DE10125117A1 - Lösbare Verbindung zwischen einem Bauteil und einem Anbauteil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine lösbare Verbindung zwischen einem Bauteil aus einer Aluminium-Legierung, insbesondere einem Zylinderkopf, und einem Anbauteil. Die Verbindung erfolgt mit Hilfe eines abschnittsweise in das Bauteil eingebetteten Befestigungselementes mit einem aus dem Bauteil herausragenden Befestigungsbereich, an dem das Anbauteil befestigbar ist. DOLLAR A Das Befestigungselement weist einen Einbettungsbereich auf, welcher mittels Reibschweißen in das Bauteil eingebettet ist, und ist im Übergangsbereich zwischen Einbettungsbereich und Befestigungsbereich mit einer Hinterschneidung versehen. Mit einem solchen Befestigungselement wird gegenüber bekannten lösbaren Verbindungen Raum im Bauteil eingespart und gleichzeitig eine hohe Festigkeit der Verbindung sichergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft eine lösbare Verbindung zwischen einem Bauteil aus einer Aluminium-Legierung, insbesondere einem Zy­ linderkopf, mit einem Anbauteil, unter Verwendung eines ab­ schnittsweise in das Bauteil eingebetteten Befestigungselemen­ tes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Verbindung zwischen Zylinderkopf und Abgaskrümmer in einem Kraftfahrzeug-Verbrennungsmotor wird bisher mittels eines beid­ seitig mit einem Gewinde versehenen Stehbolzens durchgeführt. Dazu ist der Zylinderkopf mit einer Bohrung mit einem Innenge­ winde versehen, in die der Stehbolzen zur Hälfte eingeschraubt wird. Auf die Bauteiloberfläche wird eine Dichtung aufgelegt und auf diese Dichtung der als Flansch ausgeführte Teil des An­ bauteiles, das dann mit einer auf den Stehbolzen geschraubten Mutter von hinten gesichert wird.

Bei diesen gattungsgemäßen Verbindungen sind zur Kraftaufnahme relativ tiefe Bohrungen in dem Zylinderkopf vorzusehen, was ei­ nerseits viel Platz im Zylinderkopf beansprucht und anderer­ seits zur Schwächung des Bauteils beiträgt. Ferner kann es beim Anziehen des Befestigungselements zu Unebenheiten der Bauteil­ oberfläche kommen, wenn die Schraube teilweise aus dem Gewinde herausgezogen wird.

Weiterhin ist diese bekannte Art der Verbindung aufwendig und kostenintensiv, da mehrere Arbeitsgänge wie Bohren und Gewinde­ schneiden durchgeführt werden müssen. Daher ist man bemüht, die Verbindung zu vereinfachen und vor allem die Anzahl der Ar­ beitsschritte zu verringern.

Aus der DE 199 27 369 ist bekannt, Elemente an Bauteilen mit­ tels Reibschweißung zu befestigen. Hier wird das Schweißelement dem Bauteil zugeführt, dabei in Rotation oder Schwingung ver­ setzt und unter Druckwirkung auf das Bauteil gestaucht. Eine solche Reibschweiß-Verbindung bietet jedoch nicht die erforder­ liche Festigkeit, um die hohen Kräfte aufzunehmen, die bei der Verschraubung von Zylinderkopf und Abgaskrümmer auftreten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine einfache und kostengünstige Verbindung zwischen Bauteil und Anbauteil vorzuschlagen, mittels derer Raum im Bauteil eingespart und gleichzeitig eine hohe Festigkeit der Verbindung sichergestellt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Haupt­ anspruchs gelöst.

Danach wird die Verbindung mittels eines Befestigungselementes durchgeführt, das durch Reibschweißen teilweise in das Bauteil eingebettet wird und das eine Hinterschneidung im Übergangsbe­ reich besitzt.

Diese Hinterschneidung nimmt den beim Reibschweißen entstehen­ den Wulst auf. Die Aufnahme der erweichten Aluminium-Legierung sorgt für eine Verklammerung von Bauteil und Befestigungsele­ ment und somit eine günstigere Verteilung der Kräfte im Einbet­ tungsbereich im Vergleich zur Schraubverbindung. Somit besitzt die erfindungsgemäße Verbindung hohe Festigkeit.

Durch die höhere Festigkeit der Verbindung kann das Befesti­ gungselement eine geringere Eindringtiefe in das Bauteil auf­ weisen als bei der herkömmlichen Schraubverbindung. So entsteht zusätzlicher Platz, der zur Optimierung der Geometrie des Bau­ teils, z. B. unter strömungstechnischen Gesichtspunkten, genutzt werden kann. Des weiteren wird die Festigkeit des Bauteils er­ höht.

Ferner entfällt bei der erfindungsgemäßen Verbindung in vor­ teilhafter Weise die Gefahr der Erzeugung von Unebenheiten der Bauteiloberfläche beim Anziehen des Befestigungselementes, da das Element im Vergleich zur Schraubverbindung fester eingebet­ tet und beim Verschrauben nicht herausgezogen wird.

Gegenüber der gattungsgemäßen Verbindung besitzt die erfin­ dungsgemäße Verbindung den weiteren Vorteil, dass verfahrensbe­ dingt ein Arbeitsgang entfallen kann, da die beiden Arbeitsgän­ ge Bohren und Gewindeschneiden durch einen einzigen Arbeits­ gang, das Reibschweißen, ersetzt werden können.

Einen weiteren Vorteil der erfindungsgemäßen Verbindung stellt die Reduktion von Kosten bei der Montage dar, da das Einmontie­ ren bzw. das Einschrauben des Befestigungselementes in das Bau­ teil entfällt.

Vorteilhafterweise ist das Befestigungselement aus Stahl. Beim Reibschweißen schmilzt der Stahl als das Material mit dem höhe­ ren Schmelzpunkt nicht auf, und der Bolzen kann daher formsta­ bil in die Aluminium-Legierung eindringen (Anspruch 2).

Alternativ zu einem näherungsweise kegelförmigen Einbettungsbe­ reich kann der Einbettungsbereich des Befestigungselementes nä­ herungsweise in Form einer Kugel ausgebildet werden. Ein Vor­ teil dieser Ausführungsform besteht darin, dass so ein sanfte­ rer Anlauf des Reibschweiß-Vorganges erreicht werden kann (An­ spruch 3).

Eine weitere günstige Ausführungsform des Einbettungsbereiches ist eine näherungsweise zylindrische Geometrie. Deren Vorteil besteht darin, dass für das Befestigungselement aus der Kaltum­ formtechnik für Schrauben bereits vorhandene Profile verwendet werden können (Anspruch 4).

Zweckmäßigerweise wird eine Ansenkung der Oberfläche des Bau­ teils vorgesehen, so dass der beim Reibschweißen entstehende Wulst zusätzlich aufgenommen werden kann, was zur Ebenheit der Bauteiloberfläche beiträgt (Anspruch 6).

Weiterhin kann das Befestigungselement im Bereich zwischen Be­ festigungsbereich und Hinterschneidung mit einer schulterförmi­ gen Verbreiterung versehen werden. So wird bei geringerer Ein­ dringtiefe durch die vergrößerte Auflagefläche auf der Oberflä­ che des Bauteils die Festigkeit der Verbindung erhöht. Die Schulter sorgt ferner dafür, dass das aufgeschmolzene Material des Zylinderkopfes in die Hinterschneidung gedrückt wird (An­ spruch 7).

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausfüh­ rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch die Verbindungsebene zwischen einem Bauteil und einem Anbauteil mit erfindungsgemäßem Be­ festigungselement,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Befestigungsele­ mentes mit kugelförmigen Einbettungsbereich,

Fig. 3 eine alternative Ausführungsform des Befestigungsele­ mentes mit zylindrischem Einbettungsbereich und

Fig. 4 die Herstellung der Verbindung zwischen Bauteil und Be­ festigungselement.

• a) Aufsetzen des Befestigungselementes auf das Bauteil
• b) Reibschweiß-Vorgang
• c) Endgültige Lage des Befestigungselementes.

In Fig. 1 ist die lösbare Verbindung zwischen einem Bauteil 1, in diesem Falle einem Zylinderkopf 2, und einem Anbauteil 3, in diesem Falle einem Abgaskrümmer 4, mit Hilfe eines Befesti­ gungselementes 5 aus Stahl dargestellt. Das Befestigungselement 5 ist rotationssymmetrisch und besteht aus drei Bereichen: Zum einen besitzt es einen Einbettungsbereich 6, der durch Reib­ schweißen vollständig in das Bauteil 1 eingebettet ist. Der Einbettungsbereich 6 ist in diesem Ausführungsbeispiel nähe­ rungsweise in Form eines Kegelstumpfes 7 ausgestaltet. Zur Be­ festigung eines als Flansch ausgeführten Bereichs 8 des Anbau­ teils 3 mit einer dazwischenliegenden Dichtung 9 dient ein Be­ festigungsbereich 10 des Befestigungselementes 5, der hier mit einem Gewinde 11 zur Aufnahme einer Mutter 12 versehen ist. Zwischen Einbettungsbereich 6 und Befestigungsbereich 10 be­ sitzt das Befestigungselement 5 einen Übergangsbereich 13. In diesem Bereich 13 weist das Befestigungselement 5 eine Hinter­ schneidung 14 sowie eine Schulter 15 auf, die eine breitere Auflagefläche des Befestigungselementes 5 auf der Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 2 bewirkt. Eine den Übergangsbereich 13 auf dem Bauteil 1 umgebende Einsenkung 17 stellt sicher, dass die Schulter 15 vollständig in das Bauteil 1 eingesenkt ist und so­ mit die Dichtung 9 nicht beeinträchtigt.

Im folgenden wird die Herstellung des Verbindungsbereiches be­ schrieben.

Vor dem Vorgang des Reibschweißens wird die Oberfläche 16 des Zylinderkopfes 2 im Verbindungsbereich mit der zylindrischen Einsenkung 17 versehen, die einen größeren Durchmesser als das Befestigungselement 5 bzw. die schulterförmige Verbreiterung 15 des Befestigungselementes 5 besitzt.

Beim Reibschweißen wird das Befestigungselement 5 mit dem Ein­ bettungsbereich 6 auf die Einsenkung 17 des Zylinderkopfes 2 aufgesetzt und unter Druck in Richtung seiner Längsachse 18 ge­ setzt. Das Befestigungselement 5 wird in Drehungen um seine Längsachse 18 oder in Schwingungen versetzt, so dass durch die bei der Reibung zwischen Befestigungselement 5 und Zylinderkopf 2 entstehende Wärme der Werkstoff mit dem niedrigeren Schmelz­ punkt, in diesem Fall die Aluminium-Legierung, aus der der Zy­ linderkopf 2 besteht, in der Umgebung der Oberfläche 16 aufge­ schmolzen wird und eine teigige Konsistenz erhält. Der aufge­ schmolzene Bereich muss mindestens so groß sein wie der Einbet­ tungsbereich 6 des Befestigungselements 5, damit dieser voll­ ständig darin eingebettet werden kann. Der Einbettungsbereich 6 wird derart in den Zylinderkopf 2 eingebettet, dass das Befes­ tigungselement 5 mit seiner Schulter 15 auf der Oberfläche 22 der Einsenkung 17 aufliegt. Das erweichte Material, das von dem Einbettungsbereich 6 des Befestigungselementes 5 aus dem Zylin­ derkopf 2 verdrängt wird, fließt sowohl in die Hinterschneidung 14 des Befestigungselementes 5 als auch in den Bereich der Ein­ senkung 17 außerhalb der Auflagefläche der Schulter 15 des Be­ festigungselementes 5, wo es sich als Schweißwulst 19 anlagert.

Nach dem Erkalten der Schmelze und dem Erhärten der Aluminium- Legierung besteht eine unlösbare Verbindung zwischen Befesti­ gungselement 5 und Zylinderkopf 2. Die Verbindung erhält zu­ sätzliche Festigkeit durch die innere Spannung des erkalteten Materials im Bereich der Hinterschneidung 14, das eine Klammer­ wirkung ausübt. Verfahrensparameter und Geometrie des Einbet­ tungsbereiches 6 sind so dimensioniert und auf das Material des Zylinderkopfes 2 abgestimmt, dass das Befestigungselement 5 so tief in den Zylinderkopf 2 eingebettet wird, dass es mit seiner Schulter 15 auf der Oberfläche 22 der Einsenkung 17 aufliegt.

Nach dem Reibschweißvorgang und einer eventuell erforderlichen Nachbehandlung der Oberfläche 16 wird die Dichtung 9 aufgelegt. Darauf wird der als Flansch ausgebildete Bereich 8 des Ab­ gaskrümmers 4 aufgesetzt. Abschließend erfolgt eine Sicherung der Verbindung mit der Mutter 12 hinter dem Flanschbereich 8 des Abgaskrümmers 4, die auf den Befestigungsbereich 10 des Be­ festigungselementes 5 aufgeschraubt wird.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform des Befestigungs­ elementes 5, bei der der Einbettungsbereich 6 näherungsweise in Form einer Kugel 20 ausgebildet ist.

Fig. 3 zeigt eine dritte Ausführungsform des Befestigungsele­ mentes 5. Hier ist der Einbettungsbereich 6 näherungsweise in Form eines Zylinders 21 ausgebildet.

In Fig. 4 ist in drei Schritten das Einbetten des Befestigungs­ elementes 5 in das Bauteil 1 mittels Reibschweißen dargestellt.

Fig. 4a) zeigt, wie das Befestigungselement 5 mit seinem Ein­ bettungsbereich 6, der hier in Form einer Kugel 20 ausgeführt ist, auf die Einsenkung 17 des Bauteils 1 aufgesetzt wird. Wie in Fig. 4b) dargestellt, wird das Befestigungselement 5 in Ro­ tation um seine Längsachse versetzt und in Richtung des Bau­ teils 1 geschoben. Durch die dabei erzeugte Reibungswärme wird das Material des Bauteils 1 im Berührungsbereich aufgeweicht. Das aufgeschmolzene, von dem Einbettungsbereich 6 des Befesti­ gungselementes 5 aus dem Bauteil 1 verdrängte Material wird von der schulterförmigen Verbreiterung 15 sowohl in die Hinter­ schneidung 14 gedrückt als auch unterhalb der Oberfläche 16 des Bauteils 1 gehalten. Fig. 4c) zeigt die endgültige Anordnung des Befestigungselements 5. Durch die schulterförmige Verbrei­ terung 15 des Befestigungselementes 5 ist die Hinterschneidung 14 komplett mit Material ausgefüllt und der Schweißwulst 19 be­ findet sich unterhalb der Oberfläche 16 des Bauteils 1.

Die oben beschriebene lösbare Verbindung ist nicht beschränkt auf die Verbindung zwischen einem Zylinderkopf 2 und einem Ab­ gaskrümmer 4, sondern ist darüber hinaus als Verbindung zwi­ schen beliebigen anderen Bauteilen und Anbauteilen verwendbar.

Beschrieben wurde die Werkstoffkombination zwischen Aluminium­ legierung für den Zylinderkopf 2 und Stahl für das Befesti­ gungselement 5. Vorstellbar sind auch andere Kombinationen von Werkstoffen, die sich durch Reibschweißen miteinander verbinden lassen. Insbesondere sollte der Werkstoff des Befestigungsele­ mentes 5 eine höhere Festigkeit besitzen als der Werkstoff des Bauteils 1.

Neben den vorgestellten günstigen Ausführungsformen des Einbet­ tungsbereiches 6 des Befestigungselementes 5 als Kugel 20, Ko­ nus 7 oder Zylinder 21 sind auch andere Geometrien für diesen Bereich denkbar.

Neben dem in Fig. 1 dargestellten zylindrischen Einsenkungsbe­ reich 17 zur Aufnahme der Schulter 15 des Befestigungselementes 5 sowie des Schweißwulstes 19 kann der Einsenkungsbereich 17 - je nach Anwendungsfall - anders gestaltet sein, oder es kann auf den Einsenkungsbereich 17 ggf. auch verzichtet werden.

Die schulterförmige Verbreiterung 15 des Befestigungselementes 5, die in diesem Ausführungsbeispiel vorgesehen ist, kann auch eine andere geometrische Form besitzen. Weiterhin ist auch der Wegfall dieser Verbreiterung oder eine andere Ausformung dieses Bereiches des Befestigungselementes 5 möglich.

In der Beschreibung der beispielhaften Ausführungsform wird da­ von ausgegangen, dass der Befestigungsbereich 10 des Befesti­ gungselementes 5 mit einem Gewinde 11 versehen ist. Dies muss nicht notwendigerweise der Fall sein, denkbar sind auch andere Ausführungen des Befestigungsbereiches 10.

Claims (7)

1. Lösbare Verbindung zwischen einem Bauteil aus einer Alumi­ nium-Legierung, insbesondere einem Zylinderkopf, und einem An­ bauteil, unter Verwendung eines abschnittsweise in das Bauteil eingebetteten Befestigungselementes mit einem Befestigungsbe­ reich, an dem das Anbauteil befestigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) einen Einbettungsbereich (6) aufweist, welcher mittels Reibschweißen in das Bauteil (1) ein­ gebettet ist, und in einem Übergangsbereich (13) zwischen Ein­ bettungsbereich (6) und Befestigungsbereich (10) mit einer Hin­ terschneidung (14) versehen ist.

2. Lösbare Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) ein Bolzenelement aus Stahl ist.

3. Lösbare Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbettungsbereich (6) des Befestigungselementes (5) näherungsweise kugelförmig ausgebildet ist.

4. Lösbare Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) einen näherungsweise zylind­ risch ausgebildeten Einbettungsbereich (6) aufweist.

5. Lösbare Verbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Einbettungsbereich (6) des Befestigungselementes (5) näherungsweise konisch mit sich vom Übergangsbereich (13) weg vergrößerndem Querschnitt ausgebildet ist.

6. Lösbare Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bauteiloberfläche (16) eine Einsenkung (17) mit ei­ nem größeren Durchmesser als dem des Befestigungselementes (5) vorgesehen ist, welche einen beim Reibschweißen entstehenden Wulst (19) aufnimmt.

7. Lösbare Verbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) eine schulterförmige Verbrei­ terung (15) zwischen dem Befestigungsbereich (5) und der Hin­ terschneidung (14) aufweist, die auf der Oberfläche (16) des Bauteils (1) oder auf der Oberfläche (22) der Einsenkung (17) aufliegt.