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Die
Erfindung betrifft ein hohles Rahmenelement zur Verwendung beim
Reibrührschweißen bei der
Herstellung eines Baukörpers.
Z.B. ist die Erfindung bei aus einer Aluminiumlegierung extrudierten Rahmenelementen
anwendbar. Derartige Rahmenelemente werden bei Schienenfahrzeugen
oder einer Gebäudekonstruktion
usw. verwendet.
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Hintergrund
der Erfindung
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Reibrührverbinden
(oder Reibrührschweißen) ist
ein Verfahren, bei dem eine Verbindung dadurch hergestellt wird,
dass ein Rundstab (als Rotationswerkzeug bezeichnet), der in einen
Verbindungsbereich eingesetzt ist, gedreht wird und er entlang einer
Verbindungslinie z.B. extrudierter Rahmenelemente verstellt wird,
damit der Reibrühr-Verbindungsbereich
erwärmt
wird, erweicht und plastisch fließt, und er in einem Festkörperzustand
verbunden wird. Das Rotationswerkzeug besteht aus einem Bereich
kleinen Durchmessers, der in den Verbindungsbereich eingesetzt wird,
und einem Bereich großen Durchmessers,
der an den Bereich kleinen Durchmessers angrenzt. Der Bereich kleinen
Durchmessers und der Bereich großen Durchmessers des Rotationswerkzeugs
sind koaxial. Die Grenze oder Schulter zwischen den Bereichen kleinen
und großen Durchmessers
des Rotationswerkzeugs wird ein wenig in den Verbindungsbereich
eingeführt.
Diese Technik ist z.B. in EP-A-797043 offenbart. Gemäß der 9 dieses Dokuments wird das Verbinden zweier
Flächen
hohlextrudierter Rahmenelemente von einer Seite einer der zwei Flächen aus
ausgeführt.
Ferner ist ein Kopplungselement zum Verhindern einer Verformung
des hohlextrudierten Rahmenelements dargestellt. Die 7 dieses
Dokuments zeigt nach außen
vorstehende, erhöhte
Abschnitte an der Verbindungsstelle der Elemente.
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In
JP-A-9-221024 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Baukörpers eines
Schienenfahrzeugs angegeben, bei dem ein vorstehender Endbereich
einer Deckplatte an einer Seitenfläche eines hohlen Rahmenelements
an einen vorstehenden Endbereich einer Deckplatte eines anderen
Rahmenelements angestoßen
wird und die Platten von oben her miteinander verschweißt werden.
Als Nächstes
werden gegenüberstehende
Deckplatten der zwei Elemente durch eine Abdeckplat te miteinander
verbunden. Dieses Dokument zeigt eine Kombination der Merkmale des
Oberbegriffs des vorliegenden Anspruchs 1.
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Ein
Unterschiedspunkt zwischen Reibrührverbinden
und Bogenschweißen
besteht darin, dass beim Reibrührverbinden
durch Einsetzen des Rotationswerkzeugs in den dem Verbindungsvorgang
zu unterziehenden Elementen eine große Belastung ausgeübt wird.
Diese Belastung wirkt hauptsächlich in
der Einsetzrichtung des Rotationswerkzeugs (Achsenrichtung des Rotationswerkzeugs).
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Wenn
hohlextrudierte Rahmenelemente einem Reibrührverbinden unterzogen werden,
kann die auf eine Rippe, die zwei parallele Deckplatten verbindet,
wirkende Einsetzkraft bewirken, dass sich die hohlextrudierten Rahmenelemente
verformen. Aus diesen Gründen
ist es erforderlich, eine Konstruktion zu schaffen, durch die eine
Verformung des Kopplungselementbereichs verhindert werden kann.
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Um
eine derartige Verformung zu verhindern, zeigt EP-A-797043 in einem
Verbindungsbereich der zwei hohlextrudierten Rahmenelemente eine
vertikale Querplatte (z.B. eine Längsrippe), die die zwei Deckplatten
eines oder beider Rahmenelemente verbindet. Diese Längsrippe
ist in einer Verlängerungslinie
der Achse des Rotationswerkzeugs positioniert. Die Längsrippe
ist mit den zwei Deckplatten des hohlextrudierten Rahmenelements
verbunden. Da eine große
Last wirkt, ist es erforderlich, die Plattendicke des extrudierten
Rahmenelements groß zu
machen. Aus diesem Grund besteht eine Einschränkung beim Erzielen einer leichten
Konstruktion.
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Ferner
ist diese Längsrippe
des hohlextrudierten Rahmenelements aus einem anderen Grund zu untersuchen.
Es ist bekannt, dass dann, wenn eine äußere Biegekraft auf das hohlextrudierte
Rahmenelement einwirkt, der für
die Gesamtstabilität vorherrschende
Bereich die Querrippe ist. Um die Stabilität gegenüber einer Biegekraft von außen zu verbessern,
ist es wünschenswert,
die Querrippe unter einem Winkel von 45° zur Deckplatte anzuordnen, wobei
es sich um die Hauptspannungsrichtung einer Scherkraft handelt.
Jedoch wirkt die Längsrippe rechtwinklig
zu den zwei Flach-Deckplatten kaum als Verstärkungselement.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Es
ist eine Aufgabe der Erfindung, ein hohles Rahmenelement zur Verwendung
bei der Herstellung eines Baukörpers
mit leichter Konstruktion und hoher Stabilität zu schaffen.
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Gemäß der Erfindung
ist ein hohles Rahmenelement zur Verwendung beim Reibrührschweißen geschaffen,
wie es im Anspruch 1 dargelegt ist.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Nun
werden Ausführungsformen
der Erfindung durch ein nicht beschränkendes Beispiel unter Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen beschrieben.
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1 ist
ein Längsschnitt,
der einen Verbindungsbereich einer Ausführungsform eines hohlen Rahmenelements 10 gemäß der Erfindung
zeigt;
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2 ist
ein schematischer Querschnitt eines Paars hohler Rahmenelemente
der 1;
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3 ist
eine schematische, perspektivische Ansicht eines Körpers eines
Schienenfahrzeugs, bei dem die Erfindung anwendbar ist;
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4 ist
ein schematischer Querschnitt eines anderen Paars von Elementen
mit einer anderen Ausführungsform
der Erfindung;
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5 ist
ein Längsschnitt,
der einen Verbindungsbereich gemäß einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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6 ist
ein Längsschnitt,
der einen Verbindungsbereich gemäß noch einer
anderen Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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7 ist
ein Längsschnitt,
der einen Verbindungsbereich einer weiteren Ausführungsform gemäß der Erfindung
zeigt; und
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8 ist
ein Längsschnitt,
der einen Verbindungsbereich einer anderen Ausführungsform der Erfindung zeigt.
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Beschreibung
der Ausführungsformen
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Nun
wird mittels der 1 bis 3 eine Ausführungsform
eines hohlen Rahmenelements gemäß der Erfindung
erläutert.
Eine Fahrzeugkarosserie 200 besteht aus einer Seitenkonstruktion 201,
einer Dachkonstruktion 202, einem Trägerrahmen 203 und
einem End-Baukörper 204.
Sowohl die Seitenkonstruktion 201 als auch die Dachkonstruktion 202 und
der Trägerrahmen 203 werden
dadurch hergestellt, dass mehrere extrudierte Rahmenelemente verbunden
werden. Die Längsrichtung
dieser extrudierten Rahmenelemente verläuft in der Längsrichtung
der Fahrzeugkarosserie 200. Das extrudierte Rahmenelement
ist ein hohles Rahmenelement aus einer Aluminiumlegierung.
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Nun
werden hohlextrudierte Rahmenelemente 10 und 20 des
Seiten-Baukörpers 201 erläutert. Andere
Teile der Seitenkonstruktion und andere Baukörper sind ähnlich.
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Die
hohlen Rahmenelemente 10 und 20 bestehen jeweils
aus zwei Flach-Deckplatten 10, 12 sowie 21, 22 und
aus mehreren Fachwerksrippen 13 und 23. Die zwei
Flach-Deckplatten 11 und 12 (und entsprechend
die zwei Flach-Deckplatten 21 und 22) verlaufen
im Wesentlichen parallel. Die Feldweite des durch die Rippen 13 und 23 gebildeten
Fachwerks ist konstant. Das Fachwerk besteht aus den Rippen 13 und 23 und
einer Mittellinie der Plattendicke der Deckplatten 11 und 12 und
der Deckplatten 21 und 22. Auf einer Seite der
Deckplatten 11 und 12 sowie der Deckplatten 21 und 22 existiert
ein Scheitelpunkt. Dieser Scheitelpunkt ist durch einen gefüllten Kreis
dargestellt.
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In
der Nähe
des Scheitelpunkts des Fachwerks sind an der Innenseite des Schienenfahrzeugs Installationsschienen 19 und 29 integral
vorhanden. Die Schienen 19 und 29 bestehen aus
zwei L-förmigen
Elementen, und sie werden dazu verwendet, Teile und Vorrichtung
wie Innenraum-Montageplatten und Sitze usw. zu installieren.
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Nun
wird der Aufbau der Verbindung der hohlextrudierten Rahmenelemente 10 und 20 erläutert. In
einem Endbereich des hohlen Rahmenelements 10 existiert
eine Rippe 13A, die eine Seite des Fachwerks bildet. Der
Endbereich der Deckplatte 12 steht seitlich zum benachbarten
Element 20 weiter vor als der Endbereich der Deckplatte 11.
Die Rippe 13A verbindet das Ende der Deckplatte 11 mit
dem Ende der Deckplatte 12. Eine Rippe 13B verbindet das
Ende der Deckplatte 11 und einen Zwischenpunkt der Deckplatte 12.
Durch die Rippen 13A und 13B wird ein Fachwerk
in Form eines gleichschenkligen Dreiecks erzeugt. Jedes benachbarte
Paar von Rippen 13 bildet entsprechend ein Fachwerk mit
der Form eines gleichschenkligen Dreiecks.
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Der
Endbereich der Deckplatte 21 des hohlen Rahmenelements 10 steht
ferner weiter seitlich zum benachbarten hohlen Rahmenelement 10 vor als
der Endbereich der Deckplatte 12. Es existiert keine Rippe,
die die Enden der Deckplatten 21 und 22 direkt
verbinden würde.
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Die
Innenseite des Endbereichs der Deckplatte 21 überlappt
mit einem von der Rippe 13A vorstehenden Sitz 17 und
liegt auf diesem. Der Sitz 17 ist an der Verdickung oder
der Rippe 17A vorhanden, die in der Nähe des Schnittpunkts der Rippen 13A und 13B vorhanden
ist. Die Innenseite des Endbereichs der Deckplatte 12 überlappt
mit einem Sitz 27, der vom Endbereich der Deckplatte 22 vorsteht,
und liegt unter diesem.
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Wenn
die zwei hohlen Rahmenelemente 10 und 20 aneinander
stoßen,
wie es in der 1 dargestellt ist, ist durch
die Rippen 13A, 23B und die Deckplatte 21 ein
Fachwerk mit der Form eines gleichschenkligen Dreiecks gebildet.
Die Abmessung dieser Fachwerksform ist dieselbe wie diejenige anderer
Fachwerksformen.
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An
den Außenseiten
der aneinanderstoßenden
Bereiche sind erhöhte
Bereiche 15, 25, 16, 26 vorhanden,
die alle über
dieselbe Höhe
und Breite verfügen.
Diese aneinanderstoßenden
Bereiche werden einem Reibrührverbinden
unterzogen. Die Plattendicke der Rippen 13A, 13B und 23B ist
größer als die
der anderen Rippen 13 und 23. Die Anlagekräfte an vertikalen
Linien (Linien normal zu den Deckplatten) am Scheitelpunkt der Fachwerksformen
sind durch die Rippen 13A, 13B sowie 23B und
die Plattenflächen 12 und 22 gebildet.
Aus dem Gesichtspunkt der Positioniergenauigkeit des Rotationswerkzeugs 250 wird
in der Praxis die Achse desselben auf einer vertikalen Linie oder
Ebene in der Nähe
des Scheitelpunkts der Fachwerksform positioniert.
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Die
hohlen Rahmenelemente 10 und 20 werden mit den
Deckplatten 12 und 22 nach unten auf einem Bett 240 montiert.
Von der Oberseite her wird das Rotationswerkzeug 250 in
den Verbindungsbereich eingesetzt, und es wird das Reibrührverbinden ausgeführt.
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Die
aneinanderstoßenden
Flächen 15b und 26b der
erhabenen Bereiche 15, 25, 16, 26 verlaufen rechtwinklig
zu den Plattenflächen 11 und 22.
Durch die vertikalen Flächen 15b und 26b sowie
die horizontalen Flächen
der Sitze 17 und 27 ist ein vertiefter oder einspringender
Bereich gebildet. Dieser vertiefter Bereich ist zu einer Fläche entlang
den Deckplatten 11 und 22 und einer Endbereichsseite
der hohlen Rahmenelemente 10 und 20 geöffnet.
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Die
aneinanderstoßenden
Flächen 15b und 26b verlaufen
rechtwinklig zu den Deckplatten 11 und 12 sowie
den Deckplatten 21 und 22. D.h., dass sich die
aneinanderstoßenden
Flächen
entlang einer normalen Linie der Deckplatten erstrecken. Die aneinanderstoßenden Flächen 15b und 26b erstrecken
sich in der Dickenrichtung der hohlen Rahmenelemente 10 und 20.
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Wie
es die 1 zeigt, sind die aneinanderstoßenden Flächen 15b und 26b in
jedem Fall zum entgegengesetzten Endbereich des jeweiligen hohlen
Rahmenelements 10, 20, ausgehend von der Normallinie,
die durch den Scheitelpunkt der Fachwerksform verläuft, positioniert.
Wenn die aneinanderstoßenden
Flächen 15b, 26b auf
der Normallinie liegen, die durch den Scheitelpunkt der Fachwerksform
verläuft,
und wenn die Endbereiche der anderen Deckplatten 21 und 12 kurz
sind (innerhalb einer zulässigen
Abweichung), ist die Einsetzposition des Rotationswerkzeugs 250 an
die anderen Deckplattenseiten angenähert. In diesem Fall besteht
die Möglichkeit,
dass die Belastung an der Rippe an der angenäherten Seite übermäßig groß wird.
Wenn die Breiten der zwei erhabenen Bereiche 15 und 25 (16 und 26)
erfasst werden, stimmt die Achse des Rotationswerkzeugs 250 mit
dem Zentrum überein.
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Nun
wird das Herstellverfahren für
diesen Baukörper
erläutert.
Die hohlen Rahmenelemente 10 und 20 werden am
Bett 240 montiert und fixiert. Die Stoßbereiche der Endbereiche der
Deckplatten 11 und 21 (der Deckplatten 12 und 22)
werden miteinander in Kontakt gebracht oder aneinander angenähert. Die
erhabenen Bereiche 15 und 25 der Stoßbereiche der
Oberfläche
der Deckplatten 11 und 21 werden vorübergehend
durch Bogenschweißen
von oben her fixiert. Das zeitweilige Verschweißen wird intermittierend ausgeführt.
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Die
erhabenen Abschnitte 16 und 26 stehen mit dem
Bett 240 in Kontakt. Die Umgebung des Schnittpunkts zwischen
der Rippe 13B und der Deckplatte 12 wird am Bett 240 montiert.
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In
diesem Zustand wird das Rotationswerkzeug 250 einer Reibrühr-Verbindungsvorrichtung
von der Oberseite her in den Stoßbereich der erhabenen Abschnitte 15 und 25 eingeführt und
entlang der Verbindungslinie bewegt, um das Reibrührverbinden auszuführen. Die
Achse des Rotationswerkzeugs 250 verläuft in einer vertikalen Ebene.
Jedoch ist die Ebene relativ zur Vorschubrichtung des Rotationswerkzeugs 250 geneigt,
wie es bereits bekannt ist. Es wird die Breitenposition der zwei
erhabenen Abschnitte 15, 25 erfasst, und die Achse
des Rotationswerkzeugs 250 wird in ihrem Zentrum positioniert.
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Das
Rotationswerkzeug 250 verfügt über einen Bereich 252 großen Durchmessers
und einen Bereich 251 kleinen Durchmessers am Vorderende des
Bereichs 252 großen
Durchmessers. Das Vorderende des Bereichs 251 kleinen Durchmessers
des Rotationswerkzeugs 250 wird tief von der Oberseite des
Sitzes 17 her eingeführt.
Das untere Ende des Bereichs 252 großen Durchmessers des Rotationswerkzeugs 250 wird
auf einer Höhe
zwischen den Oberseiten der erhabenen Bereiche 15 und 25 und den
Außenflächen der
Deckplatten 11 und 21 positioniert. Der Durchmesser
des Bereichs 252 großen Durchmessers
des Rotationswerkzeugs 250 ist kleiner als die kombinierte
Breite der zwei erhabenen Bereiche 15 und 25.
Der Bereich 251 kleinen Durchmessers des Rotationswerkzeugs 250 kann über Schraubenform
verfügen.
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Durch
dieses Reibrührverbinden
wird ein Spalt zwischen den Stoßbereichen
der Deckplatten 11 und 12 eingebettet und verbunden.
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Als
Nächstes
wird dieser Baukörper
umgedreht (umgekehrt) und erneut am Bett 240 montiert. An
der Oberseite der erhabenen Bereiche 16 und 26 erfolgt
erneut durch Bogenschweißen
eine vorübergehende
Fixierung. Als Nächstes
wird ein Reibrührverbinden
von der Oberseite der erhabenen Bereiche 16 und 26 auf
dieselbe Weise wie oben durch das Rotationswerkzeug 250 ausgeführt.
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Schließlich wird
der erhabene Restbereich an der Außenfläche der Schienenfahrzeugkarosserie 200 abgeschnitten
und in Bezug auf die Fläche
der Deckplatte eingeebnet.
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Bei
diesem Prozess bildet die Achse des Rotationswerkzeugs 250 den
Scheitelpunkt der durch die zwei Rippen 13A und 13B (die
Rippen 13A und 23B) gebildeten Fachwerksform,
oder sie liegt auf der vertikalen, geraden Linie, die in der Nähe des Scheitelpunkts
verläuft.
Die Einsetzkraft während des
Reibrührverbindens
wird durch die zwei Rippen 13A und 13B (13A und 23B)
abgestützt.
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Aus
diesem Grund kann das Verbiegen der Rippen 13A, 13B und 23B eingeschränkt werden. Die
Plattendicke der Rippen 13A, 13B und 23B kann gering
sein, und es kann eine leichte Konstruktion erhalten werden. In ähnlicher
Weise kann ein Verbiegen der Deckplatten 11 und 12 eingeschränkt werden.
Die Plattendicke der Rippen 13A, 13B und 23B ist
größer als
die Plattendicke der anderen Rippen 13 und 23.
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Unter
Verwendung des Betts 240 zum Abstützen der Rippen 13A, 13B und 23B kann
ein Verbiegen der Deckplatte verhindert werden.
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Ferner
besteht, nach dem Reibrührverbinden,
der gesamte hergestellte Reibrührverbinden
im Wesentlichen aus einer Fachwerkskonstruktion. Aus diesem Grund
kann die Biegestabilität
der Außenfläche verbessert
werden, und es kann eine leichte Konstruktion erhalten werden.
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Der
Scheitelpunkt der zwei Rippen 13A und 13B (der
zwei Rippen 13A und 23B) kann an der Außenfläche der
Deckplatten 11 und 21 positioniert sein.
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Die
Verbindungsvorgänge
bei der obigen Ausführungsform
werden durch Reibrührverbinden ausgeführt, jedoch
kann alternativ einer oder beide der Verbindungsvorgänge durch
Bogenschweißen ausgeführt werden.
Beim Bogenschweißen
können, da
während
des Verbindens keine Belastung besteht, die Rippen 13A, 13B und 23B dünn ausgebildet
werden. Die Oberseite des Sitzes 12 und die Unterseite des
Sitzes 27 können
geneigt sein.
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In
der 1 verlaufen die Deckplatten 11 und 12 sowie
die Deckplatten 21 und 22 parallel, jedoch ist
eine Alternative möglich,
bei der eine der Deckplatten zur anderen geneigt ist.
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Die 4 zeigt
eine weitere Struktur, bei der die Normallinie der Deckplatte des
Verbindungsbereichs zur Vertikalen geneigt ist. Ein Ende des hohlen Rahmenelements 10 verläuft horizontal.
Die hohlen Rahmenelemente 10 und 20 sind am Bett 240 montiert.
Dies führt
leicht zur Verbindungslinie des Endbereichs des seitlichen Baukörpers 201.
Die Achse des Rotationswerkzeugs 250 für das Reibrührverbinden verläuft entlang
der Linie normal zur Deckplatte. Diese Normallinie läuft durch
die Nähe
des Scheitelpunkts des Fachwerks. Eine Pfeilmarkierung zeigt die
Position und die Richtung des Rotationswerkzeugs 250.
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Die 5 zeigt
eine weitere Konstruktion, bei der eines der Rahmenelemente ein
blockförmiges
Element 30 ist. Dieses Element 30 kann hohl sein,
was jedoch nicht der Fall sein muss. Andere Teile in dieser Figur
sind denen bei der in der 1 dargestellten
Struktur ähnlich.
Wenn das Element 30 ein hohles Rahmenelement ist, ist der
Sitz 27 an einer Rippe vorhanden, die den erhabenen Bereich 26 und die
Deckplatte 21 verbindet. Diese Rippe verläuft im Wesentlichen
orthogonal zur Deckplatte (entlang der Linie normal auf der Deckplatte).
Die Deckplatte 21 liegt im Wesentlichen auf der Verlängerungslinie
der Deckplatte 11.
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Beim
in der 1 dargestellten hohlen Rahmenelement 20 existiert
keine Rippe, die den Endbereich der Deckplatte 21 mit dem
Endbereich der Deckplatte 22 verbinden würde. Andererseits
existieren an den Endbereichen der Deckplatten die erhabenen Bereiche 25 und 26.
Aus diesem Grund ist die Herstellung des erhabenen Bereichs 25 schwierig. Ein
Ziel der in der 6 dargestellten Konstruktion besteht
darin, dies zu verbessern. Es existiert eine Rippe 23A,
die den Endbereich der Deckplatte 21 und den Endbereich
der Deckplatte 22 verbindet. Durch die Rippen 23A und 23B sowie
die Deckplatte 21 ist ein gleichschenkliges Dreieck gebildet.
Bei dieser Konstruktion wird die Einsetzkraft des Werkzeugs durch
die zwei Rippen 23A und 23B abgestützt. Die Plattendicke
der Rippen 13A, 13B, 23A und 23B kann
gering sein. Nach der Herstellung des hohlen Rahmenelements 20 kann
die Rippe 23A entfernt werden, woraufhin, wie es in der 1 dargestellt
ist, das Reibrührverbinden
ausgeführt
werden kann.
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Die 7 zeigt
eine weitere Konstruktion, bei der die Rippe 23A nahe am
Endbereich des hohlen Rahmenelements liegt. Durch die Mittellinie
der Rippe 23A und die Mittellinie 13B ist ein
gleichseitiges Dreieck gebildet. Die Achse des Rotationswerkzeugs 250 liegt
auf der vertikalen, geraden Linie, die durch den Schnittpunkt dieser
zwei Mittellinien verläuft.
Bei dieser Konstruktion kann die Einsetzkraft durch diese drei Rippen
abgestützt
werden.
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Die 8 zeigt
eine weitere Konstruktion, bei der die Einsetzposition des Rotationswerkzeugs 250 zwischen
zwei Schnittpunkten liegt.
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Durch
die Erfindung können,
da die Umgebung des Scheitelpunkts der zwei Rippen zum Verbinden
zweier Flach-Deckplatten den Verbindungsbereich bildet, eine leichte
Konstruktion und ein Baukörper
hoher Stabilität
geschaffen werden.