DE102016012350A1 - Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteil und einem Metallbauteil - Google Patents

Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteil und einem Metallbauteil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteil (110) mit thermoplastischer Matrix und Endlosfaserverstärkung und einem mit Nabe (121) ausgebildeten Metallbauteil (120), aufweisend die Schritte:Bereitstellen des Rohrprofilbauteils (110) und des Metallbauteils (120);Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix an einem Rohrende (111) des Rohrprofilbauteils (110);Einführen des geschmolzenen Rohrendes (111) in die Nabe (121) des Metallbauteils (120);Aufweiten des geschmolzenen Rohrendes (111) durch Erzeugen eines Innendrucks;Abkühlen des Rohrendes (111).

Description

  • Die Erfindung betrifft zwei Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteil mit thermoplastischer Matrix und Endlosfaserverstärkung und einem mit Nabe ausgebildeten Metallbauteil.
  • Die Erfindung betrifft ferner einen verfahrensgemäß hergestellten Stabilisator für ein Kraftfahrzeug.
  • Aufgrund von Leichtbauanforderungen im Kraftfahrzeugbau kommen auch im Antriebsstrang und im Fahrwerk drehmomentübertragende hybride Baugruppen zum Einsatz, die aus FKV-Bauteilen (Bauteile aus Faser-Kunststoff-Verbund) und Metallbauteilen (insbesondere aus Aluminium- oder Magnesiumlegierungen) gebildet sind. Drehmomentübertragende Welle-Nabe-Verbindungen zwischen FKV-Bauteilen mit thermoplastischer Matrix und Metallbauteilen sind anspruchsvoll. Das Verkleben erfordert die aufwendige Vorbehandlung der Klebeflächen. Beim Verschrauben oder Verstiften kann der Faserverlauf beeinträchtigt werden. Beim Verpressen ist das Kriechverhalten der thermoplastischen Matrix zu berücksichtigen.
  • Die DE 10 2013 225 861 A1 . beschreibt die Herstellung einer Welle-Nabe-Fügeverbindung zwischen einem ersten Fügepartner in Form einer Zahnwelle und einem zweiten Fügepartner in Form einer Zahnnabe, wobei ein Fügepartner härter als der andere Fügepartner ausgebildet ist. Für den härteren Fügepartner kann ein metallener Werkstoff und für den weicheren Fügepartner ein faserverstärkter spritzgegossener Kunststoff verwendet werden. Die Verzahnungen der Fügepartner sind auf eine Übermaßpassung eingestellt. Beim axialen Einstecken der Zahnwelle in die Zahnnabe wird die weiche Verzahnung durch Spanabtrag kalibriert. Dabei werden alle Zähne der Fügepartner exakt in Eingriff gebracht und Spiel zwischen den Fügepartner vermieden.
  • Mit der Erfindung sollen weitere Möglichkeiten zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteilund einem mit Nabe ausgebildeten Metallbauteil aufgezeigt werden, die wenigstens einen mit dem Stand der Technik einhergehenden Nachteil nicht oder zumindest nur in einem verminderten Umfang aufweisen.
  • Die erfindungsgemäßen Verfahren weisen die in den Patentansprüchen 1 und 2 genannten Schritte auf. Mit einem nebengeordneten Patentanspruch erstreckt sich die Erfindung auch auf einen Stabilisator für ein Kraftfahrzeug, insbesondere eines Personenkraftwagens, der unter Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens hergestellt ist. Bevorzugte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich analog für alle Erfindungsgegenstände aus den abhängigen Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
  • Das erste erfindungsgemäße Verfahren umfasst die Schritte:
    • - Bereitstellen des FKV-Rohrprofilbauteils und des Metallbauteils;
    • - Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix an einem axialen Ende bzw. Rohrende des Rohrprofilbauteils;
    • - Einführen bzw. Einstecken des geschmolzenen Rohrendes des Rohrprofilbauteils in die Nabe des Metallbauteils;
    • - Aufweiten des geschmolzenen Rohrendes durch Erzeugen eines (von innen nach radial außen wirkenden) Innendrucks; und
    • - Abkühlen des Rohrendes, insbesondere unter Aufrechterhaltung des Innendrucks, wobei das Rohrende bzw. der Thermoplast wieder verfestigt.
  • Das zweite erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich zum ersten erfindungsgemäßen Verfahren dadurch, dass die Schritte des Aufschmelzens und des Einführens in anderer Reihefolge ausgeführt werden, d. h., dass das betreffende Rohrende erst dann aufgeschmolzen wird, nachdem dieses in die Nabe eingeführt wurde.
  • Das FKV-Rohrprofilbauteil ist ein endlosfaserverstärktes thermoplastisches Hohlprofilbauteil, vorzugsweise mit Kreisquerschnitt und axialer Erstreckung. Ein solches FKV-Rohrprofilbauteil kann auch als endlosfaserverstärktes Thermoplast-Rohrprofilbauteil bezeichnet werden. Bei den Endlosfasern handelt es sich bspw. um Kohlenstoff- oder Glasfasern, die z. B. ein Schlauchgewebe bilden. Das FKV-Rohrprofilbauteil kann für die vorgesehene Anwendung passend hergestellt sein oder durch Ablängen eines Halbzeugs hergestellt werden.
  • Das Metallbauteil kann ein Dreh-/Frästeil, ein Gussteil und/oder ein Umformteil sein. Insbesondere handelt es sich um ein Aluminium- oder Magnesiumteil.
  • Die Erfindung macht sich die Eigenschaft thermoplastischer Kunststoffe zu Nutze, dass diese schädigungsfrei schmelzbar sind und beim Unterschreiten der Kristallisationstemperatur wieder erstarren. Beim Aufschmelzen wird der thermoplastische Matrixkunststoff in einen schmelzflüssigen Zustand überführt. Das Wegfließen der Kunststoffschmelze wird durch die Verstärkungsfasern verhindert. Das Abkühlen kann bspw. mittels Kaltluftstrom beschleunigt werden.
  • Erfindungsgemäß werden das FKV-Rohrprofilbauteil und das Metallbauteil direkt bzw. unmittelbar, d. h. ohne Zwischenstück oder dergleichen, miteinander verbunden. Zwischen dem FKV-Rohrprofilbauteil und dem Metallbauteil bildet sich eine kraft und insbesondere auch formschlüssige Verbindung (s. u.) aus.
  • Für das Aufweiten des Rohrendes kann ein mechanisch aufweitbarer Dorn (Rohrweiter) oder dergleichen verwendet werden, der über eine Kinematik Innendruck auf das Rohrende aufbringen kann. Bevorzugt wird für das Aufweiten ein hydraulisch oder pneumatisch aufweitbarer Stopfen, der bspw. aus einem Silikonmaterial gebildet ist, verwendet. Der Dorn oder Stopfen wird vor oder nach dem Einführen des Rohrendes in die Nabe in das Rohrende eingeschoben und nach dem Aufweiten wieder herausgezogen.
  • Die Nabe des Metallbauteils kann mit einer Innenverzahnung, bspw. mit Evolventen-, Keil- oder Kerbflanken, ausgebildet sein, an die sich das Rohrende des Rohrprofilbauteils beim Aufweiten konturfolgend anlegt. Die Nabe des Metallbauteils kann auch mit einer Rändelung (dies sind an der Innenumfangsfläche gleichmäßig ausgebildete kleine Zähne, Vorsprünge, Spitzen o. Ä.) ausgebildet sein, an die sich das Rohrende des Rohrprofilbauteils beim Aufweiten konturfolgend anlegt. Die Nabe des Metallbauteils kann auch mit einem Polygonprofil ausgebildet sein, an das sich das Rohrende des Rohrprofilbauteils beim Aufweiten konturfolgend anlegt. Zwischen dem Rohrende und einer solchen Nabe wird eine formschlüssige Verbindung erzeugt, indem beim Aufweiten das schmelzflüssige Rohrmaterial in die entsprechende Nabenkontur gepresst wird. Dabei werden insbesondere auch die Verstärkungsfasern so verformt, dass diese der Nabenkontur folgen und an der späteren Drehmomentübertragung beteiligt sind.
  • Im aufgeweiteten Rohrende des Rohrprofilbauteils kann eine, insbesondere zylindrische, Hülse bzw. Innenhülse (oder auch ein Dorn oder dergleichen) platziert werden, die das Rückformen des Rohrendes verhindert und/oder einen radialen Druck auf das Rohrende ausübt und dieses gegen die Nabe des Metallbauteils drückt. Dadurch wird eine dauerhafte Drehmomentübertragung zwischen dem FKV-Rohrprofilbauteil und dem Metallbauteil begünstigt, außerdem kann eine Erhöhung des übertragbaren Drehmoments erreicht werden. Die Hülse ist bspw. aus Stahl oder Aluminium gebildet und kann an ihrer Außenumfangsfläche eine Oberflächenprofilierung, bspw. eine Rändelung, aufweisen, um ein Wandern zu verhindern. Die Hülse kann nach dem Aufweiten des Rohrendes eingesetzt und insbesondere eingepresst werden. Die Hülse kann auch vor dem Aufweiten eingesetzt und zusammen mit dem Rohrende aufgeweitet werden, wobei sich die Hülse plastisch verformt und dabei insbesondere auch kaltverfestigt. Hierzu kann die Hülse bspw. auf den aufweitbaren Dorn oder Stopfen (s. o.) aufgesetzt und zusammen mit dem Dorn bzw. Stopfen in das offene Rohrende eingeschoben werden. Vorher kann außerdem noch ein Klebstoff auf die Hülse aufgetragen werden.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Bezug auf die Zeichnung näher erläutert. Die in der Zeichnung gezeigten oder nachfolgend erläuterten Merkmale können, auch losgelöst von konkreten Merkmalskombinationen, allgemeine Merkmale der Erfindung sein und die Erfindung weiterbilden.
    • 1 zeigt schematisch in einer Draufsicht einen Stabilisator für ein Kraftfahrzeug.
    • 2 veranschaulicht in schematischen Schnittdarstellungen die Herstellung des Stabilisators aus 1.
  • 1 zeigt einen Stabilisator 100 für ein Kraftfahrzeug mit dem bekannten U-Profil. Die Fahrzeugräder W sind strichliniert angedeutet. Der Stabilisator 100 ist mehrstückig ausgebildet und weist ein Mittelstück 110 und zwei schenkelartige Endstücke 120 auf. Das Mittelstück ist ein FKV-Rohrprofilbauteil mit thermoplastischer Matrix und Endlosfaserverstärkung. Die schenkelartigen Endstücke 120 sind Metallbauteile aus Aluminium- oder Magnesiumdruckguss. Das Mittelstück 110 ist über die Endstücke 120 torsionsbelastet. Um Drehmomente übertagen zu können sind die Endstücke 120 mittels Welle-Nabe-Verbindungen mit dem Mittelstück 110 gefügt. Anhand der 2 wird im Folgenden die Herstellung einer solchen Welle-Nabe-Verbindung erläutert.
  • Zunächst wird das betreffende Rohrende 111 des vorbereiteten Rohrprofilbauteils 110 erwärmt, bspw. durch Warmluft T (das Rohrprofilbaüteil 100 kann dabei gedreht werden), wobei die thermoplastische Matrix am Rohrprofilende 111 aufschmilzt. Das geschmolzene Rohrende 111 wird nun in die Nabe 121 des vorbereiteten metallischen Endstücks 120 eingeführt bzw. axial eingesteckt, wie in 2a durch den Pfeil veranschaulicht. Das Rohrende 111 hat bezüglich dem Nabendurchmesser Untermaß. Die Nabe 121 kann an ihrer Innenumfangsfläche mit einer Innenverzahnung 122 oder einer Rändelung 123 ausgebildet sein. Mithilfe eines in das offene Rohrende 111 eingeschobenen Werkzeugs 200 wird das geschmolzene Rohrende 111 dann aufgeweitet, wie in 2b gezeigt. Als Werkzeug 200 wird hier ein pneumatisch aufweitbarer Stopfen verwendet, der mittels Druckluft p , aufgeblasen wird und hierbei einen nach radial außen (siehe Bezugszeichen r) wirkenden Innendruck erzeugt. Durch den Innendruck wird das Rohrende 111 des Rohrprofilbauteils, 110 in radialer Richtung r umgeformt und legt sich dabei konturfolgend an die Innenwandung der Nabe 121 an, insbesondere derart, dass sich ein Formschluss mit der Innenverzahnung 122 oder Rändelung 123 ausbildet. Unter Aufrechterhaltung des Innendrucks wird nun das Rohrende 111 abgekühlt.
  • Andere Ausführungsmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verfahrens sind oben beschrieben.
  • 2c zeigt die fertig hergestellte Welle-Nabe-Verbindurig. Im Inneren des aufgeweiteten Rohrendes 111 des Rohrprofilbauteils 110 ist eine metallische Hülse 130 angeordnet, welche die Welle-Nabe-Verbindung stabilisiert.
  • Die erfindungsgemäße Fügetechnik ermöglicht die einfache und schnelle Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung und ist anwendbar für alle FVK-Rohrprofile mit Endlosfaserverstärkung und thermoplastischer Matrix, unabhängig von deren Herstellungsart. Die hergestellte Welle-Nabe-Verbindung ermöglicht die Übertragung hoher Drehmomente. Außerdem verfügt die hergestellte Welle-Nabe-Verbindung auch nach Überlastung noch über eine Resttragkraft, d. h. es kommt nicht zum sofortigen Versagen.
  • 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
    • DE 102013225861 A1 [0004]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteil (110) mit thermoplastischer Matrix und Endlosfaserverstärkung und einem mit Nabe (121) ausgebildeten Metallbauteil (120), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen des Rohrprofilbauteils (110) und des Metallbauteils (120); - Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix an einem Rohrende (111) des Rohrprofilbauteils (110); - Einführen des geschmolzenen Rohrendes (111) in die Nabe (121) des Metallbauteils (120); - Aufweiten des geschmolzenen Rohrendes (111) durch Erzeugen eines Innendrucks; - Abkühlen des Rohrendes (111).
  2. Verfahren zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung zwischen einem FKV-Rohrprofilbauteil (110) mit thermoplastischer Matrix und Endlosfaserverstärkung und einem mit Nabe (121) ausgebildeten Metallbauteil (120), aufweisend die Schritte: - Bereitstellen des Rohrprofilbauteils (110) und des Metallbauteils (120); - Einführen eines Rohrendes (111) des Rohrprofilbauteils in die Nabe (121) des Metallbauteils (120); - Aufschmelzen der thermoplastischen Matrix am eingeführten Rohrende (111); - Aufweiten des Rohrendes (111) durch Erzeugen eines Innendrucks; - Abkühlen des Rohrendes (111).
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass für das Aufweiten des Rohrendes (111) ein hydraulisch oder pneumatisch aufweitbarer Stopfen (200) verwendet wird.
  4. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (121) des Metallbauteils (120) mit einer Innenverzahnung (122) ausgebildet ist, an die sich das Rohrende (111) des Rohrprofilbauteils (110) beim Aufweiten konturfolgend anlegt.
  5. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (121) des Metallbauteils (120) mit einer Rändelung (123) ausgebildet ist, an die sich das Rohrende (111) des Rohrprofilbauteils (110) beim Aufweiten konturfolgend anlegt.
  6. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nabe (121) des Metallbauteils (120) mit einem Polygonprofil ausgebildet ist, an das sich das Rohrende (111) des Rohrprofilbauteils (110) beim Aufweiten konturfolgend anlegt.
  7. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im aufgeweiteten Rohrende (111) des Rohrprofilbauteils (110) eine Hülse (130) platziert wird.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (130) nach dem Aufweiten des Rohrendes (111) eingesetzt wird.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (130) vor dem Aufweiten in das Rohrende (111) eingesetzt und zusammen mit dem Rohrende (111) aufgeweitet wird.
  10. Stabilisator (100) für ein Kraftfahrzeug, insbesondere PKW, der ein Mittelstück (110) aus einem FKV-Rohrprofil mit thermoplastischer Matrix und Endlosfaserverstärkung und zwei metallische Endstücke (120) aufweist, wobei das Mittelstück (110) und die Endstücke (120) mit Welle-Nabe-Verbindungen gefügt sind und diese Welle-Nabe-Verbindungen mit einem Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche hergestellt sind.
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