Bolzen für die Befestigung von Komponenten oder den Masseanschluss elektrischer oder elektronischer Komponenten an eine Fahrzeugkarosserie, Bolzenanordnung mit Bolzen und Verfahren zur Ausbildung der Bolzenanordnung

Die Erfindung betrifft einen Bolzen für die Befestigung von Komponenten o- der den Masseanschluss elektrischer oder elektronischer Komponenten an eine Fahrzeugkarosserie, eine Bolzenanordnung mit Bolzen und ein Verfahren zur Ausbildung der Bolzenanordnung.

Es ist bekannt, an einer Fahrzeugkarosserie Bolzen aufzuschweißen. Die Bolzen werden mit ihrem Fuß mit der Karosserie verschweißt. An ihrem freien Ende weisen sie einen Gewindeabschnitt auf, auf den die zu montierenden Komponenten aufgesteckt werden. Durch Aufschrauben einer Mutter auf den Gewindeabschnitt werden die Komponenten fixiert. Handelt es sich bei den Bolzen um sogenannte Massebolzen, also Bolzen, die eingesetzt werden um elektrische oder elektronische Komponenten im Fahrzeug zu erden, so werden Masseleitungen auf den Bolzen aufgesteckt und zwischen Mutter und einer Kontaktfläche des Massebolzens eingeklemmt, wodurch eine elektrische Kontaktierung erzeugt wird.

Werden Fahrzeugkarosserien aus Stahl gefertigt, so kommen Bolzen aus Stahl zum Einsatz. Im Rahmen des Leichtbaus werden zunehmend Leichtbauwerkstoffe eingesetzt. Bei Fahrzeugen mit Aluminiumkarosserien ist jedoch das Anbringen von Bolzen und insbesondere die Masseanbindung eine Herausforderung. Aufgrund der unterschiedlichen Materialeigenschaften ist ein Aufschweißen von herkömmlichen Stahl-Bolzen auf Aluminium nicht ohne weiteres möglich. Es ist bereits bekannt, Stahl-Bolzen mittels Reibschweißen auf einem Aluminiumblechabschnitt aufzuschweißen und nachfolgend den Aluminiumblechabschnitt durch ein Lichtbogenschweißen mit der Karosserie oder dem Rahmen des Fahrzeugs zu verschweißen. Dieses Verfahren ist jedoch arbeits- und kostenintensiv und nur in geringem Maße automatisierbar.

Weiterhin ist es bekannt, Massebolzen aus Aluminium zu verwenden. Diese sind zwar problemlos mit einer Aluminiumkarosserie verschweißbar, jedoch ist die Langzeitbeständigkeit der Verschraubung fraglich. Zudem stellen Aluminiumbolzen den elektrischen Kontakt häufig nur unzureichend her, da der Reibwert der Aluminium/Aluminiumverschraubung zwischen Mutter und Bolzen Undefiniert ist. Beim Verschrauben einer Aluminiumverschraubung besteht die Gefahr, dass das Aluminium verschweißt. Um dies zu verhindern wird ein Gleitmittel genutzt, dass wiederum den elektrischen Kontakt reduziert. Zudem ist die elektrische Kontaktierung verschlechtert durch die Oxidbildung auf dem Aluminium. Entscheidend für die einwandfreie Funktion von elektrischen und elektronischen Komponenten im Fahrzeug ist jedoch ihre Erdung über zuverlässige Masseverbindungen an die Karosserie.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Möglichkeit aufzuzeigen, wie eine verbesserte Bolzenanordnung und insbesondere ein verbesserter Massekontakt für ein Fahrzeug mit Aluminiumkarosseriegroßserienge- recht herstellbar ist.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Bolzen nach Patentanspruch 1 , eine Bolzenanordnung nach Patentanspruch 7 sowie ein Verfahren nach Patentanspruch 9. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Es wird ein Bolzen angegeben mit einem Kopfabschnitt mit Außengewinde, der aus einem Stahlwerkstoff gebildet ist, sowie einem Fußabschnitt. Der Kopfabschnitt stellt mit seinem Außengewinde eine Befestigungsmöglichkeit bereit. Soll der Bolzen als Massebolzen eingesetzt werden, so erfolgt an dem Kopfabschnitt die Kontaktierung mit dem elektrischen Anschlusselement, wie z.B. einem Kontaktschuh eines Massekabels. Das Anschlusselement wird z.B. auf das Außengewinde des Bolzens aufgesteckt werden. Durch Aufschrauben einer Mutter auf das Außengewinde wird das Anschlusselement zwischen der Mutter und einer Kontaktfläche des Kopfabschnitts eingeklemmt und die elektrische Kontaktierung erzielt.

An dem Fußabschnitt erfolgt die Befestigung des Bolzens an der Fahrzeugkarosserie. Erfindungsgemäß ist der Fußabschnitt aus einer Aluminiumlegierung ausgebildet und auf einer Stirnseite mit dem Kopfabschnttt durch eine Reibschweißverbindung stoffschlüssig verbunden. Der Bolzen ist als

Schweißbolzen zum Hubzündungsschweißen ausgebildet, wozu er an seiner den Fußabschnitt begrenzenden Stirnseite eine Zündspitze aufweist. Die Stirnseite des Fußabschnitts kann vorzugsweise z.B. kegelförmig ausgebildet sein, wobei die Zündspitze gegenüber dem restlichen Fußabschnitt in Längsrichtung des Bolzens hervorsteht.

Der erfindungsgemäße Hybrid-Bolzen ermöglicht eine artgleiche Schmelz- schweißung auf einem Aluminiumbauteil und die Verwendung eines Standard-Schweißverfahrens. Es wird der Aluminiumfuß mit der Aluminiumkarosserie verschweißt. Der Hybrid-Bolzen kann vorzugsweise so gestaltet sein, dass vorteilhafter Weise bereits vorhandene Bolzenschweißvorrichtungen, die bislang zum Hubzündungsschweißen von Stahlbolzen auf Stahlkarosse- rien verwendet wurden, ohne größere Änderungen auch mit dem erfindungsgemäßen Bolzen und für Aluminiumkarosserien eingesetzt werden können. Die Hybridbolzen können vollautomatisiert über eine herkömmliche Bolzenzuführvorrichtung der Fügestelle zugeführt werden. Der Kopfabschnitt mit Stahlgewinde und Stahl-Kontaktfläche gewährleistet eine dauerhaft feste Verschraubung. Ist der Bolzen in einer Ausgestaltung ein Massebolzen, so ermöglicht der aus einem Stahlwerkstoff ausgebildete Kopfabschnitt eine verbesserte elektrische Kontaktie rung und eine dauerhaft feste Vorspannung des Kabelanschlusses mit definiertem Übergangswiderstand.

In einer bevorzugten Ausgestaltung weist der Bolzen stahlseitig und alumini- umseitig jeweils Schlüsselflächen zum Angriff eines Werkzeugs auf. Es können z.B. wenigstens zwei, einander gegenüberliegende Schiüsselflächen an dem Fußabschnitt des Bolzens vorgesehen sein und wenigstens zwei, einander gegenüberliegende Schiüsselflächen an dem Kopfabschnitt angeformt sein. Zur Realisierung der Schlüsselfläche kann der Fußabschnitt umfangs- seitig z.B. eine mehrkantige, insbesondere sechskantige, Außenkontur aufweisen, ebenso kann eine mehrkantige, insbesondere sechskantige, Außenkontur an den Köpfabschnitt angeformt sein, z.B. benachbart zum Außengewinde. Das Vorsehen der Schlüsselflächen sowohl an dem aluminiumseiti- gen Abschnitt als auch an dem stahlseitigen Abschnitt des Bolzens ermöglicht eine einfache und zerstörungsfreie Prüfung der Reibschweißverbindung zwischen Stahl und Aluminiumwerkstoff, insbesondere eine 100 % Prüfung aller Bolzen.

In einer Ausgestaltung kann es vorteilhaft sein, wenn der Fußabschnitts in einem an die Stirnfläche angrenzenden Bereich zylinderförmig ausgebildet ist. Hierdurch lässt sich das Schweißergebnis verbessern, da ein unerwünschtes Auswandern des Lichtbogens verhindert wird, während der Bolzen auf die Karosserie geschweißt wird. Wird die Masseleitung bzw. der Masseschuh auf das Außengewinde des Kopfabschnitts aufgesteckt und eine Mutter aufgeschraubt, so klemmt die Mutter die Masseleitung gegen eine Kontaktfläche, die durch einen gegenüber dem Außengewinde radial überstehenden Anlageflansch gebildet wird. Vorteilhafter Weise ist die Anlagefläche zumindest teilweise mit einer Rände- lung versehen, wodurch eine Verdrehsicherung des Masseanschlusses gewährleistet wird.

Der erfindungsgemäße Bolzen kann mit einfachen Mitteln hergestellt werden.

So wird der Bolzen in einer Ausgestaltung hergestellt, indem als Kopfabschnitt ein herkömmlicher Stahl-Bolzen verwendet wird _» der mit seiner dem Gewinde abgewandten Stirnseite mit einem Aluminium-Profilabschnitt mit sechseckiger Außenkontur reibverschweißt wird. Der Stahl-Bolzen kann hierbei ein Bolzen sein, wie er herkömmlicher Weise für die Kontaktierung von Stahlkarosserien verwendet wird. Das Außengewinde des Bolzen kann vorzugsweise ein M6, M8 oder M10 Gewinde sein. Der Stahlbolzen kann wahlweise mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sein, wie z.B. einer Zinn/Zinkbeschichtung Sn/Zn 70/30, zur Erhöhung der elektrischen Leitfähigkeit und Verbesserung der Schweißfähigkeit. Reibschweißverbindungen zwischen Aluminium- und Stahlwerkstoffen können prozesssicher und mit hohen Verbindungsfestigkeiten ausgeführt werden.

Für den Fußabschnitt kann z.B. ein massives, mehreckiges, z.B. sechseckiges, Standardaluminiumprofil verwendet werden, das abgelängt wird. Die für das Schweißen erforderliche Zündspitze kann z.B. durch Abdrehen der Stirnseite erzeugt werden.

Als Werkstoffe für den Fußabschnitt eignen sich alle schweißbaren Aluminiumlegierungen, z.B. Aluminiumlegierungen mit einem Magnesiumanteil von weniger als 3 Gewichts-% und einem Siliziumanteil von weniger oder gleich 1 Gewichts-%. Insbesondere sind 5000er und 6000er Aluminiumlegierungen geeignet und besonders bevorzugt wird EN AW 8082 verwendet

In einem Nebenaspekt wird weiterhin eine Bolzenanordnung für die Befestigung einer Komponente oder für den Masseanschluss elektrischer oder elektronischer Komponenten an eine Fahrzeugkarosserie angegeben, mit einem Bolzen mit einem Kopfabschnitt aus einem Stahlwerkstoff mit Außengewinde, und einem Fußabschnitt, der aus einer Aluminiumiegierung ausgebildet ist und mit dem Kopfabschnitt durch eine Reibschweißung stoffschlüssig verbunden ist, und der an einer Stirnseite des Fußabschnitts mittels Hubzündungsschweißen mit einem Aluminiumbauteil, insbesondere einer Aluminiumkarosserie, verschweißt ist. Bei dem Bolzen handelt es sich vorzugsweise um den voranstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Bolzen, insofern werden dieselben technischen Wirkungen und Vorteile erreicht.

Weiterhin wird ein Verfahren angegeben zur Herstellung einer Kontaktanordnung für den Masseanschluss elektrischer oder elektronischer Komponenten an eine Fahrzeugkarosserie, bei dem ein erfindungsgemäßer Massebolzen an seiner Stirnseite mit einem Aluminiumbauteil und insbesondere einer Alu- miniumkarosserie verschweißt wird. Das Verschweißen erfolgt vorzugsweise mittels Hubzündungsschweißen, wobei auch Widerstandsschweißen oder Laserschweißen möglich wäre. Beim Hubzündungsschweißen wird der Bolzen zunächst mit seiner Stirnfläche auf dem Werkstück aufgesetzt. Durch einen Hubmechanismus in der Schweißpistole oder dem Schweißkopf wird der Bolzen dann leicht angehoben und es wird ein Pilotlichtbogen mit geringer Stromstärkte zwischen der Zündspitze und dem Werkstück gezündet. Anschließend erfolgt durch eine Erhöhung der Stromstärke die Zündung des Hauptlichtbogens. Bolzen und Werkstück werden aufgeschmolzen. Nach einer definierten Schweißze ^' rt wird der Bolzen zum Werkstück zurückbewegt und taucht in das entstandene Schmelzbad ein. Der Schweißstrom wird ausgeschaltet und die Schmelze erstarrt und kühlt ab. Bolzen und Werkstück sind stoffschlüssig verbunden.

Bei dem Verfahren wird der voranstehend beschriebene Bolzen verwendet, so dass dieselben technischen Vorteile und Wirkungen erzielt werden, wie für den Bolzen beschrieben.

Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich anhand der Zeichnung und im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele. Sofern in dieser Anmeldung der Begriff "kann" verwendet wird, handelt es sich sowohl um die technische Möglichkeit als auch um die tatsächliche technische Umsetzung.

Im Folgenden werden Ausführungsbeispiele an Hand der beiliegenden

Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:

Figur 1 eine Seitenansicht eines beispielhaften Bolzens und

Figur 2 eine schematische Darstellung einer Bolzenanordnung mit dem

Bolzen aus Figur 1.

Figur 1 zeigt einen beispielhaten Bolzen in Fomr eines Massebolzen für den Masseanschluss elektrischer oder elektronischer Komponenten an eine Fahrzeugkarosserie. Der Massebolzen 1 erstreckt sich entlang einer Längsachse L und ist als Hybridbolzen ausgebildet, d.h. er umfasst einen Fußabschnitt 2 aus einem Aluminiumwerkstoff und einen Kopfabschnitt 3 aus einem Stahlwerkstoff. Fußabschnitt 2 und Kopfabschnitt 3 sind durch eine Reibschweißverbindung 4 stoffschlüssig miteinander verbunden. Der Fußabschnitt 2 dient zur Befestigung des Massebolzens auf einer Fahrzeugkarosserie. Der Fußabschnitt 2 wird durch einen prismenförmigen Körper gebildet mit einer gleichschenkligen sechseckigen Querschnittsfläche (quer zur Längsachse L). An seiner freien Stirnfläche 5 ist der Fußabschnitt 2 kegelförmig ausgebildet mit einer vorstehenden Zündspitze 6. Um ein Auswandern des Lichtbogens beim Aufschweißen des Massebolzens 1 zu verhindern, ist der Fußabschnitt 2 in einem an die Stirnfläche 5 angrenzenden Abschnitt 7 mit einer Anfasung versehen und weist in diesem Bereich eine Zylinderform auf. Der zylinderförmige Abschnitt 7 hat vorzugsweise eine Länge L1 von mindestens 2 mm. Der Fußabschnitt 2 des Massebolzens ist durch einen massiven Aluminiumkörper aus einer schweißbaren Aluminiurn- legierung gebildet, wodurch ein prozesssicheres Verschweißen mit einer Aluminiumkarosserie sichergestellt wird.

Der Kopfabschnitt 3 dient zur Montage von nicht gezeigten Masseverbindungen. Hierzu ist an dem Kopfabschnitt ein Außengewinde 8 vorgesehen, auf welches die anzuschließenden Masseverbindungen aufsteckbar sind. Durch Aufschrauben einer nicht dargestellten Mutter auf das Außengewinde 8 des Kopfabschnitts 3 werden die Masseverbindungen an eine Kontaktfläche 9 gepresst und zwischen dieser und der Mutter eingeklemmt. Die Kontaktfläche 9 ist durch einen an Anlageflansch 10 gebildet, der an das Außengewinde 8 angrenzt und gegenüber diesem radial nach außen übersteht. Das Außengewinde 8 und die Kontaktfläche 9 sind aus Stahl ausgebildet, wodurch hervorragende elektrische Kontakteigenschaften und eine dauerhaltbare Verschraubung sichergestellt werden kann. Um eine Verdrehsicherung der Masseleitungen bzw. des aufgesteckten Masseschuhs zu erzielen, kann der Massebolzen 1 im Bereich der Kontaktfläche 9 mit einer Rändelung 11 versehen sein. Der gezeigte Massebolzen ist auf einfache Art und Weise herstellbar. Der Fußabschnitt 2 kann durch Ablängen eines als Meterware verfügbaren Aluminiumprofils mit sechseckigem Querschnitt erzeugt werden, wobei zumindest an einer Stirnseite, vorzugsweise an beiden Stirnseiten die dargestellte kegelförmige Stirnfläche 5 und die daran anschließende umfangsseitige Fase z.B. durch Drehen erzeugt wird. Die Gesamtlänge L2 des Fußabschnitts 2 ist individuell einsteilbar und kann z.B. mindestens 8 mm oder mindestens 10 mm betragen. Der Fußabschnitt 2 wird vorzugsweise mit einer Konversions- beschichtung (Aludine) versehen, wodurch die Oxidbildung verlangsamt wird und eine definierte Oxidschicht die Schweißbarkeit und Lagerfähigkeit verbessert.

Der so erzeugte Fußabschnitt wird mittels Reibschweißen z.B. an einen herkömmlichen Stahl-Bolzen angeschweißt, wobei der Fußabschnitt mit einer

Stirnseite an den Bolzenkopf des Stahl-Bolzens geschweißt wird, so dass der in Figur 1 gezeigte Hybrid-Bolzen entsteht.

Vorzugsweise wird als Stahl-Bolzen ein Bolzen mit Außensechskant verwendet. So werden sowohl auf der Stahlseite als auch auf der Alumiriiumseite jeweils Schlüsselflächen 12, 13 bereitgestellt, so dass milels geeigneter Werkzeuge, wie z.B. Schraubenschlüssel, eine einfache Prüfung der

Reibschweißverbindung durch Aufbringen eines Drehmoments möglich ist.

Der so hergestellte Massebolzen lässt sich problemlos mittels Hubzündungsschweißen auf Aluminiumkarosserien aufschweißen. Figur 2 zeigt eine beispielhatte Bolzenanordnung 14, wobei der Bolzen 1 aus Figur 1 an seiner Stirnseite 5 mittels eines Hubzündungsschweißens mit einer Aluminiumbauteil 15, das Teil einer Fahrzeugkarosserie ist, verschweißt wurde. Die resultierende Schweißverbindung 16 ist aufgrund des verwendeten Aluminiumfußabschnitts eine artgleiche Schweißung. Der Massebolzen 1 kann problemlos mit herkömmlichen Hubzündungsschweißanlagen mit automatisierten Bolzenzuführvorrichtungen verarbeitet werden

Die Ausführungsbeispiele sind nicht maßstabsgetreu und nicht beschränkend. Abwandlungen im Rahmen des fachmännischen Handelns sind möglich.

Bezugszeichenliste

1 Bolzen

2 Fußabschnitt

3 Kopfabschnitt

4 Reibschweißverbindung

5 Stirnfläche

6 Zündspitze

7 zylinderförmiger Abschnitt

8 Außengewinde

9 Kontaktfläche

10 Anlageflansch

1 1 Rändelung

12, 13 Schlüsselfläche

14 Bolzenanordnung

15 Aluminiumbauteil

16 Hubzündungsschweißverbindung L Längsachse

L1 , L2 Länge