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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei oder mehreren Bauteilen, insbesondere Gussbauteilen, Sinterbauteilen oder Schmiedebauteilen im Einzelnen mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung eines derartigen Verfahrens zur Herstellung eines Pleuels, sowie einen Pleuel.
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Wesentlich für die Qualität einer Verbindung beim Fügen von Bauteilen ist die Lagepositionierung zueinander, um einen gewünschten Verbindungsbereich realisieren zu können. Die Lagepositionierung erfolgt dabei bekanntermaßen im Allgemeinen über Normteile, zum Beispiel in Form von Zylinderstiften, Passschrauben, Spannhülsen oder eine mechanische Zusatzbearbeitung zur Herstellung einer bestimmten Passung. Durch die Verwendung zusätzlicher Normteile sind zum einen diese als Zusatzbauteile erforderlich, ferner sind entsprechende Maßnahmen an den miteinander zu verbindenden Bauteilen vorzusehen, um die Normteile zum Einsatz zu bringen. Dies bedingt zum Teil einen zusätzlichen Bearbeitungsaufwand.
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Bei Gussteilen, insbesondere beispielsweise als Gussteil hergestellten Pleuelstangen ist es zum Teil erforderlich, eine Trennstelle vorzusehen. Diese wird über das Cracken eines einteilig hergestellten Gussbauteils realisiert. Dieses als Trennverfahren bezeichnete Crack-Verfahren ist dadurch charakterisiert, dass in das einteilige Bauteil im Bereich der gewünschten Trennstelle eine Kerbe eingearbeitet wird. Die Art der Kerbe ist abhängig vom Material und wird in Form einer Bruchkerbe oder einer Laserkerbe vorgesehen. Der Pleuel wird an dieser Bruchkerbe gezielt in zwei Teile durch Brechen unterteilt. Im Ergebnis des Bruchvorganges liegen zwei Teile vor, die bei der Pleuelmontage verschraubt werden und exakt zusammenpassen. Auf Grund der sich ergebenden individuellen Bruchgeometrie können nur die beiden Bauteile miteinander gefügt werden, so dass für die einzelnen Teile keine Austauschbarkeit gegeben ist. Dies bedingt insbesondere bei Beschädigungen in Teilbereichen einen vollständigen Austausch. Allerdings ist dieses Verfahren nur bedingt für die Pleuelherstellung einsetzbar, da insbesondere die Auswahl von crackbaren Werkstoffen erheblichen Restriktionen unterworfen ist oder aber eine thermische Sonderbehandlung erforderlich ist.
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Die Druckschrift
DE 10 2004 060 A1 offenbart ein Verfahren zum Fügen von zumindest zwei Bauteilen, bei denen die Grobausrichtung über separat an den Oberflächen vorzusehende Makroformelemente erfolgt, welche als separate Bauteile zum Einsatz gelangen und die Feinjustierung über an der Oberfläche im Fügebereich eingearbeitete Microstrukturen.
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Der Erfindung lag daher die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur reproduzierbaren positionsgenauen gepaarten Montage- und kostengünstigen Lagepositionierung zwischen zwei oder mehreren Bauteilen, insbesondere Gussbauteilen, wie Druck- und/oder Feingussbauteilen, oder Sinterbauteilen oder Schmiedebauteilen zueinander zu ermöglichen. Die Ausrichtung zueinander soll dabei eindeutig erfolgen, d.h. fehlerhafte Stellungen zueinander ausgeschlossen werden. Eine aus dem Stand der Technik bekannte aufwendige mechanische Zusatzbearbeitung an den miteinander zu verbindenden Bauteilen ist zu vermeiden. Insbesondere sollen auch Bauteile unterschiedlicher Materialien, sowie unterschiedlicher Kavitäten beim Fügen hinsichtlich ihrer Lagezuordnung zueinander eindeutig positionierbar sein.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist durch die Merkmale der Ansprüche 1, 14 und 15 charakterisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fügen von mindestens zwei oder mehreren Bauteilen, bei welchem die miteinander zu verbindenden Bauteile in ihrer Lage zueinander über die Lage der Bauteile zueinander definierende Positioniereinrichtungen ausgerichtet werden, ist dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausrichtung der Bauteile zueinander an jedem der miteinander zu verbindenden Bauteile zumindest eine Positioniereinrichtung in Form zumindest eines Positiv-Formelementes und/oder Negativ-Formelementes integral ausgebildet wird, wobei zum Fügen das einzelne Positiv-Formelement an einem Bauteil in eine sich in ein Negativ-Formelement am anderen Bauteil zumindest teilweise erstreckende Lage unter Ausbildung einer Positioniereinrichtungspaarung verbracht wird und zumindest eines der Formelemente einer Positioniereinrichtungspaarung beim erstmaligen Fügen der Bauteile zumindest teilweise plastisch unter Ausbildung eines einen Freiheitsgrad aufweisenden Formschlusses zwischen den Bauteilen verformt wird.
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D.h. insbesondere, dass das einzelne Positiv-Formelement an einem Bauteil mit einem Negativ-Formelement am anderen Bauteil in Eingriff im Sinne von Eintauchen bzw. eines zumindest teilweisen Überlappens der Erstreckungsbereiche gebracht wird und zumindest eines der miteinander in Eingriff stehenden Formelemente beim Fügen der Bauteile zumindest teilweise plastisch unter Herstellung eines Formschlusses verformt wird. Eingriff im Sinne der Erfindung bedeutet kein Verhacken der Bauteile.
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„Positiv-Formelement“ steht für am Bauteil vorstehende und sich von diesem erstreckende Formelemente, während der Begriff „Negativ-Formelement“ für Aussparungen steht, wobei die das Negativ-Formelement beschreibende Kontur der des Positiv-Formelementes entspricht. D.h. dass das Relief des Negativ-Formelementes umgekehrt zum Positiv-Formelement verläuft.
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Vorzugsweise handelt es sich bei den zu verbindenden Bauteilen um Gussbauteile. Bei Gussbauteilen kann dabei auf standardisierte Werkstoffe zurückgegriffen werden und die Formelemente können ohne Mehraufwand bei der Fertigung mit erzeugt werden. Gussbauteile sind Formteile, die durch Urformen gefertigt werden. Bei diesen kann es sich um Feingussteile, Druckgussteile oder Bauteile, die durch Präzisionsgussfertigungsverfahren hergestellt werden, handeln, wobei Gussbauteile mit gleichen Materialeigenschaften oder aber auch unterschiedlichen Eigenschaften und Kavitäten gefügt werden können.
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Die Bauteile können ferner aber auch als Sinterbauteile oder Schmiedebauteile vorliegen.
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Durch die Einbringung von Positiv-Formelementen und/oder Negativ-Formelementen an den miteinander zu verbindenden Bauteilen, welche in einem anschließenden Fügevorgang einer gezielten plastischen Verformung unterworfen werden, wird sichergestellt, dass die zu paarenden Bauteile hochpräzise und eindeutig in ihrer Lage zueinander bestimmt sind. Dadurch, dass die Formelemente bereits beim Herstellvorgang der Bauteile mit an diesen ausgebildet bzw. ausgeformt und berücksichtigt werden, ist der Zusatzaufwand für die Bereitstellung dieser gering. Das Bauteil kann damit frei von einer im Stand der Technik für das Vorsehen der Positioniereinrichtungen erforderlichen Bereitstellung dieser und zusätzlich an den zu verbindenden Bauteilen frei von einer notwendigen spanenden Bearbeitung gehalten werden.
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Der zumindest eine Freiheitsgrad der über die Formelemente erzielten formschlüssigen Verbindung zwischen den Bauteilen beinhaltet eine Bewegbarkeit in Fügerichtung und erlaubt zum einen ein Lösen der über die Formelemente realisierten formschlüssigen Verbindung zumindest in Fügerichtung und eine präzise Lagepositionierung der Bauteile zueinander bei wiederholtem Fügen aufgrund der plastisch verformten Bereiche der Formelemente. Der Freiheitsgrad wird dann durch das eigentliche Fügen, vorzugsweise in Form einer kraftschlüssigen Verbindung aufgehoben. Diese Lösung bietet damit den gleichen Vorteil wie das Cracken, ist frei von einer spanenden Bearbeitung und erlaubt die Ausbildung von zusammengesetzten Bauteilen mit komplexer Geometrie.
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Das Fügen der Bauteile selbst kann beispielsweise durch Umformen, insbesondere Kalt- oder Warmumformen; die Herstellung eines Längs- oder Querpressverbandes, eine kraftschlüssige Verbindung (z.B. Schraubverbindung) oder eine formschlüssige Verbindung erfolgen. Gemäß einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung erfolgt das Fügen der Bauteile durch Herstellen einer lösbaren kraftschlüssigen Verbindung, erzeugt über zumindest ein Verbindungselement aus der nachfolgenden Gruppe:
- – Schraube
- – Bolzen, Spannbolzen
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Der Formschluss dient der Ausrichtung und Lagepositionierung der Bauteile zueinander und der Kraftschluss der eigentlichen Verbindung.
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Die Lagezuordnung der einzelnen Bauteile wird als Funktion mindestens eines Parameters aus der nachfolgenden Gruppe oder einer Kombination aus diesen definiert:
- – Form, Geometrie einer einzelnen Positioniereinrichtung
- – Verlauf der Kontur der Positioniereinrichtung parallel zur Fügefläche
- – Freiheitsgrad einer Positioniereinrichtungspaarung aus zwei miteinander in Eingriff stehenden Positioniereinrichtungen
- – Anzahl der Positioniereinrichtungen an einem Bauteil
- – Anordnung der Positioniereinrichtung an einem Bauteil und/oder bei Vorsehen einer Mehrzahl von Positioniereinrichtungen die Anordnung zueinander
- – Dimensionierung einer einzelnen Positioniereinrichtung
- – Material des Bauteils
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Die Form, Geometrie beinhaltet insbesondere die Erstreckung im Raum.
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Um eine eindeutige, d.h. eine einzig mögliche Lagezuordnung zwischen den zu verbindenden Bauteilen zu gewährleisten, sind mehrere Möglichkeiten durch die gezielte Festlegung oben genannter Parameter denkbar.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterentwicklung ist das einzelne Positiv-Formelement und/oder Negativ-Formelement derart ausgeführt, dass dieses im Zusammenwirken mit dem Negativ-Formelement und/oder Positiv-Formelement am anderen Bauteil in Funktionskonzentration zusätzlich die Funktion einer Verdrehsicherung zwischen den beiden miteinander zu fügenden Bauteilen im Verbindungsbereich ermöglicht. In diesem Fall genügt ein einziges Formelement an einem der miteinander zu verbindenden Bauteile. Die Ausführung ist dadurch charakterisiert, dass zumindest eine einzelne Positioniereinrichtung an einem der miteinander zu verbindenden Bauteile vorgesehen wird, die derart ausgebildet ist, im Zusammenwirken mit der dazu komplementären Positioniereinrichtung am jeweils anderen Bauteil eine Relativbewegung der beiden Bauteile parallel zueinander zu verhindern.
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Um eine Verdrehsicherung mittels nur eines einzigen Formelementes – Positiv-Formelement oder Negativ-Formelement – an einem der Bauteile zu ermöglichen, ist der Verlauf des Formelementes in dieser Ebene von entscheidender Bedeutung. Dabei werden Formelemente zum Einsatz gelangen, die auf Grund ihrer geometrischen Ausführung bereits eine Sperrwirkung in zumindest einer Richtung oder einer Mehrzahl von Richtungen in der Verbindungsebene ermöglichen. Dies wird beispielsweise durch eine Form der Positioniereinrichtung parallel zur Fügefläche erzielt, die hinsichtlich ihres Verlaufs durch eine oder mehrere Richtungsänderungen charakterisiert ist, d.h. die einzelnen Teilbereiche sind mit unterschiedlichem Winkel zueinander ausgerichtet. Bei einfacher Geometrie, insbesondere Steg- oder Rippenausführungen kann eine eindeutige Lagezuordnung bereits durch das Vorsehen zweier in einem Winkel zueinander angeordneter Teilbereiche mit unterschiedlicher Dimensionierung erzielt werden. Die Anzahl der Positioniereinrichtungen kann gering gehalten werden und es können auch Lagezuordnungen an Bauteilen mit sehr kleinem Fügebereich sicher gewährleistet werden. Bezüglich des Verlaufs bzw. der Kontur des einzelnen Formelementes bestehen dabei nur wenige Restriktionen. Entscheidend ist, dass diese durch eine Richtungsänderung charakterisiert ist, wobei verschiedene Formen, wie z.B. eine T-Form, C-Form oder U-Form, denkbar sind.
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Gemäß einer zweiten Ausführung ist es möglich, eine eindeutige Lagezuordnung über zumindest zwei hinsichtlich Form, Geometrie und/oder Dimensionierung unterschiedliche Positioniereinrichtungen an den jeweiligen miteinander zu verbindenden Bauteilen zu gewährleisten, die im Zusammenwirken mit der dazu komplementären Positioniereinrichtung am jeweils anderen Bauteil eine Relativbewegung der beiden Bauteile parallel zueinander verhindern. Eine eindeutige Zuordnung ist immer dann gegeben, wenn die einzelnen Formelemente bezüglich einer gedachten Bezugslinie am jeweiligen Bauteil unterschiedliche Abstände aufweisen. Bezugslinie kann beispielsweise eine Symmetrie- oder Mittellinie sein.
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Eine definierte Lagezuordnung ist auch dann möglich, wenn jeweils zumindest zwei Positioniereinrichtungen an einem einzelnen Bauteil vorgesehen werden, die im Zusammenwirken mit der dazu komplementären Positioniereinrichtung am jeweils anderen Bauteil eine Relativbewegung der beiden Bauteile parallel zueinander verhindern, wobei die zumindest zwei Positioniereinrichtungen an einem einzelnen Bauteil hinsichtlich Form, Geometrie und/oder Dimensionierung identisch ausgeführt sind und bezüglich einer gedachten Bezugslinie unterschiedliche Abstände aufweisen.
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Eine weitere Ausführung mit Verwendung besonders einfach gestalteter identischer Formelemente ist dadurch charakterisiert, dass jeweils zumindest drei hinsichtlich Form, Geometrie und/oder Dimensionierung identisch ausgeführte Positioniereinrichtungen an einem einzelnen Bauteil beabstandet zueinander vorgesehen werden, die im Zusammenwirken mit der dazu komplementären Positioniereinrichtung am jeweils anderen Bauteil eine Relativbewegung der beiden Bauteile parallel zueinander verhindern.
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Durch das weitere dritte Formelement wird beim Eingriff mit bzw. in die dazu komplementären Formelemente am zu verbindenden Bauteil eine Lagezuordnung realisiert, aus dieser das einzelne Bauteil bei Bewegung parallel zur Verbindungsebene nicht herausdrehbar ist.
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Bezüglich der konkreten Ausgestaltung der einzelnen Formelemente besteht eine Mehrzahl von Möglichkeiten. In vorteilhafter Weise ist das einzelne Positiv-Formelement als Vorsprung mit zumindest einer geometrischen Form gemäß einem Element aus der nachfolgend genannten Gruppe ausgeführt:
- – Kegel
- – Kegelstumpf
- – Halbkugel, Kugelsegment
- – Ringsegment
- – Pyramide
- – Rippe
- – Rippenanordnung
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Das einzelne Negativ-Formelement ist komplementär zum Positiv-Formelement, d.h. ergänzend im Sinne von aufnehmend, als Aussparung mit einer geometrischen Form gemäß einem Element der nachfolgend genannten Gruppe ausgeführt:
- – Kegel
- – Kegelstumpf
- – Halbkugel, Kugelsegment
- – Ringsegment
- – Halbkugel, Kugelsegment
- – Ringsegment
- – Pyramide
- – Nut
- – Nutanordnung
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In einer vorteilhaften Weiterbildung sind im Bereich zumindest einer einzelnen Positioniereinrichtung einer Positioniereinrichtungspaarung Aufnahmebereiche für bei der plastischen Verformung verdrängtes Material vorgesehen. Dies bietet den Vorteil, dass eine plastische Verformung frei von einem Einfluss auf die Lage der Bauteile ist.
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In besonders vorteilhafter Ausbildung erfolgt die Anordnung der Positioniereinrichtungen an den einzelnen Bauteilen derart, dass diese bei der Herstellung der Verbindung im durch die Verbindung der beiden Bauteile definierten Verbindungsbereich liegen, wodurch eine direkte Krafteinleitung beim Fügen auch in die Positioniereinrichtungen möglich ist, insbesondere um hier einen Kraft- und Formschluss innerhalb der Paarung beziehungsweise der Umgebung zu erzeugen.
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In einer vorteilhaften Weiterbildung werden Bauteile unterschiedlicher Materialien verbunden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders zum Fügen von Gussbauteilen geeignet, da bei diesen die Formelemente bei der Herstellung einfach realisierbar sind. Denkbar ist jedoch auch die Anwendung bei Schmiedebauteilen oder Sinterbauteilen.
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Ein Verfahren zum Fügen von mindestens zwei oder mehreren Bauteilen, insbesondere Gussbauteilen gemäß einem der Verfahrensansprüche wird vorzugsweise zur Herstellung eines Pleuels verwendet. Der Pleuel weist einen ersten Lagerbereich bildendes Lagerauge, ein einen zweiten Lagerbereich bildendes Lagerauge, auf, welche über einen Schaft miteinander verbunden sind. Zumindest eines der Lageraugen ist geteilt aus zwei miteinander zu fügenden Bauteilen ausgebildet. Die miteinander zu verbindenden Lagerteilbereiche sind über Befestigungselemente miteinander verbindbar. Die beiden Lagerteilbereiche weisen an ihren zueinander weisenden Fügeflächen zueinander komplementäre Positioniereinrichtungen auf, die beim Fügen miteinander in Eingriff bringbar sind und so die Lagezuordnung zueinander gewährleisten. Dazu sind die Positioniereinrichtungen so ausgeführt, wie diese beim erstmaligen Fügen durch zumindest teilweise plastische Verformung unter Ausbildung eines Formschlusses mit einem Freiheitsgrad in Fügerichtung entstanden sind. Diese Ausbildung der Formelemente bleibt für weitere Fügevorgänge erhalten, so dass auch nach Demontage eine erneute Lagezuordnung der einzelnen Lagerteilbereiche aufgrund der sich durch Verformung ergebenden Struktur der Formelemente möglich ist, die nur eine einzige Lagepositionierung zueinander erlaubt..
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Die erfindungsgemäße Lösung wird nachfolgend anhand von Figuren erläutert. Darin ist im Einzelnen folgendes dargestellt:
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1a bis 1c verdeutlichen in schematisiert vereinfachter Darstellung den Grundablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2a und 2b verdeutlichen beispielhaft mögliche Ausführungen einer einzelnen Positioniereinrichtung zur eindeutigen Lagezuordnung;
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3a zeigt am Beispiel eines Bauteils eine Ausführung zur eindeutigen Lagezuordnung unter Verwendung dreier gleich ausgebildeter Positioniereinrichtungen;
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3b zeigt am Beispiel eines Bauteils eine Ausführung zur eindeutigen Lagezuordnung unter Verwendung zweier unterschiedlich ausgebildeter Positioniereinrichtungen;
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4a bis 4d zeigen beispielhaft mögliche Ausbildungen von Positioniereinrichtungen;
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5a zeigt eine besonders vorteilhafte Anwendung bei der Montage eines Pleuels;
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5b zeigt beispielhaft in einer Ansicht auf die Fügeflächen eines Bauteils die Ausbildung und Anordnung von Negativ-Formelementen;
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5c zeigt beispielhaft in einer Ansicht auf die Fügeflächen des mit dem in
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5b dargestellten Bauteil zu verbindenden Bauteil die Ausbildung und Anordnung von Positiv-Formelementen.
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Die 1a bis 1c verdeutlichen in schematisiert stark vereinfachter Darstellung das Grundprinzip eines erfindungsgemäßen Verfahrens zum Fügen von mindestens zwei oder mehreren Bauteilen 1, 2. Bei diesen werden die miteinander zu verbindenden Bauteile 1 und 2 in Ihrer Lage zueinander über deren Lage zueinander definierende Positioniereinrichtungen ausgerichtet. Dazu erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt die Bereitstellung der einzelnen Bauteile 1 und 2 mit integraler Ausführung von zumindest einer Positioniereinrichtung, hier für das erste Bauteil 1 mit 3 bezeichnet und für das zweite Bauteil 2 mit 4 bezeichnet. Die Positioniereinrichtungen 3 und 4 sind dabei integral mit den Bauteilen 1, 2 ausgeführt. Im einfachsten Fall erfolgt die integrale Ausführung bereits beim Fertigungsprozess durch Urformen. Gemäß einer weiteren Ausführung ist es denkbar, die Positioniereinrichtungen nachträglich, beispielsweise durch spanende Bearbeitung an den einzelnen Bauteilen vorzusehen. Die Positioniereinrichtungen 3, 4 sind als Formelemente ausgeführt, wobei die Lagezuordnung an den miteinander zu verbindenden Bauteilen 1 und 2 über zumindest eine Paarung aus einem Positiv-Formelement 5 und einem Negativ-Formelement 6 erfolgt. Dabei ist im dargestellten Fall am Bauteil 1 die Positioniereinrichtung 3 als Positiv-Formelement 5 in Form eines Vorsprunges ausgeführt und die Positioniereinrichtung 4 am Bauteil 2 als Negativ-Formelement 6 in Form einer Aussparung. Die Anordnung der Positioniereinrichtungen 3 bzw. 4 an den jeweiligen Bauteilen 1 und 2 erfolgt dabei in Abhängigkeit der gewünschten Lagezuordnung der beiden miteinander zu verbindenden Bauteile 1 und 2. Dabei wird zwischen Anordnungen im Fügebereich und Anordnungen außerhalb, d.h. beabstandet zu diesem unterschieden.
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Im dargestellten Fall weist das Bauteil 1 eine Fügefläche 7 auf, an welcher die Positioniereinrichtung 3 angeordnet ist. Diese Fügefläche 7 bildet im Zusammenwirken mit einer Fügefläche 8 am Bauteil 2 nach dem Fügen einen Verbindungsbereich 9. Die Positioniereinrichtungen 3 und 4 sind derart an den Bauteilen 1 und 2 angeordnet, dass diese im späteren Verbindungsbereich 9 liegen.
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Das Bauteil 1 weist hier beispielhaft und mittels unterbrochener Linie wiedergegeben Durchgangsöffnungen 16 zum Hindurchführen von Befestigungselementen auf. Das Bauteil 2 weist beispielhaft eine Blindbohrung 17 mit Gewinde auf. Denkbar ist auch eine Durchgangsöffnung.
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In der 1a ist die Bereitstellung der Bauteile 1 und 2 wiedergegeben. Die 1b verdeutlicht die Positionierung der beiden Bauteile 1 und 2 durch Bewegung aufeinander zu und das miteinander in Wirkverbindung bringen der Positioniereinrichtungen 3 und 4 der einzelnen Bauteile 1 und 2 unter Ausbildung der Positioniereinrichtungspaarung 18. Erkennbar ist die Anordnung der beiden Bauteile 1 und 2 im dargestellten Fall vertikal übereinander. Die Positioniereinrichtung 3 in Form des Positiv-Formelementes 5 greift in die Aussparung des Negativ-Formelementes 6 am Bauteil 2 ein. Der Eingriff kann in Abhängigkeit der Verformungskräfte beim nachgeordneten Fügen mit geringem Spiel, bündig oder mit Übermaß (Toleranz zur Erzeugung einer Presspassung) erfolgen. Vorzugsweise ist das Negativ-Formelement 6 derart ausgeführt, dass dieses Bereiche 10 umfasst, die Material bei plastischer Verformung aufnehmen können.
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Die beiden Bauteile 1 und 2 sind mit ihren Fügeflächen 7 und 8 in der gewünschten Lage zueinander, hier beispielhaft eine Parallellage positioniert. Der Eingriff der Formelemente 5 in das Negativ-Formelement 6 unter Ausbildung der Positioniereinrichtungspaarung kann derart erfolgen, dass die beiden Fügeflächen 7 und 8 bündig aneinander anliegen. Denkbar ist aber auch ein Abstand zwischen den beiden Fügeflächen 7 und 8.
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Die 1c verdeutlicht beispielhaft einen Fügevorgang über eine Realisierung einer lösbaren Verbindung durch Aufbringen einer Kraft F auf den Verbindungsbereich 9. Diese Kraft wird hier beispielsweise über Befestigungselemente 11 in Form von sich durch das Bauteil 1 erstreckenden und in das Bauteil 2 eingreifenden Schrauben, aufgebracht, die die beiden Bauteile 1 und 2 im dargestellten Fall in Vertikalrichtung betrachtet miteinander verspannen. Durch die Krafteinwirkung wird eine Pressverbindung erzielt. Ein vorher beispielsweise mit Übermaß in das Negativ-Formelement 6 eingebrachtes Positiv-Formelement 5 wird einer plastischen Verformung ausgesetzt, so dass hier ein Kraft- und Formschluss im Bereich der Positioniereinrichtungen gebildet wird. Denkbar ist auch eine plastische Verformung von Positiv- und Negativ-Formelement einer Positioniereinrichtungspaarung 18. Der Bereich, insbesondere Verbindungsbereich 9 erstreckt sich über die gesamte Fügefläche 7 und 8, denkbar sind auch Ausführungen, bei welchen sich der Verbindungsbereich 9 nur über Teilflächenbereiche aneinander anliegender Flächen erstreckt. Dabei sind die Positioniereinrichtungen 3, 4 vorzugsweise innerhalb des späteren Verbindungsbereiches 9 angeordnet. Denkbar ist jedoch auch eine Ausführung mit Anordnung der Positioniereinrichtungen außerhalb des Verbindungsbereiches 9 beabstandet zu diesem. Vorzugsweise erfolgt jedoch immer eine Anordnung innerhalb des Verbindungsbereiches 9, da hier die Krafteinwirkung auf die Positioniereinrichtungen 3, 4 beim Fügen der Bauteile 1, 2 am größten ist.
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Bezüglich der zum Einsatz gelangenden Fügeverfahren bestehen keine Restriktionen. Vorzugsweise finden lösbare Verbindungen Anwendung.
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Die Lagezuordnung der miteinander zu verbindenden Bauteile 1, 2 ergibt sich als Funktion aus der Geometrie, insbesondere Form, Kontur und Dimensionierung der einzelnen Positioniereinrichtungen 3, 4, der Anzahl und Anordnung der diese bildenden Formelemente, sowie dem Material. Die Auswahl der Art der Formelemente, sowie die Anzahl und Anordnung erfolgt derart, dass ein Gleiten der Bauteile, insbesondere der Fügeflächen 7 und 8 gegeneinander sicher vermieden wird.
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In den 2a und 2b sind dazu beispielhaft mögliche Ausgestaltungen von Positioniereinrichtungen 3 und 4 wiedergegeben, welche bereits aufgrund ihrer geometrischen Ausführung eine definierte Lagezuordnung der beiden Bauteile 1, 2 zueinander ermöglichen. Dargestellt ist eine Ansicht auf eine Fügefläche 7 eines Bauteils 1 mit einer Positioniereinrichtung 3 in Form eines als Vorsprung ausgebildeten Positiv-Formelementes 5. Nicht dargestellt ist das mit diesem in Wirkverbindung zu bringende Negativ-Formelement 6. Es versteht sich, dass dieses mit der zum Positiv-Formelement 5 komplementären Negativ-Kontur ausgeführt ist. Die Kontur des Positiv-Formelementes 5 ist hinsichtlich seines Verlaufes parallel zur Fügefläche 7 durch zumindest eine Richtungsänderung charakterisiert und ermöglicht somit beim Eingriff in dazu komplementäre Negativ-Formelemente 6 eine definierte Lagezuordnung frei von der Möglichkeit einer Bewegbarkeit der Fügeflächen parallel zueinander aufgrund der durch die Kontur bestimmten in einem Winkel zueinander ausgerichteten Anschlagflächen.
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Die 2a zeigt eine L-förmige Kontur eines Vorsprunges mit zwei Teilbereichen 5a und 5b, die in einem Winkel zueinander ausgerichtet sind, in einer Ansicht von oben. Diese greift in eine entsprechend ausgeführte Ausnehmung am mit diesem zu verbindenden Bauteil ein, wodurch innerhalb des Verbindungsbereiches insbesondere im Fügebereich eine Lagezuordnung frei von einer Bewegbarkeit der Bauteile parallel zueinander möglich ist. Um dabei Fehlmontagen gänzlich zu vermeiden sind die einzelnen, in unterschiedlichen Richtungen ausgerichteten Teilbereiche 5a, 5b vorzugsweise mit unterschiedlichen Längen ausgeführt.
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Demgegenüber verdeutlicht die 2b eine komplexe Geometrie einer Positioniereinrichtung 3 in einer Ansicht von oben, welche ebenfalls nur eine einzige Lagezuordnung des mit diesem zu verbindenden Bauteiles 2 erlaubt. Dabei ist die Kontur der Positioniereinrichtung 3 in einer Ansicht von oben gemäß 2b durch mehrere Richtungsänderungen charakterisiert, wobei der Verlauf der Kontur frei von einer symmetrischen Ausführung ist. Die Kontur der Positioniereinrichtung 3 ist hier beispielhaft durch drei Teilbereiche 5a, 5b, 5c beschreibbar, die mit unterschiedlichen Winkeln zueinander angeordnet sind.
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Die Ausführung gemäß der 2a und 2b sind beispielhaft. Denkbar sind die den Verlauf/die Erstreckung der einzelnen Positioniereinrichtung entlang der Fügefläche beschreibenden Konturen in den unterschiedlichsten Ausbildungen. Entscheidend ist lediglich, dass der Verlauf durch zumindest eine Richtungsänderung beschreibbar ist, welche beim Eingriff einer derartigen Positioniereinrichtung in eine dazu komplementäre Positioniereinrichtung unter Ausbildung einer Positioniereinrichtungspaarung eine Sperrwirkung gegen Verschiebung der Bauteile parallel zueinander ermöglicht.
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Dem gegenüber verdeutlichen die 3a und 3b Ausführungen mit zumindest zwei Positioniereinrichtungen in Form von Positiv- und/oder Negativ-Formelementen 5, 6 an einem der Bauteile 1 oder 2, bei welchen die Lagefixierung nicht allein über die geometrische Ausbildung der Formelemente erfolgt, sondern über die konkrete Auswahl der Form, Anzahl und Anordnung. Diese Ausführung erlaubt die Verwendung einfach geometrisch ausgebildeter Positiv- oder Negativ-Formelemente, die jedoch nicht zwingend durch eine Sperrwirkung der Bewegbarkeit der Fügeflächen parallel zueinander in zumindest einer Richtung charakterisiert sind. Daher sind vorzugsweise jeweils zwei derartiger Positioniereinrichtungen 3, 4 an den jeweils miteinander zu verbindenden Bauteilen 1, 2 vorgesehen. Die einzelnen Positioniereinrichtungen 3, 4 an einem Bauteil 1, 2 sind beabstandet zueinander angeordnet.
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Die 3a verdeutlicht beispielhaft eine Ausführung mit Positioniereinrichtungen, die von halbkugelförmigen Vorsprüngen als Positiv-Formenelemente 5 an einem Bauteil 1 gebildet werden und die geeignet sind, in Negativ-Formelemente 6 am Bauteil 2 einzugreifen. Wäre nur ein derartiges Positiv-Formelement 5 vorgesehen, wäre eine Bewegbarkeit des mit diesem zu verbindenden Bauteils 2 beim Ausrichten in Umfangsrichtung noch möglich, da das Positiv-Formelement 5 wie ein Drehgelenk wirkt. Die Reduzierung der Freiheitsgrade erfolgt über die gewählte Anzahl und Anordnung zueinander. Sind lediglich zwei derartige Positiv-Formelemente 5 gleichen Typs und gleicher Ausführung an einer Fügefläche 7 vorgesehen, können theoretisch die miteinander zu verbindenden Bauteile in zwei Ausrichtstellungen zueinander verbracht werden. Um nur eine einzig mögliche Lagezuordnung zu gewährleisten, sind zumindest zwei derartige Positiv-Formelemente 5 am Bauteil 1 vorzusehen, die entweder unterschiedlich dimensioniert ausgeführt sind oder aber identisch ausgeführt sind und bezüglich einer vordefinierten Bezugslinie asymmetrisch angeordnet sind bzw. unterschiedliche Abstände aufweisen. Im dargestellten Fall sind beispielhaft drei Formelemente vorgesehen, die hier beispielsweise in einem Abstand a und b zueinander angeordnet sind und in entsprechend komplementär am mit dem Bauteil 1 zu verbindenden, und hier nicht dargestellten Bauteil 2 ausgebildete Negativ-Formelemente 6 eingreifen können. Sind zwischen den Einzel-Formelementen die Abstände unterschiedlich gestaltet, ist eine definierte Lagezuordnung zwingend gegeben.
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Bei gleich ausgeführten Formelementen ist eine definierte Lagezuordnung, d.h. eine einzig mögliche Lagezuordnung nur dann gegeben, wenn entweder zwei bezüglich einer Bezugslinie asymmetrisch angeordnete Formelemente vorgesehen sind beziehungsweise bei Vorsehen einer Mehrzahl von Positioniereinrichtungen in Form von Formelementen von der symmetrischen Anordnung abgewichen wird.
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Demgegenüber verdeutlicht die 3b eine Ausführung mit zwei unterschiedlich ausgeführten Positiv-Formelementen 5.1, 5.2 in einer Ansicht auf die Fügefläche 7. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung ist ebenfalls beim Eingriff in dazu komplementär ausgeführte Negativ-Formelemente 6 eine eindeutig definierte Lagezuordnung möglich.
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Im dargestellten Fall ist beispielhaft das Positiv-Formelement 5.1 aus zwei sich kreuzenden Rippen ausgebildet, während das Positiv-Formelement 5.2 zwei parallel angeordnete Rippen umfasst. Diese Anordnung ermöglicht im Zusammenwirken mit dem komplementär ausgeführten Negativ-Formelement am mit dem Bauteil 1 zu verbindenden Bauteil 2 beim Ausrichten eine Sperrwirkung gegenüber der Bewegung der Bauteile 1, 2 im späteren Verbindungsbereich parallel zueinander und vermeidet ein Abgleiten der einzelnen Bauteile an den Fügeflächen 7 und 8 aufeinander, wobei eines der Formelemente 6.2 einen Freiheitsgrad besitzt, welcher einen Ausgleich der Fertigungstoleranzen zulässt.
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Die 4a bis 4d zeigen mögliche Ausführungen von Positiv-Formelementen 5 und die 4a und 4b auch die dazugehörigen Ausbildungen der Negativ-Formelemente 6. Zeigte die 3a eine Ausführung eines halbkugelförmigen Positiv-Formelementes, zeigt 4a eine Kegelform, die in ein Negativ-Formelement 6 in Form einer konischen Aussparung am mit dem zu verbindenden Bauteil 2 eingreift.
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Die 4b verdeutlicht einen Kegelstumpf und die dazu entsprechend ausgeführte konische Ausgestaltung des Negativ-Formelementes 6 am Bauteil 2.
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Die 4c zeigt in einer Ansicht von oben eine Ausbildung des Positiv-Formelementes in Form einer Pyramide, welche in einer Positioniereinrichtungspaarung im Zusammenwirken mit einem komplementär ausgeführten Negativ-Formelement gleichzeitig als Verdrehsicherung wirkt, da eine Sperrwirkung gegenüber einem Abgleiten bzw. einer Relativbewegung zwischen dem Positiv-Formelement in Umfangsrichtung innerhalb des Negativ-Formelementes vermieden wird.
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Die 4d verdeutlicht eine weitere Ausführung mit integrierter Verdrehsicherung in Form einer Rippenstruktur, insbesondere sich kreuzende Rippen einer Ansicht von oben. Andere Ausführungen sind denkbar.
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Die erfindungsgemäße Lösung ist dabei nicht auf die Ausführung gemäß den 1 bis 4 beschränkt. Weitere geometrische Ausgestaltungen der einzelnen Positioniereinrichtungen sind ebenfalls denkbar. Entscheidend ist, dass in die Ausgestaltung zusätzliche Funktionen, wie die einer Verdrehsicherung bereits über die Wahl der Geometrie und/oder Anzahl und Anordnung der jeweiligen Positioniereinrichtungen mit integriert werden können. In besonders vorteilhafter Weise findet das erfindungsgemäße Verfahren Anwendung beim Fügen von Bauteilen, die eine genaue Lagezuordnung mit hoher Wiederholgenauigkeit erfordern und mit anderen bekannten Verfahren einen erheblichen Fertigungsaufwand generieren würden.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens stellt die Herstellung eines Pleuels 15 dar. Dieser besteht aus zwei Lagerbereichen, einem ersten, hier nicht dargestellten Lagerbereich in Form eines kleinen Pleuelauges und einem zweiten Lagerbereich 13 in Form eines großen Pleuelauges, die über einen Schaft 14 miteinander verbunden sind. Zu Montagezwecken ist es häufig erforderlich, gerade im Bereich der Lagerbereiche eine Teilung vorzunehmen. In diesem Bereich findet das erfindungsgemäße Verfahren dabei besondere Anwendung.
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Die 5a zeigt dabei einen Teil eines Pleuels 15 und den Lagerbereich 13 in Form eines großen Lagerauges im Vormontagezustand. Der Lagerbereich 13 ist hier in zwei Lagerbereichsteile 13.1, 13.2 an einer Trennebene 12 unterteilt ausgeführt. Die Verbindung erfolgt über Befestigungsmittel 11 in Form von Schrauben, die sich durch einen Teilbereich 13.1 und zumindest teilweise den anderen Teilbereich 13.2 des Lagerbereiches 13 erstrecken. Der Teilbereich 13.1 ist das erste Bauteil 1, der Teilbereich 13.2 bildet das zweite Bauteil 2. Im Vormontagezustand sind die beiden Teilbereiche 13.1, 13.2 des Lagerbereiches 13 im Bereich der Trennebene 12 zueinander angeordnet und positioniert. Erkennbar ist hier der Abstand zwischen den einzelnen miteinander zu verbindenden Bauteilen, hier den Lagerbereich 13.1 bildenden Bauteil 1 und den Lagerbereich 13.2 bildenden Teilbereich in Form des Bauteils 2. Erkennbar sind hier im späteren Verbindungsbereich die Fügeflächen 7 und 8, sowie die Positiv-Formelemente 5 am Bauteil 1 und die dazu komplementären Negativ-Formelemente 6 Ausnehmungen am Bauteil 2.
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Die Positioniereinrichtungen 4 in Form der unterschiedlich ausgeführten Negativ-Formelemente 6.1 und 6.2 sind hier entsprechend der Ansicht von oben auf die Fügefläche 8 des Bauteils 2 in der Trennebene in der 5b wiedergegeben. Dabei sind beispielhaft zwei unterschiedliche Negativ-Formelemente 6.1, dargestellt in Detail Y und 6.2 dargestellt im Detail X vorgesehen. Beide beschreiben halbkugelförmige Aussparungen, die jedoch mit unterschiedlich angeordneten Orientierungsrippen versehen sind.
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Die 5c zeigt die zugehörigen Positiv-Formelemente 5.1 und 5.2 am Teilbereich 13.1 bildenden Bauteil 1 in Form der Positiv-Formelemente 5 in einer Ansicht von oben auf das Bauteil 1 auf die Fügeflächen 7 und die an diesem angeordneten Positiv-Formelemente beabstandet zum Anordnungsbereich für die Befestigungselemente 11, für welche eine mit Gewinde versehene Durchgangs- oder Blindbohrung vorgesehen ist. Die Positiv-Formelemente 5.1 und 5.2 sind als halbschalenförmige Elemente ausgebildet, welche mit den zu den Rippen der Negativ-Formelemente 6.1, 6.2 komplementäre Kerben umfassen und somit eine definierte eindeutige Zuordnung zum Bauteil 2 ermöglichen. Die entsprechenden Positiv-Formelemente 5.1 und 5.2 sind jeweils in den Details Y und X wiedergegeben.
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Die 5d zeigt in einer Ansicht gemäß 5a einen Teil der Pleuelstange im montierten Zustand. Die Ansicht A-A zeigt in einem Ausschnitt aus dem Verbindungsbereich das formschlüssige Ineinandergreifen der Positiv-Formelemente 5 in die Negativ-Formelemente 6 am mit dem ersten Bauteil 1 zu verbindenden zweiten Bauteil 2 unter Ausbildung der Positioniereinrichtungspaarung 18. In einem Detail Z ist der Bereich plastischer Verformung der Positioniereinrichtungspaarung 18 ersichtlich.
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Das Fügen selbst erfolgt hierbei in lösbarer Verbindung in Form einer Schraubverbindung, wobei die beiden miteinander zu verbindenden Bauteile senkrecht zu den Fügeflächen miteinander verspannt werden. Der Verbindungsbereich ist dabei als der in einer anliegenden Fläche zu verstehen. Die Formelemente in der Positioniereinrichtung liegen im Verbindungsbereich der miteinander gefügten Bauteile.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bauteil
- 2
- Bauteil
- 3
- Positioniereinrichtung
- 4
- Positioniereinrichtung
- 5, 5.1, 5.2, 5a, 5b, 5c
- Positiv-Formelement
- 6
- Negativ-Formelement
- 7
- Fügefläche
- 8
- Fügefläche
- 9
- Verbindungsbereich
- 10
- Bereich
- 11
- Befestigungselement
- 12
- Trennebene
- 13
- Lagerbereich
- 13.1
- Teilbereich des Lagerbereichs 13
- 13.2
- Teilbereich des Lagerbereichs 13
- 14
- Schaft
- 15
- Pleuel
- 16
- Durchgangsöffnung
- 17
- Blindbohrung
- 18
- Positioniereinrichtungspaarung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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