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Die
Erfindung betrifft einen Achsschenkel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Achsschenkels nach Patentanspruch
11.
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In
einem Kraftfahrzeug nimmt der Achsschenkel das Rad auf und ist an
die Fahrzeugkarosserie angebunden. Handelt es sich um ein gelenktes Rad,
so erfolgt die Karosserieanbindung über Achslenker, und der Achsschenkel
ist um die Lenkachse schwenkbar. Weiterhin weist der Achsschenkel
einen Lagerzapfen auf, an welchem das Rad mittels Lagern drehbar
befestigt ist. Aufgrund der hohen Radaufstandkräfte kommt es beim Achsschenkel
zu einer hohen mechanischen Beanspruchung des Lagerzapfens am Übergang
zur Lageranlageschulter, so dass das Bauteil aus einem hochwertigen
Werkstoff gefertigt werden oder lokalen Gefügeveränderungen zur Erhöhung der
Beanspruchbarkeit unterzogen werden muss.
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Bekannte
Achsschenkel dieser Art sind als einstückige Bauteile ausgeführt, die
beispielsweise durch ein Schmiedeverfahren aus einem Stahlwerkstoff
hergestellt sind. Diese weisen jedoch fertigungstechnische Nachteile
auf, da das Schmieden eines solchen komplexen Bauteils mit hohen
Kosten für Werkzeuge
und die Herstellung verbunden ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Achsschenkel sowie ein
Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, welcher den hohen
Beanspruchungen im Betrieb standhalten kann und sich durch eine
kostengünstige
Fertigung herstellen lässt.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale der Patentansprüche
1 und 11 gelöst.
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Danach
wird ein geteilter Achsschenkel vorgeschlagen mit einem Achsschenkelgrundkörper und dem
Lagerzapfen, welcher eine entsprechende zylindrische Öffnung in
dem Achsschenkelgrundkörper durchragt,
wobei der Lagerzapfen ein Zapfenteil und ein Gegenstück umfasst,
welche durch ein Pressschweißverfahren
innerhalb der Öffnung
miteinander verbunden sind. So ist das komplexe Bauteil Achsschenkel
aus zwei einzelnen Bauteilen zusammengesetzt, die jeweils für sich eine
einfachere Geometrie aufweisen und vor dem Zusammenbau getrennt gefertigt
und bearbeitet werden können.
Daher ist das Gesamtbauteil einfacher und kostengünstiger herzustellen.
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Vorteilhafterweise
wird als Pressschweißverfahren
ein Reibschweißverfahren
gewählt.
Dies ist besonders gut zur Verbindung der hier vorliegenden rotationssymmetrischen
Bauteile geeignet (Anspruch 2).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Öffnung des Achsschenkelgrundkörpers auf
der dem Zapfenteil zugewandten Seite eine Verbreiterung zur Aufnahme
des Schweißwulstes
auf. Auf diese Weise kann die Ausbreitung des beim Reibschweißen entstehenden
Schweißwulstes
gezielt eingegrenzt und der Schweißwulst zusätzlich für die mechanische Verklammerung
des Achsschenkelgrundkörpers
mit dem Achszapfen verwendet werden (Anspruch 3).
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Vorteilhafterweise
weist das Zapfenteil gegenüber
der Öffnung
des Achsschenkelgrundkörpers eine
Presspassung auf. So können
die im Betrieb in den Achsschenkel eingeleiteten Beanspruchungen besser
aufgenommen und über
die Länge
der Öffnung
verteilt werden (Anspruch 4).
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Vorteilhafterweise
besteht der Achsschenkelgrundkörper
aus einem Gusswerkstoff oder ist alternativ als Schmiedeteil aus
einer Aluminium-Knetlegierung ausgeführt. Weiterhin besteht vorteilhaft der
Lagerzapfen aus einem Stahlwerkstoff. So kann eine Gewichtsersparung
gegenüber
einem einstückigen
Achsschenkel erzielt werden, indem der Grundkörper aus einem leichten Material
hergestellt wird, welches nicht schweißbar sein muss, während der stark
beanspruchte Zapfen aus einem hochwertigen, für zusätzliche, die Festigkeit in
den besonders beanspruchten Bereichen lokal erhöhende Maßnahmen geeigneten Werkstoff
besteht (Ansprüche
5 bis 7).
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In
einer Ausgestaltung weist das Gegenstück auf seiner von der Öffnung abgewandten
Stirnseite eine Montage-Ausnehmung auf. So kann die Geometrie des
Achsschenkels dem vorhandenen Bauraum mit einfachen Mitteln optimal
angepasst werden (Anspruch 8).
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Vorteilhafterweise
ist innerhalb der Öffnung wenigstens
ein Vorsprung vorgesehen, der beim Reibschweißen mit dem erweichten Material
von Zapfenteil und/oder Gegenstück
einen Formschluss bildet. Auf diese Weise wird eine zusätzliche
mechanische Verklammerung der Einzel-Bauteile miteinander und eine
hohe Festigkeit des Achsschenkels erreicht (Anspruch 9).
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Es
ist vorteilhaft, dass das Zapfenteil eine Schulter aufweist, mit
der es in Zusammenbaulage an einer an die Öffnung angrenzenden Anlagefläche am Achsschenkelgrundkörper anliegt.
Auch durch diese Maßnahme
wird die mechanische Verklammerung der Bauteile erhöht (Anspruch
10).
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Weiterhin
wird ein Verfahren zum Herstellen eines Achsschenkels aus einem
Achsschenkelgrundkörper
mit einer näherungsweise
rotationssymmetrischen Öffnung
und einem Lagerzapfen vorgeschlagen. Der Lagerzapfen umfasst ein
Zapfenteil und ein Gegenstück.
Zunächst
wird das Zapfenteil von einer Seite in die Öffnung eingesetzt. Danach wird
von der anderen Seite das Gegenstück in die Öffnung eingebracht und mit
seiner Stirnfläche
zumindest bereichsweise in Kontakt mit der Stirnfläche des
Lagerzapfens gebracht. Im letzten Verfahrensschritt werden Gegenstück und Zapfenteil
durch ein Pressschweißverfahren
innerhalb der Öffnung
unlösbar
miteinander verbunden (Anspruch 11).
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In
einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Reibschweißens das
Gegenstück
in Rotation versetzt und in Richtung seiner Längsachse verschoben, während das
Zapfenteil innerhalb der Öffnung
fixiert bleibt. So wird zum einen eine einfache Verfahrensführung realisiert,
da nur ein Bauteil mit einer einfachen Geometrie in Rotation versetzt werden
muss. Zum anderen kann so das Zapfenteil schon vor dem Reibschweißen in die Öffnung eingepresst
werden (Anspruch 13).
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Weiterhin
kann das Reibschweißen
erfolgen, indem zunächst
durch Rotation die Stirnbereiche von Gegenstück und Zapfenteil erweicht
werden und dann das Gegenstück
und/oder das Zapfenteil ohne Rotationsbewegung in Richtung seiner
Längsachse verschoben
wird, bis es mit einer stirnseitigen Anlageschulter an einer Anlagefläche am Radträgergrundkörper anliegt.
Dies ermöglicht
eine präzise Verbindung
von Zapfenteil und Gegenstück
mit einer hohen Beanspruchbarkeit des Verbindungsbereichs (Anspruch
14).
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Weitere
Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und
der Beschreibung hervor.
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In
den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele
näher erläutert. Es zeigen
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1 eine
Prinzipskizze des Achsschenkels vor dem Zusammenbau und dem anschließenden Reibschweißen,
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2 eine
Prinzipskizze des Achsschenkels nach dem Reibschweißen,
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3 eine
Schnittdarstellung des fertigen Achsschenkels,
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4 einen
Achsschenkel an einer Starrachse eines Kraftfahrzeugs sowie
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5 einen
Achsschenkel an einer Einzelradaufhängung eines Kraftfahrzeugs.
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1 zeigt
eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Achsschenkels 1.
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Ein
Achsschenkel 1 nimmt in einem Kraftfahrzeug ein hier nur
angedeutet dargestelltes Rad 5 des Fahrzeuges an einem
Lagerzapfen 3 drehbar gelagert auf. Weiterhin ist der Achsschenkel 1 an
der Karosserie des Fahrzeugs angebunden. 1 zeigt den
geteilten Achsschenkel 1 in einem Zustand vor seinem Zusammenbau.
Der Achsschenkel 1 umfasst in diesem Zustand drei einzelne
Bauteile: Zunächst den
Achsschenkelgrundkörper 7,
welcher an der Karosserie angebunden ist und eine näherungsweise rotationssymmetrische Öffnung 9 aufweist.
In dieser Öffnung 9 befindet
sich im Zusammenbauzustand der Lagerzapfen 3. Auf einer
vom Rad 5 abgewandten Seite 15 weist die Öffnung 9 im Achsschenkelgrundkörper 7 eine
Verbreiterung 17 auf, deren Funktion noch beschrieben werden
wird.
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Der
Lagerzapfen 3 wiederum ist aus zwei Bauteilen zusammengesetzt:
Einem rotationssymmetrischen Zapfenteil 11, welches die
eigentliche Radaufnahme darstellt, und einem Gegenstück 13. Beide
Bauteile 11, 13 weisen vor dem Zusammenbau des
Achsschenkels 1 zwei einander entsprechende Stirnflächen 31 und 33 auf.
In dieser Ausgestaltung weist das Zapfenteil 11 weiterhin
eine an der Umfangsfläche
angeordnete ringförmige
Schulter 27 auf. Auch das Gegenstück 13 weist eine ringförmige Schulter 41 auf,
so dass der Durchmesser des Gegenstücks 13 an der vom
Rad 5 abgewandten Seite den Durchmesser der Öffnung 9 überschreitet.
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Die
drei Bauteile Achsschenkelgrundkörper 7,
Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 können aus
unterschiedlichen Materialien bestehen:
Der Achsschenkelgrundkörper 7 zum
einen ist in diesem Ausführungsbeispiel
aus einem Gussmaterial, beispielsweise aus Grauguss oder Sphäroguss (GJS)
oder einem Aluminiumgusswerkstoff, kann aber auch auf beliebige
Weise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein. Weiterhin kann
der Achsschenkelgrundkörper 7 als
Schmiedeteil aus einer Aluminiumknetlegierung hergestellt sein.
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Der
Lagerzapfen 3 besteht vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff,
welcher für
ein Reibschweißverfahren
geeignet sein muss. Denkbar ist beispielsweise ein Vergütungsstahl
oder ein einsatzgehärteter
Stahlwerkstoff.
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Die
beiden Teile des Lagerzapfens 3 können dabei ebenso aus zwei
verschiedenen Materialien bestehen: Das Zapfenteil 11 ist
aus einem vergütetem
Stahl, welcher den hohen Anforderungen genügt, die im Betrieb an den Bereich
des Zapfens gestellt werden. Günstig
ist hier ein Werkstoff, der schon vor dem Zusammenbau der Einzelteile
an den besonders beanspruchten Stellen einer zusätzlichen Behandlung unterzogen
werden, also z.B. lokal induktiv gehärtet werden kann. Dahingegen
kann das Gegenstück
aus einem gut schweißbaren
Stahlwerkstoff bestehen. Eine typische günstige Werkstoffkombination
für den
Lagerzapfen 3 ist beispielsweise ein Zapfenteil 11 aus
42CrMo4 mit einem Gegenstück 13 aus
St52.
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Das
Verfahren zum Herstellen des Achsschenkels 1 läuft nun
beispielhaft in den folgenden Schritten ab:
Zunächst wird
das Zapfenteil 11 von einer Seite in die Öffnung 9 eingelegt
und dort fixiert. Diese Fixierung kann beispielsweise über eine
Presspassung zwischen der Öffnung 9 und
dem Zapfenteil 11 erfolgen. Alternativ kann das Zapfenteil 11 in
die Öffnung 9 eingeschoben
werden, bis die Schulter 27 in Kontakt mit einer zugeordneten
Anlagefläche 29 auf
dem Achsschenkelgrundkörper 7 tritt.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
werden anschließend
der Achsschenkelgrundkörper 7 sowie das
Zapfenteil 11 drehfest fixiert.
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Von
der anderen Seite wird nun das Gegenstück 13 in die Öffnung 9 eingebracht,
bis es mit seiner Stirnfläche 33 in
Kontakt mit der Stirnfläche 31 des
Zapfenteils 11 tritt. Nun wird ein Reibschweißverfahren
durchgeführt,
indem das Gegenstück 13 unter gleichzeitigem
Druck in Richtung seiner Längsachse 35 in
Rotation versetzt wird. Dadurch wird das Material in den einander
zugewandten Stirnbereichen 39, 37 von Gegenstück 13 und
Zapfenteil 11 erweicht, und die beiden Bauteile 11, 13 beginnen
sich miteinander zu verbinden.
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Zur
Durchführung
des Reibschweißens
in einer Reibschweißmaschine
sind beispielsweise in dem rotierenden Gegenstück 13 Aufnahmen vorgesehen,
mit denen es in die Reibschweißmaschine eingespannt
werden kann.
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Nachdem
durch die Rotation und den Druck das Material in den Stirnbereichen 37, 39 von Zapfenteil 11 und
Gegenstück 13 genügend erweicht ist
und sich in einem teigigen Zustand befindet, wird die Rotationsbewegung
gestoppt, und es wird nur noch eine reine, stauchende Translationsbewegung in
Richtung der Längsachse 35 des
Gegenstücks 13 durchgeführt. Diese
Bewegung endet zu dem Zeitpunkt, an dem die Schulter 41 des
Gegenstücks 13 mit
einer zugeordneten Anlagefläche 43 auf
dem Achsschenkelgrundkörper 7 in
Kontakt tritt. Die Bauteile 11, 13 werden also
im Fügebereich 26 gestaucht,
bis ein definierter Anschlag erreicht ist.
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2 zeigt
den fertigen Achsschenkel 1 nach der Beendigung des Reibschweißverfahrens. Durch
die Abkühlung
ziehen sich die durch die Reibschweißung erweichten Materialien 25 von
Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 im Fügebereich 26 zusammen.
Durch diese Materialschrumpfung wird das die Öffnung 9 begrenzende
Material des Achsschenkelgrundkörpers 7 durch
die beiden es umgebenden Schultern 27 sowie 41 eingeklammert.
Das führt
zu der gewünschten
hohen Festigkeit des gesamten Achsschenkels 1. Die Schweißnahtschrumpfung
wird also gezielt zur Vorspannung des Achsschenkels 1 eingesetzt.
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Zur
Reduktion einer unerwünschten
Aufhärtung
im Schweißbereich
kann über
das Gegenstück 13 gegebenenfalls
ein induktives Anlassen des Schweißbereichs erfolgen. Alternativ kann
der gesamte Achsschenkel einem Ofenanlassen unterzogen werden.
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In 2 ist
weiterhin zu erkennen, wie der beim Reibschweißen entstehende Schweißwulst 19 in
der Verbreiterung 17 aufgenommen wird. Ein in diesem Ausführungsbeispiel
zusätzlich
in der Verbreiterung 17 vorgesehener Vorsprung 24 trägt durch den
Formschluss mit dem erweichten Material 25 im Fügebereich 26 zur
mechanischen Verklammerung der Bauteile 7, 11, 13 bei
und dient als Verdrehsicherung der Verbindung.
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Neben
dem in 2 dargestellten einzelnen Vorsprung 24 können auch
mehrere Vorsprünge
vorgesehen werden, die den Verklammerungseffekt noch erhöhen. Denkbar
ist auch, ein durch eine Reihe von Vorsprüngen erzeugtes Profil vorzusehen,
z. B. eine Rändelung.
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3 zeigt
in einer detaillierten Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel
des durch das Reibschweißen
hergestellten Achsschenkels 1. Dieses Beispiel unterscheidet
sich vor allem durch die spezielle Ausgestaltung der Öffnung 9 und
der daran angrenzenden Anlageflächen 29 sowie 43 sowie
die Gestaltung der Schulter 27 des Zapfenteils.
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In
diesem Ausführungsbeispiel
erfolgt die Reibschweißverbindung
zwischen Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 nicht flächig, sondern
nur in einem, durch entsprechende Aussparungen 48, 48' erzeugten,
ringförmigen
Randbereich 49 der Stirnflächen 31 und 33.
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Diese
Ausführungsform
sieht weiterhin beim Reibschweißen
eine Winkelorientierung vor. Dabei wird das Gegenstück 13 nach
der Rotationsbewegung in einer definierten Winkelposition gehalten.
Auf diese Weise ist es möglich,
am Gegenstück 13 an
der von der Öffnung 9 abgewandten
Stirnseite 21 gezielt eine Montageausnehmung 23 oder ähnliches
zu platzieren, die dann beispielsweise als Montagehilfe für benachbarte
Bauteile genutzt werden kann.
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In 4 ist
als weiteres Ausführungsbeispiel der
Einsatz des geteilten Achsschenkels 1 an einer Starrachse
dargestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Starrachse
eines Lastkraftwagens handeln. Die Anbindung des Achsschenkels 1 an
die Karosserie erfolgt hier über
in den Augen 47 aufgenommenen, hier nicht dargestellten,
Achsbolzen.
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5 zeigt
hingegen einen geteilten Achsschenkel 1 an einer gelenkten
Achse einer Einzelradaufhängung.
Hier ist der Achsschenkel 1 über nicht dargestellte Achslenker
an der Karosserie des Fahrzeugs angebunden und um eine Lenkachse 45 schwenkbar
gelagert. Das am Achsschenkel 1 befindliche, hier nicht
dargestellte Rad 5 ist darüber hinaus durch eine durch
den als Hohlwelle ausgeführten
Lagerzapfen 3 geführte
Antriebswelle 46 angetrieben.
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Dieses
Konzept eines geteilten und durch Reibschweißen verbundenen Achsschenkels 1 lässt sich
also sowohl für
gelenkte als auch für
ungelenkte und sowohl für
angetriebene als auch für
nicht angetriebene Räder
einer Einzelradaufhängung
oder einer Starrachse bei Lastkraftwagen und bei Personenkraftwagen
gleichermaßen
einsetzen. Weiterhin ist das Konzept sowohl für Hinterachs-Konzepte als auch
für Vorderachsen
einsetzbar.
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Dadurch,
dass der Achsschenkel 1 als Verbundbauteil mit Einzel-Bauteilen 7, 11, 13 aus
verschiedenen Materialien gestaltet werden kann, bietet er zunächst Gewichtsvorteile.
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Das
Material des Achsschenkelgrundkörpers 7 kann
unter Leichtbaugesichtspunkten optimiert werden kann, da es keine
Anforderungen in Bezug auf Verbindbarkeit erfüllen muss. Es ist bei diesem Verbundkonzept
keine direkte Verbindung des Werkstoffs des Achsschenkelgrundkörpers 7 mit
dem des Lagerzapfens 3 erforderlich.
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Weiterhin
können
die Einzelbauteile 7, 11, 13, da sie
eine weit einfachere Geometrie aufweisen, als der Achsschenkel 1 als
einstückiges
Bauteil, in Bezug auf ihre Fertigung optimiert werden. Beispielsweise
kann der Lagerzapfen 3 aus einfachem Stangenmaterial gefertigt
werden.
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Weiterhin
bietet das Konzept auch bauraumtechnische Vorteile, da die Einzelbauteile 7, 11, 13 in Bezug
auf den benötigten
Bauraum getrennt ausgelegt werden können.
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Die
Werkstoffe der Einzelbauteile 7, 11, 13 können spezifisch
auf die Bauteilanforderungen angepasst werden. So kann z.B. für den Achsschenkelgrundkörper 7 ein
Gusswerkstoff gewählt
werden, der unempfindlicher gegenüber thermischen Belastungen
ist, während
der Lagerzapfen 3 aus einem schweißbaren sowie vergütbaren Werkstoff
gefertigt werden kann.
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Insofern
stellt die Auslegung des Achsschenkels 1 als Verbundbauteil
ein belastungs- und kostenorientiertes Optimum dar.
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Der
Achsschenkel 1 und das Verfahren zu seiner Herstellung
ist nicht beschränkt
auf die dargestellten Ausführungsbeispiele.
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Zunächst kann
der Anschlag des Zapfenteils 11 am Achsschenkelgrundkörper 7 auch
anders gestaltet sein. Denkbar sind beispielsweise das Vorsehen
einer Passung zwischen den beiden Bauteilen 7, 11 oder
eine nicht ringförmig
gestaltete Schulter 27 am Zapfenteil 11.
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Allgemein
kann die Gestaltung des Verbindungsbereichs von den in den Ausführungsbeispielen
gezeigten Geometrien abweichen.
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Im
Gegensatz zu der oben beschriebenen Verfahrensführung ist es auch möglich, beim
Reibschweißen
das Gegenstück 13 zu
fixieren und das Zapfenteil 11 rotieren zu lassen. Dann
könnte
das Gegenstück 13 zunächst in
die Öffnung 9 eingepresst
werden und im nächsten
Schritt das Zapfenteil aufgeschweißt werden.
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Neben
denen in den Ausführungsbeispielen dargestellten
Reibschweißverfahren
kann die Verbindung der Bauteile auch mit einem anderen geeigneten
Pressschweißverfahren
erfolgen, beispielsweise mit einem Widerstandspressschweißverfahren
oder ein Ultraschallschweißverfahren.