DE102014110519B4

DE102014110519B4 - Schweißverfahren zur Herstellung einer Anhängekupplung

Info

Publication number: DE102014110519B4
Application number: DE102014110519.2A
Authority: DE
Inventors: Michael Esch; Christoph Noppen
Original assignee: MVG METALLVERARBEITUNGSGESELLSCHAFT MBH; MVG-METALLVERARBEITUNGSGESELLSCHAFT MBH
Current assignee: MVG METALLVERARBEITUNGSGESELLSCHAFT MBH; MVG-METALLVERARBEITUNGSGESELLSCHAFT MBH
Priority date: 2014-07-25
Filing date: 2014-07-25
Publication date: 2021-07-08
Anticipated expiration: 2034-07-26
Also published as: DE102014110519A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung einer Anhängekupplung (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Anhängekupplung (1)- ein Basisteil (3), das derart mit dem Kraftfahrzeug verbindbar ist, dass die im Anhängebetrieb zwischen dem Kraftfahrzeug und einem von diesem gezogenen Anhänger auftretenden Kräfte übertragbar sind, und- eine Kugelstange (2) aufweist, die an einem dem Basisteil (3) abgewandten Ende (7) eine Kupplungskugel (8) zur Verbindung mit einem angepassten pfannenförmigen Kupplungsteil des Anhängers und an einem dem Basisteil (3) zugewandten Ende (6) derart mit diesem verbunden ist, dass die im Anhängebetrieb zwischen dem Fahrzeug und dem von diesem gezogenen Anhänger auftretenden Kräfte übertragbar sind, wobei die Verbindung zwischen der Kugelstange (2) und dem Basisteil (3) durch Metallschutzgas-Schweißen in der Weise erfolgt, dass ausgehend von einem innersten Punkt (24) einer im Zuge des Schweißens erzeugten Schweißnaht (23) durch eine relative Drehung der Kugelstange (2) und des Basisteils (3) zu einer Schweißelektrode um eine Mittelachse (12) der Kugelstange (2) im Bereich (15) ihres dem Basisteil (3) zugewandten Endes (6) ein zwischen zueinander zugewandten Stirnflächen (4, 5) des Basisteils (3) einerseits und der Kugelstange (2) andererseits befindlicher Schweißspalt (16) fortlaufend gefüllt wird, wobei die relative Drehung um einen Winkel von mindestens 360° erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A) des innersten Punkts (24) von der Mittelachse (12) der Kugelstange (2) maximal 20 %, vorzugsweise maximal 15 %, weiter vorzugsweise maximal 12 % des Radius (25) der Kugelstange (2) im Bereich (15) der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) beträgt und im Bereich der Schweißnaht der gesamte Querschnitt der Kugelstange (2) bzw. des Basisteils (3) aufgeschmolzen wird und vorzugsweise frei von Hohlräumen ist.

Description

Einleitung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Anhängekupplung für ein Kraftfahrzeug, wobei die Anhängekupplung

- ein Basisteil, das derart mit dem Kraftfahrzeug verbindbar ist, dass die im Anhängebetrieb zwischen dem Kraftfahrzeug und einem von diesem gezogenen Anhänger auftretenden Kräfte übertragbar sind, und
- eine Kugelstange aufweist, die an einem dem Basisteil abgewandten Ende eine Kupplungskugel zur Verbindung mit einem angepassten pfannenförmigen Kupplungsteil des Anhängers und an einem dem Basisteil zugewandten Ende derart mit diesem verbunden ist, dass die im Anhängebetrieb zwischen dem Fahrzeug und dem von diesem gezogenen Anhänger auftretenden Kräfte übertragbar sind,

Stand der Technik
Ein derartiges Verfahren ist aus der EP 2 231 357 B1 bekannt. Charakteristikum dieses Verfahrens ist es, dass der Schweißspalt, beginnend von dem inneren Punkt bis an die äußere Mantelfläche der Kugelstange bzw. eines Schweißanschlusses des Basisteils spiralenförmig vollgeschweißt wird. Dabei wird die herzustellende Einheit aus Basisteil und Kugelstange synchron zu der stillstehenden Schweißpistole gedreht, wobei diese von oben an die gerade erzeugte Stelle der Schweißnaht herangeführt ist, um den Effekt der Schwerkraft in positiver Weise auszunutzen. Der Umstand, dass die Schweißnaht am Ende des Schweißvorgangs einen größeren Außendurchmesser besitzt als die Außendurchmesser der zu verbindenden Bauteile, soll bewirken, dass die Festigkeit im Bereich der Schweißverbindung erhöht wird, weil der Durchmesser der Schweißnaht mit der dritten Potenz in die Festigkeit einfließt. Darüber hinaus soll die Schweißnaht an ihrer Außenseite noch im heißen Zustand des Materials spanend nachbearbeitet werden, um eine möglichst glatte Oberfläche und die gewünschte Kristallstruktur im Bereich der Schweißnaht zu erhalten.
Als nachteilig tritt bei dem bekannten Verfahren in Erscheinung, dass aufgrund der Helix-Geometrie der Schweißnaht und der Vielzahl der übereinander liegenden Lagen bis zur Erreichung des gewünschten Außendurchmessers (in 4 sind beispielhaft acht Lagen, ausgehend von einem inneren Durchmesser am Startpunkt der Schweißnaht offenbart) die Gefahr besteht, dass zwischen zwei benachbarten Lagen der Schweißnaht Schlacke eingelagert wird. In dem Bereich, innerhalb dessen der Schweißvorgang stattfindet, besteht immer die Gefahr, dass auf der Oberfläche der gebildeten Schweißnaht Schlackepartikel entstehen und sich dort ablagern und infolge des Aufbringens der nächstfolgenden äußeren Schweißnaht in den Schweißverbund eingelagert werden. Derartige Schlackeeinschlüsse wirken sich negativ auf die Festigkeit der Schweißverbindung aus.
Außerdem ist der Hitzeeintrag aufgrund der langen Schweißdauer und des großen Nahtvolumens groß, was zu einem Verzug der verbundenen Teile sowie unerwünschten Gefügeveränderungen im Material führen kann.
Darüber hinaus ist die Festigkeit der bekannten Schweißverbindung auch deshalb noch verbesserungsfähig, weil die Querschnittsfläche der Kugelstange bzw. des Anschlussstücks des Basisteils, die von der Schweißnaht überdeckt wird, nicht so groß ist, wie dies wünschenswert wäre. Dies hängt auch mit der realisierten, vergleichsweise großen Breite des Schweißspalts, sowie des vergleichsweise großen Öffnungswinkels des Schweißspalts zusammen.
Ferner ist aus der US 5 348 212 A ein Schweißverfahren zur Reparatur von gebrochenen Rotorwellen bekannt, gemäß dem die vorbereiteten Wellenteile im Bereich des Schweißspalts erhitzt werden. Anschließend wird mittels Inertgas-Schweißen das Schweißmaterial in den Spalt eingebracht.
Aufgabe
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine durch Metallschutzgasschweißen hergestellte Verbindung zwischen einem Basisteil und der Kugelstange einer Anhängekupplung bereitzustellen, die sich durch eine große Festigkeit und gleichzeitig durch eine rationelle, d. h. zeitsparende Herstellungsweise auszeichnet.
Lösung
Ausgehend von einem Verfahren der eingangs beschriebenen Art, wird die vorgenannte Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Abstand des innersten Punkts der erzeugten Schweißnaht von der Mittelachse der Kugelstange maximal 20 %, vorzugsweise maximal 15 %, weiter vorzugsweise maximal 12 % des Radius der Kugelstange im Bereich der dem Basisteil zugewandten Stirnfläche beträgt und im Bereich der Schweißnaht der gesamte Querschnitt der Kugelstange bzw. des Basisteils aufgeschmolzen wird und vorzugsweise frei von Hohlräumen ist.
Bei der Erfindung wird somit die Schweißnaht in einem sehr geringen Abstand von der Mittelachse der Kugelstange begonnen, sodass eine sehr große Querschnittsfläche der Schweißnaht insgesamt erzeugt wird, insbesondere wenn diese sich bis an die äußere Mantelfläche der Kugelstange bzw. des an die Stirnfläche des Basisteils anschließenden Bereichs des Basisteils erstreckt. Das heißt, dass die Schweißnaht entweder in einem geringeren Maß (wenige mm) versetzt nach innen oder außen oder fluchtend mit der äußeren Mantelfläche der Kugelstange ausgebildet sein kann. Dabei setzt sich die erfindungsgemäße Lehre über das Vorurteil hinweg, dass ein Metallschutzgas-Schweißen in derartig tiefen Spalten nicht möglich sei, wobei gleichwohl durch eine Vielzahl von Versuchen die Praxistauglichkeit des erfindungsgemäßen Verfahrens nachgewiesen werden konnte. Dass der Abstand des innersten Punkts der erzeugten Schweißnaht unter den vorgenannten Maximalwerten bleibt, bedeutet nicht, dass die Tiefe des Schweißspalts, wie sie vor dem Beginn des Schweißvorgangs, d.h. nach der so genannten Schweißvorbereitung, vorliegt, ebenfalls bereits so groß ist, dass die vorgenannten Abstandsmaxima eingehalten werden. Vielmehr reicht es aus, wenn aufgrund des späteren Schweißens eine Materialaufschmelzung soweit stattfindet, dass die Abstandsmaxima hinsichtlich des aufgeschmolzenen Materials (dessen Grenze die Schweißnahtgrenze definiert) eingehalten werden.
Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, dass im Bereich der Schweißnaht der gesamte Querschnitt der Kugelstange bzw. des Basisteils aufgeschmolzen wird und vorzugsweise frei von Hohlräumen ist. Auf diese Weise kann die Tragfähigkeit der Schweißverbindung maximiert werden, da der gesamte Querschnitt mit zur Kraft- bzw. Momentenübertragung beitragen kann. Insbesondere die Existenz von Hohlräumen nach dem Schweißvorgang führt zu einer Reduzierung der bei der Kraft- bzw. Momentenübertragung wirksamen Fläche und ist daher von Nachteil. Die einander zugewandten Endabschnitte von Kugelstange und Basisteil sind daher vorzugsweise so zu gestalten, dass diese patrizen- und matrizenförmig ineinander gefügt werden können, vorzugsweise so, dass bereits beim Fügen vor dem eigentlichen Schweißvorgang keine Hohlräume mehr vorhanden sind. In einem Fall, in dem der gesamte Querschnitt der Kugelstange bzw. des Basisteils von der Schweißbahn erfasst, d.h. während der Herstellung der Verbindung aufgeschmolzen wird, kann auch als „Vollanschluss“ bezeichnet werden, da in diesem Fall der gesamte Quereschnitt bei der späteren Lastübertragung beteiligt ist und eine entsprechend hohe Belastbarkeit erzielt werden kann. Maßgeblich für die Lehre der Erfindung ist die Ausdehnung der im Rahmen des Schweißverfahrens erzeugten Schweißbahn, d.h. die Zone des verschmolzenen Materials und nicht der vor der Ausführung des Verfahrens vorhandene Luftspalt, der später mit dem Zusatzmaterial ausgefüllt wird. Für das spätere Ergebnis, insbesondere die Tragfähigkeit der Schweißverbindung maßgeblich ist nämlich im Wesentlichen die Ausdehnung der Schweißbahn im Sinne der Reichweite des Aufschmelzvorgangs, insbesondere in Bezug auf die Erstreckung in Richtung der Mittelachse der Kugelstange. Sofern es gelingt im Rahmen des Schweißvorgangs auch Bereiche einer Stoßfuge zwischen der Kugelstange und dem Basisteil aufzuschmelzen, die sich in radiale Richtung weiter nach außen von der Mittelachse weg erstrecken, als die vorstehend genannten 20 %, vorzugsweise 15 % bzw. weiter vorzugsweise 12 %, so ist dies für die Erreichung des erfindungsgemäßen Zwecks nicht schädlich. Grundsätzlich gilt die Aussage, dass es umso vorteilhafter ist, je mehr man sich dem Ziel eines Vollanschlusses, d.h. einer Aufschmelzung des gesamten Verbindungsquerschnitts, nähert.
Vorzugsweise kann mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bereits bei einer Drehung der Schweißelektrode relativ zu dem Basisteil und der Kugeltange von 360° eine derart dicke Schweißnaht erzeugt werden, dass eine ausreichende Festigkeit gegeben ist. Folglich kann der Wärmeeintrag verringert und somit eine indirekte Schlackebildung reduziert werden. Zusätzlich wird der Einschluss von Schlacke dadurch verhindert, dass sich aufgrund der fehlenden übereinander angeordneten Schweißnähte keine Schlacke zwischen den einzelnen übereinander angeordneten Schweißnähten ansammeln kann, wie dieses im Stand der Technik der Fall ist.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Produktionsgeschwindigkeit der Anhängekupplung aufgrund der vorzugsweise nur einmaligen Drehung der Kugelstange relativ zu der Schweißelektrode verkürzt werden kann.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Schweißspalt sich in Richtung von der Mittelachse der Kugelstange auf eine äußere Mantelfläche der Kugelstange zu, vorzugsweise kontinuierlich, erweitert, wobei ein Winkel zwischen den einander zugewandten Stirnflächen des Basisteils einerseits und der Kugelstange andererseits kleiner als 20°, vorzugsweise kleiner als 17°, vorzugsweise kleiner als 15°, beträgt. Der Schweißspalt wird dementsprechend von der Mittelachse der Kugelstange aus gesehen bis zur äußeren Mantelfläche derselben immer größer. Insbesondere wenn sich der Schweißspalt kontinuierlich in Richtung der äußeren Mantelfläche der Kugelstange erweitert, weist der Schweißspalt einen konischen Querschnitt auf. Der hierfür erforderliche Materialaufwand ist dabei geringer als bei einer vergleichsweisen Schweißnaht mit rechteckigem Querschnitt. Dadurch kann die Hitzezufuhr beziehungsweise der Wärmeeintrag verringert werden, wodurch ein möglicher Verzug der Kugelstange und/oder des Basisteils vermieden wird. Ein weiterer Vorteil eines derartigen Schweißspalts ist, dass die Zugänglichkeit zu einem Startpunkt der Schweißnaht, also dem inneren Punkt der erzeugten Schweißnaht, welcher gemäß Anspruch 1 nahe der Mittelachse der Kugelstange angeordnet ist, verbessert wird. Zudem kann die Festigkeit der Schweißnaht gesteigert werden, da eine massive Schweißnaht vorliegt in der möglichst keine Einschlüsse von Schlacke vorhanden sind.
Um den vorgenannten Schweißspalt konstruktionstechnisch umzusetzen, ist es besonders vorteilhaft, wenn die Stirnfläche des Basisteils oder der Kugelstange, vorzugsweise die Stirnfläche des Basisteils, abgesehen von einem Mittelbereich, der vorzugsweise auch in die Schweißnaht einbezogen wird, eben einbezogen ist, wohingegen die andere der beiden Stirnflächen vorzugsweise die Stirnfläche der Kugelstange, abgesehen von einem Mittelbereich, vorzugsweise auch in die Schweißnaht einbezogen wird, kegelförmig ausgebildet ist. Ein Außendurchmesser der Stirnfläche des Basisteils entspricht dabei vorzugsweise einem Durchmesser der Mantelfläche des dem Basisteil zugewandten Endes der Kugelstange. Aufgrund der Tatsache, dass das dem Basisteil zugewandten Ende der Kugelstange kegelförmig ausgestaltet ist, ist der Mittelbereich, in dem sich die Basisfläche und die Kugelstange berühren, nur sehr klein, dementsprechend kann die Nahtwurzel der Schweißnaht nah an die Mittelachse angesetzt werden und eine große Querschnittsfläche der Schweißnaht erzeugt werden.
Weiterhin lässt sich die kegelförmige Ausgestaltung des dem Basisteil zugewandten Endes der Kugelstange schnell und kostengünstig herstellen.
Erfindungsgemäß ist weiterhin vorgesehen, dass das Basisteil und die Kugelstange vor Erzeugung der Schweißnaht mithilfe mindestens eines Zentriermittels so ausgerichtet werden, dass die Mittelachse der Kugelstange im Bereich der dem Basisteil zugewandten Stirnfläche und die Mittelachse des Basisteils im Bereich der der Kugelstange zugewandten Stirnfläche miteinander fluchten. Dadurch wird nicht nur erreicht, dass der jeweilige Mittelbereich des Basisteils und der Kugelstange unmittelbar aufeinander treffen, sondern auch, dass ein äußerer Durchmesser der Stirnfläche des Basisteils und die Mantelfläche der Kugelstange möglichst fluchtend angeordnet sein können. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass zwischen dem Basisteil und der Kugelstange kein Versatz entsteht, welcher anschließend wieder ausgebessert werden müsste.
Im Hinblick auf eine fluchtende Anordnung der jeweiligen Mittelachse des Basisteils und der Kugelstange ist vorteilhafterweise vorgesehen, dass ein an der Stirnfläche der Kugelstange ausgebildeter, vorzugsweise konischer, Zentrierzapfen in eine in der Stirnfläche des Basisteils ausgebildete, vorzugsweise konische, Zentrierbohrung eingesteckt wird. Der Zentrierzapfen sowie die Zentrierbohrung bilden somit den jeweils entsprechenden Mittelbereich des Basisteils und der Kugelstange, in der sich das Basisteil und die Kugelstange berühren.
In einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Erfindung ist vorgesehen, dass im Zuge einer relativen Drehung der Kugelstange und des Basisteils zu der Schweißelektrode um einen Winkel von 360° eine Schweißnaht erzeugt wird, deren Außendurchmesser mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, des Durchmessers der Kugelstange im Bereich der dem Basisteil zugewandten Stirnfläche beträgt. Daraus resultiert, dass eine Umdrehung der Schweißelektrode ausreichend ist, um eine große Querschnittsfläche der Schweißnaht zu erzielen, welche wiederum für eine große Kraftübertragung erforderlich ist. Wie bereits zuvor erwähnt, wird zudem der Wärmeeintrag minimiert, wodurch ein möglicher Verzug der Kugelstange und/oder des Basisteils vermieden wird. Weiterhin kann der Einschluss von der Schweißschlacke, dadurch reduziert werden, dass keine Mehrzahl an Schweißnähten, wie dieses im Stand der Technik der Fall ist, vorhanden sind, zwischen welchen sich weitere Schweißschlanke ansammeln kann. Die Festigkeit und Dauerhaftigkeit der Schweißnaht kann folglich erheblich verbessert werden. Weiterhin kann die Produktionsdauer durch die einmalige Drehung verkürzt werden.
Aus optischen Gründen wird in einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, dass im Zuge einer weiteren relativen Drehung der Kugelstange und des Basisteils zu der Schweißelektrode, vorzugsweise um einen Winkel von 360°, eine zweite Schweißnaht erzeugt wird, die konzentrisch zu der vorgenannten Schweißnaht verläuft, wobei die zweite Schweißnaht einen Außendurchmesser besitzt, der ungefähr dem Durchmesser der Kugelstange im Bereich der dem Basisteil zugewandten Stirnfläche entspricht, vorzugsweise geringfügig größer als der Durchmesser der Kugelstange im Bereich der dem Basisteil zugewandten Stirnfläche ist und vorzugsweise eine leicht ballige Oberflächenkontur besitzt, wobei weiter vorzugsweise der Startpunkt der zweiten Schweißnaht gegenüber dem Startpunkt der zunächst hergestellten Schweißnaht versetzt ist, vorzugsweise um einen Winkel von mindestens 45°, vorzugsweise um einen Winkel von 90°. Die beiden Schweißnähte bilden jeweils einen Kreisring. Diese Ausgestaltung ist insbesondere dann sinnvoll, wenn die erste Schweißnaht nicht fluchtend mit der Mantelfläche der Kugelstange, sondern nach innen versetzt angeordnet ist.
Um den Wärmeeintrag dahingehend zu reduzieren, dass die vorgenannte Aufgabe gelöst wird, ist weiterhin vorgesehen, dass das Volumen des mittels der Schweißnaht bzw. sämtlicher Schweißnähte ausgefüllten Schweißspalts kleiner als 0,1 D³, vorzugsweise kleiner als 0,08 D³, vorzugsweise kleiner als 0,06 D³ ist, wobei D der Durchmesser der Kugelstange im Bereich der dem Basisteil zugewandten Stirnfläche ist. Infolgedessen kann die Menge des Materials, welche in den Schweißspalt eingebracht wird, möglichst gering gehalten werden, was nicht nur zu einer Kostenersparnis, sondern auch zu einer Vermeidung eines Verzugs der Kugelstange und/oder des Basisteils führt.
Ferner ist vorgesehen, dass die Anhängekupplung von dem Kraftfahrzeug, insbesondere von einem damit verbundenen Aufnahmeteil, werkzeuglos abnehmbar ist. Folglich kann die Anhängekupplung je nach Einsatzbereich spontan montiert und demontiert werden.
Außerdem ist alternativ noch vorgesehen, dass die Anhängekupplung schwenkbar mit dem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem damit verbundenen Aufnahmeteil, verbunden ist und von einer Arbeitsstellung in eine Ruhestellung und umgekehrt überführbar und in beiden Stellungen jeweils arretierbar ist. Dadurch wird ein flexibler Einsatz der Anhängekupplung ermöglicht. Auch ist die Anhängekupplung in der Zeit in der sie nicht benutzt wird in eine Stellung überführbar, in der sie nah an dem Kraftfahrzeug anliegt und nicht davon absteht, so dass sie insbesondere beim Rückwärtsfahren nicht stört.
Schließlich ist es bei dem erfindungsgemäßen Konzept besonders vorteilhaft, wenn ein axialer Abstand jeweils eines am weitesten von einer vorzugsweise senkrecht zu der Mittelachse der Kugelstange verlaufende Mittelebene M der Schweißbahn entfernten Punkts sowohl einer Stirnfläche der Kugelstange als auch einer Stirnfläche des Basisteils jeweils von der Mittelebene M der Schweißbahn maximal 10 mm, vorzugsweise maximal 7 mm, weiter vorzugsweise maximal 5 mm, beträgt. In diesem Fall sind die besagten axialen Abstände zum einen hinreichend gering, um ein Aufschmelzen beider Bauteile in einem zentralen Bereich beidseitig der Mittelachse zu erreichen, so dass im Ergebnis ein so genannter Vollanschluss vorliegt. Darüber hinaus ist bei einem möglichst kleinen Hohlraumvolumen im zusammengesteckten Zustand der beiden relativ zueinander zentrierten Bauteile die Tragfähigkeit der späteren Schweißverbindung optimal, da dann kein nennenswerter Verlust an tragfähigem Materialquerschnitt entsteht.
Figurenliste
Die vorstehend beschriebene Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele, welche in den Figuren dargestellt werden, näher erläutert.
Es zeigt:

1: eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Anhängekupplung in einer ersten
Ausführungsform in einem unverschweißten Zustand,
2: ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Anhängekupplung gemäß 1,
3: eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Anhängekupplung in einer zweiten Ausführungsform in einem unverschweißten Zustand,
3a: wie 3, jedoch mit einer abgewandelten Geometrie,
4: ein Längsschnitt der erfindungsgemäßen Anhängekupplung gemäß 2,
4a: wie 4, jedoch mit einer abgewandelten Geometrie,
5: eine Ansicht einer erfindungsgemäßen Anhängekupplung gemäß 1 mit einer Schweißnaht (in einem verschweißten Zustand),
6: ein Horizontalschnitt durch die Schweißnaht gemäß 5 und
7: einen schematischen Längsschnitt durch eine Schweißnaht.

Die 1 zeigt eine erfindungsgemäße Anhängekupplung 1 mit einer Kugelstange 2 und einem Basisteil 3. Die Anhängekupplung 1 ist dazu gedacht, eine Kräfte übertragende Verbindung zwischen einem hier nicht dargestellten Kraftfahrzeug sowie einem ebenfalls hier nicht dargestellten Anhänger herzustellen. Das Basisteil 3 wird dazu in einem Anhängebetrieb an dem Kraftfahrzeug befestigt. Eine ebene Stirnfläche 4 des Basisteils 3 ist einer kegelförmigen Stirnfläche 5 der Kugeltange 2 zugewandt, und soll später mit dieser verschweißt werden. Die kegelförmige Stirnfläche 5 befindet sich an einem dem Basisteil 3 zugewandten Ende 6 der Kugelstange 2. Ein dem Basisteil 3 abgewandtes Ende 7 der Kugelstange 2 weist eine Kupplungskugel 8 auf, welche in einem Anhängebetrieb mit einem hier nicht dargestellten pfannenförmigen Kupplungsteil des Anhängers korrespondiert.
In der 2 ist ein Vertikalschnitt der erfindungsgemäßen Anhängekupplung 1 gemäß 1 dargestellt. Aus der 2 wird ersichtlich, dass sich in einem Mittelbereich 9 der Stirnfläche 4 des Basisteils 3 eine Ausnehmung 10 befindet. In dieser Ausnehmung 10 ist eine Spitze 11 des kegelförmigen Endes 6 der Kugelstange 2 angeordnet.
Weiterhin zeigt die 2, dass die Kugelstange 2 eine Mittelachse 12 aufweist, wobei die Mittelachse 12 vorzugsweise durch die Spitze 11 des kegelförmigen Endes 6 der Kugelstange 2 verläuft. Analog dazu weist das Basisteil 3 eine Mittelachse 13 auf, welche durch einen Mittelpunkt 14 der Stirnfläche 4 beziehungsweise der Ausnehmung 10 verläuft. Hierdurch erfolgt eine Zentrierung, weshalb die jeweiligen Mittelachsen 12, 13 fluchtend miteinander angeordnet sind.
Die kegelförmigen Stirnfläche 5 der Kugelstange 2 bildet einen Bereich 15 mit der ebenen Stirnfläche 4 des Basisteils 3 aus, der einen Schweißspalt 16 bildet, welcher einen Winkel α von ca. 15° aufweist.
Die 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung der Erfindung. Das kegelförmige, dem Basisteil 3 zugewandte Ende 6 der Kugelstange 2 läuft nicht spitz zu, sondern weist einen zylindrischen Zentrierzapfen 17 auf. Dieser Zentrierzapfen 17 wird in eine in der Stirnfläche 4 des Basisteils 3 vorhandene ebenfalls zylindrische Zentrierbohrung 18 gemäß 4 angebracht.
Ebenfalls möglich wäre eine alternative Geometrie der zu fügenden Bauteile, wobei in einem Mittelbereich an der Kugelstange 2 ein im Durchmesser im Vergleich mit 3 größerer zylindrischer Zapfen Z ausgebildet ist, der allerdings nicht der Zentrierung dient, sondern insbesondere die Funktion hat, während des Schweißvorgangs eine Badzentrierung bzw. - sicherung zu bewirken, d.h. zu verhindern, dass flüssiges Stahlmaterial den Schweißspalt 16 auf der der Schweißelektrode gegenüber liegenden Seite verlässt.
Die eigentliche Zentrierung erfolgt mit Hilfe einer Zentrierspitze ZS, die an den Zapfen Z angeschlossen ist, deren Durchmesser jedoch nur einen sehr geringen Teil des Durchmessers des Zapfens Z ausmacht. Im Rahmen des Schweißvorgangs werden sowohl der Zentrierzapfen 17 der Ausführungsform gemäß den 3 und 4 als auch der Zapfen Z und die Zentrierspitze ZS gemäß einer alternativen Ausführungsform vollständig aufgeschmolzen und bilden somit einen Teil der Schweißnaht, so dass im Ergebnis ein so genannter Vollanschluss vorliegt. Die Schweißnahtgeometrie wird weiter unten anhand der 7 näher erläutert.
Aus der 4 wird ersichtlich, dass der Zentrierzapfen 17 in die Zentrierbohrung 18 eingesteckt wird. Die Mittelachse 12 der Kugelstange 2 ist wieder fluchtend zu der Mittelachse 13 des Basisteils 3 angeordnet.
Die 5 zeigt eine erfindungsgemäße Anhängekupplung 1, in dem das Basisteil 3 und die Kugelstange 2 bereits miteinander verschweißt sind. Aus der 5 ist erkennbar, dass eine äußere Schweißnaht 19 annähernd fluchtend zu einer Mantelfläche 20 der Kugelstange 2 angebracht wurde. Die bedeutet, dass eine äußere Mantelfläche der Schweißnaht 19 etwa fluchtend zu der Mantelfläche 20 der Kugelstange verläuft.
In der 6 wird ein Horizontalschnitt der in 5 gezeigten Schweißnaht 19 dargestellt. Aus dem Vertikalschnitt wird ersichtlich, dass mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens zunächst eine innere Schweißnaht 21 und anschließend die äußere Schweißnaht 19 geschweißt werden.
Ein innerer Kreis 22 beschreibt eine Schweißnaht 23, an welcher die Schweißelektrode lang führt um das Basisteil 3 mit der Kugelstange 2 zu verschweißen, wobei ein innerer Punkt 24 einen Startpunkt definiert, an dem mit der Beschreibung der Schweißnaht 23 begonnen wird. Der innere Punkt 24 wird derart an die beiden fluchtenden Mittelachsen 12, 13 herangeführt, dass ein Abstand A zwischen dem inneren Punkt 24 und den Mittelachsen 12, 13 in etwa 20% eines Radius 25 der Kugelstange 2 beträgt.
Nach einer einmaligen Drehung von 360° der Schweißelektrode relativ zu der Kugelstange 2 und dem Basisteil 3 beträgt ein Außendurchmesser D₁ der Schweißnaht 18 70% des Durchmessers D₂ der Kugelstange 2. Folglich kann eine ausreichende Kraftübertragung stattfinden.
Die Schweißnaht 19 ist aus optischen Gründen angebracht worden, wobei ein Startpunkt 26 einer äußeren Schweißnaht 27 um 90° zu dem Startpunkt 24 des inneren Punktes 22 versetzt angeordnet ist.
7 zeigt schließlich noch die Geometrie der Schweißnaht 27, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß den 3a und 4a, wobei es unerheblich ist, ob die Schweißnaht bei einer einzigen 360°-Drehung der Kugelstange 2 und des Basisteils 3 hergestellt wurde, oder aber in zwei Lagen, wie dies anhand der 5 und 6 erläutert wurde.
In 7 ist die Schweißbahn, die durch das während des Vorgangs aufgeschmolzene Material gekennzeichnet ist - sei es Material, das bereits vorher an der Kugelstange 2 oder dem Basisteil 3 vorhanden war, oder Material, das als Zusatzwerkstoff von der Schweißeinrichtung zugeführt wurde - durch eine Schraffur kenntlich gemacht ist. Die Grenzen der Schweißbahn werden durch die strichpunktierten Linien L₁ und L₂ gekennzeichnet. Es ist ersichtlich, dass der Bereich zwischen den Linien L₁ und L₂ nicht nur den Schweißspalt 16, der sich zwischen der Kugelstange 2 und dem Basisteil 3 vor Beginn des Schweißvorgangs angeordnet ist, und in dem sich Luft befindet, umfasst, sondern auch den Bereich des Zapfens Z und der Zentrierspitze ZS. Nach dem Schweißvorgang liegt somit ein Vollanschluss vor, und es sind keinerlei Hohlräume oder Lunker im Bereich der Naht 27 vorhanden, so dass die Tragfähigkeit der Schweißverbindung sehr gut ist.
In 7 sind schließlich noch die beiden Wärmeeinflusslinien W₁ und W₂ eingezeichnet. In den beiden Bereichen B₁ und B₂ , die jeweils zwischen der Linie L₁ und der Wärmeeinflusslinie W₁ bzw. der Linie L₂ und der Wärmeeinflusslinie W₂ angeordnet sind, ist es zwar nicht zu einem Aufschmelzen des Materials der Kugelstange 2 bzw. des Basisteils 3 gekommen. Aufgrund der Wärmeeinwirkung, wie sie von der Schweißnaht 16 ausgeht, ist es jedoch zu einer Gefügeveränderung gekommen. In einem Schliffbild des Schweißnahtbereichs lassen sich sowohl die eigentliche Schweißnaht SN als auch die Bereiche B₁ und B₂ aufgrund unterschiedlicher optischer Eigenschaften gut erkennen.
Bezugszeichenliste

1: Anhängekupplung
2: Kugelstange
3: Basisteil
4: Stirnfläche
5: Stirnfläche
6: Ende
7: Ende
8: Kupplungskugel
9: Mittelbereich
10: Ausnehmung
11: Spitze
12: Mittelachse
13: Mittelachse
14: Mittelpunkt
15: Bereich
16: Schweißspalt
17: Zentrierzapfen
18: Zentrierbohrung
19: äußere Schweißnaht
20: Mantelfläche
21: innere Schweißnaht
22: innerer Kreis
23: Schweißnaht
24: Innerer Punkt
25: Radius
26: Startpunkt
27: Schweißnaht
A: Abstand
B1: Bereich
B2: Bereich
D1: Außendurchmesser
D2: Durchmesser
L1: Linie
L2: Linie
SN: Schweißnaht
W1: Wärmeeinflusslinie
W2: Wärmeeinflusslinie
Z: Zapfen
ZS: Zentralspitze

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Anhängekupplung (1) für ein Kraftfahrzeug, wobei die Anhängekupplung (1) - ein Basisteil (3), das derart mit dem Kraftfahrzeug verbindbar ist, dass die im Anhängebetrieb zwischen dem Kraftfahrzeug und einem von diesem gezogenen Anhänger auftretenden Kräfte übertragbar sind, und - eine Kugelstange (2) aufweist, die an einem dem Basisteil (3) abgewandten Ende (7) eine Kupplungskugel (8) zur Verbindung mit einem angepassten pfannenförmigen Kupplungsteil des Anhängers und an einem dem Basisteil (3) zugewandten Ende (6) derart mit diesem verbunden ist, dass die im Anhängebetrieb zwischen dem Fahrzeug und dem von diesem gezogenen Anhänger auftretenden Kräfte übertragbar sind, wobei die Verbindung zwischen der Kugelstange (2) und dem Basisteil (3) durch Metallschutzgas-Schweißen in der Weise erfolgt, dass ausgehend von einem innersten Punkt (24) einer im Zuge des Schweißens erzeugten Schweißnaht (23) durch eine relative Drehung der Kugelstange (2) und des Basisteils (3) zu einer Schweißelektrode um eine Mittelachse (12) der Kugelstange (2) im Bereich (15) ihres dem Basisteil (3) zugewandten Endes (6) ein zwischen zueinander zugewandten Stirnflächen (4, 5) des Basisteils (3) einerseits und der Kugelstange (2) andererseits befindlicher Schweißspalt (16) fortlaufend gefüllt wird, wobei die relative Drehung um einen Winkel von mindestens 360° erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Abstand (A) des innersten Punkts (24) von der Mittelachse (12) der Kugelstange (2) maximal 20 %, vorzugsweise maximal 15 %, weiter vorzugsweise maximal 12 % des Radius (25) der Kugelstange (2) im Bereich (15) der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) beträgt und im Bereich der Schweißnaht der gesamte Querschnitt der Kugelstange (2) bzw. des Basisteils (3) aufgeschmolzen wird und vorzugsweise frei von Hohlräumen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schweißspalt (16) sich in Richtung von der Mittelachse (12) der Kugelstange (2) auf eine äußere Mantelfläche (20) der Kugelstange (2) zu, vorzugsweise kontinuierlich, erweitert, wobei ein Winkel (α) zwischen den einander zugewandten Stirnflächen (12, 13) des Basisteils (3) einerseits und der Kugelstange (2) andererseits kleiner als 20°, vorzugsweise kleiner als 17°, vorzugsweise kleiner als 15°, beträgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (4, 5) des Basisteils (3) oder der Kugelstange (2), vorzugsweise die Stirnfläche (4) des Basisteils (3), abgesehen von einem Mittelbereich (9), der vorzugsweise auch in die Schweißnaht (23) einbezogen wird, eben ausgebildet ist, wohingegen die andere der beiden Stirnflächen (4, 5), vorzugsweise die Stirnfläche (5) der Kugelstange (2), abgesehen von einem Mittelbereich, der vorzugsweise auch in die Schweißnaht (23) einbezogen wird, kegelförmig ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Basisteil (3) und die Kugelstange (2) vor Erzeugung der Schweißnaht (23) mithilfe mindestens eines Zentriermittels so ausgerichtet werden, dass die Mittelachse (12) der Kugelstange (2) im Bereich (15) der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) und die Mittelachse (13) des Basisteils (3) im Bereich der der Kugelstange (2) zugewandten Stirnfläche (4) miteinander fluchten.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein an der Stirnfläche (5) der Kugelstange (2) ausgebildeter, vorzugsweise konischer, Zentrierzapfen (17) in eine in der Stirnfläche (4) des Basisteils (3) ausgebildete, vorzugsweise ebenfalls konische, Zentrierbohrung (18) eingesteckt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge einer relativen Drehung der Kugelstange (2) und des Basisteils (3) zu der Schweißelektrode um einen Winkel von 360° eine Schweißnaht (23) erzeugt wird, deren Außendurchmesser (D1) mindestens 70 %, vorzugsweise mindestens 80 %, vorzugsweise mindestens 90 %, des Durchmessers (D2) der Kugelstange (2) im Bereich der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) beträgt.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Zuge einer weiteren relativen Drehung der Kugelstange (2) und des Basisteils (3) zu der Schweißelektrode, vorzugsweise um einen Winkel von 360°, eine zweite Schweißnaht (27) erzeugt wird, die konzentrisch zu der vorgenannten Schweißnaht (23) verläuft, wobei die zweite Schweißnaht (27) einen Außendurchmesser besitzt, der ungefähr dem Durchmesser (D2) der Kugelstange (2) im Bereich der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) entspricht, vorzugsweise geringfügig größer als der Durchmesser (D2) der Kugelstange (2) im Bereich der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) ist und vorzugsweise eine leicht ballige Oberflächenkontur besitzt, wobei weiter vorzugsweise der Startpunkt (26) der zweiten Schweißnaht (27) gegenüber dem Startpunkt (24) der zunächst hergestellten Schweißnaht (23) versetzt ist, vorzugsweise um einen Winkel von mindestens 45°, vorzugsweise um einen Winkel von 90°.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen des mittels der Schweißnaht (23) bzw. sämtlicher Schweißnähte ausgefüllten Schweißspalts kleiner als 0,1 D³, vorzugsweise kleiner als 0,08 D³, vorzugsweise kleiner als 0,06 D³ ist, wobei D der Durchmesser der Kugelstange (2) im Bereich der dem Basisteil (3) zugewandten Stirnfläche (5) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhängekupplung von dem Kraftfahrzeug, insbesondere von einem damit verbundenen Aufnahmeteil, werkzeuglos abnehmbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anhängekupplung schwenkbar mit dem Kraftfahrzeug, insbesondere mit einem damit verbundenen Aufnahmeteil, verbunden ist und von einer Arbeitsstellung in eine Ruhestellung und umgekehrt überführbar und in beiden Stellungen jeweils arretierbar ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass ein axialer Abstand (A) jeweils eines am weitesten von einer Mittelebene (M) der Schweißnaht (23) entfernten Punktes sowohl einer Stirnfläche der Kugelstange (2) als auch einer Stirnfläche des Basisteils (3) maximal 10 mm, vorzugsweise maximal 7 mm, weiter vorzugsweise maximal 5 mm, beträgt.