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Technisches Gebiet (Technical Field)
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers mit einem zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt aufweisend mindestens eine erste Blechschale und eine zweite Blechschale, welche in Längserstreckung zumindest abschnittweise miteinander verbundenen sind, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- - Bereitstellen mindestens eines ersten und eines zweiten Blechzuschnitts,
- - Herstellen mindestens einer ersten und einer zweiten Blechschale jeweils aus dem ersten und dem zweiten Blechzuschnitt, wobei die erste und die zweite Blechschale jeweils mindestens einen Boden mit zwei mit Abstand zueinander einstückig mit dem Boden verbundene, abstehende Zargen aufweisen,
- - Positionieren der mindestens ersten und zweiten Blechschale derart, dass die Zargen der Blechschalen zumindest abschnittsweise in überlappenden Kontakt gelangen und unter Ausbildung eines zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitts zu einem Träger in Längserstreckung zumindest abschnittsweise miteinander verbunden werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leiter- oder Kastenrahmens für ein Fahrzeug mit mindestens vier Trägern, wobei der Leiter- oder Kastenrahmen mindestens einen Träger mit einem zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt mit mindestens einer ersten und einer zweiten in Längserstreckung zumindest abschnittweise miteinander verbundenen Blechschale umfasst, wobei die mindestens erste und zweite Blechschale jeweils mindestens einen Boden mit zwei mit Abstand zueinander einstückig mit dem Boden verbundene, abstehende Zargen aufweisen.
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Technischer Hintergrund (Background Art)
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Längs- und/oder Querträger von Leiter- oder Kastenrahmen, welche vorzugsweise bei sogenannten Pick-Up's und/oder SUV's zum Einsatz kommen, werden aus im Wesentlichen U-förmigen Profilen zusammengesetzt, welche jeweils mindestens einen Boden mit zwei mit Abstand zueinander einstückig mit dem Boden verbundene, abstehende und im Wesentlichen parallel zueinander verlaufende Zargen aufweisen. An den Zargen können sich optional einstückig mit den Zargen verbundene, abstehende Flansche anschließen. Zwei U-förmige Profile werden derart ineinander geschoben, dass sich die Zargen der Profile abschnittsweise überlappen, wobei der Überlappstoß vorzugsweise in Längserstreckung der Profile verschweißt und ein geschlossenes Profil, welches als Längs- und/oder Querträger mit einem geschlossenen Querschnitt zur Herstellung eines Leiter- oder Kastenrahmens eingesetzt werden kann, bereitgestellt wird. Die Profile respektive ihre Zargen müssen zumindest im Bereich der Überlappung parallel zueinander ausgerichtet sein, so dass die U-Form zumindest im Bereich der Überlappung einen Öffnungswinkel von im Wesentlichen 0° aufweist. Unter Leiterrahmen ist ein Fahrzeugrahmen im Fahrzeugbau, welcher insbesondere die Achsen, den Motor, das Getriebe und den Fahrzeugaufbau aufnimmt, meist umfassend zwei Längsholme, zwischen denen mehrere Querstreben angeordnet sind und die Form einer Leiter aufweist, zu verstehen. Unter Kastenrahmen ist ein Fahrzeugrahmen im Fahrzeugbau, welcher insbesondere die Achsen, den Motor, das Getriebe und den Fahrzeugaufbau aufnimmt, meist umfassend zwei Längsholme, zwischen denen mindestens zwei Querstreben angeordnet sind, zu verstehen.
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Die U-förmigen Profile werden konventionell über das sogenannten Tiefziehen oder über ein Prägen mit Hochstellen bzw. Abkanten hergestellt, wobei aus einer vorzugsweise ebenen Platine, welche im Tiefziehwerkzeug zwischen einem Niederhalter bzw. Blechhalter und Ziehring bzw. Gesenkauflagefläche geklemmt und dann über einen Stempel in eine Matrize gezogen wird, ein offenes, U-förmiges Profil respektive Bauteil tiefgezogen wird. Nachteilig sind beim konventionellen Tiefziehen insbesondere die Neigung des Bauteils zur Rückfederung infolge eines über die Blechdicke inhomogenen Spannungszustands nach dem Ziehen und die Empfindlichkeit gegenüber Chargenschwankungen, so dass die Einstellung eines Öffnungswinkels von im Wesentlichen 0° nicht ohne zusätzliche und aufwendige Maßnahmen darstellbar ist. So kann beispielsweise bei der Auslegung des Tiefziehwerkzeugs der zu erwartenden Rückfederung in der Art Rechnung getragen werden, als dass über klassische Kompensationsmaßnahmen, wie zum Beispiel ein Überbiegen des Übergangsradius, welches dem Übergang zwischen Boden und Zarge entspricht, und/oder durch den Einsatz von balligen Werkzeugwirkflächen, die erwartete Rückfederung in entgegengesetzter Richtung in das Werkzeug eingearbeitet wird, um so nach Entlastung des inhomogenen Spannungszustandes ein möglichst maßgenaues Bauteil zu erhalten. Da diese Maßnahmen insbesondere bei hoch festen Werkstoffen und insbesondere in Kombination mit geringen Blechdicken nicht genügen, sind oftmals dem Tiefziehen nachgelagerte Richtprozesse zur Erreichung der geforderten Maßhaltigkeit in weiteren Folgeoperationen erforderlich. Des Weiteren wirken sich auch Chargenschwankungen negativ auf die Toleranzvorgaben aus, wobei nach einem Wechsel der Materialcharge, beispielsweise wenn ein Stahlmaterial eingesetzt und das Coil gewechselt wird, die Maßhaltigkeit der Bauteile nicht mehr eingehalten werden kann. Das hat zur Folge, dass aufwändige Maßnahmen zur Justage der Richtprozesse getroffen werden müssen und/oder der Tiefziehprozess, hier insbesondere die Niederhalterkraft, individuell auf die neue Charge abgestimmt werden muss. Verbleiben maßliche Abweichungen, müssen über aufwendige Spannkonzepte, mittels derer zwei U-förmige zu einem geschlossenen Profil zu fügende Bauteile (Halbschalen) vor dem Fügeprozess zueinander ausgerichtet werden, ausgeglichen werden. Auch eine fehlende Konstanz der tribologischen Verhältnisse im Werkzeug führt zu unerwünschten Abweichungen von der Sollgeometrie des fertigen Bauteils. Neben den oben beschriebenen Vor- und Nachteilen des konventionellen Tiefziehverfahrens müssen bei derart hergestellten Bauteilen im Anschluss an die Umformung üblicherweise noch die so genannten Ziehränder abgeschnitten werden. Dieser Beschnitt stellt meistens eine oder mehrere separate Operationen dar, die eine eigene Werkzeugtechnik und ein eigenes Logistiksystem benötigen. Außerdem ist dadurch die Materialausnutzung häufig ungünstig, sodass weitere Kosten entstehen.
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Für das konventionelle Tiefziehen wird bei U-förmigen Profilen üblicherweise ein Öffnungswinkel der Zargen von ca. 6° und bei hochfesten Stahlwerkstoffen, welche zu einer größeren Rückfederung neigen, werden ca. 8° toleriert. Der Öffnungswinkel schafft den notwendigen Freiraum, um die Rückfederung im Werkzeug hinterschnittfrei kompensieren zu können.
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Sollen die Zargen an U-förmigen Profilen im Wesentlichen parallel zueinander verlaufen, können dann aufgrund der Hinterschnittigkeit derartige Kompensationsmöglichkeiten im Werkzeug, wie sie weiter oben beschrieben sind, nicht oder nur mit aufwendigen Werkzeugfunktionen realisiert werden. Im Allgemeinen muss jedoch im Anschluss nach dem Tiefziehen durch aufwendige Richtoperationen die Maßhaltigkeit eingestellt werden. Eine weitere Möglichkeit, die Rückfederung respektive den Zargenaufsprung zu kompensieren, bieten sogenannte Versteifungsfelder, welche gezielt in den Zargen und/oder Übergangsradien eingeprägt werden. Profile respektive Bauteile mit Versteifungsfeldern haben jedoch den Nachteil, dass die Versteifungsfelder bei einer Axialbelastung wie Initialsicken für eine Faltenbildung der Bauteile respektive Profile wirken, wodurch die Crashperformance der Träger negativ beeinflusst wird.
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Für die Herstellung von Längs- und/oder Querträgern, welche wiederrum zur Herstellung von Plattformen für Fahrzeuge bereitgestellt und verwendet werden, besteht Bedarf an einer einfachen und wenig aufwendigen Fertigung von im Wesentlichen U-förmigen Profilen respektive Bauteilen mit genau ausgerichteten, im Wesentlichen rückfederungsfreien Zargen, um anschließend zwei Profile respektive Bauteile möglichst ohne nachfolgende Richtoperationen im Überlappstoß zu einem Träger mit einem zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt in Längserstreckung verschweißen zu können, wobei die vorgenannten, konventionellen Kompensationsmaßnahmen nicht zur Anwendung kommen.
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Zusammenfassung der Erfindung (Summary of Invention)
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Trägers und ein Verfahren zur Herstellung eines Leiter- oder Kastenrahmens für ein Fahrzeug mit mindestens einem entsprechend hergestellten Träger bereitzustellen, mit welchem im Wesentlichen auf Richtoperationen verzichtet werden kann und ein relativ einfacher Prozess umsetzbar ist.
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Gelöst wird diese Aufgabe gemäß einer ersten Lehre durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zunächst mindestens aus dem ersten und/oder zweiten Blechzuschnitt eine Vorform aufweisend einen Boden mit zwei sich an den Boden anschließende Zargen erstellt wird, wobei insbesondere in der Vorform zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial vorgesehen ist, und anschließend die Vorform zumindest bereichsweise einer Druckumformung zur Herstellung der Blechschale derart unterzogen wird, dass die Zargen zumindest abschnittsweise einen Öffnungswinkel kleiner 6°, insbesondere kleiner 3°, vorzugsweise kleiner 2° aufweisen.
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Es wurde festgestellt, dass zur Herstellung der Blechschale(n) durch mindestens einen zweistufigen Prozess im Vergleich zum konventionellen Tiefziehen zur Herstellung einer Blechschale mit relativ einfachen Mitteln zunächst in einem ersten Prozess aus einem ersten und/ oder zweiten Blechzuschnitt eine Vorform aufweisend einen Boden mit zwei sich an den Boden anschließende Zargen erstellt wird. Der bzw. die Blechzuschnitte können entsprechend der Vorgaben aus einem bandförmigen Material respektive aus einem Coil herausgeschnitten werden. Vorzugsweise wird mindestens als erster und/oder als zweiter Blechzuschnitt ein Stahlwerkstoff mit einer Zugfestigkeit (Rm) größer 350 MPa, insbesondere größer 400 MPa, vorzugsweise größer 500 MPa, bevorzugt größer 600 MPa und mit einer Dicke von mindestens 0,8 mm, insbesondere von mindestens 1,1 mm, vorzugsweise von mindestens 1,5 mm, besonders bevorzugt von mindestens 1,9 mm, weiter bevorzugt von mindestens 2,2 mm verwendet. Die Ermittlung der Zugfestigkeit ist für den Fachmann geläufig. Alternativ sind auch Aluminiumwerkstoffe mit entsprechenden mechanischen Kennwerten und Materialdicken verwendbar.
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Die Erstellung der Vorform kann mittels beliebigen bzw. kombinierbaren Formgebungsverfahren im ersten Prozess in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Neben einem beispielsweise tiefziehartigen Formgebungsschritt kann die Erstellung der Vorform auch eine mehrstufige Formgebung umfassend beispielsweise ein Prägen des zu erstellenden Bodens und Hochstellen bzw. Abstellen der zu erstellenden Zargen umfassen (Prägen und Hochstellen bzw. Prägen und Abkanten). Denkbar sind auch beliebige Kombinationen aus Abkanten und/oder Biegen und/oder (Ver-) Prägen in einer oder in mehreren folgenden Operationen. Das durchgeführte Tiefziehen kann beispielsweise einstufig oder mehrstufig ausgeführt. Wird beim Tiefziehen der äußere Blechhalter bzw. Niederhalter weggelassen bzw. wirkt dieser nicht auf den Formgebungsprozess ein, wird vom sogenannten Crash-Forming gesprochen. Vorzugsweise erfahren die Zargen bei der Erzeugung der Vorform im Wesentlichen keine wechselnden Biegebeanspruchungen, wie dies zum Beispiel durch das Einlaufen des Materials über einen Ziehradius beim konventionellen Tiefziehen der Fall wäre, so dass die Zargen ohne große Formabweichungen dargestellt werden können und insbesondere dadurch auch ein Fließen von Material zwischen den Zargen und dem Boden über die Übergangsbereiche im Wesentlichen vermieden werden kann.
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Die erstellte Vorform kann insbesondere als ein möglichst endformnahes Formteil ohne Flansch angesehen werden, welches der beabsichtigten Fertigteilgeometrie unter Berücksichtigung gegebener Randbedingungen, wie Rückfederung und Umformvermögen des verwendeten Werkstoffes, möglichst gut entspricht. Im Ergebnis ist zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial in der Vorform vorgesehen. Insbesondere liegt in der Vorform im Vergleich zur Blechschale eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung an überschüssigem Blechmaterial oder überschüssiges Blechmaterial liegt gezielt zumindest bereichsweise im Boden und/oder in den Zargen und/oder im Bereich zwischen Zargen und Boden (Übergangsbereich) vor. Insbesondere kann das gezielte Vorsehen von überschüssigem Blechmaterial in der Regel durch Simulationen und/oder „Trial-and-Error“-Versuche ermittelt werden. Unter überschüssiges Blechmaterial ist eine zumindest bereichsweise Materialzugabe in Form einer auf die Abwicklung der Sollgeometrie bezogene Längenzugabe, insbesondere bei konstanter Materialdicke zu verstehen und nicht eine Bereitstellung von Material in Form von Aufdickungen.
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Die Vorform wird anschließend zumindest bereichsweise einer Druckumformung zur Herstellung der Blechschale unterzogen, derart, dass die Zargen an der Blechschale zumindest abschnittsweise einen Öffnungswinkel kleiner 6°, insbesondere kleiner 3°, vorzugsweise kleiner 2°, bevorzugt kleiner 1°, besonders bevorzugt idealerweise 0° aufweisen. In der Vorform herrscht zumindest bereichsweise im Querschnitt ein inhomogener Spannungszustand, welcher unter anderem neben den oben genannten Kriterien zu einer ungewünschten, chargenabhängigen Rückfederung führt, insbesondere verstärkt bei der Verwendung von hoch festen Stahlwerkstoffen und insbesondere in Kombination mit geringen Materialdicken, vor, welcher sich durch eine Formabweichung, insbesondere durch einen gegebenenfalls gekrümmten Aufsprung oder auch Einfall der Zargen und/oder durch eine globale Verwindung des Bauteils bemerkbar macht. Insbesondere werden in Kombination mit dem überschüssigen Blechmaterial mittels Druckspannungsüberlagerung der inhomogene Spannungszustand und insbesondere die Formabweichung der Zargen in der Vorform durch die Druckumformung in einem zweiten Prozess neu ausgerichtet und dadurch in die Sollgeometrie überführt. Eine Druckumformung respektive Druckspannungsüberlagerung erfolgt insbesondere in Richtung der Blechebene im Zuge eines Stauchens und/oder Kalibrierens, wobei die Vorform in ein Stauch- und/oder Kalibrierwerkzeug eingesetzt wird, welches die Sollgeometrie der Blechschale aufweist respektive entsprechen die Wirkflächen des Werkzeugs der Sollgeometrie der Blechschale, so dass insbesondere auch Schwankungen, die sich aus Chargenwechsel und/oder Abnutzung der Werkzeuge zur Erstellung der Vorform und/oder den tribologischen Eigenschaften von Werkzeugen und Material ergeben, ausgeglichen werden können. Insbesondere sind Anpassungen an den Werkzeugwirkflächen zur Kompensation der Rückfederung nicht mehr erforderlich. Die Zargen der Blechschale weisen zumindest abschnittsweise einen Öffnungswinkel kleiner 6° auf, wobei insbesondere die Zargen der Blechschale in mehreren Abschnitten in Längserstreckung, vorzugsweise vollständig in Längserstreckung einen Öffnungswinkel kleiner 6°, insbesondere kleiner 3°, vorzugsweise kleiner 2°, bevorzugt kleiner 1°, besonders bevorzugt idealerweise 0° aufweisen.
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Unter dem Stauchen/Kalibrieren kann insbesondere ein Fertigformen oder Endformen der Blechschale mit Sollgeometrie verstanden werden, welches beispielsweise durch einen oder mehrere Pressvorgänge erreicht werden kann. Die daraus im Wesentlichen fertiggeformte Blechschale kann insofern als endgeformte Blechschale verstanden werden. Allerdings ist es möglich, dass die im Wesentlichen fertiggeformte Blechschale noch weiteren, die Blechschale modifizierenden Verarbeitungsschritte unterzogen werden kann, wie etwa einem Einbringen von Anbindungslöchern, dem Abstellen von Stirnflanschen, dem Einbringen von Kragen und/oder einem bereichsweisen Randbeschnitt. Allerdings wird angestrebt, die Blechschale derart zu gestalten, dass im Wesentlichen keine weiteren Umformungsschritte mehr notwendig sind.
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Mit der Herstellung derartiger Blechschalen ist es möglich, ohne aufwendige Richtoperationen Profile respektive Träger mit einem zumindest abschnittsweise geschlossen Querschnitt aus mindestens zwei Blechschalen herzustellen, welche in Längserstreckung zumindest abschnittsweise miteinander verbunden sind. Insbesondere können hoch feste Stahlwerkstoffe mit einer Zugfestigkeit von mindestens 350 MPa, insbesondere von mindestens 400 MPa, vorzugsweise von mindestens 500 MPa, bevorzugt von mindestens 600 MPa, besonders bevorzugt von mindestens 700 MPa zur Herstellung von Blechschalen für Profile respektive Träger mit zumindest abschnittsweise geschlossenem Querschnitt verwendet werden, welche bisher aufgrund der unbeherrschbaren Rückfederungseffekte noch nicht eingesetzt werden konnten. So kann mit zunehmender Zugfestigkeit die Materialdicke bei gleicher Performance reduziert werden, so dass bei Auslegung eines Bauteils mit gleicher Performance und reduzierter Materialdicke auch das Gewicht des Bauteils reduziert werden kann. Vorzugsweise erfolgt die zumindest abschnittsweise Verbindung über eine stoffschlüssige, insbesondere Schweiß-Verbindung, besonders bevorzugt über eine MAG-Schweißverbindung. Weiter bevorzugt sind die Blechschalen in Längserstreckung durchgehend miteinander verbunden und definieren ein insbesondere vollständig in Längserstreckung geschlossenen Querschnitt.
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Insbesondere weitere Vorteile einer Blechschale mit Zargen, die zumindest abschnittsweise einen Öffnungswinkel kleiner 6°, insbesondere kleiner 3°, vorzugsweise kleiner 2°, bevorzugt kleiner 1°, besonders bevorzugt idealerweise 0° aufweisen, sind:
- - Optimale Ausnutzung des Bauraums,
- - Erleichterte Anbindung von Anbauteilen und/oder Innenverstärkungsteilen,
- - Erhöhte Steifigkeit,
- - Optimale Lastpfade beim Crash,
- - Einfaches Fügen mit Toleranzausgleich im Überlappstoß,
- - Kleinstmöglicher Materialeinsatz durch wegfallenden Randbeschnitt,
- - Optimale Abstützung des Materials in den Zargen im Prozess des Druckumformens.
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Alternativ oder zusätzlich kann überschüssiges Blechmaterial gezielt zumindest bereichsweise in der Vorform vorliegen, welches bei der zumindest bereichsweisen Druckumformung zu einem zumindest abschnittsweise Aufdicken der Kante der Zarge der Blechschale in Längserstreckung führt. Zum einen können durch das zumindest abschnittweise Aufdicken der Kante der Zarge respektive der Kanten der Zargen der Blechschale respektive der Blechschalen im Zuge des Stanzens des Blechzuschnitts insbesondere aus einem Coil entstandenen Mikrorisse an den Kanten eingeformt werden und zum anderen durch das Aufdicken der Kante sich im Überlappbereich ein Spalt einstellen, welcher vorteilhaft insbesondere ein Entgasen (Entgasungsspalt) und ein im Wesentlichen fehlerfreies Schweißen ermöglicht. Die Geometrie des Aufdickens der Kante kann beliebig aussehen, beispielsweise pilz- oder keilförmig.
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Insbesondere weist die erste und/oder zweite Blechschale unterschiedliche Höhen der Zargen auf. Je nach Ausführung muss die Blechschale nicht symmetrisch respektive spiegelbildlich entlang einer Symmetrieachse ausgebildet sein, wobei insbesondere die Zargen nicht im Wesentlichen senkrecht (im Winkel von ca. 90°) zum Boden ausgerichtet sein müssen. Vielmehr können asymmetrisch ausgebildete Blechschalen mit einem Boden und Zargen mit unterschiedlichen Höhen, wobei alternativ oder zusätzlich die Zargen im spitzen oder stumpfen Winkel zum Boden ausgerichtet sein können, zur Herstellung der Träger vorgesehen werden. In Längserstreckung kann die Breite des Bodens wie auch die Höhe der Zarge(n) der mindestens ersten und/oder zweiten Blechschale individuell variieren. Dadurch lässt sich insbesondere ein Träger herstellen, der einen in Längserstreckung variierenden, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig geschlossenen Querschnitt aufweisen kann.
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Insbesondere weist der Träger mindestens zwei über die jeweiligen Zargen ineinandergeschobene oder aneinandergrenzende Blechschalen auf, wobei die Zargen zumindest abschnittsweise für den Fügeprozess im Überlappungsbereich parallel zueinander verlaufen. Diese Ausführung erleichtert die Verbindung zwischen den Blechschalen, insbesondere wenn die Zargen im Überlappungsbereich plan in Kontakt stehen. Der vom Überlappungsbereich in Richtung des Bodens verlaufende restliche Bereich der Zargen kann individuell ausgebildet sein, beispielsweise schräge Zargen aufweisen, die im stumpfen und/oder spitzen Winkel vom Boden abstehen, wodurch insbesondere ein an die Belastungs- und Bauraumsituation angepasster Träger mit insbesondere in Längserstreckung entsprechender, insbesondere variabler Querschnittsgeometrie bereitgestellt werden kann.
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Gemäß einer Ausgestaltung können die Öffnungswinkel der Zargen der ersten Blechschale und der zweiten Blechschale gezielt zumindest abschnittsweise unterschiedlich ausgeführt bzw. eingestellt werden, wobei die erste Blechschale mit ihren Zargen in die zweite Blechschale mit ihren Zargen ineinandergeschobenen wird und zur Herstellung eines Trägers die Zargen in ihrem Überlappungsbereich miteinander verbunden werden. Um ein Anliegen der Zargen im Überlappungsbereich sicherzustellen bzw. den Spannaufwand zu verringern bzw. ganz zu vermeiden, ist beispielsweise der Öffnungswinkel der Zargen der ersten Blechschale, welche in die Zargen der zweiten Blechschale eingreift, größer als der Öffnungswinkel der Zargen der zweiten Blechschale. Zum Ineinanderschieben bzw. Einfädeln werden die Zargen der ersten Schale zusammengedrückt. Ist die Position zum Fügen erreicht, werden die Zargen der ersten Blechschale wieder entlastet, wodurch sie im Überlappungsbereich in Anlage mit den Zargen der zweiten Blechschale gelangen und eine insbesondere geschlossene Anlagefläche bilden.
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Gemäß einer zweiten Lehre betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leiter- oder Kastenrahmens für ein Fahrzeug mit mindestens vier Trägern, wobei der Leiter- oder Kastenrahmen mindestens einen Träger mit einem zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt mit mindestens einer ersten und einer zweiten in Längserstreckung zumindest abschnittweise miteinander verbundenen Blechschale umfasst, wobei die mindestens erste und zweite Blechschale jeweils mindestens einen Boden mit zwei mit Abstand zueinander einstückig mit dem Boden verbundene, abstehende Zargen aufweisen, wobei mindestens einer der Träger nach der ersten Lehre hergestellt ist.
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Ein Leiter- oder Kastenrahmen für ein Fahrzeug insbesondere zur Aufnahme von mindestens einer Fahrzeugkomponente, wie zum Beispiel Chassiskomponenten und/oder Karosseriekomponenten eines Fahrzeugs, umfasst mindestens vier Träger, die sich in mindestens zwei Längsträger, die sich mit Abstand zueinander über ihre gesamte Ausdehnung erstrecken und zusammen über mindestens zwei stoff-, kraft- und/oder formschlüssig angebundene Querträger verbunden sind, unterteilen. Mindestens einer der Träger, sei es der oder die Längsträger und/oder der oder die Querträger, ist nach der ersten Lehre hergestellt. Insbesondere wenn der Träger (Längs- und/oder Querträger), vorzugsweise wenn zwei der Träger, insbesondere die Längsträger oder die Querträger, einen zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig geschlossenen Querschnitt aufweisen, können die zwei anderen Träger einen anderen Querschnitt aufweisen und insbesondere nicht gemäß der ersten Lehre hergestellt sein. Der Leiter- oder Kastenrahmen kann genau zwei Längsträger und genau zwei Querträger oder mehr als zwei Querträger umfassen. Längsträger erstrecken sich im Wesentlichen in Fahrzeuglängsrichtung und Querträger im Wesentlichen quer zur Fahrzeuglängsrichtung. Der Leiter- oder Kastenrahmen kann beispielsweise auch in Form eines Leiterrahmens für SUV, Pick-Up, Nutzfahrzeuge, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeuge, Busse, Omnibusse, ob mit Verbrennungsmotor und/oder elektrischem Antrieb, Anhänger respektive Trailer ausgeführt sein. Vorzugsweise sind die Querträger stoffschlüssig, insbesondere mittels Schweißen, vorzugsweise mittels MIG-, MAG-, Laserschweißen oder Löten an die Längsträger angebunden. Beispielsweise ist auch ein Reibrührschweißen oder ein Widerstandspunktschweißen denkbar. Alternativ ist auch eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung, insbesondere eine Niet- oder Schraubverbindung denkbar.
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Gemäß einer dritten Lehre betrifft die Erfindung ein Fahrzeug, insbesondere SUV, Pick-Up, Nutzfahrzeuge, Lastkraftwagen, Sonderfahrzeuge, Busse, Omnibusse, ob mit Verbrennungsmotor und/oder elektrischem Antrieb, Anhänger respektive Trailer umfassend einen Leiter- oder Kastenrahmen hergestellt nach der zweiten Lehre.
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Figurenliste
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Einzelnen zeigen:
- 1 einen Querschnitt durch einen Blechzuschnitt,
- 2 einen Querschnitt durch eine Vorform und eine Blechschale,
- 3 einen Querschnitt durch ein Stauch- und/oder Kalibrierwerkzeug mit eingelegter Vorform,
- 4 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Blechschale,
- 5 bis 10 jeweils einen Querschnitt durch unterschiedliche Ausführungsbeispiele von Trägern und
- 11 ein Ausführungsbeispiel eines Leiter- oder Kastenrahmens in schematischer, perspektivischer Ansicht.
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen (Best Mode for Carrying out the Invention)
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In 1 ist beispielsweise ein Blechzuschnitt (1, 2) im Querschnitt dargestellt, welcher von einem nicht dargestellten Coil abgewickelt, abgelängt und dem weiteren Verfahren zur Verfügung gestellt wird. Bevorzugt besteht der Blechzuschnitt (1, 2) aus einem Stahlwerkstoff, vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff mit einer Zugfestigkeit von mindestens 350 MPa. Alternativ können auch Aluminiumwerkstoffe oder andere Metalle verwendet werden. Der Blechzuschnitt kann auch als Tailored Product ausgebildet sein.
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Mindestens ein erster und ein zweiter Blechzuschnitt (1, 2) werden bereitgestellt, aus welchen jeweils mindestens eine erste und eine zweiten Blechschale (5, 6) hergestellt werden, wobei die erste und die zweite Blechschale (5, 6) jeweils mindestens einen Boden (5', 6') mit zwei mit Abstand zueinander einstückig mit dem Boden (5', 6') verbundene, abstehende Zargen (5", 6") aufweisen. Mindestens eine Zarge von mindestens einer Blechschale kann auch einen in Längserstreckung zumindest abschnittsweise einstückig von der Zarge abgehenden Flansch aufweisen (hier nicht dargestellt).
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Im Vergleich zum Stand der Technik wird erfindungsgemäß die mindestens erste und/oder zweite Blechschale (5, 6) in einem mindestens zweistufigen Prozess hergestellt, wobei mindestens aus dem ersten und/oder zweiten Blechzuschnitt (1, 2) eine Vorform (3, 4) aufweisend einen Boden (3', 4') mit zwei sich an den Boden (3', 4') abstehende Zargen (3", 4") erstellt wird. Die Erstellung der Vorform (3, 4) kann im ersten Prozess in einem oder mehreren Schritten erfolgen. Vorzugsweise erfolgt die Erstellung der Vorform durch eine mehrstufige Formgebung umfassend beispielsweise ein Prägen des zu erstellenden Bodens (3', 4') kombiniert mit einem Hochstellen bzw. Abstellen der zu erstellenden Zargen (3", 4") oder besonders bevorzugt durch das sogenannten Crash-Forming.
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Insbesondere ist in der Vorform (3, 4) zumindest bereichsweise überschüssiges Blechmaterial (7, 8), insbesondere durch eine zumindest abschnittsweise Längenzugabe im Vergleich zur Abwicklung der Sollgeometrie der Blechschale (5, 6) vorgesehen.
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Anschließend wird die Vorform (3, 4) zumindest bereichsweise einer Druckumformung zur Herstellung der Blechschale (5, 6) derart unterzogen, dass die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise einen Öffnungswinkel kleiner 6°, insbesondere kleiner 3°, vorzugsweise kleiner 2° aufweisen, s. 4). Eine Druckumformung respektive Druckspannungsüberlagerung erfolgt insbesondere in Richtung der Blechebene im Zuge eines Stauchens und/oder Kalibrierens, wobei die Vorform (3, 4) in ein Stauch- und/oder Kalibrierwerkzeug (20) eingesetzt wird und die Wirkflächen (21.1, 22.1) des Stempels (21) und der Matrize (22) der Sollgeometrie der Blechschale (5, 6) entsprechen, s. 3).
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2) zeigt im Querschnitt den Unterschied zwischen einer Vorform (3, 4) und einer Blechschale (5, 6) als Fertigform, insbesondere wie an der Vorform (3, 4) die Zargen (3", 4") aufgrund des inhomogenen Spannungszustands von der Sollgeometrie, welche im Zuge der Druckumformung genau gefertigt werden, abweichen.
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Die mindestens erste und zweite Blechschale (5, 6) werden derart positioniert, dass die Zargen (5", 6") der Blechschalen (5, 6) zumindest abschnittsweise in überlappenden Kontakt gelangen, zum Beispiel im Überlappungsbereich (12), und unter Ausbildung eines zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitts zu einem Träger (10) in Längserstreckung (L) zumindest abschnittsweise miteinander verbunden werden. Vorzugsweise werden die Blechschale (5, 6) durchgehend in Längserstreckung (L) miteinander, insbesondere stoffschlüssig verbunden, so dass vorzugsweise ein Träger (10) mit einem vollständig geschlossenen Querschnitt entsteht. Die vorzugsweise stoffschlüssige Verbindung ist in diesen Beispielen als Schweiß-Kehlnaht (11) ausgeführt. Andere Verbindungsformen sind ebenfalls denkbar und nicht dargestellt.
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Insbesondere durchlaufen nur die mindestens erste oder die zweite oder vorzugsweise beide Blechschalen (5, 6) den mindestens zweistufigen Prozess zur Herstellung der Blechschalen (5, 6). Es können auch mehr als zwei Blechschalen zur Herstellung eines Trägers mit einem (in Längserstreckung) zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt verwendet werden. Weitere Teile, wie zum Beispiel Innenverstärkungen und/oder andere Anbauteile, können an den Träger (10) angebunden bzw. mit dem Träger (10) verbunden werden (nicht dargestellt).
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In den 5) bis 10) sind unterschiedliche Ausführungen des Trägers (10) in jeweils einer Schnittdarstellung gezeigt. Die erste und zweite Blechschale (5, 6) weisen unterschiedliche Geometrien auf.
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In 5) sind beide Blechschalen (5, 6) spiegelbildlich entlang der Symmetrieachse (S) ausgebildet. Die Zargen (5") der ersten Blechschale (5) greifen in die Zargen (6") der zweiten Blechschale (6) ein, wobei die Zargen (5", 6") zumindest bereichsweise überlappend in Kontakt gelangen. Der Träger (10, 10.1, 10.2) weist zwei über die jeweiligen Zargen (5", 6") ineinandergeschobene Blechschalen (5, 6) auf, die im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig, vorzugsweise in Längserstreckung (L) durchgehend über eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind, wobei die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig im Überlappungsbereich (12) parallel zueinander verlaufen.
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In 6) entsprechen die Blechschalen (5, 6) der Ausführung in 5) mit dem Unterschied, dass der Träger (10, 10.1, 10.2) zwei über die jeweiligen Zargen (5", 6") aneinandergrenzende Blechschalen (5, 6) aufweist, die im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig, vorzugsweise in Längserstreckung (L) durchgehend über eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind, wobei die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig im Überlappungsbereich (12) parallel zueinander verlaufen.
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In 7) weist die erste Blechschale (5) unterschiedliche Höhen (H5) der Zargen (5") auf, wobei die Zargen (6") der zweiten Blechschale (6) gleich hoch ausgebildet sind. Somit ergibt sich ein auf einer Seite, in dieser Darstellung der rechten Seite des Trägers (10, 10.1, 10.2) ein größerer Überlappungsbereich (12) als auf der linken Seite. Der Träger (10, 10.1, 10.2) weist zwei über die jeweiligen Zargen (5", 6") ineinandergeschobene Blechschalen (5, 6) auf, die im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig, vorzugsweise in Längserstreckung (L) durchgehend über eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind, wobei die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig im Überlappungsbereich (12) parallel zueinander verlaufen.
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In 8) weisen sowohl die erste Blechschale (5) als auch die zweite Blechschale (6) unterschiedliche Höhen (H5, H6) der Zargen (5") auf. Insbesondere kann die Dimensionierung der zweiten Blechschale (6) der ersten Blechschale (5) entsprechen, so dass für die Herstellung des Trägers (10, 10., 10.2) Gleichteile verwendet werden können, sprich die erste Blechschale (5) entspricht geometrisch der zweiten Blechschale (6). Somit können die Überlappungsbereiche (12) gleich groß ausgeführt sein. Der Träger (10, 10.1, 10.2) weist zwei über die jeweiligen Zargen (5", 6") ineinandergeschobene Blechschalen (5, 6) auf, die im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig, vorzugsweise in Längserstreckung (L) durchgehend über eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind, wobei die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig im Überlappungsbereich (12) parallel zueinander verlaufen.
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In 9) weist die erste Blechschale (5) unterschiedliche Höhen (H5) der Zargen (5") auf. Auch die zweite Blechschale (6) weist unterschiedliche Höhen (H6) der Zargen (6") auf, wobei die Zargen (6") nicht wie in den anderen Ausführungen davor senkrecht zum Boden (6') der Blechschale (6) ausgebildet sind, sondern im stumpfen oder spitzen Winkel dazu ausgerichtet sind, so dass der Boden (6') in der gezeigten Darstellung von links nach rechts ansteigend geneigt ausgeführt ist. Der Träger (10, 10.1, 10.2) weist zwei über die jeweiligen Zargen (5", 6") ineinandergeschobene Blechschalen (5, 6) auf, die im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig, vorzugsweise in Längserstreckung (L) durchgehend über eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind, wobei die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig im Überlappungsbereich (12) parallel zueinander verlaufen.
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In 10) sind beide Blechschalen (5, 6) spiegelbildlich entlang der Symmetrieachse (S) ausgebildet. Die Zargen (5") der ersten Blechschale (5) sind gleich hoch ausgebildet, wohingegen die Zargen (6") der zweiten Blechschale (6) im unmittelbar an den Boden (6') angrenzenden Bereich winklig, insbesondere nach außen gerichtet, ausgeführt sind und im weiteren Verlauf in Richtung der Kanten der Zargen (6") senkrecht zum Boden (6') verlaufen. Der Träger (10, 10.1, 10.2) weist zwei über die jeweiligen Zargen (5", 6") ineinandergeschobene Blechschalen (5, 6) auf, die im Überlappungsbereich (12) stoffschlüssig, vorzugsweise in Längserstreckung (L) durchgehend über eine Schweißnaht (11) miteinander verbunden sind, wobei die Zargen (5", 6") zumindest abschnittsweise, insbesondere vollständig für den Fügeprozess im Überlappungsbereich (12) parallel zueinander verlaufen.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Leiter- oder Kastenrahmens (30) für ein Fahrzeug (nicht dargestellt) mit mindestens vier Trägern (10, 10.1, 10.2), wobei der Leiter- oder Kastenrahmen (30) mindestens einen Träger (10, 10.1, 10.2) mit einem zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt mit mindestens einer ersten und einer zweiten in Längserstreckung (L) zumindest abschnittweise miteinander verbundenen Blechschale (5, 6) umfasst, wobei die mindestens erste und zweite Blechschale (5, 6) jeweils mindestens einen Boden (5', 6') mit zwei mit Abstand zueinander einstückig mit dem Boden (5', 6') verbundene, abstehende Zargen (5", 6") aufweisen.
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In 11) ist in perspektivischer Darstellung eine Ausführung eines Leiter- oder Kastenrahmens (30) in Form eines Leiterrahmens schematisch gezeigt, insbesondere für einen SUV. Der Leiter- oder Kastenrahmen (30) umfasst zwei Träger (10) in Form von Längsträger (10.1), die sich mit Abstand zueinander über eine endliche Abmessung erstrecken und zusammen über fünf durch stoffschlüssige Fügetechniken, beispielsweise MAG-Schweißen, angebundene Träger (10) in Form von Querträger (10.2) verbunden sind. Die Querträger (3) können beispielsweise aus einem Rollprofil mit einem zumindest abschnittsweise geschlossenen Querschnitt gebildet sein. Die Längsträger (10, 10.1) sind vorzugsweise als geschlossenes Profil ausgebildet, wobei die Blechschalen (5, 6), die zur Herstellung der Längsträger (10, 10.1) verwendet wurden, den mindestens zweistufigen Prozess durchlaufen haben. Auch mindestens eines, mehrere oder alle Querträger (10, 10.2) können alternativ ebenfalls ein zumindest abschnittsweise geschlossenes Profil mit entsprechend hergestellten Blechschalen (5, 6) aufweisen. Die Querträger können aber auch andere Querschnittsformen aufweisen. Weitere Komponenten wie zum Beispiel Verstärkungen und/oder Verstrebungen, Anbindungskonsolen zur Aufnahme von Fahrzeugkomponenten, wie beispielsweise Motor, Getriebe, Achsen und Fahrzeugaufbau, die mit dem oder den Trägern (10, 10.1, 10.2) verbunden oder angebunden sein können, sind hier nicht dargestellt.
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Die Erfindung ist nicht auf die gezeigten Ausführungen eingeschränkt. Die beschriebenen Merkmale sind alle miteinander kombinierbar. Insbesondere kann in Längserstreckung (L) die Breite des Bodens wie auch die Höhe der Zarge(n) der mindestens ersten und/oder zweiten Blechschale individuell variieren. Des Weiteren können die Zargen individuell ausgebildet werden. Die individuell gestalteten Zargen können Träger an die belastungs- und Bauraumsituation angepasste Querschnitte aufweisen, wobei sich insbesondere Träger (10, 10.1, 10.2) herstellen lassen, welche einen in Längserstreckung (L) variierende, zumindest abschnittsweise, vorzugsweise vollständig geschlossene Querschnitte aufweisen. Unabhängig von der Geometrie der Zargen, ob schräg oder rechtwinklig zum Boden ausgerichtet oder mit einer anderen Form versehen, ist ein einfacher Toleranzausgleich insbesondere bei der Trägerbreite möglich und insbesondere die Halbschalen teilweise ineinandergeschoben werden können, ohne die Fügesituation zu erschweren. Der Überlappungsbereich (12) ermöglicht insbesondere ein Fügen mit und ohne Zusatzwerkstoff.