DE102005045316B4 - Verformungsbauteil und Verfahren zum Festhalten eines unverlierbaren Verbindungselements - Google Patents

Verformungsbauteil und Verfahren zum Festhalten eines unverlierbaren Verbindungselements Download PDF

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Abstract

Verformungsbauteil (30, 47, 74) zur Verwendung beim Sichern eines Verbindungselements (21, 62) in einem Werkstück (11), das eine Außenfläche (12) und zumindest eine Verbindungselementöffnung (16) durch das Werkstück (11) aufweist und zum Teil durch einen kalt verformbaren Randabschnitt (20) des Werkstücks (11) definiert ist, wobei das Verformungsbauteil (30, 47, 74) umfasst:
einen Körper (32, 49, 66) mit einer Klemmfläche (40, 58, 76), die von einer zentralen Achse (23, 54, 64) radial verläuft;
ein keilartiges Verformungselement (42, 50, 78), das von der Klemmfläche (40, 58, 76) des Körpers (32, 49, 66) ausgeht und eine Verformungsfläche (44, 52, 78) aufweist, die von der Achse (23, 54, 64) und der Klemmfläche (40, 58, 76) des Körpers (32, 49, 66) radial und axial nach außen gewinkelt ist;
wobei das Verformungselement (42, 50, 78) im Einsatz mit dem kalt verformbaren Randabschnitt (20) eines Werkstücks (11) in Eingriff gebracht werden kann und, wenn...

Description

  • Diese Erfindung bezieht sich auf unverlierbare Verbindungselemente und insbesondere auf ein Verformungsbauteil zur Verwendung beim Festhalten eines Verbindungselements innerhalb einer Öffnung eines Werkstücks.
  • Sicherbare Verbindungselemente nutzen gegenwärtig Metallclips oder Halteeinrichtungen vom Elastomertyp, um ein Verbindungselement innerhalb einer Verbindungselementöffnung eines Werkstücks festzuhalten bzw. zu sichern. Metallclips sind für bestimmte Anwendungen unpraktisch. Rückhalteeinrichtungen vom Elastomertyp haben oft niedrige Schmelz- oder Flammpunkte, die sie zum Sichern von Verbindungselementen in Hochtemperaturanwendungen ungeeignet machen.
  • Ferner ist es aus den Druckschriften DE 89 11 442 U1 oder DE 93 08 096 U1 bekannt, als Verliersicherung Bauteile in den gewindefreien Bereich einer Schraube unterhalb des Schraubenkopfes hineinzuverformen, so dass die Schraube an dem jeweiligen Bauteil mechanisch gesichert ist.
  • Die vorliegende Erfindung schafft aufgabengemäß ein Verformungsbauteil zur einfachen Verwendung beim Festhalten eines Verbindungselements innerhalb einer Öffnung eines Werkstücks.
  • In einer ersten Ausführungsform hat das Verformungsbauteil einen Körper in Form einer gehärteten ringförmigen Unterlegscheibe mit einer Klemmfläche, die von einer zentralen Achse und einer ein Verbindungselement aufnehmenden Öffnung radial verläuft, die sich durch die Unterlegscheibe erstreckt und auf der zentralen Achse zentriert ist. Zumindest ein keilartiges Verformungselement geht von der Klemmfläche der Unterlegscheibe aus und hat eine Verformungsflanke bzw. -fläche, die von der Achse und der den Körper klemmenden Oberfläche radial und axial nach außen gewinkelt ist. Das Verformungselement sollte so ausgebildet sein, dass, wenn das Verformungselement und die Klemmfläche gegen einen schmiedbaren bzw. kalt verformbaren Randabschnitt einer Verbindungselementöffnung gepresst werden, der Keil zumindest einen Abschnitt des Rands in die Verbindungselementöffnung verformt und einen Durchmesser der Verbindungselementöffnung reduziert, um einen Anschlag zu erzeugen, der dahingehend wirkt, einen Schaftabschnitt eines Verbindungselements innerhalb der Verbindungselementöffnung mechanisch festzuhalten bzw. zu sichern.
  • Alternativ dazu kann sich das keilartige Verformungselement der Unterlegscheibe ringförmig um die zentrale Achse erstrecken, so dass es einen ringförmigen Keil bildet, der dazu dient, einen gesamten Umfangsrand einer Verbindungselementöffnung zu verformen, um ein Verbindungselement darin zu sichern.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Verformungselement mit einem Kopf an einem Ende eines Verbindungselements einteilig, das einen auf einer Achse zentrierten Körper aufweist, einschließlich eines Verbindungsabschnitts an einem anderen Ende und eines dem Kopf benachbarten Abschnitts mit reduziertem Durchmesser zwischen den Enden. Ein Verformungselement erstreckt sich ringförmig um die Achse entlang einer Unterseite des Kopfes, um ein ringförmiges keilartiges Verformungselement zu bilden, das dazu dient, einen ganzen Umfangsrand einer Verbindungselementöffnung zu verformen, um ein Verbindungselement darin zu sichern.
  • Diese und andere Aufgaben und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung bestimmter spezifischer Ausfüh rungsformen der Erfindung vollständiger verstanden, die zusammen mit den beiliegenden Zeichnungen vorgenommen wird. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt:
  • 1 eine Querschnittansicht einer in eine Verbindungselementöffnung eines Werkstücks eingesetzten Verbindungselementanordnung gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 2 eine 1 ähnliche Darstellung, die das in der Öffnung festgehaltene Verbindungselement darstellt;
  • 3 eine bildhafte Darstellung einer Verbindungselementanordnung gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
  • 4 eine Querschnittansicht eines Verbindungselements mit einem integralen Verformungselement, das in eine Verbindungselementöffnung eines Werkstücks eingesetzt wird, gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
  • 5 eine 4 ähnliche Darstellung, die das in der Öffnung festgehaltene Verbindungselement darstellt.
  • Im Detail zunächst auf 1 und 2 der Zeichnungen bezugnehmend gibt Ziffer 10 als Ganzes eine Anordnung an, die ein Werkstück 11 einschließt, das dafür eingerichtet ist, an einer anderen nicht dargestellten Komponente befestigt zu werden. Das Werkstück 11 kann aus einem duktilen Material geschaffen sein und in Form eines Flansches oder eines schwere ren Körpers mit Ober- und Unterseiten 12, 14 vorliegen. Zumindest eine Verbindungselementöffnung 16 erstreckt sich durch das Werkstück 11 zwischen der Ober- und Unterseite 12, 14. Die Verbindungselementöffnung 16 ist ferner definiert durch eine Ober- und Unterkante 18, 19, wobei die Oberkante 18 zumindest einen Randabschnitt 20 aufweist, der kalt verformbar bzw. schmiedbar ist und verformt werden kann.
  • Ein Verbindungselement 21, das dafür angepasst ist, in der Verbindungselementöffnung 16 aufgenommen zu werden, umfasst einen auf einer Achse 23 zentrierten Körper 22. Das Verbindungselement 21 hat an einem Ende einen Kopf 24, einen Verbindungsabschnitt 26 am anderen Ende 27 und einen Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser zwischen den Enden 25, 27. Ein Verformungsbauteil 30 in Form einer gehärteten Unterlegscheibe 31 mit einem Körper 32 erstreckt sich radial von einer Mittelachse 33, die mit der Achse 23 zusammenfällt. Der Körper 32 hat eine zentrale Öffnung 34 und wird auf dem Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser des Verbindungselements 21 der Unterseite 36 des Kopfes 24 benachbart aufgenommen. Der Körper 32 hat eine im Wesentlichen flache äußere (obere) Oberfläche 38.
  • Der Körper 32 der Unterlegscheibe 31 hat ebenfalls eine (untere) Klemmfläche 40, die im Wesentlichen parallel zur Außenfläche 38 der Unterlegscheibe verläuft. Ein keilartiges Verformungselement 42 geht von der (unteren) Klemmfläche 40 des Körpers 30 (Unterlegscheibe 32) aus und hat eine Verformungsflanke bzw. -fläche 44, die von der zentralen Achse 33 bzw. der unteren Klemmfläche 40 des Körpers 30 des Verformungsbauteils radial und axial nach außen gewinkelt ist. Das Verformungselement 42 ist auf der unteren Klemmfläche 40 der Unterlegscheibe 31 angeordnet, um mit dem kalt verformbaren Randabschnitt 20 der Oberkante 18 der Verbindungselementöffnung 16 des Werkstücks in Eingriff zu gelan gen, wenn das die Unterlegscheibe 31 tragende Verbindungselement 21 in die Verbindungselementöffnung 16 eingesetzt wird.
  • Das Verbindungselement 21 wird in der Verbindungselementöffnung 16 des Werkstücks 11 festgehalten bzw. gesichert, indem zunächst der Verbindungsabschnitt 26 und der Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser durch die Öffnung 34 in der Unterlegscheibe 31 und dann in die Verbindungselementöffnung 16 eingesetzt werden, bis das Verformungselement 42 an der Oberseite 12 des Werkstücks 11 angreift und die Unterseite 36 des Verbindungselementkopfes 24 an der Ober/Außenseite 38 der Unterlegscheibe 31 angreift. Das Verbindungselement 21 und die Unterlegscheibe 31 werden dann gegen die Oberseite 12 des Werkstücks 11 axial nach unten gedrückt, so dass die Verformungsfläche 44 des Verformungselements 42 in den kalt verformbaren Randabschnitt 20 der Verbindungselementöffnung 16 des Werkstücks gedrückt wird. Die Klemmfläche 40 erstreckt sich ringförmig und/oder radial über das Verformungselement 42 hinaus, um mit der Oberseite 12 des Werkstücks 11 in einer vorbestimmten Tiefe des Verformungselements in Eingriff zu gelangen. Falls gewünscht wird die Tiefe des Verformungselements so ausgewählt, um die einwärts gerichtete Verformung des oberen Randabschnitts 20 zu begrenzen, so dass das Verbindungselement 21 in der Verbindungselementöffnung 16 lose gesichert ist. Der Druckschritt kann unter Verwendung einer geeigneten Kraft übertragenden Einrichtung wie zum Beispiel einer Hydraulikpresse bewerkstelligt werden.
  • Das Drücken des Verformungselements 42 in die Oberseite 12 des Werkstücks 11 verformt lokal den Randabschnitt 20 einwärts in Richtung auf die Mitte der Verbindungselementöffnung 16, um dem Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser des Verbindungselements 21 benachbart einen Durchmesser der Öffnung zu reduzieren. Die verformte Kante schafft ei nen Anschlag 46, der in der Tat den Durchmesser der Verbindungselementöffnung 16 reduziert und das Verbindungselement mechanisch festhält.
  • Ist das Verbindungselement 21 einmal innerhalb der Öffnung 16 des Werkstücks 11 gesichert, können das Werkstück und das Verbindungselement wie in 2 gezeigt als Baugruppe transportiert werden. Zu einer späteren Zeit kann das in dem Werkstück 11 festgehaltene Verbindungselement 21 genutzt werden, um das Werkstück 11 mit einer nicht dargestellten anderen Komponente zu verbinden.
  • Falls der Verbindungsabschnitt 26 des Verbindungselements 21 wie eine herkömmliche Schraube oder ein herkömmlicher Bolzen ein Gewinde aufweist, ist die axiale Ausdehnung des Verformungselements 42 unter der Klemmfläche 40 vorzugsweise so bemessen, dass sie eine Verformung des Randabschnitts 20 steuert, um das Verbindungselement in der Öffnung 16 lose zu sichern, aber dessen ungehinderte Drehung später zum Verbinden des Werkstücks 11 mit einer anderen Komponente zu ermöglichen. Für andere Arten von Verbindungselementen wie zum Beispiel eine Reib- oder Bajonettverbindung kann es jedoch gewünscht sein, einen ausreichenden Teil des kalt verformbaren Rands 20 zu verformen, um das Verbindungselement fest in das Werkstück 11 zu klemmen, so dass eine größere Ausdehnung des Verformungselements 42 erforderlich sein kann.
  • Die Bemessung der Ausdehnung des Verformungselements 42, die benötigt wird, um ein Verbindungselement 21 in loser Anordnung zu halten, könnte auch infolge der Winkelausdehnung des Verformungselements variieren. In 1 und 2 ist ein einziges Verformungselement 42 veranschaulicht. Mehrere getrennte Verformungselemente 42, die um die Achse 33 ringförmig beabstandet sind, würden jedoch mehrere verformende Kan ten um die Öffnung 16 bilden und das Verbindungselement 21 mit kleineren Anschlägen 46 festhalten, die um den Öffnungsrand beabstandet sind. Ein ringförmiges Verformungselement wie unten beschrieben könnte sogar effektiver sein.
  • 3 veranschaulicht ein alternatives Verformungselement 47 in Form einer gehärteten Unterlegscheibe 48 mit einem Körper 49 ähnlich der Unterlegscheibe 31. Sie unterscheidet sich jedoch in der Nutzung eines einzigen ringförmigen keilartigen Verformungselements 50 mit einer ringförmigen Verformungsfläche 52, die von einer zentralen Achse 54 und Öffnung 56 radial nach außen und von einer radial verlaufenden ringförmigen Klemmfläche 58 axial nach außen (nach unten) verläuft.
  • Das Verformungselement 47 wirkt ähnlich der Unterlegscheibe 31 insofern, als die Unterlegscheibe 47 auf dem Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser des Verbindungselements 21 aufgenommen und in der gleichen Weise genutzt wird, um das Verbindungselement 21 lose zu fassen und es in Verbindung mit einem Werkstück 11 zu halten. Dieses verformt vollständig die Kante 18 des Werkstücks 11 in Richtung auf die Mitte der Verbindungselementöffnung 16, um den Durchmesser der Öffnung um den Abschnitt 28 mit reduziertem Durchmesser des Verbindungselements 21 zu reduzieren. Die verformte Kante erzeugt einen ringförmigen Anschlag, der in der Tat den Durchmesser an der oberen Kante der Verbindungselementöffnung 16 reduziert und das Verbindungselement 21 mechanisch sichert, wie vorher diskutiert wurde.
  • 4 und 5 zeigen eine Anordnung 60 mit dem Verformungsbauteil, das in einen Kopf eines Verbindungselements 62 ähnlich dem Verbindungselement 21 integriert ist. Das Verbindungselement 62 ist als ein Körper 63 mit einer Achse 64 mit einem Kopf 66 an einem Ende 67, einem Verbin dungsabschnitt 68 am anderen Ende 69 und einem Abschnitt 70 mit reduziertem Durchmesser zwischen den Enden 67, 69 ausgebildet. Ein keilartiges Verformungselement 74 verläuft ringförmig um eine untere Klemmfläche 76 des Kopfes 66, um ein ringförmiges Verformungselement 74 zu schaffen. Das Verformungselement 74 hat eine Verformungsfläche 78, die von der Achse 64 und der unteren Klemmfläche 76 des Kopfes 66 radial und axial nach außen gewinkelt ist. Die Ringform des Verformungselements 74 wirkt dahingehend, einen ringförmigen, kalt verformbaren Randabschnitt 20, der eine Verbindungselementöffnung 16 umgrenzt, zu verformen, um einen radial verlaufenden ringförmigen Anschlag in der Öffnung zu schaffen und dadurch den Durchmesser der Öffnung 16 zu reduzieren, um den Verbindungsabschnitt 68 und den Abschnitt 70 mit reduziertem Durchmesser des Verbindungselements 62 innerhalb der Öffnung festzuhalten.
  • Das Verbindungselement 62 wird in der Öffnung 16 eines Werkstücks 11 gesichert, indem zunächst der Verbindungsabschnitt 68 und der Abschnitt 70 mit reduziertem Durchmesser in die Verbindungselementöffnung 16 eingesetzt werden, bis das Verformungselement 74 an der Oberseite 12 des Werkstücks 11 angreift. Das Verbindungselement 62 wird dann gegen die Oberseite 12 des Werkstücks 11 axial nach unten gedrückt, bis die untere Klemmfläche 76 an der Oberseite 12 des Werkstücks 11 angreift, so dass das Verformungselement 74 in den kalt verformbaren Rand 20 des Werkstücks 11 entlang einer kompletten Oberkante 18 gedrückt wird. Dies verformt die komplette ringförmige Kante 18 des Werkstücks 11 in Richtung auf die Mitte der Verbindungselementöffnung 16, was einen radialen Anschlag 80 erzeugt, der den Durchmesser der Verbindungselementöffnung 16 reduziert und das Verbindungselement 62 wie vorher diskutiert mechanisch sichert.
  • Obgleich die Erfindung durch Verweis auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben wurde, sollte es sich verstehen, dass zahlreiche Änderungen innerhalb des Geistes und Umfangs der beschriebenen erfinderischen Konzepte vorgenommen werden können. Demgemäß soll die Erfindung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen beschränkt sein, sondern den vollen Umfang aufweisen, der durch die Darlegung der folgenden Ansprüche zugelassen ist. Ein Verbindungselement wird in einer Öffnung eines Werkstücks gesichert, indem ein Abschnitt eines Rands einer Öffnung einwärts verformt wird, um eine Entfernung des Verbindungselements zu verhindern. Ein mit einem Kopf des Verbindungselements verbundenes Verformungsbauteil umfasst einen Körper mit einer Klemmfläche, die von einer zentralen Achse aus radial verläuft. Ein keilartiges Verformungselement hat ein Verformungsbauteil mit einer Verformungsfläche, die von der Klemmfläche axial und radial nach außen gewinkelt ist. Das Verformungselement verformt, wenn es gegen einen kalt verformbaren Rand des Werkstücks gedrückt wird, zumindest einen Teil des Rands in die Verbindungselementöffnung, wodurch ein Anschlag erzeugt wird, der den Durchmesser der Öffnung reduziert und das Verbindungselement darin mechanisch sichert. Das Verformungsbauteil kann als eine auf dem Verbindungselement montierte separate Unterlegscheibe ausgebildet oder mit dem Verbindungselementkopf integral hergestellt werden.

Claims (12)

  1. Verformungsbauteil (30, 47, 74) zur Verwendung beim Sichern eines Verbindungselements (21, 62) in einem Werkstück (11), das eine Außenfläche (12) und zumindest eine Verbindungselementöffnung (16) durch das Werkstück (11) aufweist und zum Teil durch einen kalt verformbaren Randabschnitt (20) des Werkstücks (11) definiert ist, wobei das Verformungsbauteil (30, 47, 74) umfasst: einen Körper (32, 49, 66) mit einer Klemmfläche (40, 58, 76), die von einer zentralen Achse (23, 54, 64) radial verläuft; ein keilartiges Verformungselement (42, 50, 78), das von der Klemmfläche (40, 58, 76) des Körpers (32, 49, 66) ausgeht und eine Verformungsfläche (44, 52, 78) aufweist, die von der Achse (23, 54, 64) und der Klemmfläche (40, 58, 76) des Körpers (32, 49, 66) radial und axial nach außen gewinkelt ist; wobei das Verformungselement (42, 50, 78) im Einsatz mit dem kalt verformbaren Randabschnitt (20) eines Werkstücks (11) in Eingriff gebracht werden kann und, wenn es gegen das Werkstück (11) gedrängt wird, dahingehend wirkt, den kalt verformbaren Randabschnitt (20) in die Verbindungselementöffnung (16) zu verformen und einen Durchmesser der Verbindungselementöffnung (16) ausreichend zu reduzieren, um das Verbindungselement (21, 62) darin mechanisch zu sichern.
  2. Verformungsbauteil nach Anspruch 1, wobei das Verformungsbauteil (30) eine Außenfläche (38) aufweist, die mit der Klemmfläche (40) im Wesentlichen parallel ist und durch eine Kraft übertragende Einrichtung zum Verformen des Randabschnitts (20) des Werkstücks (11) in Eingriff gebracht werden kann.
  3. Verformungsbauteil nach Anspruch 1, wobei die axiale Ausdehnung des Verformungselements (42, 50, 78) von der Klemmfläche (40, 58, 76) so bemessen ist, um zu ermöglichen, dass die Klemmfläche (40, 58, 76) an der Außenfläche (12) eines zugeordneten Werkstücks (11) angreift und dadurch die einwärts gerichtete Verformung (46, 80) des kalt verformbaren Randabschnitts (20) begrenzt, so dass das Verbindungselement (21, 62) in der Verbindungselementöffnung (16) lose gesichert wird.
  4. Verformungsbauteil nach Anspruch 1, wobei das Verformungsbauteil (30, 47) eine Unterlegscheibe (31, 48) mit einer ein Verbindungselement (21) aufnehmenden Öffnung (34, 56) durch den Körper (32, 49) und auf der Achse (23, 54) zentriert ist.
  5. Verformungsbauteil nach Anspruch 4, wobei die Klemmfläche (40) mehrere ringförmig beabstandete Verformungselemente (42) aufweist.
  6. Verformungsbauteil nach Anspruch 1, wobei das keilartige Verformungselement (50, 78) ringförmig um die zentrale Achse (54, 64) verläuft.
  7. Verformungsbauteil nach Anspruch 1, wobei der Körper (66) des Verformungsbauteils (74) ein auf einer Achse (64) zentriertes Verbindungselement (62) mit einem Kopf (66) an einem Ende und einem Verbindungsabschnitt (68) am anderen Ende ist und die Klemmfläche (76) sich am Kopf (66) befindet.
  8. Verformungsbauteil nach Anspruch 7, wobei der Körper (66) einen Abschnitt (70) mit reduziertem Durchmesser zwischen dem Kopf (66) und dem Verbindungsabschnitt (68) und der Klemmfläche (78) benachbart aufweist.
  9. Verformungsbauteil nach Anspruch 7, wobei der Verbindungsabschnitt (68) des Körpers (66) des Verbindungselements ein Gewinde aufweist.
  10. Verfahren zum Sichern eines Verbindungselements (21, 62) in einem Werkstück (11), das eine Außenfläche (12) und zumindest eine Verbindungselementöffnung (16) durch das Werkstück (11) aufweist und zum Teil durch einen kalt verformbaren Randabschnitt (20) des Werkstücks (11) definiert ist, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: Vorsehen eines auf einer Achse (23, 54, 64) zentrierten Verbindungselements (21, 62) mit einem Kopf (24, 66) an einem Ende und einem Verbindungsabschnitt (26, 68) am anderen Ende und einer radialen Klemmfläche (40, 58, 76), die dem Kopf (24, 66) zugeordnet ist und ein keilartiges Verformungselement (42, 50, 78) mit einer Verformungsfläche (44, 52, 78) aufweist, die von der Achse (23, 54, 64) und der Klemmfläche (40, 58, 76) radial und axial nach außen gewinkelt ist; Einsetzen des Verbindungsabschnitts (26, 68) des Verbindungselements (21, 62) in die Öffnung (16) des Werkstücks (11), wobei das Verformungselement (42, 50, 78) an dem kalt verformbaren Randabschnitt (20) angreift; und Drängen des Verbindungselements (21, 62) mit dem Verformungselement (42, 50, 78) gegen den kalt verformbaren Randabschnitt (20) des Werkstücks (11) und Verformen des kalt verformbaren Randabschnitts (20) in die Verbindungselementöffnung (16) in ausreichendem Maße, um darin das Verbindungselement (21, 62) mechanisch zu sichern.
  11. Verfahren nach Anspruch 10, mit dem Schritt: Ausbilden der radialen Klemmfläche (76) und der Verformungsfläche (78) als integrale Abschnitte des Kopfes (66).
  12. Verfahren nach Anspruch 10, mit dem Schritt: Montieren einer separaten Unterlegscheibe (31, 48) auf dem Verbindungselement (21), die mit dem Kopf (24) in Eingriff gelangt und die radiale Klemmfläche (40, 58) und die Verformungsfläche (44, 52) aufweist.
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