmann
Original assignee: ThyssenKrupp Stahl AG
Current assignee: ThyssenKrupp Steel Europe AG
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-01-28
Also published as: DE10303175A1

Abstract

Verbindungsknoten zwischen zwei aus tiefziehfähigem Metall, insbesondere Stahl bestehenden Hohlprofilen (1, 2) einer Rahmenstruktur insbesondere für Fahrzeuge, bei dem ein erstes Hohlprofil (2) dieser beiden Hohlprofile (1, 2) mit einem Ende an der Wandung des zweiten Hohlprofils (1) form- und stoffschlüssig angebunden ist, indem die Wandung an der Anbindungsstelle eine domartige Ausbeulung aufweist, auf die das erste Hohlprofil (2) mit seinem Ende gesteckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die domartige Ausbeulung als ein hutförmiges Formteil (3) aus tiefziehfähigem Metall mit einem an seinem umlaufenden Rand vorgesehenen Ringflansch (3a) ausgebildet ist, mit dem das Formteil (3) an der mit einem Loch (5) versehenen Wandung unter Verschließen dieses Loches (5) abgedichtet befestigt ist, und daß das Formteil (3) mit seinem Ringflansch (3a) und der daran befestigte Randbereich (4) des Loches (5) gemeinsam verformt sind.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbindungsknoten zwischen zwei aus tiefziehfähigem Metall, insbesondere Stahl bestehenden Hohlprofilen einer Rahmenstruktur insbesondere für Fahrzeuge, bei dem ein erstes Hohlprofil dieser beiden Hohlprofile mit einem Ende an der Wandung des zweiten Hohlprofils form- und stoffschlüssig angebunden ist, indem die Wandung an der Anbindungsstelle eine domartige Ausbeulung aufweist, auf die das erste Hohlprofil mit einem seiner beiden Enden gesteckt ist.

Bei einer Rahmenstruktur aus Hohlprofilen insbesondere für Fahrzeuge bildet sowohl bei der Herstellung als auch im späteren betrieblichen Einsatz die Anbindungsstelle von zwei Hohlprofilen einen kritischen Punkt. Es gibt verschiedene Lösungsvorschläge für die Gestaltung dieser Anbindungsstelle: Nach einem ersten bekannten Vorschlag wird am Knotenpunkt von mehreren zusammenlaufenden Hohlprofilen ein z.B. aus Aluminium gegossenes oder aus Stahlblech durch Hochdruckumformen hergestelltes Formteil eingesetzt, das mit den anzuschließenden Hohlprofilen Steckverbindungen bildet ( US 5 767 476 A , DE 196 53 509 A1 ). Die Herstellung und die Anbindung solcher Knotenelemente an die Hohlprofile ist ziemlich aufwendig. Zum Teil ist es sogar erforderlich, die Hohlprofile durch zusätzliche Elemente an den Knotenelementen zu fixieren.

Bei einer anderen bekannten, aber sehr ähnlichen Rahmenstruktur aus Hohlprofilen ( DE 42 28 238 A1 ) ist in einer Wandung eines ersten Hohlprofils eine domartige Ausbeulung vorgesehen, auf die ein zweites Hohlprofil aufsteckbar ist. Da bei dieser Konstruktion die domartige. Ausbeulung in der Wandung des ersten Hohlprofils eine Streckung und Dehnung der Wandung bedingt, ergibt sich gerade an der für die Belastung kritischen Knotenstelle eine Schwächung.

Bei einem anderen bekannten Verbindungsknoten (WO 95/0461 A1) ist ein erstes Hohlprofil aus Stahlblech mit einem Ende durch Ausnehmungen in den gegenüberliegenden Seiten der Wandung eines zweiten im Querschnitt größeren Hohlprofils aus Stahlblech durchgesteckt. An den Ausnehmungen sind die beiden Hohlprofile miteinander verschweißt. Ein solcher Verbindungsknoten hat eine Reihe von Nachteilen: In zwei gegenüberliegenden Seiten des größeren Hohlprofils müssen Ausnehmungen gestanzt werden. Damit verbunden ist nicht nur eine Schwächung des gelochten Hohlprofils sondern auch eine Beschädigung der in der Regel vorgesehenen, dem Korrosionsschutz dienenden Verzinkung. Auch müssen an zwei Stellen Schweißverbindungen hergestellt werden, wodurch der Korrosionsschutz beeinträchtigt wird. Schließlich verbleibt ein nach außen offenes Rohr, das in der Regel innen nicht korrosionsgeschützt ist. Deshalb kommt man um zusätzliche Korrosionsschutzmaßnahmen nicht herum.

Bei einem anderen Verbindungsknoten für zwei Hohlprofile aus Stahlblech ( DE 40 40 946 C1 ) ist nur in einer Seite der Wandung des größeren Hohlprofils eine Ausnehmung vorgesehen, durch die das im Querschnitt kleinere andere Hohlprofil gesteckt ist. Das Ende dieses kleineren Hohlprofils ist innenseitig an der der Ausnehmung gegenüberliegenden Seite der Wandung angeschweißt. Bei diesem Verbindungsknoten stehen im Vordergrund zwar nicht in gleichem Maße die beim vorbeschriebenen anderen Verbindungsknoten geschilderten Korrosionsprobleme und eine Verminderung der Festigkeit, doch hat dieser Verbindungsknoten dafür andere Nachteile. Da das eingesteckte Hohlprofil mit seinem stirnseitigen Rand innen an der Wandung des anderen Hohlprofils angeschweißt werden muß und deshalb daran anliegen muß, sind die Toleranzanforderungen für die Anpassung des Endes des eingesteckten Hohlprofils an die innere Kontur des Hohlprofils sehr hoch. Außerdem besteht keine Möglichkeit des Toleranzausgleichs in Längsrichtung des anzuschweißenden kleineren Hohlprofils. Weiterhin ist die Zugänglichkeit der Schweißstelle schlecht. Wenn durch die Wandung hindurchgeschweißt werden muß, bleibt eine deutlich sichtbare Schweißnaht. Beim Schweißen kann eine eventuell vorgesehene, vor Korrosion schützende Zinkschicht beschädigt werden.

In Anbetracht dieser Probleme wird in einer zum Stand der Technik nach § 3 Abs. 2 PatG zählenden deutschen Patentanmeldung ( DE 102 01 911 A1 ) vorgeschlagen, in einer Seite der Wandung eines größeren Hohlprofils eine Ausnehmung zum Durchstecken eines zweiten kleineren Hohlprofils und in der gegenüberliegenden Seite der Wandung eine Ausbeulung vorzusehen, auf die oder in die das Ende des kleineren Hohlprofils auf- oder eingesteckt wird. Bei diesem Verbindungsknoten besteht die Möglichkeit eines gewissen Toleranzausgleichs, da das kleinere Hohlprofil mehr oder weniger weit auf oder in die Ausbeulung eingesteckt werden kann.

Ausgehend von dem Stand der Technik nach der DE 102 01 911 A1 liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Verbindungsknoten aus mindestens zwei aus tiefziehfähigem Metall, insbesondere Stahl bestehenden Hohlprofilen einer Rahmenstruktur insbesondere für Fahrzeuge zu schaffen, der der Anbindungsstelle der Hohlprofile eine hohe Festigkeit gibt und sich leicht an verschiedenformatigen Hohlprofilen verwirklichen läßt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Verbindungsknoten der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die domartige Ausbeulung als ein hutförmiges Formteil aus tiefziehfähigem Metall mit einem an seinem umlaufenden Rand vorgesehenen Ringflansch ausgebildet ist, mit dem das Formteil an der mit einem Loch versehenen Wandung unter Verschließen dieses Loches abgedichtet befestigt ist, und daß das Formteil mit seinem Ringflansch und der daran befestigte Randbereich des Loches gemeinsam verformt sind.

Obgleich es grundsätzlich auch möglich ist, das Formteil mit seinem Ringflansch von innen an der Wandung zu befestigen, ist es aus herstellungstechnischen Gründen vorteilhafter, es außen anzubringen. In jedem Fall ergibt sich durch das an der Wandung des einen Hohlprofils angebrachte Formteil an der Anbindungsstelle genügend Material für eine ausreichend große Überlappung zwischen der domartigen Ausbeulung und dem aufgesteckten Hohlprofil mit der Möglichkeit eines Toleranzausgleichs. Eine solche starke Ausbeulung wäre aus dem Wandmaterial des einen Hohlprofils nicht zu formen, ohne daß die Wandung reißen würde. Dies gilt insbesondere dann, wenn das Hohlprofil aus einem sehr hochfesten Stahl besteht, der kein großes Umformvermögen besitzt. Bei der gemeinsamen Verformung des Randbereichs der Wandung und des Formteils mit seinem Ringflansch erhält die domartige Ausbeulung ihre Endform. Deshalb können auch nur grob angepasste Formteile verwendet werden. Auch kann bei dieser Formgebung der Randbereich des Loches gemeinsam mit dem Ringflansch des Formteils nach außen tüllenartig verformt werden, so dass sich zwischen dem Randbereich und dem daran anliegenden Formteil ein großflächiger Formschluß ergibt, der für die Festigkeit des Verbindungsknotens vorteilhaft ist. Auch bietet sich die Möglichkeit, für das Formteil ein den betrieblichen Belastungen des Verbindungsknotens in der Werkstoffgüte und/oder Dicke angepastes anderes Material als das des Hohlprofils auszuwählen.

Vorzugsweise ist das Formteil ein Tiefziehteil. Ein solches Formteil ist auch unter Berücksichtigung seines an das Hohlprofil mindestens grob anzupassenden Ringflansches einfach herzustellen.

Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ringflansch und dem Randbereich des Loches kann eine Löt- oder Schweißverbindung sein.

Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind der Anbindungsbereich mit dem Randbereich des Loches, dem Ringflansch des Formteils und das domartige Formteil selbst durch Innenhochdruckumformen gemeinsam geformt.

Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsknotens zwischen zwei aus Metall, insbesondere Stahl, bestehenden Hohlprofilen einer Rahmenstruktur mit folgenden Verfahrensschritten:

– In der Wandung eines der beiden Hohlprofile wird ein Loch eingebracht;
– dieses Loch wird mit einem aus tiefziehfähigem Metall bestehenden hutförmigen Formteil mit einem von seinem Rand gebildeten Ringflansch abgedeckt;
– der Ringflansch wird am Randbereich des Loches wirkmediendicht angeschlossen;
– das hutförmige Formteil mit am Randbereich des Loches angebundenem Ringflansch wird gemeinsam mit einem unmittelbar angrenzenden Abschnitt des Hohlprofils einem Innenhochdruckumformprozeß unterworfen, derart, daß das Formteil mit seinem Ringflansch und der Randbereich des Loches ihre Endkontur erhalten.

Vorzugsweise wird beim Innenhochdruckumformprozeß der Ringflansch mit dem Randbereich und das Formteil tüllenartig nach außen gebogen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:
1 ein gelochtes Hohlprofil mit einem aufgesetzten hutförmigen Formteil im axialen Querschnitt des Hohlprofils und
2 das Hohlprofil gemäß 1 mit aufgesetztem hutförmigem Formteil nach einem Innenhochdruckumformprozeß und mit einem auf den Formteil aufgesteckten weiteren Hohlprofil im Axialschnitt der Hohlprofile.
Der in den Figuren dargestellte Verbindungsknoten zwischen zwei Hohlprofilen 1, 2 aus tiefziehfähigem Stahl weist an der Anbindungsstelle des ersten Hohlprofils 1 eine domartige Ausbeulung auf, die im wesentlichen von einem hutförmigen Formteil 3 aus tiefziehfähigem Stahl mit einem an seinem umlaufenden Rand vorgesehenen Ringflansch 3a und einem Randbereich 4 eines Loches 5 in der Wandung des einen Hohlprofils 1 gebildet wird.
Für die Herstellung eines solchen Verbindungsknotens wird das Loch 5 in der Wandung des ersten Hohlprofils 1 eingebracht. Dann wird auf den Randbereich 4 des Loches 5 das insbesondere tiefgezogene, hutförmige Formteil 3 mit seinem an seinem umlaufenden Rand ausgebildeten Ringflansch 3a aufgesetzt. In dieser Herstellungsphase sind der Randbereich 4 und der Ringflansch 3a noch nicht verformt, wie 1 zeigt. In dieser Phase wird dann auch der Ringflansch 3a wirkmediendicht an den Randbereich 4 des Hohlprofils 1 angebunden, insbesondere angeschweißt. In der Zeichnung ist dies durch die umlaufende Schweißnaht 6 dargestellt. In der anschließenden Herstellungsphase wird das Hohlprofil 1 im Anbindungsabschnitt mit dem Randbereich 4 und dem hutförmigen Formteil 3 einem Innenhochdruckumformprozeß unterworfen. Dabei wird, wie beim Innenhochdruckumformen üblich, außen auf das hutförmige Formteil 3 und den Ringflansch 3a sowie den Randbereich 4 eine Form aufgesetzt und der Anbindungsabschnitt des Hohlprofils 1 von innen mit einem Wirkmedium unter hohen Druck gesetzt. Bei diesem Umformschritt formt sich der Randbereich 4 mit dem angebundenen Ringflansch 3a tüllenartig auf, und das hutförmige Formteil 3 erhält seine endgültige Form, die in den Außenabmessungen dem anzuschließenden zweiten Hohlprofil 2 angepaßt ist. Das zweite Hohlprofil 2 kann zum Zwecke des Toleranzausgleichs mehr oder weniger weit auf das Formteil 3 aufgesteckt werden und dann durch eine Schweißverbindung 7 fixiert werden.
Im Ergebnis erhält man auf diese Art und Weise einen Verbindungsknoten, der eine form- und stoffschlüssige Verbindung zwischen den beiden Hohlprofilen 1, 2 mit Toleranzausgleich des aufzusteckenden Hohlprofils 2 bildet. Als tiefziehfähiges Metall für das hutförmige Formteil 3 kann ein anderes Metall als das für die Hohlprofile 1, 2 ausgewählt werden. Die Güte und/oder Dicke des hutförmigen Formteils wird nach der zu erwartenden späteren betrieblichen Belastung ausgewählt. Auf diese Art und Weise lassen sich für den jeweiligen Anwendungsfall maßgeschneiderte Verbindungsknoten herstellen. Dies ist insofern ein großer Vorteil, als z.B. in einer Karosseriestruktur an unterschiedlichen Stellen Verbindungsknoten benötigt werden, die im Betrieb unterschiedlichen Belastungen ausgesetzt sind. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verbindungsknotens besteht darin, daß die Wandung des Hohlprofils 1 nur vergleichsweise wenig verformt werden muß, und zwar nur so viel, wie für den Formschluß zwischen dem Randbereich 4 und dem Ringflansch 3a benötigt wird, denn das für den Toleranzausgleich benötigte Material stellt, wie ausgeführt, das beliebig zu gestaltende Formteil 3 zur Verfügung. Der Einsatz von hochfesten bis höchstfesten Stahlgüten für das Hohlprofil 1 ist somit problemlos möglich.
Es versteht sich, daß an das Formteil 3 nicht nur Hohlprofile anschließbar sind, sondern auch andere Funktionsteile, bei denen sich eine Steckverbindung verwirklichen läßt.

Claims

Verbindungsknoten zwischen zwei aus tiefziehfähigem Metall, insbesondere Stahl bestehenden Hohlprofilen (1, 2) einer Rahmenstruktur insbesondere für Fahrzeuge, bei dem ein erstes Hohlprofil (2) dieser beiden Hohlprofile (1, 2) mit einem Ende an der Wandung des zweiten Hohlprofils (1) form- und stoffschlüssig angebunden ist, indem die Wandung an der Anbindungsstelle eine domartige Ausbeulung aufweist, auf die das erste Hohlprofil (2) mit seinem Ende gesteckt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die domartige Ausbeulung als ein hutförmiges Formteil (3) aus tiefziehfähigem Metall mit einem an seinem umlaufenden Rand vorgesehenen Ringflansch (3a) ausgebildet ist, mit dem das Formteil (3) an der mit einem Loch (5) versehenen Wandung unter Verschließen dieses Loches (5) abgedichtet befestigt ist, und daß das Formteil (3) mit seinem Ringflansch (3a) und der daran befestigte Randbereich (4) des Loches (5) gemeinsam verformt sind.
Verbindungsknoten nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (3) mit seinem Ringflansch (3a) und der daran befestigte Randbereich (4) des Loches (5) tüllenartig nach außen umgebogen sind.
Verbindungsknoten nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (3) ein Tiefziehteil ist.
Verbindungsknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Ringflansch (3a) und dem Randbereich (4) des Loches (5) eine Löt- oder Schweißverbindung (6) ist.
Verbindungsknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Anbindungsbereich mit dem Randbereich (4) des Loches (5), dem Ringflansch (3a) des Formteils (3) und das hutförmige Formteil (3) selbst durch Innenhochdruckumformen geformt sind.
Verbindungsknoten nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Formteil (3) aus einem Material anderer Güte und/oder Dicke als das zweite Hohlprofil (1) besteht.
Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsknotens zwischen zwei aus Metall, insbesondere Stahl bestehenden Hohlprofilen (1, 2) einer Rahmenstruktur nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch fo1gende Verfahrensschritte: in der Wandung eines der beiden Hohlprofile (1, 2) wird ein Loch (5) eingebracht, dieses Loch (5) wird mit einem aus tiefziehfähigem Metall bestehenden, hutförmigen Formteil (3) mit einem an seinem umlaufenden Rand ausgebildeten Ringflansch (3a) abgedeckt, der Ringflansch (3a) wird am Randbereich des Loches (5) wirkmediendicht angeschlossen, das hutförmige Formteil (3) mit am Randbereich (4) des Loches (5) angebundenem Ringflansch (3a) wird gemeinsam mit einem unmittelbar angrenzenden Abschnitt des Hohlprofils (1) einem Innenhochdruckumformprozeß unterworfen, derart, daß das Formteil (3) mit seinem Ringflansch (3a) und der Randbereich (4) des Loches (5) ihre Endkontur erhalten.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch (3a) des Formteils (3) und der Randbereich (4) des Loches (5) tüllenartig nach außen umgebogen werden.