DE102018103995A1 - Reibelement für ein Reibschweißverfahren - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Reibelement (10) für ein Reibschweißverfahren, wobei das Reibelement (10) einen Schaftabschnitt (11) und einen Kopfabschnitt (13) aufweist, der Schaftabschnitt (11) sich entlang einer axialen Längsachse L erstreckt, der Kopfabschnitt (13) um die Längsachse gegenüber dem Schaftabschnitt (11) in eine Radialrichtung und die Längsachse L in Umfangsrichtung umlaufend hervorsteht und ein Übergangsabschnitt (12) einen Übergang des Schaftabschnitts (11) zu dem Kopfabschnitt (13) bestimmt, wobei der Übergangsabschnitt (12) geometrisch mit einem definierten Radius zwischen dem Schaftabschnitt (11) und dem Kopfabschnitt (13) ausgebildet ist, um an dem Reibelement (10) auftretende Spannungen zwischen Kopfabschnitt (13) und Schaftabschnitt (11) durch von außen einwirkende Kräfte zu minimieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Reibelement für ein Reibschweißverfahren, das ausgebildet ist, an dem Reibelement auftretende mechanische Spannungen zwischen Kopfabschnitt und Schaftabschnitt zu minimieren. Die in dem Reibelement auftretenden mechanischen Spannungen werden insbesondere durch von außen auf das Reibelement einwirkende Kräfte verursacht.
  • Beim Reibschweißen handelt es sich um ein Schweißverfahren, bei dem zwei Fügeteile sich relativ zueinander bewegend und unter Druck aufeinander gepresst werden. Durch die Bewegung der Fügeteile und den Druck entsteht zwischen den Fügeteilen Hitze, welche zu einem Aufschmelzen der Fügeteile führt. Das aufgeschmolzene Material der Fügeteile vermischt sich, sodass nach einer Abkühlphase zwischen den Fügeteilen eine stoffschlüssige Verbindung bzw. Reibschweißverbindung entsteht.
  • Eine Variante des Reibschweißens sieht dabei vor, zwei Bauteile mittels eines Reibelements zu fügen. Dabei wird ein erstes Bauteil an ein zweites Bauteil angeheftet, indem das Reibelement in Rotation versetzt und durch Druck durch das erste Bauteil hindurch gerieben wird, bis es an dem zweiten Bauteil zur Anlage kommt, mit dem es dann nach dem oben beschriebenen Prinzip eine stoffschlüssige Verbindung eingeht. Dabei dienen das Reibelement und das zweite Bauteil als Fügeteile. Das Reibelement weist hierfür einen Schaftabschnitt auf, mit dem es das erste Bauteil durchdringt und mit dem es mit dem zweiten Bauteil die stoffschlüssige Verbindung eingeht. Ferner weist das Reibelement einen Kopfabschnitt auf, der an dem ersten Bauteil anliegt und dieses gegen das zweite Bauteil presst.
  • Das Reibelement und das zweite Bauteil müssen als Fügeteile aus einem für das Reibschweißen geeigneten Material, beispielsweise Stahl, bestehen, wohingegen das erste Bauteil geeignet sein muss, von dem Schaftabschnitt des Reibelements durchrieben zu werden, ohne mit diesem eine stoffschlüssige Verbindung einzugehen. Das erste Bauteil ist folglich so weich, dass das Reibelement nicht bereits beim Durchreiben des ersten Bauteils aufgeschmolzen wird und in seine Dickenrichtung so dünn, dass der Schaftabschnitt des Reibelements das erste Bauteil durchdringen kann. Für das erste Bauteil eignen sich daher beispielsweise Kunststoffe oder Aluminium.
  • Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Ausführungsformen von Reibelementen bekannt. Beispielsweise offenbaren die Schriften US 6,227,443 B1 und DE 10 2008 028 687 A1 jeweils ein Reibelement, bei dem jedoch in dem Übergangsabschnitt von dem Schaftabschnitt zu dem Kopfabschnitt sowohl beim Reibschweißvorgang bzw. beim Reibschweißen als auch danach hohe mechanische Spannungen entstehen können. Der Kopfabschnitt und der Schaftabschnitt gehen unmittelbar ineinander über und bilden dadurch einen kerbenförmigen Übergang zwischen sich aus, sodass es zu einem besonders ungünstigen Kraftfluss und einer Spannungskonzentration an dem kerbenförmigen Übergang kommt. Bei einer Dauerbelastung oder einer schwellenden oder wechselnden Belastung, wie sie insbesondere bei Reibschweißverbindungen an Kraftfahrzeugen regelmäßig auftreten, konzentrieren sich die Spannungen im Bereich des Übergangs durch die Kerbenform, da die Kraftflüsse, welche die Spannungen verursachen, durch das Reibelement im Bereich des Übergangs ungünstig umgelenkt werden und sich dort Abschnittsweise sammeln in einem kleinen Bereich des kerbenförmigen Übergangs sammeln. Durch die Spannungskonzentration unterliegt das Reibelement einer dadurch ausgelösten Ermüdung und Schädigung, wodurch das Reibelement leichter und schneller versagt.
  • Ferner wirken die im Stand der Technik bekannten Reibelemente nicht dichtend gegenüber dem ersten Bauteil, sodass an der Reibschweißstelle, an der die Bauteile durch das Reibelement verbunden werden, besonders einfach Korrosion an dem Reibelement, dem ersten oder dem zweiten Bauteil auftritt, da das einmal aufgeschmolzene Material gegenüber korrosiven Medien wie beispielsweise Luft oder Wasser ungeschützt ist.
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, vorbesagte Nachteile zu überwinden und ein Reibschweißelement bereitzustellen, das gegen von außen angreifenden Kräften widerstandsfähig ist und die Reibschweißstelle vor Korrosion schützt.
  • Diese Aufgabe wird durch die Merkmalskombination gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
  • Erfindungsgemäß wird hierzu ein Reibelement für ein Reibschweißverfahren vorgeschlagen. Das Reibelement weist einen Schaftabschnitt und einen Kopfabschnitt auf. Der Schaftabschnitt erstreckt sich entlang einer axialen Längsachse L, wobei der Kopfabschnitt um die Längsachse L gegenüber dem Schaftabschnitt in eine Radialrichtung hervorsteht und die Längsachse in Umfangsrichtung umläuft. Das Reibelement weist zudem einen Übergangsabschnitt auf, der einen Übergang des Schaftabschnitts zu dem Kopfabschnitt bestimmt. Der Übergangsabschnitt ist geometrisch mit einem definierten Radius zwischen dem Schaftabschnitt und dem Kopfabschnitt ausgebildet, um an dem Reibelement auftretende mechanische Spannungen zwischen Kopfabschnitt und Schaftabschnitt, die durch von außen einwirkende Kräfte hervorgerufen werden, zu minimieren.
  • Beispielsweise kann es bei dem Reibschweißverfahren an dem Reibelement durch ein Kippmoment zu einer Scherspannung, durch eine Torsion zu einer Torsionsspannung und durch eine auf das Reibelement wirkende Zugkraft zu einer Zugspannung an dem Reibelement kommen.
  • Durch den Übergangsabschnitt, mit seiner vorbestimmten Form, wird ein dort auftretendes Spannungsmaximum zumindest einer der vorgenannten Spannung minimiert und die verbleibenden Spannungsmaxima der verbleibenden Spannungen werden zumindest reduziert.
  • Die Form des Übergangsabschnitts wird vorzugsweise mit der Finite-Element-Methode bestimmt, um die Belastbarkeit des Reibelements durch Minimierung der Spannungsmaxima zu maximieren.
  • Vorzugsweise wird der Übergangsabschnitt ausgebildet, ein Spannungsmaximum für eine durch eine vorbestimmte Kraft hervorgerufene mechanische Spannungen aufzuweisen, das nicht höher ist, als ein Spannungsmaximum für die Spannung in dem Kopf- oder Schaftabschnitt, sodass der Übergangsabschnitt gegenüber dem Kopf- oder Schaftabschnitt keine Schwachstelle des Reibelements bildet.
  • Der Durchmesser des Schaftabschnitts liegt hierzu in einer vorzugsweisen Ausbildungsvariante zwischen 2 und 6 mm, der Kopfdurchmesser zwischen 10 und 16 mm.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung weist der Übergangsabschnitt drei sich voneinander in ihrem Verlauf bzw. ihrer Form unterscheidende Unterabschnitte auf. Von den Unterabschnitten grenzt ein erster Unterabschnitt unmittelbar an den Schaftabschnitt an, ein zweiter Unterabschnitt liegt zwischen dem ersten und einem dritten Unterabschnitt und der dritte Unterabschnitt grenzt unmittelbar an den Kopfabschnitt an. Die einzelnen Unterabschnitte sind ausgebildet, ein geringes zusätzliches Materialvolumen aufzuweisen und zugleich die Belastbarkeit durch Minimierung von Spannungskonzentrationen mittels geometrischer Formgebung zu steigern.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der zweite Unterabschnitt kegelstumpfförmig ist und sich von dem Schaftabschnitt bzw. von seiner dem Schaftabschnitt zugewandten Seite zu dem Kopfabschnitt bzw. zu seiner dem Kopfabschnitt zugewandten Seite verbreitert, sodass der zweite Unterabschnitt in einem Querschnitt entlang der Längsachse L einem Trapez entspricht, das von dem Schaftabschnitt aus zu dem Kopfabschnitt breiter wird. Der Übergangsabschnitt geht in dem ersten Unterabschnitt mit einem ersten Radius R1 in den Schaftabschnitt und in dem dritten Unterabschnitt mit einem zweiten Radius R2 in den Kopfabschnitt über. Durch die jeweiligen Radien wird ein sanfter Übergang zwischen dem Kopf- bzw. dem Schaftabschnitt und dem Übergangsabschnitt geschaffen, sodass die Spannungen umgelenkt werden. Durch den sanften Übergang der Abschnitte ineinander mittels eines Radius entsteht keine Kerbe oder Kerbenform, an es zu einer Konzentration der mechanischen Spannungen kommen kann. Die Belastbarkeit wird daher im Übergangsabschnitt erhöht, indem eine Spannungskonzentration an Kerben bzw. Kanten verhindert wird.
  • Der erste und der zweite Radius R1, R2 sind proportional von dem Verhältnis des Durchmessers des Schaftabschnitts zu dem Durchmesser des Kopfabschnitts abhängig.
  • Eine in Radialrichtung um die Längsachse L nach außenweisende Mantelfläche des kegelstumpfförmigen zweiten Unterabschnitts weist bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform gegenüber einer in Radialrichtung um die Längsachse L nach außenweisende Mantelfläche des Schaftabschnitts einen Winkel α zwischen 5° und 10° auf. Der Winkel α entspricht bei einem zylinderförmigen Schaftabschnitt zugleich dem Winkel zwischen der Mantelfläche des zweiten Unterabschnitts und der Längsachse L und ist von dem Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Schaftabschnitts und dem Durchmesser des Kopfabschnitts abhängig.
  • Bei einem Durchmesser des Schaftabschnitts in einem Bereich von 3 bis 5 mm beträgt der Winkel α vorzugsweise 8°.
  • Der erste Radius R1 liegt bei einer weiteren vorteilhaften Ausbildungsvariante in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm und der zweite Radius R2 in einem Bereich von 2 bis 6 mm.
  • Der erste und zweite Radius R1, R2 gehen bei einer vorteilhaften Weiterbildung jeweils tangential in den zweiten Unterabschnitt über. Desweiteren geht der erste Radius R1 tangential in eine Fläche des Kopfabschnitts und der zweite Radius R2 tangential in eine Mantelfläche des Schaftabschnitts über. Durch den tangentialen Übergang der Radien in den zweiten Unterabschnitt und in den Schaft- sowie Kopfabschnitt kommt es an den Übergängen zu keinen Kanten oder Kerben, sodass sich an den Übergängen geringere Spannungsmaxima bzw. Spannungskonzentrationen oder Spannungsspitzen ergeben.
  • In einem in Radialrichtung von der Längsachse L abgewandten radialen Außenrandabschnitt des Kopfabschnitts ist bei einer vorteilhaften Ausführungsform des Reibelements umlaufend ein axialer Vorsprung ausgebildet, der sich von dem Kopfabschnitt in axialer Richtung parallel oder geneigt zu dem Schaftabschnitt erstreckt. Durch den Vorsprung wird dadurch zwischen dem Schaftabschnitt und dem Vorsprung ein Aufnahmeraum gebildet, der dazu dient das bei dem Reibschweißverfahren aufgeschmolzene und verdrängte Material aufzunehmen. Der Vorsprung verläuft dadurch ringförmig an dem Kopfabschnitt entlang und um den Schaftabschnitt bzw. den Übergangsabschnitt herum.
  • Bei einer vorteilhaften Weiterbildung ist der Vorsprung in drei sich voneinander in Form und Funktion unterscheidende Vorsprungabschnitte unterteilt. Ein erster Vorsprungschnitt ist an einer von dem Kopfabschnitt abgewandten Seite angeordnet und ausgebildet, den durch den Vorsprung gebildeten Aufnahmeraum und die Reibschweißstelle, an welcher das Reibschweißen durchgeführt wird, gegenüber der Umgebung abzudichten. Ein dritter Vorsprungabschnitt ist an den Kopfabschnitt unmittelbar angrenzend angeordnet und ausgebildet, den Übergang von dem Kopfabschnitt auf den Vorsprung zu bilden und ein beim Reibschweißverfahren verdrängten Material umzuleiten. Ein zweiter Vorsprungabschnitt liegt zwischen dem ersten und dem dritten Vorsprungabschnitt und bestimmt im Wesentlichen die Höhe H des Vorsprungs gegenüber dem Kopfabschnitt. Die Höhe H wird an dem Vorsprung von dem Übergang des dritten Vorsprungabschnitts zu dem Kopfabschnitt bis zu der die Dichtfläche bildende Stirnfläche des ersten Vorsprungabschnitts gemessen.
  • Um das Material leiten zu können und an dem Übergang zwischen dem Vorsprung und dem Kopfabschnitt keine durch Kerbwirkung hohe Spannungskonzentration zu verursachen, sieht eine vorteilhafte Gestaltungsvariante vor, dass der Vorsprung in den dritten Vorsprungabschnitt mit zumindest einem Vorsprungsübergangsradius R3 in den Kopfabschnitt übergeht. Der Vorsprungsübergangsradius R3 geht vorzugsweise tangential in eine zu dem Aufnahmeraum weisende Fläche des Kopfabschnitts und tangential in den zweiten Vorsprungabschnitt bzw. in die zu dem Aufnahmeraum weisende Innenfläche des Vorsprungs über.
  • Das Reibelement bildet bei einer vorteilhaften Ausbildungsform den durch den Vorsprung und den Kopfabschnitt begrenzten Aufnahmeraum, dessen Volumen im Wesentlichen durch einen Innendurchmesser des Vorsprungs, einen Durchmesser des in seinem Zentrum liegenden Schaftabschnitts, einem Durchmesser und der Form des Übergangsabschnitts und einer Höhe H des Vorsprungs bestimmt ist. Der Aufnahmeraum ist bezüglich seines Volumens ausgebildet, ein bei dem Reibschweißvorgang verdrängtes Material vollständig aufzunehmen. Der Aufnahmeraum ist um den Schaftabschnitt herum ringförmig angeordnet und zu seiner von dem Kopfabschnitt wegweisenden Seite geöffnet. Das Volumen des Aufnahmeraums wird auch von dem Übergangsabschnitt bestimmt, sodass es vorteilhaft ist den Übergangsabschnitt möglichst materialsparend auszubilden, um ein größeres Volumen des Aufnahmeraums zu erzeugen. Abhängig von der Länge des Übergangsabschnitts entlang der Längsachse L kann der Aufnahmeraum in seinem Zentrum statt des Übergangs- und des Schaftabschnitts nur den Übergangsabschnitt aufweisen, sodass das Volumen des Aufnahmeraums im Wesentlichen durch den Innendurchmesser des Vorsprungs, dem Durchmesser und der Form des Übergangsabschnitts und einer Höhe H des Vorsprungs bestimmt ist.
  • Beispielsweise würde ein einfacher, aber größerer einzelner Radius als Übergangsabschnitt, mit mehr Materialeinsatz, auch die Spannungsmaxima vermindern, jedoch zugleich den benötigten Unterkopfraum, also das Volumen des Aufnahmeraums, verringern und mehr Material erfordern.
  • Bei dem Reibschweißverfahren zum Fügen des ersten mit dem zweiten Bauteil, wird das Reibelement so durch das erste Bauteil hindurch und in das zweite Bauteil gerieben, dass der Vorsprung an dem ersten Bauteil zur Anlage kommt oder zum Teil in das erste Bauteil eindringt. Um den Aufnahmeraum und die Reibschweißstelle, an der das Reibelement durch das erste Bauteil hindurch gerieben und mit dem zweiten Bauteil stoffschlüssig gefügt bzw. verbunden wurde, vorzugsweise gas- und/oder flüssigkeitsdicht abzudichten, sodass es nicht zu einer schädigenden Korrosion kommen kann, ist es vorteilhaft, wenn der erste Vorsprungabschnitt dichtend an dem ersten Bauteil anliegt. Zur Verbesserung der Dichtwirkung zwischen dem Vorsprung und dem ersten Bauteil kann der erste Vorsprungabschnitt als ein Dichtelement ausgebildet sein. Eine vorteilhafte Ausbildungsvariante sieht dafür vor, dass das Reibelement zumindest an dem Vorsprung und insbesondere an dem ersten Vorsprungabschnitt mit einem Dichtmaterial beschichtet ist, das gegenüber einer daran anliegenden Oberfläche des ersten Bauteils dichtend wirkt. Das dichtende Material ist beispielsweise Zink, Kupfer oder Aluminium. Die Beschichtung ist vorzugsweise so zu wählen, dass es zwischen der Beschichtung und dem ersten Bauteil zu einer Diffusionsverbindung kommen kann. Die Beschichtung ist daher von den zu fügenden Bauteilen bzw. dem Werkstoff des ersten Bauteils abhängig. Tritt die Beschichtung des Reibelements bei dem Reibschweißvorgang mit dem ersten Bauteil in Kontakt, kann es zwischen den Bauteilen zu einer Diffusionsverbindung kommen, was sowohl zu einer erhöhten Festigkeit bzw. Belastbarkeit der Reibschweißverbindung als auch zu einer verbesserten Dichtwirkung führt.
  • Ist auch der Aufnahmeraum, bzw. die den Aufnahmeraum begrenzenden Flächen des Vorsprungs, des Kopfabschnitts und des Schaftabschnitts beschichtet, kann es auch in diesen Bereichen zu einer Diffusionsverbindung mit dem in dem Aufnahmeraum aufgenommenen verdrängten Material kommen, wodurch sich sowohl die Dichtwirkung als auch die Belastbarkeit der Reibschweißverbindung erhöht.
  • Alternativ zu einer Beschichtung ist es auch möglich den ersten Vorsprungabschnitt beispielsweise als ein auf den zweiten Vorsprungabschnitt aufgebrachten Dichtring auszubilden.
  • Um durch die Beschichtung einen zusätzlichen Korrosionsschutz an dem Reibelement zu bilden, ist es insbesondere vorteilhaft das gesamte Reibelement zu beschichten. In einer vorteilhaften Weiterbildung ist das Reibelement daher vollständig beschichtet, vorzugsweise mit einer Korrosionsschutzschicht.
  • Die vorstehend offenbarten Merkmale sind beliebig kombinierbar, soweit dies technisch möglich ist und diese nicht im Widerspruch zueinander stehen.
  • Andere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
    • 1 eine perspektivische Darstellung eines Reibelements;
    • 2 eine Schnittdarstellung eines Reibelements.
  • Die Figuren sind beispielhaft schematisch. Gleiche Bezugszeichen in den Figuren weisen auf gleiche funktionale und/oder strukturelle Merkmale hin.
  • 1 zeigt eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen Reibelements 10, bei dem durch die Ansicht der Schaftabschnitt 11, der Kopfabschnitt 13 und der den Schaftabschnitt 11 umlaufende und am Kopfabschnitt 13 ausgebildete Vorsprung 14 dargestellt sind.
  • Der Kopfabschnitt 13 bildet zudem Kraftübertragungselemente in Form einer Verzahnung aus, an welchen eine Reibschweißvorrichtung beim Durchführen des Reibschweißverfahrens anliegt, um auf das Reibelement 10 eine Kraft zu übertragen und es in Rotation zu versetzen.
  • Die zweite Figur zeigt das Reibelement 10 in einer Schnittdarstellung. Das Reibelement 10 ist entlang der axialen Längsachse L geschnitten, sodass der Querschnitt des Reibelements 10 sichtbar ist. Neben den bereits in 1 dargestellten Abschnitten, ist durch die Schnittdarstellung der Übergangsabschnitt 12 sowie der durch den Schaftabschnitt 11, den Übergangsabschnitt 12, den Kopfabschnitt 13 und den Vorsprung 14 gebildete Aufnahmeraum 15 gezeigt.
  • Werden bei dem Reibschweißvorgang oder nachdem Reibschweißvorgang von außen angreifende Kräfte auf das Reibelement 10 übertragen, wird der Kraftfluss von einem Angriffspunkt der Kräfte über das Reibelement 10 auf das nicht dargestellte zweite Bauteil abgeleitet, mit dem der Schaftabschnitt 11 des Reibelements 10 beim Reibschweißen verbunden wird. Der Kraftfluss führt in dem Reibelement 10 zu mechanischen Spannungen, welche sich entlang ihres Verlaufs durch das Reibelement 10 an Kanten bzw. Kerben, an denen sie verlaufen und über welche sie umgelenkt werden, sammeln, sodass es an den Kanten bzw. Kerben zu einer Spannungskonzentration kommt. Der Übergangsabschnitt 12 ist durch seine drei Unterabschnitte 12a, 12b und 12c ausgebildet, den Kraftfluss, durch Vermeidung solcher Spannungskonzentrationen, zu optimieren. Dazu weist der erste und der dritte Unterabschnitt 12a und 12c des Übergangsabschnitts 12 jeweils einen Radius auf. Der erste Radius R1 im ersten Unterabschnitt 12a und der zweite Radius R2 im dritten Unterabschnitt 12c gehen in die jeweils angrenzenden Abschnitte tangential über, sodass es im Übergangsabschnitt 12 keine Kanten gibt, an denen es zu einer Spannungskonzentration kommen kann. Die Radien R1 und R2 leiten den Kraftfluss jeweils von dem Übergangsabschnitt 12 in den angrenzenden Kopfabschnitt 13 bzw. Schaftabschnitt 11 weiter, wobei der zweite Unterabschnitt 12b dazu dient den Kraftfluss zwischen dem ersten und dritten Unterabschnitt 12a, 12c zu ermöglichen. Der zweite Unterabschnitt 12b ist kegelstumpfförmig ausgebildet, was in der Schnittdarstellung zu einer Trapezform führt. Die Mantelfläche des zweiten Unterabschnitts 12b und die Mantelfläche des zylindrisch ausgebildeten Schaftabschnitts 11 schließen zwischen sich einen Winkel α ein.
  • Der Aufnahmeraum 15 ist ausgebildet, das Material, welches beim Reibschweißverfahren besonders durch das durchreiben des ersten Bauteils durch den Schaftabschnitt 11 des Reibelements 10 verdrängt wird, aufzunehmen. Das Volumen des Aufnahmeraums 15 entspricht daher im Wesentlichen dem Volumen des Teils des Schaftabschnitts 11, der bei bzw. nach dem Reibschweißverfahren das erste Bauteil durchläuft. Durch die Aufnahme des verdrängten Materials in dem Aufnahmeraum 15, kann das Reibelement 10 beim Reibschweißen das erste und zweite Bauteil fügen und mit dem Vorsprung 14 unmittelbar auf der ursprünglichen Ebene des ersten Bauteils aufliegen, ohne eine sichtbare Materialanhäufung auf diesem zu erzeugen.
  • Der Vorsprung 14 gräbt sich beim Reibschweißen mit ihrem ersten Vorsprungabschnitt 14a in das erste Bauteil ein und dichtet so den Aufnahmeraum 15 gegen die Umgebung ab. Der Vorsprung 14 läuft von seinem zweiten Vorsprungabschnitt 14b zu ihrem ersten Vorsprungabschnitt 14a zu und bildet in ihrem ersten Vorsprungabschnitt 14a einen sich verjüngenden Abschluss aus, um bei dem Reibschweißverfahren durch die Reduzierung der Fläche einen erhöhten Druck auf das erste Bauteil ausüben zu können, um leichter in das erste Bauteil einzudringen und an diesem dichtend anzuliegen. Der Vorsprung 14 erstreckt sich von dem Kopfabschnitt 13 ausgehend unter einem Winkel nach radial außen, sodass auch die Innenfläche des Vorsprungs 14, welche zu dem Aufnahmeraum 15 weist und die Außenfläche des Vorsprungs 14, welche von dem Schaftabschnitt 11 weg weist, jeweils schräg gegenüber der Längsachse L verlaufen. In dem dritten Vorsprungabschnitt 14c bildet der Vorsprung 14 durch den Radius 13 einen Übergang zu dem Kopfabschnitt um sowohl den Materialfluss des verdrängten Materials in dem Aufnahmeraum 15 zu führen, als auch den Kraftfluss beim Reibschweißen durch den Vorsprung 14 zu verbessern. Durch einen unmittelbaren und nahezu rechtwinkligen Übergang dem Vorsprung 14 in den Kopfabschnitt 13 würde es in dem dritten Vorsprungabschnitt 14c ebenfalls zu Spannungskonzentrationen und zu den damit verbundenen hohen Belastungen kommen.
  • Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf die vorstehend angegebenen bevorzugten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Beispielsweise könnten in den Übergangsabschnitt Verstärkungselemente eingebettet sein, um den auftretenden Kräften und den dadurch entstehenden Spannungen standzuhalten.
  • 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
    • US 6227443 B1 [0005]
    • DE 102008028687 A1 [0005]

Claims (11)

  1. Reibelement (10) für ein Reibschweißverfahren, wobei das Reibelement (10) einen Schaftabschnitt (11) und einen Kopfabschnitt (13) aufweist, der Schaftabschnitt (11) sich entlang einer axialen Längsachse L erstreckt, der Kopfabschnitt (13) um die Längsachse gegenüber dem Schaftabschnitt (11) in eine Radialrichtung und die Längsachse L in Umfangsrichtung umlaufend hervorsteht und ein Übergangsabschnitt (12) einen Übergang des Schaftabschnitts (11) zu dem Kopfabschnitt (13) bestimmt, wobei der Übergangsabschnitt (12) geometrisch mit einem definierten Radius zwischen dem Schaftabschnitt (11) und dem Kopfabschnitt (13) ausgebildet ist, um an dem Reibelement (10) auftretende Spannungen zwischen Kopfabschnitt (13) und Schaftabschnitt (11) durch von außen einwirkende Kräfte zu minimieren.
  2. Reibelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Übergangsabschnitt (12) drei sich voneinander unterscheidende Unterabschnitte (12a, 12b, 12c) aufweist, von denen ein erster Unterabschnitt (12a) unmittelbar an den Schaftabschnitt (11) angrenzt, ein zweiter Unterabschnitt (12b) zwischen dem ersten und einem dritten Unterabschnitt (12a, 12c) liegt und der dritte Unterabschnitt (12c) unmittelbar an den Kopfabschnitt (13) angrenzt.
  3. Reibelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der zweite Unterabschnitt (12b) kegelstumpfförmig ist und sich von dem Schaftabschnitt (11) zu dem Kopfabschnitt (13) verbreitert und der Übergangsabschnitt (12) in dem ersten Unterabschnitt (12a) mit einem ersten Radius R1 in den Schaftabschnitt (11) und in dem dritten Unterabschnitt (12c) mit einem zweiten Radius R2 in den Kopfabschnitt (13) übergeht.
  4. Reibelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei eine Mantelfläche des kegelstumpfförmigen zweiten Unterabschnitts gegenüber einer Mantelfläche des Schaftabschnitts (11) einen Winkel α zwischen 5° und 10° aufweist.
  5. Reibelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 oder 4, wobei der erste Radius R1 in einem Bereich von 0,5 bis 2 mm und der zweite Radius R2 in einem Bereich von 2 bis 6 mm liegt.
  6. Reibelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 5, wobei der erste und zweite Radius R1, R2 jeweils tangential in den zweiten Unterabschnitt übergehen sowie der erste Radius R1 tangential in eine Fläche des Kopfabschnitts (13) und der zweite Radius R2 tangential in eine Mantelfläche des Schaftabschnitts (11) übergehen.
  7. Reibelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei in einem in Radialrichtung von der Längsachse L abgewandten radialen Außenrandabschnitt des Kopfabschnitts (13) umlaufend ein axialer Vorsprung (14) ausgebildet ist, der sich von dem Kopfabschnitt (13) in axialer Richtung parallel oder geneigt zu dem Schaftabschnitt (11) erstreckt, sodass zwischen dem Schaftabschnitt (11) und dem Vorsprung (14) ein Aufnahmeraum (15) gebildet ist.
  8. Reibelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vorsprung (14) in drei sich voneinander unterscheidende Vorsprungabschnitte (14a, 14b, 14c) unterteilt ist, von denen ein erster Vorsprungabschnitt (14a) an einer von dem Kopfabschnitt (13) abgewandten Seite angeordnet ist, ein dritter Vorsprungabschnitt (14c) an den Kopfabschnitt (13) unmittelbar angrenzend angeordnet ist und ein zweiter Vorsprungabschnitt (14b) zwischen dem ersten und dem dritten Vorsprungabschnitt (14a, 14c) liegend angeordnet ist und der erste Vorsprungabschnitt sich zu seiner von dem Kopfabschnitt abgewandten Seite hin verjüngend ausgebildet ist.
  9. Reibelement (10) nach dem vorhergehenden Anspruch, wobei der Vorsprung (14) mit dem dritten Vorsprungabschnitt (14c) mit zumindest einem Vorsprungsübergangsradius R3 in den Kopfabschnitt (13) übergeht.
  10. Reibelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 9, wobei der Aufnahmeraum (15) bezüglich seines Volumens ausgebildet ist, ein bei dem Reibschweißvorgang verdrängtes Material vollständig aufzunehmen.
  11. Reibelement (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 7 bis 10, wobei das Reibelement (10) zumindest an dem Vorsprung (14) mit einem Dichtmaterial beschichtet ist.
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