DE102017221378A1

DE102017221378A1 - Bauteilanordnung, Achsengehäuse, Bolzen und Verfahren zur Herstellung der Bauteilanordnung

Info

Publication number: DE102017221378A1
Application number: DE102017221378.7A
Authority: DE
Inventors: Michael Anetzberger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2017-11-29
Filing date: 2017-11-29
Publication date: 2019-05-29

Abstract

Bauteile in der Fertigung werden häufig durch Schweißen gefügt, beispielsweise mittels Reibschweißen. Es wird eine Bauteilanordnung 8 umfassend ein erstes Bauteil 9, ein zweites Bauteil 10 und einen Bolzen 1 vorgeschlagen, wobei das erste Bauteil 9 und das zweite Bauteil 10 mittels des Bolzens 1 verbunden sind, wobei der Bolzen 1 einen Verstärkungsabschnitt 4 mit einem ersten Durchmesser D₁ aufweist und der Verstärkungsabschnitt 4 in einem Abschnitt einer Durchführung 11 durch das erste Bauteil 9 angeordnet ist, wobei der Bolzen 1 eine Stirnseite 6 mit einem zweiten Durchmesser D₂ aufweist, wobei der Bolzen 1 an der Stirnseite 6 mit dem zweiten Bauteil 10 reibverschweißt ist, wobei das der erste Durchmesser D₁ größer ist als der zweite Durchmesser D₂.

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauteilanordnung umfassend ein erstes Bauteil, ein zweites Bauteil und einen Bolzen, wobei das erste Bauteil und das zweite Bauteil mittels des Bolzens verbunden sind. Die Erfindung betrifft ferner ein Achsengehäuse mit der Bauteilanordnung, einen Bolzen zum Verbinden von Bauteilen und ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung.
Die Druckschrift EP 1 679 203 B1 beschreibt, dass Gehäuseteile eines Achsgehäuses durch einen Schweißbolzen miteinander verbunden werden können. Der Schweißbolzen wird hierbei mit den beiden zu verbindenden Gehäuseteilen durch Slug-welting verschweißt.
Die Druckschrift DE 10 2014 220 673 A1 , die wohl den nächstkommenden Stand der Technik bildet, beschreibt ein Achsengehäuse, insbesondere Fahrzeuggehäuse, welches ein erstes und ein zweites Gehäuseteil aufweist, welche mittels eines Bolzens miteinander verbunden sind, wobei der Bolzen zumindest mit einem der Gehäuseteile reibverschweißt ist.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Bauteilanordnung mit verbesserter Kraftübertragung bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Bauteilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ferner wird die Aufgabe durch das Achsengehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 12, durch den Bolzen mit den Merkmalen des Anspruchs 14 sowie durch das Verfahren zur Herstellung der Bauteilanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst. Bevorzugte und/oder vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Erfindungsgemäß wird eine Bauteilanordnung vorgeschlagen. Die Bauteilanordnung ist beispielsweise ein Gehäuse, insbesondere ein Achsengehäuse oder ein Fahrzeuggehäuse. Die Bauteilanordnung umfasst ein erstes Bauteil, ein zweites Bauteil und einen Bolzen. Insbesondere sind erstes Bauteil und zweites Bauteil voneinander verschieden. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil können aus einem gleichen oder einem unterschiedlichen Material bestehen. Insbesondere sind das erste Bauteil und/oder das zweite Bauteil ein Metallbauteil, ein Kunststoffbauteil oder ein Verbundbauteil. Der Bolzen ist vorzugsweise aus Metall, beispielsweise aus einem Hartmetall wie Stahl. Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass der Bolzen als ein Niet oder als eine Schraube ausgebildet ist. Vorzugsweise ist der Bolzen am Außenumfang glatt ausgebildet, alternativ ist es möglich, dass der Bolzen einen Schraubenabschnitt aufweist.
Das erste Bauteil und das zweite Bauteil sind mittels des Bolzens verbunden. Insbesondere ist das erste Bauteil mit dem zweiten Bauteil formschlüssig mittels des Bolzens verbunden. Beispielsweise sind das erste Bauteil und das zweite Bauteil mittels des Bolzens miteinander vernietet. Ferner ist es möglich, dass das erste Bauteil und das zweite Bauteil mittels des Bolzens kraftschlüssig verbunden sind. Insbesondere kann die Bauteilanordnung neben dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil noch weitere Bauteile umfassen, wobei mittels des Bolzens das erste Bauteil, das zweite Bauteil und die weiteren Bauteile miteinander verbunden sind.
Der Bolzen weist einen Verstärkungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser auf. Insbesondere weist der Bolzen eine Längserstreckung auf, wobei sich der Verstärkungsabschnitt beispielsweise zylinderförmig und/oder mit konstantem ersten Durchmesser entlang der Längserstreckung erstreckt.
Das erste Bauteil weist eine Durchführung auf. Beispielsweise ist die Durchführung als ein Loch ausgebildet. Die Durchführung ist beispielsweise abschnittsweise zylinderförmig ausgebildet. Der Verstärkungsabschnitt ist insbesondere mindestens abschnittsweise in der Durchführung angeordnet. Die Durchführung weist damit insbesondere einen Abschnitt auf, welcher einen Durchmesser aufweist, der größer oder gleich dem ersten Durchmesser ist.
Der Bolzen weist eine Stirnseite mit einem zweiten Durchmesser auf. Insbesondere ist die Stirnseite eine Querschnittsfläche zur Längserstreckung des Bolzens. Beispielsweise ist die Stirnseite eine Kreisfläche. Insbesondere ist die Stirnseite eine ebene und/oder flache Fläche. Alternativ kann die Stirnseite gekrümmt, beispielsweise, konvex, kugelförmig und/oder konisch ausgebildet sein.
Der Bolzen ist an der Stirnseite mit dem zweiten Bauteil reibschweißt. Unter Reibschweißen wird insbesondere ein Verfahren verstanden, welches ohne eine äußere Einbringung von Wärme das erste Bauteil, das zweite Bauteil und den Bolzen miteinander verbindet. Insbesondere ist die reibschweißte Verbindung zwischen dem zweiten Bauteil und der Stirnseite, beziehungsweise zwischen dem zweiten Bauteil und dem Bolzen, eine stoffschlüssige Verbindung. Zum Reibschseißen wird eine Relativbewegung zwischen Bolzen und zweitem Werkstück herbeigeführt und Druck, Reibung und Wärme erzeugt. Zum Reibschweißen reibt der Bolzen, insbesondere die Stirnseite, auf der Oberfläche des zweiten Bauteils und erwärmt diesen Bereich. Dadurch wird der Werkstoff des zweiten Bauteils und/oder des Bolzens verflüssigt, wobei durch Beaufschlagung des Bolzens mit Druck in Richtung des zweiten Bauteils sich der Bolzen und das zweite Bauteil verbinden. Das Reibschweißen von dem zweiten Bauteil und dem Bolzen ist vorzugsweise ein Rotationsreibschweißen. Alternativ ist das Reibschweißen von Bolzen und zweitem Bauteil ein Rührreibschweißen.
Erfindungsgemäß ist der erste Durchmesser größer als der zweite Durchmesser. Vorzugsweise weist der Bolzen einen Abschnitt mit dem zweiten Durchmesser auf, wobei sich dieser Abschnitt von der Stirnseite entlang der Längsachse erstreckt. Beispielsweise weist der Bolzen einen Zylinderabschnitt mit dem ersten Durchmesser als Verstärkungsabschnitt auf und weist einen Zylinderabschnitt mit zweitem Durchmesser auf, welcher die Stirnseite umfasst. Die Durchführung weist einen Durchmesser auf und/oder weist einen Abschnitt mit einem Durchmesser auf, der größer oder insbesondere gleich dem ersten Durchmesser ist. Ferner kann die Durchführung einen Abschnitt aufweisen, insbesondere im Bereich angrenzend zum zweiten Bauteil, der einen Durchmesser größer oder insbesondere gleich dem zweiten Durchmesser hat. Der Bolzen liegt mindestens abschnittsweise reibschlüssig an einer Leibung der Durchführung an. Beispielsweise liegt der zylinderförmige Abschnitt mit dem ersten Durchmesser reibschlüssig an der Leibung der Durchführung an.
Die Erfindung löst das Problem, dass bei reibgeschweißten Bauteilanordnungen ein limitierender Faktor der Kraftübertragung die Lochleibung ist. Die Schweißung des Bolzens kann viel mehr Kraft übertragen, wie die Lochleibung im Normalfall aushält. Ein im Durchmesser größerer Bolzen kann allerdings oft nicht reibgeschweißt werden, da dazu keine fähigen Maschinen erhältlich oder verfügbar sind. Durch die zweistufige Ausführung des Bolzens mit zwei unterschiedlichen Durchmessern kann mehr Kraft im gesamten Verbund übertragen werden. Durch den Abschnitt mit dem ersten Durchmesser kann mehr Kraft übertragen werden, da es an der schwächsten Stelle verstärkt ist, wobei weiterhin Bolzen und zweites Werkstück reibschweißt werden können. Damit wird eine Bauteilanordnung mit verbesserter Kraftübertragung bereitgestellt.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Bolzen von dem Abschnitt mit dem ersten Durchmesser zu dem Abschnitt mit dem zweiten Durchmesser sprunghaft und/oder unstetig übergeht. Dabei wechselt der Bolzen beim Wechsel zwischen den Abschnitten direkt vom ersten Durchmesser in den zweiten Durchmesser. Beispielsweise ist der Bolzen als ein einstückiger Verbund von zwei Zylindern mit gemeinsamer Längsachse ausgebildet, wobei die Symmetrieachsen der beiden Zylinder zusammenfallen und der eine Zylinder den ersten Durchmesser aufweist und der andere Zylinder den zweiten Durchmesser aufweist. Alternativ kann es vorgesehen sein, dass der Übergang von erstem Durchmesser zu zweitem Durchmesser kontinuierlich ist, beispielsweise, dass der erste Durchmesser in den zweiten Durchmesser mittels eines konischen Übergangs übergeht.
Optional ist es vorgesehen, dass der erste Durchmesser mindestens 120 Prozent des zweiten Durchmessers ist. Im Speziellen ist es vorgesehen, dass der erste Durchmesser mindestens dem Doppelten des zweiten Durchmessers entspricht oder mindestens dem Dreifachen des zweiten Durchmessers entspricht. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, ein verbessertes Verhältnis von stoffschlüssiger Reibschweißverbindung zwischen zweitem Bauteil und Bolzen sowie reibschlüssiger Verbindung zwischen Bolzen und erstem Bauteil zu erhalten.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Durchführung eine Durchführungstiefe aufweist. Vorzugsweise entspricht die Durchführungstiefe der Dicke des ersten Bauteils. Der Verstärkungsabschnitt weist eine Verstärkungsabschnittslänge auf. Beispielsweise ist die Verstärkungsabschnittslänge die Zylinderhöhe des Zylinders mit dem ersten Durchmesser. Dabei ist es insbesondere vorgesehen, dass die Verstärkungsabschnittslänge mindestens 50 Prozent der Durchführungstiefe ausmacht. Besonders bevorzugt ist es, dass die Verstärkungsabschnittslänge mindestens 70 Prozent der Durchschnittstiefe entspricht und vorzugsweise, dass die Verstärkungsabschnittslänge mindestens 90 Prozent der Durchführungstiefe entspricht. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, die Kraftübertragung dadurch möglichst effizient zu machen, dass die reibschlüssige Verbindung von Verstärkungsabschnitt und Durchführung möglichst groß gestaltet ist, aber zusätzlich die Fläche der Stirnseite in einer Dimension bleibt, die eine Reibschweißverbindung erlaubt.
Optional ist es vorgesehen, dass der Bolzen einen Außenabschnitt aufweist. Der Außenabschnitt ist außerhalb der Durchführung angeordnet und/oder ragt aus der Durchführung heraus. Der Außenabschnitt weist vorzugsweise einen dritten Durchmesser auf, wobei der dritte Durchmesser größer ist als der erste Durchmesser. Alternativ kann der dritte Durchmesser gleich dem ersten Durchmesser oder dem zweiten Durchmesser sein. Insbesondere geht der dritte Durchmesser in den ersten Durchmesser sprunghaft über, alternativ geht dieser kontinuierlich über, beispielsweise konisch. Der Außenabschnitt kann eine Mitnahme für ein Reibschweißwerkzeug aufweisen, mittels der der Bolzen zum Reibschweißen in Rotation versetzbar ist und/oder mittels der eine Presskraft zum Reibschweißen auf den Bolzen aufbringbar ist. Die Mitnahme ist beispielsweise zur Erzeugung eines Form- und/oder Kraftschlusses mit dem Reibschweißwerkzeug ausgebildet. Beispielsweise weist der Außenabschnitt dabei einen Innen-Sechskant oder Außen-Sechskant auf. Beispielsweise ist die Mitnahme als ein Innen-Torx oder ein Außen-Torx ausgebildet. Ferner kann es vorgesehen sein, dass der Außenabschnitt ein Gewinde aufweist, wobei auf diesem Gewinde beispielsweise eine Mutter zum form- und/oder kraftschlüssigen Verspannen von erstem Bauteil und zweitem Bauteil anordenbar ist.
Eine Ausgestaltung sieht vor, dass der Bolzen einen Schulterabschnitt aufweist. Der Schulterabschnitt liegt formschlüssig am ersten Bauteil an. Insbesondere ist der Schulterabschnitt nicht stoffschlüssig mit dem ersten Bauteil verbunden. Beispielsweise wird der Schulterabschnitt durch einen Übergang des Verstärkungsabschnitts in den Außenabschnitt gebildet. Der Schulterabschnitt kann eine gleichförmige Steigung aufweisen. Alternativ ist der Schulterabschnitt gekrümmt ausgebildet, wobei der Außenabschnitt gekrümmt in den Verstärkungsabschnitt übergeht. Der Schulterabschnitt ist vorzugsweise konusförmig ausgebildet.
Das formschlüssige Anliegen des Schulterabschnitts an dem ersten Bauteil kann insbesondere im Rahmen des Reibschweißens zwischen Bolzen und zweitem Bauteil bewirkt werden. Die während des Reibschweißens auf den Bolzen aufgebrachte Presskraft bewirkt dabei das formschlüssige Anlegen des Schulterabschnitts an das erste Bauteil. Im Speziellen kann es vorgesehen sein, dass der Schulterabschnitt konusförmig ausgebildet ist und einen Konuswinkel aufweist, wobei der Konuswinkel zwischen 30 und 60 Grad liegt. Dieser Ausgestaltung liegt die Überlegung zugrunde, eine besonders gute Zentrierung des Bolzens beim Reibschweißen und Verbinden der Bauteile zu gewährleisten.
Optional ist es vorgesehen, dass der Bolzen eine Längsachse aufweist und der Bolzen rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse ist. Die Längsachse ist insbesondere gleichgerichtet zur Längserstreckung des Bolzens. Insbesondere ist es vorgesehen, dass der Bolzen zylinderförmig ausgebildet ist und/oder mehrere Zylinder umfasst, wobei Schnittflächen des Bolzens senkrecht zur Längsachse kreisförmig ausgebildet sind. Insbesondere kann der Bolzen auch eine ganzzahlige Rotationssymmetrie bezüglich der Längsachse aufweisen, wobei der Bolzen beispielsweise als ein Mehrkant, beispielsweise Achtkant, Zehnkant oder Polygon ausgebildet ist. Insbesondere ist auch die Durchführung rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse des Bolzens. Vorzugsweise weist der Bolzen eine seitliche Zylinderfläche auf, wobei die seitliche Zylinderfläche formschlüssig und/oder reibschlüssig mit der Durchführung kontaktiert.
Besonders bevorzugt ist es, dass der Bolzen formschlüssig in der Durchführung angeordnet ist. Ferner ist der Bolzen reibschlüssig in der Durchführung angeordnet. Insbesondere ist der Bolzen mindestens abschnittsweise formschlüssig und/oder reibschlüssig in der Durchführung angeordnet. Die formschlüssige und/oder reibschlüssige Anordnung des Bolzens in der Durchführung erfolgt in einem Kontaktabschnitt, wobei der Kontaktabschnitt zusammenhängend und/oder gestückelt ausgebildet sein kann. Der Kontaktabschnitt entspricht mindestens 50 Prozent der Durchführungstiefe.
Besonders bevorzugt ist es, dass die Durchführung mit dem Bolzen durch Reibung und/oder Schmelzen des ersten Bauteils erzeugt wird. Insbesondere ist das erste Bauteil aus einem weichen Material gefertigt. Insbesondere ist es dabei vorgesehen, dass das erste Bauteil zunächst über keine Durchführung für den Bolzen verfügt und die Durchführung erst durch den Bolzen selbst während des Reibschweißens durch die zwischen Bolzen und erstem Bauteil entstehende Reibung hergestellt wird. In diesem Fall werden die beiden Bauteile also zunächst zusammengefügt und anschließend der Bolzen an dem ersten Bauteil angesetzt, wo später die feste Verbindung der beiden Bauteile entstehen soll. Anschließend wird der Bolzen in Rotation versetzt und mit einer Presskraft beaufschlagt, um sich durch das erste Bauteil bis hin zum zweiten Bauteil hindurchzutreiben und dabei die Durchführung zu schaffen. Anschließend erfolgt erst die eigentliche Reibschweißung zwischen Bolzen und zweitem Bauteil. Insbesondere ist es möglich, durch das Schaffen der Durchführung mittels des Bolzens auch eine gestufte Durchführung, insbesondere mit zwei unterschiedlichen Durchmessern, zu schaffen, wobei die zwei unterschiedlichen Durchmesser beispielsweise der erste Durchmesser und der zweite Durchmesser ist. Ferner ist es eine Überlegung dieser Ausgestaltung, dass so eine besonders reibschlüssige Verbindung zwischen Bolzen und erstem Bauteil ermöglicht werden kann.
Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Bolzen aus einem ersten Werkstoff besteht und das zweite Bauteil aus einem zweiten Werkstoff besteht, wobei der erste Werkstoff ungleich dem zweiten Werkstoff ist. Beispielsweise ist der Bolzen aus einem Eisenwerkstoff, beispielsweise Stahl- oder Gusseisen, gebildet. Vorzugsweise ist der zweite Werkstoff Kupfer, Aluminium oder Magnesium. Das erste Bauteil kann ein Eisenbauteil, ein Kupferbauteil oder ein Kunststoffbauteil sein. Insbesondere weist der zweite Werkstoff einen höheren Schmelzpunkt auf als der Werkstoff des Bolzens und/oder des ersten Bauteils.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Achsengehäuse. Das Achsengehäuse umfasst die Bauteilanordnung wie vorher beschrieben und/oder wird von der Bauteilanordnung wie vorher beschrieben gebildet. Das erste Bauteil und das zweite Bauteil bilden dabei jeweils ein Gehäuseteil. Durch Zusammenfügen von erstem Bauteil und zweitem Bauteil wird das Achsengehäuse gebildet. Insbesondere ist das Achsengehäuse für ein Kraftfahrzeug ausgebildet.
Insbesondere ist das erste Bauteil als ein Achsdifferenzialgetriebegehäuse ausgebildet und das zweite Bauteil als Achsrohr ein ausgebildet. Beispielsweise bildet das zweite Bauteil, an welches der Bolzen angeschweißt ist, das Achsrohr und das erste Gehäuseteil bildet dann das Achsdifferentialgehäuse. Das Achsrohr dient hierbei insbesondere, um eine Antriebswelle, insbesondere eine Seitenwelle, zwischen einem Fahrzeugrad und einem Achsdifferentialgetriebe zu beherbergen. Das Achsdifferentialgehäuse dient hierbei insbesondere dazu, um ein Achsdifferentialgetriebe zu beherbergen. Der Begriff des Achsrohres umfasst hierbei sowohl runde als auch nicht runde Querschnittsformen, wie beispielsweise ovale, drei-, vier- oder mehreckige Querschnittsformen. Durch die Aufteilung des Achsgehäuses in Achsrohr und Achsdifferentialgehäuse beziehungsweise Achsdifferentialgehäuse, wird die Herstellung des Achsgehäuses erleichtert. Vorzugsweise besteht das Achsgehäuse im Wesentlichen aus dem Achsdifferentialgehäuse und zwei an dem Achsdifferentialgehäuse gegenüberliegend angeordnete Achsrohre.
Ein als Achsdifferentialgehäuse ausgeführtes erstes Bauteil weist dann vorzugsweise den oben genannten Vorsprung mit einer Öffnung auf, in welche zumindest ein Abschnitt eines dann als Achsrohr ausgeführten zweiten Bauteils eingeführt ist, wobei der Bolzen diesen Abschnitt des ersten Gehäuseteils mit dem Vorsprung des ersten Bauteils verbindet.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Bolzen zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil. Insbesondere ist der Bolzen ein Bolzen für die Bauteilanordnung wie vorher beschrieben. Der Bolzen weist einen Verstärkungsabschnitt mit einem ersten Durchmesser auf. Ferner weist der Bolzen eine Stirnseite auf und/oder einen Stirnabschnitt auf, wobei der Stirnabschnitt die Stirnseite umfasst. Die Stirnseite weist einen zweiten Durchmesser auf. Die Stirnseite ist zum Reibschweißen mit dem zweiten Bauteil. Der erste Durchmesser ist größer als der zweite Durchmesser. Insbesondere ist der erste Durchmesser mindestens doppelt so groß wie der zweite Durchmesser. Beispielsweise ist der Bolzen als ein zusammengesetzter Zylinder ausgebildet, wobei dieser aus zwei Zylindern besteht und die Zylinder so angeordnet sind, dass die Rotationsachsen des Zylinders zusammenfallen und die Zylinder unterschiedliche Durchmesser aufweisen, nämlich den ersten Durchmesser und den zweiten Durchmesser. Insbesondere ist der Bolzen als ein Reibschweißbolzen ausgebildet.
Einen weiteren Gegenstand der Erfindung bildet ein Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung. Insbesondere ist das Verfahren zur Herstellung der Bauteilanordnung wie vorher beschrieben ausgebildet. Das Verfahren umfasst die Schritte:
Bereitstellen eines ersten und eines zweiten Bauteils. Erstes Bauteil und zweites Bauteil sind insbesondere Gehäusebauteile. Das erste Bauteil weist vorzugsweise eine Durchführung auf:

- Einführen und/oder Anfügen des ersten Bauteils in oder an das zweite Bauteil.
- Reibschweißen des zweiten Bauteils mit einem Bolzen. Beispielsweise wird der Bolzen rotiert und in Reibung zu und/oder mit dem zweiten Bauteil gebracht. Dabei erhitzen sich Bolzen und zweites Bauteil, wobei die Werkstoffe des Bolzens und/oder des zweiten Bauteils schmelzen und sich verflüssigen. Der Bolzen wird dann mit einer Kraft beaufschlagt, sodass sich Bolzen und zweites Bauteil formschlüssig verbinden. Nach dem Abkühlen sind Bolzen und zweites Bauteil miteinander reibschweißt. Insbesondere reibt der Bolzen mit einer Stirnseite auf und/oder an dem zweiten Bauteil. Die Stirnseite weist einen zweiten Durchmesser auf. Das Verfahren sieht insbesondere vor, dass der Bolzen einen Verstärkungsabschnitt aufweist und der Verstärkungsabschnitt in einer Durchführung angeordnet ist und/oder mit der Durchführung reibschlüssig kontaktiert. Dabei ist und/oder wird der Bolzen so geformt, dass der Verstärkungsabschnitt einen größeren Durchmesser aufweist als der erste Durchmesser.

Weitere Merkmale, Vorteile und Wirkungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung. Dabei zeigen:

1 einen Bolzen für eine Bauteilanordnung als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
2 eine Bauteilanordnung mit einem Bolzen als ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
3 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Achsengehäuses;.
4 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Achsengehäuses;
5 Anwendungsbeispiel eines Achsengehäuses;
6 Detailausschnitt des Achsengehäuses.

1 zeigt einen Bolzen 1. Der Bolzen 1 ist als ein einstückiger Bolzen ausgebildet. Der Bolzen 1 ist aus einem ersten Werkstoff gebildet, wobei der erste Werkstoff beispielsweise Stahl oder Aluminium ist. Der Bolzen 1 weist eine Rotationsachse 2 auf, wobei die Rotationsachse 2 gleichgerichtet und/oder parallel zur Längserstreckung des Bolzens 1 ist.
Der Bolzen 1 weist drei Abschnitte auf, wobei die drei Abschnitte von einem Stirnabschnitt 3, einem Verstärkungsabschnitt 4 und einem Außenabschnitt 5 gebildet werden. Stirnabschnitt 3, Verstärkungsabschnitt 4 und Außenabschnitt 5 sind jeweils zylinderförmig ausgebildet, wobei der Außenabschnitt 5 einen dritten Durchmesser D₃ aufweist, der Verstärkungsabschnitt 4 einen ersten Durchmesser D₁ aufweist und der Stirnabschnitt 3 einen zweiten Durchmesser D₂ aufweist. Der erste Durchmesser D₁ ist größer als der zweite Durchmesser D₂ und ferner ist der erste Durchmesser D₁ kleiner als der dritte Durchmesser D₃ . Die zylinderförmigen Abschnitte 3, 4, 5 sind so angeordnet, dass die Rotationssymmetrieachsen der Abschnitte 3, 4, 5 zusammenfallen. Für die Durchmesser gilt insbesondere, dass der erste Durchmesser mindestens doppelt so groß ist wie der zweite Durchmesser D₂ . Für den dritten Durchmesser D₃ gilt, dass der dritte Durchmesser D₃ mindestens 120 Prozent des ersten Durchmessers D₁ entspricht.
Der Stirnabschnitt 3 weist eine Stirnabschnittslänge L_s auf, der Verstärkungsabschnitt 4 weist eine Verstärkungsabschnittslänge L_v auf und der Außenabschnitt 5 weist eine Außenabschnittslänge L_a auf. Insbesondere bildet die Stirnabschnittslänge L_s die Zylinderhöhe des Stirnabschnitts 3, wobei die Verstärkungsabschnittslänge L_v die Zylinderhöhe des Verstärkungsabschnitts 4 bildet und die Außenabschnittslänge La die Zylinderhöhe des Außenabschnitts 5 bildet. Für die Verstärkungsabschnittslänge gilt, dass die Verstärkungsabschnittslänge L_v größer ist als die Stirnabschnittslänge L_s und dass die Verstärkungsabschnittslänge L_v größer ist als die Außenabschnittslänge La. Insbesondere ist die Verstärkungslänge L_v mindestens doppelt, im Speziellen mindestens fünf Mal so groß wie die Stirnabschnittslänge L_s . Insbesondere kann es vorgesehen sein, dass die Stirnabschnittslänge L_s kleiner ist als ein Zentimeter.
Der Bolzen 1 und insbesondere der Stirnabschnitt 3 weist eine Stirnseite 6 auf. Die Stirnseite 6 steht insbesondere senkrecht auf der Längserstreckung des Bolzens 1. Die Stirnseite 6 ist im Querschnitt zur Längserstreckung eine Kreisfläche. Die Stirnseite 6 kann insbesondere eben ausgebildet sein, alternativ ist die Stirnseite 6 konisch und/oder konvex geformt. Die Stirnseite 6 ist ausgebildet, zum Reibschweißen mit einem Gegenstand in Reibung zu treten, beispielsweise dadurch, dass der Bolzen 1 um die Rotationsachse 2 rotiert wird und so die Stirnseite 6, den Stirnabschnitt 3 und das reibende Bauteil punktuell erwärmt. Dabei wird das Material des Stirnabschnitts 2 teilweise verflüssigt und kann in Stoffschluss mit der reibenden Gegenfläche treten.
Der Verstärkungsabschnitt 4 weist eine seitliche Zylinderfläche 7 auf, wobei die seitliche Zylinderfläche 7 ausgebildet ist, mit einer Durchführung in reibschlüssigen Kontakt zu treten, wenn der Bolzen 1 in der Bauteilanordnung 8 angeordnet ist.
2 zeigt eine Bauteilanordnung 8. Die Bauteilanordnung 8 umfasst den Bolzen 1, ein erstes Bauteil 9 und ein zweites Bauteil 10. Das erste Bauteil 9 ist als ein Gehäuse, insbesondere ein Gehäuse eines Differenzialgetriebes, ausgebildet. Das zweite Bauteil 10 ist als ein Achsrohr 10 ausgebildet. Das erste Bauteil 9 ist aus einem dritten Material gebildet. Das dritte Material ist beispielsweise Stahl. Das zweite Bauteil 10 ist aus einem zweiten Material gebildet, wobei das zweite Material ein anderes Material ist als das dritte Material und/oder das erste Material. Das dritte Material und das zweite Material weisen einen höheren Schmelzpunkt auf als das erste Material. Beispielsweise ist das erste Bauteil aus einem Gussstahl gefertigt und das zweite Bauteil als ein Aluminiumteil gefertigt.
Das erste Bauteil 9 weist eine Durchführung 11 auf. Die Durchführung 11 ist als ein Loch im ersten Bauteil 9 ausgebildet. Die Durchführung 11 weist eine Durchführungstiefe L_f auf. Die Durchführungstiefe L_f ist vorzugsweise größer oder gleich der Summe aus Verstärkungsabschnittslänge L_v und Stirnabschnittslänge L_s . Die Durchführung 11 weist im Querschnitt senkrecht zur Durchführungstiefe L_f unterschiedliche Durchmesser aus. Die Durchmesser der Durchführungstiefe sind dabei insbesondere gleich dem ersten Durchmesser D₁ und dem zweiten Durchmesser D₂ . Im Kontaktbereich von zweitem Bauteil 10 und erstem Bauteil 9 weist die Durchführung 11 den zweiten Radius auf. Die Durchführung 11 öffnet sich zur Umgebung konisch. Der Bolzen 1 weist einen Schulterabschnitt auf, wobei der Bolzen 1 so in der Durchführung 11 angeordnet ist, dass der Schulterabschnitt 12 formschlüssig mit dem ersten Bauteil kontaktiert. Der Formschluss zwischen Schulterabschnitt 12 erfolgt insbesondere in der konischen Öffnung der Durchführung 11.
Der Bolzen 1 ist mit dem zweiten Bauteil 10 in einer Reibschweißverbindung 13 stoffschlüssig verbunden. Zum Schaffen dieser Reibschweißverbindung 13 wird der Bolzen 1 rotiert und kontaktiert dabei reibend das zweite Bauteil 10. Dadurch wird der Bolzen 1 an der Stirnseite 6 erwärmt und auch das zweite Bauteil 10 wird dadurch erwärmt. Durch die Erwärmung werden Bolzen 1 und zweites Bauteil 10 teilweise verflüssigt. Durch Beaufschlagung des Bolzens 1 mit einer Kraft F, wird der Stoffschluss zwischen zweitem Bauteil 10 und Bolzen 1 geschaffen. Nach dem Abkühlen sind Bolzen 1 und zweites Bauteil 10 fest miteinander verbunden.
3 zeigt eine als Achsgehäuse ausgebildete Bauteilanordnung 8. Das zweite Bauteil 10 ist als ein Achsrohr ausgebildet. Das erste Bauteil 9 wird von einem Achsdifferentialgehäuseteil gebildet. Das zweite Bauteil 10 eine Antriebswelle 13 (strichliert dargestellt) und das erste Bauteil 9 ein Achsdifferentialgetriebe 14 (strichliert dargestellt) auf. Es wird angemerkt, dass sich zwischen den Bauteilen 1, 2 zum Absichten eines Spaltes zwischen den Gehäuseteilen 1, 2 ein Dichtmittel, wie beispielsweise eine Schnurdichtung oder ein O-Ring oder eine Papierdichtung, befinden kann. Der Bolzen 1 verbindet das Achsrohr und das Achsdifferntialgetriebegehäuse formschlüssig.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel für ein als Achsgehäuse ausgebildete Bauteilanordnung 8. Die Ausführungsform des Achsgehäuses gemäß 4 unterscheidet sich gegenüber den Ausführungsformen des Achsgehäuses gemäß 3 dadurch, dass die Längsachse des Bolzens 1 schräg, insbesondere senkrecht, zu der Längsachse des Achsgehäuses verläuft. Des Weiteren ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 im Unterschied zu 3 das erste Bauteil 9 beispielshaft als Achsrohr ausgeführt und das zweite Bauteil 10 als Achsdifferentialgehäuse.
5 zeigt eine praktische Anwendung des Achsgehäuses gemäß 4 in einer Starrachse eines Fahrzeugs (Fahrzeugstarrachse), wie beispielsweise eines Pickup-Trucks oder eines anderen Personen- oder Nutzfahrzeugs.
Die Fahrzeugstarrachse verfügt über ein Differentialgetriebegehäuse als erstes Bauteil 9 des Achsgehäuses. An gegenüberliegenden Seiten des Differentialgetriebegehäuses verfügt die Fahrzeugstarrachse über jeweils ein Achsrohr als zweites Bauteil 10 des Achsgehäuses. An den Achsrohren sind jeweils Aufnahmen für eine Federung und eine Dämpfung der Fahrzeugstarrachse vorgesehen, mittels deren die Fahrzeugstarrachse mit einem Fahrzeugchassis verbindbar ist. Im Bereich der abtriebsseitigen Enden der Achsrohre sind zudem jeweils eine Bremsanlage sowie Radträger der Fahrzeugstarrachse vorgesehen. Innerhalb des Differentialgetriebegehäuses befindet sich ein an sich bekanntes Differentialgetriebe, welches ein eingehendes Antriebsdrehmoment auf in den Achsrohren beherbergte Antriebswellen (Seitenwellen) überträgt, um an den Radträgern angeordnete Fahrzeugräder anzutreiben.
6 zeigt eine vergrößerte Ansicht der Fahrzeugstarrachse aus 5 vom Verbindungsbereich zwischen dem Differentialgetriebegehäuse und einem der Achsrohre. Wie aus den 5, 6 entnehmbar ist, ist das jeweilige Achsrohr ein Stück weit (ein Abschnitt) in eine Öffnung eines Vorsprunges des Differentialgetriebegehäuses entlang der Längsachse des Achsgehäuses beziehungsweise der Fahrzeugstarrachse hineingeschoben (entsprechend zu 4). Der hineingeschobene Abschnitt des Achsrohres ist komplementär zu der zugehörigen Öffnung in dem Vorsprung des Differentialgetriebegehäuses ausgeführt.
Das Differentialgetriebegehäuse verfügt zusätzlich über eine quer zur Längsachse verlaufende Bohrung Durchführung11, für einen Bolzen 1 zum Reibverschseißen, welche bis hin zu dem jeweils eingeschobenen Abschnitt des Achsrohres reicht. Zur festen Verbindung der Bauteile 9,10 wird nach dem Zusammenführen der Bauteile 9, 10 in die Durchführung 11 der Bolzen 11 eingeführt. Anschließend wird der Bolzen 11 in Rotation versetzt sowie mit einer Presskraft in Richtung des Achsrohrs beaufschlagt. Hierdurch kommt es zumindest zwischen dem Bolzen und dem Achsrohr im Bereich der Stirnseite 6 des Bolzens 11 zu einer Reibverschweißung. Dabei legt sich vorzugsweise gleichzeitig eine Schulter 12 des Bolzens formschlüssig an das äußere Ende der Durchführung 11 an, also an das Differentialgetriebegehäuse. Dadurch wird das Differentialgetriebegehäuse und das jeweilige Achsrohr fest miteinander verbunden.
Bezugszeichenliste

1: Bolzen
2: Rotationsachse
3: Stirnabschnitt
4: Verstärkungsabschnitt
5: Außenabschnitt
6: Stirnseite
7: Seitliche Zylinderfläche
8: Bauteilanordnung
9: Erstes Bauteil
10: Zweites Bauteil
11: Durchführung
12: Schulterabschnitt
13: Achswelle
14: Achsdifferentialgetriebe
L_S: Stirnabschnittslänge
L_V: Verstärkungsabschnittslänge
L_F: Durchführungstiefe
D₁: Erster Durchmesser
D₂: Zweiter Durchmesser
D₃: Dritter Durchmesser

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1679203 B1 [0002]
DE 102014220673 A1 [0003]

Claims

Bauteilanordnung (8) umfassend ein erstes Bauteil (9), ein zweites Bauteil (10) und einen Bolzen (1), wobei das erste Bauteil (9) und das zweite Bauteil (10) mittels des Bolzens (1) verbunden sind, wobei der Bolzen (1) einen Verstärkungsabschnitt (4) mit einem ersten Durchmesser (D₁) aufweist und der Verstärkungsabschnitt (4) in einem Abschnitt einer Durchführung (11) durch das erste Bauteil (9) angeordnet ist, wobei der Bolzen (1) eine Stirnseite (6) mit einem zweiten Durchmesser (D₂) aufweist, wobei der Bolzen (1) an der Stirnseite (6) mit dem zweiten Bauteil (10) reibverschweißt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmesser (D₁) größer als der zweite Durchmesser (D₂) ist.
Bauteilanordnung (8) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang von dem erstem Durchmesser (D₁) zu dem zweiten Durchmesser (D₂) sprunghaft und/oder nicht-stetig ist.
Bauteilanordnung (8) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Durchmessers (D₁) mindestens 120 Prozent des zweiten Durchmessers (D₂) ist.
Bausteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (11) eine Durchführungstiefe (L_F) aufweist, wobei der Verstärkungsabschnitt (4) eine Verstärkungsabschnittslänge (L_V) aufweist, wobei die Verstärkungsabschnittslänge (L_V) mindestens 50 Prozent der Durchführungstiefe (L_F) entspricht.
Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1) einen Außenabschnitt (5) aufweist, wobei der Außenabschnitt (5) aus der Durchführung (11) herausragt und einen dritten Durchmesser (D₂) aufweist, wobei der dritte Durchmesser (D₂) größer ist als der erste Durchmesser (D₁).
Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1) einen Schulterabschnitt (12) aufweist, wobei der Bolzen (1) mit dem Schulterabschnitt (12) formschlüssig an dem ersten Bauteil (9) anliegt.
Bauteilanordnung (8) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schulterabschnitt (12) einen kontinuierlichen Übergang zwischen dem Außenabschnitt (5) und dem Verstärkungsabschnitt (4) bildet.
Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1) eine Längsachse aufweist und der Bolzen (1) rotationssymmetrisch bezüglich der Längsachse ist.
Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1) formschlüssig in der Durchführung (11) angeordnet ist.
Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Durchführung (11) mit dem Bolzen (1) durch Reibung und/oder Schmelzen des ersten Bauteils (9) erzeugt ist.
Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1) aus einem ersten Werkstoff besteht und das zweite Bauteil (10) aus einem zweiten Werkstoff besteht, wobei der erste Werkstoff ungleich dem zweiten Werkstoff ist.
Achsengehäuse mit der Bauteilanordnung (8) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (9) und das zweite Bauteil (10) jeweils ein Gehäuseteil des Achsengehäuse bilden.
Achsengehäuse nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (9) als ein Achsdifferentialgehäuse ausgebildet ist und das zweite Bauteil (10) als ein Achsrohr ausgebildet ist.
Bolzen (1) zum Verbinden eines ersten Bauteils (9) mit einem zweiten Bauteil (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen (1) einen Verstärkungsabschnitt (4) mit einem ersten Durchmesser (D₁) und eine Stirnseite (6) mit einem zweiten Durchmesser (D₂) zum Reibschweißen mit dem zweiten Bauteil (10) aufweist, wobei der erste Durchmesser größer ist als der zweite Durchmesser.
Verfahren zur Herstellung einer Bauteilanordnung (8), insbesondere einer Bauteilanordnung (8) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, gekennzeichnet durch die Schritte: - Bereitstellen eines ersten Bauteils (9) und eines zweiten Bauteils (10), - Einführen und/oder Anfügen des ersten Bauteils (9) in oder an das zweite Bauteil (10), - Reibschweissen des zweiten Bauteils (10) mit einem Bolzen (1), wobei der Bolzen (1) einen Verstärkungsabschnitt (4) aufweist und der Verstärkungsabschnitt (4) in einer Durchführung (11) durch das erste Bauteil (9) angeordnet wird.