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Die Erfindung betrifft ein Bauelement für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Bauelements gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 5.
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Derartige Bauelemente für Fahrzeuge, insbesondere für Kraftfahrzeuge, sowie derartige Verfahren zum Herstellen von solchen Bauelementen sind aus dem allgemeinen Stand der Technik bereits hinlänglich bekannt. Das Bauelement weist einen metallischen Grundkörper auf, in welchem wenigstens eine von einem Fluid, insbesondere von einer Flüssigkeit, durchströmbare Bohrung verläuft. Außerdem umfasst das Bauelement wenigstens einen separat von dem Grundkörper hergestellten und zumindest teilweise in der Bohrung angeordneten Stopfen, mittels welchem die Bohrung verschlossen ist. Dadurch kann beispielsweise vermieden werden, dass das Fluid aus dem Bauelement austreten und beispielsweise an eine Umgebung des Bauelements strömen kann.
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Darüber hinaus ist aus der
DE 39 35 417 A1 eine Verbindung zwischen Reibschweißteilen und einer Fläche bekannt.
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Die
DE 10 2014 226 208 A1 offenbart ein Verfahren zum Ausbilden einer Reibschweißverbindung zwischen zwei Bauteilen. Bei dem Verfahren werden die beiden Bauteile um eine Drehachse relativ zueinander gedreht und in Richtung der Drehachse mit einer Axialkraft gegeneinander gepresst.
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Des Weiteren ist der
DE 199 34 855 C1 ein Welle-Scheibe-Verbundwerkstück als bekannt zu entnehmen.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Bauelement und ein Verfahren der eingangs genannten Art derart weiterzuentwickeln, dass die Bohrung auf besonders vorteilhafte Weise mittels des Stopfens verschlossen werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Bauelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
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Um ein Bauelement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Bohrung mittels des Stopfens auf besonders vorteilhafte Weise verschlossen und somit abgedichtet werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stopfen als ein metallisches Schweißelement ausgebildet ist, welches durch Reibschweißen mit dem Grundkörper verschweißt ist. Der metallische Grundkörper und das metallische Schweißelement bilden somit einen stoffschlüssigen Metallverbund, da der Grundkörper und der Stopfen stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Bei dem erfindungsgemäßen Bauelement kann der Stopfen in einer hochbelasteten Funktionsfläche angeordnet werden, wobei besonders vorteilhafte mechanische Eigenschaften des Bauelements gewährleistet werden können. Da die Bohrung und somit der Grundkörper von dem auch als Medium bezeichneten Fluid durchströmbar ist, ist das Bauelement eine medienführende Komponente, wobei sich durch die Erfindung ein besonders vorteilhafter stoffschlüssiger Metallverbund in hochbelasteten Funktionsflächen medienführender Komponenten darstellen lässt.
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Der Erfindung liegen dabei insbesondere die folgenden Erkenntnisse zugrunde: In der Praxis werden zumeist Stopfen in jeweilige Grundkörper eingepresst. Herkömmlicherweise sind die Stopfen als Kugeln, Blechdeckel oder expandierende Dichtstopfen ausgebildet, wobei der jeweilige Stopfen dann auch als sogenannter König-Expander bekannt ist. Dieses herkömmliche Verschließen von medienführenden Bohrungen weist die folgenden Nachteile auf: Die eingepressten Stopfen bedingen eine entsprechende Festigkeit beziehungsweise Steifigkeit und somit eine entsprechende Wanddicke im einfach auch als Bauteil bezeichneten Grundkörper. Es kann durch das Einpressen mit Überdecken beziehungsweise Aufweiten lokal Verzug am Bauteil und damit eine Deformation entstehen. Kugeln erfordern zum Beispiel eine fein bearbeitete Oberfläche für einen vorteilhaften Dichtsitz der Kugel, der zum Beispiel durch zusätzliches Reiben der Bohrung erzielt wird und Zusatzkosten verursacht. Die Restöffnung der Bohrung der Oberfläche erlaubt dort keine Funktion. Ferner ist es denkbar, den auch als Dichtstopfen bezeichneten Stopfen durch Kleben mit dem Grundkörper zu verbinden und somit in die Bohrung einzukleben. Hierbei besteht der Nachteil, dass eine radiale Überdeckung wegen des sogenannten Abstreif-Effekts nur eingeschränkt ist. Ferner ist es denkbar, den Dichtstopfen in die Bohrung einzulöten. Der Nachteil hierbei ist, dass die radiale Überdeckung wegen des Abstreif-Effekts des Lots eingeschränkt ist, es zu einem Wärmeeintrag ins Bauteil kommt und das auch als Lotwerkstoff bezeichnete Lot eine metallurgische Unstetigkeit darstellt. Außerdem ist der Einsatz von Abbrechstiften denkbar, wie sie beispielsweise vom ARC-Schweißen bekannt sind. Nachteile hierbei sind, dass das ARC-Schweißen auf planaren Oberflächen erfolgen muss und somit nicht radial innenliegend in einer kleinen Bohrungswand erfolgen kann. Außerdem sind ARC-Abbrechstifte für Kontaktierungen im Schaft ausgelegt, und nicht für Drehmoment, wie es erforderlich sein kann. Ferner ist der Einsatz von KE-Schweißen am Bohrungsende mit kegligem Schweißelement denkbar. Dies führt jedoch zu einem übermäßigen Bauraumbedarf und das Bohrungsende muss eben sein, sodass diese Technik nicht bei Krümmungen angewendet werden kann. Außerdem kann es zu einer offenen Fügestelle auf einer Ölseite kommen. Ferner ist ein axiales Schweißen der beispielsweise als Ölbohrung ausgebildeten Bohrung denkbar, insbesondere mit einem umformtechnisch hergestellten Hohlkörper, welche beispielsweise als Stanzniet ausgebildet sein kann. Auch hieraus kann ein größerer axialer Bauraumbedarf resultieren. Außerdem ist dabei nur eine Stahl-Stahl-Schweißung möglich. Es besteht zudem ein größeres Risiko von Schweißspritzern in der Bohrung, woraus Restschmutz resultieren kann. Des Weiteren sind hierfür ausreichend große Flächen für eine elektrische Kontaktierung am Bauteil erforderlich, und eine Funktionsfläche ist nicht darstellbar.
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Die Erfindung ermöglicht ein besonders vorteilhaftes Verschließen von beispielsweise als Öl- beziehungsweise Medienbohrungen ausgebildeten Bohrungen durch den als Reibschweißelement ausgebildeten Stopfen, wodurch eine durchgängige Funktionsfläche erzeugt werden kann. Diese, bei der Erfindung realisierbare durchgängige Funktionsfläche ist im Vergleich zu bisherigen Lösungen derart vorteilhaft, dass sie gegenüber herkömmlichen Lösungen nur eine verminderte Kerbwirkung im Bereich der Fügestelle an der früheren Bohrung aufweist. Die Bohrung kann eine direkt medienführende Bohrung oder aber auch eine Hilfsbohrung sein, die wegen Zugänglichkeit für Bohrwerkzeuge an kompliziert gestalteten Bauteilen notwendig sein kann. Durch die erfindungsgemäße Ausführung ergeben sich für medienführende Komponenten wie beispielsweise Gas-/Flüssigkeits-dichte Leitungs- und Verteilersysteme neue vorteilhafte Gestaltungsmöglichkeiten. Die Erfindung kann angewendet werden bei Blechumformteilen oder bei Massivbauteilen wie zum Beispiel Schmiede- und Sinterteilen oder Gussteilen wie beispielsweise Druckgussteilen, Kokillengussteilen und Schwerkraftgussteilen. Für den Grundkörper und das Schweißelement kommen metallische Werkstoffe und deren Legierungen aus Stahl, Aluminium, Edelstahl, Verbundmetall sowie auch Kunststoffe zum Einsatz.
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Insbesondere können durch die Erfindung folgende Vorteile realisiert werden:
- - höchste Dichtwirkung für hohe Drücke und alle Medien wie Öl, Gase, Wasser (Funktionsvorteil)
- - feste Verbindung des als Dichtelement fungierenden Stopfens mit dem auch als Grundwerkstoff bezeichneten Grundkörper ermöglicht ununterbrochene Oberfläche und damit auch Ausbildung als Funktionsfläche, unter anderem auch einsetzbar in EHS oder GD-Teilen wie beispielsweise Gehäusen (Funktionsvorteil)
- - geringere Kerbwirkung in der Fügefläche und deren Umgebung erlaubt höhere Belastung (Funktionsvorteil)
- - keine Unstetigkeitsstelle für Fügefläche, das heißt zum Beispiel kein Nahteinfall wie beim Laserschweißen
- - Bauraumvorteil: Da Hilfsbohrungen wieder verschweißt werden können, können beispielsweise Bauraum bedingte schräge Querbohrungen durch radiale Bohrungen substituiert und dadurch der axial Bauraumbedarf für Drehöldurchführungen in Wellen deutlich reduziert werden.
- - Funktionsvorteil: Verschweißen artgleicher oder unterschiedlicher Werkstoffkombinationen wie beispielsweise Stahl/Stahl, Aluminium/Aluminium, Stahl/Aluminium, Magnesium/Aluminium, X/X
- - Technologie für Gasführungen/-verteilungen/-rohre in Brennstoffzellen-Systemen oder CO2-Klimaanlagen möglich
- - Kostenvorteil: Gegenüber dem Einpressen von Kugeln kein Reiben der Bohrung mehr erforderlich
- - Kostenvorteil: Schweißelement günstiger als expandierende Dichtstopfen
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schweißelement außenumfangsseitig zylindrisch oder konisch ausgebildet ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass ein Längenbereich der Bohrung, in dessen Längenbereich das Schweißelement angeordnet ist, innenumfangsseitig zylindrisch oder konisch ausgebildet ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Schweißelement in einer Hohlkehle des Grundkörpers angeordnet ist.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels des Schweißelements eine Bohrung in einem Funktionsbereich verschlossen, insbesondere wiederverschlossen, ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass mit dem Schweißelement eine Bohrung in einem Funktionsbereich wiederverschlossen wird, die nach erfolgter Fertigbearbeitung als Funktionsfläche genutzt wird, wie zum Beispiel für Lagersitze, Lagerlauf- oder Dichtflächen.
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In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass mittels des Schweißelements eine Druckleitung beziehungsweise -bohrung für Wasserstoff gasdicht verschlossen ist. Mit anderen Worten kann vorgesehen sein, dass mit dem Schweißelement eine Druckleitung beziehungsweise -bohrung für Wasserstoff gasdicht verschlossen wird.
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Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 5 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass die Bohrung mittels des Stopfens besonders vorteilhaft verschlossen und somit abgedichtet werden kann, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Stopfen als ein metallisches Schweißelement ausgebildet ist, welches in den Grundkörper durch Reibschweißen mit dem Grundkörper verschweißt wird.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Herstellen eines Bauelements für ein Fahrzeuggetriebe, bei welchem in einem Grundkörper des Bauelements wenigstens eine von einem Fluid durchströmbare Bohrung hergestellt wird, wird eine Bohrung mittels einem als Schweißelement ausgebildeten Stopfens verschlossen, indem der Stopfen zumindest teilweise in der Bohrung angeordnet wird. Das Schweißelement weist in einem Ausgangszustand vor der Durchführung eines als Reibschweißen ausgeführten Schweißvorgangs den Stopfen und ein mit dem Stopfen verbundenes Basiselement auf, wobei das Basiselement mit einer Verzahnung versehen ist. Der Stopfen wird in einem ersten Verfahrensschritt mit dem Grundkörper durch Reibschweißen mit dem Grundkörper verschweißt, indem mittels eines Werkzeugs über die Verzahnung Drehmoment in das Schweißelement eingebracht wird. In einem zweiten Verfahrensschritt nach dem Reibschweißen erfolgt ein Trennen des Basiselements von dem Stopfen.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens weist das Schweißelement eine zwischen dem Stopfen und der Verzahnung angeordnete Sollbruchstelle auf, so dass eine Kraft für ein Trennen des Basiselements von dem Stopfen nach dem Reibschweißen vorteilhaft geringer sein kann.
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Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Bauelements sind als Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen und umgekehrt.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
- 1 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Bauelements, welches gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
- 2 eine schematische Seitenansicht eines Reibschweißelements;
- 3 eine weitere schematische Seitenansicht des Reibschweißelements;
- 4 eine schematische Seitenansicht des Reibschweißelements gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 5 eine schematische Seitenansicht des Reibschweißelements gemäß einer weiteren Ausführungsform;
- 6 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 7 ausschnittsweise eine schematische Schnittansicht eines weiteren erfindungsgemäßen Bauelements, welches gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt wird;
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In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt ausschnittsweise in einer schematischen Schnittansicht ein im Ganzen mit 10 bezeichnetes Bauelement für ein Fahrzeug, insbesondere für ein Kraftfahrzeug. Das Bauelement 10 kommt beispielsweise in einem Antriebsstrang des Fahrzeugs zum Einsatz, welches mittels des Antriebsstrangs angetrieben werden kann. Beispielsweise ist das Bauelement 10 Bestandteil eines Getriebes des Antriebsstrangs. Das Bauelement 10 weist einen Grundkörper 12 auf, welche vorliegend aus einem metallischen Werkstoff und somit als ein metallischer Grundkörper ausgebildet ist. Alternativ ist es denkbar, dass der Grundkörper 12 aus einem Kunststoff gebildet ist. Das Bauelement 10 weist darüber hinaus einen separat von dem Grundkörper 12 ausgebildeten und mit dem Grundkörper 12 verbundenen Zahnring 14 auf, welcher eine Verzahnung 16 aufweist. Der Zahnring 14 ist beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet.
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Innerhalb des Grundkörpers 12 verläuft ein Kanalsystem 18, welches von einem Fluid durchströmbar ist. Das Fluid ist beispielsweise eine Flüssigkeit und wird auch als Medium bezeichnet. Bei dem Fluid kann es sich beispielsweise um ein Öl, insbesondere um Getriebeöl, handeln. Somit dient das Kanalsystem 18 zum Führen und Verteilen des Öls, sodass das Kanalsystem 18 auch als Ölverteilung oder Ölführung bezeichnet wird. Aus 1 ist besonders gut erkennbar, dass das Kanalsystem 18 mehrere, fluidisch miteinander verbundene Bohrungen 20 aufweist, welche von dem Fluid durchströmbar sind. Zumindest eine oder mehrere der Bohrungen 20 sind, insbesondere zu einer Umgebung 22 des Grundkörpers 12 hin, mittels eines jeweiligen Stopfens 24 verschlossen. Hierdurch kann vermieden werden, dass das Fluid unerwünschterweise aus der jeweiligen Bohrung 20 und somit aus dem Kanalsystem 18 an die Umgebung 22 ausströmt. Der jeweilige Stopfen 24 ist zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend oder vollständig, in der jeweiligen Bohrung 20 angeordnet. Außerdem ist der jeweilige Stopfen 24 separat von dem Grundkörper 12 ausgebildet und mit dem Grundkörper 12 verbunden.
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Um die jeweilige Bohrung 20 auf besonders vorteilhafte Weise mittels des jeweiligen Stopfens 24 verschließen und somit abdichten zu können, ist der jeweilige Stopfen 24 als ein Schweißelement ausgebildet, welches durch Reibschweißen mit dem Grundkörper 12 verschweißt und dadurch stoffschlüssig mit dem Grundkörper 12 verbunden ist. Der jeweilige Stopfen 24 ist beispielsweise aus einem metallischen Werkstoff gebildet und somit als metallischer Stopfen ausgebildet, wobei es alternativ denkbar ist, dass der jeweilige Stopfen 24 aus einem Kunststoff gebildet ist.
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Aus 1 ist auch ein Verfahren zum Herstellen des Bauelements 10 erkennbar. Bei dem Verfahren wird ein im Ganzen mit 26 bezeichnetes Reibschweißelement bereitgestellt, welches den jeweiligen Stopfen 24 (Schweißelement) und ein mit dem Stopfen 24 verbundenes Basiselement 28 aufweist. Das Basiselement 28 ist beispielsweise einstückig mit dem Stopfen 24 ausgebildet. Wie aus 1 erkennbar ist, wird - um den Stopfen 24 mit dem Grundkörper 12 durch Reibschweißen zu verbinden - das Reibschweißelement 26 um eine Drehachse 30 relativ zu dem Grundkörper 12 gedreht, was in 1 durch einen Pfeil 32 veranschaulicht ist. Außerdem wird das Reibschweißelement 26 entlang der Drehachse 30 gegen den Grundkörper 12 gedrückt, was in 1 durch Pfeile 34 veranschaulicht ist. Dadurch, dass das Reibschweißelement 26 um die Drehachse 30 relativ zu dem Grundkörper 12 gedreht wird, während das Reibschweißelement 26 und insbesondere der Stopfen 24 entlang der Drehachse 30 mittels einer axialen Kraft gegen den Grundkörper 12 gedrückt wird, wird der als Schweißelement ausgebildete Stopfen 24 durch Reibschweißen mit dem Grundkörper 12 verschweißt. Daraufhin wird beispielsweise das Basiselement 28 von dem mit dem Grundkörper 12 verschweißten Stopfen 24 getrennt, insbesondere durch Brechen beziehungsweise Abbrechen.
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Die Bohrungen 20 fungieren beispielsweise bei einem modernen Hybridgetriebe als medienführende Kanäle zum Führen und Steuern des Fluids, um beispielsweise mittels des Fluids wenigstens eine oder mehrere Kupplungen anzusteuern beziehungsweise zu betätigen. Somit ist das Bauelement 10 beispielsweise als ein Getriebeteil ausgebildet, welches den auch als Zahnradring bezeichneten Zahnring 14, den Grundkörper 12 und das Kanalsystem 18 aufweist.
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In 1 ist einer der Stopfen 24 zusätzlich mit A bezeichnet. Der Stopfen A ist in einer einfach auch als Kehle bezeichneten Hohlkehle 36 des Grundkörpers 12 angeordnet, um mittels des Stopfens A die zugehörige Bohrung 20 zu verschließen. Das druckdichte Verschließen der zum Stopfen A gehörenden und auch als Ölbohrung bezeichneten Bohrung 20 ist besonders anspruchsvoll, da die Bohrung 20 in der Hohlkehle 36 endet. Dabei stellt die Hohlkehle 36 einen kerbwirkungsbelasteten Bereich dar beziehungsweise der Stopfen A ist in einem kerbwirkungsbelasteten Bereich der Hohlkehle 36 angeordnet. Ein weiterer der Stopfen 24 ist in 1 mit B bezeichnet. Der Stopfen B ist an einer Fügestelle F angeordnet, an welcher der Zahnring 14 mit dem separat vom Zahnring 14 ausgebildeten Grundkörper 12 verbunden ist. Der Stopfen B ist in einem kerbwirkungsbelasteten Bereich der Fügestelle F angeordnet, sodass auch das druckdichte Verschließen der zum Stopfen B gehörenden Bohrung 20 anspruchsvoll ist.
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Ein herkömmliches Verschließen von Ölbohrungen durch Einpressen von Stopfen mit Überdeckung kann zu Zugspannungen in der jeweiligen Bohrungswand und damit zu einer Steigerung der Kerbwirkung und in deren Umgebung führen. Der Grundkörper 12 weist darüber hinaus einen Abstützbund 38 auf, über welchen der Grundkörper 12 an einem Lager 40 abgestützt oder abstützbar ist. Das Lager 40 wiederum ist an einem weiteren, separat von dem Bauelement 10 ausgebildeten Bauelement 42 abstützbar oder abgestützt, sodass der Grundkörper 12 und somit das Bauelement 10 insgesamt über den Abstützbund 38 und das Lager 40, insbesondere drehbar, an dem Bauelement 42 zu lagern oder gelagert ist. Das Lager 40 ist dabei beispielsweise als Wälzlager ausgebildet.
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Ein Verschließen der zum Stopfen A gehörenden Bohrung 20 durch Einpressen eines Stopfens kann bei einer vorherrschenden Umlaufbiegebelastung am Abstützbund 38 zu einem vorzeitigen Versagen in der Hohlkehle 36 führen. Dabei ist das Lager 40 ein Radiallager, über welches das Bauelement 10 in radialer Richtung und vorzugsweise drehbar an dem Bauelement 42 gelagert ist.
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Im Hinblick auf die zum Stopfen B gehörende Bohrung 20 führt ein eingepresster Stopfen an der Fügestelle F zu einer unvorteilhaften Unstetigkeit in der Fügestelle F. Weiterhin ist die Position von Querbohrungen zu einer Öldurchleitung 44 wegen der Zugänglichkeit der Bohrwerkzeuge begrenzt. Die zuvor genannten Probleme können dadurch vermieden werden, dass der jeweilige Stopfen 24 als ein Schweißelement ausgebildet und durch Reibschweißen mit dem Grundkörper 12 verbunden ist, wie es beispielsweise aus 7 erkennbar ist.
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2 zeigt das Reibschweißelement 26 in einer schematischen Seitenansicht. Mittels des Reibschweißelements 26 wird der jeweilige Stopfen 24 mit einer jeweiligen, auch als Bohrungswand bezeichneten und die jeweilige Bohrung 20 zumindest teilweise begrenzenden Wandung des Grundkörpers 12 durch Reibschweißen verschweißt.
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2 zeigt eine erste Ausführungsform des Reibschweißelements 26. Bei der ersten Ausführungsform ist der Stopfen 24 außenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet, sodass der Stopfen 24 beispielsweise ein außenumfangsseitig zylindrischer Schweißbereich ist. Außerdem ist die jeweilige Bohrung 20 innenumfangsseitig zylindrisch ausgebildet, insbesondere bei der ersten Ausführungsform. Der Außendurchmesser des zylindrischen Schweißbereichs (Stopfen 24) ist größer als der Innendurchmesser der zylindrischen Bohrung 20, sodass beispielsweise eine Paarung zylindrisch/zylindrisch überdeckt geschaffen ist. Dies ist beispielsweise auch gemäß 3 und 4 vorgesehen. Ferner ist eine Paarung konisch/konisch oder aber auch zylindrisch/konisch oder konisch/zylindrisch denkbar, sodass beispielsweise die Bohrung 20 innenumfangsseitig zylindrisch und der Schweißbereich außenumfangsseitig konisch oder die Bohrung 20 innenumfangsseitig konisch und der Schweißbereich außenumfangsseitig zylindrisch oder die Bohrung 20 innenumfangsseitig konisch und der Schweißbereich außenumfangsseitig konisch ist.
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Das Reibschweißelement 26, insbesondere das Basiselement 28, weist vorzugsweise eine Verzahnung 46 auf. Über die Verzahnung 46 kann das Reibschweißelement 26, insbesondere formschlüssig, mit einem Werkzeug zusammenwirken, mittels welchem das Reibschweißelement 26 relativ zum Grundkörper 12 bei dem Reibschweißen gedreht wird beziehungsweise gedreht werden kann. Das Basiselement 28 wird auch als Schaft bezeichnet und geht über eine Ringnut 48 des Reibschweißelements 26 in den Stopfen 24 (Schweißbereich) über. Da der Stopfen 24 ein Ende des Reibschweißelements 26 bildet und in der Bohrung 20 verbleibt, sodass der Stopfen 24 zumindest teilweise in der Bohrung 20 angeordnet ist, wird der Stopfen 24 auch als Stopfenkopf des Reibschweißelements 26 bezeichnet. Außerdem ist in 1 mit 50 eine Reibschweißwulst bezeichnet, welche beim Verschweißen des Stopfens 24 mit dem Grundkörper 12 entsteht.
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Die Grundform des Reibschweißelements 26 wird bevorzugt umformend hergestellt. Insbesondere der Schaft (Basiselement 28) ist vorteilhafterweise mit der Verzahnung 46 versehen, um ausreichend Drehmoment in das als filigranes Bauteil ausgebildete Reibschweißelement 26 einleiten zu können und eine aufwendige Spannzange beziehungsweise aufwendige Spannzangen zu vermeiden. Ausgehend von einem beispielsweise als Profilstab ausgebildeten Ausgangselement mit umformend eingebrachter Außenverzahnung wird in einem Stangenautomaten im späteren Schweißbereich der spezielle Außendurchmesser durch Abdrehen der Verzahnung 46 beziehungsweise eines Außendurchmessers einer beispielsweise zylindrischen Spanfläche 52 (4) erzeugt. Anschließend wird die spezielle Ringnut 48 als Sollbruchstelle eingestochen, bevor abschließend das Absteckdrehen erfolgt. Es folgt Nachschieben der Stange und Bearbeiten des nächsten Teils in gleicher Weise usw.
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Das Reibschweißelement 26 kann weiterhin durch andere geeignete Verfahren wie Fließpressen, Sintern oder 3D-Drucken in entsprechender Gestalt hergestellt werden, wobei die Sollbruchstelle (Ringnut 48) entsprechend der dortigen verfahrensbedingten Werkstoffeigenschaften angepasst werden kann. Hierbei ist eine gegebenenfalls vorhandene Porosität zu berücksichtigen.
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Nach dem Verschweißen des Schweißbereiches in der jeweiligen Bohrung 20 durch Reibschweißen erfolgt ein Trennen des Schafts (Basiselement 28) von dem Stopfen 24. Vorteilhafterweise erfolgt ein Abbrechen an beziehungsweise in der Sollbruchstelle. Da für die Drehmomentübertragung die Sollbruchstelle ausreichend groß dimensioniert ist, kann das bekannte Abbrechen mit Hilfswerkzeug trotz spezieller Kerbformgebung (Taillenform, V-Form, Kegelform etc.) erschwert sein. In diesem Fall wird ein Abschlagen des Schafts bevorzugt. Bei entsprechend schneller Ausführung dieses Prozesses kann die Bruchkraft durch Erzeugen adiabatischer Scherbänder in der Trennfläche erheblich reduziert werden. Vorteilhafterweise liegt hierfür die Schlag- beziehungsweise Trenngeschwindigkeit über 10 Meter pro Sekunde. Weiterhin ist ein Trennen des Schafts nach Erstarren der Fügestelle durch Aufbringen eines erhöhten Drehmoments über dessen Außenverzahnung (Verzahnung 46) möglich.
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Um einen separaten Prozessschritt zum Trennen des Schafts von dem Stopfen 24 einzusparen, kann dies vorteilhafterweise in der Drehmaschine ausgeführt werden, die ohnehin für das Abdrehen des Stopfens 24 und der Reibschweißwulst 50 beziehungsweise in der jeweiligen Fügestelle F und in der Hohlkehle 36 eingesetzt wird. Nach Erreichen einer entsprechend hohen Drehzahl wird ein Abschlag-Werkzeug, beispielsweise ähnlich einem Dreh-Werkzeug, zum Schaft hin schnell zugestellt, sodass bei Kontakt der Schaft vom Stopfen 24 abbricht. In der weiteren spanenden Fügestellen-Vorbereitung wird der dortige Stopfenkopf bündig abgedreht oder gefräst und die Reibschweißwulst 50 entfernt. Gleiches Vorgehen erfolgt beim Stopfenkopf in der Kehle oder bei Hilfsbohrungen an einem äußeren Durchmesser.
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Aus 6 ist erkennbar, dass nicht nur die Reibschweißwulst 50 als äußere Reibschweißwulst, sondern auch eine innere Reibschweißwulst 54 (6) in der Bohrung 20 durch das Reibschweißen entsteht. Um diese innere Reibschweißwulst 54 beispielsweise in einer Wulstkammer 56 zu kapseln, wird mit einem größeren Schweißdurchmesser als der Bohrungsdurchmesser gearbeitet. Die Stirnseite des Reibschweißelements 26 und die Bohrung 20 sind dann entsprechend abgesetzt, wie besonders gut aus 6 erkennbar ist.
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In 3 ist ein Drehaufmaß mit 58 bezeichnet, wobei die Sollbruchstelle (Ringnut 48) konkav ausgebildet ist. Gemäß 4 ist die in 4 mit 60 bezeichnete Sollbruchstelle konisch ausgebildet, wobei sich die Sollbruchstelle 60 zu dem Stopfen 24 hin verjüngt. Gemäß 4 sind wie gemäß 3 sowohl der Schweißbereich als auch die Bohrung 20 zylindrisch ausgebildet. Gemäß 5 sind sowohl der Stopfen 24 als auch die Bohrung 20 konisch ausgebildet. Gemäß 6 sind der Stopfen 24 und die Bohrung 20 abgesetzt.
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Aus 6 ist erkennbar, dass zunächst bei einem ersten Schritt S1 des Verfahrens das Reibschweißelement 26 um die Drehachse 30 relativ zu dem Grundkörper 12 gedreht und entlang der Drehachse 30 und somit in axialer Richtung gegen den Grundkörper 12 gedrückt, insbesondere gepresst, wird. Hierdurch wird der Stopfen 24 durch Reibschweißen mit dem Grundkörper 12 verschweißt. Daraufhin wird bei einem zweiten Schritt S2 des Verfahrens das Basiselement 28, insbesondere an der Sollbruchstelle 60 beziehungsweise an der Ringnut 48, von dem mit dem Grundkörper 12 verschweißten Stopfen 24 getrennt, insbesondere abgebrochen.
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Schließlich zeigt 7 ein weiteres Bauelement 10. In 7 ist einer der Stopfen mit C bezeichnet. Der Stopfen C ist dabei in einer vorliegend als Bohrung 61 ausgebildeten Öffnung angeordnet, wobei die Bohrung 61 mittels des Stopfens C verschlossen ist. Vorliegend ist die Bohrung 61 als eine den Abstützbund 38 vollständig durchdringende Durchgangsöffnung ausgebildet. Beispielsweise kann die Bohrung 61 als eine als Druckbohrung ausgebildete Druckleitung für Wasserstoff ausgebildet sein, wobei die Druckleitung beziehungsweise die Druckbohrung durch den Stopfen C verschlossen ist. Gemäß 7 jedoch bildet der Stopfen C zumindest einen Teil eines Lagersitzes 62 für das Lager 40, welches auf dem Lagersitz 62 sitzt beziehungsweise, insbesondere direkt, an dem Lagersitz abgestützt ist. Somit kann vorgesehen sein, dass mittels des Stopfens C und somit mittels des Schweißelements die Bohrung 61 in einem Funktionsbereich wiederverschlossen wird, wobei die Bohrung 61 nach erfolgter Fertigbearbeitung als Funktionsfläche genutzt wird, vorliegend als Teil des Lagersitzes 62, oder als Lagerlauf- oder Dichtfläche.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Bauelement
- 12
- Grundkörper
- 14
- Zahnring
- 16
- Verzahnung
- 18
- Kanalsystem
- 20
- Bohrung
- 22
- Umgebung
- 24
- Stopfen
- 26
- Reibschweißelement
- 28
- Basiselement
- 30
- Drehachse
- 32
- Pfeil
- 34
- Pfeil
- 36
- Hohlkehle
- 38
- Abstützbund
- 40
- Lager
- 42
- weiteres Bauelement
- 44
- Öldurchleitung
- 46
- Verzahnung
- 48
- Ringnut
- 50
- Reibschweißwulst
- 52
- Spanfläche
- 54
- Reibschweißwulst
- 56
- Wulstkammer
- 58
- Drehaufmaß
- 60
- Sollbruchstelle
- 61
- Bohrung
- 62
- Lagersitz
- A
- Stopfen
- B
- Stopfen
- C
- Stopfen
- F
- Fügestelle
- S1
- erster Schritt
- S2
- zweiter Schritt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3935417 A1 [0003]
- DE 102014226208 A1 [0004]
- DE 19934855 C1 [0005]
