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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein Verbindungsstrukturen und
Verfahren zur Bildung von Verbindungsstrukturen, die sich ideal
für einen Einsatz
in einer Fahrzeugrohkarosserie eignen. Im Besonderen stellt die
vorliegende Erfindung eine reibungsgeschweißte Verbindungseinheit bereit,
bei der gerade Linien, Blech, gegossene oder extrudierte Komponenten
bzw. Bauteile miteinander verbunden werden, und wobei die Erfindung
ferner eine Struktur und ein Verfahren zur Verbesserung der Stabilität der Verbindungsstruktur
bereitstellt.
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Es
ist bekannt, dass verschiedene strukturelle Bauteile bzw. Komponenten
für Automobile
bzw. Kraftfahrzeuge und andere Fahrzeuge aus Aluminium und anderen
Leichtmetalllegierungen hergestellt werden können. Aktuell werden beträchtliche
Entwicklungsarbeiten vor dem Ziel unternommen, Aluminium und andere
Leichtmetalllegierungen in der primären Karosseriestruktur eines
Fahrzeugs einzusetzen, die häufig
auch als "Rohkarosserie" bezeichnet wird.
Bin Chassis eines Automobils bzw. eine Fahrzeugrohkarosserie, welche
Leichtmetalllegierungen umfasst, wiegt deutlich weniger als ein
Stahlrahmen, der so entwickelt worden ist, dass er die gleichen
Anforderungen in Bezug auf Sicherheit und Haltbarkeit erfüllt. Ein
Fahrzeug, das eine derartige, aus Leichtmetalllegierungen hergestellte
Rohkarosserie einsetzt, weist einen verbesserten Kraftstoffverbrauch auf,
ohne dass dies zu Lasten der Leistungsmerkmale geht. Wenn es sich
bei der verwendeten Legierung ferner um eine Aluminiumlegierung
handelt, so lässt sich
diese leichter recyceln als ein Fahrzeug mit Stahlrahmen, und ferner
weist die Legierung eine bessere Korrosionsbeständigkeit auf. Darüber hinaus
ist es bekannt, dass eine Rohkarosserie, welche ein räumliches
Rahmenwerk bzw. einen Spaceframe verwendet, die beim normalen Betrieb
eines Fahrzeugs auftretenden Kräfte
verteilt und absorbiert und die Energie bei einem Aufprall oder Überschlag ebenfalls
absorbiert und ableitet.
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Kurz
erläutert
handelt es sich bei einem räumlichen
Tragwerk bzw. Rahmenwerk (englisch: Spaceframe) um einen Gitterrahmen
aus strukturellen Trägern
und Säulen,
die an ihren Enden miteinander verbunden sind. Diese strukturellen
Komponenten des räumlichen
Tragwerks bzw. Rahmenwerks, die teilweise als Lineale bzw. geradlinige
Elemente bezeichnet werden, werden durch mechanische Mittel bzw.
Einrichtungen miteinander verbunden, wie zum Beispiel Bolzen, Nieten
und Nietbolzen, durch Schweißen
oder Kleben oder durch eine Kombination der vorstehend beschriebenen
Methoden. Ein weiteres Verfahren zur Verbindung der Lineale (englisch:
Lineals) eines räumlichen
Rahmenwerks ist der Einsatz separater Verbindungskomponenten oder Verbindungselemente,
die häufig
als "Knoten" bezeichnet werden,
in welche die Lineale passen. Die Lineale werden danach sicher an
den Knoten befestigt, und zwar durch jedes der vorstehend genannten bekannten
Verbindungsverfahren. Ein Beispiel für diese Technologie findet
sich in dem
U.S. Patent US-A-4.618.163 ,
das eine Automobilkarosserie mit Linealen und Knoten betrifft. Dieses
Patent ist hierin durch Verweis so enthalten als wäre es hierin
vollständig
ausgeführt.
Wenn die geradlinigen Elemente bzw. Lineale durch Verbindungselemente
oder Knoten verbunden bzw. zusammengeführt werden sollen, so werden
die Knoten für
gewöhnlich
in einer separaten Fertigungsoperation gegossen oder anderweitig
geformt bzw. gebildet. Wenn die Lineale mechanisch aneinander oder
an Knoten durch Bolzen oder andere Befestigungseinrichtungen angebracht werden
sollen, so müssen
entsprechende Löcher
in den verschiedenen Komponenten bzw. Bauteilen bereitgestellt werden.
Alternativ oder zusätzlich
kann es sein, dass Ausrüstung
bzw. Vorrichtungen und Materialien zum Schweißen, Löten oder Kleben erforderlich
sind, um die Verbindung der Komponenten bzw. Bauteile zu bewirken.
Ferner müssen
die Toleranzen der verschiedenen aneinander zu montierenden Bauteile
präzise
sein, damit die Löcher
mit anderen Löchern
oder Vorsprüngen
ausgerichtet werden, damit deren Oberflächen zum Schweißen, Löten oder Kleben
zusammenpassen. Schließlich
wird der fertige Rahmen in einer Reihe von Einzelschritten zusammengesetzt,
welche das Verbinden einzelner Lineale bzw. geradliniger Elemente
mit Knoten oder anderen Linealen oder Komponenten bzw. Bauteilen umfassen,
um Baugruppen zu bilden und um danach die verschiedenen Baugruppen
zu verbinden, um einen vollständigen
Spaceframe einer Fahrzeugrohkarosserie zu bilden. Wie dies bereits
vorstehend im Text beschrieben worden ist, beschreibt das
U.S. Patent US-A-4.618.163 an
Hasler et al. eine Spaceframe-Karosserie
für ein
Automobil, die aus einer Mehrzahl röhrenförmiger Leichtmetall-Lineale
gebildet wird, die durch Verbindungselemente zusammengehalten werden,
die ebenfalls aus Leichtmetall hergestellt werden bzw. bestehen.
Hasler et al. offenbaren den Einsatz röhrenförmiger Elemente, die zusammengesetzt
werden, indem ihre Endabschnitte in Aussparungen in den verbindenden
oder aufnehmenden Elementen eingeführt werden. Diese Technik weist
jedoch den Nachteil auf, dass das letzte in einer Einheit oder Baugruppe
bzw. Teileinheit zu montierende Element montiert werden kann durch Biegen
der Struktur. Die elongierten Rahmenelemente von Hasler et al. werden
durch Schweißen,
Löten oder
Zementieren bzw. Kleben oder durch den Einsatz mechanischer Befestigungselemente,
wie etwa von Bolzen, Schrauben und Nieten, an den Verbindungselementen
befestigt bzw. angebracht.
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Das
U.S. Patent US-A-5.381.849 an
Fussnegger et al. offenbart ein Verfahren zum Gießen eines
Verbindungselements an das Ende eines hohlen Abschnitts, wie etwa
eines extrudierten Aluminium-Rahmenelements. Gemäß diesem Verfahren wird ein
Ende eines hohlen Abschnitts in einer Form platziert, wobei das
Ende des hohlen Abschnitts mit einem Stöpsel verschlossen wird, um
die Penetration des gegossenen Materials darin zu verhindern. Dieses
Verfahren wird nicht eingesetzt, um extrudierte Rahmenteile miteinander
zu verbinden, sondern vielmehr zum sie mit einem gegossenen Rahmenelement
zu verbinden. Diese gegossenen Rahmenelemente sind komplexe bzw.
komplizierte feste Strukturen, die in komplexen Formen hergestellt
werden. Da die Gusserzeugnisse von Fussnegger et al. ferner eine
beträchtliche
Größe aufweisen,
können
sie das Gewicht der durch dieses Verfahren hergestellten Rahmenstruktur
erheblich erhöhen.
Es ist eindeutig wünschenswert,
die Bauteile bzw. Komponenten eines Spaceframe durch ein einfaches
Verfahren miteinander zu verbinden, das Fertigungsschritte minimiert,
Toleranzen an den Verbindungsstellen kompensiert und sich wirtschaftlich
implementieren lässt.
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Das
U.S. Patent US-A-6.139.094 offenbart eine
Koppverbindungseinheit, die eine Anpassungsfähigkeit einer Rohkarosseriestruktur
bereitstellt. Die einzelnen Bauteile bzw. Komponenten können aus Extrusionen
oder Blechprodukten gebildet werden. Die Offenbarung deckt die Merkmale
der Oberbegriffe der Ansprüche
1 und 29 ab.
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DE 196 00 933 offenbart
ein Kraftfahrzeug mit Längsträgern (Stoßstangenstruktur),
die in entsprechenden Bereichen der Fahrgastzelle gebildet und eingepasst
sind, um jeden Aufprall durch Verformung zu absorbieren, ohne dass
dabei die Fahrgastzelle verformt wird. Die Verbindungen der Träger erfolgen über Schrauben
oder Schweißnähte, so
dass die ganze vordere oder hintere Rahmeneinheit leicht ausgetauscht
werden kann. Die Offenbarung dieser Patentschrift deckt die Merkmale
des Oberbegriffs von Anspruch 36 ab.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Verbindungsstruktur, die folgendes aufweist: eine
erste Komponente mit einem geradlinigen Element mit einem Paar von
Enden; mindestens einer zweiten Komponente mit einer Oberfläche; dadurch
gekennzeichnet, dass die genannte zweite Komponente einen Vorsprung
aufweist, der sich von der genannten Oberfläche erstreckt und in einer
Vorsprungsseite endet, wobei die genannte zweite Öffnung eine Öffnung definiert,
die sich durch den genannten Vorsprung erstreckt, wobei die genannte Öffnung ein
Ende des genannten geradlinigen Elements empfangt, so dass die genannte
Vorsprungsseite und das genannte Ende des genannten geradlinigen
Elements angrenzen, und wobei ein Kappenelement an den genannten
angrenzenden Enden des genannten geradlinigen Elements und der Vorsprungsseite
angebracht ist.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung ferner ein Verfahren zum Bilden einer Verbindung für eine Fahrzeugrohkarosserie,
wobei das Verfahren durch die folgenden Schritte gekennzeichnet ist:
das Einfügen
einer ersten Komponente mit einem geradlinigen Element mit einem
Paar von Enden in eine Öffnung
in einer zweiten Komponente mit einer Oberfläche und einem Vorsprung, der
sich von der Oberfläche
erstreckt, wobei sich die Öffnung
durch den Vorsprung erstreckt, so dass ein Ende des Vorsprungs und
das eine Ende des geradlinigen Elements angrenzen; und das Anbringen
eines Kappenelements an dem angrenzenden einen Ende des geradlinigen
Elements und des Vorsprungendes.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegende
Erfindung ferner Energie absorbierendes Element für ein Fahrzeug,
mit einer elongierten Crashbox, dadurch gekennzeichnet, dass die
genannte Crashbox mindestens ein Ende mit einem runden Querschnitt
aufweist; und wobei ein Träger
an das genannte Ende mit rundem Querschnitt reibungsgeschweißt wird.
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Vorgesehen
ist gemäß der vorliegenden
Erfindung eine Verbindungsstruktur, die sich ideal zum Einsatz bei
der Herstellung von Einheiten und Baugruppen bzw. Teileinheiten
in Aluminiumstrukturen eignet. Im Besonderen erleichtern die alternativen Verbindungsstrukturen
und -verfahren zur Bildung von Verbindungsstrukturen die Montage
einer Fahrzeugrohkarosserie. Die reibungsgeschweißten Verbindungen
gemäß der vorliegenden
Erfindung stellen Einheiten bereit, bei denen geradlinige Elemente
und Blech- bzw.
gewalzte, gegossene oder extrudierte Komponenten miteinander verbunden
werden.
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Die
Erfindung umfasst eine Verbindungsstruktur mit einer ersten Komponente
mit einem geradlinigen Element mit einem Paar von Enden, mit einer
zweiten Komponente, die eine Oberfläche und einen Vorsprung aufweist,
der sich von der Oberfläche erstreckt
und in einer Vorsprungsseite endet, wobei die zweite Komponente
eine sich durch den Vorsprung erstreckende Öffnung definiert, wobei die Öffnung ein
Ende des geradlinigen Elements aufnimmt, so dass die Vorsprungsseite
und das Ende des geradlinigen Elements angrenzen bzw. gleich enden, und
mit einem Kappenelement, das an den angrenzenden Enden des geradlinigen
Elements und der Vorsprungsseite angebracht werden kann. Vorzugsweise
wird das Kappenelement an das Ende der ersten Komponente und die
Vorsprungsseite reibungsgeschweißt. Der Vorsprung weist einen
Innendurchmesser auf, der von einem ersten Durchmesser in der Nähe der genannten
Vorsprungsseite zu einem zweiten Durchmesser, distal dazu angeordnet,
eine Verjüngung
aufweist, und wobei ein Zwischenraum definiert wird in der Öffnung zwischen
dem Vorsprung und dem geradlinigen Element.
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Eine
Buchse kann in dem Zwischenraum aufgenommen werden und weist eine
erste Seite und eine zweite Seite auf, so dass die zweite Seite
der Buchse, wenn die Buchse in dem Zwischenraum positioniert ist,
sich in der Nähe
des Kappenelements befindet. Die Buchse ist vorzugsweise unterbrochen, so
dass ein Durchmesser der Buchse veränderlich bzw. variabel ist,
und wobei die zweite Seite eine Einrichtung für einen entfernbaren Eingriff
der Buchse mit der Innenseite des genannten Kappenelements aufweisen
kann, wie etwa eine Mehrzahl von Zähnen, die das Kappenelement
berühren
können.
Zu den geeigneten Werkstoffen für
die Buchse zählen Aluminium,
Stahl und Kunststoff. Wenn der erste Durchmesser der Buchse kleiner
ist als der zweite Durchmesser der Buchse, so weist die äußere Oberfläche der
Buchse eine Verjüngung
in eine Richtung auf, die entgegengesetzt zu der Verjüngungsrichtung des
Innendurchmessers des Vorsprungs verläuft, und mit einer Mehrzahl
von erhöhten
Elementen, die mit dem Vorsprung eingreifen können.
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Die
Verbindungsstruktur kann eine weitere zweite Komponente aufweisen,
die das andere Ende des geradlinigen Elements aufnehmen kann, wobei die
erste Komponente und die beiden zweiten Komponenten eine Fahrzeugbaugruppe
bilden. Bei der ersten Komponente kann es sich um eine Aluminiumerzeugnisform
handeln, wie etwa ein Blecherzeugnis, ein extrudiertes Produkt und
ein Gusserzeugnis. Bei der zweiten Komponente kann es sich um ein
Aluminiumerzeugnis handeln, wie etwa ein Blechprodukt, ein extrudiertes
Produkt und ein Gusserzeugnis. Während
mindestens ein Ende des geradlinigen Elements einen runden Querschnitt
aufweist, kann ein mittlerer Abschnitt zwischen den Enden eine andere
Querschnittskonfiguration als das Ende mit dem runden Querschnitt
aufweisen. Die geradlinigen Elemente mit nicht runden Querschnittskonfigurationen
in ihrem mittleren Abschnitt können Blecherzeugnisse,
Extrusionen oder Gusserzeugnisse darstellen, die sich als Komponenten
in einer Fahrzeugbaugruppe einer Rohkarosserie eignen. In Bezug
auf ein Blecherzeugnis, das zu einem geradlinigen Element geformt
wird, kann eine Verstärkungseinrichtung,
wie etwa eine Sicke bzw. Wulst, proximal zu mindestens einem Ende
vorgesehen sein.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst ferner ein Verfahren zum Bilden einer
Verbindung für
eine Fahrzeugrohkarosserie, wobei das Verfahren die folgenden Schritte
umfasst: (1) das Einfügen
einer ersten Komponente mit einem geradlinigen Element mit einem
Paar von Enden in eine Öffnung
in einer zweiten Komponente mit einer Oberfläche und einem Vorsprung, der
sich von der Oberfläche
erstreckt, wobei sich die Öffnung
durch den Vorsprung erstreckt, so dass ein Ende des Vorsprungs und
das eine Ende des geradlinigen Elements angrenzen; und (2) das Anbringen
eines Kappenelements an dem angrenzenden einen Ende des geradlinigen
Elements und des Vorspringendes. Der Schritt des Anbringens wird vorzugsweise
durch Reibungsschweißen
ausgeführt. Ein
Zwischenraum kann zwischen dem Vorsprung der zweiten Komponente
und dem geradlinigen Element definiert werden, und das Verfahren
kann ferner den Schritt des Einfügens
einer Buchse in den Zwischenraum aufweisen. Die Buchse kann einen
unterbrochenen Ring aufweisen, so dass ein Durchmesser der Buchse
veränderlich
ist zwischen einem maximalen und minimalen Grenzwert. Die Buchse
weist eine erste Seite und eine zweite Seite auf, so dass sich die
zweite Seite, wenn sie zwischen dem Vorsprung der zweiten Komponente
und dem geradlinigen Element der ersten Komponente positioniert
ist, nahe dem Kappenelement angeordnet ist. Die unterbrochene zweite
Seite der Buchse erleichtert einen Bruch der Kontinuität einer
Grenzfläche
zwischen der zweiten Seite der Buchse und dem Kappenelement während dem
Schritt des Reibungsschweißens
der Verbindung.
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Ferner
umfasst die vorliegende Erfindung eine Einheit einer ersten Komponente
mit einem geradlinigen Element mit einem Endenpaar, wobei mindestens
eines der Enden eine runde Querschnittskonfiguration aufweist; mit
einem Kappenelement mit einem Körperabschnitt,
einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei das Kappenelement
an dem runden Querschnittsende des geradlinigen Elements angebracht
wird, vorzugsweise durch Reibungsschweißen; mit einem strukturellen
Element mit einem Körperabschnitt,
der eine Öffnung
definiert, wobei die erste Komponente in der Öffnung aufgenommen wird, so
dass das Kappenelement an einer inneren Oberfläche des Körperabschnitts des strukturellen
Elements befestigt wird; und mit einer Einrichtung zum Halten des
runden Querschnittsendes des geradlinigen Elements in der zweiten
Komponente. In einem Ausführungsbeispiel
der Halteeinrichtung ist eine Bohrung in jedem des Körperabschnitts
des Kappenelements und des Körperabschnitts
des strukturellen Elements definiert, und ein Bolzen erstreckt sich
durch die Bohrungen in dem Kappenelement und dem strukturellen Element,
so dass das runde Querschnittsende des geradlinigen Elements in
dem strukturellen Element gehalten wird. Vorzugsweise wird eine
Mutter auf einen Bolzen gegen die äußere Oberfläche des Körperabschnitts des strukturelle
Elements geschraubt. Alternativ erstreckt sich Ansatz von dem Kappenelement
und durch eine Bohrung in dem Körperabschnitt
des strukturellen Elements, und eine Mutter wird auf den Ansatz
gegen die äußere Oberfläche des
Körperabschnitts
des strukturellen Elements geschraubt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel
der Halteeinrichtung wird das runde Querschnittsende des geradlinigen
Elements über
eine Verbindungseinrichtung in der strukturellen Komponente gehalten,
wie zum Beispiel Reibungsschweißen,
Laserschweißen
und eine mechanische Befestigungseinrichtung zwischen dem Kappenelement
und dem Körperabschnitt
des strukturellen Elements.
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Das
Kappenelement kann einen ringförmigen
Rand aufweisen, der sich von der zweiten Seite erstreckt, wobei
das geradlinige Element an die zweite Seite in dem ringförmigen Rand
reibungsgeschweißt
wird, so dass sich der Rand entlang einer Außenseite des geradlinigen Elements
erstreckt. Alternativ kann der ringförmige Rand selbst an das geradlinige
Element reibungsgeschweißt
werden. In einem anderen Ausführungsbeispiel
weist das Kappenelement eine ringförmige Schweißoberfläche auf, die
sich von der zweiten Seite des Kappenelements an einer von dem Rand
entfernten Position erstreckt, wobei das geradlinige Element an
die ringförmige Scheißoberfläche reibungsgeschweißt wird.
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Schließlich umfasst
die vorliegende Erfindung ein Energie absorbierendes Element für ein Fahrzeug,
welches die vorstehend beschriebenen reibungsgeschweißten Verbindungen
aufweist. Das Energie absorbierende Element weist eine elongierte Crashbox
auf, die mindestens ein Ende mit einem runden Querschnitt aufweist
und einen Träger,
der an das runde bzw. kreisförmige
Ende reibungsgeschweißt
wird. Der Träger
kann einen erhöhten
Abschnitt aufweisen, der eine Kammer definiert, wobei das runde
Ende in der Kammer aufgenommen wird und an den Träger in der
Kammer reibungsgeschweißt
wird. Jedes Ende der Crashbox kann eine runde Querschnittsform aufweisen,
und wobei ein Träger
an jedes runde Ende geschweißt
wird. Einer der Träger
kann so konfiguriert werden, dass er an einem Fahrzeug angebracht
wird, und der andere Träger
kann für
die Anbringung an einer Stoßstange konfiguriert
werden.
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Die
vorstehend ausgeführten
sowie andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden
in Bezug auf die genaue Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den verschiedenen Abbildungen der Zeichnungen umfassender
verständlich,
wobei in den Zeichnungen die gleichen Teile mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet
sind. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht einer Reibungsschweißvorrichtung, wie diese für die Herstellung
der Verbindungsstrukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung eingesetzt werden kann;
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2 eine
Baugruppe für
eine Rohkarosserie, welche die Verbindungsstrukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist;
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3 eine
detaillierte Querschnittsansicht einer Verbindungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung;
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die 4A und 4B detaillierte
isometrische Ansichten geradliniger Elemente zum Einsatz in den
Verbindungsstrukturen gemäß der vorliegenden Erfindung,
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5 eine
isometrische Ansicht einer einführbaren
Buchse in einer Spaltringkonfiguration;
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6 eine
detaillierte Querschnittsansicht einer Verbindungsstruktur gemäß der vorliegenden Erfindung,
welche eine einführbare
Buchse in den Zwischenraum zwischen einem geradlinigen Element und
einer zweiten Komponente aufweist;
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7 eine
isometrische Ansicht einer einführbaren
Buchse, welche eine unterbrochene Seite aufweist;
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8 eine
detaillierte Querschnittsansicht einer Verbindungsstruktur, wobei
die einführbare Buchse
gemäß der Abbildung
aus 7 zwischen den ersten und zweiten strukturellen
Komponenten angeordnet ist;
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9 eine
detaillierte Querschnittsansicht einer einführbaren Buchse, die entfernbar
mit dem Kappenelement oder dem Eingriffselement der Verbindung gemäß der vorliegenden
Erfindung eingreift;
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die 10A und 10B Seitenquerschnittsansichten
eines alternativen Ausführungsbeispiels
der vorliegenden Erfindung mit einer konischen und gestreiften einführbaren
Buchse, mit einer konischen und gestreiften Querschnittsdarstellung der
gestreiften einführbaren
Buchse und der Eingriffsoberfläche
der gestreiften Buchse;
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die 11A, 11B und 11C eine Einheit, welche die Verbindungsstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist;
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12 eine
isometrische Ansicht einer Einheit, welche die Merkmale gemäß der vorliegenden Erfindung
aufweist;
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die 13A und 13B andere
Einheiten gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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die 14A, 14B, 14C und 14D verschiedene
Ausführungsbeispiele
eines mit einem geradlinigen Element verbundenen Kappenelements;
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die 15A und 15B Anordnungen
für den
Zusammenbau der Verbindungsstruktur;
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16 eine
Stoßstangeneinheit
mit reibungsgeschweißten
Verbindungen; und
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die 17A, 17B und 17C alternative reibungsgeschweißte Verbindungen
einer Crashbox-Einheit.
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Im
Sinne der folgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe "obere", "untere", "rechts", "links", "vertikal", "horizontal", "oben", "unten" sowie Ableitungen
dieser Begriffe auf die Ausrichtung der Erfindung in den Abbildungen
der Zeichnungen. Hiermit wird jedoch festgestellt, dass die Erfindung
auch verschiedene alternative Variationen und Schrittfolgen annehmen
bzw. aufweisen kann, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wird.
Hiermit wird ferner festgestellt, dass die in den anhängigen Zeichnungen
dargestellten spezifischen Vorrichtungen und Verfahren, die in der
folgenden Beschreibung beschrieben werden, lediglich exemplarische
Ausführungsbeispiel
der Erfindung darstellen. Folglich sind die bestimmten Abmessungen
und anderen physikalischen Eigenschaften in Bezug auf die hierin
offenbarten Ausführungsbeispiele
nicht als einschränkend auszulegen.
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Eine
Verbindungsstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung umfasst das Verbinden bzw. das Zusammenfügen konzentrischer
Teile unter Verwendung eines Kappenelements durch Reibungsschweißen. Das
Reibungsschweißen
ist ein Festkörper-Verbindungsverfahren,
das eine Koaleszenz von Materialien unter Druckkraftkontakt von
Werkstücken
bewirkt, die sich im Verhältnis
zueinander drehen oder bewegen, so dass Hitze bzw. Wärme erzeugt
wird, und wobei Material plastisch von den Passflächen verschoben
wird. Unter normalen Bedingungen schmelzen die Passflächen nicht.
Ein Füllermetall, Fluss-
und Schutzgase bzw. Inertgase sind nicht erforderlich in Verbindung
mit diesem Verfahren. Für gewöhnlich handelt
es sich bei dem Reib- bzw. Reibungsschweißen in der Produktion um ein
automatisches Schweißverfahren,
im Wesentlichen zum Einsatz in Verbindung mit runden bzw. kreisförmigen Komponenten
oder genauer gesagt Komponenten mit einem runden Querschnitt. Die
grundlegenden Schritte beim Reibungsschweißen umfassen das Drehen eines
Werkstücks,
während
ein anderes Werkstück
stationär
gehalten wird. Die beiden Werkstücke
werden zusammengebracht durch axiale Druckkraft, wobei eine Reibungsschweißkraft ausgeübt wird.
Das Reiben der Passflächen
erhitzt die Werkstücke
lokal, was dazu führt,
dass eine Druckverformung oder Längenveränderung
der Komponenten beginnt. Das Verfahren ist abgeschlossen, wenn die
Rotation eines Werkstücks
endet und die Druckverformung aufhört. Die erzeugte Schweißung ist
gekennzeichnet durch das Fehlen einer Schmelzzone (die schmale Wärmewirkungszone)
und die Gegenwart von plastisch verformtem Material um die Schweißung (d.h.
ein Grat). Die Qualität
der Schweißung
ist abhängig
von der entsprechenden Auswahl von Material, Verbindungsaufbau,
Schweißvariablen und
Verfahren bzw. Prozessen nach dem Schweißen. Zulässige Schweißungen können in
zahlreichen Materialien unter Verwendung eines umfassenden Bereichs
von Schweißparametern
erzeugt werden, das heißt
der Geschwindigkeit, Kraft und Zeit des Schweißvorgangs. Ein Kappenelement
wird gemäß der vorliegenden
Erfindung als sich drehendes Werkstück für das Reibungsschweißen verwendet.
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In
Bezug auf die Abbildungen der 1 bis 3 veranschaulichen
diese ein Grundprinzip der vorliegenden Erfindung und deren Implementierung. Eine
Reibungsschweißvorrichtung gemäß der schematischen
Darstellung ist in der Abbildung aus 1 als Verbindungselemente
einer strukturellen Einheit 10 für die Integration in einer
Fahrzeugrohkarosserie dargestellt. Die strukturelle Einheit 10 weist
erste und zweite Verbindungen 12 und 14 auf. In
der strukturellen Einheit 10 weist eine erste Komponente 16 die Form
eines geradlinigen Elements mit einem ersten Ende 18 und
einem zweiten Ende 20 auf. Die ersten und zweiten Enden 18 und 20 der
ersten Komponente 16 sind in der Abbildung aus 1 an
jedes Ende separater Komponenten reibungsgeschweißt dargestellt,
wie etwa bei 22 auf der rechten Seite und bei 24 auf
der linken Seite. Neben der Anordnung an entgegengesetzten Enden
der ersten Komponente 16 können die Komponenten 22 und 24 im
Wesentlichen identisch und symmetrisch sein. Folglich wird nur eine
Gruppe von Bezugszeichen eingesetzt, um die Merkmale der rechten
und linken Komponenten zu beschreiben. Der Fachmann auf dem Gebiet
erkennt, dass unterschiedliche oder nicht symmetrische Komponenten
an entgegengesetzten Enden der ersten Komponente 16 angebracht
werden können,
oder wobei auch nur an einem Ende des geradlinigen Elements eine
zweite Komponente angebracht sein kann.
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Die
zweite Komponente 22 weist einen Körperabschnitt 26 mit
einer ersten Seite 28 und einer zweiten Seite 30 auf.
Der Körper 22 definiert
eine Öffnung 32,
die sich von der ersten Seite 28 zu der zweiten Seite 30 erstreckt.
Vorzugsweise erstreckt sich ein zylindrischer Vorsprung 34 von
der ersten Seite 28 und endet in einer Vorsprungsseite 42.
Die Öffnung 32 erstreckt
sich durch den Vorsprung 34, so dass das Ende 18 der
ersten Komponente 16 darin aufgenommen wird. Bei entsprechender
Anordnung grenzen die Vorsprungsseite 42 und ein Ende 18 der ersten
Komponente 16 an, wie dies bei 44 dargestellt ist.
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Ein
drittes Element der Verbindung 12 ist ein Kappenelement 46.
Das Kappenelement 46 weist einen Körperabschnitt 48 mit
einer ersten Seite 50, einer zweiten Seite 52 und
einem Rand- bzw. Kantenabschnitt 54 auf. Das Kappenelement 46 wird
an die angrenzende Vorsprungsseite 42 und das Ende 18 der
ersten Komponente 16 reibungsgeschweißt, wie etwa bei 44 dargestellt,
durch einen Eingriff des Kappenelements 46 mit einer Reibungsschweißvorrichtung
F und Drehen des Kappenelements 46 unter Druck. Das Kappenelement 46 wird
in Richtung des Pfeils A mit einer Geschwindigkeit von etwa 200
bis etwa 1000 Umdrehungen in der Minute gedreht, und die zweite
Seite 52 wird in Richtung des Pfeils B gegen die angrenzende
Vorsprungsseite 42 und das Ende 18 mit einer Kraft
von etwa 500 bis etwa 2000 Pfund je Quadratzoll (bezeichnet als
Druckverformungskraft) über
einen Zeitraum von etwa einer Minute gedrückt. Die Drehzahl des Kappenelements 46,
die Druckverformungskraft und die Schweißzeit können abhängig von den eingesetzten Materialien variieren.
Die zweite Seite 52 des Kappenelements 46, die
Vorsprungsseite 42 und das Ende 18 können alle ähnliche
bzw. die gleichen oder unterschiedliche Materialien umfassen, wie
etwa Aluminiumlegierungen, Stahl oder Keramikwerkstoffe. Das Kappenelement 46 kann
eine Eingriffseinrichtung (nicht abgebildet) aufweisen, wie etwa
ein hexagonales Loch, das mit einer Reibungsschweißspindel
der Reibungsschweißvorrichtung
F eingreifen kann.
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Die
Abbildung aus 2 zeigt eine vollständigere
Baugruppe S, die zum Beispiel den hinteren Halter einer Fahrzeugrohkarosserie
darstellen kann. Die Baugruppe S kann eine Mehrzahl von Gusskomponenten
C, eine Mehrzahl von geradlinigen Elementen L und eine Mehrzahl
von extrudierten Komponenten E in räumlich getrenntem Verhältnis zueinander aufweisen.
Die geradlinigen Komponenten L entsprechen der vorstehend beschriebenen
ersten Komponente 16, wobei die Gusskomponenten C und die
extrudierten Komponenten E den zweiten Komponenten 22 und 24 entsprechen.
Eine Mehrzahl von Kappenelementen 46 sichert die Komponenten
C, L und E in einem festen Verhältnis
zueinander. Beim Einsatz der erfindungsgemäßen Verbindungsstruktur kann
die erste Komponente 16 oder die lineale Komponente L entweder
aus einer extrudierten oder einer Blecherzeugnisform gebildet werden.
Nachstehend wird gezeigt, dass die vorliegende Erfindung den Einsatz
einer verbesserten Verfahrens- und Blecherzeugnisbildungsmethode
ermöglicht,
um die Endenkonfiguration des geradlinigen Elements zu erzeugen,
für eine
zusammenwirkende Funktionsweise in der Verbindungsstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung. Die zweite Komponente 22 aus 1 kann zum
Beispiel eine gegossene Komponente C oder eine extrudierte Komponente
E aufweisen. Beim Einsatz einer gegossenen Komponente C kann der
Vorsprung in der Struktur C gegossen werden. Beim Einsatz einer
extrudierten Komponente E kann der Vorsprung während der Bearbeitung des Blechmetalls gebildet
werden oder durch Anbringen eines Gusserzeugnisses oder gebildeten
Blechs oder des extrudierten Vorsprungs an der Seite des Produkts
C oder E. Hiermit wird festgestellt, dass im Wesentlichen alle Verbindungen
zwischen den Komponenten L und jeder der Komponenten C und E, die
in der Baugruppe S aus 2 dargestellt sind, gemäß der vorliegenden
Erfindung erzeugt werden können.
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Die
Abbildung aus 3 zeigt ein alternatives Kappenelement 46', das in der
Verbindung 12 eingesetzt wird. Das Kappenelement 46' des alternativen
Ausführungsbeispiels
weist den Körperabschnitt 48 mit
der ersten Seite 50 auf, und wobei eine ringförmige zweite
Seite 52' den
ausgesparten Abschnitt 62 umgibt. In allen anderen Aspekten
entspricht die Anbringung der ringförmigen zweiten Seite 52' des Kappenelements 46' an den angrenzenden
Seiten des Vorsprungs 34 und dem ersten Ende 18 der
ersten Komponente 16 der vorstehenden Beschreibung in Bezug
auf das Kappenelement 46. In der detaillierten Querschnittsansicht
der Verbindung 12 ist die erste Komponente 16 so
abgebildet, dass sie ein geradliniges Element mit einem uneinheitlichen
Querschnitt aufweist. Die reibungsgeschweißte Verbindung erfordert es
zwar, dass die angrenzenden Enden (z.B. des Vorsprungs 34 und
des Endes 18) runde Querschnitte aufweisen, wobei es jedoch möglich ist,
ein extrudiertes Element mittels Hydroforming mit einem uneinheitlichen
Querschnitt herzustellen.
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Alternativ
kann die erste Komponente aus einem Blecherzeugnis gebildet werden.
In Bezug auf die Abbildungen der 4A und 4B sind
verschiedene Variationen der Struktur und der Form bzw. der Ausführung des
geradlinigen Elements veranschaulicht. In der Abbildung aus 4A weist
eine erste Komponente 16' i
einer Blecherzeugnisausführung
ein erstes Ende 18 mit einem runden Querschnitt auf. Dieses
alternative Ausführungsbeispiel des
geradlinigen Elements 16' weist
in der Abbildung in mindestens einem Abschnitt dessen Länge einen allgemein
rechteckigen Querschnitt auf, wie etwa bei 62. In Verbindung
mit dem in einem runden Querschnitt ausgebildeten Ende 18 kann
Reibungsschweißen
weiterhin bei der Befestigung des geradlinigen Elements 16 an
einer zweiten Komponente mithilfe des Kappenelements 46 eingesetzt
werden. Es wird bevorzugt, dass eine aus einem Blecherzeugnis hergestellte
erste Komponente 16 eine Verstärkungsrippe 64 aufweist,
um der ersten Komponente 16 zusätzliche Steifheit zu verleihen.
Diese Steifheit erleichtert das Reibungsschweißen der ersten Komponente 16 während der
Bildung der Verbindung. Die Sicke bzw. Rippe 64 kann in
einem Blecherzeugnis durch einen Stanzvorgang erzeugt werden. Wie
dies in der Abbildung aus 4B näher dargestellt
ist, kann das aus einem Blecherzeugnis hergestellte erste Ende 18 der
ersten Komponente 16 eine Querschnittsverbindung gemäß der Abbildung
unter 66 aufweisen. Zur Verbesserung dieser Verbindung 66, welche
das Reibungsschweißen
der ersten Komponente 16 gemäß der Verbindungsstruktur der
vorliegenden Erfindung erleichtert, wird es bevorzugt, dass sich
die Enden des Blechs überlappen,
wie etwa bei 68 und 70. Wenn etwa angenommen wird,
dass die Rotation des Kappenelements während dem Vorgang des Reibungsschweißens im Uhrzeigersinn
erfolgt, wenn das Ende 18 in der Abbildung aus 4B betrachtet
wird, so wird es bevorzugt, dass der sich überlappende bzw. überschneidende
Abschnitt 70 stumpf oder abgerundet gestaltet wird, wie
dies unter 72 dargestellt ist, um die Wahrscheinlichkeit
einer Beschädigung
der Verbindung während
einem sehr schnellen Drehen des Kappenelements während dem Reibungsschweißverfahren
so gering wie möglich
zu halten. Das überlappende
Ende 68 muss nicht abgerundet oder stumpf sein, wie dies
unter 74 dargestellt ist.
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Der
in den Abbildungen der 1 und 3 dargestellte
Vorsprung ist integral mit der zweiten Komponente 22 ausgebildet.
In anderen Fällen
kann es erforderlich sein, wie dies in der Abbildung aus 5 dargestellt
ist, einen separaten Vorsprung 80 zu integrieren, der an
der Komponente 22 angebracht wird. Der Vorsprung 80 kann
ein Gusselement darstellen und an die Komponente 22 geschweißt werden,
um eine geeignete Vorsprungsseite 42 zu erzeugen. Ein weiteres
bevorzugtes Merkmal der Verbindung gemäß der vorliegenden Erfindung
ist die Bereitstellung einer Einrichtung zur Übertragung der Last von der
Verbindung auf den Rest der Fahrzeugstruktur, von welcher die Verbindung
ein Teil ist. Die in den Abbildungen der 1, 3 und 4 dargestellten Verbindungen definieren
einen Zwischenraum zwischen der ersten Komponente 16 und
dem Vorsprung 34 bzw. 80. Zwischenräume zwischen
der ersten Komponente 16 und dem Vorsprung 34 bzw. 80 können auftreten
aufgrund der Mischung des Aufbaus der Größentoleranz von Teilen, wenn
sie für
die letztliche Verbindungsbildung durch Reibungsschweißen oder
alternative Befestigungsverfahren angebracht oder geklemmt werden.
Demgemäß kann eine
Buchse 82 gemäß den Abbildungen
der 5 und 6 eingesetzt werden, um im Wesentlichen
jeden Zwischenraum zu eliminieren, der zwischen der ersten Komponente 16 und
dem Vorsprung 34 bzw. 80 der zweiten Komponente 22 existiert.
In Bezug auf die Abbildung aus 5 wird die Buchse 82 in
einen Zwischenraum 84 zwischen dem Vorsprung 80 und
dem ersten Ende 18 der ersten Komponente 16 eingeführt. In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
weist einen Innenseite des Vorsprungs 80 einwärts eine
Verjüngung
von einem ersten Durchmesser in der Nähe der Vorsprungsseite 42 auf
einen zweiten, kleineren Durchmesser, von dort entfernt auf. Hiermit
wird festgestellt, dass verschiedene Ausführungsbeispiele der Buchse 82 in
Verbindung mit der Verbindungsstruktur des vorliegenden Ausführungsbeispiels
eingesetzt werden können.
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Wie
dies in der Abbildung aus 6 dargestellt
ist, handelt es sich bei der Buchse 82 um ein ringartiges
Element, das unterbrochen sein kann, das heißt, es kann einen Spalt 88 definieren,
so dass die Buchse 82 einen Innendurchmesser aufweisen
kann, der zwischen einem Mindest- und einem Höchstwert variabel ist. Die
Buchse 82 kann zwischen die Vorsprungsinnenseite 86 und
die erste Komponente 16 eingeführt werden, so dass das Kappenelement 46 die
Buchse 82 dazwischen hält.
Wie dis in der Abbildung aus 5 dargestellt
ist, kann eine erste Seite 90 der Buchse 82 an
die Vorsprungsseite 42 und das erste Ende 18 der
ersten Komponente 16 angrenzen. Während der Anbringung der Komponenten
dieser Verbindung durch das Kappenelement 46 kann die Buchse 82 durch
Reibungsschweißen
an der Verwendungsposition angebracht werden. Alternativ können verschiedene
andere Formen der Verbindung eingesetzt werden, um die Komponenten
dieser Verbindungsstruktur an der Verwendungsposition zu sichern.
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Es
kann wünschenswert
sein, in dem Verfahren des Reibungsschweißens auf den Einsatz der Buchse 82 zu
verzichten. Dies kann unter Verwendung einer Buchse 82' gemäß der Abbildung
aus 7 erreicht werden. Das alternative Buchsenelement 82' weist eine
Teilung 88 auf, die es ermöglicht, dass der Innendurchmesser
der Buchse 82' von
einem vorbestimmten Mindest- bis zu einem Höchstdurchmesser variiert. Im
Gegensatz zu der Buchse 82 weist die Buchse 82' jedoch eine
unterbrochene äußere Seite 90' auf, wodurch
sich die Buchse 82' besonders
gut zum Reibungsschweißen
des Kappenelements 46 eignet. Die unterbrochene Seite 90' weist eine
Mehrzahl von mit Zwischenabstand angeordneten Zähnen 92 auf. Die Zähne 92 dienen
dem Durchbrechen bzw. Unterbrechen der Kontinuität der Grenzfläche zwischen
der ersten Seite 90' und
dem Kappenelement 46, was somit dazu führt, dass übermäßig Oxid in die Reibungsschweißung gezogen wird
und sich die Zähne
frühzeitig
verbiegen. Dies verhindert die Bildung unversehrter und starker Schweißverbindungen
zwischen dem Kappenelement 46 und der ersten Seite 90'. Sobald die
Buchse 82' somit
durch das Kappenelement 46 während dem Zyklus des Reibungsschweißens in
engen Kontakt mit der Innenseite 86 des Vorsprungs gedrängt wird, bleibt
die Buchse 82' an
der Verwendungsposition, ohne dass sie gedreht wird, wenn das Kappenelement 46 schnell
gebremst wird. Anders ausgedrückt wird
die Buchse 82' von
dem sich verlangsamenden Kappenelement 46 abgekoppelt,
indem die schwächeren
Schweißungen
durchbrochen werden, die zwischen der Seite 80 der Buchse 82' und dem Kappenelement 46 während der
letzten Stufe des Reibungsschweißzyklus gebildet werden. Wie
dies in der Abbildung aus 8 dargestellt
ist, kann die Buchse 82' so
bemessen sein, dass sie sich leicht über die Vorsprungsseite 42 hinaus
erstreckt, wie z.B. um etwa 0,5 mm. Wenn das Kappenelement 46 an
der Vorsprungsseite 42 und dem Ende 18 der ersten
Komponente 16 platziert wird, wird die Buchse 82' gegen die konische
Innenseite 86 des Vorsprungs 80 gedrückt, bis
die Enden der Zähne 92 der Buchse 82' an die Vorsprungsseite 42 und
das Ende 18 angrenzen.
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Ein
alternatives Kappenelement 46' ist in der Abbildung aus 9 zur
Verwendung in Verbindung mit der alternativen Buchse 82' dargestellt.
Die Zähne 92 werden
in dem ausgesparten Teilstück 62 leicht zusammengedrückt, wobei
diese Kompression durch die Teilung 88 in der Buchse 82' erleichtert
wird. Das vorliegende Ausführungsbeispiel
kann vor dem Reibungsschweißen
oder dem ultimativen Montageprozess montiert werden. Dies stellt
sicher, dass die Buchse 82' in
den Zwischenraum zwischen die Vorsprungsinnenseite 86 und
die äußere Oberfläche der ersten
Komponente 16 eingeführt
wird, während
nur das Ende 18 und die Vorsprungsseite 42 die
zweite Seite 52' des
Kappenelements 46' berühren.
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Die
Abbildungen der 10A und 10B zeigen
ein weiteres Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, wobei eine zweite Komponente 100 einen
integral ausgebildeten Ring 102 mit einer Vorsprungsseite 104 aufweist.
Die erste Komponente 16 wird in einer konischen Öffnung 106 in
dem Ring 102 aufgenommen, so dass das Ende 18 an
die Vorsprungsseite 104 angrenzend. Eine Innenseite 108 des
Rings 102 weist einen Durchmesser auf, der von einer ersten
Größe in der
Nähe der
Vorsprungsseite 104 bis auf eine zweite Größe, distal
dazu angeordnet, zunimmt. Eine Buchse 110 wird in der Öffnung 106 zwischen
der ersten Komponente 16 und der Ringinnenseite 108 aufgenommen.
Die Buchse 110 weist eine konische Wand 112 auf,
die so bemessen ist, dass sie genau in die konische Öffnung 106 passt.
Die Wand 112 weist eine Mehrzahl von Verzahnungen bzw.
Zähnen 114 auf,
welche die mechanische Bindung zwischen der Wand 112 und
jeder der ersten Komponente 16 und der Ringinnenseite 108 verbessern.
Das vorliegende Ausführungsbeispiel
eignet sich besonders für
das Schweißen
an eine zweite Komponente mit physikalischen Beschränkungen,
die den Einsatz der Anordnungen verhindern, die in den Abbildungen
der 1, 5 und 8 dargestellt
sind.
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Aufbauend
auf den vorstehend in Bezug auf die Anbringung eines Kappenelements
an einem geradlinigen Element beschriebenen Konzepten, wird hierin
im Besonderen in Bezug auf die Abbildungen der 11 bis 15 ein Montageansatz offenbart, bei dem
die geradlinigen Elemente daran angebrachte Endbefestigungen aufweist,
die an anderen Teilen angebracht sind, mit denen sie gewünschte Kraftfahrzeugstrukturen
bilden. Im Besonderen handelt es sich bei dem bevorzugten Verbindungsprozess
zur Anbringung der Endbefestigungen oder Kappenelemente an den geradlinigen
Elementen bzw. Linealen zwar um Reibungsschweißen und Widerstandsabschmelzschweißen, wobei
hiermit jedoch festgestellt wird, dass das Konzept auch durch den
Einsatz anderer Verbindungsverfahren implementiert werden kann,
die für
die jeweiligen Anwendungen kostenwirksam sind und welche die Hitzeeingabe
in die geradlinigen Elemente minimieren. Zu Beispielen für diese
Verfahren zählen
Magnaformen, MIAB (englische Abkürzung
für Magnetically
Impelled Act Butt Welding bzw. Stumpfschweißen), Laserschweißen und
Gasmetallbogenschweißen
(GMA) mit niedriger Hitzezufuhr. In der grundlegendsten Ausführung umfasst
das vorliegende Ausführungsbeispiel
die Schritte des Verbindens eines Kappenelements mit einem geradlinigen
Element, wobei das Kappenelement bestimmte weitere darin integrierte
Befestigungseinrichtungen aufweist, und das Montieren der verbundenen
Einheit aus Kappenelement und geradlinigem Element an einer anderen
Komponente. Diese Schritte sind in den Abbildungen der 11A bis 11C dargestellt,
wobei eine strukturelle Einheit, die allgemein mit der Bezugsziffer 210 (11C) bezeichnet ist, mindestens erste und zweite
Verbindungen 212 und 214 zwischen der ersten Komponente 216 (mit
einem ersten Ende 218 und einem zweiten Ende 220)
und den rechten und linken strukturellen Komponenten 222 und 224 aufweist.
Weitere Verbindungen sind dargestellt, wobei sie jedoch nicht einzeln
beschrieben werden.
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In
erneutem Bezug auf die Abbildung aus 11A weist
ein Kappenelement 246 einen Körperabschnitt 248,
eine erste Seite 250, eine zweite Seite 252 und
einen Rand auf, der sich dazwischen erstreckt, wie dies etwa durch 254 dargestellt
ist. Das Kappenelement 246 definiert eine Bohrung, durch welche
eine Befestigungseinrichtung, wie etwa ein Bolzen 256,
sich erstreckt und fest darin gehalten wird. Der Bolzen 256 weist
einen Gewindeabschnitt 258 auf, der so konfiguriert ist,
dass er eine Mutter 260 aufnimmt. Der Bolzen 256 kann
in dem Kappenelement 246 durch jedes einer Reihe geeigneter
Verfahren gehalten werden, darunter zum Beispiel die Klebeverbindung
und Schweißen.
Die Kappenelemente 246 werden mit der ersten Komponente 216 verbunden,
und zwar durch Reibungsschweißen
der Enden 218 und 220 der ersten Komponente an
die Seiten 252. Wie dies in der Abbildung aus 11B dargestellt ist, ist eine Gewindemutter 260 bereitgestellt,
die dazu dient, mit dem, Gewindebolzen 256 zusammenzuwirken.
Die Einheit 210 kann zum Beispiel gemäß der Darstellung in de Abbildungen
der 11C und 12 gebildet
werden. Jede der strukturellen Komponenten 222 und 224 definiert Öffnungen,
in welchen die ersten Komponenten 216 aufgenommen werden.
Dabei sind zwei Anordnungen der ersten Komponente 216,
die mit dem Kappenelement 246 verbunden ist, zwischen den
strukturellen Komponenten 222 und 224 angeordnet.
Die Mutter 260 und die optionale Sicherungsscheibe 266 sichern
in Verbindung mit den Bolzen 256 die Kappenelemente 246 an
den Wänden
oder Körperabschnitten
der strukturellen Elemente 222 und 224, um die Einheit 210 fertig
zu stellen.
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In
Bezug auf die Abbildung aus 13A ist ein
Abschnitt einer anderen Einheit 210' der vorliegenden Erfindung dargestellt,
wobei eine nachgiebige Scheibe 268 (z.B. eine Bellville-Scheibe) zwischen
der ersten Seite 250 des Kappenelements 246 und
einer Innenoberfläche
des strukturellen Elements 222 angeordnet ist. Die nachgiebige
Scheibe 268 ermöglicht
es der Einheit 210',
Längenveränderungen
der ersten Komponente 216 zu berücksichtigen. Die Abbildung
aus 13B zeigt einen weiteren Mechanismus
zur Berücksichtigung
variierender Längen
von Komponenten in einer Einheit 210''.
Eine erste Komponente 216' weist
einen verformten oder gebogenen Abschnitt 270 auf. Der
gebogene Abschnitte 270 ermöglicht es, dass die erste Komponente 216' während der
Konstruktion der Einheit 210'' komprimiert
wird.
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In
Bezug auf die Abbildungen der 14A–14D sind mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt,
durch welche ein Kappenelement an einer ersten Komponente angebracht
werden kann, zum Beispiel zur Verwendung in den Einheiten aus den
Abbildungen der 11C, 12, 13A und 13B.
Die Abbildung aus 14A zeigt eine zwischen dem
Kappenelement 246a und der ersten Komponente 216 gebildete "T"-Verbindung 212a, wenn das
Kappenelement 246a an die erste Komponente 216 reibungsgeschweißt wird,
indem das Kappenelement 246 gegen die erste Komponente 216 gedreht
wird, und zwar unter Druck, wie dies vorstehend im Text beschrieben
worden ist. In der Abbildung aus 14B weist
das Kappenelement 246b eine Lippe 272 mit einem
Rand 274 auf, an den die erste Komponente 216 reibungsgeschweißt wird,
wodurch eine Stumpfschweißung
bzw. Stoßnaht 212b gebildet
wird. Als Folge des Reibungsschweißens kann ein Grat bzw. überfließendes Material
außerhalb
der ersten Komponente 216 gebildet werden. Es kann wünschenswert
sein, die Erzeugung eines sichtbaren Grats sowohl aus strukturellen
und/oder auch aus ästhetischen
Gründen
zu vermeiden. Das Verdecken des Grats kann erreicht werden unter
Verwendung alternativer Konfigurationen, wie diese in den Abbildungen
der 14C und 14D dargestellt
sind. In Bezug auf die Abbildung aus 14C definiert
ein Kappenelement 246c eine durch die Seite 278 begrenzte
Aussparung 276, und in welcher die erste Komponente 216 aufgenommen
wird. Die erste Komponente 216 stößt an die Seite 278 an
und ist daran reibungsgeschweißt,
so dass eine "T-Verbindung" gebildet wird. Während dem
Reibungsschweißverfahren
gebildete Grate bzw. überfließendes Material
sammelt sich in der Aussparung 276 zwischen der ersten
Komponente 216 und dem Rand 272 des Kappenelements 246c.
Wie dies in der Abbildung aus 14D dargestellt
ist, weist das Kappenelement 246d alternativ ein Verbindungselement 280 auf,
das sich von der Seite 278 erstreckt, mit im Wesentlichen
identischen Querschnittsabmessungen wie bei der ersten Komponente 216.
Das Verbindungselement 280 und die erste Komponente 216 werden
durch Reibungsschweißen
aneinander angebracht. Dadurch gebildetes überfließendes Material bzw. Grate
sammeln sich in der Aussparung 276 zwischen dem Rand 272 des
Kappenelements 246 und dem Verbindungselement 280.
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Andere
Mechanismen zum befestigen einer ersten Komponente (geradliniges
Element), das vorher mit einem Kappenelement verbunden worden ist, an
anderen Abschnitten bzw. Teilstücken
einer Einheit als Alternativen zu den Mechanismen aus den Abbildungen
der 11C, 12, 13A und 13B sind
in den Abbildungen der 15A–B dargestellt.
Bei dem Mechanismus aus der Abbildung aus 15A weist
ein Kappenelement 246' einen
integral ausgebildeten Ansatz 256' auf, der geschraubt werden kann,
so dass er daran die Gewindemutter 260 aufnimmt. Eine selbstsichernde
Scheibe 266 kann zwischen der äußeren Oberfläche des
strukturellen Elements 224 und der Mutter angeordnet werden.
Die Abbildung aus 15B zeigt den Einsatz eines
Kappenelements 246, das an die erste Komponente 216 reibungsgeschweißt ist,
wie dies in Bezug auf die Abbildung aus 14A beschrieben
wird. Die Seite 50 des Kappenelements 246 kann
an einer inneren Oberfläche
der strukturellen Komponente 224 an den Positionen 282 angebracht
werden, über
Reibungsbewegungsschweißen
(FSW als englische Abkürzung
von Friction Stir Welding) bzw. Laserschweißen (LW). Bolzen- oder Nietverbindungen
können ebenfalls
an Stelle des Schweißens
eingesetzt werden.
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Wenn
das Reibungsschweißverfahren
für die
Vormontage der geradlinigen Elemente 216, 216' und der Kappenelemente 246, 246' eingesetzt
wird, können
diese Komponenten aus Materialien hergestellt werden, die sich normalerweise
nicht schweißen
lassen. Beispiele dafür
sind unter anderem Kappenelemente aus Edelstahl, die an 6xxx oder
7xxx Linealen angebracht sind oder 7xxx Kappenelemente, die an 6xxx
Linealen bzw. geradlinigen Elementen angebracht sind. Die Flexibilität der vorliegenden
Erfindung erweitert die Auswahl an Designs und Verbindungsoptionen
für Kraftfahrzeugstrukturen,
die in deren Rohkarosserie die Einheit und die Verbindungstechniken
der vorliegenden Erfindung aufweisen können.
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Die
reibungsgeschweißten
Verbindungen gemäß der vorliegenden
Erfindung eignen sich besonders gut für einen Einsatz bei der Montage
eines Energie absorbierenden Elements, wie zum Beispiel einer Stoßstange
bzw. eines Stoßfängers. Die
Einheit kann leichter, einfacher und kostengünstiger hergestellt werden
als Standardmontageverfahren unter Verwendung von Schweißen, Bolz-
oder Nietverbindung. Die Abbildung aus 16 zeigt
eine Energie absorbierende Einheit 3090 mit einem Stoßstangenträger 302,
wobei Crashboxen 304 an einem Ende des Stoßstangenträgers 302 über Stoßstangenträger 306 verbunden
sind, und wobei sie an dem anderen Ende an Befestigungsträgern 308 angebracht
sind. Die Befestigungsträger 308 sind
so konfiguriert, dass sie entfernbar in einem Fahrzeug angebracht
werden. Die Stoßstangenträger 306 werden
an dem Stoßstangenträger 302 vorzugsweise
durch Schweißen
angebracht, wie etwa GMA-Schweißen,
wie dies unter 310 dargestellt ist. Die Crashboxen 304 sind zumindest
an ihren Enden zylindrisch. Dabei werden die Crashboxen 304 an
die Stoßstangenträger 306 und
die Befestigungsträger 308 reiungsgeschweißt. Die
reibungsgeschweißte
Verbindung zwischen einer Crashbox 304 und einem Befestigungsträger 308 ist in
der Abbildung aus 17A dargestellt. Grate bzw. überfließendes Material 312 werden
an der Position der Reibungsschweißverbindung gebildet. Die Grate 312 können mechanisch
durch ein folgendes Verfahren nach Abschluss des Schweißens mechanisch entfernt
werden. Wie dies in der Abbildung aus 17B dargestellt
ist, kann alternativ ein Befestigungsträger 308' eingesetzt werden, der einen erhöhten Abschnitt 314 mit
einer Öffnung
darin aufweist, die sich in eine ausgesparte Kammer 316 erstreckt,
die teilweise durch die Schweißoberfläche 318 begrenzt
ist. Die Crashbox 304 wird an die Oberfläche 318 in
der ausgesparten Kammer 316 reibungsgeschweißt. Der
beim Reibungsschweißen
erzeugte Grat 312 bzw. das entsprechende überfließende Material
wird in der ausgesparten Kammer 316 gehalten. Wie dies
in der Abbildung aus 17C dargestellt ist, kann in ähnlicher
Weise ein Stoßstangenträger 306' einen erhöhten Abschnitt 320 mit
einer Öffnung
darin aufweisen, die sich in eine ausgesparte Kammer 322 erstreckt,
die teilweise durch die Schweißoberfläche 324 begrenzt
ist. Das überfließende Material
bzw. der Grat 312, das bzw. der erzeugt wird, wenn die
Crashbox 304 an die Oberfläche 324 reibungsgeschweißt wird,
wird in der ausgesparten Kammer 322 gehalten.
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Aufgrund
der grundsätzlichen
Abhängigkeit des
Reibungsschweißverfahrens
von der schnellen und geregelten Anwendung von Rotationsenergie (d.h.
kinetischer Energie) und axialer Kraft (d.h. Druck) an den zu verbindenden
Passflächen,
erreicht das Verfahren verschiedene entscheidende Ergebnisse. Erstens
führt das
Verfahren zu einer außerordentlich
konstanten Verbindungsqualität
in Bezug auf Aluminium. Für
gewöhnlich
weist die Verbindung keine unerwünschten
Unterbrechungen auf. Dies führt zu
einer erheblichen Reduzierung des erforderlichen Ausmaßes sowohl
an zerstörerischen
als auch nicht zerstörerischen
Tests dieser reibungsgeschweißten Verbindungen
während
der Produktion. Offensichtliche Kosteneinsparungen sind die Folge
dieses hochwertigen Schweißverfahrens
Zweitens ist das Verfahren nur in sehr geringem Ausmaß abhängig von
den Dimensionstoleranzen der Crashboxen und Träger. Dies senkt erheblich die
Anforderungen und die Kosten für
eine genaue Einhaltung der Toleranzen dieser Teile. Zylindrische
Crashboxen können
einfach zur Vorbereitung auf die Verbindung durch Reibungsschweißen durch
Sägen zugeschnitten
werden. Drittens minimiert oder eliminiert das Verfahren sogar vollständig den
teuren Schritt der Oberflächenbehandlung,
der bei anderen Schweißverfahren
einen wesentlichen Bestandteil darstellt. Da es sich bei dem Reibungsschweißen um ein
Verfahren handelt, bei dem ferner nur geringe Wärme bzw. Hitze zugeführt wird,
und bei dem die Teile besonders fest und präzise gehalten werden, treten
nur sehr geringe durch das Schweißen induzierte Verzerrungen
auf, bewirkt durch das Verbinden der Crashboxen und Träger. Darüber hinaus
kann eine genaue Regelung des Anhaltens bzw. Beendens des Zyklus
zwischen den Verbindungsträgern
eine Winkelpassgenauigkeit von plus bzw. minus einem Prozent ermöglichen.
In Verbindung mit dem beschränkten
GMA-Schweißen der
Stoßstangenträger an die
Stoßstange
macht es dies durchaus möglich,
die vollständige
Bearbeitung und das Bohren der Komponenten noch vor der Montage
zu realisieren. Da das Reibungsschweißen ferner die sehr schnelle
Anwendung von geringer Hitze umfasst, um die Verbindung zu bewirken,
wird das Verfahren praktisch unabhängig von der Legierung. Im
Gegensatz zu dem GMA-Schweißverfahren,
das eine sorgfältige
Auswahl der Grundmetall-/Füllerlegierungskombinationen
erfordert, ermöglicht
das Reibungsschweißen
das Verbinden der Crashboxen 304 mit den Trägern 306 und 308 mit
nahezu jeder Aluminiumlegierungskombination.
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Hiermit
wird festgestellt, dass Hilfsrahmen bzw. Zwischenrahmen und Baugruppen,
wie zum Beispiel Motorträger,
die auf dem Einsatz röhrenförmiger Komponenten
basieren, die an Komponenten reibungsgeschweißt werden, die unterschiedliche Querschnittsformen
aufweisen (d.h. quadratische oder rechteckige oder Kombinationen
aus krummlinigen Abschnitten), eine Vielzahl von Designs bzw. Bauweisen
erleichtern, die wirtschaftlicher erzeugt und montiert werden können. Zur
Verwendung des hierin offenbarten Reibungsschweißverfahrens in Kombination
mit den verschiedenen abgebildeten Elementen können röhrenförmige Aluminiumkomponenten
natürlich
Extrusionen umfassen, die an Komponenten mit unterschiedlichen Querschnittsformen reibungsgeschweißt werden.
Die Verbindung der Stoßstangenbefestigungsträger an der
Stoßstange kann
durch Nieten und Bolzenverbindung an Stelle des Bogenschweißens mit
Gasmetall erfolgen. Die Stoßstangenbefestigungsträger und
Montageträger können aus
Stanzungen, Gusserzeugnissen und/oder Extrusionen erzeugt werden.
Für den
Fall von Extrusionen können
Extrusionen mit gerader Länge
einfach auf die entsprechenden Längen
zugeschnitten werden.
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Hiermit
wird festgestellt, dass sowohl das Reibungs- als auch das Widerstandsabschmelzschweißen minimale
Vorbereitungen für
die Verbindung erfordern, wobei in Bezug auf die aufgenommenen Verbindungen
und die gesägten
Teile bei keiner oder nur minimaler Reinigung für die Verbindung der Kappenelemente
an den entsprechenden geradlinigen Elementen eine signifikante Kostenreduzierung erreicht
werden kann durch Anpassung des vorgeschlagenen Zusammenbauansatzes
gemäß der vorliegenden
Erfindung. Ferner können
durch die Bereitstellung einer Befestigungseinrichtung an dem Kappenelement
weitere Kostenreduzierungen realisiert werden durch den Einsatz
eines sehr einfachen Verbindungsverfahrens während der letzten Montagephase,
d.h. Bolzen- oder Nietverbindung.