DE102009049117A1

DE102009049117A1 - Reibgeschweißter Verbundlenker

Info

Publication number: DE102009049117A1
Application number: DE102009049117A
Authority: DE
Inventors: Dirk Ehrlich; Gerd Bitz
Original assignee: GM Global Technology Operations LLC
Current assignee: GM Global Technology Operations LLC
Priority date: 2009-10-12
Filing date: 2009-10-12
Publication date: 2011-04-14
Also published as: US20110084547A1; GB201014474D0; GB2474324A; GB2474324B

Abstract

Es wird eine Verbundlenkerachse (1) vorgestellt, die einen biegesteifen und torsionsweichen Querträger (2) aufweist, an dessen Enden zwei Längslenker (3a, 3b) angeordnet sind, wobei die jeweiligen Enden des Querträgers (2) mit den Längslenkern (3a, 3b) durch Reibschweißen winkelsteif verbunden sind. Dabei werden die mit dem Querträger (2) verbundenen Längslenker (3a, 3b) an einem gemeinsamen Übergangsbereich zusammengehalten, der dadurch entsteht, dass beide Längslenker (3a, 3b) gleichzeitig und gleichmäßig mit dem Querträger (2) durch Reibschweißen stoffschlüssig zusammengefügt werden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Verbundlenker und insbesondere auf einen Verbundlenker für die Hinterachse eines Personenkraftwagens sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundlenkers, bei dem einzelne Bestandteile miteinander verschweißt werden.
Verbundlenkerachsen sind bereits seit längerem bekannt. Die Verbundlenker-Hinterachse hat sich als wirtschaftlichste Bauform bei nicht angetriebenen Hinterachsen bewährt. Zwei führende Längslenker sind über einen Querträger miteinander verbunden, der gleichzeitig als Stabilisator dient. Vorteile dieser Bauweise liegen in der guten Seitenführung bei Kurvenfahrt und einem geringen günstigen Raumbedarf, der eine günstige Raumaufteilung im Heck erlaubt.
Um jedoch die an dem Querträger im Fahrbetrieb wechselseitig wirkenden hohen Torsions-, und Biegemomente gleichmäßig in die Längslenker einzuleiten, ist der jeweilige Längslenker einstückig mit einem vorgesehenen Ansatz ausgebildet, der zu dem als Rohr geformten Querträger passt. Eine derartige Verbundlenker-Hinterachse besitzt eine hohe Tragfähigkeit, sie weist jedoch andererseits auch ein relativ hohes Gewicht auf, da ihre Längslenker aus einem mit der Querstrebe schweißbaren Eisenmetall hergestellt sein müssen.
Um Leichtmetalle verwenden zu können schlägt die EP 0 774 369 B1 z. B. vor, die oben genannten Ansätze in einen Grundkörper des Längslenkers formschlüssig einzugießen oder einzuformen. Allerdings sind dazu aufwändige Produktionsschritte notwendig, die sich in erheblich höheren Kosten niederschlagen.
Eine weitere Lösung wird in der DE 197 52 347 A1 vorgeschlagen, wobei die aus Leichtmetalllegierungen hergestellten Lenker in einem Übergangsbereich ineinandergesteckt und durch einen Kleber miteinander verbunden werden. Diese Lösung ist auch an eine Vielzahl von Produktionsschritten geknüpft, und erfordert mehrere von Einzelteile die miteinander verbunden werden müssen, um eine formschlüssige Verbindung zu gewährleisten, die den auftretenden dynamischen Kräften gerecht werden muss.
Einer Ausführungsform der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verbundlenker-Hinterachse dahingehend weiterzubilden, dass sie kostengünstig hergestellt werden kann und trotz weniger Bauteile und einer Gewichtsoptimierung hinreichend stabil und sicher ist, sowie ein entsprechendes Verfahren zu ihrer Herstellung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch einen Verbundlenker gelöst, der einen biegesteifen und torsionsweichen Querträger aufweist, an dessen Enden zwei Längslenker angeordnet sind, wo bei die jeweiligen Enden des Querträgers mit den Längslenkern durch Reibschweißen winkelsteif verbunden sind.
Es hat sich bewährt, für den Querträger einen biegesteifes aber torsionsweiches Stahlprofil zu wählen, das ausgelegt ist, sich gegenüber an den Rädern angreifenden Quer- und Längskräften starr zu verhalten, gegenüber in Fahrzeug-Hochrichtung angreifenden Ein- und Ausfederbewegungen aber gleichzeitig stabilisierend zu wirken. Diese Eigenschaften werden auch zu Gunsten des erfindungsgemäßen Verbundlenkers genutzt.
Wie üblich sind die Längslenker ihrerseits an einem Ende zur Aufnahme von Radträgern geeignet und deren sind an ihrem anderen Ende an ein Fahrzeugaufbau anlenkbar. Dabei werden die mit dem Querträger verbundenen Längslenker an einem gemeinsamen Kontaktbereich zusammengehalten, der dadurch entsteht, dass beide Längslenker gleichzeitig und gleichmäßig mit dem Querträger durch Reibschweißen stoffschlüssig zusammengefügt werden.
Diese Ausführungsform ermöglicht es, nach wie vor auf Längslenker aus Leichtmetall zurückzugreifen und diese auch verarbeiten zu können. Bei den gängigen Schweißverfahren, wie zum Beispiel dem Magnet-Arc-Schweißverfahren – magnetisch bewegtem Lichtbogen – ist eine Verbindung zwischen Querträgern aus Stahl und Längslenkern aus Leichtmetall nicht durchführbar.
Erfindungsgemäß erlaubt eine derartige Ausbildung die Herstellung und Montage der Verbundlenker-Hinterachse wesentlich zu vereinfachen, da die Längslenker zusammen mit dem Querträger in einem Durchlauf – ohne zusätzliche Vorfertigungsschritte – am Schweißstand automatisch und gleichzeitig verschweißt werden können.
Aus den nachfolgenden abhängigen Ansprüchen können vorteilhafte Weiterbildungen der Ausführungsform der Erfindung abgeleitet werden.
Im Zuge der Verbesserung der Fahreigenschaften eines Personenkraftwagens können mittels unterschiedlicher Materialien leichtere Hinterachsen konstruiert werden. Diese Gewichtsreduktion ist gegenüber herkömmlichen Hinterachsen ein erfindungsgemäßer Vorteil, da mit der Reduzierung des Gewichts sich auch gleichzeitig die Fahreigenschaften des Personenkraftwagens verbessern lassen – und das bei etwa gleicher oder höherer Festigkeit und Tragfähigkeit im Vergleich zu herkömmlichen Hinterachsen.
Der Längslenker kann relativ einfach und kosten günstig aus einer Aluminium- und/oder Magnesiumlegierung mit entsprechenden Verfahren hergestellt werden.
Eine weitere Verbesserung der Verbindung zwischen dem Querträger und dem Längslenker besteht darin, dass der Übergangsbereich um eine Kontaktfläche der jeweiligen Bauteile herum durch ein Abdicht- beziehungsweise Korrosionsschutzmittel umgeben ist. Auf diese Art und Weise wird eine mögliche Korrosion bzw. Rostbildung an diesen Stellen vermieden.
Die Haltbarkeit der Verbundlenker-Hinterachse kann noch weiter gesteigert werden, wenn der Querträger alleine und/oder die Längslenker mit einem Korrosionsschutzmittel bearbeitet beziehungsweise beschichtet werden. Dazu eignen sich beispielsweise bekannte Beschichtungen aus Aluminium, Zink oder ähnlichem Material. Eine weitere günstige Möglichkeit bildet ein Oberflächenschutz auf Kunststoffbasis.
Vorzugsweise weisen jeweils zwei zu verschweißende Kontaktflächen eine komplementäre Oberfläche auf, damit der Verbindungsvorgang möglichst effektiv und zeitsparend gestaltet werden kann. Zusätzlich wird auch ein gleichmäßiger Formschluss erreicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weisen die Wandstärken und Durchmesser der zu verschweißenden Kontaktflächen in etwa gleiche Abmessungen auf. Dies gewährleistet eine gleichmäßigere Erwärmung beider Bauteile und dadurch auch eine bessere Verbindung.
Wenn beim Verfahren nach der Erfindung Rotationsreibschweißen zum Einsatz kommt, weist die Fügezone ein Kontaktquerschnitt im Bereich bzw. einer dem Querträger verbindenden Schweißstelle eine rotationssymmetrische Gestalt auf. Das vorgeschlagene Herstellungsverfahren für die Verbundlenkerachse macht sich den Vorteil des Reibschweißverfahrens zu Nutze, indem sie in wenigen Arbeitsschritten dass unlösbare Verbinden – Fügen – zweier unterschiedlicher Materialien ermöglicht. Beim Reibschweißen werden zwei Teile relativ zueinander bewegt, wobei sich die Teile an Kontaktflächen berühren. Durch die entstehende Reibung kommt es zu Erwärmung. Am Ende des Reibvorganges werden die Teile richtig zueinander positioniert und ein hoher Druck wird ausgeübt. Der Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die so genannte Wärmeeinflusszone deutlich kleiner ist als bei anderen Schweißverfahren.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren kann das so genannte Rotationsreibschweißen zum Einsatz kommen, das ein Pressschweißverfahren ist. Dabei kann eines der Fügeteile in der Fügezone eine rotationssymmetrische Gestalt aufweisen – hier die beiden Enden des Querträgers. Die Energiezufuhr wird ausschließlich durch eine Relativbewegung der Fügeteile zueinander unter Druck eingebracht. In einer Ausführungsform werden dabei die beiden still stehenden Längslenker gleichzeitig und gleichmäßig an den um seine Längsachse rotierenden Querträger gepresst.
Ein sich aus dem Verfahren ergebender Vorteil ist die Möglichkeit beide Längslenker mit höchster Genauigkeit und unter gleichen Bedingungen an den Querträger anzubringen. Dabei ist die Einstellung eines beliebigen Drehwinkels der Längslenker um eine Längsachse des Querträgers ohne weiteres möglich.
Zeitsparend und kostengünstig ist auch, dass dabei die Kontakt tretenden Flächen der verwendeten Bauteile nicht vorverarbeitet – geglättet – werden müssen. Eine grobe Kontaktfläche kann ohne weiteres reibgeschweißt werden. Hinzu kommt, dass die Taktzyklen des Schweißvorgangs sehr kurz im Vergleich zu anderen Verfahren sind und damit die Produktivität gesteigert werden kann.
Darüber hinaus ist ein Vorzug des Reibschweißverfahrens bei der Herstellung von Verbundlenkerachsen, dass unterschiedliche Materialkombinationen und/oder unterschiedliche Materialgüten verarbeitet werden können. Erfindungsgemäß werden beispielsweise Stahl- mit Aluminium- bzw. Magnesiumlegierungen stoffschlüssig miteinander zu einer Verbundlenkerachse gefügt.
Durch die Ausbildung eines gleichmäßigen Schweißwulstes in der Fügezone der Kontaktfläche, wird ein gleichmäßiger Materialübergang und damit eine stoffschlüssige Verbindung gewährleistet.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen – komplementär wirkenden Anordnungen – ausgestaltet werden können.
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher erläutert. Die Figuren zeigen lediglich schematische nicht maßstabsgerechte Darstellungen. Es zeigen:
1 eine Prinzipskizze einer Verbundlenker-Hinterachse gemäß der Erfindung; und
2 eine Prinzipskizze eines Längsschnitts durch eine erfindungsgemäße Verbundachse einer durch eine Drehachse des Querträgers verlaufende Fläche.
1 ist eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Verbundlenkerachse 1 die einen Querträger 2 umfasst, an dessen äußeren Enden jeweils ein radführender Längslenker 3a, 3b winkelsteif verbunden ist. Die Längslenker 3a, 3b sind vorzugsweise aus einer Leichtmetalllegierung und weisen an einem Ende einen Radträger auf und an dem anderen, dem Radträger entgegengesetzten Ende des Längslenkers 3a, 3b ein mit einem an einem Fahrzeugaufbau elastisch angelenktes Lagerauge – nicht gezeigt.
Die Schnittansicht der 2 durch eine Drehachse des Querträgers 2 veranschaulicht die Kontaktflächen 52, 53 eines Querträgers 2 bzw. eines Längslenkers 3a vor dem Reibschweißvorgang. Aus der in 2 veranschaulichten Prinzipskizze der Kontaktfläche 52 des Querträgers sowie einer Kontaktfläche 53 des Längslenkers ist zu entnehmen, dass in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung die Wandstärken und Durchmesser der zu verschweißenden Kontaktflächen 52 und 53 in etwa gleich sind. Dies gewährleistet eine gleichmäßigere Erwärmung beider Bauteile und dadurch auch eine bessere Verbindung. Des Weiteren ist in 2 angedeutet, dass nur der Querträger 2 relativ zu den beiden Längslenkern 3a und 3b rotiert wird – hier nur für einen Längslenker 3a gezeigt, während der Längslenker drehstill steht und fest eingespannt gegen den Querträger 2 gedrückt werden. Dadurch kann gewährleistet werden, dass beide Längslenker 3a, 3b gleichzeitig und gleichmäßig erwärmt werden. Sobald die Kontaktflächen 53, 54 heiß genug sind, werden die beiden Längslenker 3a, 3b ein letztes Mal mit einem erhöhten Stauchdruck gegenden Querträger 2 gepresst, wodurch sich die Bauteile miteinander stoffschlüssig verbinden. Auf diese Art und Weise ist es möglich Bauteile unterschiedlicher Güte und Materiale zusammenzufügen. Auf Grund des Reibschweißvorgangs weist eine nicht gezeigte Fügezone, d. h. die Kontaktflächen 52, 53 sind ineinander übergegangen – eine rotationssymmetrische Gestalt auf.
Auf diese Art und Weise lässt sich eine kostengünstige und qualitativ hochwertige Verbundlenkerachse insbesondere für Personenkraftwagen herstellen.
Obwohl die vorliegende Erfindung mit bevorzugten Ausführungsformen offenbart wird, sind diese nicht beschränkend und der Fachmann kann Veränderungen und Abwandlungen vornehmen ohne von dem Geist und Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Deshalb ist der Schutz der Inhalte der vorliegenden Erfindung von den folgenden Patenansprüchen abhängig.
Bezugszeichenliste

1: Verbundlenkerachse
2: Querträger
3a: Längslenker (links)
3b: Längslenker (rechts)
4a: Radträger mit Rad (links)
4b: Radträger mit Rad (rechts)
5a: Kontaktzone (links)
5b: Kontaktzone (rechts)
52: Kontaktfläche (Querträger), Kontaktquerschnitt
53: Kontaktfläche (Längslenker), Kontaktquerschnitt
6: Längsachse, Drehachse des Querträgers

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0774369 B1 [0004]
DE 19752347 A1 [0005]

Claims

Verbundlenkerachse (1) mit einem biegesteifen und torsionsweichen Querträger (2), an dessen Enden zwei Längslenker (3a, 3b) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die jeweiligen Enden des Querträgers (2) mit den Längslenkern (3a, 3b) durch Reibschweißen winkelsteif verbunden sind.
Verbundlenkerachse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längslenker (3a, 3b) aus einer Leichtmetalllegierung gegossen oder geformt sind.
Verbundlenkerachse (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Leichtmetalllegierung eine Aluminiumlegierung und/oder eine Magnesiumlegierung ist.
Verbundlenkerachse (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längslenker (3a, 3b) aus Gusseisen gegossen oder geformt sind.
Verbundlenkerachse (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Querträger (2) aus einem Stahl- oder Gusswerkstoff gebildet ist.
Verbundlenkerachse (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Kontaktbereich (5a, 5b) des Querträgers (2) mit dem Längslenker (3a, 3b) mit einem Korrosionsschutzmittel bearbeitet oder beschichtet ist.
Verbundlenkerachse (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Kontaktflächen (52, 53) der Längslenker (3a, 3b) jeweils komplementär zu den Kontaktflächen (52, 53) des Querträgers (2) ausgebildet sind.
Verbundlenkerachse (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die zu verschweißenden Kontaktflächen (52, 53) gleiche Wandstärken und/oder Durchmesser aufweisen.
Verbundlenkerachse (1) nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kontaktquerschnitt (5a, 5b) im Bereich einer den Querträger verbindenden Schweißstelle eine rotationssymmetrische Form aufweist.
Verfahren zur Herstellung einer Verbundlenkerachse (1), insbesondere einer Verbundlenkerachse (1) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils eine Kontaktfläche (52) an einem Ende eines Querträgers (2) mit einer Kontaktfläche (53) eines Längslenkers (3a, 3b) durch Reibschweißen verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass beide Längslenker (3a, 3b) gleichzeitig und/oder gleichmäßig mit dem Querträger (2) stoffschlüssig zusammengefügt werden.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass nur der Querträger (2) allein relativ zu den beiden still stehenden Längslenkern (3a, 3b) um seine Längsachse (6) rotiert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass beide Längslenker (3a, 3b) gleichzeitig und/oder gleichmäßig in einem beliebigen Drehwinkel um die Längsachse (6) des Querträgers (2) angeschweißt werden können.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 13 dadurch gekennzeichnet, dass grobe Kontaktflächen (52, 53) reibgeschweißt werden können.
Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergangsbereich von dem Querträger (2) zum jeweiligen Längslenker (3a, 3b) unter Ausbildung eines gleichmäßigen Schweißwulstes erfolgt.