DE102006018809A1

DE102006018809A1 - Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers in Schalenbauweise

Info

Publication number: DE102006018809A1
Application number: DE200610018809
Authority: DE
Inventors: Raphael Dr. Fischer; Peter Niebling; Ralf Dr. Hund
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-04-22
Filing date: 2006-04-22
Publication date: 2007-10-31
Also published as: WO2007121709A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers (12) in Schalenbauweise, wobei wenigstens eine Halbschale (9) des Schwenklagers (12) aus einer Blechplatine (5) durch Tiefzieh-Umformung in einem Umformwerkzeug (1) mit einem Formraum (8) hergestellt wird. Um eine vereinfachte Herstellung eines Schwenklagers mit verbesserten Eigenschaften zu ermöglichen, ist vorgesehen, dass in einem ersten Schritt die Blechplatine (5) erwärmt wird und dass in einem zweiten Schritt die Blechplatine (5) in das aus Matrize (2) und Patrize (3) bestehende Umformwerkzeug (1) eingelegt und das Umformwerkzeug (1) mit Druck geschlossen wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers in Schalenbauweise, wobei wenigstens eine Halbschale des Schwenklagers aus einer Blechplatine durch Tiefzieh-Umformung in einem Umformwerkzeug mit einem Formraum hergestellt wird.
Hintergrund der Erfindung
Schwenklager für die Vorderachse eines Kraftfahrzeuges, die auch als Radträger bezeichnet werden, stellen die Verbindung zwischen einem Dämpfer oder Dämpferbein, dem Radlager und dem Querlenker an der Vorderachse eines Kraftfahrzeuges her. Die Koppelung des Querlenkers mit dem Schwenklager erfolgt dabei über eine am Schwenklager ausgebildete Führungsgelenkaufnahme.
Bei herkömmlichen Schwenklagern handelt es sich zumeist um gegossene oder geschmiedete, einstückige Stahlteile, die beispielsweise aus einem Stahlgusswerkstoff oder auch aus Aluminiumgusswerkstoff hergestellt werden. Es handelt sich dabei also um ein massives Bauteil, bei dem alle Funktionsflächen spanend nachgearbeitet werden müssen. Das Dämpferbein wird dabei üblicherweise mittels einer Schraub- oder Klemmverbindung mit dem Schwenklager verbunden.
Aus der DE 199 15 633 A1 ist ein Schwenklager für die Vorderachse eines frontangetriebenen Kraftfahrzeugs mit einem Grundkörper aus miteinander verbindbaren Blechformteilen bekannt, wobei an den Blechformteilen Bauteile für die Radaufhängung und die Radführung sowie für die Bremsung des Rades befestigt sind. Dabei sind sowohl die Blechformteile als auch weitere Bauteile des Schwenklagers aus einem Titanlegierungswerkstoff hergestellt. Als Herstellungsverfahren ist dort beschrieben, dass die den Grundkörper bildenden Blechformteile mittels eines Tiefziehvorgangs hergestellt werden, so dass diese als zwei komplementär ausgebildete Blechformteile vorliegen, die über eine Schweißverbindung aneinander gefügt einen Hohlkörper mit mehreren Anbindungsflächen für die Aufnahme der vorstehend beschriebenen Bauteile bilden.
Weitere Einzelheiten zur Herstellung des Schwenklagers werden in der DE 199 15 633 A1 nicht angegeben. Das dort beschriebene Schwenklager bietet eine Reihe von Vorteilen gegenüber einstückigen, massiven Schwenklagern bzw. Radträgern. Insbesondere weist ein derartiges Schwenklager durch die Verwendung von Tiefziehblechen ein geringes Gewicht auf. Allerdings ist das verwendete Material, nämlich eine Titan-Aluminium-Legierung, beispielsweise TiAl6V4, sehr teuer, so dass den Vorteilen einer Leichtbauweise die Nachteile hoher Materialkosten entgegenstehen.
Außerdem ist aus der DE 101 62 441 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen von Kfz-Bauteilen, insbesondere Fahrwerksteilen, Karosserieteilen, Antriebsteilen, Motorteilen oder dergleichen, aus metallischen Werkstoffen, insbesondere Aluminium oder Aluminiumlegierungen, bekannt, bei welchem im Wege einer wirkmedienunterstützten Hochdruck-Warmumformung in einem Umformwerkzeug mit einem Formraum aus einer Ausgangsform eine Zwischen- oder Endform erzeugt wird. Zur Steuerung des Werkstoffflusses wird im Wege von Entfestigungsvorgängen und Verfestigungsvorgängen der Formraumbereich gezielt durch Wärmezufuhr und/oder Wärmeabfuhr temperiert, wobei ein Umformwerkzeug mit einem bereichsweise erwärmten oder gekühlten Formraum verwendet wird. Die Warmumformung erfolgt dabei im Wege einer Innenhochdruckumformung bei Temperaturen zwischen 150°C und 450°C. Hierdurch sollen sich einstückige Kraftfahrzeugbauteile besonders einfach und preiswert herstellen lassen.
Das aus der DE 101 62 441 A1 bekannte Verfahren mag bei einer Reihe von Kraftfahrzeugbauteilen aus Aluminiumwerkstoffen Vorteile bringen, jedoch lässt es sich nicht unbedingt auf die Herstellung von Schwenklagern für Kraftfahrzeuge übertragen. Denn die Geometrie eines als Radträger dienenden Schwenklagers in Schalenbauweise kann aufgrund der räumlichen Randbedingungen, insbesondere Freigang, einwirkende Kräfte von Gelenkwelle, Bremse, Felge, Spurstange, Stabilisator oder Querlenker, nicht beliebig gewählt werden. Durch die im Betrieb auf das Schwenklager einwirkenden Kräfte entstehen typische kritische Bereiche, in denen Spannungsüberhöhungen auftreten, wodurch vorzeitige Ermüdungsrisse und Ermüdungsbrüche am Schwenklager entstehen können.
Eine Möglichkeit der Spannungsreduzierung an diesen Stellen könnte eine gezielte Materialaufdickung sein, beispielsweise durch Vorbearbeitung der Blechplatine durch Walzen, eine Aufdoppelung oder den Einsatz so genannter Tailored Blanks. Jedoch würde dies zu einem erhöhten Fertigungsaufwand beziehungsweise zu einem erhöhten Materialeinsatz führen, der die Vorteile eines Schwenklagers in Schalenbauweise zunichte machen würde.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers in Schalenbauweise anzugeben, mit dem sich ein Schwenklager einfach und kostengünstig herstellen lässt, welches an den Stellen hoher Krafteinleitung besonders widerstandsfähig ausgebildet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass sich die gestellte Aufgabe auf überraschend einfache Art und Weise dadurch lösen lässt, dass die Herstellung wenigstens einer Halbschale des Schwenklagers durch eine Warmumformung in einer aus Matrize und Patrize bestehenden Umformwerkzeug erfolgt, wobei wenigstens ein Bereich des umgeformten Bleches durch Kühlung gehärtet wird.
Die Erfindung geht daher aus von einem Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers bzw. Radträgers in Schalenbauweise, wobei wenigstens eine Halbschale des Schwenklagers aus einer Blechplatine durch Tiefzieh-Umformung in einem Umformwerkzeug mit einem Formraum hergestellt wird.
Zudem ist vorgesehen, dass in einem ersten Schritt die Blechplatine erwärmt, beispielsweise auf eine Temperatur oberhalb der Raumtemperatur, wird, dass in einem zweiten Schritt die Blechplatine in das aus Matrize und Patrize bestehende Umformwerkzeug eingelegt und das Umformwerkzeug mit Druck geschlossen wird.
In einem dritten Schritt kann wenigstens ein Bereich des Bleches durch Kühlung, d.h. aktive oder passive Kühlung, gehärtet werden. Hierbei kann die aktive Kühlung mittels eines, insbesondere durch das Umformwerkzeug bzw. durch einen Teil oder durch Teile des Umformwerkzeugs geleiteten, Kühlmittels bewirkt werden. Die passive Kühlung kann durch eine Wärmeaufnahme des Umformwerkzeugs bzw. eines Teils oder Teile des Umformwerkzeugs bewirkt werden.
Durch diesen Aufbau wird vorteilhaft erreicht, dass sich das Blech durch vorhergehende Erwärmung auf eine relativ hohe Temperatur schnell und leicht im Umformwerkzeug in die gewünschte Form umformen lässt, und dass sich beim gezielten Abkühlen, insbesondere selektiver bzw. ausgewählter und/oder diskreter bzw. getrennter Bereiche, des Bleches, vorzugsweise ein Blech aus einer Stahllegierung, ein so genanntes Presshärten dieser Bereiche erzielen lässt.
Alternativ und/oder ergänzend zur selektiven Kühlung im Werkzeug kann das Blech vor Umformung auch selektiv erwärmt werden, d.h. durch geeignete Maßnahmen werden Bereiche des Blechs auf unterschiedliche Temperaturen erwärmt und anschließend bei der Umformung selektiv oder homogen gekühlt.
Bekanntlich setzt sich das Stahlgefüge aus chemisch homogenen Bereichen, den Phasen, zusammen. Beim Erwärmen in einen Hochtemperaturbereich von etwa 700°C bis 1000°C wandelt sich das Ausgangsgefüge vollständig in Austenit um. Bevorzugt wird auf eine Temperatur oberhalb von 450°C erwärmt, besonders bevorzugt auf eine Temperatur aus einem Bereich von 700°C bis 990°C, bevorzugt auf eine Temperatur um ca. 800°C.
Einen wesentlichen Einfluss auf die Werkstoffeigenschaften verursacht nun die anschließende Abkühlung der gewünschten Bereiche, während dessen sich die Austenitphase in die vier unterschiedliche Phasen Ferrit, Perlit, Bainit und Martensit umwandeln lässt. Die Perlitphase zum Beispiel besitzt eine geringe Härte und große Formbarkeit, das Martensit hingegen eine große äußere Härte, aber auch eine gewisse Sprödigkeit.
Das Presshärten des zunächst austenitischen Bleches bewirkt also das Einstellen gewünschter Härten des durch das Verfahren hergestellten Schwenklagers. Da also die Materialfestigkeit nach dem Umformen neben der Materialzusammensetzung des Bleches von Parametern wie der Abkühlgeschwindigkeit und dem Formschluss abhängt, und diese Parameter örtlich variierbar sind, kann verfahrensgemäß eine gezielte Festigkeitsverteilung im Werkstück erzeugt werden, welche in Verbindung mit der Bauteilgeometrie den Beanspruchungen im Betrieb eines späteren Bauteils Rechnung trägt.
Durch das Verfahren gemäß der Erfindung lassen sich weitere überraschende Vorteile erzielen. So ist beispielsweise eine Massenreduzierung durch Optimierung der Blechdicke erzielbar. Ferner kann auf sonst nötige Vorarbeiten, wie die Aufdickung mittels Walzen bzw. Verschweißung verschiedener Blechdicken des Blechs verzichtet werden.
Es wurde zudem festgestellt, dass durch das Verfahren eine gleichmäßigere Materialbeanspruchung und damit geringere örtliche Ausdünnung beim Umformen erfolgt, da das glühende Blech-Material wesentlich leichter zu formen ist. Hierdurch lassen sich geringere Pressenkräfte als sonst üblich einsetzen.
Nach dem Umformen und vollständigen Abkühlen einer Halbschale ist zu erwarten, dass nur noch eine vernachlässigbar geringe Rückfederung der Bauteile festzustellen ist, wodurch sich eine höhere erreichbare Präzision der Bauteile des Schwenklagers ergibt.
Bei Bedarf lässt sich darüber hinaus eine flexible Gestaltung der Festigkeitsverteilung während der Herstellung erzielen, beispielsweise durch selektives Ändern der Umformparameter, insbesondere der Temperaturen und der Drücke in der Form.
Außerdem hat sich als Vorteil des Verfahrens herausgestellt, dass weniger Eigenspannungen in das Bauteil eingebracht werden, welches sich nicht nur beim Schweißen positiv auswirkt, sondern auch während der Belastung des fertig gestellten Schwenklagers im Betrieb. Bislang bestand nämlich die Gefahr, dass im ungünstigen Fall die Festigkeit des Materials schon zum großen Teil durch derartige Eigenspannungen aufgebraucht ist.
Zudem kann vorgesehen sein, dass ein Kühlmittel in das Umformwerkzeug zur selektiven Härtung der zu härtenden Bereiche eingespeist wird.
In anderen praktischen Weiterbildungen kann vorgesehen sein, dass die Bereiche mit einer resultierenden Zugfestigkeit R_mmax von 600 bis 1400 MPa gehärtet werden. Dabei entspricht die Zugfestigkeit R_mmax von 1400 MPa einer Bruchdehnung von etwa 5%, und die Zugfestigkeit R_mmax von 600 MPa einer Bruchdehnung von etwa 20%.
Andere praktische Ausgestaltungen der Erfindung zeichnen sich dadurch aus, dass die Blechplatine vor dem Einlegen in das Umformwerkzeug mit einer eine Oberflächenverzunderung verhindernden Beschichtung versehen wird, wobei diese Beschichtung gemäß einer Weiterbildung auf Aluminium-Silizium oder auf Graphit basieren kann.
Ferner kann gemäß weiteren Ausgestaltungen vorgesehen sein, dass wenigstens zwei erfindungsgemäß hergestellte Halbschalen miteinander zur Bildung des Schwenklagers bzw. Radträgers verbunden werden, wobei sich diese Ausgestaltung noch dadurch erweitern lässt, dass die Halbschalen miteinander verschweißt werden.
Eine weitere praktische Ausgestaltung des Verfahrens gemäß der Erfindung sieht vor, dass an das Schwenklager eine Aufnahme für ein Dämpferrohr angeformt wird, wobei die Aufnahme durch entsprechende einstückige Ausformungen an den Halbschalen angeformt wird. Besonders vorteilhaft ist schließlich eine Ausgestaltung der Erfindung, die sich dadurch auszeichnet, dass als Material für die Blechplatine eine Stahllegierung verwendet wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Darin zeigt
1a bis 1d Verfahrensschritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens, und
2 ein nach dem Verfahren gemäß den 1a bis 1d hergestelltes Schwenklager.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den 1a bis 1d ist demnach der Ablauf eines erfindungsgemäßen Herstellverfahrens schematisch dargestellt.
In 1a ist ein Umformwerkzeug 1 im Querschnitt gezeigt, welches aus einer Matrize 2 und einer Patrize 3 bzw. einem Prägestempel besteht.
In einem Zwischenraum 4 zwischen Niederhalter und Matrize 2 ist eine Blechplatine 5 aus Stahlblech eingelegt, welche vor dem Einlegen auf eine Temperatur von ≥ 800°C erwärmt wurde. Die Blechplatine 5 bildet nach dem Abschluss des Verfahrens eine Halbschale eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers bzw. Radträgers.
Zwischen Oberseite 6 der Patrize 3 und der Innenseite 7 der Matrize 2, zwischen denen die Blechplatine 5 angeordnet ist, ist ein Formraum 8 ausgebildet. Bevor die Blechplatine 5 erwärmt und in das Umformwerkzeug 1 eingelegt wird, wurde die Blechplatine 5 mit einer Beschichtung versehen, welche eine Oberflächenverzunderung verhindert. Eine solche Beschichtung kann auf Aluminium-Silizium oder Graphit basieren.
In 1b ist ein Fertigungszustand dargestellt, bei dem das Umformwerkzeug 1 durch Zusammenfahren von Matrize 2 und Patrize 3 geschlossen ist. Die immer noch glühend heiße Blechplatine 5 hat sich entsprechend den Topographien von Matrize 2 und Patrize 3 zu einer Halbschale 9 verformt und füllt den Formraum 8 vollständig aus. Dadurch, dass die Blechplatine 5 auf eine vergleichsweise hohe Temperatur erwärmt wurde, ist das Stahlmaterial der Blechplatine 5 relativ weich, so dass zum Schließen des Umformwerkzeuges 1 eine geringere Kraft aufgewendet werden muss als bei einem Kaltumformverfahren.
In 1c ist der Zustand der 1b detaillierter dargestellt, wobei in punktiert markierten Bereichen 10 und 11, welche Bereiche hoher Belastungen des späteren Schwenklagers darstellen, eine Kühlung der Blech-Halbschale 9 erfolgt, um hierdurch eine Härtung des Bleches in diesen Bereichen 10 und 11 zu erreichen.
Hierzu wird über nicht dargestellte Leitungen ein Kühlmedium in das Umformwerkzeug 1 eingespeist, wodurch die Temperatur der Halbschale 9 auf einen Wert abgesenkt wird, der niedriger ist als die Temperatur der restlichen Halbschale 9. Nach dem (gekühltem) Presshärten der Bereiche 10 und 11 wird die Halbschale 9 ausgeformt und aus dem Umformwerkzeug 1 entfernt.
Ein Querschnitt durch die fertige und abgekühlte Halbschale 9 ist in 1d gezeigt. Auch hier sind die nun gehärteten Bereiche 10, 11 punktiert dargestellt. Die Härte dieser Bereiche 10 und 11 ist größer als die Härte der übrigen Halbschale 9.
In einem anschließenden, nicht dargestellten Schritt wird die Halbschale 9 mit einer zweiten Halbschale zu einem fertigen Schwenklager bzw. Radträger verschweißt, wobei gegebenenfalls noch weitere Bauteile an das Schwenklager angeschweißt oder angeschraubt werden können.
In 2 ist ein fertig gestelltes Schwenklager 12 dargestellt. Dieses besteht aus zwei miteinander verschweißten Halbschalen, wobei in 2 nur die Halbschale 9 zu erkennen ist, während die andere Halbschale die Rückseite des Schwenklagers 12 bildet. Das Schwenklager 12 weist wie üblich einen Lenkhebel 13, zwei Laschen zur Bremsanbindung 14 und 15, eine Radlageraufnahme 16 sowie eine Aufnahme 17 für ein Dämpferrohr eines Stoßdämpfers auf. Die Aufnahme 17 ist hierbei einstückig an das Schwenklager 12 angeformt, wobei der Formungsprozess im Umformwerkzeug 1 stattfand. In dem Bereich der Aufnahme 17 wurden beide Halbschalen mit einer entsprechenden Mulde versehen, welche zusammen gesetzt die Aufnahme 17 bilden.
Wie in den 1c und 1d deuten punktierte Bereiche 10, 11, 18 und 19 auch in 2 solche Bereiche an, welche während des Herstellungsverfahrens gemäß der Erfindung durch gezielte Kühlung gehärtet wurden. Diese Bereiche 10, 11, 18 und 19 stellen diejenigen Bereiche dar, in denen sonst besonders hohe mechanische Spannungen herrschen. Außerhalb dieser Bereiche 10, 11, 18 und 19 ist die Materialhärte zugunsten einer höheren Materialzähigkeit geringer.

1: Umformwerkzeug
2: Matrize
3: Patrize
4: Zwischenraum 4 zwischen Niederhalter und Matrize 2
5: Blechplatine
6: Oberseite der Patrize 5
7: Innenseite der Matrize 2
8: Formraum
9: Halbschale
10: Bereich der Härtung
11: Bereich der Härtung
12: Schwenklager
13: Lenkhebel
14: Bremszarge
15: Bremszarge
16: Radlageraufnahme
17: Aufnahme eines Dämpferrohrs
18: Bereich der Härtung
19: Bereich der Härtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Kraftfahrzeug-Schwenklagers (12) in Schalenbauweise, wobei wenigstens eine Halbschale (9) des Schwenklagers (12) aus einer Blechplatine (5) durch Tiefzieh-Umformung in einem Umformwerkzeug (1) mit einem Formraum (8) hergestellt wird, dadurch gekennzeichnet, – dass in einem ersten Schritt die Blechplatine (5) erwärmt wird, insbesondere auf eine Temperatur oberhalb von Raumtemperatur, – dass in einem zweiten Schritt die Blechplatine (5) in das aus Matrize (2) und Patrize (3) bestehende Umformwerkzeug (1) eingelegt und das Umformwerkzeug (1) mit Druck geschlossen wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt wenigstens ein Bereich des Blechs durch Kühlung gehärtet wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem dritten Schritt selektive bzw. ausgewählte und/oder diskrete bzw. getrennte Bereiche des Bleches durch Kühlung gehärtet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kühlmittel in das Umformwerkzeug (1) zur Härtung mindestens eines zu härtenden Bereichs (10, 11, 18, 19) des Blechs eingespeist wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass auf eine Temperatur oberhalb von 450°C, insbesondere auf eine Temperatur aus einem Bereich von 700°C bis 990°C, bevorzugt auf eine Temperatur um ca. 800°C, erwärmt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Bereiche der Blechplatine (5) vor Umformung selektiv erwärmt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bereiche (10, 11, 18, 19) mit einer resultierenden Zugfestigkeit R_mmax von 600 bis 1400 MPa gehärtet werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blechplatine (5) vor ihrem Einlegen in das Umformwerkzeug (1) mit einer Oberflächenverzunderung verhindernden Beschichtung versehen wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung auf Aluminium-Silizium oder Graphit basiert.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Halbschalen (9) miteinander zur Bildung des Schwenklagers (12) verbunden werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Halbschalen (9) miteinander verschweißt werden.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an das Schwenklager (12) eine Aufnahme (17) für ein Dämpferrohr angeformt wird, wobei die Aufnahme (17) durch entsprechende einstückige Ausformungen an den Halbschalen (9) angeformt wird.
Verfahren nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die Blechplatine (5) eine Stahllegierung verwendet wird.