DE102009044678B4

DE102009044678B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung von unterschiedlichen topfförmigen Bauteilen einer Bremstrommel

Info

Publication number: DE102009044678B4
Application number: DE102009044678A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Mall; Rolf Leiber; Eberhard Schmitt
Original assignee: Leiber Group & Co KG GmbH
Current assignee: Leiber Group & Co KG GmbH
Priority date: 2008-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2012-02-02
Anticipated expiration: 2029-11-28
Also published as: DE102009044678A1

Abstract

Bei einem Verfahren zur Herstellung einer zumindest formschlüssigen Verbindung zwischen unterschiedlichen Bauteilen wird diese dadurch erhalten, dass durch einen Umformprozess jeweils ein Teilbereich des einen Bauteils in einen Pin umgeformt und dieser dabei gleichzeitig in eine in dem anderen Bauteil vorgesehene Ausnehmung eingeführt wird. Durch einen alternativen Umformprozess können auch benachbarte Teilbereiche der Bauteile durch einen gemeinsamen Pin zusammengefügt werden. Zur Durchführung dieser Verfahren ist auch eine geeignete Vorrichtung angegeben.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen unterschiedliche Materialien aufweisenden, topfförmigen Bauteilen, wie – insbesondere zwischen Aluminiumschmiedeteilen und Bauteilen aus Stahl- bzw. Grauguss- und Gusswerkstoffen einer Bremstrommel; ferner auf eine geeignete Vorrichtung hierfür.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik sind eine Vielzahl von unterschiedlichen Verfahren und Vorrichtungen bekannt, mit denen zwei oder mehrere Bleche oder entsprechende Profilteile aus unterschiedlichen Materialien miteinander verbunden werden können.
So ist z. B. in der DE 10 2004 003 909 A1 ein Verfahren zum Verbinden zweier oder mehrerer metallischer Bleche oder Profilteile beschrieben, von denen eines aus einem höherfesteren Stahl besteht, und zwar mit folgenden Verfahrensschritten:

– Form- und/oder kraftschlüssiges mechanisches Verbinden der Bleche oder Profilteile an einer oder mehreren Verbindungsstellen und anschließendes
– thermisches Fügen der Verbindungsstellen mittels Pressschweissen.

Hierbei kann die jeweilige mechanische Verbindung durch ein so genanntes Durchsetzfügen oder ein Stanznieten erfolgen, wobei sich danach das Pressschweißen in der Form eines elektrischen Widerstandsschweißen anschließt. Mit diesen bekannten Verfahren werden insbesondere im Kraftfahrzeugbereich die einzelnen Karosseriesegmente hergestellt, die eine qualitativ hochwertige Punktschweissverbindung aufweisen sollen.
Ferner sind aus der DE 101 25 559 A1 ein Verbundbauteil und ein Verfahren zu dessen Herstellung bekannt. Das Verbundteil besteht zum einen aus einem Metallbauteil und auf der anderen Seite aus einer Kunststoffstruktur. Das Verfahren selbst erfolgt in der Weise, dass man das Metallbauteil und die Kunststoffstruktur in ein Fügewerkzeug einlegt und dieses zusammenfährt, wobei dabei der Stanzrand form- und kraftschlüssig in die Kunststoffstruktur eingepresst wird. Die so erhaltenen Verbundbauteile zeichnen sich durch eine hohe Steifigkeit und Festigkeit bei geringem Gewicht aus.
Insbesondere bei Bremsanlagen mit Trommelbremsen, die zwar nicht nur ausschliesslich aber insbesondere bei Motorfahrzeugen eingesetzt werden, ist es eine technische Voraussetzung, um eine entsprechende Steifigkeit bzw. Flexibilität erreichen zu können, dass der Trommelkörper bzw. die Bremstrommel aus unterschiedlichen Materialien besteht. Die topfartige Struktur einer Bremstrommel besteht dabei in der Regel aus Stahl oder aus entsprechenden Legierungen. Wird zusätzlich eine Feststellbremse eingesetzt, so besteht die Möglichkeit, diese aus Stahl oder Grauguss herzustellen. Alternativ ist auch die Verwendung einer aus Aluminium bestehenden Bremstrommel bekannt, wobei hier zusätzlich ein Stahlring eingegossen wird.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Bremsanlagen weisen jedoch den Nachteil auf, dass diese bezogen auf ihr Eigengewicht sehr schwer sind, da überwiegend Stahl als Werkstoff zum Einsatz kommt.
Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die im Bremsanlagenbereich bisher verwendete Fügetechnik, beispielsweise das Nieten, zu Korrosionsproblemen führen kann, welche die technischen Funktionen der zusammengefügten Teile erheblich beeinträchtigen können.
Aus Aluminium gegossene Bremsscheibentöpfe können den Nachteil von geringeren mechanischen Eigenschaften und der Gefahr von Gussfehlern mitbringen.
In diesem Zusammenhang ist aus der DE 10 2004 051 378 A1 ein Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung zwischen unterschiedlichen Materialien bekannt, und zwar zwischen einem Bremsscheibentopf aus Stahl und einem Reibring aus Grauguss für eine Fahrzeugscheibenbremse, bei dem der Bremsscheibentopf durch ein Warm-Schmiedeverfahren in einem halbflüssigen Zustand an den Reibring angebracht wird. Für dieses Warmumformverfahren muss der Bremsscheibentopf auf eine relativ hohe Temperatur gebracht werden, was wiederum relativ hohe Kosten verursacht; eine dafür geeignete Vorrichtung eingeschlossen.
Ferner ist aus der DE 102 53 451 A1 eine Verbundbremsscheibe für eine Fahrzeug-Scheibenbremse bekannt, die aus einem Reibring aus Grauguss und einem Bremsscheibentopf aus einer Aluminiumlegierung zusammengesetzt ist. Diese beiden Bauteile sind durch eine Art Stirn-Klauen-Verzahnung miteinander verbunden, und zwar werden dabei vorgesehene so genannte Stummel des Reibrings in vorgesehene Aussparungen des Bremsscheibentopfes gesteckt bzw. hineingetrieben. Diese Art der Verbindung ist jedoch sehr produktspezifisch und aufwendig.
Auch ist aus der DE 44 19 757 A1 eine Bremsscheibe bekannt, die aus einem Reibring und einem Halteteil zusammengesetzt ist, wobei hierfür auf dem Umfang des Halteteils verteilte Ausprägungen vorgesehen sind, die mittels eines von innen angreifenden Prägewerkzeugs durch eine radial von innen nach außen gerichtete Bewegung des Prägewerkzeugs erzeugt werden. Bei einer Ausführung beisitzt das Halteteil an seinem Endbereich eine umlaufenden, radial vorstehenden Flansch, an dem der radial innere Randbereich des Reibrings anliegt, wogegen dieser auf seiner anderen Seite durch die Ausprägungen gegen ein Verschieben in der einen Axialrichtung gesichert wird. Alternativ kann der Reibring an seinem Innenumfang mit speziellen Füßen, die runde Vertiefungen aufweisen, ausgestattet werden, welche kraterförmige Ausprägungen formschlüssig aufnehmen können, die wieder am Umfang des Halteteils vorgesehen sind. Insbesondere die letzte Lösung ist relativ kompliziert und verlangt einen hohen Fertigungsaufwand.
Schließlich ist in der DE 25 55 343 A1 eine Antriebsvorrichtung mit einer Kardangelenkgabel beschrieben, die durch eine Kaltumformung an einer Hülse befestigbar ist. Hierzu bedient man sich eines Verfahrens, bei dem ein glockenförmig ausgebildeter Kupplungsrohling mit einem mittigen Loch durch einen Stempel in die Hülse als Matrize zum Zwecke einer Verbindung kragenförmig einpresst wird. Hier kommt es auf eine genaue koaxiale Verbindung an, weswegen die konisch verlaufende Stempelspitze durch ihren Eingriff in das mittige Loch des Kupplungsrohlings, diesen dadurch zentriert.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für Bremstrommeln eine Alternativverbindung der unterschiedlichen Bauteile bereitzustellen, die zumindest einen der genannten Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gelöst, bei dem durch einen Kaltumformprozess Teilbereiche des einen Bauteils der Bremstrommel in Pins umgeformt und diese dabei gleichzeitig in dem anderen Bauteil vorgesehenen Ausnehmungen formschlüssig eingefügt werden. Ferner wird die Aufgabe durch eine für diese Verfahren geeignete Vorrichtung mitgelöst, welche einen auf und ab bewegbaren Zentralstempel aufweist, dessen unterer Endabschnitt derart ausgebildet ist, dass bei einem Hub des Zentralstempels nach unten, die zur Bildung eines jeweiligen Pins vorgesehene Stempelelemente sich nach außen bewegen.
Kerngedanke der Lösung
Der Kerngedanke der Lösung der Aufgabe ist es, mit einem so genannten Pin-Stamping-Verfahren eine pin-artige Verformung und anschliessend eine Fügung des entsprechenden Bauteils mit einem weiteren Bauteil zu erreichen. Ferner ein oder mehrere radial verschieblich gelagerte Stempelelemente vorzusehen, von denen jedes eine Stempelspitze aufweist, wobei die Stempelelemente derart verschoben werden können, dass die jeweilige Stempelspitze an einem Bauteil eine pin-artige Verformung durchführt, die dann in eine Ausnehmung in dem weiteren Bauteil eingreift.
Vorzugsweise besteht das zu verformende Bauteil aus Aluminium, das weitere aus Stahl.
Bei einer Bremstrommel genügt eine formschlüssige Verbindung, da in der Regel nur Drehmomente auf die Fügestellen einwirken, sodass ausschliesslich nur eine entsprechende „Mitnahme” gewährleistet sein muss. Die durch den Verformungsprozess erzeugten „Pins” werden somit bei Anwendungen im Bremsanlagenbereich nur auf Scherung beansprucht, sodass die Anzahl der Pins auf dem Umfang ein Mass für das maximal zu übertragende Drehmoment ist.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das Verfahren sehr einfach ausgestaltet ist und auf eine Vielzahl von unterschiedlichen Materialien anwendbar ist. Die Anzahl der verwendeten Stempelelemente hängt dabei in der Regel davon ab, wie groß die zu übertragenden Drehmomente sind. Die Stempelelemente selbst können entweder hydraulisch oder durch eine entsprechende mechanische Kinematik radial nach aussen in das Material gepresst werden.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Verfahren sowie der Vorrichtung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung hervor.
Zeichnungen
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Erzeugung einer Verbindung durch Kaltverformung von verschiedenen Bauteilen als Explosionszeichnung;
2 einen Längsschnitt durch die Vorrichtung gemäss 1 und
3 eine vergrösserte Darstellung einer Verformungsstelle während der Bildung eines Pins gemäss 2, Teilansicht, III.
Beschreibung eines Ausführbeispiels
In 1 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung 1 zur Durchführung der erfindungsgemässen Verfahren gezeigt. Diese Vorrichtung 1 umfasst im Wesentlichen einen Zentralstempel 2, der in und gegen eine Pfeilrichtung 3 verschiebbar gelagert ist. Durch den Zentralstempel 2 können senkrecht zu diesem angeordneten Stempelelemente 4 radial nach aussen entsprechend einer Pfeilrichtung 5 bewegt werden. Verfährt nun der Zentralstempel 2 entgegen der Pfeilrichtung 3, so werden einzelne Stempelelemente 4 radial nach aussen in Pfeilrichtung 5 bewegt. Verfährt dagegen der Zentralstempel 2 in Pfeilrichtung 3, so bewegen sich die Stempelelemente 4 entgegen der Pfeilrichtung 5.
Entsprechende Führungselemente 6 dienen dazu, die einzelnen Stempelelemente 4 innerhalb ihrer verschiebbaren Bereiche zu führen.
Im Gegensatz zu 1 ist in 2 zusätzlich eine Bremstrommel, die aus Werkstücke W1 und W2 gebildet werden soll, dargestellt. Das Werkstück W2 hat eine topfartige Form und ist ein Aluminiumschmiedteil, wohingegen das Werkstück W1 aus Stahl hergestellt wurde, wobei dafür auch ein Graugusswerkstoff möglich ist. Für eine formschlüssige Verbindung der beiden Werkstücke W1 und W2 werden diese, wie in 2 dargestellt, mit Hilfe einer entsprechenden Spannvorrichtung eingespannt, sodass die erfindungsgemässe Vorrichtung 1 mit ihrem Zentralstempel 2 in die Werkstücke W1 und W2 einfahren kann. Aufgrund der rotationssymmetrischen Anordnung ist es möglich, dass die gesamte erfindungsgemässe Vorrichtung 1 in die topfartigen Werkstücke W1 und W2 platziert und den Zentralstempel 2 entgegen der Pfeilrichtung 3 verfahren kann. Sobald der Zentralstempel 2 mit seinem konisch ausgebildeten Endabschnitt – bezeichnet mit 7 – entgegen der Pfeilrichtung 3 in den Bereich der Stempelelemente 4 eintaucht, werden diese aufgrund einer vorgegebenen Kulisse (ein Zusammenwirken des kronenartig ausgebildeten Endabschnitts 7 des Zentralstempels 2 und der Stempelelemente 4 mit ihren entsprechend keilartig ausgebildeten inneren Ausläufen) in Pfeilrichtung 5 gedrückt, sodass das Werkstück W2 in einem Teilbereich durch eine an den Stempelelementen 4 vorgesehene Spitze 8 zu einem Pin 10 verformt und gleichzeitig dieser in eine Ausnehmung 9 des Werkstücks W1 formschlüssig eingedrückt wird.
Insbesondere in 3 ist dieser Verformungsprozess nochmals schematisch dargestellt. Bei diesem bewegt sich ein jeweiliges Stempelelement 4 mit seiner Spitze 8 in Pfeilrichtung 5 auf einen Teilbereich des Werkstücks W2 aus Aluminium zu und die Spitze 8 des Stempelelements 4 formt dann den Pin 10. Dieser wiederum wird dabei gleichzeitig in die Ausnehmung 9 des Werkstücks W1 gepresst, in welcher der geformte Pin 10 des Werkstücks W2 auch Platz findet. Aufgrund der Bemessung der Ausnehmung 9 bzw. der Verformung des Werkstückes W2 tritt eine formflüssige und vorzugsweise auch zumindest teilweise kraftschlüssige Verbindung ein.
Dadurch entsteht eine im Querschnitt pinartig ausgebildete Ausgestaltung der erhaltenen Verbindung der Werkstücke W1 und W2.
Je nach der mechanischen Belastung der zu verbindenden Werkstücke W1 und W2, kann eine unterschiedliche Zahl von „Pins 10” auf dem Umfang der Werkstücke W1 und W2 vorgesehen werden, wobei das erfindungsgemässe Verfahren sowie die zu deren Durchführung vorgesehene erfindungsgemäße Vorrichtung bei Bremstrommeln nicht auf die Kombination von Aluminiumschmiedeteilen mit Stahl bzw. Graugusswerkstoffteilen beschränkt ist.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung
2: Zentralstempel
3: Pfeilrichtung
4: Stempelelement
5: Pfeilrichtung
6: Führungselemente
7: Endabschnitt
8: Spitze
9: Ausnehmung
10: Pin

Claims

Verfahren zur Herstellung einer formschlüssigen Verbindung von unterschiedliche Materialien aufweisenden, topfförmigen Bauteilen (W1 und W2) einer Bremstrommel, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem durch einen Kaltumformprozess Teilbereiche des einen Bauteils (W2) jeweils in Pins (10) umgeformt und diese dabei gleichzeitig in dem anderen Bauteil (W1) vorgesehene Ausnehmungen (9) zumindest formschlüssig eingefügt werden.
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit welcher mittels innerhalb der Bauteile (W1 und W2) angreifenden Stempelelementen (4) durch deren radial von innen nach außen gerichtete Bewegung die Pins (10) erzeugbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen auf und ab bewegbaren Zentralstempel (2) aufweist, dessen unterer Endabschnitt (7) derart ausgebildet ist, dass bei einem Hub des Zentralstempels (2) nach unten die zur Bildung eines jeweiligen Pins (10) vorgesehenen Stempelelemente (4) sich nach außen bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der untere Endabschnitt (7) des Zentralstempels (2) als konischer Kronen-, Kegel- oder Pyramidenstumpf ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Stempelelemente (4) im Bereich des Zentralstempels (2) einen keilartigen Auslauf aufweisen, dessen abgeschrägte Form entsprechend der Form des konischen Kronen-, Kegel- oder Pyramidenstumpfes des unteren Endabschnitts (7) des Zentralstempels (2) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, dass der konische Endabschnitt (7) des Zentralstempels (2) mit dem jeweiligen keilartigen Auslauf der Stempelelemente (4) in Wirkverbindung bringbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2, 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stempelelemente (4) jeweils in einem Führungselement (6) verschiebbar gelagert sind.