DE69431940T2

DE69431940T2 - Ausgleichgewichtsbefestigungstechnik

Info

Publication number: DE69431940T2
Application number: DE69431940T
Authority: DE
Inventors: Donald A. Rhoda; Jeffrey A. Toledo Dutkiewicz; Jerry E. Columbus Gould; Anthony M. Rochester Cox; James T. Toledo Reynolds
Original assignee: Dana Inc
Current assignee: Dana Automotive Systems Group LLC
Priority date: 1993-08-25
Filing date: 1994-08-25
Publication date: 2009-09-10
Anticipated expiration: 2014-08-26
Also published as: CA2130768A1; BR9403334A; AU7146294A; AU685475B2; KR100347831B1; JPH07151188A; DE69431940D1; EP0640427A1; KR950005440A; EP0640427B1; CA2130768C; TW373059B

Description

Die Erfindung befaßt sich mit dem Einsatz von Übergangsmaterialien zur Verbindung von Stahl und Aluminium. Insbesondere befaßt sich die Erfindung mit einem Verfahren zum Anbringen eines Stahlausgleichgewichts an einer Aluminiumwelle mittels Widerstandsvorsprungsschweißen unter Einsatz von Übergangsmaterialkomponenten. Obgleich die Erfindung ein großes Einsatzgebiet hat, ist sie insbesondere zum Einsatz im Zusammenhang mit dem Auswuchten einer Aluminiumantriebswelle zur Ausführung einer Drehbewegung um eine Achse bestimmt, und die Erfindung wird auch in diesem speziellen Zusammenhang näher erläutert.
Häufig ist es erwünscht, Kombinationen von Materialien einzusetzen, um die jeweiligen spezifischen Eigenschaften der jeweiligen Materialien auszunutzen. Beispielsweise werden Antriebswellen für Fahrzeug aus Aluminium hergestellt, wodurch man eine beträchtliche Gewichtsreduzierung und eine Reduzierung des Massenmoments gegenüber Stahlantriebswellen erhält. Jedoch müssen Ausgleichsgewichte an den Teilen angebracht werden, um die Wellen auszuwuchten. Bevorzugte Materialien für diese Ausgleichsgewicht sind Stahl, da Stahl eine beträchtlich größere Massendichte als Aluminium hat, und ein größeres Aluminiumteil zur Bildung eines Ausgleichsgewichts erforderlich wäre, wenn Aluminium eingesetzt wird. Daher ist es erwünscht, das geringe Gewicht, das Wärmeleitvermögen, das elektrische Leitvermögen und die Korrosionsbeständigkeit als wesentliche Eigenschaften von Aluminium in Kombination mit der größeren Massendichte, der hohen Festigkeit und der Harte von Stahl sich zu nutze zu machen. Die Verbindung von diesen beiden Materialien bereitet jedoch viele Schwierigkeiten.
Ein Verfahren zum Verbinden von Aluminium und Stahl ist das Widerstandsvorsprungsschweißen. Das typische Widerstandsvorsprungsschweißverfahren zum Verbinden von Aluminium und Stahl ist im allgemeinen jedoch unzweckmäßig, was auf die Bildung von unterwünschten Unterbrechungen oder Mangeln längs der Verbindungslinie oder der Schweißzone zurückzuführen ist.
Ein weiteres Verfahren zur Verbindung von Aluminium und Stahl ist das Schmelzschweißen. Jedoch haben Stahl und Aluminium beträchtlich unterschiedliche Schmelzpunkte, wodurch das Schmelzschweißen schwierig wird. Insbesondere bilden Stahl und Aluminium eine Reihe von spröden intermetallischen Materialien. Als Folge hiervon treten viele Schwierigkeiten auf, wenn man versucht, Stahl und Aluminium mittels Schmelzen zu verschweißen, einschließlich der Unterbrechungen der Schweißlinie, der Schwächung der Schweißnähte zwischen den beiden unverträglichen Materialien, wie Stahl und Aluminium, das Brechen infolge der unterschiedlichen Expansion und Kontraktion, die Bildung von spröden intermetallischen Verbindungen durch die Fusion der Grenzfläche zwischen den beiden Materialien, die hohen Belastungen infolge der Eigenspannungen von dem Schweißvorgang und die Bildung von Lokalelementen, welche zu Korrosion führen.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach einem Verfahren zum Anbringen von Stahl an Aluminium, bei welchem die vorstehend genannten Schwierigkeiten überwunden werden, und wobei die in das Aluminium eingeleitete Wärmemenge und somit die Wärmeexpansion und die Verformung des Aluminiums während der Anbringung an dem Stahl reduziert werden.
In EP-A-0 520 729 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Auswuchten einer Aluminiumantriebswelle unter Einsatz einer Übergangsmaterialkomponente zur Anbringen von Stahlausgleichgewichten an der Aluminiumantriebswelle beschrieben. Die Übergangsmaterialkomponente ist zwischen der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle und der inneren Fläche der Stahlausgleichgewichte angeordnet. Ein Widerstandsschweißverfahren wird dann eingesetzt, um die Stahlausgleichgewichte und die Übergangsmaterialkomponente an der Aluminiumantriebswelle anzubringen. Die Übergangsmaterialkomponente kann mit einem Vorsprung auf der Fläche angrenzend an das Ausgleichsgewicht versehen sein.
Die GB-A-2 236 163 bezieht sich auf ein Ausgleichsgewicht zum Anbringen einer drehbaren Welle, welches eine Platte aufweist, welche wenigstens zwei Fixierpunkte hat, welche zum Anbringen des Gewichts an der Welle bestimmt sind, und wobei eine Ausgleichsausnehmung um den jeweiligen Fixierpunkt vorgesehen ist. Die Fixierpunkte können entsprechende Gebilde für das Vorsprungsschweißen an der Welle oder Öffnungen zur Aufnahme von mechanischen Befestigungsmitteln aufweisen.
Gemäß einem einem ersten Aspekt nach der Erfindung wird ein Verfahren zum Anbringen eines Stahlausgleichsgewichts an einer rohrförmigen Aluminiumantriebswelle bereitgestellt, wobei das Stahlausgleichsgewicht eine innere Fläche und eine äußere Fläche hat, und die Aluminiumantriebswelle eine äußere Fläche hat, die von einer Achse radial wegweist, um die sich die Aluminiumantriebswelle dreht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:
Anordnen einer Übergangsmaterialkomponente zwischen der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle und der inneren Fläche des Stahlausgleichsgewichts, wobei die Übergangsmaterialkomponente eine erste an die innere Fläche des Stahlausgleichsgewichts angrenzende Fläche und eine zweite an die äußere Fläche der Aluminiumantriebswelle angrenzende Fläche hat, wobei die erste Fläche Stahl und die zweite Aluminium ist; und
Widerstandsschweißen des Ausgleichsgewichts an die Aluminiumantriebswelle unter Durchleitung eines elektrischen Stroms durch das Ausgleichsgewicht, die Übergangsmaterialkomponente und die Aluminiumantriebswelle unter Aufrechterhaltung eines Drucks auf die äußere Fläche des Ausgleichsgewichts gegen die Antriebswelle, wodurch eine Stahl-Stahl-Bindung zwischen der inneren Fläche des Ausgleichsgewichts und der ersten Fläche der Übergangsmaterialkomponente und eine Aluminium-Aluminium-Bindung zwischen der zweiten Fläche der Übergangsmaterialkomponente an der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle gebildet wird, bereitgestellt, welches sich dadurch auszeichnet, daß vor der Anordnung der Übergangsmaterialkomponente zwischen der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle und der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts ein nach außen weisender Vorsprung auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts ausgebildet wird, und daß die erste und die zweite Fläche ohne nach außen weisende Vorsprünge am zu verschweißenden Bereich ausgebildet sind.
Die Übergangsmaterialkomponenten weisen typischer Weise zwei oder mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien auf, welche haftend miteinander verbunden sind. Der Vorsprung auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts ermöglicht eine Dosierung des Wärmestroms von dem Stahl zu dem Aluminium, und somit kann verhindert werden, daß zu viel Wärme zu dem Aluminiumrohr während des Schweißvorganges übertragen wird.
Ein Vorteil des Einsatzes einer Übergangsmaterialkomponente bei dem Widerstandsschweißverfahren ist die Reduktion der Wärmemenge, welche in die Aluminiumantriebswelle eingeleitet wird, wodurch die Wärmeexpansion und die Deformation der Antriebswelle während der Anbringung des Ausgleichsgewichts reduziert werden. Das Widerstandsschweißverfahren bringt den Vorteil mit sich, daß Ausscheidungen aus dem Aluminium eliminiert und Ausscheidungen aus dem Stahl während des Schweißverfahrens möglichst gering gehalten werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung hat die Übergangsmaterialkomponente wenigstens zwei Schichten, welche eine Stahlschicht und eine Aluminiumschicht umfassen. In der Praxis kann die Dicke der Stahlschicht beträchtlich kleiner als die Dicke des Stahlausgleichgewichts sein.
Die Gestalt des nach außen weisenden Vorsprungs auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts hat vorzugsweise die Form eines Rings, und es kann sich um einen C-förmigen Ring handeln, welcher eine Öffnung in einem Teil des Ringes hat, um zu ermöglichen, daß Gase entweichen können, obgleich die Gestalt des Vorsprungs auf viele unterschiedliche Weisen, ausgehened von einem Quadrat mit einer Öffnung bis zu vielen parallelen Linien getroffen werden kann. Der nach außen weisende Vorsprung auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts verhindert eine zu große Wärmeübertragung auf die Aluminiumantriebswelle während des Widerstandsschweißverfahrens.
Gemäß einem zweiten Aspekt nach der Erfindung wird ein metallisches Verbundmaterial bereitgestellt, welches derart beschaffen und ausgelegt ist, daß es bei einer rohrförmigen Aluminiumantriebswelle mittels Widerstandsschweißen zum Auswuchten der Aluminiumantriebswelle während einer Drehbewegung angebracht werden kann, wobei die Aluminiumantriebswelle eine äußere Fläche hat, die von einer Achse radial wegweist, um die die Aluminiumantriebswelle eine Drehbewegung ausführt, und welches folgendes aufweist:
ein Stahlausgleichgewichts, welches eine innere Fläche und eine äußere Fläche hat;
eine Übergangsmaterialkomponente, welche eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat, wobei die erste Fläche Stahl und die zweite Fläche Aluminium ist, und wobei die erste Fläche mittels Heftschweißen an der inneren Fläche des Ausgleichsgewicht 70 anbringbar ist, welches sich dadurch auszeichnet, daß die innere Fläche des Ausgleichsgewichts einen Vorsprung hat, und daß die ersten und die zweiten Flächen an einem zu verschweißenden Bereich ohne nach außen weisende Vorsprünge ausgebildet sind.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Darin gilt:
1 ist eine Schnittansicht einer Übergangsmaterialkomponente, welche eingesetzt wird, um ein Stahlausgleichgewicht an Aluminiumantriebswellen anzubringen;
2A ist eine Draufsicht auf ein Stahlausgleichgewicht;
2B ist eine Seitenansicht eines Stahlausgleichgewichts in 2A;
3A ist eine Draufsicht auf eine Übergangsmaterialkomponente;
3B ist eine Seitenansicht der Übergangsmaterialkomponente nach 3A;
4 ist eine Schnittansicht einer Übergangsmaterialkomponente längs der Linie 4-4 in 3A;
5 ist eine Seitenansicht der Anordnung des Ausgleichsgewichts und der Übergangsmaterialkomponente;
6 ist eine auseinandergezogene perspektivische Ansicht einer Aluminiumantriebswelle und einer Übergangsmaterialkomponente als Ausgleichsgewicht in Form einer Anordnung, welche an der Aluminiumantriebswelle anzubringen ist;
7A ist eine Draufsicht auf ein Stahlausgleichgewicht mit einem Vorsprung auf der inneren Fläche nach der Erfindung;
7B ist eine Schnittansicht des Stahlausgleichgewichts längs der Linie 6-6 in 7A;
7C ist eine auseinander gezogene Ansicht des Vorsprungs am Stahlausgleichgewicht nach 7B; und
8 ist eine Seitenansicht der Anordnung aus Ausgleichsgewicht und Übergangsmaterialkomponente gemäß der Erfindung.
Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Widerstandsschweißen von Stahlausgleichgewichten an Aluminiumrohrantriebswellen bereit, sowie eine verbes serte Antriebswelle, welche nach diesem Verfahren hergestellt ist, wobei eine Übergangsmaterialkomponente von Aluminium zu Stahl eingesetzt wird, um die Stahlausgleichgewichte an den Aluminiumantriebswellen mittels Widerstandsvorsprungsschweißen anzubringen. Eine Übergangsmaterialkomponente ist zwischen der äußeren Fläche einer Aluminiumantriebswelle und der inneren Fläche eine Stahlausgleichgewichts angeordnet. Die Oberfläche der Übergangsmaterialkomponente angrenzend an die Antriebswelle ist Aluminium und die Oberfläche der Übergangsmaterialkomponente angrenzend an das Gegengewicht ist Stahl.
Während des Widerstandsschweißverfahrens bildet die im Stahlausgleichgewicht erzeugte Wärme eine Stahl-Stahl-Bindung zwischen dem Ausgleichsgewicht und der Oberfläche der Übergangsmaterialkomponente angrenzend an das Ausgleichsgewicht. Bei dieser Schweißung verloren gehende Wärme wird an das Aluminium weitergeleitet, wodurch eine Aluminium-Aluminium-Bindung zwischen der Antriebswelle und der Oberfläche der Übergangsmaterialkomponente angrenzend an die Antriebswelle gebildet wird. Eine Mehrzahl von geometrischen Formen können die Vorsprünge auf der Oberfläche der Übergangsmaterialkomponente haben, die an das Ausgleichsgewicht angrenzt, aber nach der Erfindung sind diese Formgebungen oder Vorsprünge auf der inneren Fläche des Ausgleichsgewichts ausgebildet, welche an die Übergangsmaterialkomponente angrenzt, um eine lokale Einwirkung von Wärme auf die Übergangsmaterialkomponente zu verwirklichen, und zu verhindern, daß eine zu große Wärme zu dem Aluminium übertragen wird, um ein unerwünschtes Schmelzen desselben zu verhindern.
Unter Bezugnahme auf die Zeichnung ist in 1 eine Querschnittsansicht der Schichten gezeigt, welche eine Übergangsmaterialkomponente hat. Die Übergangsmaterialkomponente, welche insgesamt mit 10 bezeichnet ist, hat eine erste Fläche 12 und eine zweite Fläche 14. Die Fläche 12 ist Aluminium und die Fläche 14 ist Stahl. Die Übergangsmaterialkomponente 10 weist auch wenigstens zwei und vorzugsweise vier Schichten 16, 18, 20 und 22 auf. Die Schichten 16, 18 und 20 sind Aluminiumschichten unterschiedlicher Sorten. Bei einer bevorzugten Auslegungsform weisen die Schichten 16 und 20 Aluminium 1145 und die Schicht 18 Aluminium 5052 auf. Die vierte Schicht 22 ist eine Stahlschicht, bei der es sich vorzugsweise um einen niedrig gekohlten Stahl, wie Stahl 1008, handelt. Die Gesamtdicke der Übergangsmaterialkomponente 10 kann in einem Bereich von 1,27 bis 1,52 mm (0,050 to 0.060 inches) liegen, und beträgt vorzugsweise 1,52 mm (0,060 inches). Das Verhältnis von Aluminium (Schichten 16, 18 und 20) zu Stahl (Schicht 22) kann variieren von 50% Aluminium und 50% Stahl bis zu einem bevorzugten Verhältnis von 70% Aluminium zu 30% Stahl. Eine Übergangsmaterialkomponente dieser Art ist von Texas Instruments (eingetragene Marke) erhältlich.
Nach den Zeichnungen ermöglicht die Übergangsmaterialkomponente 10 die Anbringung eines Stahlausgleichsgewichts 28 nach den 2A und 2B an einer Aluminiumantriebswelle. Vorzugsweise ist das Stahlausgleichgewicht aus einem niedrig gekohlten Stahl, wie Stahl 1008, hergestellt, d. h. aus dem gleichen Material wie die Schicht 22 der Übergangsmaterialkomponente 10. Wie in 2A gezeigt ist, ist das Ausgleichsgewicht typischerweise rechteckförmig ausgestaltet und kann unterschiedliche Gewichte und Abmessungen haben. Zum Einsatz bei Aluminiumantriebswellen beispielsweise kann die Dicke 36 des Ausgleichsgewichts 28 nach 2B beispielsweise in einem Bereich von 1,65 bis 3,40 mm (0,065 inches bis 1,134 inches) in Abhängigkeit von dem gewünschten Gewicht liegen. In ähnlicher Weise können die Abmessungen des Gegengewichts 28 unterschiedlich sein und in einem Bereich von etwa 15,2 mm auf 15,2 mm (0,6 inches auf 0,6 inches) bis 25,4 mm auf über 50,8 mm (1 inch auf über 2 inches) liegen. Die entsprechenden Gewichtsbereiche liegen etwa von 2,83 g bis 36,9 g (0,1 ounce bis über 1,3 ounces).
Wie ebenfalls in 2B gezeigt ist, ist das Ausgleichsgewicht 28 vorzugsweise gekrümmt ausgebildet und hat einen Radius 38, welcher geringfügig größer als der Radius des Aluminiumrohrs ist, an dem das Ausgleichsgewicht anzubringen ist. Zum Anbringen an ein Aluminiumrohr mit einem Radius von 50,8 mm (2 inches) beispielsweise beträgt der Radius 38 und die Krümmung des Ausgleichsgewichts 28 etwa 62 mm (2,45 inches).
Wie zuvor angegeben ist, beträgt die bevorzugte Dicke der Übergangsmaterialkomponente 10 1,52 mm (0,060 inches), während die entsprechende Dicke des Stahlausgleichgewichts 28 in einem Bereich von 1,65 bis 3,40 mm (0,064 inches bis 0,134 inches) liegen kann. Die Stahlschicht 22 in der Übergangsmaterialkomponente 10 kann daher wesentlich dünner als der Stahl des Ausgleichsgewichts bemessen sein, welches an dem Aluminiumrohr anzubringen ist. Um einen geeigneten Wärmeausgleich zwischen der relativ dünnen Übergangsmaterialkomponente 10 und dem relativ dicken angebrachten Stahlausgleichgewicht 28 zu schaffen, können eine oder mehrere geometrische Gebilde ausgebildet sein, welche nach außen auf der Übergangsmaterialkomponente 10 vorstehen. Das vorspringende geometrische Gebilde 24 wird durch Ausstanzen der Übergangsmaterialkomponente 10 ausgebildet, und steht auf der Stahlfläche 14 der Übergangsmaterialkomponente 10 nach außen vor, wie dies in den 1 und 3A gezeigt ist. Das vorspringende geometrische Gebilde 24 konzentriert die Wärmeerzeugung in dem Stahlausgleichgewicht 28 an der Stahlfläche 14 und verbessert den Wärmeausgleich während des Widerstandsschweißvorgangs, um zu verhindern, daß zu viel Wärme auf die Aluminiumantriebswelle übertragen wird.
Die Übergangsmaterialkomponente 10 wird in Stücke geschnitten, welche dieselben Abmessungen wie das Ausgleichsgewicht 28 haben, welches an dem Aluminiumrohr anzubringen ist. Wie in 3B gezeigt ist, ist die Übergangsmaterialkomponente 10 vorzugsweise gekrümmt ausgebildet und hat einen Radius 14, welcher gleich groß wie der Radius des Aluminiumrohrs ist, an dem die Übergangsmaterialkomponente und das Stahlausgleichgewicht anzubringen sind. Die Oberseite des Vorsprungs 24 an der Übergangsmaterialkomponente 10 sollte jedoch dieselbe Krümmung wie das Stahlausgleichgewicht haben, welches anzubringen ist. Wie zuvor angegeben worden ist, ist das Ausgleichsgewicht 28 mit einem Radius 38 gekrümmt, welcher geringfügig größer als der Radius des Aluminiumrohrs ist. Daher sollte die Krümmung der Oberseite des Vorsprungs 24 einen Radius 42 haben, welcher gleich groß wie der Radius 38 des Ausgleichsgewichts 28 ist. Wie zuvor angegeben ist, hat die Übergangsmaterialkomponente 10 vorzugsweise eine Dicke 44 von 1,52 mm (0,060 inches).
Die geometrische Gestalt des Vorsprungs 24 an der Übergangsmaterialkomponente 10 kann auf unterschiedliche Weise gewählt werden, was von dem Gewicht und den Abmessungen des Stahlausgleichgewichts abhängig ist, welches an der Aluminiumantriebswelle anzubringen ist. Wie in 3A gezeigt ist, ist der Vorsprung 24 vorzugsweise in Form eines Rings ausgestaltet, welcher eine Öffnung 46 in einem Teil des Rings hat. Dieser ”C”-förmige Vorsprung schafft eine zusätzliche Oberfläche für das Schweißen und zugleich wird eine Öffnung freigelassen, über die Gase entweichen können. Während die bevorzugte Gestalt des Vorsprungs in der Übergangsmaterialkomponente 10 ”C”-förmig ausgebildet ist, wie dies in 3A gezeigt ist, kann jedoch die geometrische Gestalt des Vorsprungs auch auf andere Weise, ausgehend von einem Quadrat mit einer Öffnung bis zu mehreren parallelen Linien, ausgebildet sein.
Zusätzliche Einzelheiten der bevorzugten geometrischen Gestaltgebung des Vorsprungs sind in 4 verdeutlicht. 4 ist eine Schnittansicht der Übergangsmaterialkomponente 10 in 3A längs der Linie 4-4 als Materialschnitt. Der Vorsprung 24, welcher aus der Übergangsmaterialkomponente 10 ausgestanzt ist, hat eine Höhe 50 über der Fläche 14 der Übergangsmaterialkomponente, welche 0,71 mm (0,028 inches) beträgt, wobei es sich um eine Standardauslegung für das Vorsprungschweißen handelt. Die Breite 52 des Vorsprungs beträgt vorzugsweise 3,02 mm (0,119 inches), und der mittlere Kraterdurchmesser 54 des ringförmigen Vorsprungs liegt in einem Bereich von 5,08 bis 10,16 mm (0,200 bis 0,400 inches) und bevorzugt beträgt dieser Durchmesser 10,16 mm (0,400 inches).
Vor dem Anbringen des Ausgleichsgewichts an dem Aluminiumrohr oder der Antriebswelle wird die Übergangsmaterialkomponente 10 zuvor mittels Heftschweißen am Ausgleichsgewicht 28 angebracht, wie dies in 5 verdeutlicht ist. Eine Anordnung 60, welche die Übergangsmaterialkomponente 10 und das Ausgleichsgewicht 28 umfaßt, und die mittels Haftschweißen miteinander verbunden sind, wird dann auf das Aluminiumrohr gelegt, und es erfolgt eine Widerstandsschweißung zur Anbindung an die Welle.
Unter Bezugnahme auf 6 ist die Anordnung 60 derart ausgelegt, daß die Fläche 12 der Übergangsmaterialkomponente 10 eine äußere Fläche 32 der Aluminiumantriebswelle 30 berührt, um eine Aluminium-Aluminium-Verbindung zwischen der Aluminiumantriebswelle 30 und der ersten Fläche 12 der Übergangsmaterialkomponente 10, um die während des Widerstandsschweißvorganges verloren gegangene Wärme zu bilden. In ähnlicher Weise kontaktiert die Oberfläche 14 der Übergangsmaterialkomponente 10 eine innere Fläche des Stahlausgleichgewichts 28, um eine Stahl-Stahl-Bindung zwischen dem Stahlausgleichgewicht 28 und der zweiten Fläche der Übergangsmaterialkomponente 10 durch die Wärme zu bilden, die während des Widerstandsschweißvorganges zum Anbringen des Stahlausgleichgewichts 28 erzeugt wird. Das geometrische Gebilde 24 steht von der Fläche 14 der Übergangsmaterialkomponente 10 nach außen in Richtung zu dem Stahlausgleichgewicht 28 vor, um die Wärmeerzeugung in dem Stahlausgleichgewicht 28 an der Stahl-Stahl-Schnittstelle während des Widerstandsschweißvorganges zu konzentrieren.
Um das Ausgleichsgewicht und die Übergangsmaterialkomponente an dem Aluminiumrohr anzuschweißen, werden Kupferelektroden einer Widerstandsschweißvorrichtung auf den gegenüberliegenden Seiten des Aluminiumrohrs angeordnet. Eine Bodenelektrode trägt das Rohr, während eine obere Elektrode einen Druck auf das Ausgleichsgewicht ausübt. Elektrischer Strom wird zwischen den Elektroden durch das Ausgleichsgewicht, die Übergangsmaterialkomponente und das Aluminiumrohr durchgeleitet, um das Schweißen zu bewirken. Der Druck auf das Ausgleichsgewicht wird eine kurze Zeit lang aufrecht erhalten, nachdem der Strom abgeschaltet ist.
Die Parameter, die Kraft und der Strom für das Widerstandsschweißen von Ausgleichsgewicht und Aluminiumantriebswelle variieren in Abhängigkeit von den Abmessungen und der Dicke des Ausgleichsgewichts und der Art des eingesetzten Übergangsmaterials sowie der Form des Vorsprungs der Übergangsmaterialkomponente. Beispielsweise kann sich der Sekundärstrom auf einen Bereich von 18.000 Ampere bis zu 30.000 Ampere belaufen, und die Frequenzen können in einem Bereich von 8 bis 12 liegen. In ähnlicher Weise kann die Kraft auf das Ausgleichsgewicht in einem Bereich von 159 bis 204 kg (350 bis 450 lbs) liegen.
Während des Schweißens bildet die in dem Stahlausgleichgewicht 28 erzeugte Wärme eine Stahl-Stahl-Bindung zwischen dem Ausgleichsgewicht 28 und der Fläche 14 der Übergangsmaterialkomponente 10. Aluminium hat eine wesentlich niedrigere Schmelztemperatur als Stahl, und daher benötigt man wesentlich weniger Wärme, um eine Aluminium-Aluminium- Bindung zwischen der Übergangsmaterialkomponente und der Aluminiumantriebswelle herzustellen. Die bei der Stahl-Stahl-Schweißverbindung verloren gegangene Wärme wird zu dem Aluminium geleitet, um eine Bindung zwischen der Antriebswelle 30 und der Oberfläche 12 der Übergangsmaterialkomponente zu bilden. Der Vorsprung 24, welcher auf der Fläche 14 der Übergangsmaterialkomponente ausgebildet ist, lokalisert die Einwirkung der Wärme auf die Übergangsmaterialkomponente 10 und verhindert eine übermäßige Wärmeübertragung auf die Aluminiumantriebswelle 30, so daß ein unerwünschtes Erschmelzen oder Verwerfen bzw. Verziehen der Aluminiumantriebswelle verhindert wird.
Nach der Erfindung können an Stelle der Vorsprünge an der Übergangsmaterialkomponente durch ein Ausgleichsgewicht an dem Aluminiumrohr durch Einsatz eines Vorsprungs oder Vorsprüngen an der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts angrenzend an die Stahlfläche der Übergangsmaterialkomponente angebracht werden. Eine bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung ist in den 7A, 7B, 7C und 8 dargestellt. Die verschiedenen Abmessungen und Einzelheiten dieser bevorzugten Ausführungsform können, wie zuvor beschrieben, abgesehen von dem Vorsprung oder den Vorsprüngen gewählt sein.
Insbesondere zeigen 7A, 7B und 7C ein Stahlausgleichgewichts 70, welches einen Vorsprung 72 auf der inneren Fläche hat. Das Stahlausgleichgewichts 70 ist rechteckförmig ausgebildet und kann eine Vielzahl von unterschiedlichen Gewichten und Abmessungen haben. Das Ausgleichsgewicht ist vorzugsweise aus einem niedrig gekohlten Stahl hergestellt und es kann sich um denselben Stahl wie die Stahlfläche der Übergangsmaterialkomponente handeln.
Ein geometrisches Gebilde 72, welches von der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts 70 nach außen vorsteht, wird durch Ausstanzen des Ausgleichsgewichts ausgebildet. Ähnlich wie der Vorsprung an der Übergangsmaterialkomponente der vorstehend beschriebenen Art konzentriert der Vorsprung am Stahlausgleichgewicht die Wärmeerzeugung im Ausgleichsgewicht und in der Stahloberfläche der Übergangsmaterialkomponente und verhindert eine übermäßige Wärmeübertragung auf die Aluminiumantriebswelle. Die geometrische Gestalt des Stahlausgleichgewichts kann in verschiedener Weise gewählt werden, und zwar in Abhängigkeit von den Abmessungen und des Gewichts des Aus gleichsgewichts. Wie in 7A gezeigt ist, hat der Vorsprung 72 vorzugsweise die Gestalt eines Rings, obgleich die geometrische Gestalt des Vorsprungs auf vielfache, unterschiedliche Weise gewählt werden kann.
7B ist eine Schnittansicht des Ausgleichsgewichts 70 in 7A längs der Linie 6-6 als Schnittdarstellung des Ausgleichsgewichts. Wie in 7B gezeigt ist, ist das Ausgleichsgewicht 70 vorzugsweise gekrümmt ausgebildet und hat einen Radius 74, welcher geringfügig größer als der Radius des Aluminiumrohrs ist, an dem dieses Ausgleichsgewicht anzubringen ist. Zum Anbringen an einem Aluminiumrohr mit einem Radius von 50,8 mm (2 inches) beispielsweise kann der Radius 74 der Krümmung des Ausgleichsgewichts 70 etwa 62,2 mm (2,45 inches) betragen. Die Oberseite des Vorsprungs 72 an dem Ausgleichsgewicht sollte jedoch die gleiche oder eine nur geringfügig größere Krümmung als die Übergangsmaterialkomponente haben, welche eingesetzt wird, um das Ausgleichsgewicht an dem Aluminiumrohr anzubringen. Wenn daher die Übergangsmaterialkomponente mit einem Radius gekrümmt ist, der etwa gleich groß wie jener des Aluminiumrohrs ist, sollte die Krümmung der Oberseite des Vorsprungs 72 einen Radius 76 haben, der gleich oder etwas größer ist. Der ”mittlere Krater”-Durchmesser 78 des Vorsprungs 72 kann in einem Bereich von beispielsweise 5,0 bis 10,16 mm (0,200 inches bis 0,400 inches) in Abhängigkeit von dem Ausgleichsgewicht liegen.
Weitere Einzelheiten des Vorsprungs 27, welcher an dem Stahlausgleichgewicht 70 ausgebildet ist, sind in 7C gezeigt. Der Vorsprung 72, welcher aus dem Ausgleichsgewichts ausgestanzt ist, hat eine Höhe 80 über der inneren Fläche des Ausgleichsgewichts, die von den Abmessungen und der Dicke des Ausgleichsgewichts abhängig ist, und beispielsweise in einem Bereich von etwa 0,58 bis 0,84 mm (0,023 inches bis 0,033 inches) liegen kann, obgleich auch andere Abmessungsbereiche in Betracht kommen können. Bei der bevorzugten Ausführungsform in 7C beläuft sich die Breite 82 des Vorsprungs 72 auf etwa 2,54 bis 3,05 mm (0,100 bis 0,120 inches).
Die Übergangsmaterialkomponente zum Abringen eines Stahlausgleichgewichts 70 an dem Aluminiumrohr kann zu einem Stück zugeschnitten werden, welches die gleichen Abmessungen wie das Ausgleichsgewicht hat. Die Übergangsmaterialkomponente ist im wesentlichen auf die gleiche Weise wie in den 1, 3A und 3B, abgesehen von den fehlenden Vorsprüngen 24, ausgebildet. Die Übergangsmaterialkomponente ist vorzugsweise mit einem Radius gekrümmt, der gleich groß wie der Radius des Aluminiumrohrs ist, an welchem die Übergangsmaterialkomponente und das Stahlausgleichgewicht anzubringen sind.
Vor dem Anbringen des Ausgleichsgewichts an dem Aluminiumrohr wird die Übergangsmaterialkomponente zuvor mittels Heftschweißens an dem Ausgleichsgewicht angebracht, wie dies in 8 verdeutlicht ist. Die Anordnung 86 umfaßt die Übergangsmaterialkomponente 84 und das Ausgleichsgewicht 70, welche mittels Heftschweißen miteinander verbunden sind, und wird dann auf dem Aluminiumrohr angeordnet, und es erfolgt eine Widerstandsschweißung zur Verbindung mit der Welle, wie dies voranstehend in Verbindung mit 6 erläutert worden ist.
Natürlich sind zahlreiche Abänderungen und Modifikationen im Rahmen des Schutzumfangs der Erfindung möglich.

Claims

Verfahren zum Anbringen eines Stahlausgleichsgewichts (70) an einer rohrförmigen Aluminiumantriebswelle, wobei das Stahlausgleichsgewicht (70) eine innere Fläche und eine äußere Fläche hat, und die Aluminiumantriebswelle eine äußere Fläche hat, die von einer Achse radial wegweist, um die sich die Aluminiumantriebswelle dreht, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: Anordnen einer Übergangsmaterialkomponente (84) zwischen der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle und der inneren Fläche des Stahlausgleichsgewichts (70), wobei die Übergangsmaterialkomponente (84) eine erste, an die innere Fläche des Stahlausgleichsgewichts (70) angrenzende Fläche und eine zweite an die äußere Fläche der Aluminiumantriebswelle angrenzende Fläche hat, wobei die erste Fläche Stahl und die zweite Aluminium ist; und Widerstandsschweißen des Ausgleichsgewichts (70) an die Aluminiumantriebswelle unter Durchleitung eines elektrischen Stroms durch das Ausgleichsgewicht (70), die Übergangsmaterialkomponente (84) und die Aluminiumantriebswelle unter Aufrechterhaltung eines Drucks auf die äußere Fläche des Ausgleichsgewichts (70) gegen die Antriebswelle, wodurch eine Stahl-Stahl-Bindung zwischen der inneren Fläche des Ausgleichsgewichts (70) und der ersten Fläche der Übergangsmaterialkomponente (84) und eine Aluminium-Aluminium-Bindung zwischen der zweiten Fläche der Übergangsmaterialkomponente (84) an der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Anordnung der Übergangsmaterialkomponente (84) zwischen der äußeren Fläche der Aluminiumantriebswelle und der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts (70) ein nach außen weisender Vorsprung (72) auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts (70) ausgebildet wird, und daß die erste und die zweite Fläche ohne nach außen weisende Vorsprünge am zu verschweißenden Bereich ausgebildet sind.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmaterialkomponente (84) wenigstens zwei Schichten hat, welche eine Stahlschicht an der ersten Fläche und eine Aluminiumschicht an der zweiten Fläche umfassen.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmaterialkomponente (84) eine Mehrzahl von Aluminiumschichten aus unterschiedlichen Aluminiumsorten hat.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen weisende Vorsprung (72) in Form eines Rings ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von nach außen weisenden Vorsprüngen (72) auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts (70) vorgesehen ist.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmaterialkomponente (84) an dem Ausgleichsgewicht (70) mittels Heftschweißen angebracht wird, bevor die Widerstandsschweißung von Ausgleichsgewicht (70) und Aluminiumantriebswelle erfolgt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck auf die äußere Fläche des Ausgleichsgewicht (70) gegen die Aluminiumantriebswelle aufrecht erhalten wird, nachdem der Strom abgeschaltet ist.
Metallisches Verbundmaterial, welches derart beschaffen und ausgelegt ist, daß es bei einer rohrförmigen Aluminiumantriebswelle mittels Widerstandsschweißen zum Auswuchten der Aluminiumantriebswelle während einer Drehbewegung angebracht werden kann, wobei die Aluminiumantriebswelle eine äußere Fläche hat, die von einer Achse radial wegweist, um die die Aluminiumantriebswelle eine Drehbewegung ausführt, und welches folgendes aufweist: ein Stahlausgleichgewichts (70), welches eine innere Fläche und eine äußere Fläche hat; eine Übergangsmaterialkomponente (84), welche eine erste Fläche und eine zweite Fläche hat, wobei die erste Fläche Stahl und die zweite Fläche Aluminium ist, und wobei die erste Fläche mittels Heftschweißen an der inneren Fläche des Ausgleichsgewicht (70) anbringbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die innere Fläche des Ausgleichsgewichts (70) einen Vorsprung (72) hat, und daß die ersten und die zweiten Flächen an einem zu verschweißenden Bereich ohne nach außen weisende Vorsprünge ausgebildet sind.
Metallisches Verbundmaterial nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmaterialkomponente (84) wenigstens zwei Schichten hat, welche eine Stahlschicht an der ersten Fläche und eine Aluminiumschicht an der zweiten Fläche umfassen.
Metallisches Verbundmaterial nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmaterialkomponente (84) eine Mehrzahl von Schichten aus unterschiedlichen Aluminiumsorten hat.
Metallisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der nach außen weisende Vorsprung (72) in Form eines Rings ausgebildet ist.
Metallisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mehrzahl von nach außen weisenden Vorsprüngen (72) auf der inneren Fläche des Stahlausgleichgewichts (70) vorgesehen ist.
Metallisches Verbundmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Stahlausgleichgewichts (70) gekrümmt ausgebildet ist, und daß die Krümmung der inneren Fläche des Ausgleichsgewichts (70) einen Radius (74) hat, welcher größer als der Radius der Aluminiumantriebswelle ist.
Metallisches Verbundmaterial nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Übergangsmaterialkomponente (84) gekrümmt ausgebildet ist und daß die Krümmung der zweiten Fläche der Übergangsmaterialkomponente (84) einen Radius hat, welcher gleich groß wie der Radius der Antriebswelle ist.
Metallisches Verbundmaterial nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmung des Vorsprungs (72) auf der ersten Fläche der Übergangsmaterialkomponente (84) einen Radius (76) hat, welcher gleich groß wie der Radius (74) der inneren Fläche des Ausgleichsgewichts (70) ist.