DE20116901U1 - Fügeverbindung für Metallelemente und Paßschrauben für eine solche Fügeverbindung - Google Patents

Description

SZG91T2

Fügeverbindung für Metallelemente und Schraube für eine

solche FügeVerbindung

Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung für Metallelemente, die über koinzidierende Bohrungen und mittels einer durch die Bohrungen reichenden metallenen Schraube mit Mutter verbunden sind, wobei die Schraube aufweist:

- einen Kopf mit im wesentlichen flacher Unterseite, der auf einer Oberseite des oben liegenden Metallelementes aufliegt,

- einen sich an den Kopf anschließenden, die Bohrungen durchsetzenden Einpaßschaftteil,

- einen den unteren Teil der Schraube bildenden Gewindeschaftteil,

- eine auf den Gewindeschaftteil aufgeschraubte Mutter, die auf das unten liegende Metallelement drückt.

Die Erfindung betrifft darüber hinaus auch die Schraube mit Mutter für eine solche Fügeverbindung.

Es ist bekannt, Metallelemente der vorgenannten Art durch sogenannte Paßschrauben zu verbinden. Beispielsweise ist in dem Buch „TECHNOLOGIE METALL'; 1. Auflage, Verlag Handwerk und Technik, Hamburg, 1990, auf Seite 290 unter der Rubrik „Schraubenarten* eine solche Schraube in Anwendung auf einen

zusammengebauten Kegelradträger abgebildet; sie wird hier als Paßschraube bezeichnet.

Der die Bohrungen der Metallelemente durchsetzende Einpaßschaftteil liegt sehr eng an der Innenfläche der Bohrungen an, damit neben der kraftschlüssigen Verbindung durch Schraubenkopf und Mutter auch eine ausreichend spielfreie, formschlüssige Verbindung hervorgerufen wird.

Es stellt sich die Aufgabe, eine derartige Fügeverbindung für Metallelemente weiterzuentwickeln, wobei insbesondere die Verdrehsicherung des Schraubenschaftes bei hoher Ausziehsicherheit zu schaffen ist.

Diese Aufgabe wird gelöst bei einer Fügeverbindung mit einer Schraube und kompatibler Mutter, bei der der Einpaßschaftteil in Reibkontakt mit der Innenseite der Bohrungen steht und mit über seine Peripherie verteilten, in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden feinen Kannelüren und Rippen versehen ist, die sich beim Anziehen der Mutter in die Innenseiten der Bohrungen einarbeiten und eine verdreh- und schubfeste Verbindung zwischen Bohrungsinnenseiten und Einpaßschaftteil herstellen.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf eine Schraube für eine Fügeverbindung für Metallelemente der oben bezeichneten Art, bei der Einpaßschaftteil mit über seine Peripherie verteilten, in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden feinen Kannelüren und Rippen versehen ist, die beim Einpassen und Anziehen der Mutter in die Innenseiten der Bohrungen einarbeitbar sind.

Unter „feinen Kannelüren und Rippen* soll eine Struktur verstanden werden, die den bei Säulen üblichen Kannelüren und

Rippen entspricht, jedoch sehr viel feiner ist und eine riefenartige Textur besitzt. So sind zwischen 30 bis 90 Kanneluren-Rippen-Paare auf der Peripherie des Einpaßschaftteils verteilt.

Die Länge des Einpaßschaftteils ist für jede Schraube so bemessen, daß er wenigstens über die gesamte Höhe beider Bohrungen reicht, so daß auch in beiden Bohrungen eine Verankerung des Schraubenschaftes stattfindet.

Die Begriffe „oben' und „unten' beziehen sich auf eine Darstellung gemäß Fig. 1 der Zeichnungen und sind nur für eine beschreibende Zuordnung gedacht. Selbstverständlich können auch durch die Fügeverbindung verschiedene Stellungen eingenommen werden, wie dies üblich ist. Auch sind Begriffsbestimmungen für Definitionen von Schrauben verwendet worden, wie sie beispielsweise aus dem genannten Buch „TECHNOLOGIE METALL* hervorgehen. Der Kerndurchmesser des Einpaßschaftteils ist etwas kleiner als der Durchmesser der koinzidierenden Bohrungen, wobei der Unterschied zwischen Kern- und Außendurchmesser bei einem Kanneluren-Rippen-Paar zwischen 0,1 und 1,5 mm liegen sollte, auch hier abhängig von der Wahl des Materials der Schraube und der zu verbindenden Metallteile. Im allgemeinen wird angestrebt, daß die Schraube aus einem härteren Material besteht als das der zu fügenden Metallelemente.

Es ist dem Fachmann deutlich, daß die Abmessungen von der Schraubengröße, den verwendeten Materialien, aber auch davon abhängen, welche Art von Metallelementen verbunden werden sollen und welche Festigkeiten hier vorhanden sind.

Als weiteres Merkmal, welches die Verdrehsicherheit und Schraubspannung erhöht, wird vorgeschlagen, die Unterseite

des Schraubenkopfes mit wenigstens einer die Achse der Schraube umschließenden Riefe als Aufnahmeraum für verdrängtes Material vorzusehen.

Weiter kann der Einpaßschaftteil an der kopfabgewandten Seite mit einer kegelstumpfförmigen Verjüngungsübergangsfläche versehen ist, in deren Bereich eine Verjüngung des Schraubenschaftes im wesentlichen bis auf den Kerndurchmesser des Einpaßschaftteils stattfindet. Diese Verjüngungsübergangsfläche bildet vorzugsweise einen Winkel zwischen 15° bis 45° mit der Schraubenachse.

Die Mutter kann eine Innenbohrung aufweist, die auf der schaftzugewandten Seite eine Aufbohrung mit einem Durchmesser besitzt, der größer ist als der Außendurchmesser des Einpaßschaftteils, wobei sich an die Aufbohrung das Muttergewinde anschließt. Hierbei liegt das Verhältnis vorzugsweise von axial gemessener Längen von Aufbohrung (16) und Gewinde (14) bei der Mutter zwischen 0,5 : 1 bis 1:4.

Weiterhin ist möglich, daß die Mutter mit einem zwischen Mutter und Unterseite des unten liegenden Metallelementes zu liegen kommenden ringförmigen Abstandselement unterlegt ist. Hierdurch kann eine Verdrehung der Mutter erfolgen, ohne daß eine Beschädigung der Unterseite des Metallelementes hervorgerufen wird, da das ringförmige Abstandselement, beispielsweise eine Hülse oder ein Ring, sich nicht gegenüber dem Metallelement verdrehen können. Wird als Abstandselement eine Hülse gewählt, so sollte deren Innenöffnung einen Durchmesser haben, der größer ist als der Außendurchmesser des Einpaßschaf tteils der Schraube.

Wesentlich ist, daß der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche der Mutter und dem des ringförmigen Ab-

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Standselementes größer ist als der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche von ringförmigem Abstandselement und der Unterseite des unten liegenden Metallelementes, damit der oben benannte Beschädigungseffekt durch eine Mutter, die sich gegenüber dem Metallelement verdrehen kann, nicht eintritt.

Vorzugsweise wird ein Abstandselement verdrehbar, jedoch unlösbar (im Fachjargon „unverlierbar*), mit der Mutter verbunden .

Die Verwendung einer Mutter bzw. Hülse mit einer Kombination aus einer derartigen Innenbohrung und Gewinde hat den Vorteil, daß die Mutter auch dann, auf die. Unterseite des unteren Metallelementes aufgedreht werden kann,und die zusammengefügten Metallteile zusammengedrückt werden, wenn die Länge des Einpaßschaftteils etwas größer ist als die addierten Dicken der Metallteile.

Schließlich wird noch vorgeschlagen, daß die Mutter und/oder die Schraube aus einer Stahllegierung bestehen.

Durch eine Fügeverbindung der vorgenannten Art ergibt sich ein wesentlicher Vorteil auch gegenüber sogenannten.Schließring-Bolzen-Verbindungen, da bei derartigen Verbindungen nur eine Flächenpressung, aber keine schubfeste Verbindung geschaffen ist. Dagegen bildet die jetzt vorgeschlagene Fügeverbindung sowohl eine Form- als auch eine Kraftschlüssigkeit gegen die Verdrehung und die axiale Kraftbeeinflussung aus. Die Verbindung ist daher auch einer Nietverbindung überlegen, da der Schraubenschaft innerhalb der Bohrung keinerlei Spiel mehr aufweist und die Federwirkung des Metalls im Bereich der Kanneluren auch eine gewisse Nachgiebigkeit besitzt, die auch bei langer Standzeit kein Lösen des Ein-

paßschaftteils gegenüber der Innenseite der Bohrung zeigt, wie dies bei einer Nietverbindung oder einer normalen Paßschraube der Fall ist. Ein weiterer Vorteil ist, daß im Gegensatz zu einer Paßschraube von vornherein kein sehr genauer Paßsitz gebohrt werden muß, sondern eine relativ hohe Toleranz besteht. Die Vorfertigung ist daher preisgünstiger und weniger kompliziert. Andererseits ergibt sich eine paßsitz-artige Qualität der vorliegenden Fügeverbindung, weil das Material in den Bohrungen etwas verdrängt wird.

&iacgr;&ogr; Ausführungsbeispiele der Fügeverbindung bzw. der Schraube sind in der beigefügten Zeichnung dargestellt. Die Figuren zeigen im einzelnen:

Fig.l eine .Fügeverbindung unter Zuhilfenahme einer Schraube gemäß Erfindung;

Fig.2 den Kopf der Schraube,·

Fig. 3 und 4 Ausführungsbeispiele.einer Schraube mit Mutter;

Fig. 5 Ausführungsbeispiele einer Schraube mit Mutter und Abstandselement.

In Figur 1 ist eine Fügeverbindung dargestellt, bei der ein oberes Metallelement 2 und ein unteres Metallelement 3 über eine speziell ausgebildete Schraube 1 zusammengefügt sind. Bei den Metallelementen kann es sich beispielsweise um Fahrzeugteile, Getriebeteile oder Möbelteile handeln. Die beiden Metallteile 1 und 2 haben jeweils eine Bohrung 4, wobei die beiden Bohrungen übereinander liegen. Das Material der Metallelemente ist im allgemeinen weniger hart als das Material der Schraube.

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Die durch die Bohrungen reichende Schraube 1 weist einen Kopf 5 mit im wesentlichen flacher Unterseite auf, der auf einer Oberseite des oben liegenden Metallelementes 2 aufliegt. An den Kopf 5 schließt sich ein Einpaßschaftteil 7 an, welches die Bohrungen 4 durchsetzt und an der zylinderischen Innenfläche der Bohrungen 4 verdrehungs- und schubsicher anliegt. Den unteren Teil der Schraube bildet ein Gewindeschaf tteil 8, auf den eine Mutter, hier eine Bundmutter 10.2, die ein Innengewinde 14 aufweist, aufgeschraubt ist. Mit dem flanschartigen Bund 17 drückt die Mutter, wenn sie über das Gewinde 14 fest angezogen ist, auf das untere Metallelement 3.

Zwei Gestaltungen der Schraube (Bezugszahlen 1.1 und 1.2) gehen aus den Figuren 3 und 4 hervor.

Bei dem Ausführungsbeispiel gem. Figur 3 schließt sich an die Unterseite des Schraubenkopfes 5 der Einpaßschaftteil 7 an. Im Bereich des Einpaßschaftteils 7 ist der Schraubenschaft 20 mit über seine Peripherie verteilten, in Achsenrichtung A ... A der Schraube 1.1 verlaufenden feinen Kanneluren 12 (Vertiefungen) und Rippen 11 versehen, wie der Figur 3a zu entnehmen ist. Beim Einpassen und Festdrehen des Einpaßschaftteils der Schraube 1.1 verformen die feinen Rippen 11 die Innenseiten der Bohrungen 4 und bilden eine verdrehsichere und formschlüssige Verbindung zwischen den Innenseiten der Bohrungen 4 und dem Einpaßschaftteil 7 und damit der Schraube 1.1 insgesamt. Es soll aber nicht ausgeschlossen werden, daß die Rippen auch unterbrochen sind oder abweichend von einer Parallelität zur Schaftachse verlaufen. Auch können andere Konturen als Kanneluren und Rippen ge-

wählt werden, wenn sie einen im Prinzip ähnlichen Zweck erfüllen wie diese. Erreicht wird eine Fügung die vom Prinzip her bessere Verdrehsicherheit gewährt als ein Paßsitz oder eine Preßpassung.

Im vorliegenden Fall sind 48 Kanneluren-Rippen-Paare auf der Peripherie des Einpaßschaftteils 7 verteilt. Die Rippen 11 stehen über dem Kerndurchmesser etwas über, wobei der Unterschied zwischen Kern- und Außendurchmesser bei einem Kanneluren-Rippen-Paar im vorliegenden Fall etwa 0,25 mm beträgt. Variationen sind hier aber möglich, wobei die Größe der Schraube, das Material der Metallelemente und ähnliche Parameter zu berücksichtigen sind.

Weiterhin ist zur Vereinfachung der Montage und zur Erzielung eines sicheren Sitzes der Schraube eine Verjüngungsübergangsfläche 13 zwischen dem Einpaßschaftteil 7 an der kopfabgewandten Seite und dem Gewindeschaftteil 8 vorhanden. Im Bereich dieser Verjürigungsübergangsfläche verjüngt sich der Schraubenschaft im wesentlichen bis auf den Kerndurchmesser des Einpaßschaftteils 7. Der Winkel der Verjüngungsübergangsfläche mit der Schraubenachse A ... A liegt etwa zwischen 15 bis 45°.

Als Mutter 10.1 ist eine längliche Sechskant-Mutter gewählt worden, bei der ein Teil des Innendurchmessers als Innengewinde 14 und zum Schraubenkopf 5 hin von einer Aufbohrung 16 gebildet ist, so daß die Mutter damit mit ihrer Oberseite 19 über den Anfang des Einpaßschaftteils aufgedreht werden kann, wenn dieser die beiden addierten Dicken der Metallelemente durchsetzt und überragt. Das Innengewinde 14, entspricht dem Gewinde des Gewindeschaftteils 8. Als Material

zur Herstellung von Schrauben und Mutter wird vorgeschlagen, eine Stahllegierung mit hoher Zugfestigkeit zu verwenden.
Die Materialauswahl richtet sich jedoch im wesentlichen nach den Anforderungen der Fügeverbindung.

Bei der Fügeverbindung verformen sich die Rippen im allgemeinen
nicht wesentlich, da das Material der Schraube härter gewählt ist als das Metallelemente 2, 3. Es soll aber nicht
ausgeschlossen werden, daß bei bestimmten Konfigurationen
auch eine relativ weiche Schraube und ein relativ hartes Material der Metallelemente gewählt wird. Auch eine weitgehend gleiche Härte der beiden Fügeverbindungen kann in bestimmten Fällen nützlich sein.

Die elastische Dehnung des Schraubenschaftes bei' Andrehen
der Mutter und Erzeugung der äußeren Kraft wird in der
Schraube eine gleichgroße, entgegengesetzt gerichtete innere Kraft erzeugt. Diese Kraft wird überlagert durch das vorgenannte
Torsionsmoment, so daß sich auch bei nachträglichem

Dehnen durch Materialermüdung immer wieder ein leichtes

Nachstellen des Einpäßschaftbereiches in die Bohrungsinnenseiten
beobachten läßt. Dies beruht darauf, daß bei einer
Schraube die gesamte freie Schaftlänge verdreht wird und damit unter Torsionsspannung kommt. Wird die verdrehbare Länge verkürzt, ist demnach bei gleichem angewandten Drehmoment
die Torsionsspannung größer. Im vorliegenden Fall ist zunächst
die Schaftlänge groß, da sie noch keine feste Verbindung mit der Umgebung eingegangen ist; erst nach dem Einarbeiten
der Kanneluren und Rippen in die Innenseiten der Bohrungen verkürzt sich scheinbar die Schaftlänge. Es ist damit eine hohe Verdrehsicherheit gegeben; die Reibwerte unter dem

Kopf der Schraube brauchen nicht zusätzlich berücksichtigt zu werden.

Die Mutter 10 kann ebenfalls mit einer Losdrehsicherung versehen sein. Beispielsweise können die Mutter oder das

Schraubengewinde mit mikroverkapselten Klebstoff auf den Gewindegängen versehen sein, der vor der Montage aufgetragen wird und einen Klebstoff beim Aufdrehen der Gewinde freigibt.
10

Wie aus Figur 2 hervorgeht, weist die Unterseite 6 des Kopfes 5 der Schraube eine kreisförmige, den Schraubenschaft umschließende Riefe 18 auf, deren Durchmesser etwas größer ist als der Schraubenschaft selbst. Diese Riefe dient dazu, verdrängtes Material im Bereich des Schraubenschaftes aufzunehmen.

In Fig. 5 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei eine Mutter 10.3 mit einer Hülse 20 drehbar verbunden ist. Die Hülse 20 wirkt als ringförmiges Abstandselement, welches zwischen der Mutter und der Unterseite des unten liegenden Metallelementes 3 zu liegen kommt. Der Durchmesser der Innenöffnung 21 der Hülse 20 ist größer als der Außendurchmesser des Einpaßschaftteils 7 der Schraube ist.

Dadurch, daß die Hülse 20 gegenüber der Mutter verdrehbar ist, kontaktiert die Hülse die Unterseite des Metallelementes 3 ohne schürfende oder kratzende Bewegung, so daß eine Lackierung oder Oberflächenbeschichtung im Bereich des Kontaktes 21 unbeschädigt bleibt.

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Dies wird erreicht, da der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche der Mutter und dem des ringförmigen Abstandselementes größer als der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche von ringförmigem Abstandselement und der Unterseite des unten liegenden Metallelementes 3.

Weiterhin ist festzuhalten, daß die verdrehbare Länge L_v und die dehnbare Länge Ld in einer günstigen Beziehung zueinander stehen. Da L_d > L_v ist, wird die Sicherheit gegen selbständiges Lösen der Mutter 10.3 verbessert. Die Rückstell-Kraft durch die dehnbare Länge L_d erweist sich als größer als das Löse-Drehmoment, was aufgrund der verdrehbaren L_v auf die Schraube wirkt.

Die Mutter 10.3 ist mit einer sogenannten „unverlierbaren'* Verbindung mit dem Abstandselement, hier der Hülse 20, verdrehbar, jedoch unlösbar, verbunden. Hierdurch wird die Montagezeit verkürzt.

Claims (13)

1. Fügeverbindung für Metallelemente, die über koinzidierende Bohrungen (4) und mittels einer durch die Bohrungen reichenden metallenen Schraube (1) mit Mutter (10) verbunden sind, wobei die Schraube aufweist:
einen Kopf (5) mit im wesentlichen flacher Unterseite, der auf einer Oberseite des oben liegenden Metallelementes (2) aufliegt,
einen sich an den Kopf anschließenden, die Bohrungen durchsetzenden Einpaßschaftteil (7),
einen den unteren Teil der Schraube bildenden Gewindeschaftteil (8),
eine auf den Gewindeschaftteil aufgeschraubte Mutter (1Q.1, 10.2), die auf das unten liegende Metallelement drückt,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Einpaßschaftteil (7) in Reibkontakt mit der Innenseite der Bohrungen (4) steht und mit über seine Peripherie verteilten, in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden feinen Kanneluren (12) und Rippen (11) versehen ist, die sich beim Anziehen der Mutter in die Innenseiten der Bohrungen einarbeiten und eine verdreh- und schubsichere Verbindung zwischen Bohrungsinnenseiten und Einpaßschaftteil herstellen.

2. Metallene Schraube mit kompatibler Mutter zur Herstellung einer Fügeverbindung für Metallelemente, die über koinzidierende Bohrungen (4) und die durch die Bohrungen (4) reichende Schraube (1) mit Mutter (10) verbindbar sind, wobei die Schraube aufweist:

- einen Kopf (5)mit im wesentlichen flacher Unterseite, der auf einer Oberseite des oben liegenden Metallelementes (2) aufliegt,

- einen sich an den Kopf anschließenden, die Bohrungen durchsetzenden Einpaßschaftteil (7),

- einen den unteren Teil der Schraube bildenden Gewindeschaftteil (8),

- eine auf den Gewirideschaftteil (8) aufgeschraubte Mutter (10.1, 10.2),

dadurch gekennzeichnet, daß
der Einpaßschaftteil (7) mit über seine Peripherie verteilten, in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden feinen Kanneluren (12) und Rippen (11) versehen ist, die beim Einpassen und Anziehen der Mutter in die Innenseiten der Bohrungen einarbeitbar sind.

3. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß 30 bis 90 Kanneluren-Rippen- Paare auf der Peripherie des Einpaßschaftteils (7) verteilt sind.

4. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser des Einpaßschaftteils (7) etwas kleiner als der Durchmesser der koinzidierenden Bohrungen ist und daß der Unterschied zwischen Kern- und Außendurchmesser bei einem Kanneluren-Rippen-Paar zwischen 0,1 und 1,5 mm liegt.

5. Fügeverbindung oder Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Unterseite des Schraubenkopfes mit wenigstens einer die Achse der Schraube umschließenden Riefe (18) als Aufnahmeraum für verdrängtes Material versehen ist.

6. Fügeverbindung oder Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Einpaßschaftteil (7) an der kopfabgewandten Seite mit einer Verjüngungsübergangsfläche (13) versehen ist, in deren Bereich eine Verjüngung des Schraubenschaftes im wesentlichen bis auf den Kerndurchmesser des Einpaßschaftteils stattfindet.

7. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngungsübergangsfläche (13) eine Kegelmantelfläche ist und einen Winkel zwischen 15° bis 45° mit der Schraubenachse (A . . . A) bildet.

8. Fügeverbindung oder Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (10.1, 10.2) eine Innenbohrung aufweist, die auf der schaftzugewandten Seite eine Aufbohrung (16) mit einem Durchmesser besitzt, der größer ist als der Außendurchmesser des Einpaßschaftteils (7) ist, und daß sich an die Aufbohrung das Muttergewinde (14) anschließt.

9. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der axial gemessenen hängen von Aufbohrung (16) und Gewinde (14) bei der Mutter zwischen 0,5 l bis 14 liegt.

10. Fügeverbindung oder Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter mit einem zwischen Mutter (10.3)und Unterseite des unten liegenden Metallelementes (3) zu liegen kommenden ringförmigen Abstandselement (20) unterlegt ist.

11. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement eine Hülse (20) ist, bei der der Durchmesser der Innenöffnung (21) größer ist als der Außendurchmesser des Einpaßschaftteils der Schraube.

12. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche der Mutter und dem des ringförmigen Abstandselementes größer ist als der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche von ringförmigem Abstandselement und der Unterseite des unten liegenden Metallelementes.

13. Fügeverbindung oder Schraube nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Abstandselement verdrehbar, jedoch unlösbar mit der Mutter (10.3) verbunden ist.