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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile nach den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus dem Motorenbereich, sind miteinander verbundene Bauteile aus Metall bekannt. Dabei werden Flansche eines Motorblocks und eines Anbauteils miteinander verschraubt. Zwischen den Bauteilen ist eine Silikonmasse angeordnet, um Rauhigkeitsunterschiede und eventuelle Fertigungstoleranzen auszugleichen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile anzugeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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In einem Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile, wobei zwischen den Bauteilen ein Verbindungsmittel angeordnet wird, werden erfindungsgemäß die Bauteile zumindest bereichsweise in einem vorgegebenen Abstand zueinander positioniert und unter Einhaltung des vorgegebenen Abstandes miteinander verbunden, wobei ein durch den vorgegebenen Abstand gebildeter Spalt zwischen den Bauteilen durch das Verbindungsmittel ausgefüllt wird.
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Durch den aufgrund des vorgegebenen Abstandes gebildeten Spalt, welcher eine vorgegebene Breite aufweist, werden auftretende Scherkräfte zwischen den Bauteilen minimiert und Relativbewegungen zwischen den Bauteilen ausgeglichen. Dies ist beispielsweise bei Verbindungen von Bauteilen erforderlich, wenn eines der Bauteile aus Metall und das andere Bauteil aus Kunststoff ist und es bei Wärmeeinflüssen auf die Bauteile zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen kommt.
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Dies ist beispielsweise im Bereich von Motoren, insbesondere von Verbrennungsmotoren der Fall, wobei zum Beispiel das eine Bauteil ein Motorblock oder ein Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors aus Metall ist, beispielsweise aus Grauguss oder Aluminium, und das andere Bauteil ein Anbauteil des Motors aus Kunststoff ist, zum Beispiel aus Polyamid (oder einem anderen Kunststoff). Das Verbindungsmittel zwischen den Bauteilen, beispielsweise ein Poly(organo)siloxan, auch als Silikon bezeichnet, übernimmt dabei einen elastischen Anteil der Verbindung, d. h. es ermöglicht einen Ausgleich von Wärmeausdehnungsunterschieden. Des Weiteren verbindet es die beiden beispielsweise miteinander verschraubten Bauteile zusätzlich miteinander und dichtet den Spalt zwischen den Bauteilen ab.
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Der vorgegebene Abstand zwischen den Bauteilen und dadurch die Breite des Spaltes beträgt vorzugsweise 0,1 mm bis 2,0 mm, insbesondere für Bauteile im Motorenbereich von PKW bevorzugt von 0,1 mm bis 0,5 mm – besonders bevorzugt 0,3 mm, und für Bauteile im Motorenbereich von LKW von 0,5 bis 2 mm, besonders bevorzugt 1,5 mm.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und schematischen, nicht maßstabsgerechten Zeichnungen näher erläutert.
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Dabei zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung zweier Bauteile während des Verbindens,
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2 eine Schnittdarstellung eines Schraubmoduls,
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3 eine Darstellung eines Abstandselements in Draufsicht,
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4 eine perspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Bauteils,
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5 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Bauteils und
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6 eine Schnittdarstellung eines Bauteils mit einer Fase.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt schematisch eine Schnittdarstellung zweier Bauteile 1, 2, welche unter Einhaltung eines vorgegebenen Abstandes a zueinander miteinander verbunden werden sollen, so dass ein durch den vorgegebenen Abstand a gebildeter Spalt 3, welcher entsprechend dem vorgegebenen Abstand a eine vorgegebene Breite aufweist, auch dann noch erhalten bleibt, wenn die beiden Bauteile 1, 2 miteinander verbunden sind.
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Dieser Spalt 3 zwischen den Bauteilen 1, 2 wird durch ein hier nicht näher dargestelltes Verbindungsmittel ausgefüllt. Das Verbindungsmittel ist beispielsweise ein Poly(organo)siloxan, auch als Silikon bezeichnet. Es wird auf eine Verbindungsfläche 1.1, 2.1 zumindest eines der Bauteile 1, 2 aufgebracht, die Bauteile 1, 2 werden miteinander verbunden, beispielsweise miteinander verschraubt und das Verbindungsmittel wird ausgehärtet.
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Das Aushärten des Verbindungsmittels ist zum Beispiel durch Lufttrocknung, durch UV-Bestrahlung, Infrarot-Bestrahlung, Mikrowellenbestrahlung oder durch Induktion möglich. Insbesondere heißvernetzende Silikone, welche durch Erwärmung ausgehärtet werden, ermöglichen aufgrund einer langen Topfzeit eine einfache Verarbeitung, da sie, solange keine Erwärmung erfolgt, nicht aushärten. Sie können beispielsweise durch Mikrowellenbestrahlung erwärmt werden und härten dann gezielt aus.
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Durch den Spalt 3 zwischen den Bauteilen 1, 2 werden auftretende Scherkräfte zwischen den Bauteilen 1, 2 minimiert und Relativbewegungen zwischen den Bauteilen 1, 2 ausgeglichen. Dies ist beispielsweise bei Verbindungen von Bauteilen 1, 2 erforderlich, wenn beispielsweise das erste Bauteil 1 aus Kunststoff und das zweite Bauteil 2 aus Metall ist und es bei Wärmeeinflüssen auf die Bauteile 1, 2 zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen kommt.
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Dies ist beispielsweise im Bereich von Motoren, insbesondere von Verbrennungsmotoren der Fall, wobei zum Beispiel das zweite Bauteil 2 ein Motorblock oder ein Kurbelgehäuse des Verbrennungsmotors aus Metall ist, beispielsweise aus Grauguss oder Aluminium, und das erste Bauteil 1 ein Anbauteil des Motors aus Kunststoff ist, zum Beispiel aus Polyamid. Das Verbindungsmittel zwischen den Bauteilen 1, 2 übernimmt dabei einen elastischen Anteil der Verbindung, d. h. es ermöglicht einen Ausgleich von Wärmeausdehnungsunterschieden. Des Weiteren verbindet das Verbindungsmittel die beiden beispielsweise miteinander verschraubten Bauteile 1, 2 zusätzlich miteinander und dichtet den Spalt 3 zwischen den Bauteilen 1, 2 ab. Die Bauteile 1, 2 sind auf diese Weise durch die Verschraubung fest miteinander verbunden, wobei die Verbindung durch den vorgegebenen Abstand a und den daraus resultierenden Spalt 3 ausreichend elastisch ist, um Beschädigungen der Bauteile 1, 2 oder zwischen ihnen aufgrund unterschiedlicher Wärmedehnungen zu verhindern.
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Der vorgegebene Abstand a zwischen den Bauteilen 1, 2 und dadurch die Breite des Spaltes 3 beträgt vorzugsweise 0,1 mm bis 2,0 mm, insbesondere für Bauteile 1, 2 im Motorenbereich von PKW bevorzugt von 0,1 mm bis 0,5 mm – besonders bevorzugt 0,3 mm, und für Bauteile 1, 2 im Motorenbereich von LKW von 0,5 bis 2 mm, besonders bevorzugt 1,5 mm.
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In der in 1 dargestellten Ausführungsform wird die Einhaltung des vorgegebenen Abstandes a zwischen den Bauteilen 1, 2 durch ein Abstandselement 4 ermöglicht, welches teilweise in einer ersten Bohrung 1.2 des ersten Bauteils 1 angeordnet ist und teilweise auf der ersten Verbindungsfläche 1.1 des ersten Bauteils 1 angeordnet ist. Das Abstandselement 4 ist dazu als ein Hülsenelement oder eine Distanzhülse ausgebildet, wobei eine Hülsenwandung an einem Ende des Hülsenelementes rechtwinkelig nach außen abgewinkelt ist, so dass ein Bund 4.1 ausgebildet ist.
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Alternativ zur Ausbildung des Bundes 4.1 kann auch eine kraft-/formschlüssige Verbindung gewählt werden. Dann muss die Hülse in Kunststoff eingepresst oder heiß eingebettet sein (z. B. mittels Ultraschall) oder schon umspritzt worden sein.
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Der Bund 4.1 des Hülsenelementes liegt auf diese Weise auf der ersten Verbindungsfläche 1.1 des ersten Bauteils 1 auf und ist dadurch während des Verbindens und nach dem Verbinden der beiden Bauteile 1, 2 zwischen diesen angeordnet. Das zweite Bauteil 2 liegt dadurch auf dem Bund 4.1 des Hülsenelementes auf, so dass der vorgegebene Abstand a zwischen den Bauteilen 1, 2 eingehalten wird.
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Zu diesem Zweck entspricht eine Dicke des Bundes 4.1 dem vorgegebenen Abstand a. D. h. das als Hülsenelement ausgebildete Abstandselement 4 wird entsprechend ausgeformt oder es wird ein entsprechend ausgeformtes Hülsenelement ausgewählt, um als Abstandselement 4 verwendet werden zu können und auf diese Weise den vorgegebenen Abstand a exakt einstellen und einhalten zu können.
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In diesem Beispiel ist das erste Bauteil 1 aus Polyamid und beispielsweise in einem Spritzgussverfahren oder einem anderen Gussverfahren gegossen, so dass das als Hülsenelement ausgebildete Abstandselement 4 beispielsweise in das erste Bauteil 1 eingegossen werden kann. Das Abstandselement 4 ist zum Beispiel aus Kunststoff oder Metall, beispielsweise aus Aluminium oder Stahl.
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Eine Durchführungsöffnung 4.2 des als Hülsenelement ausgebildeten und in der ersten Bohrung 1.2 des ersten Bauteils 1 angeordneten Abstandselementes 4 ist beispielsweise zur Durchführung einer in 2 näher dargestellten Schraube 5 vorgesehen, mittels welcher die beiden Bauteile 1, 2 miteinander verschraubt werden können. Das zweite Bauteil 2 weist daher eine zweite Bohrung 2.2 auf, durch welche die Schraube 5 ebenfalls durchführbar ist. Durch eine Verwendung derartiger in die Bauteile 1, 2 einsetzbarer oder auf die Bauteile 1, 2 aufsetzbarer Abstandselemente 4 ist an den Bauteilen 1, 2 selbst keine Veränderung erforderlich.
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Das als Hülsenelement ausgebildete Abstandselement 4 ist in einer besonders vorteilhaften Ausführungsform, wie in 2 dargestellt, als ein so genanntes Schraubmodul ausführbar, um eine Verliersicherung für die Schraube 5 zu realisieren. Dazu wird die Schraube 5 in das als Hülsenelement ausgebildete Abstandselement 4 eingesetzt, welches im Bereich des Bundes 4.1 als ein Sicherungselement 4.3 einen plastisch verformbaren Steg aufweist.
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Das Sicherungselement 4.3 ist durch ein Einpressen der Schraube 5 in das Abstandselement 4 durch einen Schraubenkopf 5.1 in Richtung der Durchführungsöffnung 4.2 plastisch verformbar, so dass die Durchführungsöffnung 4.2 durch das Sicherungselement 4.3 teilweise verschlossen ist. Auf diese Weise ist das Sicherungselement 4.3 zwischen einem von einem Schraubenbolzen radial hervorstehenden Gewinde 5.2 und dem Schraubenkopf 5.1 der Schraube 5 angeordnet, so dass die Schraube 5 nicht von selbst wieder aus dem als Hülsenelement ausgebildeten Abstandselement 4 herausrutschen kann. Alternativ können auch andere bekannte Formen der Verliersicherung gewählt werden.
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Dadurch ist das Abstandselement 4 mit integrierter und auf diese Weise gesicherter Schraube 5 beispielsweise während oder unmittelbar nach der Herstellung des ersten Bauteils 1 in dieses einsetzbar. Während eines Transports und einer Lagerung des ersten Bauteils 1 geht die Schraube 5 durch die Sicherung nicht verloren und steht für eine Montage der Bauteile 1, 2 sofort zur Verfügung.
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Soll das erste Bauteil 1 mit dem zweiten Bauteil 2 verbunden werden, wird die Schraube 5 durch eine Krafteinwirkung, welche ausreicht, um das Sicherungselement 4.3 in entgegengesetzte Richtung zur vorhergehenden Verformung plastisch zu verformen, so dass die Durchführungsöffnung 4.2 wieder geöffnet ist, aus dem als Hülsenelement ausgebildeten Abstandselement 4 entfernt. Hierfür kann beispielsweise bereits eine manuelle Zugeinwirkung auf die Schraube 5 ausreichend sein.
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Danach wird das Verbindungsmittel auf eine Verbindungsfläche 1.1, 2.1 zumindest eines der Bauteile 1, 2 aufgebracht und die beiden Bauteile 1, 2 werden aufeinander gesetzt, wobei das zweite Bauteil 2 auf dem Bund 4.1 des als Hülsenelement ausgebildeten Abstandselementes 4 aufliegt, so dass der vorgegebene Abstand a eingehalten wird. Nun wird die Schraube 5 durch die zweite Bohrung 2.2 und die Durchführungsöffnung 4.2 des in der ersten Bohrung 1.2 angeordneten Abstandselementes 4 hindurchgeführt und eine nicht näher dargestellte Schraubenmutter wird auf die Schraube 5 aufgeschraubt, so dass die beiden Bauteile 1, 2 durch die Verschraubung miteinander verbunden sind.
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Ein besonderer Vorteil derartiger Abstandselemente 4 in unmittelbarer Nähe von Verschraubungspunkten der beiden Bauteile 1, 2 ist eine Verringerung einer durch die Verschraubung auftretenden Flächenpressung auf die beiden Bauteile 1, 2 in der Umgebung der Verschraubung.
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In 3 ist eine weitere Ausführungsform des Abstandselementes 4 dargestellt. Dieses Abstandselement 4, welches hier in Draufsicht dargestellt ist, ist als ein Einlegeteil ausgebildet, im hier dargestellten Beispiel in Form einer Gitterstruktur, wobei auch hier eine Dicke oder Tiefe des Einlegeteils von einer Vorderseite zu einer Rückseite dem vorgegebenen Abstand a entspricht, welcher zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 eingehalten werden soll.
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Neben dieser Gitterstruktur sind eine Vielzahl weiterer Strukturen als derartige als Einlegeteile ausgebildete Abstandselemente 4 möglich, beispielsweise Höcker oder Noppen. Dabei sollten jeweils Zwischenräume 4.4 im als Einlegeteil ausgebildeten Abstandselement 4 vorhanden sein, um ein Hindurchführen der Schrauben 5 zur Verschraubung der Bauteile 1, 2 und ein Anordnen des Verbindungsmittels zwischen den Bauteilen 1, 2 in den Zwischenräumen 4.4 des Abstandselementes 4 zu ermöglichen.
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Das als Einlegeteil ausgebildete Abstandselement 4 wird vor oder nach dem Aufbringen des Verbindungsmittels auf eine Verbindungsfläche 1.1, 2.1 eines der Bauteile 1, 2 aufgelegt, wobei es sich lediglich über Teilbereiche oder über die gesamte Verbindungsfläche 1.1, 2.1 erstrecken kann. Es ist beispielsweise auch möglich, eine Mehrzahl derartiger Abstandselemente 4 verteilt nebeneinander auf der Verbindungsfläche 1.1, 2.1 anzuordnen. In diesem Fall müssen die Abstandselemente 4, wenn ihre flächenmäßige Ausdehnung hinreichend klein ist, nicht unbedingt die Zwischenräume 4.4 aufweisen, sondern es sind durch eine entsprechende Anordnung der Abstandselemente 4 auf der Verbindungsfläche 1.1, 2.1 ausreichende Freiräume zwischen den Abstandselementen 4 realisierbar.
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Vorteilhafterweise wird zunächst das Verbindungsmittel auf die jeweilige Verbindungsfläche 1.1, 2.1 eines der Bauteile 1, 2 aufgebracht und danach das Abstandselement 4 auf diese Verbindungsfläche 1.1, 2.1 aufgelegt und in das Verbindungsmittel eingelegt und eingedrückt. Dadurch erfährt das Abstandselement 4 eine zeitweise Haftung im Verbindungsmittel auf der Verbindungsfläche 1.1, 2.1 des jeweiligen Bauteils 1, 2.
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Das Abstandselement 4 ist derart auf der Verbindungsfläche 1.1, 2.1 zu positionieren und gegebenenfalls zu fixieren, dass die Schrauben 5, mittels welchen die beiden Bauteile 1, 2 verschraubt werden sollen, durch die Zwischenräume 4.4 des Abstandselementes 4 oder durch die Freiräume zwischen den Abstandselementen 4 hindurchgeführt werden können. D. h. die Bohrungen 1.2, 2.2 in den Bauteilen 1, 2 dürfen nicht durch das Abstandselement 4 verdeckt werden. Anschließend werden die beiden Bauteile 1, 2 aneinander gepresst und verschraubt, wobei durch das Abstandselement 4 der vorgegebene Abstand a zwischen den Bauteilen 1, 2 eingehalten wird.
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Auch mit derartigen Abstandselementen 4 wird ein exaktes Einstellen und Einhalten des vorgegebenen Abstandes a zwischen den Bauteilen 1, 2 ermöglicht. Des Weiteren kann auch hier eine Verringerung der durch die Verschraubung auftretenden Flächenpressung auf die beiden Bauteile 1, 2 in der Umgebung der Verschraubung erzielt werden, wenn das Abstandselement 4 in unmittelbarer Nähe der Verschraubung angeordnet wird und/oder den Bereich der Verschraubung umgibt.
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Die 4 und 5 zeigen eine weitere Ausführungsform von Abstandselementen 4. Diese Abstandselemente 4 sind direkt an einem der zu verbindenden Bauteile 1, 2, in den hier dargestellten Beispielen am ersten Bauteil 1 ausgeformt oder an dieses angeformt.
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Die auf diese Weise ausgeformten oder angeformten Abstandselemente 4 können beispielsweise als Nasen, Noppen oder wie in 4 dargestellt als ein linear verlaufender Steg oder wie in 5 dargestellt als Höcker ausgebildet sein, wobei jeweils eine Höhe des jeweiligen Abstandselementes 4 dem vorgegebenen Abstand a entspricht, welcher zwischen den beiden Bauteilen 1, 2 eingehalten werden soll. Es sind vielfältige Formen der Abstandselemente 4 und vielfältige Anordnungen auf der Verbindungsfläche 1.1, 2.1 des jeweiligen Bauteils 1, 2 möglich.
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Die Formen und Anordnungen werden dabei zweckmäßigerweise an die jeweiligen Erfordernisse und an die jeweiligen Bauteile 1, 2 angepasst. So können die Abstandselemente 4 beispielsweise, wie in den 4 und 5 dargestellt, jeweils einen gleich bleibenden Randabstand zu Längsrändern 6 der Verbindungsfläche 1.1, 2.1 des jeweiligen Bauteils 1, 2 aufweisen. Es sind jedoch beispielsweise auch kurvenförmig verlaufende Abstandselemente 4 oder linear ausgebildete und schräg zu jeweiligen Längsrändern 6 verlaufende Abstandselemente 4 möglich. Die Abstandselemente 4 können dabei beispielsweise mittig auf der jeweiligen Verbindungsfläche 1.1, 2.1 oder nahe eines der Längsränder 6 angeordnet sein.
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Das in 4 dargestellte, als linear verlaufender Steg ausgebildete Abstandselement 4 erstreckt sich beispielsweise über eine gesamte Längsausdehnung der ersten Verbindungsfläche 1.1 des ersten Bauteils 1, so dass eine gleichmäßige Abstützung der beiden Bauteile 1, 2 über das Abstandselement 4 ermöglicht ist. Dadurch wird der vorgegebene Abstand a über die gesamte Längsausdehnung exakt eingehalten und es treten beispielsweise keine Verwindungen der Bauteile 1, 2 auf.
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Die in 5 dargestellten höckerförmig ausgebildeten Abstandselemente 4, welche hier einen viereckigen Querschnitt aufweisen, aber zum Beispiel auch einen runden oder vieleckigen Querschnitt aufweisen können, sind beispielsweise an beiden Enden der Längsausdehnung der ersten Verbindungsfläche 1.1 des ersten Bauteils 1 angeordnet, so dass die beiden Bauteile 1, 2 gerade aufeinander aufsetzbar sind und der vorgegebene Abstand a über die gesamte Längsausdehnung gleichbleibend ist. Vorzugsweise sind die höckerförmigen Abstandselemente 4 dabei in unmittelbarer Näher der Verschraubungen angeordnet, so dass auch hier eine Verringerung der durch die Verschraubung auftretenden Flächenpressung auf die beiden Bauteile 1, 2 in der Umgebung der Verschraubung erzielt werden kann.
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Derartige Abstandselemente 4 können beispielsweise durch Anspritzen an das jeweilige Bauteil 1, 2 erzeugt werden, wenn das Bauteil 1, 2 aus Kunststoff ist, zum Beispiel aus Polyamid. Des Weiteren können derartige Abstandselemente 4 beispielsweise auch durch ein spanendes oder spanloses Verfahren am jeweiligen Bauteil 1, 2 ausgeformt werden, zum Beispiel durch Fräsen, Sägen, Drehen, Schleifen, Wasserstrahlbearbeitung, Laserbearbeitung oder Plasmabearbeitung. Alternativ kann beispielsweise eine Gussform zur Herstellung des jeweiligen Bauteils 1, 2 entsprechend ausgeformt sein, so dass das Abstandselement 4 oder eine Mehrzahl derartiger Abstandselemente 4 bereits während eines Gießverfahrens zur Herstellung des Bauteils 1, 2 ausgeformt wird.
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Wie in 6 dargestellt, wird vor dem Verbinden der Bauteile 1, 2 vorzugsweise in zumindest einem Randbereich zumindest eines der Bauteile 1, 2, genauer gesagt in zumindest einem Längsrandbereich einer Verbindungsfläche 1.1, 2.1 zumindest eines der Bauteile 1, 2 eine Fase 7 ausgeformt, um die Elastizität der Verbindung der beiden Bauteile 1, 2 weiter zu verbessern und dadurch unterschiedlicher Wärmedehnungen der beiden Bauteile 1, 2 noch besser ausgleichen zu können. Im hier dargestellten Beispiel ist die Fase 7 am zweiten Bauteil 2 ausgeformt.
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Die Fase 7 weist vorzugsweise einen Winkel α, bezogen auf eine gedachte Verlängerung der jeweiligen Verbindungsfläche 1.1, 2.1, von 10° bis 40°, besonders bevorzugt von 25° bis 35° auf. Es können auch in beiden Längsrandbereichen der jeweiligen Verbindungsfläche 1.1, 2.1 derartige Fasen 7 ausgeformt werden.
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Auch die Fase 7 kann beispielsweise durch ein spanendes oder spanloses Verfahren am jeweiligen Bauteil 1, 2 ausgeformt werden, zum Beispiel durch Fräsen, Sägen, Drehen, Schleifen, Wasserstrahlbearbeitung, Laserbearbeitung oder Plasmabearbeitung.
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Alternativ kann auch hierfür beispielsweise eine Gussform zur Herstellung des jeweiligen Bauteils 1, 2 entsprechend ausgeformt sein, so dass die Fase 7 oder die Fasen 7 bereits während eines Gießverfahrens zur Herstellung des jeweiligen Bauteils 1, 2 ausgeformt wird/werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Bauteil
- 1.1
- erste Verbindungsfläche
- 1.2
- erste Bohrung
- 2
- zweites Bauteil
- 2.1
- zweite Verbindungsfläche
- 2.2
- zweite Bohrung
- 3
- Spalt
- 4
- Abstandselement
- 4.1
- Bund
- 4.2
- Durchführungsöffnung
- 4.3
- Sicherungselement
- 4.4
- Zwischenraum
- 5
- Schraube
- 5.1
- Schraubenkopf
- 5.2
- Gewinde
- 6
- Längsrand
- 7
- Fase
- a
- Abstand
- α
- Winkel
