DE102013201183A1

DE102013201183A1 - Verbindungsanordnung und Verfahren zum Fügen eines Bauteils

Info

Publication number: DE102013201183A1
Application number: DE102013201183.0A
Authority: DE
Inventors: Daniel Wolf; Volker Wagner; Ingolf Mueller
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2013-01-25
Filing date: 2013-01-25
Publication date: 2014-07-31
Also published as: WO2014114478A1; EP2948684A1

Abstract

Es wird eine Verbindungsanordnung zum Fügen von zumindest einem nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) vorgeschlagen, wobei das Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) als Fügepartner von zumindest einem wenigstens einen Fügeabschnitt (6, 6A) aufweisenden Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) zumindest abschnittsweise derart umgeben ist, und wobei im Bereich des Fügeabschnittes (6, 6A) aufgrund von Fügeeigenspannungen zumindest eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) und dem Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verbindungsanordnung zum Fügen von zumindest einem nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteil gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Fügen des Bauteils gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 13 näher definierten Art.
Es ist bekannt, dass Leichtbaumaterialien, wie zum Beispiel Kunststoffe insbesondere faserverstärkte Kunststoffe schwer mit anderen Werkstoffen zu verbinden bzw. zu fügen sind. Das Fügen ist insbesondere nach DIN 8593 definiert. Die Materialübergänge bzw. -verbindungen werden üblicherweise mit Fügestellen erreicht. Im Rahmen von Leichtbaustrategien mit verschiedenen Materialien sowie im Bereich von Krafteinleitungsstellen sind derartige Materialübergänge erforderlich. Schweißverfahren haben sich aufgrund ihrer hohen Wirtschaftlichkeit insbesondere in der Fahrzeugtechnik als Fügeverfahren durchgesetzt. Jedoch sind Werkstoffe aus Faserkunststoffverbunden mit duroplastischer Matrix sowie einige Leichtmetallverbindungen nicht oder nur unter aufwändigen Bedingungen schweißbar bzw. fügbar. Bauteile aus den vorgenannten Werkstoffen insbesondere an Krafteinleitungsstellen oder an Materialübergängen zu fügen, ist bezüglich Bauraumbedarf, Kosten, Festigkeit und Beständigkeit ein Problem.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verbindungsanordnung und ein Verfahren zum Fügen von nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteilen vorzuschlagen, welche eine bezüglich Bauraumbedarf, Herstellungskosten und Festigkeit sowie Beständigkeit optimierte Verbindungsmöglichkeit realisieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruches 1 bzw. 13 gelöst, wobei sich vorteilhafte Weiterbildungen aus den jeweiligen Unteransprüchen, der Beschreibung sowie den Zeichnungen ergeben.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird durch eine Verbindungsanordnung zum Fügen von zumindest einem nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteilen gelöst, indem das zu fügende Bauteil, welches beliebige Abmessungen und konstruktive Formen aufweisen kann, von zumindest einem wenigstens einen Fügeabschnitt oder dergleichen aufweisenden Fügeelement zumindest abschnittsweise derart umgeben ist, dass im Bereich bzw. entlang des Fügeabschnittes aufgrund von aufgetretenen Fügeeigenspannungen, insbesondere thermischen Fügespannungen, z.B. beim bzw. nach dem Fügen zumindest eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil vorgesehen ist.
Die Form und die Abmessungen des zumindest einen Fügeelementes wird derart gewählt, dass zumindest ein abschnittsweise bzw. bereichsweise Umgeben des zu fügenden Bauteils ermöglicht wird. Hierzu kann das Fügeelement beispielsweise in Hälften oder auch in weitere Teile bzw. Sektionen geteilt sein, wobei zwischen einer oder mehreren Trennebenen des Fügeelements ein Fügespalt bzw. ein Fügebereich oder -abschnitt vorgesehen ist, der zum Realisieren der zumindest kraftschlüssigen Verbindung abschnittsweise thermisch gefügt, z.B. geschweißt, ist. Es sind auch mehrteilige zum Beispiel in Sektionen geteilte Fügeelemente insbesondere zum Befestigen von rotationssymmetrischen Bauteilen einsetzbar.
Wenn neben der kraftschlüssigen Verbindung auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement und dem zu fügenden Bauteil realisiert werden soll, kann je nach Ausführung eine korrespondierende Negativkontur und Positivkontur vorgesehen sein, die quasi ineinander greifen und somit einen formschlüssigen Verbund zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil realisieren. Hierzu ist es möglich, dass eine der Konturen an dem Fügeelement und die jeweils andere Kontur an dem zu fügenden Bauteil vorgesehen ist oder umgekehrt.
Als nicht fügbare oder nicht schweißbare Bauteile sind vorzugsweise Faserkunststoffverbunde mit duroplastischer Matrix oder dergleichen zu nennen, während als nur bedingt schweißbare Bauteile vorzugsweise Leichtmetalle oder dergleichen Werkstoffe anzugeben sind. Als fügbare oder schweißbare Fügeelemente können vorzugsweise metallische oder nicht metallische Verbindungen oder dergleichen genannt werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Verbindungsanordnung kann vorzugsweise als Führungslager für Blattfedern oder so genannte elastische Lenker aus Faserverbund eingesetzt werden. Ferner ist der Einsatz bei Adaptern für Kugelgelenke oder dergleichen und deren Befestigung an Lenkern aus Faserkunststoffverbunden möglich. Es sind auch andere Einsatzzwecke denkbar.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird auch durch ein Verfahren zum Fügen eines nicht oder nur bedingt schweißbaren oder fügbaren Bauteils mittels zumindest eines z.B. schweißbaren Fügeelements gelöst, indem das Bauteil von zumindest einem wenigstens einen Fügeabschnitt aufweisenden Fügeelement zumindest abschnittsweise umschlossen wird und das Fügeelement zumindest bereichsweise entlang des Fügeabschnittes thermisch gefügt, z.B. geschweißt wird.
Auf diese Weise wird von dem fügbaren Fügeelement zumindest ein Fügepartner aus einem nicht oder nur bedingt fügbaren Material oder Werkstoff bereichsweise eingeschlossen, wobei das umschließende Fügeelement im Bereich zum Beispiel einer Trennebene ein Fügeabschnitt, zum Beispiel ein Spalt oder dergleichen aufweist, im Bereich dessen entlang einer ausreichend gegenüber dem Fügepartner bzw. dem zu fügenden Bauteil beabstandeten Berandungskurve mit einer Schweißnaht verschlossen oder verformt wird. Beim Abkühlen der Schweißnaht zieht sich das verschweißte Fügeelement zusammen und klemmt somit das umschlossene Bauteil ein.
Je nachdem, ob bei dem Fügeelement und dem Bauteil eine korrespondierende Positiv- und Negativkontur vorgesehen ist, kann neben der Kraftschlussverbindung auch eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement und dem Bauteil realisiert werden.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnungen weiter erläutert. Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer ersten Ausführungsvariante einer erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
1A eine geschnittene Ansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 1;
2 eine schematische Ansicht einer zweiten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung;
2A eine geschnittene Ansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 2;
3 eine schematische, geschnittene Ansicht einer dritten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung im unbefestigten Zustand;
3A eine schematische geschnittene Ansicht der dritten Ausführungsvariante im befestigten Zustand nach thermischer Verformung gemäß 3;
4 eine schematische Ansicht einer vierten Ausführungsvariante der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung; und
4A eine geschnittene Ansicht entlang der Schnittlinie A-A gemäß 4.
In den 1 bis 4A sind verschiedene Ausführungsvarianten und Ansichten der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung zum Fügen von einem nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteil beispielhaft dargestellt, wobei sich aus den Figuren auch die erfindungsgemäße Verfahrensweise zum Befestigen des Bauteils mittels zumindest eines fügbaren Fügeelements ergibt.
In 1 und 1A ist eine erste Ausführungsvariante der Verbindungsanordnung mit einem etwa quaderförmig oder würfelförmig ausgeführten Fügeelement 1 und einem von diesem umhüllten Bauteil 2 mit einer balkenförmigen Struktur dargestellt. Das Fügeelement 1 ist geteilt ausgeführt, wobei beispielsweise zwei Teile bzw. Hälften vorgesehen sind. Der zwischen den Hälften gebildete Aufnahmeraum 3 des Fügeelements 1 ist entsprechend zur Aufnahme der balkenförmigen Struktur des Bauteils 2 geformt, wobei eine Positivkontur 4 vorgesehen ist, die mit einer Negativkontur 5 an der Oberfläche des Bauteils 2 korrespondiert, so dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 1 und dem Bauteil 2 gegeben ist.
Wie insbesondere aus 1A ersichtlich ist, weist das Fügeelement 1 einen etwa U-förmig umlaufenden Fügeabschnitt 6 auf, der über eine zum Beispiel v-förmig ausgeführte Schweißnaht 7 thermisch gefügt ist, so dass die während bzw. nach der Schweißung auftretenden Schweißeigenspannung eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 1 und dem Bauteil 2 realisieren.
In 2 und 2A ist eine zweite Ausführungsvariante der vorgeschlagenen Verbindungsanordnung dargestellt, bei der mit dem Fügeelement 1A ein rotationssymmetrisches Bauteil 2A, beispielsweise eine Welle oder dergleichen, gefügt bzw. befestigt ist. Das Fügeelement 1A kann zum Fügen des rotationssymmetrischen Bauteiles 2A beispielsweise zwei Ringsegmente aufweisen, zwischen denen entlang der Trennebene die axial verlaufenden Fügeabschnitte 6 beidseitig zwischen den Ringsegmenten vorgesehen sind. Auf diese Weise ist das Fügeelement 1A in zwei Sektionen geteilt.
Wie beispielsweise aus 2A ersichtlich ist, ist als Positivkontur 4 ein umlaufender Vorsprung, Flansch oder dergleichen an der Innenseite bzw. an der Innenoberfläche des Fügeelements 1A vorgesehen. Die Positivkontur 4 korrespondiert mit einer an der Oberfläche des Bauteiles 2A verlaufenden Negativkontur 5, zum Beispiel einer umlaufenden Nut oder dergleichen. Auf diese Weise ergibt sich neben der durch die Schweißnaht 7 resultierenden kraftschlüssigen Verbindung zusätzlich eine formschlüssige Verbindung. Somit wird das als Welle ausgeführte Bauteil 2A nach dem Abkühlen der Schweißnaht 7, also nach dem thermischen Fügen von dem Fügeelement 1A also den beiden Ringsegmenten eingeklemmt werden.
In 3 und 3A ist eine dritte Ausführungsvariante der Verbindungsanordnung dargestellt, bei der das Fügeelement 1B ebenfalls zum Befestigen eines rotationssymmetrischen Bauteils 2B eingesetzt wird. Hierfür ist das Fügeelement 1B beispielsweise als Hülsenelement ausgeführt, an dem eine Abwinklung bzw. ein Flansch 9 zum weiteren Befestigen vorgesehen bzw. angeformt ist. Das Fügeelement 1B weist einen radial außen umlaufenden Fügeabschnitt 6 auf, entlang dessen die Schweißnaht 7 verläuft, wobei sich der Fügeabschnitt 6 infolge der Schweißeigenspannungen derart deformiert, dass neben der kraftschlüssigen Verbindung auch eine formschlüssige Verbindung realisiert wird, indem durch die Deformation eine Positivkontur 4 an der Innenseite bzw. Innenoberfläche des Fügeelements 1B erzeugt wird. Die Verformung des Bauteiles 1B bzw. des Hülsenelements wird durch einen radial innen umlaufenden Sollbiegeabschnitt 10 erleichtert bzw. ermöglicht. Das Bauteil 2B weist eine radial außen umlaufende Ausnehmung als Negativkontur 5 auf.
Schließlich ist in den 4 und 4A eine vierte Ausführungsvariante der Verbindungsanordnung dargestellt, bei der das Fügeelement 1C zum Fügen eines flächigen Bauteils 2C zwei Spannbacken aufweist. Das Fügeelement 1C ist in zwei Spannbacken geteilt, wobei die Spannbacken einen Randabschnitt des Bauteiles 2C abschnittsweise flächig einspannen, wobei mehrere partielle Durchbrüche mit im Inneren vorgesehener Schweißlinse 8 als Fügeabschnitt 6 vorgesehen sind. Die Schweißlinsen 8 werden jeweils mittels Widerstandpunktschweißen erzeugt, wodurch das Bauteil 2C zwischen den beiden Spannbacken des Fügeelements 1C verklemmt wird. Andererseits kann als weiterer Fügeabschnitt 6A entlang der Trennebene zwischen den Spannbacken eine zum Beispiel U-förmig umlaufende Schweißnaht 7 am Rand des Fügeelement 1C vorgesehen sein.
Wie insbesondere aus 4A ersichtlich ist, wird durch den gebildeten Fügeabschnitt 6 mit den in den Durchbrüchen gebildeten Schweißlinsen 8 und der vorgesehenen Positivkontur 4 und Negativkontur 5 zudem eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 1C und dem Bauteil 2C realisiert.
Anhand der in den Figuren dargestellten Ausführungsvarianten wird deutlich, dass im Rahmen des ebenfalls beanspruchten Verfahrens zum Fügen eines nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteils 2, 2A, 2B, 2C mittels zumindest eines Fügeelements 1, 1A, 1B, 1C das zu fügende Bauteil 2, 2A, 2B, 2C von zumindest einem wenigstens einen Fügeabschnitt 6, 6A aufweisenden Fügeelement 1, 1A, 1B, 1C zumindest abschnittsweise umschlossen wird und dass das Fügeelement 1, 1A, 1B, 1C zumindest abschnittsweise entlang des Fügeabschnittes 6, 6A thermisch gefügt wird.
Das Fügeelement 1, 1A, 1B, 1C wird während des Fügens bzw. nach dem Fügen aufgrund der auftretenden Fügeeigenspannungen derart verformt wird, dass eine Kraftschlussverbindung zwischen dem Fügeelement 1, 1A, 1B, 1C und dem Bauteil 2, 2A, 2B, 2C gebildet wird. Zudem oder auch ausschließlich kann das Fügeelement 1, 1A, 1B, 1C während des Fügens bzw. nach dem Fügen derart verformt werden, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement 1, 1A, 1B, 1C und dem Bauteil 2, 2A, 2B, 2C gebildet wird.
Gemäß des vorgeschlagenen Verfahrens kann zum thermischen Fügen vorzugsweise ein Schweißverfahren oder ein Heißklebeverfahren verwendet werden.
Bezugszeichenliste

1, 1A, 1B, 1C: Fügeelement
2, 2A, 2B, 2C: zu fügendes Bauteil
3: Aufnahmeraum des Fügeelements
4: Positivkontur
5: Negativkontur
6, 6A: Fügeabschnitt
7: Schweißnaht
8: Schweißlinse
9: Abwinklung bzw. Flansch
10: Sollbiegeabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 8593 [0002]

Claims

Verbindungsanordnung zum Fügen von zumindest einem nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) als Fügepartner von zumindest einem wenigstens einen Fügeabschnitt (6, 6A) aufweisenden Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) zumindest abschnittsweise derart umgeben ist, dass im Bereich des Fügeabschnittes (6, 6A) aufgrund von Fügeeigenspannungen zumindest eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) und dem Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) vorgesehen ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) von zumindest einem schweißbaren Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) zumindest abschnittsweise umgeben ist, wobei die kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) und dem Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) durch eine zumindest abschnittsweise entlang des Fügeabschnittes (6, 6A) verlaufende Schweißnaht (7) vorgesehen ist.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Fügeabschnitt (6, 6A) bei einem mehrteiligen Fügeelement (1, 1A, 1C) entlang zumindest einer Trennebene vorgesehen ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeelement (1A) zum Fügen eines rotationssymmetrischen Bauteiles (2A) mehrere Ringsegmente vorgesehen sind, zwischen denen axial verlaufende Fügeabschnitte (6) vorgesehen sind.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeelement (1B) zum Fügen eines rotationssymmetrischen Bauteiles (2B) zumindest ein Hülsenelement vorgesehen ist, welches einen radial außen umlaufenden Fügeabschnitt (6) als Schweißnaht (7) zum Bilden einer Positivkontur (4) und einen radial innen umlaufenden Sollbiegeabschnitt (10) aufweist, wobei das Bauteil (2B) eine radial außen umlaufende Ausnehmung als Negativkontur aufweist, so dass zwischen der Positivkontur (4) und der Negativkontur (5) eine kraftschlüssige und formschlüssige Verbindung vorgesehen ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Fügeelement (1C) zwei Spannbacken zum Fügen eines flächigen Bauteiles (2C) vorgesehen sind, wobei die Spannbacken einen Randabschnitt des Bauteiles (2C) abschnittsweise flächig einspannen, wobei mehrere partielle Durchbrüche mit im Inneren vorgesehener Schweißlinse (8) als Fügeabschnitte (6) vorgesehen sind.
Verbindungsanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass entlang der Trennebene zwischen den Spannbacken ein weiterer Fügeabschnitt (6A) als Schweißnaht (7) vorgesehen ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenoberfläche des Fügeelementes (1, 1A, 1B, 1C) und die Oberfläche des Bauteils (2, 2A, 2B, 2C) jeweils mit einer Negativkontur (5) oder einer Positivkontur (4) zum Realisieren einer formschlüssigen Verbindung zwischen Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) und Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) versehen sind.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das nicht fügbare oder nur bedingt fügbare Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) aus Werkstoffen von Faserkunststoffverbunde mit duroplastischer Matrix und aus Werkstoffen von nur bedingt schweißbaren Leichtmetallverbindungen hergestellt ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) aus Werkstoffen von schweißbaren metallischen oder nichtmetallischen Verbindungen hergestellt ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu fügende Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) als Führungslager für Blattfedern oder für einen elastischen Lenker verwendbar ist.
Verbindungsanordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zu fügende Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) als Adapter für ein Kugelgelenk oder zur Befestigung des Kugelgelenkes an einem Lenker verwendbar ist.
Verfahren zum Fügen eines nicht oder nur bedingt fügbaren Bauteils (2, 2A, 2B, 2C) mittels zumindest eines Fügeelements (1, 1A, 1B, 1C), dadurch gekennzeichnet, dass das zu fügende Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) von zumindest einem wenigstens einen Fügeabschnitt (6, 6A) aufweisenden Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) zumindest abschnittsweise umschlossen wird und dass das Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) zumindest abschnittsweise entlang des Fügeabschnittes (6, 6A) thermisch gefügt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement aufgrund von Fügeeigenspannungen derart verformt wird, dass eine Kraftschlussverbindung zwischen dem Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) und dem Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement während des Fügens derart verformt wird, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Fügeelement (1, 1A, 1B, 1C) und dem Bauteil (2, 2A, 2B, 2C) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zum thermischen Fügen Schweißverfahren, Heißklebeverfahren und/oder Reaktionsklebstoffe verwendet werden.