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Die Erfindung betrifft ein Konstruktionselement mit reibungserhöhender Oberfläche, dessen Verwendung in einer Fügeverbindung sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Pressverbindungen sind an sich aus dem Stand der Technik bekannt. Heutige Anforderungen führen dazu, dass auf immer kleinerem Bauraum möglichst hohe Kräfte beziehungsweise Momente übertragen werden müssen. Zu Optimierung der Pressverbindung wird beispielsweise die Kontaktfläche mindestens eines Fügepartners mit einer reibungserhöhenden Struktur versehen. So offenbart die
DE 10 2005 062 522 A1 ein Verfahren zu kraftschlüssigen Verbindung der Stirnflächen zweier Maschinenbauteile zur Übertragung hoher Drehmomente oder Querkräfte durch Aufbringung von Erhebungen auf einer der zu verbindenden Flächen.
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Aus dem Stand der Technik ist ferner bekannt, zwischen die zu fügenden Partner ein Zwischenelement mit speziellen Eigenschaften zu bringen. In der
EP 0 961 038 B1 ist ein solches Zwischenelement beschrieben. Hierbei handelt es sich um einen Werkstoffverbund, der aus einer dünnen federelastischen Folie besteht, auf deren Oberfläche Hartstoffpartikel anderer chemischer Zusammensetzung als die der Folie aufgebracht sind.
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Nachteilig bei der Verwendung von Konstruktionselementen mit hartstoffpartikelbelegter Oberfläche sind die relativ hohen Kosten zur Herstellung solcher Bauteile. Solche Konstruktionselemente bestehen aus einem Werkstoffverbund. Zu dessen Erzeugung müssen ein metallisches Trägermaterial sowie feine Hartstoffpartikel bereitgestellt werden. Anschließend müssen Trägermaterial und Hartstoffpartikel in einem aufwändigen Prozess, beispielsweise einer Art Beschichtungsprozess, miteinander verbunden werden, so dass diese Partikel festhaftend sind.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein im Vergleich zum bekannten Stand der Technik kostengünstiges Konstruktionselement zur reibungserhöhenden Verbindung von zu fügenden Werkstücken bereitzustellen. Ebenso ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Fügeverbindung unter Zuhilfenahme dieses Konstruktionselements bereitzustellen sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Konstruktionselements aufzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird durch ein Konstruktionselement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2 sowie eine Fügeverbindung unter Zuhilfenahme des Konstruktionselements nach Anspruch 7 sowie ein Verfahren zu Herstellung eines solchen Konstruktionselements nach Anspruch 9 gelöst.
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Um ein Konstruktionselement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders kostengünstige Realisierung einer hochbelasteten Fügeverbindung möglich ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das Konstruktionselement Bohrungen, insbesondere eine Vielzahl von Bohrungen aufweist, welche auf einer Seitenfläche oder insbesondere auf beiden Seitenflächen des Konstruktionselements Materialaufwürfe aufweist, welche zumindest im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie das Konstruktionselement bestehen. Mit dem Begriff Materialaufwurf sind auch Grate, Materialanschmelzungen, Materialaufschmelzungen oder ähnliche Strukturen gemeint.
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Um ein Konstruktionselement der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art derart weiterzuentwickeln, dass eine besonders kostengünstige Realisierung einer hochbelasteten Fügeverbindung möglich ist, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass ein Konstruktionselement alternativ oder zusätzlich zu Bohrungen Oberflächenstrukturen auf einer Seitenfläche oder insbesondere auf beiden Seitenflächen aufweist. Diese Oberflächenstrukturen bestehen dabei zumindest im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie das Konstruktionselement.
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Dieses Konstruktionselement ist somit auf einer Seitenfläche oder vorteilhafter Weise auf beiden Seitenflächen mit reibungserhöhenden Materialaufwürfen und/oder reibungserhöhenden Oberflächenstrukturen versehen. Da diese reibungserhöhenden Strukturen aus dem gleichen Material wie das Konstruktionselement selbst bestehen, also kein Werkstoffverbund bestehend aus unterschiedlichen Materialien hergestellt werden muss, ist dieses Konstruktionselement relativ günstig in der Herstellung.
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Die Bohrungen werden so in das Konstruktionselement eingebracht, dass an Bereichen um die Bohrungseintritte Materialaufwürfe erzeugt werden. Vorteilhafterweise durchdringen die Bohrungen die gesamte Wandstärke des Konstruktionselements. In diesem Fall werden Materialaufwürfe an den Bereichen um die Bohrungseintritte und/oder den Bereichen um die Bohrungsaustritte erzeugt.
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Insbesondere ist es vorteilhaft, dass die Einbringung diese Bohrungen mit Hilfe eines Strahlverfahrens erfolgt. Besonders bevorzugt ist dabei die Verwendung eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls, da auf Grund der hohen Prozessgeschwindigkeit die Bohrung in kurzer Zeit und daher besonders kostengünstig dargestellt werden können.
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Alternativ oder zusätzlich ist es grundsätzlich möglich, diese Bohrungen auch mechanisch einzubringen.
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Die Erzeugung von Oberflächenstrukturen auf einer Seitenfläche oder auf beiden Seitenflächen erfolgt bevorzugt mit Hilfe eines Energiestrahls, insbesondere eines Laserstrahls oder eines Elektronenstrahls. Die hohe Prozessgeschwindigkeit zur Ausbildung dieser Strukturen erlaubt eine kostengünstige Herstellung solcher Konstruktionselemente. Ganz besonders vorteilhaft ist, dass die resultierende Geometrie und insbesondere die Härte dieser erzeugten Oberflächenstrukturen nicht an die Grundmaterialien der zu fügenden Partner gebunden sind sondern vom gewählten Material des Konstruktionselements abhängen.
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Alternativ oder zusätzlich ist es grundsätzlich möglich, Oberflächenstrukturen auch mechanisch einzubringen.
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Um eine besonders stabile Fügeverbindung der in Patentanspruch 7 angegebenen Art darzustellen, ist es erfindungsgemäß vorgesehen, das erfindungsgemäße Konstruktionselement zwischen die mindestens zwei Fügepartner zu platzieren. Das Konstruktionselement muss nicht zwangsläufig die Größe der Kontaktfläche der mindestens zwei Fügepartner aufweisen, sondern kann auch kleiner oder größer sein.
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Besonders vorteilhaft ist es, die Fügeverbindung in Form eines Stirnpressverbandes auszuführen. Ferner ist es möglich, mit Hilfe dieses Konstruktionselements relativ einfach einen stabilen Querpressverband herzustellen.
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Zur Herstellung eines Konstruktionselements nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 und/oder nach der im Oberbegriff des Patentanspruchs 2 angegebenen Art ist es gemäß Anspruch 9 in bevorzugter Weise vorgesehen, mindestens eine Strahlquelle, insbesondere mindestens eine Laserstrahlquelle und/oder mindestens eine Elektronenstrahlquelle zu verwenden. Die Strahlbearbeitung kann dabei die Schritte Herstellung der Bohrungen und/oder die Ausbildung der Oberflächenstrukturierung einer Seitenfläche oder beider Seitenflächen und/oder die zumindest abschnittsweise Erzeugung der Außenkontur des Konstruktionselements und/oder die zumindest abschnittsweise Erzeugung der Innenkontur des Konstruktionselements umfassen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 Eine schematische Darstellung zweier Fügepartner vor dem Fügeprozess mit zwischen den Fügepartnern positioniertem Konstruktionselement,
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2 eine schematische Darstellung einer Fügeverbindung mit zwei Fügepartnern und mit zwischen den Fügepartnern positioniertem Konstruktionselement nach dem Fügeprozess,
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3 eine schematische Darstellung des Konstruktionselements mit Blick auf eine Seitenfläche,
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4 eine alternative schematische Darstellung des Konstruktionselements mit Blick auf eine Seitenfläche,
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5 eine alternative schematische Darstellung des Konstruktionselements mit Blick auf eine Seitenfläche,
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6 eine alternative schematische Darstellung des Konstruktionselements mit Blick auf eine Seitenfläche,
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7 eine schematische Darstellung eines Konstruktionselementes sowohl mit Blick auf eine Seitenfläche als auch senkrecht dazu mit angedeuteten Oberflächenstrukturen auf einer Seitenfläche,
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8 eine schematische Darstellung eines alternativen Konstruktionselementes sowohl mit Blick auf eine Seitenfläche als auch senkrecht dazu mit angedeuteten Oberflächenstrukturen auf beiden Seitenflächen,
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9 eine schematische Darstellung eines alternativen Konstruktionselementes sowohl mit Blick auf eine Seitenfläche als auch senkrecht dazu mit angedeuteten Bohrungen und Materialaufwürfen auf einer Seitenfläche,
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10 eine schematische Darstellung eines alternativen Konstruktionselementes sowohl mit Blick auf eine Seitenfläche als auch senkrecht dazu mit angedeuteten Bohrungen und Materialaufwürfen auf beiden Seitenflächen sowie
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11 eine schematische Darstellung eines alternativen Konstruktionselementes sowohl mit Blick auf eine Seitenfläche als auch senkrecht dazu mit angedeuteten Oberflächenstrukturen sowie Bohrungen und Materialaufwürfen.
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In den Figuren sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt in einer schematischen Seitenansicht zwei Fügepartner 20, 30 mit einem dazwischen positionierten Konstruktionselement 40. Die zu realisierende Fügeverbindung 10 ist in 1 noch nicht hergestellt. In 2 ist eine Fügeverbindung 10 schematisch dargestellt. Dabei entsprechen die 1 und 2 exemplarisch einem Stirnpressverband. Gleichermaßen sind erfindungsgemäß auch andere Anordnungen, beispielsweise ein Querpressverband, denkbar.
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In 1 weisen die Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30 sowie das Konstruktionselement 40 im Wesentlichen die gleiche Größe auf. Das Konstruktionselement 40 liegt beispielsweise in Form einer Scheibe, einer Platte oder einer Folie vor. Das Konstruktionselement 40 kann, wie in 1 schematisch dargestellt, eine im Wesentlichen über das ganze Bauteil konstante Dicke d aufweisen, oder aber auch eine ungleichmäßige Dicke d aufweisen. Das Konstruktionselement 40 weist eine Dicke von bis zu 10 mm auf, insbesondere ist die Dicke d kleiner als 1 mm und ganz insbesondere kleiner als 0,3 mm. Mit anderen Worten kann auch eine Folie, beispielsweise eine metallische Folie verwendet werden. Die zu 1 getroffenen Aussagen bezüglich der Dicke d und der Form und Außenkontur des Konstruktionselements 40 gelten sinngemäß auch für die nachfolgenden Figuren. In 1 sind ferner die Seitenflächen 41 und 41' des Konstruktionselements dargestellt.
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In den schematischen Darstellungen in den 1 und 2 weist das Konstruktionselement 40 im Wesentlichen die gleiche Größe wie die Fügepartner 20, 30 auf. Alternativ ist vorstellbar, dass das Konstruktionselement 40 eine kleinere oder größere Abmessung als die Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30 aufweist.
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Ebenso ist vorstellbar, dass die Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30 ungleich groß sind. In diesem Fall kann das Konstruktionselement 40 die gleiche Größe haben wie eine Kontaktfläche 21, 31 eines Fügepartners 20, 30. Genauso ist vorstellbar, dass die Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30 und das Konstruktionselement 40 unterschiedlich groß sind.
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Die 3 bis 6 zeigen jeweils eine schematische Darstellung des Konstruktionselements 40 mit Blick auf eine Seitenfläche 41, 41'. In diesen 3 bis 6 sind aus Gründen der Übersichtlichkeit die reibungserhöhenden Oberflächenstrukturen 42 und Bohrungen 44 mit Materialaufwürfen 46 auf der mindestens einen Seitenfläche 41, 41' nicht dargestellt.
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Die Außenkontur 51 der Seitenflächen 41, 41' des Konstruktionselements 40 kann beispielsweise im Wesentlichen kreisförmig sein, wie in den 3 bis 5 schematisch aufgezeigt. Wenngleich nicht dargestellt, ist genauso vorstellbar, dass die Außenkontur 51 oval oder mehreckig ist. Ferner kann auch vorteilhaft sein, die Außenkontur 51 des Konstruktionselements 40 an zumindest eine Kontur der Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30 anzupassen.
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Ferner ist vorgesehen, dass das Konstruktionselement 40, wie in 4 dargestellt, eine Durchgangsbohrung 53, beispielsweise als Mittenbohrung, aufweisen kann.
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Alternativ kann das Konstruktionselement 40, wie in 5 gezeigt, mehrere Durchgangsbohrungen 53 aufweisen. Durchgangsbohrungen können beispielsweise dann benötigt werden, wenn eine oder mehrere Schrauben zur Herstellung der Fügeverbindung 10 verwendet werden.
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Ferner kann das Konstruktionselement 40 auch mindestens einen Schlitz 54 und/oder mindestens eine Ausnehmung 55 aufweisen, wie 6 zeigt.
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In 2 ist exemplarisch eine Fügeverbindung 10 in Form eines Stirnpressverbandes dargestellt, welche die mindestens zwei Fügepartner 20, 30 sowie das dazwischen angeordnete Konstruktionselement 40 zeigt. Wird im Falle eines Stirnpressverbandes eine Schraube zur Fixierung der Fügepartner 20, 30 verwendet, kann diese Schraube beispielsweise durch eine Durchgangsbohrung 53 des Konstruktionselements 40 gesteckt werden.
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Wenngleich graphisch nicht dargestellt, kann die Fügeverbindung 10 auch in Form eines Querpressverbandes ausgeführt sein. Dazu kann beispielsweise ein Fügepartner 20, 30 direkt vor dem Fügeprozess abgekühlt und/oder der andere Fügepartner 20, 30 erwärmt werden. Nach dem Einbringen des Konstruktionselements 40 zwischen die beiden Fügepartner 20, 30 und dem nachfolgenden Temperaturausgleich ist die Fügeverbindung 10 hergestellt. In diesem Falle ist es besonders vorteilhaft, wenn das Konstruktionselement 40 besonders dünn und/oder biegsam ist, also in Form einer Art Folie vorliegt. Zur Herstellung einer Welle-Nabe-Verbindung durch einer Querpressverband kann somit das Fügeelement 40 zum Zwecke der Ausbildung der Fügeverbindung 10 beispielweise um die Welle positioniert beziehungsweise gewickelt werden. Dabei kann die Welle teilweise oder vollständig umschlossen werden. Alternativ kann das Konstruktionselement 40 vor dem Fügeprozess an die Innenwandung der Nabe angelegt werden und damit im späteren Verband zwischen Welle und Nabe zu liegen kommen.
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7 offenbart ein Konstruktionselement 40 mit angedeuteten Oberflächenstrukturen 42 auf einer Seitenfläche 41. Das linke Teilbild von 7 zeigt einen Blick auf die Seitenfläche 41 des Konstruktionselements 40 mit einer Vielzahl an schematisch dargestellten Elementen der Oberflächenstruktur 42. Im rechten Teilbild von 7 ist eine solche, nicht maßstäbliche Oberflächenstruktur 42, von der Seite aus betrachtet, dargestellt. 7 zeigt, wie auch die nachfolgenden 8 bis 11, das Konstruktionselement 40 exemplarisch mit im Wesentlichen kreisförmiger Außenkontur 51 der Seitenfläche 41, 41'. Diese Außenkontur 51 kann, obwohl in den 7 bis 11 nicht dargestellt, genauso beispielsweise auch oval oder mehreckig ausgebildet sein oder eine Form aufweisen, die an zumindest eine Kontur der Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30 angepasst ist.
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Im Unterschied zu 7 zeigt die 8 eine alternative, schematisierte Ausführungsform des Konstruktionselements 40, bei der beide Seitenflächen 41, 41' des Konstruktionselements 40 Oberflächenstrukturen 42 aufweisen.
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9 zeigt ein Konstruktionselement 40 mit Bohrungen 44. Das linke Teilbild von 9 zeigt einen Blick auf die Seitenfläche 41 des Konstruktionselements 40 mit einer Vielzahl an schematisch dargestellten Bohrungen 44. Im rechten Teilbild von 9 sind die Bohrungen 44 mit nicht maßstäblichen Materialaufwürfen 46 dargestellt. 9 zeigt also Materialaufwürfe 46 im Bereich der Bohrungen 44 nur auf einer Seitenfläche 41' des Konstruktionselements 40.
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Eine alternative Ausführungsform ist, die Bohrungen am Konstruktionselement so auszugestalten, dass beide Seitenflächen des Konstruktionselements Materialaufwürfe 46 im Bereich der Bohrungen 44 aufweisen. Dieser Sachverhalt ist schematisch in 10 dargestellt. Hier liegen Materialaufwürfe 46 auf beiden Seitenflächen 41, 41' des Konstruktionselementes 40 vor. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Bohrungen 44 von beiden Seiten des Konstruktionselements 40 her gesetzt werden und/oder dadurch, dass sowohl die Eintritts- als auch Austrittsbereiche der Bohrungen 44 mit Materialaufwürfen 46 behaftet sind. Die Materialaufwürfe 46 bestehen im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie das Konstruktionselement selbst.
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In den 9 bis 11 sind die Bohrungen als durch die gesamte Dicke d des Konstruktionselements 40 durchgehende Bohrungen dargestellt. Gleichermaßen ist vorstellbar, dass diese Bohrungen auch als Sacklochbohrungen ausgebildet sind.
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11 offenbart eine exemplarische Kombination der Merkmale Oberflächenstruktur 42 und Materialaufwürfe 46 an Bohrungen 44. Diese Merkmale können in gemischter Weise an einer Seitenfläche 41 und/oder beiden Seitenfläche 41, 41' vorliegen.
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Die in den 7 bis 11 beschriebenen Oberflächenstrukturen 42 auf der Seitenfläche 41, 41' und/oder die Bohrungen 44 mit Materialaufwürfen 46 können unregelmäßig oder regelmäßig angeordnet sein. Hierbei sind sowohl gleichmäßige Raster vorstellbar, ebenso Oberflächenstrukturen 42 beziehungsweise Bohrungen 44 mit Materialaufwürfen 46 angeordnet auf geraden oder gekrümmten Linienzügen. Diese Linienzüge können einzeln oder in Scharen auftreten. Auch können sich solche Linienzüge kreuzen. Auch eine Anordnung der Oberflächenstrukturen 42 beziehungsweise Bohrungen 44 mit Materialaufwürfen 46 auf konzentrischen Kreisen ist vorstellbar. Die Oberflächenstrukturen 42 und/oder die Bohrungen 44 mit Materialaufwürfen 46 können als diskrete Einzelelemente, als teilweise überlappende Elemente oder als Mischung aus beiden Möglichkeiten angeordnet werden. Die in den 7 bis 11 beschriebenen Oberflächenstrukturen 42 und Materialaufwürfe 46 bestehen im Wesentlichen aus dem gleichen Material wie das Konstruktionselement 40 selbst.
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Die einzelnen Elemente der Oberflächenstruktur 42 müssen untereinander nicht gleich gestaltet sein. Es ist durchaus vorstellbar, dass unterschiedlich ausgeprägte Elemente der Oberflächenstruktur 42 beispielsweise im Hinblick auf Höhe, Ausdehnung und Geometrie auf demselben Konstruktionselement 40 nebeneinander vorliegen.
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Die einzelnen Bohrungen 44 müssen untereinander nicht gleich gestaltet sein. Es ist durchaus vorstellbar, dass unterschiedlich ausgeprägte Bohrungen 44 beispielsweise im Hinblick auf Durchmesser, Bohrungsform und Ausbildung der Materialaufwürfe 46 auf demselben Konstruktionselement 40 nebeneinander vorliegen. Die Bohrungen 44 müssen ferner auch nicht zwangsläufig zylindrisch sein sondern können auch jede andere beliebige Form, beispielsweise eine konische Form aufweisen. Auch können eine oder mehrere Bohrungen 44 bis an die Außenkontur 51 der Seitenfläche 41, 41' des Konstruktionselementes 40 reichen.
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Die Oberflächenstrukturen 42 und/oder die Materialaufwürfe 46 an den Bohrungen 44 führen durch die erzeugte Rauheit an den Seitenflächen 41, 41' des Konstruktionselements 40 zu einer intensivierten geometrischen Verklammerung der Seitenflächen 41, 41' des Konstruktionselements mit den Kontaktflächen 21, 31 der Fügepartner 20, 30. Dadurch resultiert nach der Herstellung der Fügeverbindung 10 ein besonders robuster Verbund im Hinblick auf einer mögliche Verdrehung und/oder Verschiebung der Fügepartner 20, 30 in der Fügeverbindung 10.
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Die Oberflächenstrukturen 42 und/oder die Bohrungen 44 des Konstruktionselements 40 werden bevorzugter Weise mit Hilfe eines Strahlverfahrens erzeugt, insbesondere mit Hilfe eines Laserstrahlverfahrens und/oder eines Elektronenstrahlverfahrens. Hier lassen sich auf Grund der hohen Prozessgeschwindigkeit die Oberflächenstrukturen 42 und/oder die Bohrungen 44 relativ schnell und einfach und somit kostengünstig einbringen. Zusätzlich oder alternativ ist es auch möglich, die Oberflächenstrukturen 42 und/oder die Bohrungen 44 des Konstruktionselements 40 mit Hilfe eines mechanischen Verfahrens zu erzeugen. So ist beispielsweise vorstellbar, die Bohrungen 44 durch ein mechanisches Bohrung und/oder durch ein Stanzprozess zu erzeugen. Weiter ist vorstellbar, die Oberflächenstrukturen 42 beispielsweise durch ein Prägen und/oder durch ein mechanisches Oberflächenhämmern zu erzeugen.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005062522 A1 [0002]
- EP 0961038 B1 [0003]
