DE19653509B4

DE19653509B4 - Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen

Info

Publication number: DE19653509B4
Application number: DE19653509A
Authority: DE
Inventors: Michael Poschmann; Conrad Oehlerking; Frank Dr. Welsch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1996-12-20
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2016-12-21
Also published as: DE19653509A1

Abstract

Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen, wobei wenigstens ein Knotenelement ein geschlossen verformtes Bauteil aus Stahlblech ist und als Hydroforming-Knotenelement (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) durch Aufbringen eines Innenhochdrucks verformt ist und am Hydroforming-Knotenelement (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) wenigstens ein Anschlußstutzen (6, 7; 8; 31; 51) direkt angeformt ist, für eine Kombination mit wenigstens einem vorprofilierten Trägerelement (4; 10; 17; 27, 28; 52), dadurch gekennzeichnet, daß das Hydroforming-Knotenelement (14) eine angeformte Drucknase (15) als Stufe aufweist, an der ein Strukturbauteil (13) formentsprechend angeschlossen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie nach dem Anspruch 16.

Bei einer bekannten Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie ( EP 0 671 312 A1 ) sind als Knotenelemente Leichtmetallgußteile und als angeschlossene vorprofilierte Trägerelemente Leichtmetall-Strangpressprofile verwendet. Die Verbindung der Elemente erfolgt hier unter anderem über Steckverbindungen, bei denen auf angeformte Anschlußstutzen an den Gußknotenelementen Hohlprofile der Trägerelementenden aufgesteckt und durch Kleben oder Schweißen fixiert sind. Eine solche Rahmenstruktur ist wegen der Verwendung von Aluminiumlegierungen unter der Bezeichnung Aluminium Space Frame bekannt.

Diese Rahmenstruktur ist bei guter Steifigkeit mit einem günstigen, geringen Gewicht realisierbar. Die Konstruktionsmerkmale sind jedoch nicht auf eine entsprechende Rahmenstruktur aus Stahl übertragbar, da bei diesem Werkstoff Gußknotenelemente sehr schwer wären und damit die Fahrzeugkarosserie insgesamt zu schwer wäre und Nachteile gegenüber einem üblichen selbsttragenden Aufbau aus Stahlblechen gegeben wären.

Bei einer ähnlichen bekannten Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie ( DE 44 07 501 A1 ) sind ebenfalls Knotenelemente und angeschlossene, vorprofilierte Trägerelemente aus Leichtmetall verwendet. Hier sind die Knotenelemente nicht gegossen, sondern aus stranggepreßten Leichtmetallprofilen zugeschnitten. Somit läßt sich auch der Aufbau dieser Rahmenstruktur nicht ohne Nachteile auf eine Ausführung in Stahl übertragen.

Bei einer weiter bekannten Fahrzeugkarosserie ( EP 0 622 289 A1 ) werden längsverlaufende Trägerteile und Flächenteile, die alle Strangpressprofile aus Leichtmetall sind, miteinander über Fügekanten verbunden. Es ist hieraus bekannt, an Gitterstrukturen und Flächenbauteilen Aufnahmesicken für Beplankungen vorzusehen.

Es ist weiter bekannt, bei einer Rahmenstruktur ( DE 40 13 784 A1 ) einer Fahrzeugkarosserie zwei Gußknotenelemente aus Leichtmetall im Verbindungsbereich vorderer Längsträger-Schweller für eine kostengünstige Montage und ausreichende Steifigkeit in diesem Bereich unmittelbar zu verbinden.

Ein weiter bekanntes Space Frame Tragwerk für eine Fahrzeugkarosserie ( DE 44 23 642 C1 ) besteht aus vorgefertigten Rahmenprofilteilen und diese formsteif miteinander verbindenden Knotenstellen aus Faserverbundwerkstoff. Die Knotenstellen sind dabei aus mechanisiert vorgefertigten Faser-Vorformlingen mit einer dreidimensional durchlaufenden Faserstruktur und Aufnahmetaschen für die zugehörigen Rahmenprofilteile hergestellt. Die Rahmenprofilteile werden in Aufnahmetaschen eingesetzt und die Faser-Vorformlinge in Formwerkzeugen zu einer festen Faserverbund-Knotenstruktur durch einen äußeren Druck verdichtet. Diese Maßnahmen sind bei der Verwendung eines Stahlwerkstoffs zum Aufbau der Rahmenstruktur nicht verwendbar.

Bei einer bekannten Rahmenkonstruktion als Space Frame aus Stahlblechen (DE-OS 30 08 840) sind rohrförmige Trägerteile aus langen Halbschalen hergestellt, die an Längsflanschen zusammengeschweißt sind. Auch die Knotenelemente bestehen aus mehrteiligen Schalenelementen, die ebenfalls an Flanschen bei der Montage zusammengeschweißt und zudem mit den Längsträgerteilen verbunden werden. Damit sind hier viele Schweißvorgänge erforderlich, die einen hohen Aufwand darstellen. Zudem ergeben sich durch die vielen, langgestreckten Schweißungen Probleme bei der Maßhaltigkeit durch ein thermisches Verziehen. Für eine Großserienproduktion dürfte damit ein solches Tragwerk in der Art eines Steel Space Frames nur bedingt geeignet sein.

Bei einer weiteren bekannten Space Frame Anordnung einer Fahrzeugkarosserie ( EP 0 597 242 A1 ) wird zur Reduzierung der Anzahl von Gußknotenelementen vorgeschlagen, die A-Säule mit dem Dachlängsträger als werkstoffeinstückiges Profilteil zu biegen und dieses durchgehende Profilteil über Fügestöße mit daran anschließenden weiteren Profilteilen zu verbinden. Dieses Profilteil hat hier mehrere Funktionen, wie die Aufnahme der Windschutzscheibe, die Aufnahme des Rückfensters, die Aufnahme verschiedener Dachelemente und die Aufnahme verschiedener Türelemente zwischen der A-, B- und C-Säule. Hierzu werden im Profilteil unterschiedliche Flansche ausgebildet, die Anschläge für die erwähnten Teile bilden. Ferner werden Fugen und Nutkanäle zur Aufnahme der Türdichtungen und Türanschläge vorgesehen. Zudem sind wasserführende Rinnen im Profilteil angeordnet.

Gleichzeitig bilden Teilflächen des Profilteils auch sichtbare Karosserieflächen, so daß es als Designelement verwendet werden kann.

Es ist allgemein bekannt, geschlossene Stahlprofilteile, insbesondere Rohrabschnitte in einem Innenhochdruckverfahren zu verformen. Dazu wird das zu verformende Halbzeug in ein Werkzeug eingelegt und mit seinen Wänden durch Aufbringen eines hohen Innendruckes gegen die umgebende Werkzeugform gepreßt und umgeformt. Im sogenannten Hydroforming wird der hohe Innendruck hydraulisch aufgebracht.

Ein mit diesem Umformverfahren teilweise hergestellter Überrollbügel für ein Kraftfahrzeug ist bekannt ( EP 0 676 316 A1 ). Rahmenteile dieses Überrollbügels sind durch Hydroforming mit unterschiedlichen Querschnitten und Materialstärken an die unterschiedlichen Belastungen angepaßt. Die Längsteile sind hier abschnittweise ineinander gesteckt und zusätzlich durch Kleben, Schweißen, Löten oder dergleichen miteinander verbunden. Mit solchen durch Hydroforming geformten länglichen Rahmenteilen und den verwendeten gegenseitigen Steckverbindungen ist der Aufbau einer räumlichen Rahmenstruktur für ein Kraftfahrzeug als Steel Space Frame wegen der Vielzahl der erforderlichen Verzweigungen nicht möglich.

Ein Kraftfahrzeugrahmen aus rohrförmigen Rahmenelementen, die zumindest zum Teil durch hydraulisches Innenhochdruck-Umformen querschnittsoptimiert sind, ist aus der DE 195 06 160 A1 bekannt. Die Knotenelemente sind ebenfalls mittels des hydraulischen Innenhochdruck-Umformens hergestellte Formkörper. Knoten- und Rahmenelemente können ineinander gesteckt werden und sind aus Aluminium-Halbzeugen gefertigt.

Die DE 195 19 353 A1 betrifft einen Schweller oder einen anderen Träger einer Aufbaustruktur eines Fahrzeuges, der durch hydraulisches Innenhochdruck-Umformen gebildet wird. Der Träger setzt sich zumindest über einen Teilbereich seiner Längserstreckung aus wenigstens zwei formschlüssig miteinander verbundenen, hydraulisch aufgeweiteten, parallel zueinander verlaufenden Hohlprofilen zusammen.

Verschiedene fertigungstechnische Hinweise zum Innenhochdruck-Umformen sind zudem aus „Klaas, F.: Anwendungsaspekte beim Innenhochdruck-Umformen", wt Werkstattstechnik 79, 1989, S. 210 bis 214, bekannt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie so weiterzubilden, daß eine kosten- und gewichtsgünstige Herstellung insbesondere unter Verwendung von Knotenelementen aus Stahl bei maßgenauen Verbindungen möglich wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 bzw. des Anspruchs 16 gelöst. Gemäß Anspruch 1 weist das Hydroforming-Knotenelement eine angeformte Drucknase als Stufe auf, an der ein Strukturbauteil formentsprechend angeschlossen ist.

Bei einem Knotenelement aus Stahlmaterial können durch die Innenhochdrucktechnik an den Anschlußstutzen weitgehend ohne spanende Bearbeitung hochpräzise Nahtanschlußbereiche für Schweißungen oder Verklebungen bereitgestellt werden. Durch Hydroforming sind komplizierte Geometrien bei den Knotenelementen und Anschlußstutzen möglich. Damit können die Hydroforming-Knoten zusätzlich zur Verbindungsfunktion weitere Funktionsformen enthalten, wie beispielsweise Fügeflansche, Stülpbereiche oder Aufnahmesicken für Beplankungen.

Die Profilformen der Trägerelemente können insbesondere durch Strangpressen, Rollen, Kanten und ggf. nachträgliches Biegen hergestellt sein. Bei Schweißverbindungen zwischen Hydroforming-Knotenelementen und den Trägerelementen ist durch die maßgenauen Anschlußteile keine weitere Nahtvorbereitung erforderlich. Auch die Trägerelemente können Hydroforming-Teile sein. Die Trägerelemente sind dabei bevorzugt ebenfalls Stahlblechteile zum Aufbau einer Stahlrahmenstruktur als Steel Space Frame, können jedoch auch aus anderen Materialien hergestellt sein.

Bevorzugt bildet ein Anschlußstutzen an einem Knotenelement mit einem angeschlossenen Ende eines Tragelements eine formschlüssige Steckverbindung, die durch ein Befestigungsmittel fixiert ist. Enge Toleranzen der Rahmenstruktur sind durch Veränderung der Einstecktiefen bei einem gleichmäßigen Kraftfluß in der Verbindung gut einzuhalten. Die Fixierung einer solchen Steckverbindung ist mit bekannten Maßnahmen, insbesondere durch Laser-Schweißen oder Verkleben möglich, wobei auf einfache Weise eine Nut zur Aufnahme einer Kleberraupe einformbar ist und diese bei einem Lackierprozeß aushärtet.

Eine flächig durchgehende Außenform mit verbessertem Kraftfluß im Bereich der Steckverbindung wird erreicht, wenn der Anschlußstutzen eine um die Wandstärke des Aufnahmebereichs am Tragelement verringerte Außenform hat.

An der an dem Hydroforming-Knotenelement angeformten stufenförmigen Drucknase wird ein weiteres Strukturbauteil mit entsprechender Form angeschlossen und hinterlegt. Eine solche Drucknase weist in die Richtung einer erhöhten Belastung, wie sie beispielsweise bei einer Kollision auftreten kann. Die Kraftüberleitung zwischen dem Hydroforming-Strukturbauteil und dem weiteren Bauteil, insbesondere einem Bodenbauteil, und die Krafteinleitung in die gesamte Rahmenstruktur ist damit verbessert, wobei durch die Stufenhöhe eine hohe Abstützung erfolgt. Durch den Hydroforming-Prozeß ist es einfach möglich, zur weiteren Erhöhung der Steifigkeit im Bereich der Drucknase die Materialstärke gegenüber den angrenzenden Bereichen zu vergrößern.

Eine besonders vorteilhafte Ausführung eines Trägerelements mit unterschiedlichen Belastungsbereichen wird dadurch erreicht, daß dieses als Hydroforming-Teil aus einem rohrförmig geschlossenen Bauteil als Halbzeug hergestellt ist, wobei am Halbzeug Wandteile unterschiedlicher Wandstärke und/oder Materialqualität vor der Umformung geschlossen aneinander geschweißt sind. Nach der Umformung kann damit ein Trägerelement komplizierter Geometrie vorgefertigt werden, bei dem entsprechend den Belastungen Bereiche mit unterschiedlichen Wandstärken und Materialqualitäten ohne Zwischenschaltung von Knotenelementen oder Anschlußteilen aneinanderliegen. Dies führt zu einer hohen Bauteilintegration bei kostengünstiger Herstellung. Das Hydroforming-Trägerelement ist sehr maßgenau und durch den Wegfall von Zwischenverbindungen zwischen den einzelnen unterschiedlichen Bereichen ist eine Rahmenstruktur mit engen Toleranzen herstellbar. Dies ist wichtig für einen problemlosen und passgenauen Einbau von Ausstattungsteilen, wie Armaturentafeln, etc. Eine solche Trägerelementausführung ist besonders vorteilhaft bei einem Längsschweller verwendbar mit unterschiedlichen Wandstärken am vorderen und hinteren Schwellerende, im Bereich der A-Säule und der hinteren Achsaufnahme sowie im mittleren Längsbereich.

Bei Verwendung gleicher Hydroforming-Knotenelemente und unterschiedlich langer Trägerelemente kann die Größe und Art der Rahmenstruktur einfach variiert werden, beispielsweise zur Herstellung von zwei- oder viertürigen Ausführungen, Caravanversionen, Komfortlängenausführungen, etc. Die Hydroforming-Knotenelemente bilden dabei Modulkomponenten als wenige gleiche Grundbauteile mit denen unterschiedliche Fahrzeugkonzepte und Fahrzeuglängen einfach aufgebaut werden können. Besonders eignet sich eine solche Anordnung zur Herstellung der Längsstruktur bei einem Schweller mit drei Hydroforming-Knotenelementen als Anschlußelemente für die A-Säule, für die B-Säule und als Radabschluß hinten, zwischen denen unterschiedlich lange Trägerelemente einsetzbar sind. Diese Trägerelemente können dabei als Rollprofile oder Strangprofile ausgeführt sein.

Gemäß Anspruch 16 wird zumindest ein Teil der Außenhaut der Fahrgastzelle aus einem Halbzeug in Form eines Rohrabschnittes hergestellt, wobei die Länge und der Druckmesser des Rohrabschnittes in etwa der Länge und dem Durchmesser der Fahrgastzelle entsprechen.

Anschließend können erforderliche Ausschnitte für Türen und Fenster insbesondere mit einer gesteuerten Laser-Schneideinheit ausgeschnitten werden. Dadurch ist auf sehr einfache und schnelle Weise eine Fahrgastzelle herstellbar. Zur Stabilisierung ist es zweckmäßig, eine aushärtbare Schaumschicht von innen her aufzuspritzen. Eine Verteilung kann dabei mittels Lanzen erfolgen. Durch eine Rotation der hergestellten Fahrgastzelle wird der Schaum durch Zentrifugalkraft auf das Trägermaterial gepreßt. Weitere Einbauten, wie die Instrumententafel, Sitze, Rahmenverkleidungen, etc. werden aktiv zur Aussteifung der Struktur mitherangezogen.

In einer bevorzugten Weiterbildung der Anschlußtechnik wird die Hydroforming-Technik nicht nur zur Herstellung der Bauteilgeometrie, sondern zugleich zur Herstellung einer Verbindung zwischen Rahmenstrukturteilen genutzt. Dazu wird ein bereits gefertigtes Anschlußteil, insbesondere ein Trägerelement, zusammen mit dem zu verformenden Halbzeug eines weiteren Bauteils, insbesondere eines Knotenelements, in ein Werkzeug eingelegt und mit Innendruck beaufschlagt. Das Material eines sich bildenden Anschlußstutzens fließt in das Hohlprofil des Anschlußteils und wird durch den hohen Innendruck gegen das im Werkzeugteil fixierte Anschlußteil gepreßt.

Dadurch ergibt sich ein homogener Kraftfluß zwischen den verbundenen Bauteilen bei einer maßgenauen Verbindung. Es ist kein zusätzlicher Arbeitsgang für den Fügeprozeß erforderlich. Eine Wärmebeeinflussung der Bauteile, wie sie durch Schweißen erfolgt, besteht hier nicht, so daß bei einer solchen Kaltverformung auch ein vorhandener Korrosionsschutz erhalten bleibt. Wenn im Werkzeugteil im Verbindungsbereich Ausbauchungen enthalten sind, wird auch das Anschlußteil mit verformt, so daß sich zusätzlich zur kraftschlüssigen Verbindung eine hochbelastbare Formschlußverbindung ergibt.

Anhand einer Zeichnung werden Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1 einen Teil einer Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie als Steel Space Frame mit Hydroforming-Knotenelementen und vorprofilierten Trägerelementen,
2 ein Hydroforming-Knotenelement,
3 einen Querschnitt durch eine Steckverbindung zwischen einem Anschlussstutzen und einem Trägerelementende,
4 ein Bodenbauteil und ein Hydroforming-Strukturbauteil mit einer Drucknase,
5 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A aus 4,
6 eine Seitenansicht eines Hydroforming-Schwellers,
7 eine Draufsicht auf das Halbzeug zu 6,
8 eine Seitenansicht auf eine alternative Schwellerausführung mit mehreren Hydroforming-Knotenelementen,
9 eine vergrößerte Darstellung eines Längsschnitts im Bereich B aus 8,
10 ein rohrförmiges Halbzeug,
11 eine durch Hydroforming aus dem Halbzeug nach 10 hergestellte Fahrgastzelle,
12 eine Heckansicht der Fahrgastzelle nach 11 mit einer schematischen Darstellung einer Schaumschichtaufbringung,
13 einen Schnitt durch ein Hydroforming-Werkzeug mit eingelegtem Halbzeug,
14 die Anordnung nach 13 mit zusätzlich aufgebrachten Stempeln und Innendruckbeaufschlagung,
15 eine entsprechende Anordnung mit zusätzlich eingelegtem Anschlußteil zur Herstellung einer Verbindung durch Hydroforming,
16 eine vergrößerte Darstellung des Bereichs C aus 15 mit einer kraftschlüssigen Verbindung, und
17 eine alternative Ausführung entsprechend 16 mit einer zusätzlichen, formschlüssigen Verbindung.
In 1 ist ein hinterer Bereich einer Rahmenstruktur 1 einer Kraftfahrzeugkarosserie als Steel Space Frame mit Hydroforming-Knotenelementen 2, 3 und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen, wie einem Schwellerelement 4 und dem unteren Teil einer A-Säule 5 dargestellt.
In 2 ist das Hydroforming-Knotenelement 3 vergrößert dargestellt. Dabei ist aus einem Hohlprofil-Halbzeug durch Aufbringen eines Innendrucks die gezeigte geometrische Form mit Anschlußstutzen 6, 7 hergestellt, wie dies weiter unten mit weiteren Details erläutert wird. Die Anschlußstutzen 6, 7 sind hier Teile von Steckverbindungen, wobei die Trägerelemente in die Hohlform der Anschlußstutzen 6, 7 eingesetzt und durch Schweißen oder Verkleben fixiert sind.
In 3 ist eine alternative Ausführungsform einer Steckverbindung dargestellt mit einem Anschlußstutzen 8 eines Hydroforming-Elements 9, der paßgenau in eine Hohlform eines angeschlossenen Trägerelements 10 eingesteckt ist. Das Hydroforming-Element 9 ist geschlossen verformt und das Trägerelement 10 hat eine kontinuierlich durchlaufende Kontur. Der Anschlußstutzen 8 ist im Einsteckabschnitt 11 um die Materialstärke des Trägerelements 10 eingezogen, so daß insgesamt die Außenkontur an der Verbindungsstelle glatt durchläuft. Durch mehr oder weniger tiefes Einstecken des Einsteckabschnitts 11 in das Trägerelement 10 können Toleranzen ausgeglichen werden. Die Verbindung ist durch eine umlaufende Schweißnaht 12 fixiert. Das vorprofilierte Trägerelement 10 ist ein kaltprofiliertes Stahlblechelement, kann jedoch auch aus Aluminium oder ähnlichen Materialien bestehen.
In 4 ist schematisch eine Seitenansicht aus einem Bodenbereich einer Kraftfahrzeugkarosserie dargestellt mit einem Bodenbauteil 13 und einem Hydroforming-Element 14. In 5 ist der Bereich A vergrößert dargestellt. Daraus ist zu ersehen, daß bei der Hydroforming-Herstellung des Elements 14 eine Drucknase 15 angeformt wurde, die zudem gegenüber der angrenzenden Materialstärke verdickt ausgeführt ist. Das Bodenbauteil 13 verläuft formgleich hinter der Drucknase 15. Eine Kraft (Pfeil 16) bei einer Kollision wird durch die hohe Abstufung im wesentlichen von der stabilen Drucknase 15 aufgenommen, wodurch das Bodenbauteil 13 weniger belastet ist.
In 6 ist als Trägerelement ein durch Hydroforming hergestellter Längsschweller 17 in einer Seitenansicht dargestellt mit einem mittleren Längsbereich 18, einem nach oben führenden A-Säulenbereich 19 und einem entsprechenden hinteren Bereich 20 zur Achsaufnahme sowie einem vorderen Längsträgerbereich 21 und einem hinterem Längsträgerbereich 22. Im Bereich 18 ist zudem ein Stumpf 23 zum Anschluß einer B-Säule angeformt.
Dieser Längsschweller 17 ist in einem einzigen Hydroforming-Arbeitsgang aus dem in 7 dargestellten Halbzeug hergestellt, wobei auch hier die entsprechenden Längsbereiche 18 bis 22 eingezeichnet sind. Der Bereich 18 besteht aus einem Rohr eines bestimmten, größeren Durchmessers, während die Bereiche 21 und 22 aus Rohrteilen mit einem kleineren Durchmesser bestehen. Die Bereiche 19 und 20 sind trichterförmige Teile, die die Rohrstücke mit den unterschiedlichen Durchmessern mit Hilfe von umlaufenden Schweißnähten verbinden. Die einzelnen Rohr- und Trichterbereiche haben unterschiedliche Wandstärken, die den unterschiedlichen Belastungen des fertiggeformten Längsschwellers nach 6 angepaßt sind.
In 8 ist ein alternativer Längsschwelleraufbau gezeigt mit drei Hydroforming-Knotenelementen 24, 25, 26, wobei das Element 24 einen A-Säulenstumpf, das Element 25 einen B-Säulenanschluß und das Element 26 einen hinteren Radabschluß der Längsstruktur darstellen. Zwischen die Elemente 24, 25 und 26 ist je ein vorderes Schwellerteil 27 und hinteres Schwellerteil 28 gesteckt. Durch Variation der Länge dieser Schwellerteile 27, 28 sind unterschiedliche Fahrzeuggrößen und Konzepte realisierbar. Der A-Säulenstumpf 24 bleibt dabei bis oberhalb der eingezeichneten Scharnierflächen 29 mit gleicher Scharnierlage zur vorderen Dichtung 30 gleich. Die Schwellerteile 27, 28 sind Rollprofile oder Strangprofile.
Aus dem vergrößerten Teilabschnitt der 9 ist zu ersehen, daß ähnlich wie in 3 die Anschlußstutzen 31 der Knotenelemente 24, 25, 26 formschlüssig in die Hohlform der Trägerelementenden ggf. mit einer Reduzierung um die Wandstärke der Anschlußteile eingesteckt sind. Damit liegen die angrenzenden Anlageflächen maßgenau fest, da durch das Innenhochdruckverfahren das Material des Halbzeugs maßgenau mit der Außenkontur gegen das umgebende Werkzeug gedrückt wird. Damit sind mit dem gleichen Werkzeug ohne mehr Aufwand auch Knotenelemente mit den gleichen Außenabmessungen und unterschiedlichen Wandstärken herstellbar. In 7 ist beispielsweise mit der strichlierten Linie 32 eine halbe Wandstärke angedeutet.
In 10 ist ein Rohrabschnitt 33 als Halbzeug für einen Hydroforming-Arbeitsgang dargestellt in der Länge 34 entsprechend etwa der Länge 35 einer herzustellenden Fahrgastzelle 36. Auch der Durchmesser des Rohrabschnitts 33 entspricht etwa dem Durchmesser der Fahrgastzelle 36. Als geeignete Abmessungen ergeben sich eine Länge von ca. 1800 mm, ein Durchmesser von ca. 1400 mm und eine Wandstärke von ca. 0,8 mm.
In einem Hydroforming-Prozeß wird durch Beaufschlagung mit einem Innendruck die Fahrzeugaußenfläche hergestellt und anschließend wird der Fahrzeuggrundkörper in den Bereichen der Fenster- und Türausschnitte mit einer umlaufenden Laserschneideinrichtung beschnitten. Damit wird der Grundkörper 36 entsprechen 11 erhalten.
Zur Stabilisierung wird gemäß 12 auf den Grundkörper 36 von Innen eine aushärtbare Schaumschicht 37 aufgespritzt, die mittels Lanzen verteilt wird. Der Grundkörper 36 wird um eine Achse 38 gedreht (Pfeil 39), so daß die Schaumschicht 37 durch die Zentrifugalkraft auf das Trägermaterial gedrückt wird.
Eine weitere Stabilisierung und Aussteifung erfolgt durch (nicht eingezeichnete) Einbauteile und Rahmenverkleidungen.
In 13 ist ein Schnitt durch ein Werkzeug 40 mit einem eingelegten Rohrstück 41 als Halbzeug und mit einem rechtwinklig abstehenden Schacht 42 zur Formung eines Anschlußstutzens am Halbzeug 41 dargestellt.
In 14 sind für einen stirnseitigen Abschluß am Halbzeug 41 Stempel 43, 44 eingedrückt (Pfeil 45). Durch diese Stempel 43, 44 führen Hydraulikkanäle 46 zum Innenbereich des Halbzeugs 41, durch die ein hoher Innendruck (Pfeil 47) aufgebracht wird. Zudem ist der Schacht 42 mit einem weiteren Stempel 48 dicht verschlossen.
Wie dargestellt breitet sich der hohe Innendruck im Halbzeug aus (Pfeile 49), wodurch während des Umformvorgangs Material des Halbzeugs 41 in den Bereich des Schachts 42 fließt und gegen die dortige Werkzeuginnenform zur Ausbildung eines Anschlußstutzens 51 gepreßt wird.
In 15 ist ein Strukturbauteil mit einem Anschlußstutzen 51 dargestellt, wobei hier der Anschlußstutzen 51 ähnlich wie in 3 nach Innen zum Einstecken in ein Hohlprofilträgerelement 52 um dessen Materialstärke abgesetzt ist.
Die zusammengesteckten Teile sind hier in ein Werkzeug 53 zur Herstellung einer Verbindung durch Hydroforming eingelegt. Die Verbindung kann auch in einem Arbeitsgang bei der Formung des Anschlußstutzens in einem Werkzeug hergestellt werden. Beim Aufbringen eines Innendrucks im Bereich des Anschlußstutzens 51, der durch den Deckel 54 dicht abgeschlossen ist, wird das Material für einen kontinuierlichen Kraftschluß von innen her gegen den aufgesteckten Wandbereich des Hohlprofilträgerele ments 52 gepreßt. Eine solche kraftschlüssige Verbindung ist durch Vergrößerung des Bereichs C in 16 dargestellt.
Wenn im Werkzeug 53 im Verbindungsbereich zudem eine umlaufende Nut vorgesehen ist, wird sowohl das Material des Anschlußstutzens 51 als auch des Hohlprofilträgerelements 52 beim Aufbringen des Innenhochdrucks in diese Nut gepreßt, wodurch der in 17 dargestellte Formschluß entsteht. Die Verformung des Halbzeugs und die Herstellung der Verbindung können durch die Druckhöhe und durch geregelt verfahrbare Stempel gezielt beeinflußt werden.

Claims

Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie aus Knotenelementen und angeschlossenen, vorprofilierten Trägerelementen, wobei wenigstens ein Knotenelement ein geschlossen verformtes Bauteil aus Stahlblech ist und als Hydroforming-Knotenelement (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) durch Aufbringen eines Innenhochdrucks verformt ist und am Hydroforming-Knotenelement (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) wenigstens ein Anschlußstutzen (6, 7; 8; 31; 51) direkt angeformt ist, für eine Kombination mit wenigstens einem vorprofilierten Trägerelement (4; 10; 17; 27, 28; 52), dadurch gekennzeichnet, daß das Hydroforming-Knotenelement (14) eine angeformte Drucknase (15) als Stufe aufweist, an der ein Strukturbauteil (13) formentsprechend angeschlossen ist.
Rahmenstruktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucknase (15) eine Materialverdickung aufweist.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drucknase (15) in die Richtung einer erhöhten Belastung weist.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Profilformen der Trägerelemente (4; 10; 17; 27, 28; 52) durch Hydroforming und/oder Strangpressen und/oder Rollen und/oder Kanten und/oder nachträgliches Biegen hergestellt sind.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hydroforming-Knotenelemente (3; 9; 14; 24, 25, 26; 41) zusätzlich zur Verbindungsfunktion zu den Trägerelementen weitere Funktionsformen enthalten.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlußstutzen als Fügeflansche oder Stülpbereiche ausgebildet sind.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Anschlußstutzen (8; 31; 51) mit einem angeschlossenen Ende eines Trägerelements (10; 27; 52) eine formschlüssige Steckverbindung bildet, wobei der Außenquerschnitt des Anschlußstutzens dem Innenquerschnitt des Trägerelementendes entspricht, und daß die Steckverbindung durch ein Befestigungsmittel (12) fixiert ist.
Rahmenstruktur nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschlußstutzen (8; 31; 51) eine um die Wandstärke des Aufnahmebereichs am Trägerelementende (10; 27; 52) verringerte Außenform hat, und daß der Anschlußstutzen so lang ist, daß Längentoleranzen im Steckbereich beim Zusammenbau der Rahmenstruktur durch unterschiedliche Einstecktiefen ausgleichbar sind.
Rahmenstruktur nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Befestigungsmittel eine im Bereich der Steckverbindung umlaufende, insbesondere durch Laser-Schweißung hergestellte Schweißnaht (12) und/oder Verklebung ist.
Rahmenstruktur nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Nut zur Aufnahme einer Kleberraupe eingeformt ist, die im Lackierprozeß aushärtet.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens ein Trägerelement (17) durch Hydroforming eines rohrförmig geschlossenen Bauteils als Halbzeug hergestellt ist, wobei am Halbzeug Wandteile unterschiedlicher Wandstärke und/oder Materialqualität geschlossen aneinander geschweißt sind, die beim fertig geformten Hydroforming-Trägerelement an zugeordneten Bereichen (18 bis 22) unterschiedlicher Belastung liegen.
Rahmenstruktur nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß in Längsrichtung des Halbzeugs Zylinderbereiche und/oder Kegelbereiche als Wandteile unterschiedlicher Wandstärke und/oder unterschiedlicher Materialqualität aneinandergeschweißt sind.
Rahmenstruktur nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Hydroforming-Trägerelement ein Längsschweller (17) geformt ist mit unterschiedlichen Wandstärken am vorderen und hinteren Schwellerende (21, 22), im Bereich der A-Säule (19) und der hinteren Achsaufnahme (20) sowie im mittleren Längsbereich (18).
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß wahlweise gleiche Hydroforming-Knotenelemente (24, 25, 26) und unterschiedlich lange Trägerelemente (27, 28) zur Größenvariation der Rahmenstruktur verwendet sind.
Rahmenstruktur nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung eines Schwellers im Abstand drei Hydroforming-Knotenelemente (24, 25, 26) als Anschlußelemente für die A-Säule und B-Säule und als Radabschluß hinten angeordnet sind, zwischen denen zwei Schwellerteile (27, 28) zugeordneter Länge eingesetzt sind.
Rahmenstruktur einer Fahrzeugkarosserie, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest ein Teil der Außenhaut der Fahrgastzelle (36) aus einem Halbzeug in Form eines Rohrabschnittes (33) als Hydroforming-Bauteil hergestellt ist, wobei die Länge (34) und der Durchmesser des Rohrabschnittes (33) in etwa der Länge (35) und dem Durchmesser der Fahrgastzelle (36) entspricht.
Rahmenstruktur nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß in die gebildete Kontur der Fahrzeugaußenfläche Ausschnitte für Türen und Fenster geschnitten sind.
Rahmenstruktur nach Anspruch 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, daß am Hydroforming-Bauteil (36) von innen eine Schaumschicht bevorzugt mittels Zentrifugalkraft aufgebracht ist.
Rahmenstruktur nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Hydroformingvorgang nicht nur zur Herstellung der Bauteilgeometrie, sondern zugleich zur Herstellung einer Verbindung zwischen Rahmenstrukturteilen genutzt wird, indem ein bereits gefertigtes Anschlußteil, insbesondere ein Trägerelement (52) zusammen mit dem zu verformenden Halbzeug (41) eines weiteren Bauteils, insbesondere eines Knotenelements in ein Werkzeug (40; 53) eingelegt und mit Innendruck beaufschlagt wird, wobei das Material eines sich bildenden Anschlußstutzens (51) in das Hohlprofil des Anschlußteils (51) fließt und durch den hohen Innendruck gegen das im Werkzeugteil (40; 53) fixierte Anschlußteil (52) gepreßt wird.
Rahmenstruktur nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß durch Ausbauchungen im Werkzeugteil im Verbindungsbereich eine formschlüssige Verbindung geschaffen wird, indem auch das Anschlußteil (52) mit verformt wird.