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TECHNISCHES GEBIET
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Das technische Gebiet dieser Offenbarung betrifft im Allgemeinen das Reibschweißen von artfremden Materialien und Torsionsdämpfer.
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EINFÜHRUNG
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Automobilmotoren erzeugen Torsionsschwingungen aufgrund des Zündens der Kolben, deren Übertragung durch das Fahrzeuggetriebe unerwünscht ist. Um derartige Torsionsschwingungen zu isolieren, können Torsionsdämpfer implementiert werden.
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Ein Torsionsdämpfer umfasst typischerweise eine Torsionsdämpfernabe, die aus Gusseisen oder Stahl mit Kugelgraphit hergestellt ist, und einen Schaft, der mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, und einen mit Speichen versehenen Nabenabschnitt aufweist, der an einem Torsionsring über einem Dämpfungsmaterial befestigt ist. Obwohl sie gut für Festigkeit sind, fügen Eisen- oder Stahlkomponenten ein erhebliches Gewicht zu Fahrzeugen hinzu. Es würde wünschenswert sein, bestimmte Komponenten aus Aluminium mit der Ausnahme in Bereichen zu bilden, wo Stahl für Festigkeit wünschenswerter ist, wobei es jedoch schwierig war, Stahl und Aluminium zu verbinden. Beispielsweise hinderte eine schlechte Bindung zusammen mit übermäßiger Verformung von Aluminium das Reibschweißen daran, ein praktikables Verfahren zum Verbinden eines Stahldämpferschafts mit einem vorgeschlagenen Aluminiumnabenabschnitt zu sein.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Die vorliegende Offenbarung schafft eine Möglichkeit, Stahlteile an Aluminiumteilen mit Reibschweißen stabil zu verbinden, wie beispielsweise einen Stahlschaft mit einer Aluminium-Torsionsdämpfernabe. Die Stahl- und Aluminiumteile werden in gewinkelten Oberflächen oder geneigten Oberflächen verbunden, die in spitzen Winkeln mit Bezug auf die Druckachse angeordnet sind, entlang derselben das Reibschweißen stattfindet, die ebenfalls die longitudinale Achse und Drehachse des Stahlschafts ist. Nuten können ebenfalls in der kontaktierenden Oberfläche des Stahlteils gebildet werden, um eine größere Stromdichte auf der Stahlseite bereitzustellen, was zu einer Aluminium-Stahl-Schweißverbindung führt, welche die Materialien zusammen ohne übermäßiges Schmelzen des Aluminiumteils und übermäßiges Bilden brüchiger intermetallischer Materialien verschmilzt.
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In einer Form, die mit oder getrennt von den anderen hier offenbarten Formen kombiniert werden kann, wird ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten, die aus artfremden Materialien gebildet werden, bereitgestellt. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines metallischen ersten Teils, das eine kontaktierende Oberfläche des ersten Teils mit einer kegelstumpfförmige Form definiert, und das Bereitstellen eines metallischen zweiten Teils, das eine kontaktierende Oberfläche des zweiten Teils definiert, wobei die ersten und zweiten Teile aus artfremden Materialien gebildet sind. Das Verfahren umfasst Bringen der ersten und zweiten Teile in Kontakt miteinander und Drehen eines der ersten und zweiten Teile, während das andere der ersten und zweiten Teile stationär bleibt, um Reibungswärme zwischen den kontaktierenden Oberflächen des ersten und zweiten Teils zu erzeugen, wobei die erzeugte Reibungswärme benachbarte erweichte Regionen in den kontaktierenden Oberflächen des ersten und zweiten Teils erzeugt. Das Verfahren umfasst ferner das Anlegen einer Kraft an die ersten und zweiten Teile entlang einer Druckachse, um die erweichten Regionen plastisch zu verformen und die kontaktierenden Oberflächen des ersten und zweiten Teils zusammen zu schmieden, um eine Festkörperverbindung bei Kühlung und Aushärtung der erweichten Regionen zu bilden.
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In einer anderen Form, die kombiniert werden mit oder getrennt von den anderen Formen bereitgestellt werden kann, wird eine zusammengesetzte Torsionsdämpferanordnung bereitgestellt, die einen Stahlschaft umfasst, der eine longitudinale Achse da entlang definiert. Eine Dämpfernabe ist an dem Schaft bei einer Grenzfläche zwischen der Dämpfernabe und dem Schaft angeschweißt. Die Dämpfernabe ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet und die Grenzfläche ist im Allgemeinen kegelstumpfförmig.
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Zusätzliche Merkmale können bereitgestellt werden, einschließlich, jedoch nicht begrenzt auf das folgende: die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils weist eine Querschnittskante auf, die in einem Winkel mit Bezug auf die Druckachse angeordnet ist; der Winkel ist im Bereich von 30 Grad bis 85 Grad; oder bevorzugter, der Winkel ist im Bereich von 60 bis 85 Grad; das erste Teil ist aus mindestens einer Mehrheit aus Stahl gebildet; das zweite Teil ist aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet; Vorwärmen des ersten Teils auf eine Temperatur zwischen 200 und 700 Grad Celsius vor dem Bringen der ersten und zweiten Teile in Kontakt miteinander; Bereitstellen des ersten Teils als einen Schaft und des zweiten Teils als eine Dämpfernabe; der Schritt des Vorwärmens umfasst Induktionserwärmung der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils; wobei die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils eine Temperatur zwischen 200 °C und dem Solidus des Materials des zweiten Teils von z.B. 580 °C aufweist, wenn sie in Kontakt mit der kontaktierende Oberfläche des zweiten Teil gebracht ist; wobei der Schaft gedreht wird und die Dämpfernabe stationär gehalten wird; eine der kontaktierenden Oberflächen des ersten und zweiten Teils eine Mehrzahl von Nuten darin definieren; die Mehrzahl von Nuten durch eine Mehrzahl von erhöhten Abschnitten getrennt ist; die Mehrzahl von Nuten in der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils definiert ist; wobei jede Nut definiert ist, eine gekrümmte Form in der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils aufzuweisen, die an einer inneren ringförmigen Oberfläche des ersten Teils beginnt und sich radial nach außen von der inneren ringförmigen Oberfläche erstreckt; Bereitstellen einer Beschichtung, die auf der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils angeordnet ist; die Beschichtung eine Kupferlegierung ist, die aus mindestens 50 Gewichtsprozent Kupfer besteht; der Stahl Kohlenstoff mit einem Gewichtsprozent nicht größer als 0,33 umfasst; der zweite Teil oder die Dämpfernabe aus mindestens eines der folgenden gebildet ist: a) einer Aluminiumgusslegierung, die mindestens eines von Silizium, Magnesium, Kupfer und Mangan umfasst, und b) einer Aluminiumknetlegierung, die mindestens eines von Zink und Silizium umfasst; die Grenzfläche zwischen dem Schaft und der Dämpfernabe eine Querschnittskante aufweist, die in einem Winkel mit Bezug auf die longitudinale Achse angeordnet ist, der Winkel im Bereich von 30 bis 85 Grad oder 60 bis 85 Grad ist; ein Grenzflächenmaterial, das entlang der Grenzfläche angeordnet ist; das Grenzflächenmaterial aus einer Mehrheit von Kupfer gebildet ist; und die Beschichtung oder das Grenzflächenmaterial im Wesentlichen aus 50-70 Gewichtsprozent Kupfer, 0-30 Gewichtsprozent Nickel, 0-10 Gewichtsprozent Aluminium, 0-10 Gewichtsprozent Eisen, 0-8 Gewichtsprozent Mangan, 0-10 Gewichtsprozent Silizium, 0,1-0,5 Gewichtsprozent Titan und 0-0,5 Gewichtsprozent Spurenelemente besteht.
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Die obigen Merkmale und Vorteile und weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden Fachleiten aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen ersichtlich werden.
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Figurenliste
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Die hier beschriebenen Zeichnungen sind lediglich für veranschaulichende Zwecke und sind nicht bestimmt, den Umfang der vorliegenden Offenbarung in irgendeiner Weise zu beschränken.
- 1A ist eine Perspektivansicht eines Torsionsdämpfers mit einer zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 1B ist eine Querschnittsansicht des Torsionsdämpfers von 1A, die entlang der Linien 1 B—1 B genommen ist, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 1C ist eine Querschnittsansicht einer zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung des Torsionsdämpfers von 1A-1 B gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 2 ist ein Blockdiagram, das ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten veranschaulicht, die aus artfremden Materialien gebildet sind, wie beispielsweise Komponenten der Torsionsdämpfernabenanordnung von 1C, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 3 ist eine Querschnittsansicht, die Komponenten der zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung von 1C vor dem Zusammenbau der Komponenten und einschließlich eines Schaft und einer Dämpfernabe veranschaulicht, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung;
- 4 ist eine Endansicht des Schafts von 3 gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung; und
- 5 ist eine Querschnittsansicht, die Komponenten einer anderen Variation der zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung veranschaulicht, gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG
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Bezugnehmend nun auf 1A-1C wird ein Torsionsdämpfer veranschaulicht und im Allgemeinen mit 10 bezeichnet. Der Torsionsdämpfer 10 weist eine zusammengesetzte Torsionsdämpfernabenanordnung 11 auf, die einen ringförmigen Schaft 12 und eine ringförmige Dämpfernabe 14 umfasst. Der Schaft 12 ist konfiguriert, um mit der Motorkurbelwelle (nicht gezeigt) gekoppelt zu sein. Der Schaft 12 ist mit der Dämpfernabe 14 verbunden, die eine Mehrzahl von Speichen 16 aufweisen kann, die sich von einem mit dem Schaft 12 verbundenen Ende 18 und einem Nabenende 20 erstrecken, wobei das Nabenende 20 einen größeren Durchmesser als der Durchmesser des Schafts 12 und des Endes 18 aufweist. Die Dämpfernabe 14 ist an einem Trägheitsring 22 über ein Dämpfungsmaterial 24, beispielsweise aus EPDM-Elastomer, befestigt, welches Torsionsschwingungen der Kurbelwelle absorbiert.
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Der Schaft 12 und die Dämpfernabe 14 sind an einer gewinkelten Grenzfläche 26 verbunden. Der Schaft 12 definiert eine longitudinale Achse X entlang seiner Mitte. Die Dämpfernabe 14 ist mit dem Schaft 12 an der Grenzfläche 26 verschweißt. Die Grenzfläche 26 ist im Allgemeinen von kegelstumpfförmiger Form. Somit weist die Grenzfläche 26 zwischen dem Schaft 12 und der Dämpfernabe 14 eine Querschnittskante 28 auf, die in einem Winkel B mit Bezug auf die longitudinale Achse X angeordnet ist. Der Winkel B ist im Bereich von 30 Grad bis 85 Grad oder bevorzugter im Bereich von 60 bis 85 Grad.
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Der Schaft 12 ist aus Stahl hergestellt, der eine gute Festigkeit für die Keilnut (nicht gezeigt) zum Verbinden des Schafts 12 mit der Kurbelwelle des Motors (nicht gezeigt) bereitstellt. Der Stahl ist bevorzugt ein niedriger bis mittlerer Kohlenstoffstahl mit guter Schweißbarkeit und mit einem Kohlenstoff-Gewichtsprozent von beispielsweise nicht größer als 0,33. Somit kann der verwendete Stahl ein einfacher Kohlenstoffstahl oder ein HSLA-Stahl in einem wie gelieferten oder nicht wärmebehandelten Zustand sein. Der bevorzugte Stahl weist eine äußerste Zugfestigkeit im Bereich von 450-650 MPa für vorteilhafte Funktion, Leistung, Kosten und Herstellbarkeit auf. Insbesondere umfassen Kohlenstoffstahle, die verwendet werden können, SAE 1020 - 1030 mit 0,18-0,33 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,3-0,9 Gewichtsprozent Mangan, 0,1-0,35 Gewichtsprozent Silizium, einem Maximum von 0,04 Gewichtsprozent Phosphor und einem Maximum von 0,05 Gewichtsprozent Schwefel. HLSA-Stahle, die verwendet werden können, umfassen SAE J2340 380X bis 550Y, mit einem Maximum von 0,13 Gewichtsprozent Kohlenstoff, einem Maximum von 0,06 Gewichtsprozent Phosphor, einem Maximum von 0,015 Gewichtsprozent Schwefel und einem oder mehreren legierenden Elementen, wie beispielsweise Vanadium, Titan, Niobium bei einem Minimum von 0,005 Gewichtsprozent.
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Der verwendete Stahl kann ein beliebiger eines einfachen niedrigen oder mittleren Kohlenstoffstahls sein, wie beispielsweise 1022, 1023, 1025 und 1026 Legierungen. Beispielsweise kann der Schaft 12 gebildet sein aus: einer 1022 Stahllegierung mit 0,18-0,23 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,70-1,00 Gewichtsprozent Mangan, einem Maximum von 0,040 Gewichtsprozent Phosphor und einem Maximum von 0,050 Gewichtsprozent Schwefel; einer 1023 Stahllegierung mit 0,20-0,25 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,30-0,60 Gewichtsprozent Mangan, einem Maximum von 0,040 Gewichtsprozent Phosphor und einem Maximum von 0,050 Gewichtsprozent Schwefel; einer 1025 Stahllegierung mit 0,22-0,28 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,30-0,60 Gewichtsprozent Mangan, einem Maximum von 0,040 Gewichtsprozent Phosphor und einem Maximum von 0,050 Gewichtsprozent Schwefel; oder einer 1026 Stahllegierung mit 0,22-0,28 Gewichtsprozent Kohlenstoff, 0,60-0,90 Gewichtsprozent Mangan, einem Maximum von 0,040 Gewichtsprozent Phosphor und einem Maximum von 0,050 Gewichtsprozent Schwefel.
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Beispielhaft kann die Dämpfernabe 14 aus einem oder mehreren des folgenden gebildet sein: a) einer Aluminiumgusslegierung, die mindestens Silizium, Magnesium, Kupfer und Mangan umfasst; und b) einer Aluminiumknetlegierung, die mindestens eines von Zink und Silizium umfasst. Beispielsweise umfassen Aluminiumgusslegierungen, die verwendet werden können, Aluminium-Silizium-basierte Legierungen (beispielsweise, 356/357 Al Legierungen), wie beispielsweise jene, die im Wesentlichen bestehen aus: 0,5-12 Gewichtsprozent Silizium, 0,05-0,6 Gewichtsprozent Magnesium, 0,1-4,5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,1-2 Gewichtsprozent Eisen, 0,05-2 Gewichtsprozent Mangan, 0-0,5 Gewichtsprozent andere Spurenelemente und der Rest Aluminium. Andere Aluminiumgusslegierungen, die verwendet werden können, umfassen Aluminium-Kupfer-basierte Legierungen (beispielsweise 206 Al-Legierungen), wie beispielsweise jene, die im Wesentlichen bestehen aus: 0,5-10 Gewichtsprozent Kupfer, 0,1-2 Gewichtsprozent Mangan, 0,1-1 Gewichtsprozent Magnesium, 0-0,5 Gewichtsprozent andere Spurenelemente und der Rest Aluminium.
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Aluminiumknetlegierungen, die verwendet werden können, umfassen Aluminium-Kupfer-basierte Legierungen (beispielsweise 2014 AI-Legierungen), wie beispielsweise jene, die im Wesentlichen bestehen aus: 4-5 Gewichtsprozent Kupfer, 0,5-1 Gewichtsprozent Silizium, 0,4-0,5 Gewichtsprozent Magnesium, 0,5-0,6 Gewichtsprozent Mangan, einem Maximum von 0,1 Gewichtsprozent Chrom und der Rest Aluminium. Andere Aluminiumknetlegierungen, die verwendet werden können, umfassen Aluminium-Silizium-Magnesium-basierte Legierungen (beispielsweise 6061 Al Legierungen), wie beispielsweise jene, die im Wesentlichen bestehen aus: 0,2-1 Gewichtsprozent Silizium, 0,4-1 Gewichtsprozent Magnesium, 0,01-0,5 Gewichtsprozent Chrom, 0-1 Gewichtsprozent Eisen, 0-0,5 Gewichtsprozent andere Spurenelemente und der Rest Aluminium. Zusätzliche andere Aluminiumknetlegierungen, die verwendet werden können, umfassen Aluminium-Silizium-basierte Legierungen (beispielsweise 4000 AI-Legierungen), wie beispielsweise jene, die im Wesentlichen bestehen aus: 5-6 Gewichtsprozent Silizium, 0-0,8 Gewichtsprozent Eisen, 0-0,3 Gewichtsprozent Kupfer, einem Maximum von 0,2 Gewichtsprozent Zink, einem Maximum von 0,15 Gewichtsprozent Mangan, einem Maximum von 0,1 Gewichtsprozent Magnesium, einem Maximum von 0,1 Gewichtsprozent andere Spurenelemente und der Rest Aluminium. Ferner umfassen zusätzliche andere Aluminiumknetlegierungen, die verwendet werden können, Aluminium-Zink-Magnesium-basierte Legierungen (beispielsweise, 7000 Al Legierungen), wie beispielsweise jene, die im Wesentlichen bestehen aus: 4-6 Gewichtsprozent Zink, 2-2.5 Gewichtsprozent Magnesium, 1-2 Gewichtsprozent Kupfer und einem Maximum von 0,5 Gewichtsprozent Silizium, Mangan, Titan, Chrom und andere Spurenelemente und der Rest Aluminium.
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Optional kann ein Grenzflächenmaterial entlang der Grenzfläche 26 angeordnet sein. Beispielsweise kann das Grenzflächenmaterial auf dem Stahlschaft 12 als eine Beschichtung vor der Befestigung des Schafts 12 an der Nabe 14 aufgebracht werden. Das Grenzflächenmaterial ist aus mindestens 50 Gewichtsprozent Kupfer gebildet. Beispielsweise kann das Grenzflächenmaterial im Wesentlichen bestehen aus: 50-70 Gewichtsprozent Kupfer, 0-30 Gewichtsprozent Nickel, 0-10 Gewichtsprozent Aluminium, 0-10 Gewichtsprozent Eisen, 0-8 Gewichtsprozent Mangan, 0-10 Gewichtsprozent Silizium und 0,1-0,5 Gewichtsprozent Titan. In einem Beispiel kann das Grenzflächenmaterial im Wesentlichen bestehen aus etwa 60 Gewichtsprozent Kupfer, etwa 25 Gewichtsprozent Nickel, etwa 5 Gewichtsprozent Aluminium, etwa 5 Gewichtsprozent Eisen, etwa 5 Gewichtsprozent Mangan, etwa 0,35 Gewichtsprozent Titan und andere Spurenelemente bis zu beispielsweise 0,5 Gewichtsprozent.
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Bezugnehmend nun auf 2 und 3 wird ein Verfahren zum Verbinden von Komponenten in Blockdiagrammform veranschaulicht (2), wobei die Komponenten vor dem Zusammenbau gezeigt sind (3). Die zu verbindenden Komponenten sind als der Schaft 12 und die Dämpfernabe 14 der oben beschriebenen zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung 11 veranschaulicht, wobei das Verfahren 100 jedoch ebenfalls auf andere Komponenten angewandt werden könnte, die aus artfremden Metallmaterialien gebildet sind.
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Das Verfahren 100 umfasst einen Schritt 102 des Bereitstellens eines metallischen ersten Teils (e.g., Schaft 12), der eine kontaktierende Oberfläche des ersten Teils 30 mit einer kegelstumpfförmigen Form definiert. Das Verfahren 100 umfasst ebenfalls einen Schritt 104 des Bereitstellens eines metallischen zweiten Teils (e.g., Dämpfernabe 14), das eine kontaktierende Oberfläche des zweiten Teils 32 definiert. Die ersten und zweiten Teile 12, 14 sind aus artfremden Materialien gebildet, wie beispielsweise dem Aluminium /den Aluminiumlegierungen und dem Stahlmaterial, wie oben beschrieben. Zur Klarstellung muss Schritt 102 nicht vor Schritt 104 durchgeführt werden.
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Um die Festkörperverbindung zwischen dem Stahlschaft 12 und der Aluminium- oder Aluminiumlegierung-Dämpfernabe 14 aufzubauen, können diese beiden artfremden Materialkomponenten zusammen reibverschweißt werden. Somit umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 106 des Bringens der ersten und zweiten Teile 12, 14 in Kontakt miteinander und des Drehens eines der ersten und zweiten Teile 12, 14, während das andere der ersten und zweiten Teile 12, 14 stationär bleibt, um Reibungswärme zwischen den kontaktierenden Oberflächen 30, 32 des ersten und zweiten Teils zu erzeugen. Die erzeugte Reibungswärme erzeugte erweichte benachbarte Regionen 34, 36 in den kontaktierenden Oberflächen 30, 32 des ersten und zweiten Teils, wenn eines der Teile 12, 14 gedreht wird und die kontaktierenden Oberflächen 30, 32 in Kontakt miteinander sind In dem veranschaulichten Beispiel wird der Stahlschaft 12 gedreht, während das Aluminiumteil 14 stationär gehalten wird, wobei jedoch, wenn gewünscht, das Aluminiumteil 14 alternativ oder ebenfalls gedreht werden könnte.
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Nach dem Drehschritt 106 und dem Halten der Drehung der Drehkomponente wird der Druck sofort an die kontaktierenden Oberflächen 30, 32 der beiden Komponenten 12, 14 angelegt, um im Wesentlichen den ringförmigen Stahlschaft 12 und die ringförmige Dämpfernabe 14 zusammen zu schmieden. Somit umfasst das Verfahren 100 einen Schritt 108 des Anlegens einer Kraft an die ersten und zweiten Teile 12, 14 entlang einer Druckachse (die Druckachse ist die gleiche wie die longitudinale Achse X, die ebenfalls die Drehachse des Schafts 12 bei dem veranschaulichten Beispiel ist), um die erweichten benachbarten Regionen 34, 36 plastisch zu verformen und die kontaktierenden Oberflächen 30, 32 der ersten und zweiten Teile zusammen zu schmieden, um eine Festkörperverbindung beim Kühlen und Aushärten der erweichten benachbarten Regionen 34, 36 zu bilden.
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Das Reibschweißverfahren kann eine Vorerwärmung des ersten Teils 12 auf eine Temperatur zwischen 200 und 700 Grad Celsius beinhalten, bevor die ersten und zweiten Teile 12, 14 in Kontakt miteinander gebracht werden. Wenn das erste Teil 12 über den Aluminiumlegierung-Solidus z.B. 580 Grad C erwärmt wird, um eine hohe Vorwärmeenthalpie beizubehalten, wird das erste Teil 12 bevorzugt auf den Solidus z.B. 580 Grad C oder darunter gekühlt, bevor das erste Teil 12 in Kontakt mit dem zweiten Teil 14 gebracht wird, wobei jedoch in anderen Fällen das erste Teil 12 eine Temperatur bis zu 700 Grad C aufweisen könnte, wenn es in Kontakt mit dem zweiten Teil 14 gebracht wird. Der Schritt des Vorwärmens kann Induktionserwärmung der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils 30 aufweisen und die kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils 30 weist bevorzugt eine Temperatur zwischen 200 °C und dem Aluminiumlegierung-Solidus z.B. 580 °C auf, wenn sie in Kontakt mit der kontaktierenden Oberfläche des zweiten Teils 32 gebracht wird.
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Das Reibschweißen, wie hier verwendet, um die ersten und zweiten Komponenten 12, 14 zu verbinden, ist ein Festkörperfügevorgang, bei dem zwei Metallkomponenten - von denen eine stationär gehalten wird, während die andere gedreht wird - eine relative Kontaktdrehbewegung zwischen Kontaktabschnitten der Komponenten erfahren, um Reibungswärme zu erzeugen. Die erzeugte Wärme erweicht eine oder beide Komponenten 12, 14, sodass ein aufgebrachter Druck oder eine aufgebrachte Kraft Material von einer oder beiden der Komponenten 12, 14 plastisch verdrängt, um die beiden Kontaktabschnitte zusammenzuschmieden und die atomare Interdispersion zu erzwingen, welche die Festkörperverbindung 16 kennzeichnet. Das hier anwendbare Reibschweißverfahren kann mindestens einen Vorwärmschritt, einen Reibungserwärmungsschritt und einen Druckanwendungsschritt beinhalten.
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Bei dem optionalen Vorwärmschritt wird eine äußere ringförmige Oberfläche 38 des Stahlschafts 12 als Vorbereitung zum Verbinden erwärmt. Die äußere ringförmige Oberfläche 38 des ringförmigen Stahlschafts 12 kann durch Induktionserwärmung auf eine Temperatur oberhalb 200°C oder, genauer gesagt, zwischen 200°C und 700°C oder bevorzugt zwischen 200°C und dem Solidus der Aluminiumlegierung erwärmt werden. Dies kann das Platzieren einer Induktionsspule (nicht gezeigt), wie beispielsweise einer elektromagnetischen Kupferspule, benachbart zu oder um die äußere ringförmige Oberfläche 38 des Stahlschafts 12 und dann das Durchführen eines Hochfrequenz-Wechselstroms, der von einer Hochfrequenz(RF)-Leistungsversorgung bereitgestellt wird, durch die Induktionsspule beinhalten. Das Durchführen des Wechselstroms durch die Induktionsspule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld, das den ringförmigen Stahlschaft 12 durchsetzt und Wirbelströme erzeugt, die den Schaft 12 zusammen mit einer zusätzlichen Erwärmung durch magnetische Hysterese resistiv erwärmen.
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Während die kontaktierende Oberfläche 30 des Schafts 12 immer noch auf einer erhöhten Temperatur zwischen 200°C und 700°C ist (oder zwischen 200°C und dem Aluminiumlegierung-Solidus z.B. 580°C, in einigen Beispielen), wird der Schritt 106 des Drehens des Schafts 12 durchgeführt, während der Schaft 12 in Kontakt mit der Nabe 14 gebracht wird. Bei dem Reibungsschritt 106 ist die vorgewärmte ringförmige kegelstumpfförmige kontaktierende Oberfläche 30 des Stahlschafts 12 benachbart zu und mindestens teilweise in Kontakt mit der ringförmigen kontaktierenden Oberfläche 32 der Dämpfernabe 14 lokalisiert, die eine kegelstumpfförmige innere Oberfläche aufweist. Die kontaktierende Oberfläche 32 der Dämpfernabe 14 wird schließlich vollständig oder teilweise in die Festkörperverbindung zwischen dem Schaft 12 und der Nabe 14 integriert und der Schaft 12 und die Nabe 14 werden zusammengeschmiedet.
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Sobald ein Kontakt zwischen der kontaktierenden Oberfläche 30 des Schafts 12 und der kontaktierenden Oberfläche 32 der Dämpfernabe 14 aufgebaut wurde, wird eines von dem Schaft 12 oder der Dämpfernabe 14 gedreht, während das andere von dem Schaft 12 und der Dämpfernabe 14 stationär gehalten wird. Die relative kontaktierende Drehbewegung, die zwischen der kontaktierenden Oberfläche 30 des ringförmigen Schafts 12 und der kontaktierenden Oberfläche 32 der ringförmigen Dämpfernabe 14 erfahren wird, erzeugt Reibungswärme zwischen diesen Oberflächen 30, 32. Diese reibschlüssig erzeugte Wärme erweicht benachbarte Regionen 34, 36 des Schafts 12 und der Dämpfernabe 14. Eine rechtzeitige Erwärmung der benachbarten Regionen 34, 36 wird durch die fortschreitende Erwärmung des Schafts 12 unterstützt.
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Entweder der Schaft 12 oder die Dämpfernabe 14 kann fixiert und relativ zueinander gedreht werden. Beispielsweise wird in einem bevorzugten Beispiel die Dämpfernabe 14 stationär gehalten und der Schaft 12 gedreht. Zu diesem Zweck kann die Dämpfernabe 14 auf einen Stützblock (nicht gezeigt) abgesenkt werden und der Schaft 12 an einem ringförmigen Rückhalteelement (nicht gezeigt) fest abgestrebt oder eingespannt werden, das seinerseits an einer starren Spindel angebracht ist. Der Vorwärmschritt kann praktiziert werden, während der Schaft 12 an der Spindel installiert ist, um erheblichen Wärmeverlust während der Zeit zu verhindern, die zwischen den Vorwärm- und Reibungserwärmungsschritten verstreicht. Schließlich wird der Stahlschaft 12 in Richtung der Aluminium-Dämpfernabe 14 bewegt, bis ein Abschnitt der ringförmigen kontaktierenden Oberfläche 30 des Schafts 12 und ein Abschnitt der ringförmigen kontaktierenden Oberfläche 32 der Dämpfernabe 14 in axial ausgerichtetem Kontakt sind. An diesem Punkt kann die Drehung der Spindel beginnen, was die gewünschte relative Kontaktdrehbewegung zwischen der kontaktierenden Oberfläche 30 des Schafts 12 und der kontaktierenden Oberfläche 32 der Dämpfernabe 14 bewirkt. Die Geschwindigkeit und Dauer der Spindeldrehung wird gesteuert, um die erforderlichen erweichten benachbarten Regionen 34, 36 zu erreichen.
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Nachdem die benachbarten Regionen 34, 36 durch relativen Drehreibkontakt erweicht wurden, wird der Druckanwendungsschritt 108 durchgeführt. In diesem Schritt 108 werden der Schaft 12 und die Nabe 14 unter einer angelegten Kraft zusammengedrückt. Die kontaktierenden Oberflächen 30, 32 werden mit genug Kraft zusammengedrückt, um eine plastische Verformung der komprimierten erweichten benachbarten Regionen 34, 36 zu verursachen, um die kontaktierenden Oberflächen 30, 32 zusammen zu schmieden. Die angelegte Kraft kann durch Drücken des Schafts 12 und der Dämpfernabe 14 zusammen entlang der Druckachse X, bevorzugt hydraulisch, entgegengesetzt zu einer Widerstandskraft der Teile 12, 14 verabreicht werden. Diese nach innen drückende Kraft kann gleichzeitig um die gesamten ringförmigen kontaktierenden Oberflächen 30, 32, angelegt werden oder kann in einer Variation in mehreren Stellen entlang des inneren Umfangs C des Schafts 12 angelegt werden.
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Während des Druckanwendungsschritts 108 und möglicherweise für eine kurze Zeit danach, Kühlen und Härten die erweichten benachbarten Regionen 34, 36, die nun plastisch verformt sind, in eine Festkörperverbindung. Eine zusammengesetzte Torsionsdämpfernabenanordnung 11 ist nun ausgebildet und kann von den Reibschweißwerkzeugen entfernt werden. Eine zusätzliche Verarbeitung der zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung 11 kann zu diesem Zeitpunkt durchgeführt werden. Beispielsweise kann jeglicher Metall-Flash, der sich aus dem Zusammendrücken und plastischen Verformen der benachbarte Regionen 34, 36 ergeben haben kann, entfernt werden. Eine derartige Flash-Entfernung kann in jeder einer Vielzahl von Arten einschließlich Scherung, maschinelle Bearbeitung oder Schleifen durchgeführt werden, um einige wenige Optionen zu nennen. Als weiteres Beispiel können freigelegte Bereiche der zusammengesetzten Torsionsdämpfernabenanordnung 11 gehärtet, durch Spannungsentfernung behandelt, getempert oder beschichtet werden.
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Das oben beschriebene Reibschweißverfahren unterliegt einer Anzahl von möglichen Variationen. Vor allem kann beim Praktizieren des Reibungserwärmungsschritts der Stahlschaft 12 stationär gehalten werden, während die Aluminiumdämpfernabe 14 gedreht wird. Um den Reibungserwärmungsschritt auf diese Weise durchzuführen, würde der Stahlschaft 12 eng gegen die Stützblock durch Klammern oder anderes Rückhaltegerät gehalten werden und die Aluminiumlegierung-Dämpfernabe 14 würde an der drehbaren Spindel angebracht werden. Außerdem kann als Teil des Vorwärmschritts eine andere Erwärmungstechnik neben Induktionserwärmung, wie beispielsweise Widerstandsheizen, durchgeführt werden, um das Stahlteil 12 zu erwärmen. Des Weiteren können die Teile 12, 14 vor dem Vorwärmschritt gereinigt werden.
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Wie oben erläutert, ist die Grenzfläche 26 zwischen den ersten und zweiten Teilen im Allgemeinen kegelstumpfförmig in der Form. Somit ist die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils 30 kegelstumpfförmig und die kontaktierende Oberfläche des zweiten Teils 32 definiert eine innere kegelstumpfförmige Oberfläche. Vor dem Zusammenbau des ersten Teils 12 und des zweiten Teils 14, wie in 3 gezeigt, weist die Schaft-kontaktierende Oberfläche 30 eine Querschnittskante auf, die in dem Winkel E mit Bezug auf die longitudinale Achse X angeordnet ist. Der Winkel E ist im Bereich von 30 Grad bis 85 Grad oder bevorzugter im Bereich von 60 bis 85 Grad. Somit ist die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils 30 mit Bezug auf die longitudinale Achse X geneigt (oder der Druckachse X, die ebenfalls die Drehachse des Drehteils 12 ist).
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Auf ähnliche Weise ist die kontaktierende Oberfläche 32 des zweiten Teils mit Bezug auf die Druckachse X geneigt. Die kontaktierende Oberfläche des zweiten Teils 32 ist in einem Winkel F mit Bezug auf die Druckachse X angeordnet. Der Winkel F ist im Bereich von 30 Grad bis 85 Grad oder bevorzugter im Bereich von 60 bis 85 Grad. Mit Bezugnahme auf 3 sind die Winkel E und F nicht notwendigerweise gleich zueinander vor dem Verbinden der ersten und zweiten Teile 12, 14. Stattdessen kann der Winkel F etwas größer als der Winkel E, wie beispielsweise 1-10 Grad größer als der Winkel E, vor dem Verbinden sein. Wenn die Teile 12, 14 ineinander gedrückt werden und wobei F>E, wird der innere Umfang C des Schafts 12 zuerst in die Dämpfernabe 14 für eine vorteilhafte Wärmesteuerung während des Reibschweißverfahrens gedrückt. Nachdem die Teile 12, 14 verbunden sind, kann der resultierende Winkel B zwischen den ersten und zweiten Teilen 12, 14 (welcher die Kante des zwischen den Teilen 12, 14 gebildeten Festkörperverbindung ist) etwas größer als der Anfangswinkel E zwischen der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils 30 und der longitudinalen Achse X sein. In einigen Beispielen ist B > E + 5 Grad. Das Bereitstellen des Neigungswinkels E des ersten Teils 12 anfangs als größer als der Neigungswinkel F des zweiten Teils 14 (wie in 3 gezeigt), ermöglicht, das die Fläche zwischen den kontaktierenden Oberflächen 30, 32 vergrößert werden kann, wenn die ersten und zweiten Teile 12, 14 während des Druckanwendungsschritts 108 zusammengedrückt und geschmiedet werden. Somit weist die Festkörperverbindung eine Querschnittskante auf, die im Winkel B mit Bezug auf die Druckachse X angeordnet ist.
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Das Anordnen der kontaktierenden Oberfläche 30, 32 in Winkeln E, F mit Bezug auf die Druckachse X ermöglicht, die Bildung von intermetallischen Materialien aufgrund von Scherbeanspruchungen zu verringern. Wenn die Bildung von intermetallischen Materialien verringert ist, wird die Schweißverbindung stärker, weil sie weniger intermetallisches Material aufweist, das Brüchigkeit verursacht.
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Bezugnehmend nun auf 4 kann eine der kontaktierenden Oberflächen 30, 32 des ersten und zweiten Teils bereitgestellt werden, als eine Mehrzahl von Nuten 40 darin zu definieren, wobei die Mehrzahl von Nuten 40 durch eine Mehrzahl von erhöhten Abschnitten 42 getrennt wird. Bei dem veranschaulichten Beispiel wird die Mehrzahl von Nuten 40 in der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils 30 des Stahlschafts 12 definiert.
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In diesem Beispiel wird jede Nut 40 mit einer gekrümmten Form in der kontaktierenden Oberfläche des ersten Teils 30 definiert, die an einer inneren ringförmigen Oberfläche 44 des ersten Teils 12 an ihrem inneren Umfang C beginnt und sich radial nach außen von der inneren ringförmigen Oberfläche 44 in Richtung der äußeren ringförmigen Oberfläche 38 des Schafts 12 erstreckt. Es sei jedoch zu verstehen, dass die Nuten mit anderen Konfigurationen gebildet werden könnten, um sich beispielsweise in geraden Linien radial nach außen von der inneren Oberfläche 44 entweder normal zu dem inneren Umfang C oder in spitzen Winkels mit Bezug auf den inneren Umfang C zu erstrecken. Durch Bereitstellen einer Mehrzahl von Nuten 40, die durch erhöhte Abschnitte 42 in der Stahl kontaktierenden Oberfläche 30 getrennt sind, ist die Stromdichte im Stahl konzentriert, um Hot Spots in dem Stahlteil 12 zu erzeugen und übermäßiges Schmelzens des Aluminiumteils 14 wird verringert oder beseitigt.
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In einigen Variationen kann eine Beschichtung auf eine der kontaktierenden Oberflächen 30, 32 aufgebracht werden, bevor die Teile 12, 14 zusammen verbunden werden. Beispielsweise kann eine Beschichtung auf die Stahlteil-kontaktierende Oberfläche 30 aufgebracht werden. Die Beschichtung kann eine Kupferlegierung sein, die aus mindestens 50 Gewichtsprozent Kupfer besteht. In einem Beispiel kann die Beschichtung im Wesentlichen bestehen aus: 50-70 Gewichtsprozent Kupfer, 0-30 Gewichtsprozent Nickel, 0-10 Gewichtsprozent Aluminium, 0-10 Gewichtsprozent Eisen, 0-8 Gewichtsprozent Mangan, 0-10 Gewichtsprozent Silizium, 0,1-0,5 Gewichtsprozent Titan und bis zu 0,5 Gewichtsprozent Spurenelemente. Somit kann die Grenzfläche 26 eine Grenzflächenschicht aufweisen, die aus dem Beschichtungsmaterial gebildet ist.
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Bezugnehmend nun auf 5 wird eine andere Variation der anfänglichen Komponenten 12', 14' vor dem Verbinden veranschaulicht, um eine zusammengesetzte Torsionsdämpfernabenanordnung zu bilden. Es sei zu verstehen, dass die in 5 gezeigten Komponenten 12', 14' die gleichen wie die oben beschriebenen Komponenten 12, 14 sein können, mit der Ausnahme, wo sie als unterschiedlich voneinander beschrieben werden. In dem Beispiel von 5 ist die kontaktierende Oberfläche des zweiten Teils 32' mit Bezug auf die Druckachse X in einem Winkel F geneigt, wie die zuvor beschriebene kontaktierende Oberfläche des zweiten Teils 32. Der Winkel F ist im Bereich von 30 Grad bis 85 Grad oder bevorzugter im Bereich von 60 bis 85 Grad, wie oben beschrieben. In 5 wird der Winkel F mit Bezug auf die innere Oberfläche 44' des Schafts 12' gezeigt, der eine Querschnittskante parallel zu der Achse X aufweist.
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Die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils 30' in 5 ist jedoch anders als die Variation von 3, weil die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils 30' ein gestuftes Merkmal 50 aufweist, um ein weiteres stufenweises Schmieden der kontaktierenden Oberflächen 30', 32' hinzuzufügen. Zu diesem Zweck definiert die kontaktierende Oberfläche des ersten Teils 30' zwei kegelstumpfförmige Oberflächen 52, 54, die an einer ringförmigen Kante J verbunden sind, wobei sich die innere kegelstumpfförmige Oberfläche von der inneren Oberfläche 44' des ringförmigen Schafts 12' zu der Kante J erstreckt und die äußere kegelstumpfförmige Oberfläche 54 sich von der Kante J zu der äußeren ringförmigen Oberfläche 38' des Schafts 12' erstreckt. Die innere kegelstumpfförmige Oberfläche 52 ist in einem Winkel G mit Bezug auf die longitudinale Achse X (die querschnittsmäßig parallel läuft) zu der inneren Kante 44' angeordnet. Aufgrund des gestuften Merkmals 50 an der Kante J ist die äußere kegelstumpfförmige Oberfläche 54 in einem Winkel H mit Bezug auf die longitudinale Achse X und die innere Kante 44' angeordnet. Der Winkel G kann kleiner als der Winkel H und der Winkel F sein, wie gezeigt. Die Winkel F und H können gleich, wenn gewünscht, mit dem Winkel G sein, der 5-15 Grad kleiner als die Winkel F und H ist.
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Die ausführliche Beschreibung und die Zeichnungen oder Figuren dienen zur Unterstützung und Beschreibung der vielen Aspekte der vorliegenden Offenbarung. Die hier beschriebenen Elemente können zwischen den verschiedenen Beispielen kombiniert oder vertauscht werden. Obwohl bestimmte Aspekte ausführlich beschrieben worden sind, existieren verschiedene alternative Aspekte zum Praktizieren der Erfindung, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert. Die vorliegende Offenbarung ist lediglich beispielhaft und die Erfindung ist allein durch die beigefügten Ansprüche definiert.
