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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Stirnflächen zweier Maschinenbauteile gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die Erfindung betrifft ferner einen Antriebsstrang eines Kraftfahrzeugs, wobei der Antriebsstrang zumindest zwei Maschinenbauteile umfasst, die gemäß einem solchen Verfahren verbunden sind.
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Kraftschlüssige Verbindungen werden im Maschinenbau bei einer Vielzahl von Verbindungen genutzt, um entsprechende Kräfte oder Momente zwischen den Maschinenbauteilen zu übertragen. Die übertragbare Kraft wird dabei im Wesentlichen durch die Flächenpressung und die dadurch herbeigefügte Reibung zwischen den zu verbindenden Maschinenbauteilen bewirkt. In der Kraftfahrzeugtechnik werden kraftschlüssige Verbindungen unter anderem am Antriebsstrang genutzt, beispielsweise um Hilfsaggregate des Verbrennungsmotors anzutreiben. Die übertragbaren Kräfte und Momente sind jedoch durch die maximal zulässige Anpresskraft zwischen den miteinander in Kontakt tretenden Flächen der Maschinenbauteile begrenzt.
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Kraftschlüssige Verbindungen werden sowohl bei Welle-Naben-Verbindungen als auch bei der Verbindung von koaxialen, rotierenden Körpern genutzt. Die maximal übertragbaren Kräfte und Momente hängen u.a. von dem Reibungskoeffizienten, der Festigkeit der Oberflächen, der Oberflächenrauhigkeit und weiteren Parametern ab.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, dass zur Erhöhung der per Kraftschluss übertragbaren Kräfte und Momente zwischen zwei Stirnflächen harte Partikel eingebracht werden können, welche sich bei Aufbringen einer Anpresskraft in die Stirnflächen einarbeiten. Durch das Einarbeiten der harten Partikel in die Stirnflächen entsteht ein zusätzlicher Mikroformschluss, sodass gegenüber einer rein kraftschlüssigen Verbindung der Oberflächen ohne zusätzliche Partikel höhere Kräfte und Momente übertragen werden können. Eine solche Erhöhung der übertragbaren Kräfte und Momente durch in die Stirnfläche eingebrachte Partikel ist beispielsweise aus der
DE 31 49 596 A1 bekannt. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass harte Partikel an den zu verbindenden Maschinenbauteilen anhaften können und sich im späteren Betrieb lösen können, was zu einem erhöhten Verschleiß an anderen Bauteilen führen kann.
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Darüber hinaus ist es aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der
EP 0 961 038 B1 , bekannt, eine Folie mit harten Partikeln, insbesondere mit Hartmetallpartikeln oder Diamanten, an der Fügefläche einzubetten, um die übertragbaren Kräfte und Momente zu erhöhen. Die Herstellung solcher Folien ist jedoch vergleichsweise aufwendig und teuer.
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Aus der
DE 10 2005 062 522 A1 ist ein Verfahren zur Erhöhung der durch eine Verbindung zweier Maschinenbauteile übertragbaren Drehmomente oder Querkräfte bekannt, bei dem auf eine der beiden in Kontakt stehenden Flächen der Maschinenbauteile entlang konzentrischer Kreise Erhebungen und Vertiefungen aufgebracht bzw. eingebracht werden, welche mittels eines Elektrodenstrahls oder per Laser in die jeweilige Fläche eingebracht bzw. aufgebracht werden. Die Bearbeitung der Flächen ist jedoch zeitaufwendig und damit kostenintensiv.
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Aus der
DE 10 2007 015 958 B4 ist ein Verfahren zur Herstellung einer kraft- und/oder reibschlüssigen Verbindung zumindest zweier Bauteile bekannt, wobei die Stirnflächen der beiden Bauteile miteinander verbunden werden. Dabei ist eine erste Stirnfläche derart spanend bearbeitet, dass sie beabstandete Krater und Erhebungen aufweist. Die Erhöhung der übertragbaren Kräfte und Momente ist jedoch begrenzt.
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Aus der
WO 2015/007276 A1 ist ein Verfahren zur Laserstrukturierung einer Stirnfläche eines Nockenwellenverstellers bekannt, wobei eine Vielzahl von in radialer Richtung verlaufenden Nuten in die Stirnfläche des Nockenwellenverstellers eingebracht werden. Durch die Profilierung entsteht eine Mikroverzahnung mit der Stirnfläche der Nockenwelle, sodass erhöhte Umfangskräfte und Drehmomente übertragen werden können. Nachteilig an einem solchen Verfahren ist jedoch, dass der Laserstrahl zur Herstellung der Kontur mehrfach abgesetzt werden muss und das Bauteil immer wieder neu angefahren werden muss, wodurch die Bearbeitung der Stirnfläche vergleichsweise zeitintensiv und kostspielig ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur kraftschlüssigen Verbindung von zwei Stirnflächen zweier Maschinenbauteile bereitzustellen, welches die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile überwindet.
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Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Stirnflächen zweier Maschinenbauteile gelöst, wobei in zumindest eine der Stirnflächen eine Struktur eingebracht ist, welche eine größere Härte als die mittlere Oberflächenhärte der Stirnflächen aufweist, wobei die Struktur umlaufend über einen Winkelbereich von mindestens 180°, vorzugsweise mindestens 360°, ausgebildet ist und eine von einer rotationssymmetrischen Struktur abweichende Form aufweist, wobei die Struktur eine Rotationsachse des Maschinenbauteils umschließt oder zumindest abschnittsweise um die Rotationsachse herum verläuft, und wobei sich die Struktur bei einer kraftschlüssigen Verbindung derart in die gegenüberliegende Stirnfläche einarbeitet, dass gegenüber einer rein kraftschlüssigen Verbindung ein erhöhtes Drehmoment übertragen werden kann. Unter einer rotationssymmetrischen Struktur ist eine Struktur zu verstehen, bei der eine Drehung um jeden beliebigen Winkel um die Rotationsachse das Objekt auf sich selbst abbildet. Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren kann die Struktur, beispielsweise mit einem Laser oder einem Elektrodenstrahl, ohne mehrfaches Absetzen des Lasers oder Elektrodenstrahls in die Stirnfläche des Maschinenbauteils eingebracht werden, wodurch eine besonders schnelle und kostengünstige Bearbeitung der Stirnfläche möglich ist. Durch eine von konzentrischen Kreisen abweichende Struktur kann zudem eine besonders große Erhöhung der übertragbaren Kräfte und Momente erreicht werden.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Verbesserungen und Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Struktur durch einen geschlossenen Linienzug ausgebildet wird. Dadurch kann die Struktur ohne Absetzen des Werkzeuges erzeugt werden, wodurch eine besonders schnelle und kostengünstige Bearbeitung der Stirnfläche möglich ist.
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Gemäß einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Struktur spiralförmig um eine Rotationsachse des Maschinenbauteils an der Stirnfläche verläuft und sich über einen Winkelbereich von mindestens 360°, vorzugsweise mindestens 720°, erstreckt. Dadurch kann ein relativ langer Linienzug ausgebildet werden, wodurch die Struktur als Mikroverzahnung an Tragkraft gewinnt und somit deutlich mehr Kräfte und Momente übertragen können als eine mit einer gleichen Anpresskraft belastete, unstrukturierte Stirnfläche.
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Alternativ ist mit Vorteil vorgesehen, dass die Struktur zumindest im Wesentlichen oval oder elliptisch ausgebildet ist. Eine um die Rotationsachse des Maschinenbauteils verlaufende ovale oder elliptische Struktur kann gegenüber einer Kreisstruktur höhere Momente übertragen, da die Kreisstruktur in Rotationsrichtung keine Mikroverzahnung ausbildet und somit nicht, oder zumindest nicht wesentlich, zu einer Erhöhung der übertragbaren Drehmomente beiträgt. Durch eine ovale oder elliptische Struktur entstehen Erhöhungen und Vertiefungen, welche in einer von der Rotationsrichtung abweichenden Richtung ausgebildet sind und somit zu einer formschlüssigen Verbindung führen können. Dadurch wird das übertragbare Drehmoment erhöht. Zudem kann eine ovale oder elliptische Struktur mit einfachen Mitteln, beispielsweise einem Laserstrahl oder einem Elektrodenstrahl, ohne ein Absetzen des Werkzeuges in die Stirnfläche eingebracht werden, wodurch ein besonders schnelles und kostengünstiges Einbringen der Struktur möglich ist.
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Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Struktur wellenförmig um eine Rotationsachse des Maschinenbauteils verläuft. Unter einer Wellenform ist in diesem Zusammenhang ein Linienzug zu verstehen, welcher periodisch wechselnd in größeren und kleineren Abständen um die Rotationsachse verläuft. Durch einen wellenförmigen Verlauf ergibt sich eine blütenförmige Struktur, welche die übertragbaren Kräfte und Momente erhöht. Dabei kann der Linienzug der Struktur ohne ein Absetzen des Werkzeuges hergestellt werden und ist somit schnell und kostengünstig in die Stirnfläche einzubringen.
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In einer weiteren Verbesserung des Verfahrens ist vorgesehen, dass zwei oder mehr, vorzugsweise gleiche Strukturen in die Stirnfläche eingebracht werden. Dabei können beispielsweise in Umfangsrichtung versetzte Spiralstrukturen eingebracht werden. Alternativ können auch mehrere sich schneidende Kreise, Ovale oder Ellipsen in die Stirnfläche eingebracht werden. Durch mehrere Strukturen kann die Mikroverzahnung der Struktur mit der Gegenfläche weiter verbessert werden, jedoch muss hier das Werkzeug zumindest einmal abgesetzt werden, wodurch sich die Fertigungszeit und somit die Fertigungskosten erhöhen.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens ist vorgesehen, dass die Struktur mittels eines Lasers in die Stirnfläche des Maschinenbauteils eingebracht wird. Durch einen Laser kann schnell und kostengünstig eine entsprechende Struktur in die Stirnfläche des Maschinenbauteils eingebracht werden. Die hohe Konzentration der Energie des Lasers führt dazu, dass Teile der Stirnfläche aufschmelzen, das Material verdrängt wird und im Randbereich der Struktur ablagert. Diese aufgeschmolzenen und verdrängten Erhebungen weisen gegenüber der Grundstruktur der Stirnfläche eine erhöhte Härte auf, wodurch sie sich bei einer kraftschlüssigen Verbindung in die gegenüberliegende Stirnfläche einarbeiten und somit eine Mikroverzahnung ausbilden. Alternativ kann die Struktur auch mittels eines Elektrodenstrahls in die Stirnfläche eingebracht werden.
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Die Erfindung betrifft ferner den Antriebsstrang eines Kraftfahrzeuges, wobei zumindest zwei Bauteile des Antriebsstrangs an ihren jeweiligen Stirnflächen kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Dabei wird die Struktur vorzugsweise an einer Kontaktfläche zweier rotierender Bauteile des Antriebsstrangs ausgebildet. Insbesondere Bauteile, die auf vergleichsweise kleiner Fläche ein großes Drehmoment übertragen müssen, sind für eine solche Art der Strukturierung und Verbindung vorgesehen. Besonders vorteilhaft ist eine solche Verbindung beispielsweise an den Stirnflächen eines Nockenwellenverstellers und einer Nockenwelle und/oder an einer Kurbelwelle sowie einem mit der Kurbelwelle drehfest verbundenen Kettenrad.
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Die verschiedenen in dieser Anmeldung genannten Ausführungsformen der Erfindung sind, sofern im Einzelfall nicht anders ausgeführt, mit Vorteil miteinander kombinierbar.
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Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stirnfläche eines Maschinenbauteils, welches mit einer entsprechenden Struktur versehen wurde,
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2 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Struktur an der Stirnfläche eines Maschinenbauteils,
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3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Struktur zur Erhöhung der übertragbaren Kräfte und Momente an der Stirnfläche eines Maschinenbauteils,
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4 ein weiteres, alternatives Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Struktur an der Stirnfläche eines Maschinenbauteils.
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In 1 ist ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stirnfläche 3 eines Maschinenbauteils 1 dargestellt, welche für ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Verbinden zweier Stirnflächen 3, 4 zweier Maschinenbauteile 1, 2 vorgesehen ist. Dazu ist in die Stirnfläche 1 eine Struktur 5 eingebracht. Die Struktur 5 wird durch ein Aufschmelzen und ein Aushärten des beim Aufschmelzen verdrängten Materials erzeugt und weist eine Härte auf, welche größer als die mittlere Oberflächenhärte der Stirnfläche ist. Durch das Aufschmelzen mittels Laser- oder Elektrodenstrahlen entstehen Erhebungen und Vertiefungen durch punktuelles Schmelzen des Materials, das sich an den Rändern der Struktur aufwirft und anschließend beim Erkalten verfestigt. Aufgrund der Oberflächenspannung, des Temperaturgradienten und aufgrund der sehr hohen Temperatur im Zentrum der Schmelze, bildet sich nach dem Erstarren die Struktur 5 in Form der Oberfläche mit einer Vertiefung und zwei seitlichen Erhebungen aus. Die Struktur 5 arbeitet sich bei einer kraftschlüssigen Verbindung der Stirnfläche 3 mit einem zweiten Maschinenbauteil 2 in die Stirnfläche 4 des zweiten Maschinenbauteils 2 ein, sodass eine Mikroverzahnung entsteht und somit eine drehmomentfeste bzw. querkraftfeste Verbindung bildet. Die Struktur 5 ist in einem durchgehenden Linienzug 7 ausgebildet, welcher spiralförmig um eine Rotationsachse 6 des ersten Maschinenbauteils 1 verläuft. Der spiralförmige Verlauf 8 führt dazu, dass ein vergleichsweise großer Teil der Stirnfläche 3 mit einer Struktur 5 versehen werden kann, ohne dass das Werkzeug abgesetzt werden muss. Somit ist eine schnelle und kostengünstige Bearbeitung der Stirnfläche 3 möglich. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das Werkstück, d.h. das Maschinenbauteil 1, zur Bearbeitung rotiert und das Werkzeug, d.h. der Laser- oder Elektrodenstrahl, kontinuierlich aus dem Zentrum der Stirnfläche 3 in Richtung des Randbereichs verfahren wird. Vorzugsweise sind die beiden zu verbindenden Stirnflächen 3, 4 aus dem gleichen Werkstoff oder einem in Bezug auf Festigkeit und Härte ähnlichen Werkstoff, insbesondere aus einem Stahl oder einem stahlähnlichen Sintermetall.
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In 2 ist eine weitere Stirnfläche 3, 4 eines Maschinenbauteils 1, 2 dargestellt. Bei zwei zu verbindenden Stirnflächen 3, 4 wird vorzugsweise die Stirnfläche 3, 4 des Maschinenbauteils 1, 2 aus dem Werkstoff bearbeitet, der eine höhere Grundfestigkeit aufweist. Alternativ können auch beide Stirnflächen 3, 4 mit einer Struktur 5 versehen werden. In 2 ist die Stirnfläche 4 eines zweiten Maschinenbauteils 2 dargestellt, in welche eine Struktur 5 eingebracht ist. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 ausgeführt, weist die Struktur 5 einen geschlossenen Linienzug 7 in Form einer Ellipse auf. Alternativ kann die Struktur 5 auch als ein Oval ausgebildet sein.
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In 3 ist eine weitere Stirnfläche 3, 4 eines Maschinenbauteils 1, 2 dargestellt. Die Struktur 5 weist einen wellenförmigen Verlauf 9 auf und weist einen geschlossenen Linienzug 7 auf, welcher in seinem Abstand zur Rotationsachse 6 stetige Wechsel aufweist. Die Struktur 5 weist ferner einen zweiten Linienzug 7 auf, welcher in Form und Verlauf dem ersten Linienzug 7 ähnlich ist und einen größeren Abstand von der Rotationsachse 6 aufweist. Alternativ können auch noch weitere, vorzugsweise konzentrische Linienzüge 7 vorgesehen seien, sodass auf der Stirnfläche 3 ein Blütenmuster entsteht.
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In 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel einer laserstrukturierten Stirnfläche 3 dargestellt. Bei im Wesentlichen gleichem Aufbau wie zu 1 bis 3 dargestellt, weist die Stirnfläche 3 eine erste Struktur 5a und eine zweite Struktur 5b auf, welche jeweils in Form einer Ellipse ausgebildet sind und sich schneiden. Dabei wird die Rotationsachse 6 von beiden Ellipsen umhüllt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erstes Maschinenbauteil
- 2
- zweites Maschinenbauteil
- 3
- erste Stirnfläche
- 4
- zweite Stirnfläche
- 5
- Struktur
- 6
- Rotationsachse
- 7
- Linienzug
- 8
- spiralförmiger Verlauf
- 9
- wellenförmiger Verlauf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3149596 A1 [0004]
- EP 0961038 B1 [0005]
- DE 102005062522 A1 [0006]
- DE 102007015958 B4 [0007]
- WO 2015/007276 A1 [0008]
