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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungselement mit einer einen
konzentrischen Ringwulst aufweisenden Stirnseite zur Reibschweißverbindung
mit einem flächigen
Bauteil durch auf das Befestigungselement wirkende Rotationskraft
und Presskraft gegen das Bauteil.
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Ein
derartiges Befestigungselement ist in der
DE 199 27 369 A1 , Figur
g, dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Bolzen mit einem
an dem einen Ende des Bolzens angeordneten Flansch, der auf seiner
dem Bolzen abgewandten Seite einen konzentrischen Ringwulst aufweist.
Dieser Ringwulst bildet das radiale Ende des Flansches und umrundet eine
zentrale Ausnehmung. Die Reibfläche
des Ringwulstes ist eben ausgebildet, so dass sich an dem Bolzen
eine ringförmige
flache Reibfläche
ergibt, die mit erheblichem Querschnitt an einem flächigen Bauteil
durch Reibschweißen
zu befestigen ist. Der bekannte Bolzen mit seiner relativ großen Reibfläche lässt zwar
beim Reibschweißvorgang
durch Rotieren des Befestigungselementes und Andrücken an
ein Bauteil die notwendige Wärme
für das
Anschmelzen der Berührungsflächen entstehen,
weist aber den Nachteil auf, dass bei einer Rotation des Befestigungselementes
unter Andrücken
radiale Schubkräfte
auftreten, die dazu führen,
dass neben der Rotation der Bolzen auch rhythmisch eine Auslenkung
erfährt,
die dem Reibschweißvorgang
eine erhebliche Unruhe aufdrückt.
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Es
ist weiterhin in der
US-PS 4,850,772 ein durch
Reibschweißen
an einen Bauteil zu befestigender Bolzen offenbart, der mit seiner
Stirnseite die Fläche
bildet, die durch Reibschweißen
mit dem betreffenden Bauteil zu verbinden ist. Der Bolzen besitzt
einen von der Stirnseite beabstandeten Flansch, der zur Übertragung der
Rotationskraft und der Druckkraft gestaltet ist, und zwar derart,
dass seine der Stirnseite des Bolzens abgewandte Seite leicht konisch
ausgebildet und mit aufeinander folgenden Wellen versehen ist, die
mit ihren Kämmen
radial ausgerichtet sind. Diese derart gerichteten Wellen bilden
zusammen den erwähnten
Konus und sollen zur Aufnahme eines entsprechend geformten Futters dienen,
das dann über
die Wellen die Rotationskraft und über die radiale Erstreckung
des Flansches die Druckkraft aufnehmen und diese über den
Schaft des Bolzen auf dessen Stirnseite zum Reibschweißen übertragen.
Da bei dem dem Bolzen zugrunde liegenden Reibschweißverfahren
sowohl erhebliche Rotationskräfte
als auch Druckkräfte
aufgewendet werden müssen,
kann die wellenförmige
Gestaltung der genannten Fläche
des Flansches dazu führen, dass
die Abschrägungen
der einzelnen Wellen dem Futter einer verwendeten Reibschweißvorrichtung die
Tendenz geben, rhythmisch von dem Flansch weggedrängt zu werden,
was zu einer vor allem in Axialrichtung verlaufenden Rüttelbewegung
führen kann,
die für
den Reibschweißvorgang
schädlich
ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das oben genannte Befestigungselement
so zu gestalten, dass es bei gleichmäßiger Führung die Tendenz besitzt,
sich bei Rotation automatisch zu zentrieren. Erfindungsgemäß geschieht
dies dadurch, dass der Ringwulst im Bereich seiner größten Höhe eine
konzentrische Berührungslinie
gegenüber
dem Bauteil aufweist und Bestandteil eines Flansches ist, der sowohl
den Ringwulst als auch außerhalb
des Ringwulstes eine konzentrische Rille mit einer äußeren Wandung
zur Abweisung von beim Reibschweißen entstehenden Abriebs sowie
eine zentrale Vertiefung zur Aufnahme des Abriebs aufweist, wobei der
Flansch mit seiner dem Ringwulst abgewandten Seite eine Gegenfläche für die Presskraft
gegen das Bauteil und mit seiner Außenfläche einen Mitnehmer für die Rotationskraft
bildet.
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Aufgrund
dieser Gestaltung des Ringsvorsprungs mit einer konzentrischen Berührungslinie
ergibt sich bei der Rotation und dem Andrücken des Befestigungselementes
an ein flächiges
Bauteil sofort eine der Berührungslinie
folgende Ein drucklinie in dem Bauteil, die sich mit fortschreitendem
Reibschweißvorgang
vertieft und damit automatisch zur Selbstzentrierung des Befestigungselementes
bei dem Reibschweißvorgang
führt.
Dabei sorgt die den Ringwulst umgebende konzentrische Rille mit
ihrer äußeren Wandung
und der zentralen Vertiefung für die
Abweisung bzw. Aufnahme von beim Reibschweißen entstehenden Abriebs, insbesondere Schmelzreste
und Schmutzpartikel, die damit automatisch von dem eigentlichen
Bereich des Reibschweißens
weggeführt
werden und damit den Reibschweißvorgang
nicht stören
können.
Durch die Integration des Ringwulstes in den Flansch kann dieser vorteilhaft
eine Mehrzahl von Aufgaben übernehmen, nämlich zusätzlich die Übertragung
der Rotations- und der Presskraft, was eine entsprechend konzentrierte
Gestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungselementes
ermöglicht.
Der Flansch ist in der Lage, die notwendigen Andruckkräfte aufzunehmen, die
beim Reibschweißen
wirken müssen
und von dem rotierenden Befestigungselement in die Reibschweißzone an
den Bauteil übertragen
werden. Der Flansch wird gleichzeitig als Mitnehmer ausgenutzt, insbesondere
wenn er als Sechskant ausgebildet ist, was für das Mitnehmen des Befestigungselements durch
ein rotierendes Futter eines entsprechenden Werkzeugs von Vorteil
ist. Dabei bildet der Flansch mit seiner dem Ringwulst abgewandten
Seite eine Gegenfläche
für das
Futter einer Reibschweißvorrichtung,
das, wie vorstehend dargelegt, eine auf den Flansch ausgeübte Presskraft
auf die Schweißstelle überträgt.
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Vorteilhaft
lässt sich
der Ringwulst im Querschnitt ballig ausbilden. Aufgrund dieser Gestaltung ergibt
sich bei der Berührung
des Ringwulstes mit dem Bauteil eine konzentrische schmale Berührungslinie,
die automatisch zu der vorstehend erwähnten Zentrierung des Befestigungselementes beim
Reibschweißen
entsteht. Die ballige Ausbildung wirkt dabei auch kompensierend
bezüglich
eines nicht exakt rechtwinklig erfolgenden Aufsetzens des Befestigungselementes
auf ein Bauteil.
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Es
sind aber auch andere Querschnittsgestaltungen des Ringwulstes möglich, z.B.
derart, dass der Ringwulst im Querschnitt von einer konvexen, konzentrisch
um laufenden Konusfläche
begrenzt ist, die nach außen
hin in der Berührungslinie am äußeren Rand
des Ringwulstes endet. In diesem Falle wird die konzentrische Berührungslinie
so weit wie möglich
an den Außenrand
des Ringwulstes gelegt, womit der Zentrierungseffekt der Berührungslinie
noch intensiviert wird.
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Als
Ausführungsformen
für das
Befestigungselement eignen sich z.B. Bolzen und Mutter.
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Das
als Mutter gestaltete Befestigungselement lässt sich vorteilhaft dadurch
als Massekontakt gestalten, dass ihre eine Seite als Schweißseite einen
konzentrischen Ringwulst für
den Reibschweißvorgang
und ihre andere Seite als Kontaktseite für die elektrische Kontaktierung
eines elektrischen Leiters derart gestaltet ist, dass die Kontaktseite
einen gegenüber
dem Mutterkörper
konzentrischen Vorsprung aufweist, dessen Stirnseite die Kontaktfläche bildet
und dessen runder Außenrand
vom Kopf einer vormontierten Schraube überragt und abgedichtet ist.
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Für das Anbringen
und Reibschweißen
der Reibschweißmutter
besitzt diese den konzentrischen Ringwulst, der beim Reibschweißen eine
konzentrische Berührungslinie
gegenüber
dem betreffenden Bauteil entstehen lässt, was zu einer Selbstzentrierung
bei der Rotation der Reibschweißmutter
unter Presskraft führt.
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Der
die spätere
Kontaktstelle bildende konzentrische Vorsprung ist zunächst während der
Anbringung der Reibschweißmutter
durch Reibschweißen
von dem Kopf der vormontierten Schraube abgedeckt, der gleichzeitig
aufgrund seines Andrucks gegen den Vorsprung für eine Abdichtung der Kontaktseite
sorgt, so dass diese ständig
frei von Verschmutzungen bleibt, bis die Reibschweißmutter
endgültig angebracht
ist, die vormontierte Schraube abgeschraubt und mit ihr ein elektrischer
Leiter an der Reibschweißmutter
festgeschraubt ist. Die vormontierte Schraube dient dabei also einerseits
zur Abdeckung und Sauberhaltung der empfindlichen Kontaktseite der
Reibschweißmutter
während
der Anbringung der Reibschweißmutter
und einem späteren
Lackierprozess als auch während
der Be festigung eines elektrischen Leiters an der Kontaktseite der Reibschweißmutter,
so dass die Kontaktseite der Reibschweißmutter stets gegen Verschmutzung
und Korrosion geschützt
und eine sichere Kontaktgabe gewährleistet
ist.
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Zweckmäßig gestaltet
man den konzentrischen Vorgang so, dass der Durchmesser seines Außenrandes
kleiner ist als der kleinste Durchmesser der Unterseite des Schraubenkopfes.
In diesem Falle überragt
der Schraubenkopf mit Sicherheit den Vorsprung, so dass dessen gesamte
Fläche
ständig
gegen Verschmutzung gesichert ist.
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Um
eine besonders gute Kontaktgabe bei gleichzeitiger Sicherung der
Schraube und Abdichtung des Bereichs der Kontaktstelle zu gewährleisten,
gestaltet man die Stirnseite des Vorsprungs zweckmäßig so,
dass dieser einen flachkonkaven Konus aufweist, dessen runder Außenrand
bei Andrücken
des Schraubenkopfes einen linienhaften Kontaktbereich erhöhten Kontaktdrucks
bildet. Aufgrund dieser Gestaltung wird ein elektrischer Leiter, insbesondere
ein Kabelschuh, besonders fest im Bereich des runden Außenrandes
des Vorsprunges gegen diesen gedrückt, was eine sichere Kontaktgabe gewährleistet.
Dabei entsteht nämlich
ein linienhafter Kontaktbereich, der sich durch einen erhöhten Kontaktdruck
auszeichnet. Der flachkonkave Konus als Aufnahme des elektrischen
Leiters sorgt weiterhin dafür,
dass die hergestellte Verbindung einer Selbsthemmung unterliegt,
da der flachkonische Bereich den Leiter gewissermaßen in seinen
inneren Bereich hineinzieht und damit eine Hemmung gegen Selbstlösung bietet.
Weiterhin ergibt sich dabei der vorteilhafte Effekt, dass durch
den besonders hohen Druck am Außenrand
des Vorsprungs sich eine besonders starke Abdichtung nach innen
hin ausbildet, durch die die Kontaktstelle gegen Eindringen von
Feuchtigkeit abgedichtet und somit das Gewinde vor Korrosion besonders
geschützt
wird.
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In
den Figuren sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 ein
als Bolzen ausgebildetes Befestigungselement mit einem balligen
Ringwulst in Seitenansicht, teilweise im Schnitt;
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2 den
Bolzen in Draufsicht auf den Ringwulst;
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3 einen ähnlichen
Bolzen mit einer konzentrisch umlaufenden Konusfläche an dem
Ringwulst, teilweise im Schnitt;
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4 ein
das Befestigungselement bildender Bolzen, angeschweißt an ein
Bauteil;
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5 ein
als Mutter ausgebildetes Befestigungselement;
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6 die
Mutter gemäß 5,
angeschweißt
an ein Bauteil.
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7 die
Reibschweißmutter
verschweißt mit
einem Blech und mit vormontierter Schraube;
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8 die
Reibschweißmutter
allein;
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9 die
Reibschweißmutter
mit angeschraubtem Kabelschuh.
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In
der 1 ist ein Befestigungselement bildender Bolzen 1 dargestellt,
der auf seiner einen Seite den glatten Schaft 2 und auf
seiner anderen Seite den im Schnitt gezeichneten Ringwulst 3 als
Bestandteil des Flansches 4 aufweist. Der Flansch 4 ist hinsichtlich
seiner Außenfläche als
Sechskant ausgebildet. Der Bolzen 1 wird zum Reibschweißen in ein
entsprechend gestaltetes Futter einer bekannten Reibschweißvorrichtung
eingespannt, für
die der Sechskant des Flansches 4 als ein günstiger
Mitnehmer zur Aufnahme der erforderlichen größeren Rotationskraft dient.
Beim Reibschweißen
wird von dem nicht dargestellten Futter auf die rückwärtige Fläche 5 des
Flansches 4 gedrückt,
womit dann der Ringwulst 3 gegen ein in der 1 nicht
dargestelltes flächiges
Bauteil mit der erforderlichen Presskraft gedrückt wird. Ein solches flächiges Bauteil
ist in 4 dargestellt. Beim Andrücken des Bolzens 1 gegen
ein Bauteil berührt
der Ringwulst 3 mit dem Bereich seiner größten Höhe 6 (in 2 strichpunktiert
dargestellt). Dabei bildet sich eine sehr schmale konzentrische
Berührungslinie
aus, die dafür
sorgt, dass sich beim Anpressen und bei der Rotation des Bolzens 1 automatisch
eine Selbstzentrierung der Rotationsbewegung ergibt.
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In
der 2 ist der Bolzen 1 in Draufsicht auf die
Seite des Bolzens mit dem Ringwulst 3 dargestellt. In der 2 ist,
wie oben gesagt, die Berührungslinie 6 durch
die dort strichpunktiert angegebene Linie 6 dargestellt.
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Wie
sich aus 1 weiterhin ergibt, wird der Ringwulst 3 einerseits
von der konzentrischen Rille 7 und andererseits von der
zentralen Vertiefung 8 begrenzt. Dabei bildet die äußere Wandung 25 eine
Fläche
zur Abweisung von Abrief unter Ausnutzung der Fliehkraft und die
Vertiefung 8 einen Aufnahmeraum für den Abrieb (Schmelzereste
und Schmutzpartikel), der dann den eigentlichen Reibschweißvorgang
nicht mehr beeinträchtigen
kann.
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In
der 3 ist eine Abwandlung der Gestaltung eines Bolzens 1 gemäß 1 dargestellt,
bei der es sich um den Querschnitt des Ringwulstes handelt, der
hier mit 9 bezeichnet ist. Der Ringwulst 9 besitzt
nach innen hin die konvexe konisch umlaufende Konusfläche 10,
die nach außen
hin in der konzentrischen Berührungslinie 11 ausläuft. Diese
weit außen am
Ringwulst 9 angeordnete Berührungslinie 11 sorgt
in besonderer Weise dafür,
dass bei der Rotation des Bolzens 1 dieser sich selbst
zentriert.
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In
der 4 ist der Bolzen 1 gemäß 1, angeschweißt an das
flächige
Bauteil 12, dargestellt. Das flächige Bauteil wird hier durch
ein dünnes
beschichtetes Blech gebildet, dessen Beschichtungen mit 13 bezeichnet
sind. Wie ersichtlich, ist ein Teil des ballig ausgebildeten Ringwulstes 3 in
das Material des Bauteils 12 eingedrungen und hat sich
in den Bereich 14 mit dem Material des Bauteils 12 porenfrei verschweißt.
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5 zeigt
eine das Befestigungselement bildende Mutter 15, die auf
ihrer einen Seite ähnlich der
Gestaltung des Bolzens 1 gemäß 1 ausgebildet
ist. Auf der betreffenden Seite besitzt die Mutter 1 den
Ringwulst 16 mit balliger Ausführung, an dem sich dann die
Berührungslinie 17 beim
Reibschweißen
ausbildet. Neben dem Ringwulst 16 ist die Rille 18 vorgesehen.
Zwischen dem Ringwulst 16 und dem Durchgangsloch 19 ist
noch die innere Rille 20 vorgesehen, von der aus irgendwelcher
Abrieb vom Durchgangsloch 19 weg abgeleitet werden.
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In
der 6 ist die Mutter 15 gemäß 5 dargestellt,
und zwar angeschweißt
an das flächige Bauteil 26,
das hier durch ein dünnes
Blech gebildet ist. Wie ersichtlich, ist ein Teil des ballig ausgebildeten
Ringwulstes 16 in das Material des Bauteils 26 eingedrungen
und hat sich in den Bereich 27 mit dem Material des Bauteils 26 verschweißt.
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7 zeigt
die Reibschweißmutter 31 (siehe auch 8)
verschweißt
mit dem Blechteil 38. Beim Reibschweißvorgang wird in bekannter
Weise die Reibschweißmutter 31 gegen
das Blechteil 38 gedrückt,
wobei sich der konzentrische Vorsprung 33 gegen die betreffende
Oberfläche
des Blechteils 38 drückt,
durch Erhitzung verflüssigt
wird und schließlich
sich mit dem Blechteil 38 verschweißt. Die Reibschweißmutter 31 ist
mit der vormontierten Schraube 39 versehen, deren Schraubenkopf 40 gegen
den aus 8 ersichtlichen Außenrand 41 des
Konus 36 drückt
und an dieser Stelle wegen der schmalen, linienhaften Berührung eine
besondere Abdichtung bildet, so dass ein bei angeschweißter Reibschweißmutter 31 gegebenenfalls
anzubringender Überzug, z.B.
eine Lackschicht, nicht in den Bereich des als Kontaktstelle dienenden
Konus 36 dringen kann.
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Die
in der 8 dargestellte Reibschweißmutter 31 weist den
Mutterkörper 32 auf,
dessen eine Seite als Schweißseite
mit dem konzentrischen Ringwulst 33 ver sehen ist. Die andere
Seite der Reibschweißmutter 31 bildet
die Kontaktseite, die hierfür den
konzentrischen Vorsprung 34 aufweist, der aus dem Mutterkörper 32 herausgeprägt ist.
Der runde Außenrand
des Vorsprungs 34 besitzt einen solchen Durchmesser, dass
er von dem Kopf der vormontierten Schraube 39 überragt
wird, was anhand der 7 näher erläutert wird. Der Vorsprung 34 besitzt auf
seiner Stirnseite den flachkonkaven Konus 36, der für eine besonders
gute Kontaktgabe und Abdichtung bei einer angeschraubten elektrischen
Leiter sorgt. Der Konus 36 bildet die Kontaktstelle für einen anzuschraubenden
Leiter (siehe 9). Die Reibschweißmutter 31 weist
außerdem
das Durchgangsloch 37 mit Innengewinde auf, weiterhin ist
die Außenfläche des
Mutterkörpers 32 als
Sechskant ausgebildet, so dass die Reibschweißmutter 31 für den Reibschweißvorgang
von einem entsprechenden Werkzeug sicher erfasst und gegen ein anzuschweißendes Bauteil
angedrückt
werden kann.
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In
der 9 ist die Reibschweißmutter 31, verschweißt mit dem
Blechteil 38, wie in 1 dargestellt,
gezeigt, wobei durch die in der Phase gemäß 8 noch vormontierte
Schraube 39 jetzt dazu dient, einen Kabelschuh 42 an
der Reibschweißmutter 31 anzuschrauben,
wobei der Kabelschuh 42 gegen den Konus 36 und
dabei insbesondere gegen dessen Rand 41 gedrückt wird,
womit sich ein besonders sicherer Kontakt und eine sichere Abdichtung ergeben,
da sich bei diesem Andrücken
das Material des Kabelschuhs 42 zumindest teilweise in
den Konus 36 hineindrückt
und sich damit in diesen gegen Verdrehung zusätzlich besonders sichert.