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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Drehstabs für einen aktiven Wankstabilisator eines Kraftfahrzeugs. Ferner betrifft die Erfindung einen derart hergestellten Drehstab sowie einen aktiven Wankstabilisator mit einem derart hergestellten Drehstab.
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Üblicherweise weist jede Radachse eines Kraftfahrzeugs einen Wankstabilisator auf, der nach dem Torsionsstabprinzip arbeitet. Der Wankstabilisator ist im Wesentlichen parallel zur jeweiligen Fahrzeugachse angeordnet und an beiden Enden über eine jeweilige Koppelstange mit der Radaufhängung verbunden. Ferner ist der Wankstabilisator zur Stabilisierung des Karosserieaufbaus gegenüber unerwünschten Wankbewegungen um die Längsachse des Kraftfahrzeuges vorgesehen. Solche Wankbewegungen treten beispielsweise bei Kurven- oder Geländefahrt des Kraftfahrzeugs auf. Die Wankbewegung des Kraftfahrzeugs wird durch den Wankstabilisator beeinflusst.
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Bei einem aktiven Wankstabilisator ist zwischen zwei Drehstäben des Wankstabilisators ein Aktuator wirksam angeordnet. Der Aktuator ist dazu vorgesehen, die Drehstäbe mit einem Torsionsmoment zu beaufschlagen. Mit anderen Worten werden unter Betätigung des Aktuators die beiden Drehstäbe zueinander verdreht und somit auf Torsion belastet, so dass ein Torsionsmoment an den Drehstäben anliegt.
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Beispielsweise geht aus der
DE 10 2011 078 819 A1 ein aktiver Wankstabilisator eines Kraftfahrzeugs hervor, zwischen dessen beiden Stabilisatorteilen ein Aktuator für eine Torsion der Stabilisatorteile wirksam angeordnet ist. Ein Sensor ist zur Ermittlung eines in den Stabilisatorteilen wirkenden Torsionsmomentes vorgesehen. Ferner ist ein Primärsensor durch einen Abschnitt des Stabilisatorteiles gebildet, der aus ferromagnetischem Material ausgebildet und magnetisch kodiert ist, wobei das wirksame Torsionsmoment in diesen Abschnitt eingeleitet wird. Der Primärsensor ist durch eine an dem Stabilisatorteil drehfest angeordnete Hülse gebildet, wobei die Hülse drehfest mit einem Flansch verbunden ist, und wobei der Flansch drehfest mit dem Aktuator verbunden ist.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Drehstabs sowie einen Drehstab für einen Wankstabilisator zu schaffen. Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1 und Patentanspruch 7. Bevorzugte Ausführungsformen sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Drehstabs für einen aktiven Wankstabilisator eines Kraftfahrzeugs, wobei der Drehstab eine Drehstabfeder und einen Flansch umfasst, wobei der Flansch zwei einteilig miteinander verbundene Flanschbauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich ein Ringelement aus einem ersten Werkstoff und ein Rohrelement aus einem zweiten Werkstoff, aufweist, wird mindestens eines der beiden Flanschbauteile zunächst durch Schmieden hergestellt und unmittelbar nach dem Schmieden mit dem anderen der beiden Flanschbauteile durch Diffusionsschweißen verbunden, wobei der Flansch danach zumindest einer Wärmebehandlung zur Einstellung eines Werkstoffgefüges für eine nachfolgende magnetische Kodierung unterzogen wird, wobei danach zumindest das Rohrelement magnetisch kodiert wird, und wobei abschließend das Rohrelement mit einem Endabschnitt der Drehstabfeder drehfest verbunden wird, um den Drehstab auszubilden.
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Mit anderen Worten wird beispielsweise das Ringelement durch Schmieden hergestellt und nach dem Schmieden im Wesentlichen ohne eine nennenswerte Abkühlung, also direkt aus der Schmiedehitze, mit dem Rohrelement durch Diffusionsschweißen verbunden. Alternativ wird beispielsweise das Rohrelement durch Schmieden hergestellt und nach dem Schmieden im Wesentlichen ohne eine nennenswerte Abkühlung, also direkt aus der Schmiedehitze, mit dem Ringelement durch Diffusionsschweißen verbunden. Ferner alternativ werden sowohl das Rohrelement als auch das Ringelement durch Schmieden hergestellt und nach dem Schmieden im Wesentlichen ohne eine nennenswerte Abkühlung, also direkt aus der Schmiedehitze, miteinander durch Diffusionsschweißen verbunden.
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Das Diffusionsschweißen ermöglicht die Verbindung von Rohrelement und Ringelement ohne den Einsatz von Zusatzwerkstoffen und ohne dem Einbringen einer zusätzlichen Aufheizung, beispielsweise wie beim Reibschweißen durch Reibung. Allein durch den Kontakt zwischen den beiden Flanschbauteilen und der hohen Temperatur, die durch die direkte Entnahme zumindest eines der beiden Flanschbauteile aus der Schmiedehitze rührt, wird das Kornwachstum zwischen Rohrelement und Ringelement angeregt und so eine fugenlose Verbindung zwischen den beiden Flanschbauteilen erzeugt. Der Flansch ist einteilig aus zwei unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlichen Eigenschaften ohne Schweißnaht ausgebildet. Mithin ist der Flansch als Hybridflansch ausgebildet. Das Ringelement kann aus einem vergleichsweise günstigen Werkstoff ohne besondere Anforderungen ausgebildet werden, wobei das Rohrelement aus einem Spezialwerkstoff mit besonderen Anforderungen hinsichtlich seiner Funktion als Sensorbauteil ausgebildet werden kann.
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Der durch das Verbinden von Rohrelement und Ringelement geschaffene Flansch wird einer Wärmebehandlung unterzogen, wobei die Wärmebehandlung zumindest im Rohrelement ein homogenes Werkstoffgefüge einstellt. Das durch die Wärmebehandlung zumindest im Rohrelement eingestellte Werkstoffgefüge dient zur magnetischen Kodierung des Rohrelements, wobei das Rohrelement einem magnetischen Fluss ausgesetzt wird, um das Werkstoffgefüge auszurichten und dadurch einen Hartmagneten bzw. Permanentmagneten auszubilden, der als Sensorbauteil verwendet werden kann, um beispielsweise in Verbindung mit weiteren Sensorbauteilen ein Torsionsmoment am Flansch zu erfassen. Mithin wird das Rohrelement magnetisch kodiert. Abschließend wird das Rohrelement mit einem Endabschnitt der Drehstabfeder drehfest verbunden, um den Drehstab auszubilden. Mithin bildet der Flansch den Endabschnitt des Drehstabs aus, wobei das Rohrelement zur Anbindung an den Aktuator, insbesondere an einer drehbaren Welle oder einem Gehäuse des Aktuators vorgesehen ist.
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Insbesondere werden die beiden Flanschbauteile beim Diffusionsschweißen relativ zueinander verpresst. Mithin werden beide Flanschbauteile oder zumindest ein Flanschbauteil beim Diffusionsschweißen axial aufeinander zu verlagert. Vorteilhaft ist, dass durch das Diffusionsschweißen und Verpressen auf einen Schweißprozess, wie beispielsweise Reibschweißen oder Abbrennschweißen, verzichtet werden kann. Dies reduziert Schweißfehler wie beispielsweise Restspalte, wobei das Diffusionsschweißen unempfindlich gegenüber Abmaßschwankungen ist. Beim Schmieden und dem nachfolgenden Diffusionsschweißen des Rohrelements mit dem Ringelement wird ein charakteristisches Gefüge im Flansch bzw. an dem jeweiligen Flanschbauteil und im Fügebereich zwischen den beiden Flanschbauteilen ausgebildet.
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Der Drehstab wird vorzugsweise aus einer umgeformten Drehstabfeder, beispielsweise einem Rohrmaterial oder Vollmaterial gefertigt. An einem zum Aktuator gerichteten Endabschnitt der Drehstabfeder wird der Flansch drehfest angeordnet, wobei der Flansch zum einen mit dem Aktuator und zum anderen mit der Drehstabfeder drehfest verbunden ist. Der Flansch kann beispielsweise mit Schrauben am Aktuator angeschraubt werden. Alternativ kann der Flansch auch stoffschlüssig mit dem Aktuator verbunden werden. Ferner kann der Flansch stoffschlüssig, reibschlüssig oder kraftschlüssig mit der Drehstabfeder verbunden werden. Das Ringelement kann eine an die Anschlussstelle des Aktuators angepasste Form aufweisen. Das Rohrelement kann eine an die Anschlussstelle der Drehstabfeder angepasste Form aufweisen. Der Flansch ist dazu vorgesehen ein Torsionsmoment zwischen dem Aktuator und der Drehstabfeder zu übertragen. Das Drehmoment wird von dem Aktuator erzeugt und zur Einstellung einer Wankstabilisierung des Kraftfahrzeugs verwendet.
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Vorzugsweise beträgt eine Schmiedetemperatur beim Schmieden mindestens eines der beiden Flanschbauteile 650°C bis 1350°C. Bevorzugt beträgt die Schmiedetemperatur beim Schmieden mindestens eines der beiden Flanschbauteile 900°C bis 1350°C. Mindestens eines der beiden Flanschbauteile wird direkt nach dem Schmieden aus der Schmiedehitze entnommen und im Wesentlichen ohne eine nennenswerte Abkühlung mit dem anderen der beiden Flanschbauteile durch Diffusionsschweißen verbunden. Mithin werden beide Flanschbauteile aus der Schmiedehitze entnommen und durch Diffusionsschweißen miteinander verbunden oder nur eines der beiden Flanschbauteile wird direkt nach dem Schmieden aus der Schmiedehitze entnommen und mit dem anderen der beiden Flanschbauteile, das keine Schmiedehitze aufweist durch Diffusionsschweißen verbunden. Somit kann das Flanschbauteil, das keine Schmiedehitze aufweist, unabhängig von dem Flanschbauteil, das direkt aus der Schmiedehitze entnommen wird, hergestellt werden.
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Bevorzugt wird höchstens eines der beiden Flanschbauteile beim Verpressen in einem Fügebereich induktiv erhitzt. Insbesondere wird nur das Flanschbauteil, das keine Schmiedehitze aufweist, im Fügebereich induktiv erhitzt, um die Dauer des Diffusionsschweißens zu verkürzen. Sofern beide Flanschbauteile aus der Schmiedehitze entnommen und durch Diffusionsschweißen verbunden werden, wird keines der Flanschbauteile induktiv erhitzt.
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Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird mindestens eines der beiden Flanschbauteile einer mechanischen Oberflächenbearbeitung unterzogen. Insbesondere werden das Rohrelement und/oder das Ringelement spanend bearbeitet. Beispielsweise werden das Rohrelement und/oder das Ringelement nach der Wärmebehandlung zumindest nachgedreht oder nachgeschliffen.
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Bevorzugt wird der Flansch durch Vakuumhärten und Abschrecken in Öl wärmebehandelt. Mit anderen Worten wird der Flansch, also das miteinander verbundene Rohr- und Ringelement, in einem Vakuumofen erhitzt und anschließend in Öl abgeschreckt, um das Werkstoffgefüge einzustellen, wobei die Einstellung des Werkstoffgefüges am Rohrelement maßgebend ist. Mithin ist zumindest das Rohrelement zur Realisierung der Sensorfunktion wärmebehandelt.
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Bevorzugt dient die Sensorfunktion des Rohrelements zum Erfassen eines Torsionsmoments. Ein im Inneren oder außerhalb des Rohrelements platzierter Sensor kann bei einer Torsionsbelastung des Flansches eine Verschiebung des Magnetfeldes des Rohrelements erfassen. Die erfassten Messdaten können anschließend mittels einer Steuereinheit ausgewertet werden, um beispielsweise den Aktuator in Abhängigkeit der Torsionsbelastung des Flansches zu betreiben.
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Ein erfindungsgemäßer Drehstab für einen aktiven Wankstabilisator eines Kraftfahrzeugs, der nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, weist eine Drehstabfeder und einen Flansch auf, wobei der Flansch zwei einteilig miteinander verbundene Flanschbauteile aus unterschiedlichen Werkstoffen, nämlich ein Ringelement aus einem ersten Werkstoff und ein Rohrelement aus einem zweiten Werkstoff, umfasst, wobei mindestens eines der beiden Flanschbauteile durch Schmieden hergestellt ist und mit dem anderen der beiden Flanschbauteile durch Diffusionsschweißen verbunden ist, wobei zumindest das Rohrelement eine magnetische Kodierung aufweist.
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Vorzugsweise weist der erste Werkstoff einen Kohlenstoffgehalt von kleiner gleich 0,2 Masse-% auf. Bevorzugt weist der erste Werkstoff einen Kohlenstoffäquivalent kleiner als 0,5%, insbesondere kleiner als 0,3% auf. Das Kohlenstoffäquivalent ist ein Maß zur Beurteilung der Schweißeignung bzw. Schweißbarkeit von Stählen. Ein Wert des Kohlenstoffäquivalents kleiner 0,45% impliziert eine gute Schweißeignung. Ab einem Wert größer 0,65% ist das Werkstück nur mit erhöhtem Aufwand schweißgeeignet, da es durch Martensitbildung im Gefüge zu Kalt- bzw. Härterissen kommen kann. Insbesondere ist der erste Werkstoff schweißbar. Bevorzugt ist der erste Werkstoff nicht als Sensorbauteil geeignet.
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Vorzugsweise weist der zweite Werkstoff mindestens 0,3 Masse-% Kohlenstoff auf. Bevorzugt ist der zweite Werkstoff eine untereutektoide Stahllegierung mit einem Kohlenstoffgehalt größer gleich 0,3 Masse-%. Mithin beträgt der Kohlenstoffgehalt des zweiten Werkstoffs 0,3 bis 0,8 Masse-%. Der zweite Werkstoff ist vorzugsweise nicht schweißbar. Der zweite Werkstoff ist als Sensorbauteil geeignet.
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Beispielsweise kann die Legierungszusammensetzung bzw. chemische Zusammensetzung eines Werkstoffs mit einem Rasterelektronenmikroskop bestimmt werden.
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Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigen
- 1 eine vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen aktiven Wankstabilisators, und
- 2 eine vereinfachte schematische Detailschnittdarstellung zur Veranschaulichung des Aufbaus eines Flansches des erfindungsgemäßen Wankstabilisators gemäß 1.
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Nach 1 umfasst ein aktiver Wankstabilisator 1 für ein - hier nicht dargestelltes - Kraftfahrzeug einen ersten und zweiten Drehstab 2, wobei die beiden Drehstäbe 2 durch einen dazwischen angeordneten Aktuator 8 miteinander verbindbar sind, um ein Torsionsmoment zu übertragen. Der Wankstabilisator 1 ist quer zur Fahrzeuglängsachse angeordnet und an seinen freien Enden an - hier nicht dargestellte - Räder beziehungsweise Radträger angeschlossen.
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Der jeweilige Drehstab 2 umfasst eine jeweilige Drehstabfeder 3, die vorliegend als Rohr ausgebildet ist, und einen jeweiligen Flansch 4, wobei der jeweilige Flansch 4 zwei einteilig miteinander verbundene Flanschbauteile 5, 6 aus unterschiedlichen Werkstoffen umfasst. Das erste Flanschbauteil 5 ist ein Ringelement 5, das aus einem ersten Werkstoff ausgebildet ist, und das zweite Flanschbauteil 6 ist ein Rohrelement 6, das aus einem zweiten Werkstoff ausgebildet ist. Das jeweilige Ringelement 5 ist drehfest mit dem Aktuator 8 verbunden. Demgegenüber ist das jeweilige Rohrelement 6 drehfest mit der jeweiligen Drehstabfeder 2 verbunden.
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In 2 ist ein vergrößerter Ausschnitt eines Endabschnitts einer der beiden Drehstäbe 2 aus 1 dargestellt, wobei vorliegend der Flansch 4 im Fokus ist. Der Flansch 4 besteht aus den beiden einteilig miteinander verbundenen Flanschbauteilen 5, 6, nämlich dem Ringelement 5 und dem Rohrelement 6. Vorliegend ist das Ringelement 5 durch Schmieden hergestellt und mit dem Rohrelement 6 durch Diffusionsschweißen verbunden. Der Flansch 4 ist vorliegend als Hybridflansch ausgebildet, wobei die beiden metallischen Werkstoffe der Flanschbauteile 5, 6 unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen.
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Das Ringelement 5 ist schweißbar ausgeführt, wobei das Ringelement 5 aus dem ersten Werkstoff besteht, der vorliegend weniger als 0,2 Masse-% Kohlenstoff aufweist. Das Rohrelement 6 besteht aus dem zweiten Werkstoff, der vorliegend mehr als 0,3 Masse-% Kohlenstoff aufweist. Ferner ist das Rohrelement 6 magnetisch kodiert. Das Rohrelement 6 ist zu einem Permanentmagneten ausgebildet, und dient als Sensorbauteil, um mindestens eine Zustandsgröße am Flansch 4, insbesondere ein Torsionsmoment zu sensieren.
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Nachfolgend wird das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung des zuvor beschriebenen Drehstabs 2 für den Wankstabilisator 1 erläutert. Zunächst wird das Ringelement 5 durch Schmieden hergestellt und unmittelbar nach dem Schmieden im Wesentlichen ohne eine Abkühlung mit dem Rohrelement 6 durch Diffusionsschweißen verbunden. Eine Schmiedetemperatur beim Schmieden des Ringelements 5 beträgt vorliegend 900°C. Mithin beträgt die Temperatur des Ringelements 5 beim Diffusionsschweißen, aufgrund der direkten Entnahme aus der Schmiedehitze im Wesentlichen 900°C. Temperaturunterschiede bis zu 10% der Schmiedetemperatur können zulässig sein. Beim Diffusionsschweißen wird durch den Kontakt der beiden Flanschbauteile 5, 6 und der hohen Temperatur im Fügebereich 7 zwischen den beiden Flanschbauteilen 5, 6 das Kornwachstum zwischen Ringelement 5 und Rohrelement 6 angeregt und so eine fugenlose Verbindung erzeugt.
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Insbesondere werden die beiden Flanschbauteile 5, 6 beim Diffusionsschweißen relativ zueinander verpresst. Das Rohrelement 6, das im Vergleich zum Ringelement 5 nicht direkt aus der Schmiedehitze entnommen wird, wird beim Verpressen im Fügebereich 7 vorzugsweise induktiv erhitzt, um das Diffusionsschweißen der beiden Flanschbauteile 5, 6 zu beschleunigen. Beim Verpressen wird nur eine axiale Belastung der Flanschbauteile 5, 6 aufeinander zu vorgenommen, jedoch keine Rotation wie beispielsweise beim Reibschweißen.
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Nachdem die beiden Flanschbauteile 5, 6 miteinander verbunden sind und somit der Flansch 4 ausgebildet ist, wird der Flansch 4 einer Wärmebehandlung zur Einstellung eines Werkstoffgefüges für eine magnetische Kodierung des Rohrelements 6 unterzogen. Vorliegend wird der Flansch 4 durch Vakuumhärten und Abschrecken in Öl wärmebehandelt. Dabei wird das Werkstoffgefüge des Rohrelements 6 derart eingestellt, dass bei einer nachfolgenden magnetischen Kodierung durch ein Magnetfeld eine Ausrichtung des Werkstoffgefüges stattfindet, so dass das Rohrelement 6 zum Permanentmagneten ausgebildet wird.
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Abschließend wird das Rohrelement 6 mit einem Endabschnitt der Drehstabfeder 3 drehfest verbunden, um den Drehstab 2 auszubilden. In einem weiteren Schritt werden zwei Drehstäbe 2 mit dem Aktuator 8 verbunden, um den aktiven Wankstabilisator 1 auszubilden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wankstabilisator
- 2
- Drehstab
- 3
- Drehstabfeder
- 4
- Flansch
- 5
- Flanschbauteil, nämlich Ringelement
- 6
- Flanschbauteil, nämlich Rohrelement
- 7
- Fügebereich
- 8
- Aktuator
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011078819 A1 [0004]
