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Die Erfindung betrifft eine Fahrwerkskomponente für ein Kraftfahrzeug, welche aus zumindest einem Träger aus Guss besteht sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.
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Eine Fahrwerkskomponente in Form eines rahmenförmigen Achsträgers zählt
DE 10 2004 012 662 B4 zum Stand der Technik. Der Achsträger ist einstückig aus einer Aluminiumlegierung in einem Kokillengießverfahren unter Verwendung zumindest eines verlorenen Kerns hergestellt und besteht im Wesentlichen aus zwei Querträgern und zwei Längsträgern, die durch im Wesentlichen geschlossene Hohlprofile mit einer Wandstärke in der Größenordnung von 3 mm bis 6 mm gebildet werden.
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Konstruktive, technologische und werkstoffliche Leichtbaulösungen zur Gewichtsreduzierung von Automobil-Fahrwerkskomponenten bzw. -teilen gewinnen zur Kraftstoff- und Emissionsreduzierung zunehmend an Bedeutung.
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Eine besondere Rolle kommt dabei Leichtmetallwerkstoffen wie Aluminium zu, um insbesondere die sogenannten ungefederten Massen im Fahrwerksbereich zu reduzieren. Dieser Trend wird noch dadurch verstärkt, dass abgasarme bzw. abgasfreie Fahrzeuge mit Hybrid- bzw. Elektroantrieb für die erforderlichen Elektrokomponenten Mehrgewichte von ca. 130 kg erfordern, die durch höhere Gewichtsreduzierungen bei anderen Komponenten kompensiert werden müssen. Um bei möglichst geringer Eigenmasse die erforderlichen hohen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften bei hochbeanspruchten Fahrwerkskomponenten wie z. B. Achsträger zu realisieren, die konstruktives Bindelelement zwischen den radführenden Bauteilen Schwenklager, Trag-, Führungs-, Dreieckslenker usw. einerseits und der Fahrzeugkarosserie andererseits sind, sowie im Falle von Vorderachsträgern zusätzlich Tragfunktionen für Motor-/Lenkung und Getriebe ausüben, werden nach dem Stande der Technik Schweißkonstruktionen aus Aluminium-Gussteilen und Strangpressprofilen eingesetzt. Die Gusskomponenten haben den Vorteil, dass sie wegen der gusstypischen Gestaltungsfreiheit die vielfältigen Verbindungsfunktionen der radführenden Fahrwerksbauteile auf engstem Raum in verschiedenen Dimensionen in so genannten Gussknoten integrieren können, während spezifisch umgeformte Strangpressprofile und Rohre die Verbindung zwischen den Gussknoten herstellen.
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Die Längsträger eines Achsträgers sind geometrisch relativ komplex, da an ihnen die radführenden Komponenten über verschiedenartige Laschen und Anbindungspunkte montiert werden sowie über Bohrungen die Verbindung zur Fahrzeugkarosserie realisiert wird. Die Längsträger werden daher in der Regel aus Aluminium-Kokillenguss hergestellt. Aus Kokillenguss deshalb, da der Kokillenguss Wandstärken über 6 mm zulässt, die erforderlich sind, um die im Fahrwerk wirkenden hohen dynamischen Kräfte aufzunehmen. Druckguss ist in der Regel nicht einsetzbar, da die obere Grenze für die Wandstärken bei ca. 6 mm liegt und entsprechende Kraftaufnahmen und -übertragungen nur durch aufwendige und gießtechnisch komplizierte Verrippungen möglich wären.
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Nachteilig an den bekannten Lösungen ist, dass die Gussteile immer nach den jeweils höchsten Anforderungen an Kraftaufnahme und Steifigkeit ausgelegt werden müssen. Demzufolge kann nur Kokillenguss oder Sandguss eingesetzt werden, wenn an einem Bauteil Wandstärken und Massekonzentrationen von über ca. 6 mm für hohe Kraftaufnahme und Steifigkeit erforderlich sind. Dies hat zur Folge, dass in anderen Bauteilbereichen, mit geringeren Festigkeits- und Steifigkeitsanforderungen aber auch kokillengußübliche Wandstärken und Masseanhäufungen mit entsprechend überflüssig hohem Gewicht ausgeführt sind, obwohl dies nicht erforderlich wäre. Über die Laufzeit eines Fahrzeuges müssen so zwangsläufig überflüssige Materialmengen und damit überflüssiges Gewicht bewegt werden, die entsprechend überflüssigen und vermeidbaren Kraftstoffverbrauch, CO2-Ausstoß usw. verursachen.
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Der Erfindung liegt ausgehend vom Stand der Technik die Aufgabe zugrunde, eine im Belastungsverhalten und in der Gewichtsbilanz effizienter ausgelegte Kraftfahrzeug-Fahrwerkskomponente zu schaffen und ein Verfahren zu deren Herstellung aufzuzeigen.
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Die Lösung des gegenständlichen Teils der Aufgabe besteht in einer Fahrwerkskomponente gemäß Anspruch 1.
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Der verfahrensmäßige Teil der Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 9 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen des grundsätzlichen Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die Fahrwerkskomponente besteht aus zumindest einem Träger aus Guss, welcher zwei Abschnitte aufweist, wobei die beiden Abschnitte durch voneinander verschiedene Gießtechniken hergestellt und miteinander gefügt sind. Demnach bestehen ein erster Abschnitt aus einem Guss erster Art, insbesondere Kokillenguss oder Sandguss und ein zweiter Abschnitt aus einem Guss zweiter Art, insbesondere Druckguss.
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Vorzugsweise besteht zumindest ein Abschnitt aus einem Leichtmetall, insbesondere einer Aluminiumlegierung.
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Die Enden der Abschnitte, die miteinander gefügt werden, sind konfigurativ so ausgestaltet, insbesondere in ihrer Form und ihrem Wandverlauf sowie ihrer Wandstärke, dass eine statisch und dynamisch hochbelastbare Verbindung zwischen den Abschnitten hergestellt werden kann. Insbesondere besitzen die Abschnitte im Fügebereich aufeinander abgestimmte, zueinander korrespondierende Enden.
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Die Fügung der Abschnitte erfolgt besonders bevorzugt mittels Elektronenstrahlschweißung.
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Die Erfindung schafft eine Lösung, die es ermöglicht, erforderliche Kraftaufnahmen, Festigkeiten und Steifigkeiten in einzelnen Abschnitten von gusstechnisch hergestellten Fahrwerkskomponenten mit minimal erforderlichem Gewichts- bzw. Masseeinsatz zu realisieren, d. h. mit funktionell minimal erforderlichen Wandstärken und minimal erforderlichem Materialeinsatz. In Bauteilabschnitten mit hohen Anforderungen an Krafteinleitung mit entsprechend hohen Wandstärken und massiver Gussausführung ist dafür Kokillenguss oder Sandguss geeignet, in Bauteilabschnitten mit geringeren Anforderungen an Kraftaufnahme und Steifigkeit, also mit entsprechend geringeren Wandstärken unter ca. 6 mm wäre Druckguß mit entsprechenden Legierungen das geeignete Gießverfahren. Eine Schlüsselanforderung für die Auswahl des Gießverfahrens und des Werkstoffes dabei ist, dass das Bauteil im Normalbetrieb unter den verschiedensten Belastungsfällen einerseits nur möglichst geringe elastische Verformungen aufweisen darf, in Missbrauchs- und Crashfällen aber andererseits eine hohe plastische Verformbarkeit ermöglichen soll, um Crashenergie durch Verformung zu absorbieren und gleichzeitig funktionelle Verbindungen zwischen einzelnen Fahrwerkskomponenten kontrolliert bis zu einem definierten Bruch zu erhalten.
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Dickwandiger Kokillenguß ist für den festigkeits- und steifigkeitsrelevanten Normalbetrieb optimal geeignet. Für die Anforderungen an hohe plastische Verformbarkeit in Missbrauchs- und Crashfällen eignen sich dünnwandige Druckgußkomponenten aus hochduktilen Aluminiumlegierungen in entsprechenden Wärmebehandlungszuständen optimal.
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Erfindungsgemäß werden die Vorzüge der jeweiligen Gießverfahren bzw. -techniken von Kokillen- und Druckguss kombiniert. Hierdurch wird eine Fahrwerkskomponenten geschaffen mit optimiertem Gewichtseinsatz und verbesserter Gewichtsbilanz in Folge der auf ihre Funktionalität ausgelegten Wandstärke des bzw. der Träger der Fahrwerkskomponente. Darüber hinaus kann gezielt den unterschiedlichen, teils widersprüchlichen Festigkeits- und Duktilitätseigenschaften bzw. Anforderungen des Trägers in einzelnen Abschnitten Rechnung getragen werden.
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Bereits bei der Entwicklung einer Fahrwerkskomponente wird diese funktionell und beanspruchungsmäßig in handlinggerechte und gießtechnologisch optimierte Abschnitte aufgeteilt. Die Abschnitte werden entsprechend den Steifigkeit- und Beanspruchungsanforderungen entweder als dickwandige massive Kokillengussteile oder als dünnwandige Druckgussteile aus Leichtmetalllegierungen mit den jeweils erforderlichen mechanischen Kennwerten ausgeführt.
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Wichtig ist dabei eine möglichst plane und mindestens von einer Seite leicht zugängliche Trenn- und Fügeebenen festzulegen, in der die Einzelteile bzw. Abschnitte unterschiedlicher Gußtechnologien zu einem Gesamteil zu kombinieren, d. h. durch ein geeignetes Verfahren dauerfest zu verbinden sind. Erfindungsgemäß kommt neben der Aufteilung der Fahrwerkskomponente in eine Kombination von kokillen- und druckgussgerechte Abschnitte als Fügeverfahren das Elektronenstrahlschweißen zur Anwendung.
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Die einzelnen Abschnitte des bzw. der Träger der Fahrwerkskomponente sind entsprechend den jeweils unterschiedlichen funktionellen Anforderungen an Festigkeiten und Steifigkeiten mit optimal ausgelegten Wandstärken konzipiert und danach entsprechend mit der geeigneten Gießtechnik hergestellt. Hierbei werden Abschnitte, die eine hohe Wandstärke von beispielsweise 3 bis 6 mm erfordern, durch Kokillenguss oder gegebenenfalls Sandguss hergestellt, wohingegen Abschnitte, die eine geringere Wandstärke bzw. Dicke von beispielsweise 1 bis 3 mm durch Druckguss hergestellt. Die einzelnen Abschnitte können völlig unabhängig voneinander in Legierung und mechanischer Bearbeitung gemäß den jeweiligen Spezifikationen und Zeichnungsdokumenten hergestellt werden. Schnittstellen sind lediglich die mechanisch zu bearbeitenden und Fügeebenen bzw. -bereiche an den Enden der Abschnitte. Dabei sind durchaus unterschiedliche aufeinandertreffende Wanddicken in den Fügebereichen möglich. Einzuhalten sind lediglich gewisse Spaltmaße und Oberflächenqualitäten, um eine dauerfeste Verbindung jeweils beider Abschnitte per Elektronenstrahlschweißen zu gewährleisten. Die dauerfest zu verbindenden Abschnitte werden in einer geeigneten Fixiervorrichtung zueinander positioniert und fixiert sowie anschließend in einer entsprechenden Anlage per Elektronenstrahlschweißen verschweißt. Das Elektronenstrahlschweißen kann z. B. in einem linearen Vorschub die gesamte Fügeebene bzw. den gesamten Fügebereich mit dem exakt steuerbaren Elektronenstrahl ohne Zusatzwerkstoff verschweißen. Dabei entsteht eine Schweißnaht, die oberflächlich eine Breite bis zu ca. 2–3 mm und einen geringen Nahteinfall bis ca. 1 mm aufweist. Da der Elektronenstrahl ähnlich einem Laserstrahl ein höchstkonzentriertes Energiebündel mit einem Durchmesser von unter 1 mm ist, wird das Material in der gesamten Tiefe des Fügebereichs auf nur minimaler Breite aufgeschmolzen und verschmolzen. Augenblicklich nach dem Durchgang des Elektronenstrahls wird das aufgeschmolzene und von beiden Enden verschmolzene Material von der umgebenen Materialmasse der Abschnitte wieder abgekühlt, so dass sich keine oder nur eine im Vergleich zum Stand der Technik bei fahrwerkstypischen Fahrwerks-Schweißverbindungen konstruktiv in der Regel zu vernachlässigende Wärmeeinflußzone ausbildet. Der sonst festzustellende übliche Festigkeitsabfall sowie unerwünschte Gefügeumwandlungen zu Grobkorn, Korngrenzenaussscheidungen, Korngrenzenanschmelzungen usw. treten nicht erkennbar oder lediglich in zu vernachlässigender Ausprägung auf. Dank des beim Elektronenstrahlschweißen durch den gebündelten Elektronenstrahl extrem auf den Fügebereich fokussierten Energieeintrages und der sofortigen Abkühlung des aufgeschmolzenen und verschmolzenen Materials treten keine Verzüge der einzelnen Gussteile zueinander auf.
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Die erfindungsgemäße Lösung hat gegenüber dem Stande der Technik den Vorteil, das komplexe Gussteile mit üblicherweise bereichsweise unterschiedlichen bis gegensätzlichen Anforderungen an Festigkeit, Duktilität, Wanddicke, Steifigkeit sowie an Kraftaufnahme und Kraftweiterleitung aus Einzelteilen bzw. Abschnitten unterschiedlicher Gießtechnologien, z. B. Kokillenguß und Druckguß, mit den jeweiligen Vorzügen unterschiedlicher Gießverfahren sowohl hinsichtlich Gewichtsreduzierung durch optimal auf Funktionalität ausgelegte Wandstärken als auch Designlösungen zu einem kompakten Kombigussteil vereint werden. Unter einem Kombigussteil ist ein Träger für eine Fahrwerkskomponente zu verstehen, der zwei Abschnitte aufweist, die durch voneinander verschiedene Gießtechniken hergestellt und miteinander gefügt sind. In dem Kombigussteil können die für die jeweiligen bereichsweisen Anforderungen optimalen und kostengünstigsten Gießverfahren, Legierungsvarianten, Wanddicken, Designlösungen usw. realisiert werden. Hierdurch werden überflüssige Wanddicken sowie Materialanhäufungen, wie sie nach dem Stande der Technik an einem monolitischem Gussteil unvermeidbar sind, vermieden und entsprechende Gewichtsreduzierungen ermöglicht. Durch die Zerlegung monolitischer Gussteile in technologie- und anforderungsspezifische Einzelteile können erhebliche Kosten bei der Fertigung gespart werden, da kleinere Teile hinsichtlich erforderlicher Gießformen, Werkzeuge zur mechanischen Bearbeitung sowie entsprechender Ausrüstungen kostengünstiger zu fertigen sind als die größeren und schwereren monolitischen Gussteile nur einer bestimmten, mit Gewichtskompromissen behafteten Gießtechnologie. Mit der erfinderischen Lösung sind signifikante Gewichtseinsparung bei gleicher Funktionalität bei Fahrwerkskomponenten als ein entscheidender Vorteil realisierbar. Hierdurch wird auch der Mehraufwand für das Elektronenstrahlschweißen aufgewogen, welches in speziellen Anlagen unter Vakuum durchgeführt wird.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigt:
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1 eine erfindungsgemäße Fahrwerkskomponente in Form eines Achsträgers in einer perspektivischen Darstellung.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Fahrwerkskomponente für ein Kraftfahrzeug in Form eines Achsträgers 1. Der Achsträger 1 ist rahmenartig aufgebaut und umfasst im Wesentlichen zwei seitliche Längsträger 2, 3, die über einen vorderen Querträger 4 und einen hinteren Querträger 5 verbunden sind.
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An den Längsträgern 2, 3 werden die radführenden Komponenten über Laschen und Anbindungspunkte 6 montiert. Über Bohrungen 7 wird die Verbindung zur Fahrzeugkarosserie realisiert.
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Die Längsträger 2, 3 sind aus zwei Abschnitten 8 und 9 gebildet und zumindest auf dem überwiegenden Teil ihrer Länge als Hohlprofil ausgeführt. Die beiden Abschnitte 8 und 9 sind durch verschiedene Gusstechniken hergestellt und miteinander gefügt. Der erste Abschnitt 8 besteht aus einem Guss erster Art, nämlich aus Kokillenguss. Der zweite Abschnitt 9 besteht aus einem Guss zweiter Art, nämlich aus Druckguss. Insbesondere bestehen beide Abschnitte 8, 9 aus einem Leichtmetallguss, vorzugsweise aus einer Aluminiumlegierung. Die beiden Abschnitte 8, 9 können auch aus verschiedenen Gusswerkstoffen bestehen. Der erste Abschnitt 8 aus Kokillenguss ist dickwandig und weist eine Wandstärke von 3 bis 6 mm auf. Der zweite Abschnitt 9 ist dünnwandig und weist eine mittlere Wandstärke von 1 bis 2 mm auf.
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Die beiden Abschnitte 8, 9 sind durch Elektronenstrahlschweißen gefügt. Hierzu besitzen die Abschnitte 8, 9 im Fügebereich 10 aufeinander abgestimmte korrespondierende Enden 11, 12.
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Die Enden 11, 12 der Abschnitte 8, 9 können die gleiche aber auch voneinander verschiedene Wandstärken aufweisen.
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Die einzelnen Abschnitte 8, 9 bzw. die daraus gebildeten Längsträger 2, 3 weisen eine auf die im Fahrwerk zu erwartenden statischen und dynamischen Belastungen entsprechend ausgelegte Wandgestaltung und Wandstärke auf. Insbesondere können die Längsträger 2, 3 ebenso wie die Abschnitte 8, 9 in axialer und/oder in radialer Richtung, also im Verlauf ihres Querschnittsumfangs, Bereiche mit voneinander verschiedenen Wandstärken besitzen.
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Die Abschnitte 8, 9 werden unabhängig voneinander hergestellt. Der Abschnitt 8 wird aus Kokillenguss gefertigt, wohingegen der Abschnitt 9 aus Druckguss besteht. Nach der gießtechnischen Herstellung der Abschnitte 8, 9 erfolgt eine mechanische Bearbeitung der Enden 11, 12 zur Vorbereitung der dauerfesten Verbindung der Abschnitte 8, 9 untereinander.
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Die Abschnitte 8, 9 werden in einer Fixiervorrichtung in ihre Fügeposition gebracht und miteinander durch Elektronstrahlschweißen gefügt. Hierbei entsteht eine Schweißnaht 13 von geringer Breite, durch welche die beiden Abschnitte 8, 9 aus Leichtmetallguss dauerfest verbunden werden.
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Die Querträger 4, 5 können ebenfalls gusstechnisch hergestellt sein. Vorzugsweise sind die Querträger 4, 5 hohle bzw. zumindest abschnittsweise hohle Strangpressprofile. Die Verbindung der Querträger 4, 5 mit den Längsträgern 2, 3 erfolgt über Seitenaufnahmen 14, 15. Die Seitenaufnahmen 14, 15 sind jeweils einstückiger Bestandteil des ersten Abschnitts 8 bzw. des zweiten Abschnitts 9.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Achsträger
- 2
- Längsträger
- 3
- Längsträger
- 4
- Querträger
- 5
- Querträger
- 6
- Anbindungspunkt
- 7
- Bohrung
- 8
- Abschnitt
- 9
- Abschnitt
- 10
- Fügebereich
- 11
- Ende v. 8
- 12
- Ende v. 9
- 13
- Schweißnaht
- 14
- Seitenaufnahme
- 15
- Seitenaufnahme
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102004012662 B4 [0002]