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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Strukturbauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, mit
einer Platte aus einem ersten, verhältnismäßig leichten und weichen Metall oder
Metallegierung. Sie betrifft zudem ein Verfahren, das sich darauf bezieht und dazu bestimmt
ist, die Eigenschaften eines solchen Strukturbauteils zu verbessern.
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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Land-, Luft- oder Wasserfahrzeuge.
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Sehr häufig wird die Karosserie, der Flugzeugrumpf oder Schiffskörper dieser Fahrzeuge
zu einem großen Teil aus untereinander verbundenen Feinblechen gebildet.
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Bei einem Automobil zum Beispiel wird die Karosserie insbesondere aus Stahlblechen
gebildet, deren Stärke ungefähr einen Millimeter beträgt und die gefalzt, geschweißt oder
genietet sind.
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Dennoch weist Stahl zwei grundlegende Nachteile auf seine Dichte ist groß, was ihn
verhältnismäßig schwer sein läßt. Darüber hinaus ist er sehr korrosionsanfällig. Natürlich
kann der Stahl unterschiedlichen Oberflächenbehandlungen unterzogen werden oder auch
eine chemische Zusammensetzung haben, die seine Korrosionsbeständigkeit erhöht.
Dennoch führen diese Antikorrosionsverfahren häufig nur zu einem teilweisen Erfolg und
ist die Korrosion über lange Zeit unvermeidbar.
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Es ist andererseits bekannt, insbesondere für Luftfahrzeuge, Stahl durch Aluminium zu
ersetzen. Denn Aluminium ist verhältnismäßig leicht und viel weniger korrosionsanfällig.
Indessen ist die mechanische Widerstandsfestigkeit von Aluminium schwach,
gewissermaßen ist es relativ weich.
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Um der Aluminiumplatte eine mit der Stahlplatte vergleichbare mechanische Festigkeit
zu verleihen, ist es daher nötig, ihre Stärke wesentlich zu erhöhen, was wiederum das
Gewicht der Platte erhöht und ihren Herstellungspreis erhöht.
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Deshalb ist die Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu beheben und Strukturbauteile
mit einer verstärkten mechanischen Widerstandsfestigkeit bei geringer Dicke zu schaffen,
die leicht und preiswert sind.
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Die Erfindung betrifft daher ein Strukturbauteil, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer
Platte, die aus einem ersten, verhaltnismäßig leichten und weichen Metall oder
Metallegierung ausgebildet ist.
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Gemäß der Erfindung ist das Strukturbauteil dadurch gekennzeichnet, daß die Platte auf
einer ihrer Flächen in einem vorgegebenen, abgegrenzten Bereich dieser Fläche ein Teil
in Form eines Lochblechs oder eines Gitters aus einem zweiten, gegenüber dem der
Platte härteren Metall oder Metallegierung aufweist, wobei das Teil auf der Platte durch
Kaltverformung befestigt ist, so daß das Metall der Platte die Öffnungen des Teils
durchdringt.
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Das Teil ist in einem begrenzten Bereich der Fläche der Platte befestigt. Das
Gesamtgewicht des Strukturbauteils wird daher nicht wesentlich erhöht. Dennoch trägt das Teil
aufgrund der Widerstandsfähigkeit des harten Metalls dazu bei, den mechanischen
Widerstand des Strukturbauteils deutlich zu erhöhen, insbesondere im Bereich der
Befestigung.
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Das Bauteil bewahrt daher in großem Maße die Vorteile des ersten Metalls, insbesondere
seine Leichtigkeit und möglicherweise seine Korrosionsunempfindlichkeit und weist doch
eine verstärkte mechanische Widerstandsfähigkeit auf.
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Die Erfindung erlaubt somit, die mechanische Widerstandsfähigkeit des Strukturbauteils
örtlich zu verstärken, ohne dessen Gewicht noch dessen Gesamtkosten wesentlich zu
erhöhen. Darüber hinaus ist es nicht notwendig, dem verformten Teil eine große Dicke
zu verleihen. Man könnte diesem sogar häufig eine wesentlich geringere Dicke verleihen
als die der Platte.
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Darüber hinaus gewährleistet die Befestigung des Teils, wie angegeben, eine einfache
und robuste Verankerung des Teils in der Platte und eine sehr gute mechanische
Verbindung zwischen den beiden Metallen. Demgegenüber weiß man, daß es sehr schwierig ist,
Stahl auf Aluminium zu schweißen, wobei die Widerstandsfähigkeit der so gebildeten
Verbindung häufig ungewiß ist. Ebenso gewährleistet die Zusammenfügung von Stahl
und Aluminium durch Nietung keine kontinuierliche mechanische Verbindung der beiden
Metalle, und das Vorliegen von Nieten erzeugt Überdicken.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist wenigstens ein
Abschnitt des Teils eine gegenüber anderen Abschnitten des Teils niedrigere
Perforationsdichte auf.
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Mit Perforationsdichte wird das Verhältnis eines gegebenen Oberflächenabschnitts des
Teiles zwischen der mit den Perforationen oder Öffnungen überdeckten Fläche und der
Gesamtfläche des Abschnitts bezeichnet. Somit ist die Perforationsdichte groß, wenn die
Perforationen oder Öffnungen zahlreich sind und/oder große Abmessungen haben. Die
Dichte ist im gegenteiligen Fall gering.
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Die Abschnitte mit geringer Perforationsdichte verleihen den Abschnitten der Platte, in
welchen sie verankert sind, eine besonders starke Widerstandsfähigkeit, denn das
Massenverhältnis von Stahl ist dort groß. Im Gegensatz dazu erhöhen die Abschnitte mit
geringer Perforationsdichte die Widerstandsfähigkeit des Strukturbauteils moderat. Man
kann daher die Widerstandsfähigkeit der Abschnitte der Platte mehr verstärken, die
besonders erhöhten Spannungen ausgesetzt sind.
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Darüber hinaus ist es ganz allgemein sehr bequem, durch das Bauteil das unter
Spannungen stehende Teil anzupassen, indem die Perforationsdichte örtlich verändert wird, was
leichter ist, als daß örtlich die Dicke des Teiles verändert wird.
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Aus Bequemlichkeit wird der Ausdruck "Perforationsdichte" auch dann verwendet, wenn
die Öffnungen des Teiles nicht aus einem Perforationsvorgang herrühren, zum Beispiel
im Falle eines aus verflochtenen Drähten gebildeten Gitters.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das erste Metall
Aluminium und das zweite Metall Stahl.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Platte wenigstens zwei
solcher Teile auf, wobei diese beiden Teile voneinander getrennt sind.
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Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Verbessern der Eigenschaften eines
Strukurbauteils, insbesondere für ein Fahrzeug, mit einer Platte aus einem ersten,
verhältnismäßig leichten und weichen Metall oder Metallegierung.
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Gemäß der Erfindung umfaßt dieses Verfahren einen Schritt, der darin besteht, in einem
vorgegebenen, begrenzten Bereich einer der Flächen der Platte ein Teil in Form eines
Lochblechs oder eines Gitters aus einem gegenüber dem der Platte härteren Metall zu
befestigen, wobei diese Befestigung durch Kaltverformung erfolgt, derart, daß das Metall
der Platte die Öffnungen des Teils durchdringt.
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Der Vorteil dieses Verfahrens entspricht denjenigen, die bereits für das Strukturbauteil
gemäß der Erfindung genannt wurden.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform, wenn die Platte einem Verformungsprozeß
unterworfen wird, um eine vorgegebene Form zu erhalten, findet die Befestigung des
Teils während des Verformungsvorganges statt.
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Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden noch in der Beschreibung
hervorgehoben, die von mehreren Ausführungsformen der Erfindung erfolgt. In den
angehängten Zeichnungen ist:
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Fig. 1 eine vergrößerte Ansicht eines Strukturbauteils gemäß der Erfindung;
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Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines weiteren Strukturbauteils gemäß der
Erfindung;
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Fig. 3 eine Ansicht des Details D der in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Gitter;
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Fig. 4 eine Schnittansicht entlang der Ebene IV-IV von Figur 3;
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Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Ebene V-V des Details D der Figuren 1 und
2;
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Fig. 6 eine Ausführungsvariante der Vorrichtung aus Figur 5;
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Fig. 7 eine vergrößerte Ansicht eines weiteren Strukturbauteils gemäß der
Erfindung;
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Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht einer Ausführungsvariante des Teils von Figur 3;
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Fig. 9 eine Schnittansicht längs der Ebene IX-IX von Figur 8;
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Fig. 10 und 11 vergrößerte Schnittansichten einer Ausführungsform des
Verfahrens gemäß der Erfindung;
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Fig. 12 eine Ausführungsvariante des Teils aus Figur 8.
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Eine erste Ausführungsform eines Strukturbauteils gemäß der Erfindung ist in Figur 1
dargestellt. Dieses Element 1 bildet hier den äußeren Metallbereich einer Fahrzeugtür.
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Das Element 1 umfaßt eine Platte 2, die aus einem relativ leichten und weichen ersten
Metall bzw. einer solchen Legierung hergestellt ist, z.B. aus Aluminium.
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Gemäß der Erfindung weist die Platte 2 auf der Innenfläche der Platte 2, in Figur 1 in
Vergrößerung sichtbar, ein Teil 3 auf, das auf einem vorbestimmten, begrenzten Bereich
dieser Platte befestigt ist.
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Wie die Figuren 3 und 4 zeigen, die ein Detail des Teils 3 wiedergeben, hat das Teil 3 in
diesem Beispiel die Form eines Gitters und ist aus einem gegenüber dem der Platte 2 viel
härteren zweiten Metall bzw. einer solchen Legierung hergestellt. In dem vorliegenden
Beispiel ist dieses zweite Metall Stahl.
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In dem vorliegenden Beispiel wird das Gitter 3 aus einem perforierten Blech gebildet.
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Das Gitter 3 könnte auch aus verflochtenen Drähten gebildet sein.
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Gemäß der Erfindung ist das Teil 3 an der Platte 2 mittels Kaltverfomung befestigt,
derart, daß das Metall der Platte 2 in die Öffnungen der Platte 2 eindringt.
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In Figur 5 ist auch zu sehen, daß das Metall der Platte 2 in das Innere der Öffnungen 6
des Teils 3 geflossen ist, derart, daß dieses mit der Hälfte seiner Dicke in der Platte 2
eingelassen ist.
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In der in Figur 6 dargestellten Ausführungsvariante wurde das Teil 3 vollständig in die
Platte 2 eingelassen, dessen Metall die Öffnungen 6 des Teils 3 ausfüllt. Das Teil 3 ragt
nicht über die Oberfläche der Platte 2 hinaus.
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Natürlich können außer diesen beiden Beispielen unterschiedliche Einlaßtiefen des Teils 3
in die Platte 2 vorgesehen sein.
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Das Gitter 3 umfaßt vier verflochtene Bänder 7, 8, 9, 10, wobei zwei Bänder 7 und 9
horizontal verlaufen und zwei Bänder 9 und 10 vertikal verlaufen. Somit weist das Teil 3
einen ausgesparten zentralen Abschnitt 11 auf. Als Variante könnte das Teil 3 auch aus
einem einstückigen Gitter mit einem ausgesparten zentralen Abschnitt gebildet sein.
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Die Abschnitte 12, 13, 14, 15 des Gitters 3, die an den Schnittstellen der Bänder 7, 8, 9,
10 liegen, weisen somit eine geringere Perforationsdichte auf als die anderen Abschnitte
des Gitters 3. Die Öffnungsfläche ist somit gegenüber den anderen Abschnitten des
Gitters 3 reduziert.
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In den Figuren 1, 2 und 7 ist das Gitter in schematischer Weise dargestellt. Insbesondere
wird der Unterschied der Perforationsdichte durch die Unterschiede in der
Schraffierungsdichte dargestellt. Es versteht sich, daß diese Schraffuren nicht genau die Drähte
des Gitters wiedergeben.
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Im Falle eines aus verflochtenen Drähten gebildeten Gitters kann man auch die
Perforationsdichte von bestimmten Bereichen verringern, indem die Maschenweite der
Verflechtungen örtlich verringert wird, d.h., indem die Zahl der Drähte örtlich erhöht wird.
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Die Platte 2 kann andererseits wenigstens einem Tietziehvorgang unterzogen werden,
der dazu bestimmt ist, dieser eine besondere, vorbestimmte Form in bezug zur Funktion
des Strukturbauteils zu verleihen. Dieser Vorgang kann nach der Befestigung des Teils
stattfinden oder gleichzeitig mit dieser Befestigung, wie es gerade paßt. Dieser Vorgang
kann auch der Befestigung des Teils vorangehen. In diesem Fall wird das Teil
vorteilhafterweise eine an die Platte angepaßte Form haben. Es wird zum Beispiel auch
tiefgezogen, um ihm eine Form zu verleihen, die derjenigen der Platte entspricht.
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Figur 2 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar, analog derjenigen aus
Figur 1.
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Das Bauteil 16 bildet auch den äußeren Metallbereich einer Fahrzeugtür und umfaßt eine
Platte 2, die mit derjenigen aus Figur 1 identisch ist.
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Die Platte 2 weist auf der Innenfläche ein Gitter 17 auf, analog dem Gitter 3.
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Das Gitter 17 hat die allgemeine Form eines Kreuzes, das auf einem im wesentlichen am
Zentrum des Innenbereichs der Platte 2 gelegenen Bereichs befestigt ist. Das Gitter 17
umfaßt ein horizontales Band 18, das sich von einem Rand 19 zum anderen 20 der Platte
2 erstreckt, und ein zum Band 18 rechtwinklig verlaufendes, vertikales Band 21.
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Über das Gitter 17 hinaus umfaßt die Platte 2 vier weitere analoge Gitter 22, 23, 24, 25,
die voneinander getrennt sind. Diese vier Gitter sind auf der gleichen Fläche der Platte 2
befestigt, wie das Gitter 17, jeweils an vier Ecken des Innenbereichs der Fläche der Platte
2. Somit sind die vier Gitter auf den Bereichen befestigt, die den Rändern der Platte 2
naheliegen, ebenso wie die Enden 26 und 27 des horizontalen Bandes 18.
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Der Abschnitt 28 des Kreuzes, der der Schnittstelle des horizontalen und vertikalen
Bandes entspricht, die Enden 26 und 27 und die Abschnitte 22, 23, 24, 25 weisen eine
gegenüber den anderen Abschnitten des Gitters 17 niedrige Perforationsdichte auf.
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Figur 7 stellt eine weitere Ausführungsform der Erfindung dar. Das Bauteil 60 wird aus
einer rechteckigen Platte 30 aus Aluminium gebildet. Auf einer Fläche desselben sind
durch Kaltverformung vier Gitter 31, 32, 33, 34 befestigt, jeweils an vier Ecken der
Platte, sowie ein Gitter 35 auf einem im wesentlichen im Zentrum der Platte gelegenen
Bereich.
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Das Gitter 35 hat die folgende Form: es umfaßt zwei Bänder 36 und 37, die im
wesentlichen längs der Diagonalen des Rechtecks angeordnet sind. Zwei kreisbogenförmige
Bänder 38, 39 verbinden jeweils die Enden jedes nächstliegenden Bandes miteinander. Das
Gitter hat am Schnittpunkt der Bänder 36 und 37 die Form einer Scheibe 40. Es weist
zwischen den beiden Bändern 38 und 39 einen Kreis 41 auf, der mit der Scheibe 40
konzentrisch ist und in Abstand zu dieser liegt.
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Das Gitter 35 weist somit sechs ausgesparte Abschnitte 42 auf.
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Alternativ können die Gitter 31, 32, 33, 34 an vier Ecken der Platte auf der Fläche der
Platte befestigt sein, die derjenigen gegenüberliegt, die das Gitter 35 aufweist, derart,
daß die Gitter auf den verschiedenen Flächen der Platte 30 befestigt sind.
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Die Gitter 31, 32, 33, 34, 35 sind aus einem härterem Metall als Aluminium, z.B. aus
Stahl.
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In jeder der vorgenannten Ausführungsformen können die in der Platte verankerten Teile
alternativ aus einem Lochblech 45 gebildet sein, wie in den Figuren 8 und 9. Das Blech
45 ist ein Blech aus hartem Metall, wie zum Beispiel Stahl, in welchem Öffnungen oder
Perforationen 46 ausgebildet sind, zum Beispiel mittels einer Presse.
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Wie bei dem Gitter kann man bedarfsweise die Perforationsdichte auf dem Blech 45
verändern, indem die Anzahl und/oder die Abmessungen der Perforationen örtlich verändert
werden.
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Zum Beispiel ist in Figur 12 ein perforiertes Blech 60 dargestellt, dessen
Perforationsdichte im zentralen Bereich aufgrund eines geringen Durchmessers der Perforationen 61
in diesem Bereich gering ist.
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Die in den Figuren 8 und 12 dargestellten Öffnungen haben eine Kreisform. Dennoch
können die Öffnungen verschiedene Formen haben, zum Beispiel viereckig, hexagonal
etc.
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Insbesondere mit Bezug auf Figur 1 betrifft die Erfindung auch ein Verfahren zum
Verbessern der Eigenschaften eines Strukturbauteils 1, insbesondere für ein Fahrzeug, mit
einer Platte 2, die aus einem ersten, verhältnismäßig leichten und weichen Metall oder
Metallegierung hergestellt ist.
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Dieses Verfahren korrespondiert mit dem Strukturbauteil gemäß der Erfindung.
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Gemäß der Erfindung umfaßt das Verfahren einen Schritt, der darin besteht, in einem
vorgegebenen, begrenzten Bereich einer der Flächen der Platte 2, ein Teil 3 in Form
eines Lochblechs oder eines Gitters aus einem gegenüber dem der Platte härteren zweiten
Metall oder einer solchen Metallegierung zu befestigen, wobei diese Befestigung durch
Kaltverformung erfolgt, derart, daß das Metall der Platte 2 in die Öffnungen des Teils 3
eindringt.
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Die vorgenannten Eigenschaften des Strukturbauteils gemäß der Erfindung sind auch für
das Verfahren gemäß der Erfindung gültig.
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Die Figuren 10 und 11 stellen eine vorteilhafte Ausführungsform des Verfahrens gemäß
der Erfindung dar. Die Platte 50, auf die dieses angewendet wird, wird einem klassischen
Verformungsvorgang unterzogen, um dieser eine vorbestimmte Form zu verleihen. Man
hat schematisch bei 51 den festen Teil der für diesen Vorgang verwendeten Presse und
bei 52 den beweglichen Teil der Presse dargestellt. Der Vorgang besteht zum Beispiel
hier darin, der anfänglich ebenen Platte 50 eine gebogen Form zu verleihen.
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In der vorliegenden Ausführungsform des Verfahrens gemäß der Erfindung findet die
Befestigung des Teils 53 in Form eines Gitters oder Lochblechs wahrend des
Verformungsvorganges statt.
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Somit wird in Figur 10 das Teil 53 auf der Platte 50 angeordnet, wobei diese selbst auf
dem festen Teil 51 der Presse angeordnet ist. Das Teil 53 und die Platte 50 haben somit
eine ebene Form.
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Der Pfeil 54 zeigt die Bewegungsrichtung des beweglichen Teils 52 gegen den festen
Teil 51 bei der Verformung an. Während der Verformung wird der Platte 50 wie auch
dem Teil 53 die gewünschte Krümmung verliehen und gleichzeitig wird das Teil 53 in die
Platte 50 eingelassen, um die vorstehend beschriebene Konfiguration zu erhalten.
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Das Ergebnis dieses Vorganges ist in Figur 11 dargestellt, wobei der Pfeil 55 die
aufsteigende Bewegung des Teils 52 angibt, das sich nach der Verformung wegbewegt.
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Einer der wesentlichen Vorteile des Strukturbauteils und des Verfahrens gemäß der
Erfindung ist, daß das verformte Teil auf der Platte den mechanischen Widerstand dieser
und somit des Strukturbauteils deutlich erhöht.
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Dennoch kann das Teil eine wesentlich geringere Dicke als die der Platte haben. Die
Verankerung des Teils in der Platte erhöht somit nicht das Gewicht des Bauteils in
nennenswerter Weise.
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Das Teil ist auf einem vorbestimmten, begrenzten Bereich der Oberfläche der Platte be
festigt. Dieser Bereich ist insbesondere in Abhängigkeit von den mechanischen
Spannungen, denen das Strukturbauteil während seiner Verwendung ausgesetzt sein könnte,
festgelegt.
Denn sehr häufig sind Spannungen nur an bestimmten Stellen des Bauteils
besonders stark.
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Die Wahl der Form des Teils und damit verbunden des mit dem Teil abzudeckenden
Bereichs der Platte gestatten, das Strukturbauteil in den Bereichen zu verstärken, die am
stärksten mechanischen Spannungen ausgesetzt sind, ohne damit die anderen Bereiche,
die den Spannungen weniger ausgesetzt sind, zu verstärken.
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So wollte man im Beispiel von Figur 1 die Gesamtheit des Innenabschnitts der Tür
verstärken, ohne deren Ecken noch deren Mittelteil zu verstärken. Im Gegensatz dazu hat
man im Beispiel aus Figur 2 insbesondere die Ecken, die vertikalen Ränder und das
Zentrum der Tür verstärkt. Figur 7 gibt ein Beispiel der Verstärkung des ganzen zentralen
Teils der Platte und ihrer Kanten.
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Zu diesem Vorteil kommt die Möglichkeit hinzu, mehrere getrennte Teile auf der
gleichen Platte zu befestigen oder auch die Perforationsdichte zu verändern. Diese letztere
Eigenschaft gestattet, insbesondere die Verstärkung der Platte zu optimieren, ohne das
Gewicht des Bauteils unnötigerweise zu erhöhen, indem die Perforationsdichte sehr viel
näher an die genauen Spannungen angepaßt wird, die in den vorbestimmten Bereichen
des Bauteils vorhergesehen sind.
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Die Erfindung kann in vorteilhafter Weise auf zahlreichen Gebieten verwendet werden,
wo ein großes mechanisches Widerstandvermögen und ein geringes Gewicht angestrebt
werden, wie bei Land-, Luft- und Wasserfahrzeugen oder auch bei einem Gebäude.
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Natürlich können zahlreiche Verbesserungen und Modifikationen an der Erfindung
herbeigeführt werden, ohne den Rahmen derselben zu verlassen.