DE19519576B4

DE19519576B4 - Geschweißter Achskörper

Info

Publication number: DE19519576B4
Application number: DE1995119576
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Resele; Peter Dipl.-Ing. Dr. Schmid; Gernot Ing. Heigl; Heinz Karl Dipl.-Ing. Dr. Klampfl; Arthur Ing. Kasper
Original assignee: Steyr Daimler Puch AG
Current assignee: Steyr Daimler Puch AG
Priority date: 1995-05-29
Filing date: 1995-05-29
Publication date: 2004-07-08
Anticipated expiration: 2015-05-30
Also published as: DE19519576A1

Abstract

Achskörper, bestehend aus einem an zumindest einem Ende rohrförmigen ersten Teil (1) und zumindest einem mit diesem durch Reibungsschweißen verbundenen zweiten Teil (2), dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (2) eine auf das rohrförmige Ende (4) des ersten Teiles (1) aufgesteckte Muffe (10) ist, und daß zwei in Längsrichtung des ersten Teiles voneinander entfernte Schweißstellen (18,19) vorgesehen sind, von denen die erste (18) zwischen einer ersten Stirnfläche (5) des ersten Teiles (1) und einer Schulter (13) im Inneren des zweiten Teiles (2), und die zweite Schweißstelle (19) zwischen einer zweiten Stirnfläche (17) des zweiten Teiles (2) und einem außerhalb dessen am ersten Teil (1) angeordneten Kragen (7) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung handelt von einem Achskörper, bestehend aus einem an zumindest einem Ende rohrförmigen ersten Teil und zumindest einem mit diesem durch Reibungsschweißen verbundenen zweiten Teil. Der erste Teil kann ein rotierendes Achsrohr (hohle Antriebswelle) sein, oder eine stillstehende Achsbrücke, oder ein Querteil einer Verbundlenkerachse, oder auch ein querliegender Torsionskörper. Entsprechend kann der zweite Teil eine Radnabe sein, oder ein Radträger, oder ein am Fahrzeug gelagerter Längslenker einer Verbundlenkerachse, oder auch ein am Torsionskörper abgestützter Längslenker.

An Schweißverbindungen werden bei Kraftfahrzeugachsen, die sicherheitskritische Bauteile sind, besonders hohe Anforderungen gestellt: Sie sind auf Biegung und Torsion dynamisch hoch belastet, sollen aber möglichst leicht und billig herzustellen sein; außerdem sollen sie korrosionsbeständig sein und die Festigkeit soll durch die Schweißung möglichst wenig beeinträchtigt sein, um bereits wärmebehandelte Teile verwenden zu können.

Die letztere Anforderung ist durch Reibungsschweißen gut erfüllbar, jedoch ist die übliche Form der einschnittigen Stumpfschweißung für die hohen dynamischen Belastungen und auch bei Verbindung verschiedener Werkstoffe, wobei der schwächere Belastbarkeit und Lebensdauer bestimmt, ungeeignet.

Aus der US-PS 4,223,825 ist ein durch Reibungsschweißen hergestellter Achskörper bekannt, bei dem der erste Teil zwar in den zweiten Teil gesteckt, jedoch nur mittelbar auf dem Umweg über eine Spindel und eine mit dem zweiten Teil in einem vorhergehenden Arbeitsgang verschweißte Abstandshülse mit dem zweiten Teil verbunden ist. Dadurch werden zwar Biegemomente von der Schweißstelle ferngehalten, jedoch sind dadurch die an die Schweißstelle angrenzenden Materialmassen verschieden groß, was für das Reibungsschweißen sehr ungünstig ist. Zudem handelt es sich nur um eine einschnittige Verbindung, die aber trotzdem die Forderung nach geringem Gewicht und niederen Fertigungskosten nicht erfüllt.

Aus der DE-PS 27 35 074 ist ein Hydraulikkolben mit zweischnittigen Reibungsschweißverbindungen bekannt, von denen die zweite Verbindung aber nur der Zentrierung dient, weshalb deren Reibungsduchmesser nur sehr klein ist, bzw soll sie ein radiales Ausbrechen in der Anpreßphase verhindern. Eine Übertragung von nennenswerten Biege- oder Torsionsmomenten oder gar die Aufnahme von Stößen ist nicht vorgesehen, wegen der verschiedenen Reibdurchmesser der beiden Verbindungen auch nicht ratsam.

Aus JP 03-184681 ist die Verbindung zweier Rohre eines Dampfkessels durch Reibschweißen bekannt. An der Fügestelle ist der Außendurchmesser des einen Rohres verringert und der Innendurchmesser des anderen Rohres vergrößert. Die Rohre sind ineinander gesteckt, wobei die Kontaktfläche des einen Rohres an der Kontaktfläche des anderen Rohres im Bereich der Fügestelle anliegt. Zur Verbindung durch Reibschweißen wird die Fügestelle außen von einem Ring aus einer Formgedächtnislegierung umgeben. Dieser Ring wird erwärmt, wodurch er sich zusammenzieht und die zylindrischen Kontaktflächen zusammenpresst. Das Verschweißen erfolgt durch relative Drehung der beiden Rohrteile oder durch eine Hin- und Herbewegung in axialer Richtung. Wegen der radial einwärts gerichteten Pressung des Ringes erfolgt die Schweißverbindung an den zylindrischen Kontaktflächen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine alle oben genannten Anforderungen erfüllende hochfeste, leichte und billige Konstruktion eines Achskörpers zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß der zweite Teil eine auf das rohrförmige Ende des ersten Teiles aufgesteckte Muffe ist, und daß zwei in Längsrichtung des ersten Teiles voneinander entfernte Schweißstellen vorgesehen sind, von denen die erste zwischen einer ersten Stirnfläche des ersten Teiles und einer Schulter im Inneren des zweiten Teiles, und die zweite Schweißstelle zwischen einer zweiten Stirnfläche des zweiten Teiles und einem außerhalb dessen am ersten Teil angeordneten Kragen ausgebildet ist.

Dadurch entsteht zunächst eine Biegemomente aufnehmende Steckverbindung und eine zweischnittige Schweißverbindung, die alle in einem einzigen Arbeitsgang herstellbar sind. Damit ist die sichere und feste Verbindung der beiden Teile bei geringsten Fertigungskosten gewährleistet. Außerdem kann die Büchse an einer Seite geschlossen bleiben, was ein dichtes System ergibt und der Festigkeit, insbesondere Korrosionsfestigeit sehr zugute kommt.

Die Anordnung der beiden Schweißstellen kommt dem Reibungsschweißen in idealer Weise entgegen: deren wirksame Radien sind ungefähr gleich groß, sodaß zur Erwärmung der beiden Schweißstellen ungefähr die gleiche Umfangsgeschwindigkeit herrscht; die an die Schweißstellen anschließenden wärmeableitenden Flächen sind angenähert gleich; Stirnfläche, Schulter und Kragen sind einfach mit der erforderlichen Genauigkeit zu bearbeiten; es steht genug Raum für die sich bildenden Schweißwülste und für die gezielte Beeinflussung der Kraftflüsse durch detaillierte konstruktive Ausbildung zur Verfügung.

Zu diesem Zweck kann in Weiterbildung der Erfindung zumindest eine der beiden Schweißstellen, oder eben beide, als konische Fläche ausgebildet sein (Anspruch 2); oder der Durchmesser des ersten Teiles an der ersten Schweißstelle kleiner als an der zweiten Schweißstelle (Anspruch 3). Durch die konische Ausbildung ist zum Verschweißen eine geringere Anpresskraft nötig, daher bleibt der Schweißwulst kleiner, und die Zentrierung kann wenn nötig verbessert werden.

Eine weitere Vereinfachung der Fertigung wird dadurch erreicht, daß der Kragen und/oder die erste Stirnfläche des ersten Teiles durch eine Einschnürung des rohrförmigen Endteiles gebildet ist / sind (Anspruch 4). So kann das rohrförmige Ende des ersten Teiles ohne spanabhebende Verformung, somit mit angenähert konstanter Wandstärke, für die Schweißung vorbereitet werden.

Wenn hohe Torsionskräfte zu übertragen sind, ist es vorteilhaft, wenn die beiden Schweißstellen beiderseits von der Ebene im wesentlichen gleich weit entfernt sind, in der die Torsionskräfte am zweiten Teil angreifen (Anspruch 5). Dann werden auch diese gleichmäßig auf die beiden Schweißstellen verteilt.

In konsequenter Verfolgung des Erfindungsgedankens kann man sich noch den Vorteil der Reibungsschweißung, daß auch verschiedene, verschieden feste, und auch sonst schlecht schweißbare Werkstoffe verbindbar sind, zunutze machen. Man kann den ersten Teil aus Stahl und den zweiten Teil aus einem Leichtmetall ausführen (Anspruch 6). Das erfordert konstruktive Rücksichten und Anpassungen, die mit der erfindungsgemäßen Konstruktion besonders leicht möglich sind: Wegen der verschiedenen spezifischen Massen und thermischen Kenndaten sind die an die Schweißstellen anschließenden Volumina entsprechend zu wählen; bei der Paarung Stahl – Aluminium besteht im inneren Bereich die Gefahr der Bildung spröder intermetallischer Phasen durch gegenseitiges Eindiffundieren, derartige innere Bereiche bestehen aber bei der erfindungsgemäßen Ausbildung nicht. Bei alldem kann der zweite Teil noch so dimensioniert werden, daß die geringere Festigkeit des Leichtmetalles kompensiert wird.

In Abwandlung der Erfindung kann sich die erste Stirnfläche des ersten Teiles gegen die Mitte zu in einem drehmomentübertragenden Profil fortsetzen (Anspruch 7). An diesem kann dann das für den Schweißvorgang benötigte Drehmoment eingetragen werden. Das ist beispielsweise bei einem sehr langem ersten Teil mit geringer Wandstärke von Vorteil.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Abbildungen beschrieben und erläutert. Es stellen dar:
l: Einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Reibungsschweißverbindung,
2: Eine achsonometrische Ansicht einer Verbundlenkerachse mit zwei erfindungsgemäßen Verbindungen,
3: Eine Ansicht nach III in 2, vergrößert,
4: Einen Längsschnitt nach IV-IV in 3,
5: Eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen Reibungsschweißverbindung.
In l ist ein erster Teil der Verbindung mit 1 und ein zweiter Teil mit 2 bezeichnet. Da die Verbindung naturgemäß zentrisch-symmetrisch ist, ist eine gemeinsame Achse 3, die die Längsrichtung darstellt, eingezeichnet. Der erste Teil 1 kann im allgemeinen einen beliebigen Querschnitt aufweisen, sein zur Verbindung bestimmtes Ende 4 ist rohrförmig und endet mit einer ersten Stirnfläche 5, wozu gegebenenfalls eine Verdickung 6 vorgesehen ist. Dort, wo der erste Teil 1 in den rohrförmigen Endteil 4 übergeht, ist ein Kragen 7 vorgesehen, der hier auf der der ersten Stirnfläche 5 zugewandten Seite eine konische Fläche 8 aufweist.
Der zweite Teil 2 besteht im wesentlichen aus einer Muffe 10, die den rohrförmigen Endteil 4 des Teiles 1 umgibt und aus einem Flanschring 11 der Teil einer Radnabe oder der Arm einer Verbundlenkerachse sein kann, wie später zu beschreiben. Der zweite Teil 2 verfügt aus Gründen der Zweckmäßigkeit und der Festigkeit über einen geschlossenen Boden 12 und an diesen anschließend über eine Schulter 13, die zur ersten Stirnfläche 5 paßt. An diese Schulter 13 schließt eine zylindrische Innenwand 14 an, deren lichter Durchmesser größer als der Außendurchmesser des rohrförmigen Endteiles 4 ist, wodurch zwischen beiden ein Hohlraum 15 entsteht. Die Innenwand 14 endet in einer zweiten Stirnfläche 17, welche hier auch konisch ausgeführt ist.
Werden die beiden Teile 1,2 zur Verbindung durch Reibungsschweißen gegeneinander um die Achse 3 verdreht und nach ausreichender Erwärmung kurz zusammengepreßt, so entstehen zwei Schweißstellen 18,19; die erste 18 zwischen der ersten Stirnfläche 5 und der Schulter 13, die zweite zwischen der konischen Fläche 8 des ersten Teiles und der zweiten Stirnfläche 17 des zweiten Teiles. Dabei bilden sich auch die charakteristischen Schweißwulste 16, die teils in den Hohlraum 15 vordringen, teils innerhalb der Schulter 13 Platz finden und teils auch (am Kragen 7) nach außen ragen und dort abgetragen werden können, aber nicht müssen.
Die in 2 dargestellte Verbundlenkerachse 20 besteht beispielsweise aus einem ersten Teil 1, der ein zylindrisches oder verformtes Stahlrohr ist und aus einem zweiten Teil an jeder Seite, der hier ein Gußteil aus Aluminium oder aus einer Leichtmetallegierung ist. Es sind also zwei Verbindungen der in l dargestellten Art vorhanden. Der Teil 2 ist, von der Muffe 10 ausgehend, ein funktionsgemäß geformter Körper, der etwa mittels eines Lagerauges 21 am Fahrzeugkörper angelenkt ist und an dessen anderem Ende ein Radträgerflansch 22 und ein Federlager 23 ausgebildet sind.
3 und 4 zeigen einen Längsschnitt durch diesen zweiten Teil 2 mit der Reibungsschweißverbindung in einer abgewandelten Form. Diese unterscheidet sich von der der l nur dadurch, daß der erste Teil 1 keinen Kragen aufweist, sondern an der Stelle 30, wo das rohrförmige Ende beginnt, eine Einschnürung 30 aufweist, die die für die Verbindung erforderliche Fläche bildet. Es ist zu erkennen, daß eine Symmetrieebene 31 in Richtung der Achse 3 etwa in der Mitte zwischen den beiden Reibungsschweißverbindungen 18,19 liegt. Eine weitere Besonderheit ist noch, daß die erste Stirnfläche 5 des ersten Teiles 1 sich nach innen fortsetzt und etwa einen Sechskant aufweist, um das für die Drehung vor dem Schweißen erforderliche Drehmoment ohne Verformung des ersten Teiles 1 einleiten zu können.
5 schließlich zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die sich von der der 3,4 durch die Ausbildung des ersten Teiles und der Schweißstellen 18,19 unterscheidet. Dieser weist an seinem Ende eine erste Stirnfläche 36 auf, die eine durch Kaltverformung hergestellte Einbördelung ist. Es ist zu erkennen, daß die die Schweißstellen 18,19 bildenden konischen Flächen einen geringeren Konuswinkel aufweisen, wodurch bei der Schweißverbindung ein geringerer Anpreßdruck erforderlich ist.

Claims

Achskörper, bestehend aus einem an zumindest einem Ende rohrförmigen ersten Teil (1) und zumindest einem mit diesem durch Reibungsschweißen verbundenen zweiten Teil (2), dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Teil (2) eine auf das rohrförmige Ende (4) des ersten Teiles (1) aufgesteckte Muffe (10) ist, und daß zwei in Längsrichtung des ersten Teiles voneinander entfernte Schweißstellen (18,19) vorgesehen sind, von denen die erste (18) zwischen einer ersten Stirnfläche (5) des ersten Teiles (1) und einer Schulter (13) im Inneren des zweiten Teiles (2), und die zweite Schweißstelle (19) zwischen einer zweiten Stirnfläche (17) des zweiten Teiles (2) und einem außerhalb dessen am ersten Teil (1) angeordneten Kragen (7) ausgebildet ist.
Achskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der beiden Schweißstellen (18,19) als konische Fläche (8) ausgebildet ist.
Achskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des ersten Teiles (1) an der ersten Schweißstelle (18) kleiner als an der zweiten Schweißstelle (19) ist.
Achskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kragen (7) und/oder die erste Stirnfläche (5) des ersten Teiles (1) durch eine Einschnürung (30) des rohrförmigen Endteiles (4) gebildet ist.
Achskörper nach Anspruch 1, bei dem zwischen erstem (1) und zweiten Teil (2) Torsionskräfte zu übertragen sind, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schweißstellen (18,19) beiderseits von der Ebene (31) im wesentlichen gleich weit entfernt sind, in der die Torsionskräfte am zweiten Teil (2) angreifen.
Achskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil (1) aus Stahl und der zweite Teil (2) aus einem Leichtmetall besteht.
Achskörper nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Stirnfläche (5) des ersten Teiles (1) gegen die Mitte zu in einem drehmomentübertragenden Profil (32) fortsetzt.
Achskörper nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß er eine Verbundlenkerachse (20) bildet.