DE10001857A1

DE10001857A1 - Verbindungselement in Form einer Schraube, Mutter oder Scheibe für eine Schraubverbindung, sowie Verfahren zu deren Festziehen

Info

Publication number: DE10001857A1
Application number: DE10001857A
Authority: DE
Inventors: Volker Schatz
Original assignee: SCHATZ GmbH
Current assignee: Schatz AG
Priority date: 2000-01-18
Filing date: 2000-01-18
Publication date: 2001-07-19
Also published as: US20030039527A1; CN1395659A; EP1248913A1; KR20020077383A; JP2003527544A; WO2001053707A1

Abstract

Ein Verbindungselement in Form einer Schraube, Mutter oder Scheibe für eine Schraubverbindung hat an seiner Auflagefläche mindestens einen Vorsprung 11 und mindestens einen radial weiter außenliegenden Flächenbereich 17. Höhe und Querschnitt des Vorsprungs sind so dimensioniert, daß der Vorsprung beim Festziehen der Schraubverbindung elastisch oder plastisch so weit deformiert wird, daß bei Erreichen einer bestimmten Vorspannkraft der radial außenliegende Flächenbereich 17 zur Anlage gelangt. Bei dem in der Praxis üblichen Festziehen der Schraubverbindung auf ein vorgegebenes Anziedrehmoment wird durch die Erfindung der Toleranzbereich der dem Anziehdrehmoment entsprechenden Vorspannkraft verringert. Die Änderung des Drehmoment-Drehwinkel-Differenzenquotienten, die dann eintritt, wenn sich der Vorsprung ausreichend verformt hat und der radial außenliegende Flächenbereich in Kontakt kommt, kann auch als Kriterium für die Beendigung des Anziehvorgangs verwendet werden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement in Form einer Schraube, Mutter oder Scheibe für eine Schraubverbindung. Das Verbindungselement hat eine ringförmige Auflagefläche, die zur Anlage an einer entsprechenden Gegenfläche eines zu verbinden den Konstruktionsteils bestimmt ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Festziehen einer das Verbindungselement enthaltenden Schraubverbindung.

In der modernen Fertigungstechnik ist es wichtig, hochbean spruchte Schraubverbindungen derart definiert festzuziehen, daß in der Schraubverbindung eine Mindestvorsprannkraft erreicht wird. Wird diese unterschritten, ist die Schraubverbindung un terbelastet und kann sich lockern. Andererseits darf eine vor gegebene maximale Vorspannkraft nicht überschritten werden, da sonst die Schraubverbindung überlastet wird und vorzeitig ermü den oder reißen kann. Ziel ist somit die Erreichung einer mög lichst engen Toleranz der beim Anziehen der Schraubverbindung erreichten Vorspannkraft.

Die Vorspannkraft kann nicht direkt gemessen werden. Stattdes sen wird in der Regel das beim Anziehen der Schraubverbindung ausgeübte Drehmoment gemessen. Aus dem Anziehdrehmoment kann die erreichte Vorspannkraft berechnet werden. Der Zusammenhang zwischen dem Drehmoment und der Vorspannkraft hängt unter anderem ab von den Reibungsverhältnissen zwischen der Schraube und dem mit ihr zu verbindenen Konstruktionsteil, wobei insbesonde re die Reibung zwischen der Auflagefläche des Schraubenkopfes oder der Mutter und der entsprechenden Gegenfläche des zu ver bindenden Konstruktionsteils eine Rolle spielt. Die Reibungsei genschaften zwischen der Auflagefläche und der Gegenfläche, ausgedrückt durch die Reibungszahl µ, unterliegen in der Praxis erheblichen Schwankungen, abhängig zum Beispiel vom Schmier zustand der jeweiligen Oberflächen. Diese große Toleranz der in der Praxis vorkommenden Reibungszahlen führt zu einer entspre chend großen Toleranz der einem gemessenen Anziehdrehmoment zu zuordnenden Vorspannkraft der Schraubverbindung.

Zur Erläuterung wird auf Fig. 5 der Zeichnungen verwiesen. Die se stellt graphisch den Zusammenhang zwischen dem auf der Ab szisse aufgetragenen Anziehdrehmoment M und der auf der Ordi nate aufgetragenen Vorspannkraft F dar, und zwar für zwei ver schiedene typische Werte der Reibungszahl µ = 0,16 (Gerade A) bzw. µ = 0,08 (Gerade B). Die auf der Koordinatenachse angege benen Zahlenwerte sind Beispielswerte, die für eine Schraubver bindung mit Gewindemaß M10 typisch sind. Beträgt die Reibungs zahl µ = 0,16, so steigt bei zunehmenden Antriebsdrehmoment M die dabei erzielte Vorspannkraft F linear gemäß der Gerade A an und erreicht bei einem vorgegebenen Wert M_A des Anziehdrehmo mentes den empfohlenen Mindestwert F1 von z. B. 15 kN. Beträgt dagegen die Reibungszahl nur µ = 0,08, so steigt bei zunehmen dem Anziehdrehmoment M die Vorspannkraft F gemäß der Geraden B steiler an, weil ein geringerer Teil des Anziehmoments M für die Überwindung der Reibung benötigt wird. Beim demselben vor gegebenen Wert M_A des Anziehdrehmoments M_A beträgt die erzielte Vorspannkraft jetzt z. B. F2 = 30 kN. Die Toleranz der Reibungs zahl µ führt somit zu einen sehr großen Toleranzbereich ΔF der bei einem gegebenen Anziehdrehmoment M_A erzielten Vorspann kraft. In dem Beispiel gemäß Fig. 5 beträgt der Toleranzbereich ΔF = 15 kN und damit 100% der Mindestvorspannkraft F1. Ein so großer Toleranzbereich kann zur Folge haben, daß die Vorspann kraft F2 an der oberen Bereichsgrenze größer sein kann als die für den betreffenden Schraubentyp empfohlene maximale Vorspann kraft. Dies kann dazu führen, daß eine höher belastbare Schrau be verwendet werden muß, als dies für die geforderte Mindest vorspannkraft F1 nötig wäre.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verbindeelement einer Schraubverbindung, insbesondere eine Schraube, Mutter oder Scheibe, so auszugestalten, daß der reibungsbedingte Tole ranzbereich der bei einem gegebenen Anziehdrehmoment erzielten Vorspannkraft der Schraubverbindung verringert wird. Eine wei tere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Montageverfahren für ei ne derartige Schraubverbindung anzugeben, die das Anziehen der Schraubverbindung auf eine definierte Mindestvorspannkraft er möglicht, welche von den jeweils vorliegenden Reibungszahlen weitgehend unabhängig ist.

Aus DE 37 41 510 A1 ist ein selbstsicherndes Verbindeelement in Form einer Schraube, Mutter oder Scheibe bekannt, auf dessen Auflagefläche mindestens ein ringförmiger Vorsprung ausgebildet ist. Dieser Ringvorsprung soll sich in das Material der Ge genfläche eingraben und dadurch den Schraubenkopf, die Mutter oder die Unterlegscheibe fixieren, um die Schraubenverbindung gegen Lösen zu sichern. Dem gleichen Zweck dient ein aus DE 36 41 836 A1 bekanntes selbstsicherndes Befestigungselement, das an seiner Auflagefläche Erhöhungen und Vertiefungen in Form von rasterartigen Mustern aufweist, die sich in die Gegenfläche eindrücken und dadurch das Befestigungselement gegen Drehen in Löserichtung sichern sollen.

Die erfindungsgemäße Lösung der angehenden Aufgabe ist im An spruch 1 gekennzeichnet. Die Unteransprüche beziehen sich auf weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Die erfindungsgemäße Lösung beruht auf der Änderung der Rei bungsverhältnisse, die dann eintritt, wenn der mindestens eine Vorsprung, bei Erreichen der für die jeweilige Schraubverbin dung vorgeschriebenen Mindestvorspannkraft, soweit verformt worden ist, daß radial außerhalb des Vorsprungs liegende Berei che der Auflagefläche zur Anlage an der Gegenfläche kommen. Hierdurch tritt eine plötzliche Erhöhung des effektiven Radius der in Reibkontakt stehenden Bereiche von Auflagefläche und Gegenfläche ein. Die Erfindung setzt eine sorgfältige Bemessung des Querschnitts und der Höhe des Vorsprungs voraus, damit ex akt bei Erreichen einer vorgeschriebenen Mindestvorpannkraft der Schraubverbindung die nötige Verformung des Vorsprungs er reicht wird und die radial außerhalb des Vorsprungs liegenden Bereiche der Auflagefläche lasttragend werden.

Die Erfindung wird näher anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäß ausgebildete Schraube in Seitenansicht, teilweise im Längsschnitt

Fig. 2 im Schnitt eine erfindungsgemäß ausgebildete Schraubver bindung mit Beilagscheibe

Fig. 3 im Schnitt ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfin dungsgemäß ausgebildeten Schraubenkopfes

Fig. 4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Schraubenkopfes

Fig. 5 ein graphisches Diagramm des Zusammenhangs zwischen An ziehdrehmoment und Vorspannkraft für eine Schraube gemäß dem Stand der Technik

Fig. 6 ein graphisches Diagramm entsprechend Fig. 5 für eine erfindungsgemäß ausgebildeten Schraube.

Fig. 7 ein graphisches Diagramm zur Erläuterung des erfindungs gemäßen Montageverfahrens.

Die in Fig. 1 dargestellte Schraube 1 ist eine Bundschraube mit einem Sechskantkopf 3, der durch einen radial vorspringenden Bund oder Flansch 5 vergrößert ist und an den sich ein Schaft 7 mit Gewindeabschnitt 9 anschließt. Bei D_S ist der Durchmesser des Schaftes 7 angegeben, der gleich dem Kerndurchmesser des Gewindeabschnitts 9 ist.

An der Unterseite des Schraubenkopfes 3 bzw. seines Bundes 5 befindet sich die Auflagefläche, die bei konventionellen Schrauben eine ebene Fläche ist. Bei der in Fig. 1 dargestell ten Schraube ist in der Auflagefläche nahe dem Schaft 7 ein ringförmiger Vorsprung 11 ausgebildet, der radial innen und au ßen von je einer Ringnut 13, 15 begrenzt ist. Die radial äußere Ringnut 15 trennt den Vorsprung 11 von einem radial weiter au ßen liegenden ringförmigen Außenbereich 17 der Auflagefläche getrennt. Der ringförmige Vorsprung 11 hat bei dem Ausführungs beispiel rechteckigen Querschnitt mit einem Innendurchmesser D_i und einen Außendurchmesser D_a. Der Innendurchmesser D_i des Vor sprungs 11 ist vorzugsweise gleich oder nur wenig größer wie der Außendurchmesser des Gewindeabschnitts 9. Der Außendurch messer D_a ist so gewählt, daß die Ringfläche (D_a ² - D_i ²)π/4 nicht größer und vorzugsweise kleiner ist als die Querschnitts fläche D_S ²π/4 des Schraubenschaftes 7. Der Vorsprung 11 hat gegenüber dem Außenbereich 17 der Auflagefläche eine Höhendif ferenz (Überstand), die rechts in Fig. 1 bei h angegeben ist. Die Höhendifferenz h ist in Fig. 1 übertrieben groß dargstellt. Sie liegt in praktischen Fällen in der Größenordnung von ca. 0,01 mm oder weniger.

Beim Festschrauben der Schraube 1 an einem Konstruktionsteil kommt zuerst die Stirnfläche des Vorsprungs 11 zur Anlage an der Gegenfläche des Konstruktionsteils. Von diesem Moment an muß beim weiteren Festziehen der Schraube eine Reibungskraft unter dem Vorsprung 11 überwunden werden, deren Größe von der Reibungszahl µ und von dem mittleren Durchmesser D_a - D_i des Vor sprungs 11 abhängt (zusätzlich zu der am Gewindeteil 9 auftre tenden Reibungskraft). Beim weiteren Festdrehen der Schraube wird der Vorsprung 11 in Axialrichtung elastisch und eventuell zuletzt auch plastisch verformt, so daß seine Höhe abnimmt. Die Abmessungen des Vorsprungs 11, d. h. seine Breite, die Höhendif ferenz h und die durch die Tiefe der Nuten 13, 15 bestimmte Ge samthöhe des Vorsprungs 11 sind in Kombination mit den Werk stoffeigenschaften der Schraube 1 so gewählt, daß bei Erreichen einer vorgegebenen Vorspannkraft die Höhendifferenz h ver schwindet und die Stirnfläche des Vorsprungs 11 bündig mit dem Außenbereich 17 der Auflagefläche liegt. In diesem Moment kommt auch der Außenbereich 17 der Auflagefläche in Kontakt mit der Gegenfläche des Konstruktionsteils, und bei weiterem Festziehen der Schraube ist zwischen dem Außenbreich 17 und der Gegenflä che des Konstruktionsteils eine Reibungskraft zu überwinden, die von der Reibungszahl µ und dem bei D_m angedeuteten mittle ren Durchmesser des Außenbereichs 17 abhängt. Da dieser mitt lere Durchmesser D_m deutlich größer ist als der mittlere Durch messer des Vorsprungs 11, tritt somit bei einer vorgegebenen Vorspannkraft, bei der die Höhendifferenz h verschwindet, eine abrupte Vergrößerung der zu überwindenden Reibungskraft zwi schen der Auflagefläche des Schraubenkopfes 13 und der Gegen fläche des Konstruktionsteils ein.

Die dadurch erzielte Wirkung wird anhand von Fig. 6 erläutert, die in gleicher Weise wie Fig. 5 den Zusammenhang zwischen dem Anziehdrehmoment M und der Vorspannkraft F für zwei verschie dene Werte der Reibungszahl µ = 0,16 (Gerade A') bzw. µ = 0,08 (Gerade B') darstellt. Beträgt die Reibungszahl µ = 0,16, so steigt bei zunehmenden Anziehdrehmoment M die in der Schraube erzeugte Vorspannkraft F gemäß der Geraden A' an und erreicht bei dem vorgegebenen Wert M_A des Anziehdrehmoments den Wert F1, der wie in Fig. 5 z. B. 15 kN betragen kann. Beträgt die Rei bungszahl µ = 0,08, so steigt die Vorspannkraft bei zunehmenden Anziehdrehmoment M entsprechend der steileren Kurve B' an, bis beim Punkt X, entsprechend einem Drehmoment M1, eine Vorspann kraft F_v erreicht ist, bei der der Vorsprung 11 soweit verformt ist, daß die Höhendifferenz h (Fig. 1) verschwindet. In diesem Moment kommt der Außenbereich 17 der Auflagefläche in Reibkon takt mit der Gegenfläche des Konstruktionsteils und es tritt, wie erläutert, eine abrupte Erhöhung des Reibungswiderstandes bzw. des von diesem verursachten Widerstands-Drehmoment ein. Dies hat zur Folge, daß die Kurve B' vom Punkt X an deutlich flacher verläuft als vor dem Punkt X bzw. als die Kurve B in Fig. 5. Hat das Anziehdrehmoment M den vorgegebenen Wert M_A er reicht, so hat die zugehörige, entsprechend der Kurve B' er reichte Vorspannkraft F'2 einen Wert, der deutlich kleiner ist als der Wert F2 in Fig. 5 und z. B. nur 24 kN beträgt. Der dem Anziehdrehmoment M_a aufgrund der unterschiedlichen Reibungszah len µ = 0,16 und µ = 0,08 zugeordnete Toleranzbereich ΔF' ist deutlich kleiner als der Toleranzbereich ΔF gemäß Fig. 5 für eine konventionelle Schraube und beträgt bei dem Beispiel gemäß Fig. 6 nur 60% der Vorspannkraft F1 an der unteren Bereichgren ze.

Die aus Fig. 5 und 6 entnehmbaren Zahlenwerte sind typische Werte für eine M10-Schraube. Für jeden Schraubentyp und jede Schraubengröße ist durch Norm eine Vorspannkraft vorgeschrieben oder empfohlen. Bei einer M10-Schraube der Güte 8.8 beträgt de ren Mindestwert 15 kN und der Höchstwert 25 kN. Gemäß Fig. 5 kann bei einer normalen Schraube bei einem Anziehdrehmoment M_A, das zum Erreichen der Mindestvorspannkraft F1 von 15 kN aus reicht, aufgrund der großen Toleranz ΔF auch eine Vorspann kraft F2 von 30 kN erreicht werden, die größer ist als die zu lässige bzw. empfohlene maximale Anziehkraft von 25 kN. Es muß deshalb eine Schraube mit höherer Festigkeit oder eine größere Schraube, z. B. eine M12-Schraube, eingesetzt werden. Wird dage gen eine erfindungsgemäß ausgebildete Schraube verwendet, so liegt der zu dem Anziehdrehmoment M_A gehörende Toleranzbereich ΔF' zwischen 15 und 24 kN und übersteigt somit nicht den emp fohlenen Maximalwert von 25 kN. Es kann somit eine M10-Schraube der Güte 8.8 ohne Sicherheitsbedenken eingesetzt werden.

Falls die in Fig. 1 gezeigte Schraube eine M10-Schraube ist, gelten vorzugsweise die folgenden Abmessungen:
Schaftdurchmesser D_s = 10 mm;
Innendurchmesser D_i des Vorsprungs 11 = 11 mm;
Außendurchmesser D_a = 14 mm;
Tiefe und Breite jeder der Nuten 13 und 15 = 1 mm;
mittlerer Durchmesser Dm des Außenbereichs 17 der Auflagefläche = 20 mm;
Außendurchmesser des Bundes 5 des Schrauben kopfes = 25 mm.

Der Überstand h des ringförmigen Vorsprungs 11 über den Außen bereich 17 der Auflagefläche kann berechnet werden nach der Formel

wobei h_o die gesamte axiale Höhe des Vorsprungs 11, vom Boden der Nuten 13, 15 aus gemessen, bedeutet, F_v diejenige Vorspann kraft ist, bei der der Überstand h verschwinden soll, E das Elastizitätsmodul des Werkstoffs der Schraube ist und D_a und D_i der Außen- und Innendurchmesser des Vorsprungs 11 sind. Ein Rechnungsbeispiel mit typischen Zahlenwerten führt zu dem Wert h = 0,01 mm.

Die Vorspannkraft F_v, bei der der Überstand h des Vorsprungs 11 durch Deformation verschwindet, ist vorzugsweise mindestens an nähernd gleich der für den jeweiligen Schraubentyp geforderten Mindestvorspannkraft. F1. Weicht die genannte Vorspannkraft F_v von der empfohlenen Mindestvorspannkraft F1 ab, so bedeutet dies, daß in Fig. 6 der Punkt X, bei dem sich die Steigung der Kurve B ändert, unterhalb oder oberhalb der Mindestvorspann kraft F1 liegen würde.

Der erfindungsgemäß vorgesehene, verformbare Vorsprung braucht nicht an der Auflagefläche des Schraubenkopfes vorzusehen sein, sondern kann sich auch an der Gegenfläche befinden, mit det der Schraubenkopf zusammenwirkt. Es dürfte aber in der Regel un zweckmäßig sein, einen solchen verformbaren Vorsprung an einem mittels der Schraube zu befestigenden Konstruktionsteil auszubilden. Dagegen ist es erfindungsgemäß möglich und vorteilhaft, den Vorsprung an einer Beilagscheibe anzubringen, die zwischen dem Schraubenkopf und dem zu befestigenden Konstruktionsteil angeordnet wird. Ein solches Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 2. Zwischen dem z. B. als Sechskantkopf ausgebildeten Kopf 23 einer Schraube 21 und einem mit dieser zu befestigenden Konstruktion steil 25 ist eine Beilagscheibe 27 angeordnet. Diese weist an ihrer dem Schraubenkopf 23 zugewandten Oberseite ein ringförmi gen Vorsprung 29 auf, der gegen die ebene Unterseite des Schraubenkopfes 23 anliegt und dieselbe Rolle spielt wie der Vorsprung 11 der in Fig. 1 gezeigten Schraube. Der Vorsprung 29 ist vorzugsweise unmittelbar angrenzend an den radial inneren Rand der Beilagscheibe 27 angeordnet, so daß nach Erreichen ei ner vorgegebenen Vorspannkraft, bei der der Vorsprung 29 aus reichend verformt worden ist, der radial weiter außen liegende Bereich 31 der Beilagscheibe 27 in Anlage und Reibungskontakt mit der Unterseite des Schraubenkopfes 23 gelangt. Für die Di mensionierung des ringförmigen Vorsprungs 29 gelten dieselben Überlegungen, wie sie anhand von Fig. 1 erläutert wurden.

Die Erfindung ist nicht auf die in Fig. 1 und 2 gezeigten Aus führungsformen mit einem einzigen ringförmigen Vorsprung be schränkt. Es können z. B. mehrere ringförmige Vorsprünge mit un terschiedlichen, nach radial außen abnehmenden Höhen vorgesehen sein. Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel zeigt Fig. 3. Der Kopf 33 der dargestellten Bundschraube hat an seiner Unterseite eine Auflagefläche mit einem inneren Ringvorsprung 35, einem radial weiter außen liegenden Ringvorsprung 37 und einem radial äußersten ringförmigen Bereich 39 der Auflagefläche, die von einander durch ringförmige Nuten, wie dargestellt, getrennt sind. Der innere Ringvorsprung 35 hat gegenüber der äußeren Ringfläche 39 einen Überstand (Höhendifferenz) h1, der größer, z. B. doppelt so groß ist wie der Überstand h2 des mittleren Ringvorsprungs 37. Beim Festziehen der Schraube kommt zuerst der innere Ringvorsprung 35 an der ebenen Gegenfläche des Kon struktionsteils oder einer Beilagscheibe zur Anlage, danach mit zunehmender Vorspannkraft und Verformung des Vorsprungs 35 kommt der Vorsprung 37 zur Anlage an die Gegenfläche, und bei noch weiter zunehmender Vorspannkraft schließlich die äußere Ringfläche 39. Es tritt somit zweimal die oben anhand von Fig. 1 und 6 beschriebene abrupte Zunahme des Reibungswiderstandes ein, wodurch eine noch stärkere Abnahme des Toleranzbereichs ΔF der Vorspannkraft (Fig. 5) erzielt werden kann.

Der erfindungsgmäße, deformierbare Vorsprung braucht kein ring förmiger Vorsprung zu sein. Es können auch Vorsprünge mit nicht ringförmiger Grundfläche verwendet werden, z. B. rechteckige Vorsprünge oder Vorsprünge in Form von Ringsegmenten. Wichtig ist auf jeden Fall, daß der Vorsprung oder die Vorsprünge mög lichst im radial inneren Bereich der Auflagefläche angeordnet sind, so daß nach ausreichender Verformung des Vorsprungs oder der Vorsprünge ein radial weiter außen liegender Bereich der Auflagefläche zur Anlage an der Gegenfläche gelangt.

Das Profil des Vorsprungs oder der Vorsprünge, im Axialschnitt der Schraube gesehen, braucht nicht rechteckig zu sein, wie bei den Ausführungsformen nach Fig. 1, 2 und 3. Der Vorsprung kann auch ein rundes, dreieckiges, trapezförmiges usw. Querschnitts profil aufweisen. Ein Beispiel für ein besonders bevorzugtes Profil zeigt Fig. 4. Der Schraubenkopf 41 der in Fig. 4 darge stellten Schraube hat an seiner Unterseite eine Auflagefläche mit einem Vorsprung 43, dessen Stirnfläche 45 nicht in einer Radialebene liegt, sondern nach radial außen abgeschrägt bzw. konisch verläuft. Beim Anziehen der Schraube gelangt der Vor sprung 43 zuerst mit seinem radial inneren Randbereich zur An lage an die Gegenfläche des Konstruktionsteils. Auch der den Vorsprung 43 umgebende ringförmige Außenbereich 47 kann abge schrägt, d. h. konisch ausgebildet sein, und zwar nach radial innen so daß sein radial äußerer Rand zuerst zur Anlage an der Gegenfläche gelangt. Hierdurch wird der oben anhand von Fig. 1 und Fig. 6 beschriebene Effekt noch zusätzlich verstärkt.

Ein weiteres, bevorzugtes Merkmal der Erfindung, das bei allen beschriebenen Ausführungsformen Verwendung finden kann, besteht darin, daß die Stirnfläche des Vorsprungs 11 und der radial weiter außenliegende Bereich 17 der Auflagefläche Oberflächen mit unterschiedlichen Reibungseigenschaften sind, und zwar der art, daß die Reibungszahl µ des Vorsprungs 11 wesentlich klei ner als die Reibungszahl µ des Außenbereichs 17 der Auflageflä che ist. Hierdurch wird der mit der Erfindung angestrebte Ef fekt, nämlich die plötzliche Erhöhung des Reibwiderstandes, wenn beim Festziehen der Schraubverbindung eine bestimmte Vor spannkraft erreicht wurde, noch deutlich verstärkt. Die unter schiedlichen Reibeigenschaften der Stirnfläche des Vorsprungs 11 und des Außenbereichs der Auflagefläche 17 können mit belie bigen, dem Fachmann geläufigen Mitteln der Oberflächenbehand lung erzielt werden. Beispielsweise kann die Stirnfläche des Vorsprungs 11 poliert und/oder mit einer reibungsarmen Be schichtung versehen werden, und/oder es kann selektiv unter dem Vorsprung 11 ein Schmiermittel aufgebracht werden. Stattdessen oder zusätzlich kann der Außenbereich 17 der Auflagefläche auf gerauht und/oder mit einer reibungsverstärkenden Beschichtung versehen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zum Festziehen einer Schraubver bindung, die ein Verbindungselement der beschriebenen Art er hält, wird im folgenden anhand von Fig. 7 erläutert. Fig. 7 zeigt die Abhängigkeit des Drehmomentes M vom Drehwinkel ϕ beim Festziehen einer Schraubverbindung. Die Kurve A zeigt den typi schen Verlauf einer Drehmoment-Drehwinkel-Kurve für einen gege benen Reibwert µ1. Die Kurve B zeigt den gleichen typischen Verlauf für einen niedrigeren Reibwert µ2. Nach einem steilen oder unregelmäßigen Anfangsabschnitt, der dem Aufsetzen des Schraubenkopfes auf der Unterlage entspricht, hat jede Kurve A oder B einen linearen Verlauf, der die zunehmende elastische Vorspannung der Schraubverbindung wiedergibt. Am Ende des li nearen Abschnitts kann sich ein abgeflachter Abschnitt an schließen, der ein Abnehmen des Drehmomentanstiegs als Folge einer plastischen Verformung der Schraubverbindung anzeigt. In nerhalb des linearen Teils der Kurve A oder B hat deren Steige rung, d. h. das Verhältnis zwischen der Drehmomentzunahme und der entsprechenden Winkelzunahme, der sogenannte Differenzen quotient ΔM/Δϕ, einen konstanten Wert. Es ist bekannt, während des Schraubvorgangs, z. B. mit einem mit Drehmomentsensor und Winkelgeber versehenen Schraubgerät, den Differenzenquotienten ΔM/Δϕ, laufend zu erfassen und zur Steuerung des Schraubvor gangs (DE-OS 27 51 885) oder zum Erkennen fehlerhafter Schraub verbindungen (EP 0 587 653 B1) verwendet wird.

Bei einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung tritt, wie erläu tert, bei Erreichen einer bestimmten Vorspannkraft (z. B. Punkt X in Fig. 6) eine plötzliche Erhöhung des Reibwiderstandes für das weitere Anziehen der Schraubverbindung ein. Dies hat zur Folge, daß sich auch der Zusammenhang zwischen dem Drehmoment und Drehwinkel ändert. Wenn z. B. in Fig. 7 die Kurve B einem Wert µ2 = 0,08 entspricht und somit mit der Kurve B' von Fig. 6 zu vergleichen ist, dann wird bei dem Drehmoment M1 der Punkt X erreicht, in welchem die Höhendifferenz h des Vorsprungs 11 (Fig. 1) verschwindet und der Außenbereich 17 in Reibkontakt gelangt. Die damit eintretende abrupte Erhöhung des Reibungswi derstandes führt auch dazu, daß eine abrupte Änderung des An stiegs des Drehmoments über den Drehwinkel erfolgt, wie in Fig. 7 mit der strichpunktierten Kurve B' angedeutet. Entsprechend wird auch die Drehmoment-Drehwinkelkurve A, die für den Reib wert µ1 = 0,16 gilt, bei Erreichen des Drehmoments MA, d. h. im Punkt Y, eine abrupte Änderung ihres Anstieges erfahren, wie durch die strichpunktierte Kurve A' in Fig. 7 angedeutet. Es tritt somit in den Punkten X bzw. Y eine abrupte Erhöhung des Differenzenquotienten ΔM/Δϕ, ein. Erfindungsgemäß wird der Schraubvorgang so gesteuert, daß während des Festziehens der Schraube laufend der Differenzenquotient ΔM/Δϕ, gemessen wird und daß bei einer plötzlich einsetzenden Zunahme des Differen zenquotienten ΔM/Δϕ, das Festziehen der Schraubverbindung been det wird. Wie aus Fig. 7 ersichtlich kann auf diese Weise das Festziehen der Schraubverbindung genau bei denjenigen Werten des Drehmomentes M₁ bzw. M_A beendet werden, die gemäß Fig. 6 der Mindestvorspannkraft F1 entsprechen. Dies führt zu einem definierten Festziehen der Schraubverbindung auf die definierte Mindestvorspannkraft F1 unabhängig von den jeweils vorliegenden Reibungszahlen.

Claims

1. Verbindungselement in Form einer Schraube, Mutter oder Scheibe für eine Schraubverbindung, wobei das Verbindungsele ment eine ringförmige Auflagefläche zur Anlage an einer ent sprechenden Gegenfläche aufweist und in der Auflagefläche mindestens ein Vorsprung (11) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Vor sprung (11) eine vorgegebene Höhendifferenz (h) gegenüber ei nem radial außerhalb des Vorsprungs (11) liegenden Flächenbe reich (17) der Auflagefläche hat, und daß die Höhe und die Flächenabmessungen des Vorsprungs (11) so bemessen sind, daß beim Festschrauben der Schraubverbindung der an der Gegenflä che anliegende Vorsprung (11) bei Erreichen einer vorgegebe nen Vorspannkraft der Schraubverbindung soweit verformt und in seiner Höhe verringert wird, daß der radial außerhalb lie gende Flächenbereich (17) der Auflagefläche zur Anlage an der Gegenfläche gelangt.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (11) ringförmig ist.

3. Verbindungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Vorsprung (11) von Nuten (13, 15) begrenzt ist, wobei die Tiefe der Nu ten (13, 15) die axiale Höhe des Vorsprungs (11) bestimmt.

4. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Vor sprünge (35, 37) unterschiedlicher Höhe vorgesehen sind.

5. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflä che des oder jenes Vorsprungs geneigt verläuft derart, daß der Vorsprung in seinem radial innersten Bereich seine größte Höhe hat.

6. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der radial außerhalb des Vorsprungs liegende äußere Flächenbereich (47) der Auflagefläche abgeschrägt verläuft derart, daß er an sei nem radial äußersten Rand die größte Höhe hat.

7. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Quer schnittsfläche des Vorsprungs oder aller Vorsprünge, im achs senkrechten Querschnitt des Verbindungselements gesehen, nicht größer ist als die Querschnittsfläche des Schaftes der Schraube der Schraubverbindung.

8. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnflä che des Vorsprungs (11) und der radial außerhalb des Vor sprungs (11) liegende Flächenbereich (17) der Auflagefläche unterschiedliche Reibungseigenschaften haben derart, daß die Reibung an der Gegenfläche unter dem Vorsprung (11) deutlich geringer ist als unter dem radial außerhalb liegenden Flä chenbereich (17).

9. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin dungselement eine Schraube ist und die Vorsprünge an der Un terseite des Schraubenkopfes angeordnet sind.

10. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Verbin dungselement eine Scheibe ist und der Vorsprung auf der Seite der Scheibe angeordnet ist, die beim Montieren der Schraub verbindung dem Schraubenkopf zugewandt ist.

11. Schraubverbindung mit einem Verbindeelement in Form einer Schraube, Mutter und/oder Scheibe gemäß einem der Ansprüche 1 bis 10.

12. Verfahren zum Festziehen einer Schraubverbindung gemäß Anspruch 11, bei dem während des Festziehens der Schraubver bindung laufend das Drehmoment (M) und der Drehwinkel (ϕ) ge messen und der Differenzenquotient (ΔM/Δϕ) berechnet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Festziehen der Schraubverbindung in Abhängigkeit von einer während des Festziehens festgestellten plötzlichen Zunahme des Differen zenquotienten (ΔM/Δϕ) beendet wird.