DE10022066A1

DE10022066A1 - Procedure for connecting plastic pipe to metal part entails installing on end of pipe a small clearance ring made of electrically conductable material which under plastic deformation is then magnetically compressed

Info

Publication number: DE10022066A1
Application number: DE2000122066
Authority: DE
Inventors: Josef Spoerer; Stefan Mehnert; Wolfgang Streinz
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2000-05-06
Filing date: 2000-05-06
Publication date: 2001-11-08

Abstract

The procedure for connecting a pipe(1) made of fiber-reinforced plastic to a metal part(2) entails installing on the end of the pipe a small clearance ring(3) made of electrically conductable material. A very high magnetic field is built up for a short time in the region of the ring's outer face so that the ring is magnetically compressed under plastic deformation. The outer face of the metal part is roughened. The metal part and the ring are assembled into a composite component which has a axial annular slot to receive the end section of the pipe.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines aus faserverstärktem Kunststoff bestehenden Rohres mit einem Anbauteil aus Metall, bei dem die Innen fläche eines Endbereichs des Rohres mit der Außenfläche des Anbauteils verbun den wird.The invention relates to a method for connecting a fiber-reinforced Plastic existing pipe with a metal attachment, in which the interior area of an end region of the pipe is connected to the outer surface of the attachment that will.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art wird die Verbindung des Rohres mit dem Anbauteil durch mechanisches Aufpressen und/oder Verklebung erreicht. Ein Nachteil dieses bekannten Verfahrens besteht darin, daß es verhältnismäßig aufwendig und zeitraubend ist. Beim mechanischen Aufpressen des Rohres auf das Anbauteil ist es sehr schwierig, eine gleichmäßige Verteilung der aufgebrachten radialen Kräfte zu gewährleisten. Es besteht die Gefahr, daß Material verdrängt und damit das Bauteil beschädigt wird. Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß sowohl das mechanische Aufpressen als auch das Verkleben sehr kleine Toleranzen des Außendurchmessers des Anbauteils bzw. des Innendurchmessers des Rohres erfor dert. Die Einhaltung dieser Toleranzen macht eine aufwendige Vorbearbeitung des Rohres und des Anbauteils erforderlich.In a known method of this type, the connection of the pipe achieved with the attachment by mechanical pressing and / or gluing. A disadvantage of this known method is that it is proportional is complex and time consuming. When mechanically pressing the pipe onto the Attachment it is very difficult to evenly distribute the applied to ensure radial forces. There is a risk of material being displaced and so that the component is damaged. Another disadvantage is that both the mechanical pressing as well as the gluing very small tolerances of the Requires the outer diameter of the attachment or the inner diameter of the pipe different. Adherence to these tolerances makes a complex preprocessing of the Pipe and the attachment part required.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Verfahren zu schaffen, das mit geringen Kosten und mit hoher Wiederholgenauigkeit durchführbar 4 ist.The invention has for its object to a generic method create that with low costs and with high repeatability 4 is.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß auf dem End bereich des Rohres ein Ring aus einem elektrisch leitfähigen Material mit geringem Spiel angeordnet wird, und daß im Bereich der Außenfläche des Rings kurzzeitig ein sehr hohes Magnetfeld aufgebaut wird, so daß der Ring unter plastischer Verfor mung magnetisch komprimiert wird.According to the invention this object is achieved in that on the end area of the tube is a ring made of an electrically conductive material with low Game is arranged, and that in the area of the outer surface of the ring for a short time very high magnetic field is built up, so that the ring with plastic deformation mung is magnetically compressed.

Im Gegensatz zu dem Ring kann das Rohr nur elastisch verformt werden, weil seine Matrix nicht plastisch verformbar ist. Das elastisch verformte Rohr versucht sich daher unter seiner Eigenelastizität in seine ursprüngliche Form radial aufzuwei ten, so daß es sich an der Innenfläche des dauerhaft komprimierten Rings abstützt. Unter diesen über den Umfang gleichmäßig verteilten Abstützkräften kommt es zu einer kraftschlüssigen Verbindung des Rohres mit dem Anbauteil.In contrast to the ring, the tube can only be elastically deformed because its matrix is not plastically deformable. Tried the elastically deformed pipe to radially expand into its original shape under its own elasticity ten so that it is supported on the inner surface of the permanently compressed ring. It occurs under these support forces, which are distributed evenly over the circumference a non-positive connection of the pipe with the attachment.

Das magnetische Umformen ist ein an sich bekanntes elektrodynamisches Hochgeschwindigkeits-Fertigungsverfahren zur Kaltumformung elektrisch gut leitfä higer Metalle wie z. B. Kupfer und Aluminium. Das Werkstück wird hierbei durch die Krafteinwirkung gepulster Magnetfelder von sehr hoher Intensität umgeformt, d. h. ohne mechanischen Kontakt zu irgendeinem Werkzeug. Das Magnetumformverfah ren beruht auf der physikalischen Tatsache, daß ein zeitlich veränderliches Magnet feld in benachbarten Metallen Ströme induziert. Auf diese Ströme übt das Magnet feld Kräfte aus, deren Stärke einerseits von der magnetischen Flußdichte und ande rerseits von der Größe der induzierten Ströme abhängt.Magnetic forming is a known electrodynamic High-speed manufacturing process for cold forming, good electrical conductivity higer metals such. B. copper and aluminum. The workpiece is thereby Force applied by pulsed magnetic fields of very high intensity, d. H. without mechanical contact to any tool. The magnetic forming process ren is based on the physical fact that a temporally variable magnet field induced currents in neighboring metals. The magnet exerts these currents field forces, the strength of which depends on the one hand on the magnetic flux density and on the other depends on the size of the induced currents.

Gegenüber dem bekannten Rohrverbindungsverfahren durch mechanisches Aufpressen und/oder Verkleben hat das erfindungsgemäße Verfahren einige Vor teile, die insgesamt zu einer Kostenverringerung führen. Es müssen keine engen Toleranzen eingehalten werden, was eine einfachere Vorbearbeitung des Rohres und des Anbauteils ermöglicht. Ein Spiel vor der Einformung ist sogar hilfreich. Die Kräfte sind sehr genau einstellbar. Eine Beschädigung des Rohres kann daher ver mieden werden. Die Reproduzierbarkeit ist außergewöhnlich groß. Es gibt keinen Verschleiß an mechanischen Werkzeugen. Qualitätskontrolle und Wartung sind da her wesentlich vereinfacht. Magnetumformanlagen lassen sich leicht bedienen. Sie erfordern kein speziell ausgebildetes Bedienungspersonal und sind in besonderem Maße geeignet, in automatische Fertigungssysteme eingegliedert zu werden. Dies ermöglicht ein einfaches Fertigungsverfahren mit hoher Wiederholgenauigkeit. Die extrem kurzen Umformzeiten von weniger als 1 ms führen zu einer kurzen Zykluszeit und damit zu einer Kostenreduzierung.Compared to the known pipe connection method by mechanical Pressing on and / or gluing has the method according to the invention some parts that lead to an overall reduction in costs. It doesn't have to be tight Tolerances are observed, which makes it easier to pre-process the pipe and the attachment. A game before molding is even helpful. The Forces can be adjusted very precisely. Damage to the pipe can therefore ver be avoided. The reproducibility is exceptionally high. There is no Wear on mechanical tools. Quality control and maintenance are there considerably simplified. Magnetic forming systems are easy to operate. she do not require specially trained operating personnel and are special Dimensions suitable to be integrated into automatic manufacturing systems. This enables a simple manufacturing process with high repeatability. The extremely short forming times of less than 1 ms lead to a short cycle time and thus to reduce costs.

Um das übertragbare Drehmoment bei einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohrverbindung noch weiter zu vergrößern, ist vorgesehen, daß die Außenfläche des Anbauteils aufgerauht ist. Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform einer nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Rohr verbindung ist vorgesehen, daß das Anbauteil und der Ring zu einem Kombinations bauteil zusammengefaßt sind, das eine den Endbereich des Rohres aufnehmende axiale Ringnut aufweist. Bei einer in dieser Weise ausgebildeten Rohrverbindung kann das aufgebrachte Drehmoment zusätzlich über die Trennfläche zwischen dem Rohr und dem Ring übertragen werden, weil diese Kräfte vom Ring in das Anbauteil eingeleitet werden. Bei gleichen Abmessungen der Rohrverbindung kann daher ein größeres Drehmoment übertragen werden. In dieser Hinsicht ist es vorteilhaft, wenn die Außenfläche des Rohres aufgerauht ist.To the transmissible torque at a according to the invention Process to further enlarge the pipe connection produced is provided that the outer surface of the attachment is roughened. With a particularly advantageous Embodiment of a tube produced by the method according to the invention Connection is provided that the attachment and the ring to a combination are summarized component, the one receiving the end region of the tube has an axial annular groove. With a pipe connection designed in this way the torque applied can also be made via the interface between the Pipe and the ring are transmitted because these forces from the ring into the attachment be initiated. With the same dimensions of the pipe connection can therefore greater torque can be transmitted. In this regard, it is advantageous if the outer surface of the pipe is roughened.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert. Es zeigt:Two embodiments of the invention are shown in the drawing and are explained in more detail below. It shows:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführungsform einer Rohrverbin dung, Fig. Dung 1 is a longitudinal section through a first embodiment of a Rohrverbin,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Rohrverbindung nach Fig. 1, Fig. 2 is a side view of the pipe connection according to Fig. 1,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer Rohrver bindung, und Fig. 3 shows a longitudinal section through a second embodiment of a Rohrver connection, and

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Rohrverbindung nach Fig. 3. Fig. 4 shows a cross section through the pipe connection of FIG. 3.

In Fig. 1 der Zeichnung ist ein Rohr 1 gezeigt, das aus mit Fasern, beispiels weise Kohle- oder Glasfasern verstärktem Kunststoff besteht. Ein solches Rohr kann bei geringem Gewicht große Drehmomente übertragen, und es ist insbesondere für dynamische Belastungen geeignet. Solche Rohre aus faserverstärktem Kunststoff finden daher bei Kraftfahrzeugen als Antriebswellen Verwendung. In das Rohr 1 ist ein Anbauteil 2 aus Metall eingesetzt. Dieses der Einfachheit halber als Hülse darge stellte Anbauteil 2 dient zur Verbindung des Rohres 1 mit einem (nicht gezeigten) treibenden oder getriebenen Bauteil. Auf dem Endbereich des Rohres 1 ist ein Ring 3 aus einem elektrisch gut leitendem Material, wie z. B. Aluminium angeordnet. Der Außendurchmesser des Anbauteils 2 bzw. der Innendurchmesser des Rings 3 ist so gewählt, daß gegenüber dem Rohr 1 ein Ringspalt besteht.In Fig. 1 of the drawing, a tube 1 is shown, which consists of reinforced with fibers, for example carbon or glass fibers plastic. Such a tube can transmit high torques with a low weight, and it is particularly suitable for dynamic loads. Such tubes made of fiber-reinforced plastic are therefore used as drive shafts in motor vehicles. An attachment 2 made of metal is inserted into the tube 1 . This for the sake of simplicity Darge presented attachment 2 is used to connect the tube 1 with a (not shown) driving or driven component. On the end of the tube 1 is a ring 3 made of an electrically highly conductive material, such as. B. arranged aluminum. The outer diameter of the attachment 2 or the inner diameter of the ring 3 is selected so that there is an annular gap with respect to the tube 1 .

Die gemäß Fig. 1 lose zusammengefügten Teile werden in einer (nicht ge zeigten) zylindrischen elektrischen Spule angeordnet, deren Innendurchmesser geringfügig größer ist als der Außendurchmesser des Rings 3. Zur Erzeugung eines für die Umformung des Rings 3 geeigneten Magnetfeldes wird als Energiespeicher ein Stoßkondensator benutzt. Dieser Stoßkondensator wird zunächst langsam auf geladen und dann kurzzeitig über die Spule entladen. Dabei wird im Verlauf von eini gen 10 µs im Bereich der Oberfläche des Rings 3 ein sehr hohes Magnetfeld aufge baut. Das zeitlich veränderliche Magnetfeld induziert in der Oberfläche des Rings 3 starke elektrische Ströme, auf die das Magnetfeld wiederum Kräfte ausübt. Nach Schließen eines den Stoßgenerator mit der Spule verbindenden Schalters fließt im Ring 3 ein Strom, der gegenläufig zum Spulenstrom gerichtet ist. Die magnetischen Kräfte versuchen die Spule zu expandieren und den Ring 3 zu komprimieren. Die Stärke der induzierten Ströme und damit die Kraftwirkung auf den Ring 3 hängt ent scheidend von der elektrischen Leitfähigkeit des Rings ab. Bei guter Leitfähigkeit, die z. B. von Kupfer und Aluminium gewährleistet wird, wirken auf die in der Oberfläche des Rings 3 fließenden Ströme Kräfte, die einem auf die Oberfläche wirkenden magnetischen Druck von einigen 1000 MPa entsprechen. Unter diesem hohen Druck kommt es zu einer plastischen Verformung des Rings 3, wodurch dieser komprimiert wird, bis er an dem Rohr 1 zur Anlage gelangt und auf dieses starke radiale Kräfte ausübt. Unter diesen radialen Kräften wird das Rohr 1 gleichfalls komprimiert und an die Außenfläche des Anbauteils 2 angedrückt. Dabei kann es im Oberflächenbereich des Anbauteils 2 zu einer plastischen Verformung kommen. Im Gegensatz zu dem Ring 3 ist die Kunststoffmatrix des Rohres 1 nicht plastisch, sondern elastisch ver formbar. Das elastisch verformte Rohr 1 ist daher bestrebt, in seine ursprünglich Form zurückzukehren. Es wird sich daher mit großer Kraft an der Innenfläche des Rings 3 bzw. an der Außenfläche des Anbauteils 2 abstützen. Unter diesen Abstütz kräften kommt es zu einer reibschlüssigen Verbindung zwischen dem Rohr 1 und dem Anbauteil 2. Um den Reibschluß zu verbessern und damit das übertragbare Drehmoment zu vergrößern, kann die Außenfläche des Anbauteils 2 aufgerauht sein.1 loosely assembled parts of FIG. Are in a (not shown ge) cylindrical electric coil arranged, whose inner diameter is slightly larger than the outer diameter of the ring 3. In order to generate a magnetic field suitable for the shaping of the ring 3 , a surge capacitor is used as the energy store. This surge capacitor is first slowly charged and then briefly discharged via the coil. A very high magnetic field is built up in the course of a few 10 microseconds in the region of the surface of the ring 3 . The time-varying magnetic field induces 3 strong electric currents in the surface of the ring, to which the magnetic field in turn exerts forces. After a switch connecting the surge generator to the coil is closed, a current flows in ring 3 which is directed in the opposite direction to the coil current. The magnetic forces try to expand the coil and compress the ring 3 . The strength of the induced currents and thus the force acting on the ring 3 depends crucially on the electrical conductivity of the ring. With good conductivity, the z. B. is ensured by copper and aluminum, act on the currents flowing in the surface of the ring 3 forces corresponding to a magnetic pressure acting on the surface of several 1000 MPa. Under this high pressure there is a plastic deformation of the ring 3 , whereby it is compressed until it comes to bear against the pipe 1 and exerts strong radial forces thereon. Under these radial forces, the tube 1 is also compressed and pressed against the outer surface of the attachment 2 . This can result in plastic deformation in the surface area of the attachment 2 . In contrast to the ring 3 , the plastic matrix of the tube 1 is not plastic, but elastically deformable. The elastically deformed tube 1 therefore strives to return to its original shape. It will therefore be supported with great force on the inner surface of the ring 3 or on the outer surface of the attachment 2 . Under these support forces, there is a frictional connection between the tube 1 and the attachment 2 . In order to improve the frictional engagement and thus to increase the transmissible torque, the outer surface of the attachment 2 can be roughened.

Bei der magnetischen Kompression des Rings 3 kann ein hoher Grad an Rotationsymmetrie der auftretenden Kräfte erreicht werden. Die auf den Ring 3 auf gebrachten Kräfte sind daher bei einer außergewöhnlich großen Wiederholgenauig keit exakt einstellbar. Dadurch ist es möglich, die für die angestrebte reibschlüssige Verbindung des Rohres 1 mit dem Anbauteil 2 erforderliche Schrumpfung des Rings 3 auf reproduzierbare Weise mit hoher Genauigkeit einzuhalten.With the magnetic compression of the ring 3 , a high degree of rotational symmetry of the forces occurring can be achieved. The forces exerted on the ring 3 are therefore precisely adjustable with an extraordinarily high repeatability. This makes it possible to maintain the shrinkage of the ring 3 required for the desired frictional connection of the tube 1 to the attachment 2 in a reproducible manner with high accuracy.

Bei der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Ausführungsform wird das aufgebrachte Drehmoment nur über die Ringfläche zwischen dem Rohr 1 und dem Anbauteil 2 übertragen. Bei dem in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind das Anbauteil und der Ring zu einem Kombinationsbauteil 4 zusammengefaßt. Dieses Kombinationsbauteil 4 weist eine den Endbereich des Rohres 1 mit Spiel aufneh mende Ringnut 5 auf. Zur Vergrößerung des übertragbaren Drehmoments ist der Endbereich des Rohres 1 auf der Außenfläche mit Axialnuten 6 versehen. Das Rohr wird zusammen mit dem aufgesteckten Kombinationsbauteil 4 in einer Spule ange ordnet, und es wird in der vorstehend beschriebenen Weise in der Außenfläche des Kombinationsbauteils 4 kurzzeitig ein sehr hohes Magnetfeld aufgebaut. Unter den dabei auftretenden großen Kräften wird der ringförmige Außenbereich des Kombi nationsbauteils 4 komprimiert, so daß das Rohr 1 zwischen dem äußeren und dem inneren ringförmigen Bereich des Kombinationsbauteils eingeschnürt wird. Der ring förmige Außenbereich des Kombinationsbauteils 4 wird dabei plastisch verformt, so daß sein Material in die Axialnuten 6 des Rohres 1 eindringt. Dadurch ergibt sich eine formschlüssige Verbindung des Kombinationsbauteils 4 mit dem Rohr 1. Mit der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführungsform lassen sich besonders hohe Dreh momente übertragen, weil sowohl im Bereich der Innenfläche als auch im Bereich der Außenfläche des Rohres 1 Kräfte auf das Kombinationsbauteil 4 übertragen werden können.In the embodiment shown in FIGS. 1 and 2, the applied torque is transmitted only over the ring surface between the tube 1 and the attachment 2 . In the embodiment shown in FIGS. 3 and 4, the attachment and the ring are combined to form a combination component 4 . This combination component 4 has an end region of the tube 1 with play absorbing annular groove 5 . To increase the transmissible torque, the end region of the tube 1 is provided with axial grooves 6 on the outer surface. The tube is arranged together with the attached combination component 4 in a coil, and it is briefly built up in the manner described above in the outer surface of the combination component 4 , a very high magnetic field. Under the resulting large forces, the annular outer region of the combi nation component 4 is compressed so that the tube 1 is constricted between the outer and the inner annular region of the combination component. The ring-shaped outer region of the combination component 4 is plastically deformed so that its material penetrates into the axial grooves 6 of the tube 1 . This results in a positive connection of the combination component 4 with the pipe 1 . With the in Figs. 3 and 4 illustrated embodiment, particularly high rotational moments can be transmitted because both in the region of the inner surface than 1 forces can be transmitted to the combination component 4 also in the region of the outer surface of the tube.

Claims

1. A method of connecting a fiber-reinforced plastic, the tube with an attachment made of metal, in which the inner surface of an end portion of the tube is connected to the outer surface of the attachment, characterized in that on the end portion of the tube a ring made of an elec trical Conductive material is arranged with little play, and that a very high magnetic field is briefly built up in the area of the outer surface of the ring, so that the ring is magnetically compressed with plastic deformation.

2. Pipe connection produced by the method according to claim 1, characterized in that the outer surface of the attachment ( 2 ) is roughened.

3. Pipe connection produced by the method according to claim 1, characterized in that the add-on part and the ring are combined to form a combination component ( 4 ) which has an axial annular groove ( 5 ) which receives the end region of the pipe ( 1 ).

4. Pipe connection according to claim 3, characterized in that the outer surface of the tube ( 1 ) is roughened ( 6 ).