DE102004060305B4

DE102004060305B4 - Befestigungselement für eine Anordnung von Bauteilen

Info

Publication number: DE102004060305B4
Application number: DE200410060305
Authority: DE
Inventors: Robert Jantz
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-12-15
Filing date: 2004-12-15
Publication date: 2006-09-21
Anticipated expiration: 2024-12-16
Also published as: DE102004060305A1

Abstract

Befestigungselement (5) für eine Anordnung von Bauteilen, die ein erstes Bauteil (1) mit einer an einer Verbindungsstelle etwa senkrecht zur Oberfläche stehenden als Stift, Bolzen, Zapfen, Hülse oder ähnlich ausgeführten Ausformung (2) und mindestens ein zweites Bauteil (4) umfasst, wobei das Befestigungselement(5) eine der Verbindungsstelle zugeordnete, mit der Ausformung (2) korrespondierende etwa koaxiale Ausnehmung (15) aufweist und sich mit den dem Zentrum der Ausnehmung (15) zugewandten federelastischen Teilen (9) beim Aufschieben auf die Ausformung (2) mit dieser lösbar verklemmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) durch Geometrie und innere Materialspannung bestimmt einen ersten, die Verklemmung mit der Ausformung (2) bewirkenden stabilen Gleichgewichtszustand mit hohem Spannungsniveau und einen zweiten, die Verklemmung freigebenden, stabilen Gleichgewichtszustand aufweist, der durch eine äußere, das Befestigungselement (5) kurzzeitig deformierende Krafteinwirkung erzielbar ist, aus dem es durch eine erneute Krafteinwirkung in den ersten Gleichgewichtszustand rückführbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement für eine Anordnung von Bauteilen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus der GB 753 413 ist ein Befestigungselement zum Verbinden zweier Bauteile in Form einer rechteckförmigen Federklammer bekannt, der ein die Bauteile durchdringender Stehbolzen zugeordnet ist. Die Federklammer weist zwei gegenüberliegende Federarme auf, die gegenüber der Basisebene des Federelementes hochgebogen sind. Die einander gegenüberliegenden klauenförmigen Stirnseiten der Federarme weisen einen Abstand auf, der geringer ist als der Durchmesser des festzuklemmenden die Bauteile zusammenhaltenden Stehbolzens. Die als Blattfedern wirkenden Federarme verklammern sich beim Aufschieben der Federklammer auf den Stehbolzen mit diesem und halten dadurch die zwischen dem Kopf des Stehbolzens und der Federklammer eingespannten Bauteile. Für das Abheben der Federarme aus deren Sperrlage und das Halten in ihrer Offenlage sind relativ große Federkräfte notwendig, so dass besondere Werkzeuge hierfür notwendig sind. Die Demontage einer solchen lösbaren Verbindung ist daher kompliziert und aufwendig und erfordert besondere manuelle Übung. Darüber hinaus ist beim Lösen dieser Verbindung eine Beschädigung des der Federklammer zugewandten Bauteiles unvermeidbar.

Es sind ferner Federscheiben zum Verbinden zweier Bauteile bekannt, bei denen das erste Bauteil eine als konischer Zapfen ausgebildete Ausformung aufweist, während das zweite oder weitere Bauteile an der gleichen Stelle jeweils eine Ausnehmung haben und auf diese Weise zusammengesteckt werden können. Über die Federscheibe, die im Zentrum eine Bohrung mit federnd elastisch verformbaren Krallen hat, werden die zusammengefügten Bauteile gesichert, da sich die Federscheibe mit ihren Krallen nach dem Aufschieben an der Ausformung verklemmt, vgl. DE 92 10 099 U1 . Soll eine solche Verbindung später wieder gelöst werden, geht dies nur durch Deformation oder Zerstörung der Federscheibe.

Die Ausformung kann als Gewindestift, Schraube oder als Zylinderstift mit Vorkehrungen zur Aufnahme von Befestigungselementen ausgebildet sein.

Werden solche Verbindungen im Fahrzeugbau zur Fixierung von leichten Bauteilen, wie Dämmmatten, Kunststoff- oder Blechteilen an Teilen der Karosseriestruktur oder innerhalb separater Einzelbaugruppen der Fahrzeuge eingesetzt, haben diese den Nachteil, dass sie im Reparaturfall nur aufwendig oder gar nicht gelöst werden können. Werden diese gewaltsam abgezogen, so sind diese danach regelmäßig unbrauchbar. Bei erneuter Herstellung der Verbindung muss ein neues Befestigungselement eingesetzt werden. Des Weiteren besteht die Gefahr, dass Teile der verbundenen Bauteile beschädigt werden können, insbesondere aber das Risiko des Abbrechens der Ausformung besteht. In solchen Fällen steigen die Reparaturkosten erheblich an.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Befestigungselement gem. der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen Art derart auszubilden, dass es aus seiner Sperrlage einfacher, schneller und sicherer als bisher in seine Offenlage überführbar ist, ohne dass die Gefahr von Beschädigungen von Befestigungselement und der damit zu verbindenden Bauteile besteht, wobei ferner Vorsorge dafür zur tragen ist, dass es nach seinem Abziehen aus der Sperrlage wiederverwendbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Die Unteransprüche betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass elastisch federnde Werkstoffe durch entsprechende Geometrie unter Ausnutzung der inneren Bauteilspannungen derart ausbildbar sind, dass sie aus einem ersten stabilen Gleichgewichtszustand, in dem sie das für das Verklemmen erforderliche hohe Spannungsniveau aufzubringen in der Lage sind, durch äußere Krafteinwirkung in einen zweiten stabilen Gleichgewichtszustand überführbar sind, in welchem die für das Verklemmen verantwortlichen Teile des Befestigungselementes aus der eingenommenen Klemmstellung in eine Stellung überführbar sind, in der die Klemmwirkung aufgehoben ist. In diesem Gleichgewichtszustand kann das Befestigungselement mit geringem Kraftaufwand aus seiner Arbeitslage abgezogen werden.

Die nach der Erfindung ausgebildeten Befestigungselemente behalten also sowohl in ihrer Sperrlage als auch in ihrer entsperrten Lage ihren stabilen Gleichgewichtszustand, wobei in der Sperrlage dafür Sorge getragen ist, dass dem Sperrzustand ein erhöhtes inneres Spannungsniveau zugeordnet ist. Zum Überführen von dem einen in den anderen Gleichgewichtszustand ist eine äußere Krafteinwirkung auf das Befestigungselement notwendig, durch deren Wirkung das Befestigungselement schlagartig den jeweils entgegengesetzten Gleichgewichtszustand einnimmt.

Die Anordnung von Bauteilen hat an einem ersten Bauteil eine Ausformung, die entweder als Stift, Bolzen, Zapfen oder ähnliches ausgeformt oder als Bolzenstift bzw. Hülse dort nachträglich befestigt worden ist. Wenigstens ein zweites Bauteil, das mit dem ersten zu verbinden ist, besitzt an der Stelle der Ausformung eine damit korrespondierende Ausnehmung. Nach erfolgter Montage des zweiten am ersten Bauteil wird das Befestigungselement auf die Ausformung aufgeschoben, und zwar soweit, bis die beteiligten Bauteile ausreichend gegeneinander verspannt sind. Es können auch eine Mehrzahl von Bauteilen sein. Das Befestigungselement liegt dabei mit seinem äußeren Rand an der Oberfläche des zweiten Bauteils auf, während die im Zentrum befindlichen federnd ausgebildeten Teile sich gegen die Mantelfläche der Ausformung verklemmen, ein Zurückschieben des Befestigungselementes also nicht mehr möglich ist.

Muss diese Verbindung wieder gelöst werden, wird unter Verwendung geeigneter Hilfsmittel der äußere Rand des Befestigungselementes einseitig angehoben, also kurzfristig deformiert. Bei Erreichen einer durch Geometrie und Werkstoffeigenschaften vorherbestimmbaren Höhe der Verformung des äußeren Randes nimmt dabei das Befestigungselement infolge der inneren Werkstoffspannung den zweiten Gleichgewichtszustand ein und schnappt aus einer konvexen in eine konkave Lage. Dabei geben die an der Ausformung anliegenden federnd ausgebildeten Teile des Befestigungselements diese frei, bewegen sich also von diesen weg. Dadurch wird der Widerstand gegen ein Verschieben des Befestigungselements in Öffnungsrichtung aufgehoben. Es kann nun mit geringem Kraftaufwand von Hand von der Ausformung abgezogen werden, so dass das befestigte Bauteil freigegeben wird.

Im abgezogenen Zustand kann das Befestigungselement durch Krafteinwirkung auf sein Zentrum wieder in seine Ausgangsform gedrückt werden, wobei dieses aus dem durch kurzfristige wandseitige Deformation eingenommenen zweiten Gleichgewichtszustand in den ursprünglichen ersten Gleichgewichtszustand zurückspringt. Anschließend kann das Befestigungselement in der beschriebenen Weise wieder verwendet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform des Befestigungselementes ist dieses ein scheibenförmiges Bauteil, das eine in etwa konvexe Wölbung, bezogen auf die Auflagefläche und etwa im Zentrum eine Ausnehmung hat. Mithilfe der Ausnehmung wird das Bauteil über die Ausformung des ersten Bauteils geschoben und dabei federnd aufgeweitet, wobei im Bereich der Ausnehmung wenigstens ein federndes Teil vorhanden ist, das durch die Ausformung ausgelenkt wird und dabei mit dem jeweils korrespondierenden Durchmesser der Ausformung über die innewohnenden Federkräfte verklemmt. Durch Anheben seines äußeren Randes wird das Befestigungselement kurzzeitig deformiert. Die konvexe Wölbung verändert sich, sodass beim Überschreiten eines bestimmten Verformungsgrades ein schlagartiger Wechsel in die konkave Form erfolgt. Wie bereits ausgeführt, wird damit die Klemmwirkung aufgehoben, sodass das Befestigungselement von der Ausformung leicht abgezogen werden kann.

Zur Erleichterung der Demontage kann der äußere Rand des Befestigungselements entweder um einen Betrag zurückversetzt sein oder er ist in einem Teilbereich leicht angehoben, sodass mit entsprechenden Werkzeugen ein Unterfahren und anschließendes Aushebeln des äußeren Randes möglich ist.

Das Befestigungselement hat im Bereich seiner Wölbung mehrere ausgeprägte Laschen, die im aufgeschobenen Zustand bis auf die Oberseite des zu sichernden zweiten Bauteils herabreichen. Vorzugsweise sind diese Laschen l-förmig profiliert. Diese Laschen halten bis zum Aufheben des ersten Gleichgewichtszustandes das zweite Bauteil nieder. Durch die Überführung in den zweiten Gleichgewichtszustand heben jedoch auch diese von der Oberfläche des zweiten Bauteiles ab.

Die Aufhebung des zweiten Gleichgewichtszustandes erfolgt durch Krafteinwirkung nahe dem Zentrum des Befestigungselementes. Hierbei wird der Gipfel der konvexen Wölbung niedergedrückt, bis durch die inneren Spannun gen die Veränderung der Wölbung von konvex zu konkav bewirkt ist.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles beschrieben. Im Einzelnen zeigen
1 eine schematische Darstellung der Verbindung im Normalzustand als teilweise Schnittdarstellung;
2 eine schematische Darstellung der Verbindung mit einem gelösten Befestigungselement in teilweiser Schnittdarstellung;
3 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Befestigungselements, und
4 eine perspektivische Darstellung des Befestigungselements gemäß 3
Ein erstes Bauteil 1 trägt einen Stift 2, der in etwa senkrecht auf der Oberseite 3 des ersten Bauteils 1 steht. Der Stift 2 ist mit dem ersten Bauteil 1 fest verbunden.
Auf der Oberseite 3 des ersten Bauteils 1 liegt ein zweites Bauteil 4. Ebenso kann eine Mehrzahl von Bauteilen angeordnet sein. Über den Stift 2 ist ein Befestigungselement 5 geschoben, das mit seinem äußeren Rand 6 auf der Oberseite 7 des zweiten Bauteils 4 aufliegt. Das Befestigungselement 5 ist konvex gewölbt. An der Mantelfläche 8 des Stiftes 2 stützt sich das Befestigungselement 5 mit verformbaren Teilen 9 ab, die beim Aufschieben aufgespreizt werden. Die verformbaren Teile 9 sind so dimensioniert, dass sie sich ohne bleibende Verformung elastisch verformen.
Aus dem Befestigungselement 5 sind Laschen 10 und 11 materialeinheitlich ausgeformt, die ein l-förmiges Profil haben und mit dem vorderen Schenkel 12 und 13 jeweils auf der Oberseite 7 des zweiten Bauteils 4 aufliegen. Sie halten insbesondere den Randbereich 14 der Ausnehmung 15 des zweiten Bauteils 4 nieder. Das Befestigungselement 5 ist durch die verformbaren Teile 9 am Stift 2 verklemmt und lässt sich nicht zurückschieben. Auf diese Weise ist die Verbindung gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert.
Soll die Verbindung gelöst werden, wird der äußere Rand 6 des Befestigungselements 5 an wenigstens einem Punkt angehoben. Dabei verändert sich das Spannungsbild im unter Vorspannung stehenden Befestigungselement 5 so stark, dass bei Überschreiten eines Grenzwertes eine schlagartige Formveränderung erfolgt. Das Befestigungselement 5 nimmt eine entgegengesetzte Wölbung 16 ein und der äußere Rand 6 bzw. die Schenkel 12 und 13 heben von der Oberseite 7 des zweiten Bauteils 4 ab.
In dieser Lage heben die elastisch verformbaren Teile 9 des Befestigungselements 5 vom Stift ab, sodass das Befestigungselement 5 mit geringem Kraftaufwand von dem Stift 2 abgezogen werden kann.
Nach dem Abziehen gehen die elastisch verformbaren Teile 9 in ihre Ausgangslage zurück, sobald eine äußere Kraft auf das Zentrum des Befestigungselements 5 einwirkt.
Ein nach dem Abnehmen in den Ausgangszustand zurückverformtes Befestigungselement 5 kann beim erneuten Herstellen einer Verbindung wieder verwendet werden.
Als Ausführungsform des Befestigungselementes 5 ist in den 3 und 4 eine Federscheibe 17 dargestellt, die an ihrem äußeren Rand 18 durch Profilieren entstandene Öffnungen 19 hat. In die Öffnungen 19 können Werkzeuge 20, wie beispielsweise Schraubendreher, Keile oder dergleichen, eingeführt werden. Mit den genannten Werkzeugen kann der äußere Rand 18 der Federscheibe 17 ohne großen Kraftaufwand angehoben werden und bei Überschreiten eines Grenzwertes erfolgt die schlagartige Formveränderung der Federscheibe 17. Im Inneren der Wölbung 20 sind Laschen 21 und 22 materialeinheitlich ausgeformt, die mit ihren flachen Enden 23 und 24 jeweils als zusätzliche Niederhalter für die zu sichernden Bauteile wirken. Durch das Ausformen der Schenkel 21 und 22 entstehen in der Federscheibe 17 die Ausnehmungen 25 und 26. Im Zentrum der Federscheibe 17 ist eine Bohrung 27 angeordnet, die beim Aufschieben auf einen Stift auf geweitet wird und sich gegen die Umfangsfläche des Stiftes verklemmt. Hierzu ist die Bohrung 27 an ihrem Umfang 28 mehrfach durch Einschnitte 29 erweitert, sodass elastisch formbare Teile 30 entstehen, die beim Aufschieben der Federscheibe 17 auf einen Stift elastisch verformt werden.
Durch eine optimierte Profilierung der Federscheibe 17 im Hinblick auf deren Wölbung, Profilierung des äußeren Randes 18, der Laschen 21 und 22, der Bohrung 27 sowie durch die Werkstoffauswahl kann die Federscheibe 17 im Sinne einer Optimierung der Eigenschaften beeinflusst werden.
Das beschriebene Befestigungelement zeichnet sich dadurch aus, dass bei einer Anordnung zur Befestigung von Bauteilen anstelle eines üblicherweise verwendeten Klemmelements, das nur durch Zerstörung entfernt werden kann, ein Befestigungselement eingesetzt wird, das durch kurzzeitige Formänderung aus einem ersten stabilen Gleichgewichtszustand in einen zweiten stabilen Gleichgewichtszustand überführt werden kann, in welchem die Klemmwirkung aufgehoben ist und das Befestigungselement von Hand abgezogen werden kann. Das erfindungsgemäße Befestigungselement kann anschließend wieder in den ersten stabilen Gleichgewichtszustand (Ausgangszustand) gebracht werden und steht für die erneute Herstellung einer Verbindung zur Verfügung.

1: Erstes Bauteil
2: Stift
3: Oberseite des ersten Bauteils [1]
4: Zweites Bauteil
5: Befestigungselement
6: äußerer Rand
7: Oberseite des zweiten Bauteils [4]
8: Mantelfläche des Stiftes [2]
9: verformbare Teile
10: Lasche
11: Lasche
12: vorderer Schenkel
13: vorderer Schenkel
14: Randbereich der Ausnehmung [15]
15: Ausnehmung des zweiten Bauteils [4]
16: Wölbung
17: Federscheibe
18: äußerer Rand der Federscheibe [17]
19: Öffnungen
20: Werkzeuge
21: Lasche
22: Lasche
23: flaches Ende
24: flaches Ende
25: Ausnehmung
26: Ausnehmung
27: Bohrung
28: Umfang der Bohrung [27]
29: Einschnitte
30: elastisch verformbare Teile

Claims

Befestigungselement (5) für eine Anordnung von Bauteilen, die ein erstes Bauteil (1) mit einer an einer Verbindungsstelle etwa senkrecht zur Oberfläche stehenden als Stift, Bolzen, Zapfen, Hülse oder ähnlich ausgeführten Ausformung (2) und mindestens ein zweites Bauteil (4) umfasst, wobei das Befestigungselement(5) eine der Verbindungsstelle zugeordnete, mit der Ausformung (2) korrespondierende etwa koaxiale Ausnehmung (15) aufweist und sich mit den dem Zentrum der Ausnehmung (15) zugewandten federelastischen Teilen (9) beim Aufschieben auf die Ausformung (2) mit dieser lösbar verklemmt, dadurch gekennzeichnet, dass das Befestigungselement (5) durch Geometrie und innere Materialspannung bestimmt einen ersten, die Verklemmung mit der Ausformung (2) bewirkenden stabilen Gleichgewichtszustand mit hohem Spannungsniveau und einen zweiten, die Verklemmung freigebenden, stabilen Gleichgewichtszustand aufweist, der durch eine äußere, das Befestigungselement (5) kurzzeitig deformierende Krafteinwirkung erzielbar ist, aus dem es durch eine erneute Krafteinwirkung in den ersten Gleichgewichtszustand rückführbar ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es als Federscheibe (17) mit einer im ersten Gleichgewichtszustand konvexen Wölbung (16) ausgebildet ist, die im Zentrum eine Ausnehmung (27) mit vom Umfang (28) beginnend wenigstens einen Einschnitt (29) zwecks Bildung eines federnd elastisch verformbaren Teiles (9) aufweist, wobei die Ausnehmung (27) in wenigstens einer Richtung einen geringeren Abstand zwischen den Kanten ihrer verformbaren Teile (9) als der korrespondierende Durchmesser der Ausformung (2) des ersten Bauteils (1) zwischen den Berührungspunkten aufweist.
Befestigungselement nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der äußere Rand (18) der Federscheibe (17) in wenigstens einem Bereich ihres Umfanges zwecks Bildung einer Öffnung (19) zurückgesetzt und/oder aufgewölbt ist.
Befestigungselement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass im äußeren Rand (18) der Federscheibe (17) wenigstens eine Ausnehmung (19) angeordnet ist.
Befestigungselement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Federscheibe (17) wenigstens zwei in das Innere ihrer dem ersten Gleichgewichtszustand zugeordneten Wölbung (16) ragende Laschen (21, 22) aufweist, welche sich im Klemmzustand des Befestigungselementes bis zur Auflageebene der Federscheibe (17) auf dem zweiten Bauteil (4) erstrecken.
Befestigungselement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Wechsel seines Gleichgewichtszustandes vom zweiten in den ersten Gleichgewichtszustand durch eine äußere Krafteinwirkung auf das Zentrum der Federscheibe (17) durchführbar ist.