DE102009036558B4

DE102009036558B4 - Fahrwerksbaugruppe

Info

Publication number: DE102009036558B4
Application number: DE102009036558.3A
Authority: DE
Inventors: Dr. Ferlemann Felix; Wolfram Linnig; Dr. Neumann Hans-Jürgen; Dr. Siekaup Rolf
Original assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Current assignee: Benteler Automobiltechnik GmbH
Priority date: 2009-08-10
Filing date: 2009-08-10
Publication date: 2014-12-18
Anticipated expiration: 2029-08-11
Also published as: US8388049B2; US20110037294A1; FR2948911A1; DE102009036558A1; IT1400841B1; ITRM20100429A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Fahrwerksbaugruppe (1) mit einem Widerlager (3) und einem Basisträger (2) sowie ein Verfahren zum Fügen des Widerlagers (3) mit dem Basisträger (2) zu einer Fahrwerksbaugruppe (1) mit einem Nagel (5) ohne Vorlochen.

Description

Die Erfindung betrifft eine Fahrwerksbaugruppe für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Fahrwerksbaugruppe für ein Kraftfahrzeug.
Die konstruktive, technologische und werkstoffliche Leichtbaulösung zur Gewichtsreduzierung von Fahrwerkskomponenten gewinnt im Hinblick auf die Kraftstoff- und Emissionsreduzierung zunehmend an Bedeutung. Man ist daher bestrebt, Fahrwerkskomponenten wie Vorderachs- oder Hinterachsträger in Leichtbauweise mit hohen Festigkeiten umzusetzen. Die hohen dynamischen Festigkeitsanforderungen werden entweder durch entsprechend dicke Wandstärken der einzelnen Fahrwerkskomponenten oder durch den Einsatz von Leichbauwerkstoffen mit den erforderlichen hohen Festigkeiten realisiert. Da dicke Wandstärken den Leichtbauzielen widersprechen, liegt der Schwerpunkt auf der Verwendung von Leichtbaustoffen mit höheren Festigkeiten.
Bei den hauptsächlich eingesetzten Aluminiumwerkstoffen der 6000er-Legierungsserie, welche aushärtbare Werkstoffe betrifft, werden die hohen Festigkeiten durch eine spezielle, mehrstufige Wärmebehandlung (T6 = Lösungsblühen und Warmauslagerung) erzielt. Es wird eine Streckgrenze von über 200 MPa erreicht. Im Bereich der so genannten Wärmeeinflusszone des Schmelzschweißens geht diese Festigkeitserhöhung durch die T6-Wärmebehandlung jedoch verloren. Die Streckgrenze fällt zum Beispiel um ca. 60% bis auf Werte von ca. 80 MPa. Dieser Festigkeitsabfall infolge des technologiebedingten Wärmeeinflusses bei Fügeverfahren wie dem Schmelzschweißen kann nur durch Verlagerung der Schweißnähte in weniger belastete Bereiche kompensiert werden, was nur begrenzt oder völlig unmöglich ist oder durch entsprechende Querschnittserhöhungen der zu fügenden Einzelteile kompensiert werden muss. Dadurch erhöht sich wiederum das Gewicht der Einzelteile, was insbesondere bei Strangpressprofilen für die gesamte Länge des Bauteils gilt, obwohl die erhöhte Wanddicke nur für den kurzen Bereich des wärmebedingten Festigkeitsabfalls in der Wärmeeinflusszone erforderlich wäre. Denkbare Nietverbindungen oder Schraubverbindungen erfordern vorbereitete Löcher und in der Regel den Zugang von der Hinterseite der Verbindung, was erhöhte Montagekosten verursacht. Klebeverbindungen sind für Fahrwerksverbindungen sowohl aus Kostengründen für die Vorbereitung und Ausführung der Klebeverbindung als auch wegen teilweise unzureichender Festigkeiten nur schwer in der Serienfertigung realisierbar. In wärmefreien Fügeverbindungen sind noch die so genannten Nagelverbindungen zu nennen, wie sie in der WO 2007/082714 A1 beschrieben sind.
Zum Stand der Technik ist die DE 103 94 337 T5 zu nennen, die einen Hilfsrahmen für ein Fahrzeug beschreibt, bestehend aus einem umgeformten Aluminiumprofil, das in einen rechteckigen Rahmen gebogen ist, der an der Verbindungsstelle durch eine Klammer zusammengehalten ist. Die Verwendung der separaten Klammer ermöglicht, dass die Breite des Rahmens angepasst werden kann. Die Klammer wird an die Enden des Rahmens geschraubt oder genagelt. Die Klammer kann weg gelassen werden, so dass die Enden auch direkt zusammengeschweißt werden können.
In der DE 10 2006 002 238 A1 wird ein Verfahren zum Herstellen an einer Nagelverbindung sowie ein entsprechender Nagel beschrieben. Der Nagel wird zur Herstellung der Nagelverbindung mit hoher Geschwindigkeit durch im Fügebereich nicht vorgelochte Bauteile getrieben, so dass die Nagelspitze beide Bauteile vollständig durchdringt. Der Einsatzbereich des Verfahrens liegt in Bereichen des Stahlbaus, Fassadenbaus, Metallbaus und Schiffbaus.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine leichtbauende Fahrwerksbaugruppe aufzuzeigen, deren Bestandteile durch ein kostengünstiges, wärmefreies Fügeverfahren verbunden sind sowie ein Verfahren zum Herstellen einer Fahrwerksbaugruppe durch ein kostengünstiges, wärmefreies Fügen aufzuzeigen.
Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einer Fahrwerksbaugruppe mit den Merkmalen Teil des Patentanspruchs 1.
Die Lösung des verfahrensmäßigen Teils der Aufgabe besteht in einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 12.
Die Fahrwerksbaugruppe für ein Kraftfahrzeug umfasst ein Widerlager und einen Basisträger, wobei das Widerlager mit dem Basisträger in einem Verbindungsbereich durch wenigstens einen Nagel ohne Vorlochen gefügt ist.
Im Verbindungsbereich überlappen sich Wände des Widerlagers und des Basisträgers, sodass der Nagel beim Einschlagen beide Wände durchdringt. Der Verbindungsbereich kann beispielsweise durch sich überlappende Flansche von Widerlager und Basisträger realisiert werden. Die Flansche sind gezielt für die Nagelverbindung vorgesehen. In welches Bauteil der Nagel zuerst eindringt ist abhängig von der konstruktiven Gestaltung und der Anordnung des Widerlagers und des Basisträgers. Vorzugsweise umfasst das Widerlager den Basisträger, sodass das Widerlager zuerst vom Nagel durchdrungen wird.
Zwischen dem Widerlager und dem Basisträger kann zusätzlich eine Klebeschicht oder Kleberaupe aufgebracht sein. Die Klebeschicht ist in ihrer Elastizität und Festigkeit derart ausgelegt, dass sie der form- und kraftschlüssigen Verbindung durch eine stoffschlüssige Verbindung zusätzliche Festigkeit verleiht. Darüber hinaus kann die Klebeschicht das Widerlager und den Basisträger im Verbindungsbereich gegen Korrosion schützen und den Verbindungsbereich abdichten.
Bei der Erfindung kommt in vorteilhafter Weise zum Tragen, dass das Nagelverbinden bzw. Bolzensetzen eine optimierte Fügung zum Verbinden des Widerlagers und des Basisträgers darstellt, ohne dass Vorlochoperationen notwendig sind. Die Verbindung der Komponenten ist möglich, auch wenn diese nur einseitig zugänglich sind. Zum Verbinden des Widerlagers und des Basisträgers kommen nagelähnlich gestaltete Setzbolzen zum Einsatz, die mit hoher Geschwindigkeit in die Bauteile eingetrieben werden. Hierbei werden die Wände der miteinander zu verbindenden Bauteile durchdrungen. Der Nagel bzw. Setzbolzen verdrängt den Werkstoff der zu fügenden Bauteile. Während des Eindringens erfährt der verdrängte Werkstoff im Verbindungsbereich eine hohe plastischer Verformung. Aufgrund der hohen Geschwindigkeiten beim Eintreiben der Nägel bzw. Setzbolzen kommt es zu einer örtlich hohen Erwärmung der Bauteile. Nach dem Setzen, also dem Abschluss des Eintreibvorgangs, wirken Rückstellkräfte der plastischen Verformung auf die Nägel bzw. Setzbolzen ein. Der Bindemechanismus der Nagelverbindung setzt sich aus Reibschluss, Stoffschluss und Formschluss zusammen.
Das Einschlagen des Nagels kann über ein robotergesteuertes Werkzeug erfolgen. Ein Schaft des Nagels durchdringt das Widerlager und den Basisträger im Verbindungsbereich mit sehr hoher Geschwindigkeit, bis eine Unterseite eines Nagelkopfes an einer Seitenfläche des Basisträgers oder Widerlagers zur Anlage kommt.
Da die Einzelteile zur Montage fixiert werden, ist ein Gegenhalter beim Einschlagen des Nagels nicht erforderlich. Dies erlaubt unter anderem die Herstellung des Basisträgers aus einem gewichtsoptimierten Hohlprofil, bei dem kein Zugriff auf die Rückseite der Verbindung möglich ist.
Der Nagel kann an seinem Schaft eine quer zur Längsrichtung des Schaftes verlaufende sägezahnförmige Profilierung aufweisen. Diese erhöht die Ausziehfestigkeit und dient damit gleichzeitig einer zusätzlichen Erhöhung der Festigkeit der Verbindung zwischen Widerlager und Basisträger. Die Anzahl der in einem Verbindungsbereich zu setzenden Nägel wird in Abhängigkeit der dynamischen Beanspruchungen der Bauteile im Verbindungsbereich und in Abhängigkeit von der Belastungsfähigkeit einer Nagelverbindung bestimmt. Dabei können Länge und Durchmesser der Nägel variieren und so dem Einsatz an unterschiedlich belasteten Verbindungsbereichen angepasst sein.
Die Verbindung von Widerlager und Basisträger über Nägel ermöglicht die Kombination verschiedener Werkstoffe miteinander. So kann beispielsweise eine Kombination aus Aluminium und Stahl vorgesehen sein. Darüber hinaus können das Widerlager oder/und der Basisträger auch aus nicht schweißbaren höherfesten kupfer- oder zinkhaltigen Aluminiumlegierungen bestehen.
Beim Verfahren zur Herstellung einer Fahrwerksbaugruppe, insbesondere eines Vorder- oder Hinterachsträgers durch Verbinden eines Widerlagers mit einem Basisträger, wird das Widerlager mit dem Basisträger in einem Verbindungsbereich mit wenigstens einem Nagel ohne Vorlochen gefügt. Dabei kann der Nagel robotergesteuert mit hoher Geschwindigkeit in den Verbindungsbereich eingeschlagen werden und durchdringt dabei sowohl wenigstens eine Wand des Widerlagers als auch eine Wand des Basisträgers.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens liegt darin, dass das Fügen von Widerlager und Basisträger durch Einschlagen eines Nagels ohne Vorlochen wärmefrei erfolgt und anders als beim Schweißen somit keine Entfestigung der zu verbindenden Fahrwerkskomponenten im Fügebereich auftritt. Somit können auch höherfeste Aluminiumlegierungen zur Herstellung von Fahrwerksbaugruppen herangezogen werden, ohne dass Bauteile im Verbindungsbereich strukturell geschwächt werden. Dies ermöglicht entsprechende Gewichtsreduzierungen gegenüber dem Stand der Technik. Das Verfahren kann natürlich neben der Herstellung eines Vorderachsträgers auch auf die Herstellung anderer Fahrwerkskomponenten wie beispielsweise Hinterachsträger übertragen werden.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem in den 1 und 1a dargestellten Ausführungsbeispiel näher erläutert.
Hierbei zeigt die 1 eine Fahrwerksbaugruppe 1 in Form eines Vorderachsträgers umfassend einen Basisträger 2, welcher mit einem Widerlager 3 gefügt ist. Dabei wird der Basisträger 2 mit dem Widerlager 3 in einem Verbindungsbereich 4, in welchem sich Basisträger 2 und Widerlager 3 überlappen, durch Nägel 5 verbunden. Der Basisträger 2 ist hier als gebogenes Strangpressprofil ausgeführt, welches im Verbindungsbereich 4 im Widerlager 3 angeordnet ist. Beim Einschlagen des Nagels 5 durchdringt dieser zuerst eine Wand des Widerlagers 3 bevor er eine daran angrenzende Wand des Basisträgers 2 durchdringt (1a). Der Nagel 5 wird dabei so weit eingeschlagen, dass sich eine Unterseite des Nagelkopfes 6 in eine nach außen weisende Seitenfläche 7 des Widerlagers 3 eindrückt. Das Material von Widerlager 3 und Basisträger 2 verformt sich beim Einschlagen des Nagels 5 plastisch um dessen Schaft 8 herum.
Der Nagel 5 weist an seinem Schaft 8 eine quer zur Längsrichtung des Schaftes 8 sägezahnförmig verlaufende Profilierung 9 auf. Diese Profilierung erhöht die Festigkeit der Verbindung zwischen Widerlager 3 und Basisträger 2.
Durch die konstruktive Ausgestaltung und Anordnung verstärkender Flansche 10 können weitere Überlappbereiche zwischen unterschiedlichen Bauteilen realisiert werden. Diese können zudem als Verbindungsbereiche zum Einbringen eines oder mehrer Nägel 5 vorgesehen sein.
Bezugszeichenliste

1: Fahrwerksbaugruppe
2: Basisträger
3: Widerlager
4: Verbindungsbereich
5: Nagel
6: Nagelkopf
7: Seitenfläche
8: Schaft
9: Profilierung
10: Flansch

Claims

Fahrwerksbaugruppe für ein Kraftfahrzeug mit zumindest einem Widerlager (3) und einem Basisträger (2), dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Widerlager (3) mit dem Basisträger (2) in einem Verbindungsbereich (4) mit wenigstens einem Nagel (5) ohne Vorlochen gefügt ist.
Fahrwerksbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (5) an seinem Schaft (8) eine quer zur Längsrichtung des Schaftes (8) verlaufende sägezahnförmige Profilierung (9) aufweist.
Fahrwerksbaugruppe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich Flansche des Widerlagers (3) und des Basisträgers (2) im Verbindungsbereich (4) überlappen.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (3) und der Basisträger (2) aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisträger (2) aus einem gewichtsoptimierten Hohlprofil besteht.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisträger (2) aus einem Strangpressprofil besteht.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisträger (2) und das Widerlager (3) aus Aluminium und/oder Stahl bestehen.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Widerlager (3) aus einer höherfesten kupfer- oder zinkhaltigen Aluminiumlegierung besteht.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Basisträger (2) aus einer höherfesten kupfer- oder zinkhaltigen Aluminiumlegierung besteht.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Basisträger (2) und dem Widerlager (3) eine Klebeschicht angeordnet ist.
Fahrwerksbaugruppe nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Fahrwerksbaugruppe (1) ein Achsträger einer Vorderachse oder einer Hinterachse eines Kraftfahrzeugs ist.
Verfahren zum Herstellen einer Fahrwerksbaugruppe durch Fügen zumindest eines Widerlagers (3) mit einem Basisträger (2), wobei das jeweilige Widerlager (3) mit dem Basisträger (2) in einem Verbindungsbereich (4) mit wenigstens einem Nagel (5) ohne Vorlochen gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Nagel (5) robotergesteuert mit hoher Geschwindigkeit eingeschlagen wird.