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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Technischer
Bereich
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Antriebsbaugruppe,
insbesondere zum Einsatz in einem Kraftfahrzeug, die eine Kraftfahrzeugantriebswelle
zur Kraftübertragung
aufweist. Insbesondere bezieht sich die vorliegende Erfindung dabei
auf ein zusammen mit einer Aluminiumkardanwelle in einer Antriebsbaugruppe
eingesetztes Gleichlaufgelenk.
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Diskussion
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Die
meisten Kraftfahrzeuge sind mit einer Standard-Kraftübertragungsbaugruppe
ausgestattet, die einen Motor, ein Getriebe, eine Antriebsbaugruppe
und angetriebene Räder
umfasst. Eine typische Antriebsbaugruppe liefert einen Kraftübertragungspfad
zwischen einer Ausgangswelle des Fahrzeuggetriebes oder Verteilergetriebes
und der Antriebachsen-Baugruppe. So enthält beispielsweise der Antrieb
eines hinterradgetriebenen Fahrzeugs üblicherweise eine Kardanwelle
mit einem ersten Universalgelenk zur Verbindung der Kardanwelle
mit dem Fahrzeuggetriebe und mit einem zweiten Universalgelenk zur
Verbindung der Kardanwelle mit der Antriebachsen-Baugruppe. Für viele
Einsatzzwecke stellen Universalgelenke ein geeignetes Mittel zum Verbinden
von Wellen dar, die sich um nicht kollineare Achsen drehen. Allerdings
ist bei einigen Kraftübertragungsanwendungen
ein Verbinden von Wellen nötig,
deren Drehachsen einen Winkel bilden, der näher an 90° liegt, als dies bei Standarduniversalgelenken
normalerweise erlaubt ist.
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Je
nach den Aufhängungseigenschaften
des Fahrzeugs kann die Achsbaugruppe während des Einsatzes des Fahrzeugs
Nick- und Rollbewegungen durchführen.
Insbesondere kommt es zu relativ großen Gelenkbewegungen zwischen
der Achsbaugruppe und dem Fahrzeugrahmen, wenn das Fahrzeug im Gelände oder
mit maximaler Beschleunigung gefahren wird. Da der Motor und das
Getriebe fest am Fahrzeugrahmen angebracht sind, muss also die Antriebsbaugruppe
den nötigen
Freiheitsgrad liefern, um eine Bewegung der Achsbaugruppe relativ
zum Fahrzeugrahmen zuzulassen. Ein Standard-Universalgelenk ist
für diese
Einsatzzwecke leider nicht geeignet.
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Beim
Einsatz im Zusammenhang mit einem Vorderantrieb wird üblicherweise
ein Gleichlaufgelenk vorgesehen, um die Kardanwelle und das Fahrzeuggetriebe
in einem Winkel miteinander zu verbinden, der den Betriebsbereich
von Universalgelenken übersteigt.
Allerdings umfassen diese Einsatzzwecke üblicherweise das Kombinieren
einer Kardanwelle aus Stahl mit einem Gleichlaufgelenk. Während der Einsatz
von Kardanwellen aus Stahl bei Vorderradantrieben bisher toleriert
wurde, besteht doch der starke Wunsch, bei hinterradgetriebenen
Fahrzeugen Kardanwellen aus Aluminium einzusetzen, wobei sich durch
die Verwendung des leichteren Materials bei dem Einsatz langer Antriebskardanwellen
für Hinterradantriebe
insbesondere eine erhebliche Gewichtsreduzierung erzielen lässt.
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Leider
ergeben sich Schwierigkeiten bei dem Versuch, ein typisches Gleichlaufgelenk
mit einer Kardanwelle aus Aluminium zu verbinden. Insbesondere weisen
Gleichlaufgelenke üblicherweise
an einem Ende Radial-Halterungsflansche aus Stahl und am anderen
Ende eine intern mit Keilen versehene Nabe auf. Dementsprechend
muss die Kardanwelle zur Erzielung der gewünschten Gewichtsreduzierung und
Antriebsfunktion an einem der Enden des Gleichlaufgelenks gehaltert
werden. Eine Halterung direkt am Stahlflansch ist unwahrscheinlich,
da unterschiedliche Metalle wie Aluminium und Stahl nicht mit herkömmlichen
Metall-Inertgas-(MIG)-
oder Wolfram-Inertgas-(WIG)-Schweißtechniken miteinander verbunden
werden können.
Zudem erfordert eine Halterung an der intern mit Keilen versehenen
Nabe die Verwendung einer mit externen Keilen versehenen Welle,
welche aus einem eine ausreichende Torsionsfestigkeit aufweisenden
Material besteht. Zwar könnte
eine mit externen Keilen versehene Aluminiumwelle auf einfache Weise
an eine Aluminium-Kardanwelle angeschweißt werden; Aluminium besitzt jedoch
nicht die für
den Einsatz zusammen mit dem Gleichlaufgelenk notwendige Torsionsfestigkeit.
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Die
GB 2 339 461 beschreibt
eine Kardanwellenbaugruppe zum Verbinden eines Getriebes mit einem
Hinterachsantrieb eines Fahrzeugs. Die Kardanwelle umfasst zwei
Wellenabschnitte, die durch ein mittig angeordnetes Zwischenlager
in einem abgedämpften
Aufbau gehaltert sind. Die Wellenabschnitte sind mit dem Getriebe
und der Achse sowie miteinander durch nur Winkelbewegungen zulassende
Gleichlaufgelenke verbunden. Zudem sind zu den Enden hin Schiebeelemente vorgesehen,
die Zapfen und Wälzkontaktelemente
umfassen, welche abwälzend
Verschiebungsbewegungen ermöglichen
und ein Drehmoment übertragen.
Jeder Wellenabschnitt umfasst ein Rohrelement, dessen Enden an einem aufgeweiteten
Abschnitt eines Schiebzapfens befestigt sind. Indem die Schiebeelemente
nahe den Enden der beiden Kardanwellenabschnitte angeordnet werden,
wird sichergestellt, dass keine vom Getriebe und dem Achsantrieb
kommenden Schwingungen auf die Kardanwellenbaugruppe und somit in
das zwischen den Wellenabschnitten angeordnete Zwischenlager übertragen
werden können.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Aluminium-Kardanwelle
mit einem Gleichlaufgelenk zum Einsatz in Drehkraftübertragungsanwendungen
anzugeben.
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Eine
Antriebsbaugruppe gemäß dem Oberbegriff
der Ansprüche
1 bzw. 4 ist aus der GB-A-2 339 461 bekannt.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der Erfindung umfasst eine Antriebsbaugruppe zur Drehverbindung einer
ersten Kraftübertragungsvorrichtung
mit einer zweiten Kraftübertragungsvorrichtung:
eine
Kardanwelle, mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende, wobei
das zweite Ende so ausgelegt ist, dass es in einer Antriebsverbindung
an die erste Kraftübertragungsvorrichtung
gekoppelt werden kann;
einen Wellenstumpf mit einem ersten
Ende und einem zweiten Ende, und
ein Gleichlaufgelenk, das
drehbeweglich mit dem ersten Ende des Wellenstumpfes gekoppelt ist,
wobei das Gleichlaufgelenk so ausgelegt ist, dass es mit der zweiten
Kraftübertragungsvorrichtung
gekoppelt werden kann, wobei eine Adapterplatte am ersten Ende der
aus Aluminium bestehenden Kardanwelle angekoppelt ist und wobei
die Adapterplatte quer zu einer Achse der Kardanwelle positioniert
ist und mehrere Öffnungen
zur Aufnahme von Befestigungselementen aufweist, welche innerhalb
des Durchmessers der Kardanwelle angeordnet sind, und wobei der aus
Stahl bestehende Wellenstumpf einen Flansch umfasst, welcher sich
radial vom zweiten Ende wegerstreckt, wobei der Flansch mehrere Öffnungen
zur Aufnahme von Befestigungselementen aufweist und mit der Adapterplatte über mehrere
dieser sich durch die mehreren Öffnungen
hindurcherstreckenden Befestigungselemente gekoppelt ist.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der Erfindung umfasst eine Antriebsbaugruppe zur
Drehverbindung einer ersten Kraftübertragungsvorrichtung mit
einer zweiten Kraftübertragungsvorrichtung
die folgenden Bestandteile:
eine Kardanwelle mit einem ersten
Ende und einem zweiten Ende, wobei das erste Ende so ausgelegt ist, dass
es zum Antrieb mit der ersten Kraftübertragungsvorrichtung gekoppelt
ist;
einen Wellenstumpf mit einem ersten Ende und einem zweiten
Ende und
ein Gleichlaufgelenk mit einem Buchsenteil, wobei das
Gleichlaufgelenk so ausgelegt ist, dass eine Antriebsverbindung
zwischen ihm und der zweiten Kraftübertragungsvorrichtung hergestellt
werden kann, und wobei das erste Ende des Wellenstumpfes innerhalb
des Buchsenteils angeordnet ist, wodurch eine Antriebsverbindung
zwischen dem Wellenstumpf und dem Gleichlaufgelenk hergestellt wird,
wobei
die Kardanwelle aus Aluminium und der Wellenstumpf aus Stahl besteht
und zwischen dem zweiten Ende des Wellenstumpfs und dem zweiten
Ende der Kardanwelle eine Schweißverbindung ausgeformt ist,
an der das zweite Ende des Wellenstumpfs durch Reibschweißen am zweiten
Ende der Kardanwelle befestigt ist.
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Weitere
Einsatzgebiete der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden
detaillierten Beschreibung. Es sei allerdings darauf hingewiesen, dass
die detaillierte Beschreibung und die speziellen Beispiele zwar
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der durch die Ansprüche
1 und 4 definierten Erfindung angeben, dass sie dabei jedoch nur
dem besseren Verständnis
dienen.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 zeigt
ein Antriebssystem eines vierradgetriebenen Fahrzeugs, das mit dem
Antrieb gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgestattet ist;
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2 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht eines ersten Ausführungsbeispiels
eines gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung aufgebauten Antriebs;
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3 zeigt
eine perspektivische Explosionsansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels
eines Antriebssystems, das gemäß den Lehren
der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist;
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4 zeigt
eine Querschnitts-Teilansicht des in 3 gezeigten
zweiten Ausführungsbeispiels
des Antriebs; und
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5 zeigt
eine Querschnitts-Teilansicht des in 3 gezeigten
zweiten Ausführungsbeispiels
des Antriebs, das unter Verwendung eines Satzes anderer Materialien
hergestellt ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DES BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSBEISPIELS
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Wie
sich aus 1 ersehen lässt, umfasst ein beispielhaftes
Kraftfahrzeug 10, das mit einem Vierradantrieb ausgestattet
ist, eine erste Achsbaugruppe 12 und eine zweite Achsbaugruppe 14,
die beide über
ein Getriebe 18 durch eine Kraftquelle, beispielsweise
einen Motor 16, angetrieben werden können, wobei es sich bei dem
Getriebe entweder um ein manuelles Getriebe oder um ein Automatikgetriebe
handeln kann. Eine erste Antriebsbaugruppe 20 stellt eine
Antriebsverbindung zwischen einem Paar erster Räder 22 und einem Verteilergetriebe 24 her,
das mit dem Getriebe 18 verbunden ist. In entsprechender
Weise stellt eine zweite Antriebsbaugruppe 26 eine Antriebsverbindung
zwischen einem zweiten Paar von Rädern 28, von denen
jeweils eines an einem Ende der zweiten Achsbaugruppe 14 angeordnet
ist, und dem Verteilergetriebe 24 her. Einem Fachmann auf
die sem Gebiet ist klar, dass zwar hier nur die zweite Antriebsbaugruppe 26 im
einzelnen beschrieben wird, dass sich die vorliegende Erfindung
jedoch auf Antriebsbaugruppen anwenden lässt, die für Zweiradantriebe, Vierradantriebe
und Vorderradantriebe eingesetzt werden.
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Wie
sich aus den 1 und 2 ergibt, umfasst
der zweite Antrieb 26 ein Gleichlaufgelenk 28,
einen Wellenstumpf 30 und eine Kardanwelle 32 zur
Antriebsverbindung einer Eingangswelle 34 der zweiten Achsbaugruppe 14 mit
einer Ausgangswelle 36 des Verteilergetriebes 24.
Das Gleichlaufgelenk 28 umfasst eine Nabe 38,
die eine mit internen Keilen versehene Buchse 40 aufweist,
welche in Antriebseingriff mit dem Wellenstumpf 30 steht.
Das Gleichlaufgelenk 28 umfasst zudem einen radial vorstehenden
Halterungsflansch 42, der so ausgelegt ist, dass er mit
der Eingangswelle 34 verbunden werden kann. Einem Fachmann
auf diesem Gebiet ist klar, dass das Gleichlaufgelenk 28 nicht
mit einem Flansch 42 ausgestattet sein muss, um ein Drehmoment
in geeigneter Weise zu übertragen.
So würde
beispielsweise ein mit einem externen Keil anstatt mit dem Flansch 42 ausgestattetes
Gleichlaufgelenk in geeigneter Weise funktionieren, ohne dass hierdurch
der Rahmen der vorliegenden Erfindung überschritten würde.
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Der
Wellenstumpf 30 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen
Stab 44 mit einem zweiten Ende 46, das eine externe
Keilverzahnung 48 aufweist, welche gleitbeweglich in der
Buchse 40 der Nabe 38 zu liegen kommt, und mit
einem ersten Ende 50, das einen Halterungsflansch 52 aufweist,
der von diesem Ende radial vorsteht. Zur geeigneten Übertragung
eines Drehmoments durch den Wellenstumpf 30 ist dieser
vorzugsweise aus einem Material großer Festigkeit, wie etwa Stahl,
hergestellt. Einem Fachmann ist klar, dass die Keilverbindung dazu
dienen kann, einen gewissen Grad an axialer Freiheit zwischen der
zweiten Achsbaugruppe 14 und dem Verteilergetriebe 24 zu
liefern, und hierdurch eine Gelenkbewegung der zweiten Achsbaugruppe 14 relativ zum
Fahrzeugrahmen erlaubt, ohne dass es zu einem Anbinden des zweiten
Antriebs 26 kommt. Der Halterungsflansch 52 umfasst
mehrere Befestigungselementöffnungen 54,
die zur Verbindung des Wellenstumpfs 30 mit der Kardanwelle 32 dienen, wie
dies im folgenden noch genauer beschrieben wird. Im übrigen weist
die Kardanwelle 32 eine im wesentlichen zylindrische Form
auf und besitzt ein erstes Ende 60 und ein zweites Ende 58.
Eine Adapterplatte 62 und ein Bügel 64 sind mit dem
zweiten Ende 58 bzw. dem ersten Ende 60 gekoppelt.
Um das Konstruktionsziel der Herstellung einer Antriebsbaugruppe
mit geringem Gewicht zu erreichen, ist die Kardanwelle 32 vorzugsweise
aus einem Material wie etwa Aluminium hergestellt, das eine hohe
Formbarkeit und Festigkeit aufweist und zudem eine geringe Masse
pro Einheitsvolumen besitzt. Wie bereits erwähnt, sind allerdings bei dem
Versuch, unterschiedliche Materialien wie Aluminium und Stahl miteinander
zu verbinden, herkömmliche
Schweißtechniken wie
MIG- oder WIG-Verfahren wirkungslos.
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Dementsprechend
wird bei dem ersten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung eine Aluminiumadapterplatte 62 zum
Verbinden der Kardanwelle 32 mit dem Wellenstumpf 30 eingesetzt. Die
Adapterplatte 62 ist im wesentlichen ein ebenes, kreisrundes
Element, dessen Außendurchmesser
im wesentlichen dem Außendurchmesser
der Kardanwelle 32 entspricht. Die Adapterplatte 62 umfasst
zudem mehrere Öffnungen 63,
die so angeordnet sind, dass sie mit den Öffnungen 54 zusammenwirken,
die durch den Flansch 52 des Wellenstumpfs 30 verlaufen.
Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel
umfassen die Öffnungen 63 ein
Innengewinde, so dass ein mit einem Außengewinde versehenes Befestigungselement 66 in
den Öffnungen 54 angeordnet und
in einen Gewindeeingriff mit der Adapterplatte 62 gebracht
werden kann. Einem Fachmann ist klar, dass der Bügel 64 vorzugsweise
aus Aluminium besteht und in einer bereits bekannten Weise, etwa durch
Schweißen,
dauerhaft an dem zweiten Ende 60 der Kardanwelle 32 angebracht
wird.
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In 3 ist
ein zweites Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Antriebs
mit dem Bezugszeichen 126 gekennzeichnet. Einem Fachmann
ist klar, dass der Antrieb 126 im wesentlichen in derselben
Weise funktioniert wie das oben im einzelnen beschriebene erste
Ausführungsbeispiel.
Dementsprechend werden gleiche Bestandteile mit um 100 erhöhten Bezugszeichen
versehen.
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Die
Antriebsbaugruppe 126 umfasst ein Gleichlaufgelenk 128,
eine Kardanwelle 132, einen Bügel 164 und einen
Wellenstumpf 130 zur Antriebsverbindung einer Eingangswelle 34 der
zweiten Achsbaugruppe 14 mit einer Ausgangwelle 36 des Verteilergetriebes 24.
Das Gleichlaufgelenk 128 umfasst eine Nabe 138 mit
einer interne Keile aufweisenden Buchse 140, die in Antriebseingriff
mit dem Wellenstumpf 130 steht. Das Gleichlaufgelenk 128 umfasst
zudem einen sich radial erstreckenden Halterungsflansch 142,
der so ausgelegt ist, dass er sich mit der Eingangswelle 34 verbinden
lässt.
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In
entsprechender Weise wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel findet bei dem
zweiten Ausführungsbeispiel 126 der
vorliegenden Erfindung vorzugsweise Aluminium oder eine Aluminiumlegierung als
Material für
die Kardanwelle 132 Verwendung. Dementsprechend besteht
auch hier weiter das Problem, einen aus Stahl bestehenden Wellenstumpf
an einem Aluminiumrohr zu befestigen. Allerdings wird anstelle einer
Adapterplatte und eines Flansches, wie dies beim ersten Ausführungsbeispiel
gelehrt wurde, beim zweiten Ausführungsbeispiel
der Erfindung ein als Reibschweißen bekanntes Verbindungsverfahren
eingesetzt.
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Wie
sich weiter aus 3 entnehmen lässt, umfasst
die Kardanwelle 132 ein erstes Ende 180 mit einer
ersten Endstirnseite 182 und ein zweites Ende 184 mit
einer zweiten Endstirnseite 186. Wie die Zeichnung zeigt,
ist die zweite Endstirnseite 186 vorzugsweise orhtogonal
relativ zur Längsachse 188 der Kardanwelle 132 ausgerichtet.
Der Wellenstumpf 130 umfasst einen im wesentlichen zylindrischen
Stab 144 mit einem ersten Ende 146, das eine externe Keilverzahnung 148 aufweist,
der gleitbeweglich in der Buchse 140 der Nabe 138 zu
liegen kommt, und mit einem zweiten Ende 150, das einen
aufgeweiteten Körper 190 umfasst,
welcher in einer Reibstirnfläche 192 endet.
Einem Fachmann ist klar, dass der Bügel 164 vorzugsweise
aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht, das bzw. die
in herkömmlicher
Weise an der ersten Endstirnseite 182 angeschweißt werden
kann. Hingegen weist der Stab 144 des Wellenstumpfs 130 einen
relativ kleinen Außendurchmesser
auf und ist vorzugsweise aus Stahl gefertigt, um den hohen Torsionslasten
zu widerstehen, denen er während
des Einsatzes ausgesetzt ist. Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung wird die Antriebsbaugruppe 126 fertiggestellt,
indem die zweite Endstirnseite 186 der Kardanwelle 132 durch
Reibschweißen
mit der Reibfläche 192 des
Wellenstumpfs 130 verbunden wird.
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Reibschweißen umfasst
das Verbinden unterschiedlicher Materialien, indem man die Bestandteile
mit ausreichender Geschwindigkeit und unter Ausübung einer Druckkraft aneinanderreibt,
wodurch ein lokal begrenztes Schmelzen erzielt wird. Im einzelnen
wird, wie sich den 3 und 4 entnehmen
lässt,
die Reibstirnseite 192 relativ zu der zweiten Endstirnseite 186 rotiert,
wodurch im Berührungsbereich
der Oberflächen
Wärme erzeugt
wird. Während
sich die Reibstirnseite 192 und die zweite Endstirnseite 186 weiter
relativ zueinander bewegen, entsteht eine Zone 194, in
der sich geschmolzene Abschnitte wenigstens eines der Bestandteile
befinden. Einem Fachmann ist klar, dass es von den Schmelzpunkten
der mitein ander zu verbindenden Materialien abhängt, ob die Zone 194 Material
von einem der Bestandteile oder von beiden Bestandteilen enthält. Nachdem
ein ausreichendes Volumen an geschmolzenem Material erzeugt wurde,
wird das Relativreiben beendet und die Bestandteile können abkühlen. Die
Schweißverbindung
ist nun vollständig ausgebildet
und die Kardanwelle 132 ist an dem Wellenstumpf 130 angekoppelt.
Wie sich am besten 4 entnehmen lässt, wird
durch Reibschweißen eine
Verbindung erzeugt, die Aluminium von der Kardanwelle 132 und
Stahl vom Wellenstumpf 130 als Grundmetalle und einen kürzlich geschmolzenen
und daraufhin wieder erstarrten Aluminiumbereich 196 umfasst.
Der Bereich 196 umfasst einen gewalzten Bereich 198,
der erzeugt wird, indem man die Kardanwelle 132 axial gegen
den Wellenstumpf 130 drückt,
während
die Bestandteile sich zueinander drehen. 5 zeigt
einen Zustand, in dem unterschiedliche Materialien geschmolzen sind
und eine Mischzone 200 gebildet haben. Wie bereits erwähnt, bildet
sich die Mischzone 200 aus, wenn beide Grundmaterialien
einen ähnlichen
Schmelzpunkt aufweisen.