WO2007000264A1 - Achsschenkel für ein kraftfahrzeug - Google Patents

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WO2007000264A1
WO2007000264A1 PCT/EP2006/005884 EP2006005884W WO2007000264A1 WO 2007000264 A1 WO2007000264 A1 WO 2007000264A1 EP 2006005884 W EP2006005884 W EP 2006005884W WO 2007000264 A1 WO2007000264 A1 WO 2007000264A1
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WO
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opening
counterpart
pin member
stub axle
steering knuckle
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/005884
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English (en)
French (fr)
Inventor
Oliver Buchwald
Matthias Dzioba
Tycho Eulenstein
Rudolf Reinhardt
Heiko Steinmetz
Peter Tattermusch
Original Assignee
Daimler Ag
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Filing date
Publication date
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Priority to JP2008517393A priority patent/JP2008546584A/ja
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B62—LAND VEHICLES FOR TRAVELLING OTHERWISE THAN ON RAILS
    • B62D—MOTOR VEHICLES; TRAILERS
    • B62D7/00—Steering linkage; Stub axles or their mountings
    • B62D7/18—Steering knuckles; King pins
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/02—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating by means of a press ; Diffusion bonding
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K2101/00—Articles made by soldering, welding or cutting
    • B23K2101/005—Camshafts

Definitions

  • the invention relates to a steering knuckle according to the preamble of patent claim 1 and to a method for producing a steering knuckle according to claim 12.
  • the steering knuckle receives the wheel and is connected to the vehicle body. If it is a steered wheel, then the body connection via axle guide, and the steering knuckle is pivotable about the steering axis. Furthermore, the steering knuckle on a bearing journal on which the wheel is rotatably mounted by means of bearings. Due to the high RadaufStand methodology it comes to the steering knuckle to a high mechanical stress of the journal at the transition to the bearing contact shoulder, so that the component must be made of a high quality material or local structural changes must be subjected to increase the strength.
  • Known steering knuckles of this type are designed as one-piece components, which are made for example by a forging method of a steel material.
  • these have manufacturing disadvantages, since the forging of such a complex component is associated with high costs for tools and the production.
  • the invention has for its object to propose a steering knuckle and a method for its production, which can withstand the high stresses during operation and can be produced by a cost-effective production.
  • a split stub axle is proposed with a stub axle main body and the bearing pin, which projects through a corresponding cylindrical opening in the stub axle body, wherein the bearing pin comprises a pin member and a counterpart, which are joined together by a pressure welding process within the opening.
  • the complex component knuckle is composed of two individual components, each of which has a simpler geometry and can be manufactured and processed separately prior to assembly. Therefore, the overall component is simpler and cheaper to manufacture.
  • a friction welding method is selected as the pressure welding method. This is particularly well suited for the connection of the rotationally symmetrical components present here (claim 2).
  • the propagation of the welding bead produced during friction welding can be purposefully limited and the weld bead can additionally be used for the mechanical clamping of the steering knuckle body with the journal (Claim 3).
  • journal part has an interference fit with respect to the opening of the steering knuckle main body.
  • stresses introduced during operation in the steering knuckle can be better absorbed and distributed over the length of the opening (claim 4).
  • the steering knuckle body consists of a cast material or, alternatively, is designed as a forged part of an aluminum wrought alloy. Furthermore, there is advantageously the bearing pin made of a steel material.
  • the base body is made of a lightweight material which must not be weldable, while the heavily used pins from a high quality, suitable for additional, the strength in the areas particularly stressed areas locally increasing measures Material consists (claims 5 to 7).
  • the counterpart has a mounting recess on its end face facing away from the opening.
  • At least one projection is provided within the opening, which forms a positive connection during friction welding with the softened material of pin member and / or counterpart.
  • an additional mechanical clamping of the individual components together and a high strength of the steering knuckle is achieved (claim 9).
  • the pin member has a shoulder, with which it rests in the assembly position on an abutment surface adjacent to the opening on the steering knuckle body. Also by this measure, the mechanical clamping of the components is increased (claim 10).
  • the counterpart and / or the journal part have an at least partially frusto-conical geometry with a diameter which narrows towards the joining area. In this way, after the joining of the parts resulting mechanical clamping can be increased (claim 11).
  • a method for producing a steering knuckle from a steering knuckle body with an approximately rotationally symmetrical opening and a bearing journal is proposed.
  • the journal comprises a pin part and a counterpart.
  • the pin part is inserted from one side into the opening.
  • the counterpart is introduced from the other side into the opening and brought with its end face at least partially in contact with the end face of the journal.
  • the counterpart and the pin part are connected inseparably to each other by a pressure welding process inside the opening (claim 12).
  • the counterpart is set in rotation during the friction welding and displaced in the direction of its longitudinal axis, while the pin member remains fixed within the opening.
  • the friction welding can be done by first by rotation, the front areas of counterpart and pin part are softened and then the counterpart and / or the pin member is moved without rotation in the direction of its longitudinal axis until it rests with a frontal contact shoulder on a contact surface on Radyes groundharm. This allows a precise connection of pin member and counterpart with a high load capacity of the connecting portion (claim 15).
  • Fig. 1 is a schematic diagram of the stub axle before assembly and subsequent friction welding
  • Fig. 2 is a schematic diagram of the steering knuckle after friction welding
  • Fig. 3 is a sectional view of the finished stub axle
  • Fig. 4 a steering knuckle on a rigid axle of a motor vehicle
  • Fig. 5 shows a steering knuckle on an independent wheel suspension of a motor vehicle
  • Fig. 6 shows an embodiment of the stub axle with a frustoconical pin part
  • Fig. 7 shows an exemplary embodiment of the steering knuckle with frustum-shaped counterpart as well
  • Fig. 8 shows an embodiment of the steering knuckle with frustum-shaped counterpart and pin member.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of a steering knuckle 1 according to the invention.
  • a steering knuckle 1 takes in a motor vehicle here only indicated indicated wheel 5 of the vehicle to a journal 3 rotatably mounted. Furthermore, the steering knuckle 1 is connected to the body of the vehicle.
  • Fig. 1 shows the divided knuckle 1 in a state before being assembled.
  • the steering knuckle 1 in this state comprises three individual components: First, the steering knuckle main body 7, which is connected to the body and has an approximately rotationally symmetrical opening 9. On a side facing away from the wheel 5 side 15, the opening 9 in the Achsschenkelgrund stresses 7 a widening 17, whose function will be described.
  • the journal 3 in turn is composed of two components: A rotationally symmetrical pin member 11, which represents the actual wheel receptacle, and a counterpart 13. Both components 11,13 have before assembly of the steering knuckle 1 two mutually corresponding end faces 31 and 33.
  • the pin member 11 further comprises an annular shoulder 27 arranged on the circumferential surface.
  • the counterpart 13 has an annular shoulder 41, so that the diameter of the counterpart 13 on the side remote from the wheel 5 exceeds the diameter of the opening 9.
  • AchsschenkelgrundMech 7, pin member 11 and counterpart 13 may consist of different materials:
  • the knuckle main body 7 on the one hand is in this embodiment of a casting material, for example cast iron or spheroidal cast iron (GJS) or an aluminum casting material, but can also be made in any way from a steel material. Furthermore, the steering knuckle body 7 may be made as a forged part of an aluminum wrought alloy.
  • GJS spheroidal cast iron
  • the bearing journal 3 is preferably made of a steel material, which must be suitable for a friction welding process. It is conceivable, for example, a tempered steel or a case-hardened steel material.
  • the two parts of the bearing pin 3 can also consist of two different materials:
  • the pin member 11 is made of a tempered steel, which meets the high demands that are made in the operation of the area of the pin.
  • Favorable here is a material that is subjected to an additional treatment even before the assembly of the items in the most stressed areas, so for example. locally inductively hardened.
  • the counterpart can consist of a good weldable steel material.
  • a typical favorable combination of materials for the bearing journal 3 is, for example, a pin member 11 of 42CrMo4 with a counterpart 13 of St52.
  • the pin member 11 is inserted from one side into the opening 9 and fixed there. This fixation can be done for example via a press fit between the opening 9 and the pin member 11. Alternatively, the pin member 11 can be inserted into the opening 9 until the Shoulder 27 comes into contact with an associated bearing surface 29 on the steering knuckle 7.
  • 13 receptacles are provided, for example, in the rotating counterpart, with which it can be clamped in the friction welding machine.
  • the material of the steering knuckle main body 7 delimiting the opening 9 is bracketed by the two shoulders 27 and 41 surrounding it. This leads to the desired high strength of the entire steering knuckle 1.
  • the weld seam shrinkage is thus used specifically for biasing the steering knuckle 1.
  • an inductive tempering of the welding area may possibly take place via the counterpart 13.
  • the entire steering knuckle may be subjected to furnace tempering.
  • Fig. 2 can also be seen how the welding bead 19 formed during friction welding is received in the widening 17.
  • projection 24 contributes by the positive connection with the softened material 25 in the joining region 26 for mechanical clamping of the components 7,11,13 and serves as rotation of the compound.
  • a plurality of projections can also be provided which further increase the clamping effect. It is also conceivable to provide a generated by a series of projections profile, z. B. knurling.
  • Fig. 3 shows in a detailed sectional view of another embodiment of the friction welding This example differs mainly by the special design of the opening 9 and the adjacent abutment surfaces 29 and 43 and the design of the shoulder 27 of the pin member.
  • This embodiment further provides an angular orientation during friction welding.
  • the counterpart 13 is held in a defined angular position after the rotational movement. In this way, it is possible to selectively place on the counterpart 13 on the side facing away from the opening 9 end face 21 a mounting recess 23 or the like, which can then be used for example as an assembly aid for adjacent components.
  • a rigid axle as a further embodiment. This may be, for example, the live axle of a truck.
  • the connection of the steering knuckle 1 to the body takes place here in the eyes 47 recorded, not shown here, axle.
  • Fig. 5 shows a split stub axle 1 on a steered axle of an independent suspension.
  • the steering knuckle 1 is connected via axle guide, not shown, to the body of the vehicle and mounted pivotably about a steering axle 45.
  • the located on the steering knuckle 1, not shown here wheel 5 is also a through driven as a hollow shaft bearing pin 3 guided drive shaft 46 driven.
  • Fig. 6 shows a further embodiment of the steering knuckle 1.
  • the counterpart 13 has a frusto-conical geometry.
  • the diameter of the counterpart 13 thereby decreases towards the joining region 26.
  • the opening 9 in the steering knuckle body 7 is adapted to the geometry of the counterpart 13.
  • the welding bead 19 is received by a widening 17, which is arranged on the side facing away from the counterpart 13 side of the opening 9.
  • the pin member 11 has, as shown in FIGS. 1 and 2, a shoulder 27, which rests after the welding operation on a corresponding contact surface 29. In this way, a very high mechanical clamping between the connected components 11, 13 and the steering knuckle main body 7 can be achieved.
  • the shoulder 41 on the counterpart 13 can be omitted.
  • FIG. 7 A similar embodiment is shown in FIG. 7.
  • the pin part 11 has a frustoconical geometry.
  • the broadening 17 for the weld bead 19 is again on the side facing away from the pin member 11 side 15 of the opening 9, which accordingly also has a conical region.
  • the shoulder 27 can be omitted on the pin member 11 at a consistently high clamping of the connection.
  • FIG. 8 shows a combination of the two examples.
  • both journal part 11 and counterpart 13 have frustoconical regions, the cross sections of which taper in each case toward the joining region 26.
  • the widening 17 is laid approximately in the middle of the opening and at Spigot 11 and counterpart 13 can be dispensed with the shoulders 27,41.
  • This concept of a divided and connected by friction axle stub axle 1 can therefore be both for steered and unguided and both driven and non-driven wheels of a
  • the stub axle 1 can be designed as a composite component with individual components 7, 11, 13 of different materials, it initially offers weight advantages.
  • the material of the knuckle main body 7 can be optimized from a lightweight construction point of view, since it does not have to meet any requirements with regard to connectivity. It is in this composite concept no direct connection of the material of the knuckle body 7 with that of the journal 3 is required.
  • the individual components 7, 11, 13 have a much simpler geometry than the stub axle 1 as an integral component, they can be optimized with respect to their production.
  • the bearing pin 3 can be made of simple bar stock.
  • the concept also offers installation space technical advantages, since the individual components 7, 11, 13 can be designed separately with regard to the required installation space.
  • the materials of the individual components 7,11,13 can be adapted specifically to the component requirements. So can eg be selected for the steering knuckle body 7, a casting material, which is less sensitive to thermal loads, while the bearing pin 3 can be made of a weldable and heat-treatable material.
  • the design of the steering knuckle 1 as a composite component is a load and cost-oriented optimum.
  • the steering knuckle 1 and the method for its production is not limited to the illustrated embodiments.
  • the stop of the pin member 11 may be designed differently on the steering knuckle 7. Conceivable, for example, the provision of a fit between the two components 7,11 or a non-annular shaped shoulder 27 on the pin member eleventh
  • connection region may deviate from the geometries shown in the exemplary embodiments.
  • connection of the components can also take place with another suitable pressure welding method, for example with a resistance pressure welding method or an ultrasonic welding method.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Achsschenkel (1), welche an einer Fahrzeugkarosserie angebunden ist und einen näherungsweise rotationssymmetrischen Lagerzapfen (3) umfasst, mit welchem ein Rad (5) des Fahrzeugs verbindbar ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Achsschenkels (1). Um einerseits den hohen Bauteilbeanspruchungen gerecht zu werden und andererseits eine möglichst kostengünstige Herstellung des Achsschenkels (1) zu erreichen, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass der Achsschenkel (1) geteilt ausgeführt ist mit einem Achssσhenkelgrundkörper (7) und dem Lagerzapfen (3) , welcher eine entsprechende Öffnung (9) in dem Achsschenkelgrundkörper (7) durchragt, wobei der Lagerzapfen (3) ein Zapfenteil (11) und ein Gegenstück (13) umfasst, welche durch ein Pressschweißverfahren innerhalb der Öffnung (9) miteinander verbunden sind.

Description

Achsschenkel für ein Kraftfahrzeug
Die Erfindung betrifft einen Achsschenkel nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Achsschenkels nach Patentanspruch 12.
In einem Kraftfahrzeug nimmt der Achsschenkel das Rad auf und ist an die Fahrzeugkarosserie angebunden. Handelt es sich um ein gelenktes Rad, so erfolgt die Karosserieanbindung über Achslenker, und der Achsschenkel ist um die Lenkachse schwenkbar. Weiterhin weist der Achsschenkel einen Lagerzapfen auf, an welchem das Rad mittels Lagern drehbar befestigt ist. Aufgrund der hohen RadaufStandkräfte kommt es beim Achsschenkel zu einer hohen mechanischen Beanspruchung des Lagerzapfens am Übergang zur Lageranlageschulter, so dass das Bauteil aus einem hochwertigen Werkstoff gefertigt werden oder lokalen Gefügeveränderungen zur Erhöhung der Beanspruchbarkeit unterzogen werden muss.
Bekannte Achsschenkel dieser Art sind als einstückige Bauteile ausgeführt, die beispielsweise durch ein Schmiedeverfahren aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sind. Diese weisen jedoch fertigungstechnische Nachteile auf, da das Schmieden eines solchen komplexen Bauteils mit hohen Kosten für Werkzeuge und die Herstellung verbunden ist. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Achsschenkel sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung vorzuschlagen, welcher den hohen Beanspruchungen im Betrieb standhalten kann und sich durch eine kostengünstige Fertigung herstellen lässt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Patentansprüche 1 und 12 gelöst.
Danach wird ein geteilter Achsschenkel vorgeschlagen mit einem Achsschenkelgrundkörper und dem Lagerzapfen, welcher eine entsprechende zylindrische Öffnung in dem Achsschenkelgrundkörper durchragt, wobei der Lagerzapfen ein Zapfenteil und ein Gegenstück umfasst, welche durch ein Pressschweißverfahren innerhalb der Öffnung miteinander verbunden sind. So ist das komplexe Bauteil Achsschenkel aus zwei einzelnen Bauteilen zusammengesetzt, die jeweils für sich eine einfachere Geometrie aufweisen und vor dem Zusammenbau getrennt gefertigt und bearbeitet werden können. Daher ist das Gesamtbauteil einfacher und kostengünstiger herzustellen .
Vorteilhafterweise wird als Pressschweißverfahren ein Reibschweißverfahren gewählt. Dies ist besonders gut zur Verbindung der hier vorliegenden rotationssymmetrischen Bauteile geeignet (Anspruch 2) .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist die Öffnung des Achsschenkelgrundkörpers auf der dem Zapfenteil zugewandten Seite eine Verbreiterung zur Aufnahme des Schweißwulstes auf. Auf diese Weise kann die Ausbreitung des beim Reibschweißen entstehenden Schweißwulstes gezielt eingegrenzt und der Schweißwulst zusätzlich für die mechanische Verklammerung des Achsschenkelgrundkörpers mit dem Achszapfen verwendet werden (Anspruch 3 ) .
Vorteilhafterweise weist das Zapfenteil gegenüber der Öffnung des Achsschenkelgrundkörpers eine Presspassung auf. So können die im Betrieb in den Achsschenkel eingeleiteten Beanspruchungen besser aufgenommen und über die Länge der Öffnung verteilt werden (Anspruch 4).
Vorteilhafterweise besteht der Achsschenkelgrundkörper aus einem Gusswerkstoff oder ist alternativ als Schmiedeteil aus einer Aluminium-Knetlegierung ausgeführt. Weiterhin besteht vorteilhaft der Lagerzapfen aus einem Stahlwerkstoff. So kann eine Gewichtsersparung gegenüber einem einstückigen Achsschenkel erzielt werden, indem der Grundkörper aus einem leichten Material hergestellt wird, welches nicht schweißbar sein muss, während der stark beanspruchte Zapfen aus einem hochwertigen, für zusätzliche, die Festigkeit in den besonders beanspruchten Bereichen lokal erhöhende Maßnahmen geeigneten Werkstoff besteht (Ansprüche 5 bis 7).
In einer Ausgestaltung weist das Gegenstück auf seiner von der Öffnung abgewandten Stirnseite eine Montage-Ausnehmung auf. So kann die Geometrie des Achsschenkels dem vorhandenen Bauraum mit einfachen Mitteln optimal angepasst werden (Anspruch 8 ) .
Vorteilhafterweise ist innerhalb der Öffnung wenigstens ein Vorsprung vorgesehen, der beim Reibschweißen mit dem erweichten Material von Zapfenteil und/oder Gegenstück einen Formschluss bildet. Auf diese Weise wird eine zusätzliche mechanische Verklammerung der Einzel-Bauteile miteinander und eine hohe Festigkeit des Achsschenkels erreicht (Anspruch 9) . Es ist vorteilhaft, dass das Zapfenteil eine Schulter aufweist, mit der es in Zusammenbaulage an einer an die Öffnung angrenzenden Anlagefläche am Achsschenkelgrundkörper anliegt. Auch durch diese Maßnahme wird die mechanische Verklammerung der Bauteile erhöht (Anspruch 10) .
Vorteilhafterweise weisen das Gegenstück und / oder das Zapfenteil eine zumindest bereichsweise kegelstumpfförmige Geometrie mit sich zum Fügebereich hin verkleinerndem Durchmesser auf. Auf diese Weise kann die nach dem Verbinden der Teile entstehende mechanische Verklammerung noch erhöht werden (Anspruch 11) .
Weiterhin wird ein Verfahren zum Herstellen eines Achsschenkels aus einem Achsschenkelgrundkörper mit einer näherungsweise rotationssymmetrischen Öffnung und einem Lagerzapfen vorgeschlagen. Der Lagerzapfen umfasst ein Zapfenteil und ein Gegenstück. Zunächst wird das Zapfenteil von einer Seite in die Öffnung eingesetzt. Danach wird von der anderen Seite das Gegenstück in die Öffnung eingebracht und mit seiner Stirnfläche zumindest bereichsweise in Kontakt mit der Stirnfläche des Lagerzapfens gebracht. Im letzten Verfahrensschritt werden Gegenstück und Zapfenteil durch ein Pressschweißverfahren innerhalb der Öffnung unlösbar miteinander verbunden (Anspruch 12) .
In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird während des Reibschweißens das Gegenstück in Rotation versetzt und in Richtung seiner Längsachse verschoben, während das Zapfenteil innerhalb der Öffnung fixiert bleibt. So wird zum einen eine einfache Verfahrensführung realisiert, da nur ein Bauteil mit einer einfachen Geometrie in Rotation versetzt werden muss. Zum anderen kann so das Zapfenteil schon vor dem Reibschweißen in die Öffnung eingepresst werden (Anspruch 14 ) .
Weiterhin kann das Reibschweißen erfolgen, indem zunächst durch Rotation die Stirnbereiche von Gegenstück und Zapfenteil erweicht werden und dann das Gegenstück und/oder das Zapfenteil ohne Rotationsbewegung in Richtung seiner Längsachse verschoben wird, bis es mit einer stirnseitigen Anlageschulter an einer Anlagefläche am Radträgergrundkörper anliegt. Dies ermöglicht eine präzise Verbindung von Zapfenteil und Gegenstück mit einer hohen Beanspruchbarkeit des Verbindungsbereichs (Anspruch 15).
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand mehrerer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen
Fig . 1 eine Prinzipskizze des Achsschenkels vor dem Zusammenbau und dem anschließenden Reibschweißen,
Fig . 2 eine Prinzipskizze des Achsschenkels nach dem Reibschweißen,
Fig . 3 eine Schnittdarstellung des fertigen Achsschenkels,
Fig . 4 einen Achsschenkel an einer Starrachse eines Kraftfahrzeugs,
Fig . 5 einen Achsschenkel an einer Einzelradaufhängung eines Kraftfahrzeugs,
Fig . 6 ein Ausführungsbeispiel des Achsschenkels mit kegelstumpfförmigem Zapfenteil,
Fig . 7 ein Ausführungsbeispiel des Achsschenkels mit kegelstumpfförmigem Gegenstück sowie
Fig. 8 ein Ausführungsbeispiel des Achsschenkels mit kegelstumpfförmigem Gegenstück und Zapfenteil.
Fig. 1 zeigt eine Prinzipdarstellung eines erfindungsgemäßen Achsschenkels 1. Ein Achsschenkel 1 nimmt in einem Kraftfahrzeug ein hier nur angedeutet dargestelltes Rad 5 des Fahrzeuges an einem Lagerzapfen 3 drehbar gelagert auf. Weiterhin ist der Achsschenkel 1 an der Karosserie des Fahrzeugs angebunden. Fig. 1 zeigt den geteilten Achsschenkel 1 in einem Zustand vor seinem Zusammenbau. Der Achsschenkel 1 umfasst in diesem Zustand drei einzelne Bauteile: Zunächst den Achsschenkelgrundkörper 7, welcher an der Karosserie angebunden ist und eine näherungsweise rotationssymmetrische Öffnung 9 aufweist. In dieser Öffnung 9 befindet sich im Zusammenbauzustand der Lagerzapfen 3. Auf einer vom Rad 5 abgewandten Seite 15 weist die Öffnung 9 im Achsschenkelgrundkörper 7 eine Verbreiterung 17 auf, deren Funktion noch beschrieben werden wird.
Der Lagerzapfen 3 wiederum ist aus zwei Bauteilen zusammengesetzt: Einem rotationssymmetrischen Zapfenteil 11, welches die eigentliche Radaufnahme darstellt, und einem Gegenstück 13. Beide Bauteile 11,13 weisen vor dem Zusammenbau des Achsschenkels 1 zwei einander entsprechende Stirnflächen 31 und 33 auf. In dieser Ausgestaltung weist das Zapfenteil 11 weiterhin eine an der Umfangsflache angeordnete ringförmige Schulter 27 auf. Auch das Gegenstück 13 weist eine ringförmige Schulter 41 auf, so dass der Durchmesser des Gegenstücks 13 an der vom Rad 5 abgewandten Seite den Durchmesser der Öffnung 9 überschreitet.
Die drei Bauteile Achsschenkelgrundkörper 7, Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 können aus unterschiedlichen Materialien bestehen :
Der Achsschenkelgrundkörper 7 zum einen ist in diesem Ausführungsbeispiel aus einem Gussmaterial, beispielsweise aus Grauguss oder Sphäroguss (GJS) oder einem Aluminiumgusswerkstoff, kann aber auch auf beliebige Weise aus einem Stahlwerkstoff hergestellt sein. Weiterhin kann der Achsschenkelgrundkörper 7 als Schmiedeteil aus einer Aluminiumknetlegierung hergestellt sein.
Der Lagerzapfen 3 besteht vorzugsweise aus einem Stahlwerkstoff, welcher für ein Reibschweißverfahren geeignet sein muss. Denkbar ist beispielsweise ein Vergütungsstahl oder ein einsatzgehärteter Stahlwerkstoff.
Die beiden Teile des Lagerzapfens 3 können dabei ebenso aus zwei verschiedenen Materialien bestehen: Das Zapfenteil 11 ist aus einem vergütetem Stahl, welcher den hohen Anforderungen genügt, die im Betrieb an den Bereich des Zapfens gestellt werden. Günstig ist hier ein Werkstoff, der schon vor dem Zusammenbau der Einzelteile an den besonders beanspruchten Stellen einer zusätzlichen Behandlung unterzogen werden, also z.B. lokal induktiv gehärtet werden kann. Dahingegen kann das Gegenstück aus einem gut schweißbaren Stahlwerkstoff bestehen. Eine typische günstige Werkstoffkombination für den Lagerzapfen 3 ist beispielsweise ein Zapfenteil 11 aus 42CrMo4 mit einem Gegenstück 13 aus St52.
Das Verfahren zum Herstellen des Achsschenkels 1 läuft nun beispielhaft in den folgenden Schritten ab:
Zunächst wird das Zapfenteil 11 von einer Seite in die Öffnung 9 eingelegt und dort fixiert. Diese Fixierung kann beispielsweise über eine Presspassung zwischen der Öffnung 9 und dem Zapfenteil 11 erfolgen. Alternativ kann das Zapfenteil 11 in die Öffnung 9 eingeschoben werden, bis die Schulter 27 in Kontakt mit einer zugeordneten Anlagefläche 29 auf dem Achsschenkelgrundkörper 7 tritt.
In diesem Ausführungsbeispiel werden anschließend der Achsschenkelgrundkörper 7 sowie das Zapfenteil 11 drehfest fixiert .
Von der anderen Seite wird nun das Gegenstück 13 in die Öffnung 9 eingebracht, bis es mit seiner Stirnfläche 33 in Kontakt mit der Stirnfläche 31 des Zapfenteils 11 tritt. Nun wird ein Reibschweißverfahren durchgeführt, indem das Gegenstück 13 unter gleichzeitigem Druck in Richtung seiner Längsachse 35 in Rotation versetzt wird. Dadurch wird das Material in den einander zugewandten Stirnbereichen 39,37 von Gegenstück 13 und Zapfenteil 11 erweicht, und die beiden Bauteile 11, 13 beginnen sich miteinander zu verbinden.
Zur Durchführung des Reibschweißens in einer Reibschweißmaschine sind beispielsweise in dem rotierenden Gegenstück 13 Aufnahmen vorgesehen, mit denen es in die Reibschweißmaschine eingespannt werden kann.
Nachdem durch die Rotation und den Druck das Material in den Stirnbereichen 37,39 von Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 genügend erweicht ist und sich in einem teigigen Zustand befindet, wird die Rotationsbewegung gestoppt, und es wird nur noch eine reine, stauchende Translationsbewegung in Richtung der Längsachse 35 des Gegenstücks 13 durchgeführt. Diese Bewegung endet zu dem Zeitpunkt, an dem die Schulter 41 des Gegenstücks 13 mit einer zugeordneten Anlagefläche 43 auf dem Achsschenkelgrundkörper 7 in Kontakt tritt. Die Bauteile 11, 13 werden also im Fügebereich 26 gestaucht, bis ein definierter Anschlag erreicht ist. Fig. 2 zeigt den fertigen Achsschenkel 1 nach der Beendigung des Reibschweißverfahrens. Durch die Abkühlung ziehen sich die durch die Reibschweißung erweichten Materialien 25 von Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 im Fügebereich 26 zusammen. Durch diese Materialschrumpfung wird das die Öffnung 9 begrenzende Material des Achsschenkelgrundkörpers 7 durch die beiden es umgebenden Schultern 27 sowie 41 eingeklammert. Das führt zu der gewünschten hohen Festigkeit des gesamten Achsschenkels 1. Die Schweißnahtschrumpfung wird also gezielt zur Vorspannung des Achsschenkels 1 eingesetzt.
Zur Reduktion einer unerwünschten Aufhärtung im Schweißbereich kann über das Gegenstück 13 gegebenenfalls ein induktives Anlassen des Schweißbereichs erfolgen. Alternativ kann der gesamte Achsschenkel einem Ofenanlassen unterzogen werden.
In Fig. 2 ist weiterhin zu erkennen, wie der beim Reibschweißen entstehende Schweißwulst 19 in der Verbreiterung 17 aufgenommen wird. Ein in diesem Ausführungsbeispiel zusätzlich in der Verbreiterung 17 vorgesehener Vorsprung 24 trägt durch den Formschluss mit dem erweichten Material 25 im Fügebereich 26 zur mechanischen Verklammerung der Bauteile 7,11,13 bei und dient als Verdrehsicherung der Verbindung.
Neben dem in Fig. 2 dargestellten einzelnen Vorsprung 24 können auch mehrere Vorsprünge vorgesehen werden, die den Verklammerungseffekt noch erhöhen. Denkbar ist auch, ein durch eine Reihe von Vorsprüngen erzeugtes Profil vorzusehen, z. B. eine Rändelung.
Fig. 3 zeigt in einer detaillierten Schnittansicht ein weiteres Ausführungsbeispiel des durch das Reibschweißen hergestellten Achsschenkels 1. Dieses Beispiel unterscheidet sich vor allem durch die spezielle Ausgestaltung der Öffnung 9 und der daran angrenzenden Anlageflächen 29 sowie 43 sowie die Gestaltung der Schulter 27 des Zapfenteils.
In diesem Ausführungsbeispiel erfolgt die
Reibschweißverbindung zwischen Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 nicht flächig, sondern nur in einem, durch entsprechende Aussparungen 48,48' erzeugten, ringförmigen Randbereich 49 der Stirnflächen 31 und 33.
Diese Ausführungsform sieht weiterhin beim Reibschweißen eine Winkelorientierung vor. Dabei wird das Gegenstück 13 nach der Rotationsbewegung in einer definierten Winkelposition gehalten. Auf diese Weise ist es möglich, am Gegenstück 13 an der von der Öffnung 9 abgewandten Stirnseite 21 gezielt eine Montageausnehmung 23 oder ähnliches zu platzieren, die dann beispielsweise als Montagehilfe für benachbarte Bauteile genutzt werden kann.
In Fig. 4 ist als weiteres Ausführungsbeispiel der Einsatz des geteilten Achsschenkels 1 an einer Starrachse dargestellt. Hierbei kann es sich beispielsweise um die Starrachse eines Lastkraftwagens handeln. Die Anbindung des Achsschenkels 1 an die Karosserie erfolgt hier über in den Augen 47 aufgenommenen, hier nicht dargestellten, Achsbolzen.
Fig. 5 zeigt hingegen einen geteilten Achsschenkel 1 an einer gelenkten Achse einer Einzelradaufhängung. Hier ist der Achsschenkel 1 über nicht dargestellte Achslenker an der Karosserie des Fahrzeugs angebunden und um eine Lenkachse 45 schwenkbar gelagert. Das am Achsschenkel 1 befindliche, hier nicht dargestellte Rad 5 ist darüber hinaus durch eine durch den als Hohlwelle ausgeführten Lagerzapfen 3 geführte Antriebswelle 46 angetrieben.
Fig. 6 zeigt eine weitere Ausführungsform des Achsschenkels 1. Gleiche Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Im Unterschied zu den oben dargestellten Beispielen weist hier das Gegenstück 13 eine kegelstumpfförmige Geometrie auf. Der Durchmesser des Gegenstücks 13 nimmt dabei zum Fügebereich 26 hin ab. Die Öffnung 9 im Achsschenkelgrundkörper 7 ist dabei an die Geometrie des Gegenstücks 13 angepasst. Hier wird der Schweißwulst 19 von einer Verbreiterung 17 aufgenommen, die auf der vom Gegenstück 13 abgewandten Seite der Öffnung 9 angeordnet ist. Das Zapfenteil 11 weist wie in Fig. 1 und 2 eine Schulter 27 auf, die nach dem Schweißvorgang an einer entsprechenden Anlagefläche 29 anliegt. Auf diese Weise kann eine sehr hohe mechanische Verklammerung zwischen den verbundenen Bauteilen 11,13 und dem Achsschenkelgrundkörper 7 erzielt werden. Die Schulter 41 am Gegenstück 13 kann entfallen.
Eine ähnliche Ausführungsform zeigt Fig. 7. Hier weist das Zapfenteil 11 eine kegelstumpfförmige Geometrie auf. Die Verbreiterung 17 für den Schweißwulst 19 liegt wieder auf der dem Zapfenteil 11 abgewandten Seite 15 der Öffnung 9, die dementsprechend auch einen kegelförmigen Bereich aufweist. So kann die Schulter 27 am Zapfenteil 11 bei einer gleich bleibend hohen Verklammerung der Verbindung entfallen.
Eine Kombination der beiden Beispiele zeigt Fig. 8. Hier weisen sowohl Zapfenteil 11 als auch Gegenstück 13 kegelstumpfförmige Bereiche auf, deren Querschnitte sich jeweils zum Fügebereich 26 hin verjüngen. Die Verbreiterung 17 ist etwa in die Mitte der Öffnung hin verlegt und bei Zapfenteil 11 und Gegenstück 13 kann auf die Schultern 27,41 verzichtet werden.
Dieses Konzept eines geteilten und durch Reibschweißen verbundenen Achsschenkels 1 lässt sich also sowohl für gelenkte als auch für ungelenkte und sowohl für angetriebene als auch für nicht angetriebene Räder einer
Einzelradaufhängung oder einer Starrachse bei Lastkraftwagen und bei Personenkraftwagen gleichermaßen einsetzen. Weiterhin ist das Konzept sowohl für Hinterachs-Konzepte als auch für Vorderachsen einsetzbar.
Dadurch, dass der Achsschenkel 1 als Verbundbauteil mit Einzel-Bauteilen 7,11,13 aus verschiedenen Materialien gestaltet werden kann, bietet er zunächst Gewichtsvorteile. Das Material des Achsschenkelgrundkörpers 7 kann unter Leichtbaugesichtspunkten optimiert werden kann, da es keine Anforderungen in Bezug auf Verbindbarkeit erfüllen muss. Es ist bei diesem Verbundkonzept keine direkte Verbindung des Werkstoffs des Achsschenkelgrundkörpers 7 mit dem des Lagerzapfens 3 erforderlich.
Weiterhin können die Einzelbauteile 7,11,13, da sie eine weit einfachere Geometrie aufweisen, als der Achsschenkel 1 als einstückiges Bauteil, in Bezug auf ihre Fertigung optimiert werden. Beispielsweise kann der Lagerzapfen 3 aus einfachem Stangenmaterial gefertigt werden.
Weiterhin bietet das Konzept auch bauraumtechnische Vorteile, da die Einzelbauteile 7,11,13 in Bezug auf den benötigten Bauraum getrennt ausgelegt werden können.
Die Werkstoffe der Einzelbauteile 7,11,13 können spezifisch auf die Bauteilanforderungen angepasst werden. So kann z.B. für den Achsschenkelgrundkörper 7 ein Gusswerkstoff gewählt werden, der unempfindlicher gegenüber thermischen Belastungen ist, während der Lagerzapfen 3 aus einem schweißbaren sowie vergütbaren Werkstoff gefertigt werden kann.
Insofern stellt die Auslegung des Achsschenkels 1 als Verbundbauteil ein belastungs- und kostenorientiertes Optimum dar .
Der Achsschenkel 1 und das Verfahren zu seiner Herstellung ist nicht beschränkt auf die dargestellten Ausführungsbeispiele .
Zunächst kann der Anschlag des Zapfenteils 11 am Achsschenkelgrundkörper 7 auch anders gestaltet sein. Denkbar sind beispielsweise das Vorsehen einer Passung zwischen den beiden Bauteilen 7,11 oder eine nicht ringförmig gestaltete Schulter 27 am Zapfenteil 11.
Allgemein kann die Gestaltung des Verbindungsbereichs von den in den Ausführungsbeispielen gezeigten Geometrien abweichen.
Im Gegensatz zu der oben beschriebenen Verfahrensführung ist es auch möglich, beim Reibschweißen das Gegenstück 13 zu fixieren und das Zapfenteil 11 rotieren zu lassen. Dann könnte das Gegenstück 13 zunächst in die Öffnung 9 eingepresst werden und im nächsten Schritt das Zapfenteil aufgeschweißt werden.
Neben denen in den Ausführungsbeispielen dargestellten Reibschweißverfahren kann die Verbindung der Bauteile auch mit einem anderen geeigneten Pressschweißverfahren erfolgen, beispielsweise mit einem Widerstandspressschweißverfahren oder ein Ultraschallschweißverfahren.

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
1. Achsschenkel (1), welcher an einer Karosserie eines Fahrzeugs angebunden ist und einen näherungsweise rotationssymmetrischen Lagerzapfen (3) umfasst, mit welchem ein Rad (5) des Fahrzeugs verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsschenkel (1) geteilt ausgeführt ist mit einem Achsschenkelgrundkörper (7) und dem Lagerzapfen (3), welcher eine entsprechende Öffnung (9) in dem Achsschenkelgrundkörper (7) durchragt, wobei der Lagerzapfen (3) ein Zapfenteil (11) und ein Gegenstück (13) umfasst, welche durch ein Pressschweißverfahren innerhalb der Öffnung (9) miteinander verbunden sind.
2. Achsschenkel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Pressschweißverfahren ein Reibschweißverfahren zum Einsatz kommt.
3. Achsschenkel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (9) des Achsschenkelgrundkörpers (11) auf der dem Zapfenteil (11) abgewandten Seite (15) eine Verbreiterung (17) zur Aufnahme des Schweißwulstes (19) aufweist .
4. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenteil (11) gegenüber der Öffnung (9) des Achsschenkelgrundkörpers (7) eine Presspassung aufweist.
5. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsschenkelgrundkörper (7) aus einem Gusswerkstoff besteht .
6. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Achsschenkelgrundkörper (7) ein Schmiedeteil aus einer Aluminiumknetlegierung ist.
7. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Lagerzapfen (3) aus einem Stahlwerkstoff besteht.
8. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenstück (13) auf seiner von der Öffnung (9) abgewandten Stirnseite (21) eine Montage-Ausnehmung (23) aufweist .
9. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Öffnung (9) wenigstens ein Vorsprung (24) vorgesehen ist, der beim Reibschweißen mit dem erweichten Material (25) von Zapfenteil (11) und/oder Gegenstück (13) einen Formschluss bildet.
10. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Zapfenteil (11) eine Schulter (27) aufweist, mit der es in Zusammenbaulage an einer an die Öffnung (9) angrenzenden Anlagefläche (29) am Achsschenkelgrundkörper (7) anliegt.
11. Achsschenkel nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Gegenstück (13) und/oder das Zapfenteil (11) eine mindestens bereichsweise kegelstumpfförmige Geometrie mit sich zum Fügebereich (26) verringerndem Durchmesser aufweisen .
12. Verfahren zum Herstellen eines Achsschenkels (1) aus einem Achsschenkelgrundkörper (7) mit einer näherungsweise rotationssymmetrischen Öffnung (9) und einem Lagerzapfen (3), welcher ein Zapfenteil (11) und ein Gegenstück (13) umfasst, mit den folgenden Verfahrensschritten:
- das Zapfenteil (11) wird von einer Seite in die Öffnung (9) eingesetzt,
- von der anderen Seite wird das Gegenstück (13) in die Öffnung (9) eingebracht und mit seiner Stirnfläche
(33) zumindest bereichsweise in Kontakt mit der Stirnfläche (31) des Lagerzapfens (3) gebracht, und
- Gegenstück (13) und Zapfenteil (11) werden durch ein Pressschweißverfahren innerhalb der Öffnung (9) unlösbar miteinander verbunden.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass als Pressschweißverfahren ein Reibschweißverfahren verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass während des Reibschweißens das Gegenstück (13) in Rotation versetzt und in Richtung seiner Längsachse (35) verschoben wird, während das Zapfenteil (11) innerhalb der Öffnung (9) fixiert bleibt.
15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Reibschweißen erfolgt, indem zunächst durch Rotation die Stirnbereiche (37,39) von Zapfenteil (11) und Gegenstück (13) erweicht werden und dann das Gegenstück (13) und/oder das Zapfenteil (11) ohne Rotationsbewegung in Richtung seiner Längsachse (35) verschoben wird, bis es mit einer stirnseitigen Anlageschulter (41) bzw. (27) an einer zugeordneten Anlagefläche (43) bzw. (29) am Achsschenkelgrundkörper (7) anliegt.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Reibschweißen das Zapfenteil (11) oder das Gegenstück (13) in die Öffnung (9) eingepresst wird.
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