DE69307114T2

DE69307114T2 - Rohrförmige Struktur für ein Fahrzeuggestell

Info

Publication number: DE69307114T2
Application number: DE69307114T
Authority: DE
Inventors: Re Mario Da; Paolo Giuseppe Guidoboni
Original assignee: Fiat Auto SpA
Current assignee: Fiat Auto SpA
Priority date: 1992-12-30
Filing date: 1993-11-11
Publication date: 1997-04-17
Anticipated expiration: 2013-11-12
Also published as: EP0604745B1; DE69307114D1; EP0604745A1; IT1257965B; ITTO921058A0; ITTO921058A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine rohrförmige Struktur für die Konstruktion von Rahmen für Motorfahrzeuge.
Einige Modelle von Motorfahrzeugen werden heutzutage mit Rahmen hergestellt, die Elemente aus geschweißten Rohren aus Stahlblech aufweisen. Die Verwendung von rohrförmigen Strukturen findet sich hauptsächlich in jenen Teilen des Rahmens wie beispielsweise im vorderen Querelement, dem Querelement unter dem Armaturenbrett, dem Rahmen zur Unterstützung des Motors, in querverlaufenden Verstärkungselementen und anderen sehr starken Elementen. Diese rohrförmigen Strukturen werden normalerweise in folgenden Schritten hergestellt:
- Biegen der Rohrteile in die gewünschte Form mittels bekannter Techniken,
- Formung der Rohre, welche entlang ihrer Longitudinalachsen unterschiedliche Querschnitte aufweisen müssen, durch Hydroforming und
- Schweißen der Rohre und der notwendigen, verstärkenden Knotenbleche.
An den Stellen, an denen zwei oder mehr rohrförmige Strukturen miteinander verbunden werden, um Teile eines Rahmens eines Motorfahrzeuges zu bilden, ist es notwendig, Verstärkungsplatten vorzusehen, die an die Elemente angeschweißt werden, welche an einer Verbindungssteile des Rahmens zusammenlaufen.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, eine rohrförmige Struktur vorzusehen, welche es erlaubt, die Verstärkungselemente wegzulassen, wobei die Kosten der rohrförmigen Strukturen innerhalb niederer Grenzen gehalten werden.
Gemäß der Erfindung wird dieses Ziel durch die Vorsehung einer rohrförmigen Struktur erreicht, die mindestens zwei Blechelemente gleicher Dicke, jedoch unterschiedlicher mechanischer Zugfestigkeit umfaßt, die symmetrisch bezüglich einer durch die Longitudinalachse der strukturverlaufenden Ebene angeordnet sind und die mittels einer Schweißung, welche sich parallel zur Achse der Struktur erstreckt, miteinander verbunden sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung verständlich. Diese Beschreibung stellt ein nicht einschränkendes Ausführungsbeispiel dar und nimmt auf die Zeichnungen im Anhang Bezug, bei denen:
Fig. 1 und Fig. 2 die Herstellungsschritte einer rohrförmigen Struktur mit kreisförmigem Querschnitt zeigen,
Fig. 3 und 4 die Herstellungsschritte einer rohrförmigen Struktur mit rechteckigem Querschnitt zeigen,
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines Teiles eines Motorfahrzeugrahmens darstellt, welcher die rohrförmige Struktur gemäß Fig. 4 verwendet, und
Fig. 6 ein Diagramm darstellt, um die Spannungen in dem in Fig. 5 dargestellten Teil des Rahmens zu berechnen.
Bezugnehmend auf Fig. 1 werden die beiden Elemente a und b aus Stahlblech mittels einer Schweißnaht 4 zusammengefügt, die durch Elektro- oder Laserschweißen ausgebildet wird. Die beiden Blechelemente a und b weisen dieselbe Dicke s auf, haben jedoch unterschiedliche Qualität. Das flache, aus den beiden Elementen a und b gebildete Blech wird einer Rollbearbeitung bekannter Art unterworfen, nach deren Beendigung die beiden longitudinalen Kanten 6, 8 nahe beieinanderliegen (Fig. 2). Die Kanten 6, 8 werden mittels einer elektrisch oder durch Laser hergestellten Schweißnaht 10 zusammengefügt.
Die Größe der Röhre, die Kenngrößen der geschweißten Blechelemente und die Querschnittsabmessungen der geschweißten Blechelemente entsprechen der geforderten Größe und mechanischen Festigkeit der Endzusammensetzung (des Rahmens). Die mit der beschriebenen Methode hergestellten Röhren werden durch Biegen, möglicherweise Formung durch Fluide und Schweißen bearbeitet.
Bezugnehmend auf Fig. 3 können die beiden Blechelemente a, b statt gerollt auch so gebogen werden, daß sie eine rohrförmige Struktur mit rechteckigem Querschnitt bilden (Fig. 4).
Fig. 5 zeigt einen Teil eines Motorfahrzeugrahmens, der aus geschweißten Rohren gebildet ist. Der in Fig. 5 gezeigte Rahmenteil umfaßt ein Querelement 12, an dessen Enden zwei Seitenelemente 14 und zwei Druckstäbe 16 angeschweißt sind. Die Oberflächen 18 und 20 des Querelementes 12 nehmen direkt die Kräfte auf, die von den Druckstäben 16 bzw. von den Seitenelementen 14 kommen und sind deshalb aus sehr starkem Blech hergestellt. Die anderer Oberflächen 22 und 24 des Querelementes 12 können aus einem weniger teueren Blech geringerer Qualität hergestellt sein. Die beschriebene Technik beseitigt die Notwendigkeit für verstärkende Knotenbleche, die bei herkömmlichen Techniken an den Stellen, an denen die Rohre 12, 14 und 16 verbunden sind, notwendig wären.
Die Bleche, die normalerweise auf dem Gebiet der Autoindustrie verwendet werden, sind normalerweise kaltgewalzte Stahlbleche die eine Dicke von weniger als 3 mm aufweisen und die durch die europäische Norm Euronorm 130-77 (die der italienischen Norm UNI 5866-77 entspricht) standardisiert sind. Die europäische Norm unterteilt Stahlbleche in vier Kategorien; die Zugefestigkeit R variiert von einem Minimum von 270 N/mm² bis zu einem Maximum von 410 N/mm² und die Streckgrenze RS variiert von 180-280 N/mm².
Wenn beide Elemente a, b normalerweise verwendete Bleche sind, so sollte unter der Annahme, daß das Blechelement a das stärkere der beiden ist, folgendes gelten: Ra/Rb = 1-1.5 und Rsa/Rsb = 1-1.9. Wenn mehrere verschiedene Bleche verwendet werden, müssen diese Verhältniszahlen zwischen jedem Paar sich berührender Blechelemente überprüft werden.
Um größeren Kräften standzuhalten, können kaltgewalzte Stahlbleche mit höheren Elastizitätsgrenzen (HLE) verwendet werden, um den Sicherheitsfaktor für ein gegebenes Gewicht zu vergrößern oder damit ein Werkstück gleicher Festigkeit leichter ausgeführt werden kann.
HLE-Bleche sind durch die europäische Norm Euronorm 149-80 standardisiert. Die mechanischen Kenngrößen dieser Fläche fallen in die folgenden Intervalle:
R = 370-550 N/mm²
R = 280-460 N/mm²
In diesem Fall, wenn beide Bleche a und b HLE-Bleche sind, sollte unter der Annahme, daß das Element a das stärkere ist, folgendes gelten: Ra/Rb = 1-1.4 und Rsa/Rsb = 1-1.6.
Wenn andererseits das Blechelement a von HLE-Qualität ist und das Blechelement b von normaler Qualität ist, sollte das Verhältnis sein: Ra/Rb = 1-2 und Rsa/Rsb = 1-3.3.
Es ist auch möglich, ein rückphosphorisiertes Stahlblech mit hohen Elastizitätsgrenzen (HLE) zu verwenden, welches bereits von der deutschen Norm SEW 094-87 vorgesehen wird, und welches folgende Kenngräßen aufweist:
R = 370-500 N/mm²
R = 260-360 N/mm²
in diesem Fall, wenn beide Blechelemente a und b von oben erwähnter Art sind, sollte folgendes gelten: Ra/Rb = 1-1.3 und Rsa/Rsb = 1-1.3.
Wenn jedoch das Blechelement a aus rückphosphorisiertem HLE-Stahl und b aus normalem Stahlblech ist, sollte folgendes gelten: Ra/Rb = 1-1.9 und Rsa/Rsb = 1-2.5.
Bezugnehmend auf Fig. 6 kann das Querelement 12 im Diagramm als Träger dargestellt werden, der an seinen Enden unterstützt ist und zwei punktförmigen Lasten P1 und P2 im Bereich nahe seiner Enden ausgesetzt ist.
Die Kräfte an jedem Ende sind die Summe jener aus dem Druckstab und aus dem Seitenelement.
Es ist Ziel der Erfindung, die Biegungen aufgrund der Lasten auf ein Minimum zu reduzieren, wobei dafür folgende Gleichung gilt:
(J ist darin das Flächenträgheitsmoment des Trägers bezüglich seiner neutralen Biegeachse); dasselbe gilt für f&sub2;.
Da E = / &epsi; N/mm², das heißt, daß bei einer normalen Zugbelastung der Elastizitätsmodul das Verhältnis aus der Einheit Spannung und der korrespondierenden Einheit longitudinale Dehnung ist, gilt klarerweise für eine gegebene Belastung, je höher die Festigkeit des Materials, desto größer der Wert von E und folglich desto geringer die Biegung.
Der Wert von E, der in die Formel eingesetzt werden muß, liegt näher bei dem des stärkeren Materials, da die Oberflächen 18 und 20 direkt mit den Elementen in Kontakt stehen, die das Querelement beanspruchen.
Im speziellen gilt beim fraglichen Beispiel:
wobei E der Wert des Elastizitätsmoduls ist, der in die Formel eingesetzt werden muß, um die Biegung des Querelementes zu berechnen und Ea und Eb die Elastizitätsmodul der Materalien darstellen, die die Flächen 18, 20 bzw. 22, 24 bilden.
Die Verringerung der Biegung, die erzielt werden kann, ist so groß, daß es nicht notwendig ist, verstärkende Knotenbleche zu verwenden.

Claims

1. Rohrförmige Struktur für die Konstruktion von Rahmen für Motorfahrzeuge, dadurch gekennzeichnet, daß sie mindestens zwei Blechelemente (a, b) gleicher Dicke (s), jedoch unterschiedlicher mechanischer Festigkeit umfaßt, die symmetrisch bezüglich einer durch die Longitudinalachse der Struktur verlaufenden Ebene angeordnet sind und die mittels einer Schweißung (4, 10), welche sich parallel zur Achse der Struktur erstreckt, miteinander verbunden sind.

2. Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der beiden Elemente (a, b) aus einem Blech hergestellt ist, das eine Streckgrenze zwischen 180 und 280 N/mm² und/oder eine Zugfestigkeit zwischen 270 und 410 N/mm² aufweist.

3. Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der beiden Elemente (a, b) aus einem Blech hergestellt ist, das eine Streckgrenze zwischen 260 und 460 N/mm² und/oder eine Zugfestigkeit zwischen 370 und 550 N/mm² aufweist.

4. Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Zugfestigkeit des Blechelementes mit der größeren mechanischen Festigkeit zu der des Elementes mit der geringeren mechanischen Festigkeit zwischen 1 und 2 liegt.

5. Rohrförmige Struktur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Streckgrenze des Blechelementes mit der größeren mechanischen Festigkeit zu der des Blechelementes mit der geringeren mechanischen Festigkeit zwischen 1 und 3,3 liegt.