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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verfahren zur Herstellung einer Schiebeverbindung
bestehend aus einem Außenteil
und einem darin einschiebbaren, korrespondierenden Innenteil eines
wenigstens zweiteiligen Gestänges,
vorzugsweise einer Lenksäule,
wobei das Außen-
und Innenteil durch plastische Verformung im wesentlichen spielfrei
an Berührungsflächen anliegend
verbunden werden.
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Eine
derartige Schiebeverbindung mit Außenteil und Innenteil wird
beispielsweise eingesetzt, um die Bauteile einer Drehmoment übertragenden Welle,
wie beispielsweise einer Lenksäule,
miteinander zu verbinden. Die Außen- und Innenteile weisen Berührungsflächen auf,
die in der Regel mit Profilen versehen sind. Dabei hat die Berührungsfläche des Außenteils
ein Innenprofil, welches mit dem Außenprofil der Berührungsfläche des
Innenteils korrespondiert. Insbesondere bei einem Gestänge, welches Drehmoment übertragen
soll, ist es erforderlich, die Berührungsflächen mit einem Längsprofil
wie z. B. einer Längsverzahnung
zu versehen, damit die Bauteile sich beim Drehen nicht lösen. Darüber hinaus
darf die Schiebeverbindung in Drehrichtung kein Spiel aufweisen.
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Bei
einer Lenksäule
beispielsweise dienen derartige Schiebeverbindungen dazu, die Sicherheit des
Fahrers bei einem Unfall zu erhöhen.
Insbesondere bei einem Unfall, bei dem der Körper des Fahrers auf die Lenksäule geschleudert
wird, darf die Schiebeverbindung nur bis zu einem maximalen Wert des
Haftreibungswiderstandes in Längsrichtung
starr sein. Steigt der Druck auf die Berührungsflächen der Schiebeverbindung über diesen
Haftreibungswiderstand hinaus an, schieben sich die Bauteile ineinander.
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Der
maximale Haftreibungswiderstand hängt im wesentlichen von der
Größe der aneinander
liegenden Berührungsflächen ab.
Um möglichst
gleichbleibende und sichere Werte des maximalen Haftreibungswiderstandes
bei serienmäßig hergestellten Schiebeverbindungen
zu erreichen, sind die Anforderungen an die Genauigkeit der Berührungsflächen sehr
hoch, insbesondere an die des Passsitzes der Profilflächen. Um
einen bestimmten Wert des Haftreibungswiderstandes dabei einstellen
zu können,
sind große
Genauigkeitsanforderungen auch an die Flächengröße und damit an das Profil
der aneinander liegenden Berührungsflächen zu
stellen.
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Der
Haftreibungswiderstand ist nicht nur von der Größe der aneinander anliegenden
Berührungsflächen sondern
auch von der deren Oberflächenbeschaffenheit
abhängig.
Die Querschnitte der ineinander verschiebbaren Abschnitte der beiden
Bauteile können
unterschiedliche Formen haben, wie beispielsweise die eines flachen
Ovals, eines Drei- oder Mehrecks
oder auch eines Kreuzes oder Kleeblattes (vergleiche dazu die
US-PS 4,622,840 ).
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Es
ist bekannt, das Innenprofil eines metallischen Hohlprofils, welches
beispielsweise als Längsverzahnung
ausgeführt
sein kann, durch Rundkneten über
einen entsprechend profilierten Dorn zu erzeugen. Es ist weiterhin
bekannt, das Außenprofil
eines metallischen Hohlprofils durch ein entsprechend geformtes
Rundknetwerkzeug zu erzeugen. Wird jedoch eine aus zwei korrespondierende,
ineinander verschiebbare Bauteilen hergestellte Schiebeverbindung
benötigt,
sind Genauigkeitsanforderungen zu beachten, die durch Maßabweichungen
und herstellungsbedingten Unterschieden bei der Erzeugung der Bauteile
als Einzelstücke
nicht erreicht werden können.
Schiebeverbindungen werden daher paarweise hergestellt.
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Aus
der
DE 1934339 ist eine
dauerhafte Verbindung zweier Wellenteile zur Drehmomentübertragung
offenbart, wobei durch Kaltverformung die äußeren Bauteilen unter plastischer
Materialverformung an die inneren Bauteile angepresst werden. In einer
hydraulischen oder andersartigen Presse wird ein starker radialer
Druck auf mindesten einen wesentlichen Umfangsteil des äußeren Bauteils
ausgeübt,
während
das innere Bauteil mit seiner auf der Berührungsfläche ausgebildeten Verzahnung
in dem äußeren Bauteil
einsitzt. Dies erfolgt beispielsweise durch Pressen oder durch Rundkneten.
Das äußere Teil
wird so über
die Verzahnung der Berührungsfläche des
inneren Bauteils gepresst, bis die Berührungsfläche des äußeren Bauteils die korrespondierende
Verzahnung aufweist. Das Verzahnungsprofil des inneren Bauteils
wird so durch Reduzierung des Querschnitts des äußeren Bauteils auf die Berührungsfläche des
inneren Bauteils eingeprägt.
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Bei
der Herstellung dieser Verbindungen hat es sich gezeigt, dass die
Verringerung des Querschnitts häufig
zu unerwünschten
Formfehlern führt, da
die Verkleinerung einer Oberfläche
im Allgemeinen mit Faltenbildungen und Einschlüssen einhergeht. Diese Formfehler
führen
dazu, dass die Werte des Haftreibungswiderstandes unzureichend genau bestimmt
werden können
und die Genauigkeitsanforderungen einer Schiebeverbindung, auch
hinsichtlich des Spiels, nicht erreicht werden. Auch führen derartige
Materialfehler zu einer mangelhaften Oberflächenbeschaffenheit der Berührungsfläche des äußeren Bauteils.
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Da
die Form der aneinander gleitenden Flächen sehr hohen Genauigkeitsanforderungen
entsprechen muss, um einen definierten Haftreibungswiderstand zu
erzielen, ist die Herstellung dieser Schiebeverbindungen aufwendig
und teuer. Bei der paarweise Herstellung ist dabei zu beachten,
dass der Haftreibungswiderstandes zuverlässig einzustellen ist.
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Aus
der
DE 195 26 769
A1 ist des Weiteren ein Verfahren zum Herstellen einer
Schiebeverbindung für
eine stoßabsorbierende
Lenkwelle bekannt, mit einem Außenteil
in Form einer äußeren Welle
und einem Innenteil in Form einer darin einschiebbaren inneren Welle,
wobei das Außen-
und Innenteil durch plastische Verformung an Berührungsflächen in Form von zueinander
korrespondierenden Längsverzahnungen
anliegend durch Presssitz verbunden werden. Durch diese Maßnahme sind äußere und
innere Welle zur Übertragung
einer Drehkraft miteinander gekuppelt und lassen keine relative
Versatzbewegung zu, solange nicht eine starke Kraft aufgebracht
wird.
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Die
DE 42 11 959 A1 beschreibt
ferner eine Rohrverbindung, bei der eine Profilierung eines Innenrohres
im Zuge des Einpressens desselben in ein profiliertes Hülsenelement
erzeugt wird.
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Schließlich ist
es aus der
US 4 635 333 bekannt,
mittels eines hydraulischen Systems Rohre aufzuweiten.
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Aufgabe
der Erfindung ist nunmehr die vorstehenden Nachteile zu überwinden
und ein weiter verbessertes Verfahren zur Herstellung einer Schiebeverbindung
zur Verfügung
zu stellen, mit dem korrespondierende Profile an den Berührungsflächen der
Bauteilen zuverlässig
erzeugt werden können und
an den Schiebeverbindungen ein definierter Wert des Haftreibungswiderstandes
eingestellt werden kann, wobei die Bauteile im wesentlichen spielfrei miteinander
verbunden werden, so dass sie bei Überschreiten des Haftreibungswiderstandes
zuverlässig ineinander
verschiebbar sind.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe dadurch gelöst,
dass die Berührungsfläche des
Außenteils
mit einem Innenprofil, vorzugsweise einer Längsverzahnung versehen wird,
dass das Innenteil im Außenteil aufgeweitet
wird, dass das Innenprofil des Außenteils korrespondierend auf
die Berührungsfläche des
Innenteils als Außenprofil
aufgeprägt
wird und dass das Innenteil und/oder das Außenteil während der plastischen Verformung
vorzugsweise oszillierend bewegt werden.
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Vorteil
des erfindungsgemäßen Verfahren
ist es, dass das Außenteil
zunächst
mit einem Innenprofil ausgestaltet wird und danach ein eingeschobenes Innenteils
durch Aufweiten an das Innenprofil angepasst wird. Dazu wird das
Innenteil in das Außenteil eingeschoben.
Es weist dazu vorzugsweise einen etwas kleineren Querschnitt auf
als der kleinste Innendurchmesser des Außenteils. Das Innenteil wird dann
im Außenteil
aufgeweitet. Dabei vergrößert sich die
Berührungsfläche des
Innenteils und wird unter ständiger
Vergrößerung an
die profilierte Berührungsfläche des
Außenteils
gepresst. Die Berührungsfläche des
Innenteils legt sich somit stetig an die Berührungsfläche des Außenteils an. Unerwünschte Bildung
von Falten oder Einschlüssen,
die beim Schrumpfen entstehen, werden so vorteilhafterweise vermieden.
Durch das Aufweiten wird erreicht, dass die Berührungsflächen genau aneinander anliegen
und der Haftreibungswiderstand der Schiebeverbindung durch Wahl
der Flächengröße, -form
oder Profil zuverlässig
einstellbar ist. Als besonders vorteilhaft hat es sich ferner erwiesen,
dass das Innenteil und/oder das Außenteil vorzugsweise oszillierend bewegt
werden. Durch die Bewegung wird verhindert, dass sich die Materialien
der Bauteile verbinden. Dies hätte
zur Folge, dass ein Haftreibungswiderstand nicht einstellbar wäre, da aneinander
haftende Berührungsflächen bei
der Materialverschmelzung aufgelöst
würden.
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Bevorzugte
Verfahrensvarianten werden dadurch erreicht, dass das Innenteil
durch hydraulische und/oder mechanische Mittel vorzugsweise analog dem
Verfahren des Innenhochdruckumformens aufgeweitet wird. Vorteilhafterweise
können
beim Aufweiten des Innenteils diese auf anderen Gebieten des Aufweitens
bekannte Techniken Verwendung finden.
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Um
eine unerwünschte
Materialverschmelzung beim Aufweiten noch besser zu verhindern,
ist erfindungsgemäß vorgesehen
beim Aufweiten des Innenteils eine Trennschicht zwischen den Berührungsflächen einzupressen.
Hierdurch kann darüber hinaus
auch der Haftreibungswiderstand besser eingestellt werden, indem
für die
Trennschicht entsprechendes Material vorgesehen wird.
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Es
hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass zur Erzeugung der Trennschicht
wenigstens eine Berührungsfläche vor
dem Aufweiten mit einem Pulver-, Flüssigkeits- oder Folienauftrag
vorzugsweise aus Kunststoff versehen wird, welcher beim Aufweiten zwischen
den Berührungsflächen eingepresst
wird. Es wird damit erreicht, dass eine vorbestimmte Menge des Materials
an den Berührungsflächen vorhanden
ist, um diese beim Aufweiten voneinander zu trennen. Darüber hinaus
sind für
die Trennschicht auch Materialien vorstellbar, die Keramiken oder
Metalle umfassen.
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Eine
bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird dadurch
bereitgestellt, dass das Innenteil eine bessere Verformbarkeit aufweist, als
die prägende
Berührungsfläche des
Außenteils. Vorteilhafterweise
kann das Innenprofil des Außenteils
als gehärtete
Schicht ausgestaltet sein. Möglich ist
auch, dass das Material des Außenteils
geringere Verformbarkeit aufweist als das Material des Innenteils.
Hierdurch ist es möglich
mit geringem Aufwand die Aufweitung des Innenteils zu erzeugen,
ohne das Außenteil
zu verformen. Desweiteren verteilt sich das Material des Innenteils
beim Aufweiten, während
es an das Profil der Berührungsfläche des
Außenteils gepresst
wird, leichter. Beim Aufweiten wird die Berührungsfläche und damit die Oberfläche des
Innenteils vergrößert und
das Material gedehnt. Eine bessere Verformbarkeit verhindert, dass
beim Aufdehnen des Materials Risse entstehen.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
kann kalt durchgeführt
werden, wobei vorzugsweise Stahl verarbeitet werden kann. Bei anderen
Materialien, wie beispielsweise Magnesium, werden Außenteil
und Innenteil während
des Aufweitens vorteilhafterweise erwärmt.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt. Es zeigen
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1 eine
schematische Schnittansicht durch die Längsachse einer Schiebeverbindung
vor dem Aufweiten;
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2a eine
Schnittansicht entlang der Linie I-I der in 1 dargestellten
Schiebeverbindung senkrecht zu Längsachse;
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2b eine
fertige Schiebeverbindung mit aufgeweiteten Innenteil im Schnitt
senkrecht zu Längsachse.
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In 1 ist
eine schematische Schnittansicht durch die Längsachse einer Schiebeverbindung 1 vor
dem Aufweiten dargestellt. Die Schiebeverbindung 1 weist
ein Außenteil 2 und
ein Innenteil 3 auf. Die Darstellung zeigt die beiden Bauteile
bevor das Innenteil 3 aufgeweitet wird. Das Außenteil 2 weist eine
Berührungsfläche 4 mit
einem Innenprofil 5 auf. Das Innenteil 3 weist
eine Berührungsfläche 6 auf. Ein
Dorn 7 mit zwei Aufweitbereichen 8 ist einseitig
in das Innenteil 3 eingeführt und weitet das Innenteil 3 gegen
das Außenteil 2 auf,
wobei die Berührungsflächen 4, 6 der
beiden Bauteile in Anlage gebracht werden. Die Berührungsfläche 6 wird
in das Innenprofil 5 des Außenteils 2 eingepresst.
Dabei erhält
sie ein mit dem Innenprofil 5 korrespondierendes Außenprofil. Dieser
mit einer Prägung
vergleichbare Vorgang ist in der Darstellung nicht gezeigt.
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In 2a ist
eine Schiebeverbindung 1 im Schnitt durch die Ebene I-I
dargestellt. Dabei sind die beiden Bauteile ineinander geschoben,
jedoch noch nicht miteinander verbunden. Das Innenteil 3 ist
mit dem darin befindlichen Dorn 7 im Außenteil 2 eingeschoben.
Beim Aufweiten wird das Innenteil 3 mit seiner Berührungsfläche 6 radial
gedehnt, so dass es an die Berührungsfläche 4 des
Außenteils 2 gepresst wird
und das Innenprofil 5 des Außenteils 2 auf die Berührungsfläche 6 des
Innenteils 3 abgebildet wird.
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Diese
Prägung
erzeugt auf der Berührungsfläche 6 des
Innenteils 3 ein korrespondierendes Außenprofil 9, welches
im wesentlichen spielfrei an der Berührungsfläche des Außenteils 2 anliegt.
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In 2b ist
die fertige Schiebeverbindung 1 mit aufgeweiteten Innenteil 3 dargestellt.
Die Berührungsflächen 4, 6 liegen
aneinander an und das Innenprofil 5 des Außenteils 2 ist
in das Innenteil 3 eingeprägt worden. Das Außenprofil 9 korrespondiert somit
vollständig
mit dem Innenprofil 4.
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Die
dargestellten Figuren zeigen einen Dorn 7 zum Aufweiten
des Innenteils 3. Verfahren mit anderen mechanische Mittel
zum Aufweiten sind ebenso von der Erfindung umfasst. Beispielhaft
sind hier hydraulische Mittel, insbesondere Innenhochdruckumformung
zu nennen.
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- 1
- Schiebeverbindung
- 2
- Außenteil
- 3
- Innenteil
- 4
- Berührungsfläche
- 5
- Innenprofil
- 6
- Berührungsfläche
- 7
- Dorn
- 8
- Aufweitbereiche
- 9
- Außenprofil
- I-I
- Ebene