DE102005059091A1

DE102005059091A1 - Schraube sowie Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels einer solchen Schraube

Info

Publication number: DE102005059091A1
Application number: DE102005059091A
Authority: DE
Inventors: Robert Ehart
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2005-12-10
Filing date: 2005-12-10
Publication date: 2007-06-14

Abstract

Schraube (1) mit einem Schraubenkopf (2), einem Gewinde (4) und einem diese beiden Abschnitte verbindenden Schaft (3). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass zumindest der Schaft (3) aus einer Formgedächtnislegierung ist, der in der Tieftemperaturphase gedehnt wurde. Verfahren zum Verbindung eines ersten Bauteils (5) mit einem zweiten Bauteil (6) mittels einer Schraube (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (5) eine Durchbrechung (7) aufweist, die auf den Schaft (3) der Schraube (1) abgestimmt ist, und das zweite Bauteil (6) ein Innengewinde (9) aufweist, das auf das Gewinde (4) der Schraube (1) abgestimmt ist, mit folgenden Schritten: Abkühlen der Schraube (1) in ihre Tieftemperaturphase; Dehnen der Schraube (1) in ihrer Tieftemperaturphase; Verbinden der Schraube (1) mit dem ersten Bauteil (5) und dem zweiten Bauteil (6) durch Eindrehen in ihrer Tieftemperaturphase; Erwärmen der Schraube (1) über die Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung mit damit verbundener Verkürzung der Schraube (1) und Verspannung der beiden Bauteile (5, 6).

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils mit einem zweiten Bauteil mittels einer solchen Schraube.
Regelmäßig wird ein erstes Bauteil mit einem zweiten Bauteil dadurch verschraubt, dass eine Schraube mit ihrem Gewinde und ihrem Schaft durch eine Durchbrechung im ersten Bauteil in ein Sackloch mit Gewinde im zweiten Bauteil, das auf das Gewinde der Schraube abgestimmt ist, eingedreht wird, bis der Schraubenkopf am ersten Bauteil anschlägt. Solche Schraubverbindungen werden typischerweise drehmomentgesteuert auf ein gewisses Fügemoment, danach drehwinkelgesteuert angezogen. Um die Verbindung fest zu fügen, wird der Schraubenkopf noch gegen den Anschlag verdreht, so dass direkt unterhalb des Schraubenkopfes im Schaft eine Verwindung stattfindet, die das Material der Schraube stark beansprucht. Bei einem solchen plastischen Anzug treten hohe Kräfte auf, wodurch eine Schädigung im Gewindebereich nicht ausgeschlossen ist. Außerdem können Schwankungen innerhalb der Vorspannkraft auftreten, wenn die Reibungszahl unterhalb des Schraubenkopfs im Schaftbereich und im Gewindebereich variiert. Dies ist etwa der Fall, wenn Öle oder Verunreinigungen in diesen Bereichen auftreten. Ebenfalls ist dies der Fall, wenn Rückstände von Reinigungs- oder Kühlmitteln vorhanden sind.

Auf dem fernab liegenden Gebiet der Chirurgie sind Knochenverankerungselemente, beispielsweise aus der DE 10 2004 009 429 A1 , bekannt, die in ihrem Schaft eingelassene Abschnitte mit Widerhakenelementen aus einer Formge dächtnislegierung verwenden. Dadurch ist es möglich, solche Knochenverankerungselemente bei einer niedrigen Temperatur unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur in eine Kernlochbohrung im Knochen einzudrücken, da in diesem Zustand die Widerhakenelemente am Schaft des Knochenverankerungselements anliegen. Bei einer Erwärmung dieses Knochenverankerungselements auf die Körpertemperatur gehen die Widerhakenelemente in eine Position über, in der sie sich vom Schaft abspreizen und somit einen festen Halt des Knochenverankerungselements im Knochen erzielen. Dieser Effekt wird auch als Memoryeffekt bezeichnet, den bestimmte Metalllegierungen, nämlich die Formgedächtnislegierungen, aufweisen. Sie haben in ihrer Hochtemperaturphase, die als Martensit bezeichnet wird, eine andere Form als in ihrer Tieftemperaturphase, die als Austenit bezeichnet wird. Dies ist beispielsweise aus der DE 10 2004 020 058 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraube bzw. ein Verfahren zum Verbinden zweier Bauteile mittels einer Schraube vorzustellen, die nicht den Problemen einer Vorschädigung innerhalb des Gewindebereichs oder einer Ermüdungserscheinung innerhalb des Schaftbereichs durch plastischen Anzug unterliegt und dennoch zu einer festen Verbindung der zwei Bauteile führt.

Diese Aufgabe wird durch eine Schraube mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 3 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Eine sichere und feste Verbindung zwischen zwei Bauteilen kann mittels einer erfindungsgemäßen Schraube ohne große Kraftanstrengung und ohne die Problematik einer Verschleißerscheinung bzw. Beschädigung des Gewindes dadurch erreicht werden, dass zumindest der Schaft der Schraube aus einer Formgedächtnislegierung ist, der in der Tieftemperaturphase gedehnt wurde und in diesem Zustand die Verschraubung der beiden Bauteile vorgenommen wurde. Bei einer Erhöhung der Temperatur erfolgt eine Phasenumwandlung in der Hochtemperaturphase und ein Zusammenziehen des Schaftes, so dass die beiden Bau teile automatisch aneinander gepresst werden, ohne dass die Schraube – wie im Stand der Technik der Fall – noch weiter angezogen werden muss.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigen
1 eine erfindungsgemäße Schraube in ihrer Tieftemperaturphase,
2 die Schraube aus 1 in ihrer Tieftemperaturphase nach einer Dehnung ihres Schaftes,
3 die gedehnte Schraube der 2 im eingedrehten Zustand mit zwei Bauteilen in ihrer Tieftemperaturphase und
4 die Schraubverbindung der 3 nach einer Temperaturerhöhung und einem Übergang der Schraube in ihre Hochtemperaturphase.
In 1 ist eine Schraube 1 mit einem Schraubenkopf 2 dargestellt, an den sich ein Schaft 3, und im unteren Bereich ein Gewinde 4 anschließen. Die Schraube 1 ist vollständig aus einer Formgedächtnislegierung hergestellt. Als Formgedächtnislegierungen sind eine Vielzahl von Legierungen aus dem Stand der Technik bekannt, beispielsweise NiTi, AgCd, AuCd, CuSn, CuZn, MnCu oder NiMaGa (siehe hierzu beispielsweise DE 10 2004 006 474 A1 und DE 10 2004 020 058 A1 ). Solche Formgedächtnislegierungen weisen gewöhnlich zwei unterschiedliche Temperaturphasen auf, zwischen denen eine Phasenumwandlung stattfindet. Die Hochtemperaturphase wird als Martensit und die Tieftemperaturphase als Austenit bezeichnet. Beim Übergang vom Martensit in das Austenit bzw. in die andere Richtung verändern die Formgedächtnislegierungen ihre Mikrostruktur aufgrund ihrer physikalischen Eigenschaften. Dies kann dafür genutzt werden, um makroskopische Formänderungen zu erzielen. Da dies jedoch aus dem Stand der Technik bekannt ist und die dahinter steckende Physik nicht erfindungswesentlich ist, wird im Folgenden darauf verzichtet, nähere Ausführungen hinsichtlich der physikalischen Zusammenhänge zu machen.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Schraube 1, die im Ausführungsbeispiel vollständig aus einer Formgedächtnislegierung besteht, auch nur in Teilbereichen aus einer solchen Formgedächtnislegierung bestehen kann. Beispielsweise ist es möglich, nur den Schaft 3 in einer Formgedächtnislegierung auszuführen. Dann muss lediglich dafür gesorgt werden, dass eine gute Verbindung zwischen diesem, aus eine Formgedächtnislegierung ausgebildeten Schaft 3 und den beiden an ihn angrenzenden Teilen – der Schraubenkopf 2 und das Gewinde 4 – gewährleistet ist.
In 1 ist die Schraube 1 im Austenit dargestellt, also unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird – wie in 2 dargestellt – die Schraube 1 in ihrer Länge im Austenit gedehnt. Im dargestellten Fall erfolgt die Dehnung lediglich im Bereich des Schaftes 3. Damit wird erreicht, dass das Gewinde 4 seine Eigenschaften nicht ändert und somit keine Probleme beim Einschrauben (siehe unten zu 3 und 4) gegeben sind. Die Längenänderung aufgrund der Dehnung ist in 2 und in den folgenden 3 und 4 überproportional dargestellt, damit der erfindungsgemäße Effekt klarer ersichtlich ist. In der Realität erfolgt die Dehnung des Schaftes 3 so, dass ungefähr eine Längenänderung von 0,2 % der Länge des Schaftes 3 erreicht wird.
In 3 ist die Schraube 1 im Austenit mit einem ersten Bauteil 5 und einem zweiten Bauteil 6 verbunden worden. Dies geschieht in der bekannten, konventionellen Weise dadurch, dass das erste Bauteil 5 eine Durchbrechung 7 hat, die geringfügig größeren Durchmesser als der Schaft 3 der Schraube 1 aufweist, die Schraube 1 mit ihrem Gewinde 4 und dem Schaft 3 durch diese Durchbrechung 7 geschoben wird und in der Flucht unterhalb der Durchbrechung 7 ein zweites Bauteil 6 mit einer Sackbohrung 8 angeordnet ist. Diese Sackbohrung 8 weist ein Innengewinde 9 auf, welches auf das Gewinde 4 der Schraube 1 abgestimmt ist. Durch Drehen des Schraubenkopfs 2 bewegt sich die Schraube 1 in das zweite Bauteil 6 und verbindet somit das zweite Bauteil 6 mit dem ersten Bauteil 5. Die Schraube 1 wird dabei nur so weit angezogen, dass die Bauteile 5, 6 regelmäßig noch nicht vollständig verspannt sind. Dadurch wird die Schraube 1 nicht bela stet. Ein teilweises Anziehen kann so weit erfolgen, dass der Weg, der durch die Verkürzung er Schraube 1 bei der Erwärmung erzielt wird, ausreicht, um eine feste Verbindung der beiden Bauteile 5, 6 zu gewährleisten.
Es ist auch möglich, die Schraube 1 so weit anzuziehen, dass ein plastischer Anzug erfolgt. Dann ist die Gefahr einer Vorschädigung der Schraube 1 zwar größer, aber der unten genannte Vorteil wird erzielt. Die gefügten Bauteile 5, 6 werden dann bei der tiefen Temperatur gelagert, bis sich die Verbindung gesetzt hat. Daran schließt sich die Erwärmung an, bei der sich die Läge der Schraube 1 verkürzt. Somit ist es nicht mehr nötig, die Verbindung nachzuziehen, was einen zusätzlichen Arbeitsschritt entbehrlich macht.
Während des Eindrehens der Schraube 1 in das zweite Bauteil 6 muss dafür gesorgt werden, dass die Temperatur der Schraube 1 nicht über die Phasenumwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung ansteigt. Zwar ist die Schraube 1 auf einer Temperatur unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur gehalten (wie dies schon zu 1 und 2 beschrieben wurde), da es sich jedoch um eine metallische Legierung handelt, weist diese eine gute Wärmeleitfähigkeit auf. Dies bedeutet, dass sie bei Kontakt mit dem ersten Bauteil 5 oder dem zweiten Bauteil 6 – die regelmäßig ebenfalls aus einem Metall sind – sehr schnell deren Temperatur annimmt. Je nachdem, wie viel Zeit für das Eindrehen der Schraube 1 benötigt wird und welche Temperatur die beiden Bauteile 5, 6 aufweisen, könnte es passieren, dass die Schraube 1 noch während des Eindrehens in das Martensit übergeht und schon zu diesem Zeitpunkt ihre Endform annimmt. Dies muss verhindert werden. Unter Umständen ist es deswegen nötig, die beiden Bauteile 5, 6 auf eine niedrige Temperatur zu bringen, die unterhalb der Phasenumwandlungstemperatur der Gedächtnislegierung der Schraube 1 ist.
Nachdem die Schraube 1 mit dem zweiten Bauteil 6 verschraubt wurde, wird sie erwärmt, so dass sie über ihre Phasenumwandlungstemperatur in das Martensit übergeht und aufgrund der Phasenumwandlung eine andere Form annimmt. Im erfindungsgemäßen Fall ist dies eine Verkürzung der Länge in dem Umfang, dass die Dehnung der Schraube im Austenit (siehe 2) wieder rückgängig gemacht wird. Dadurch erfolgt eine axiale Verkürzung des Schaftes 3, was zu ei nem festen Zusammendrücken des ersten Bauteils 5 an das zweite Bauteil 6 führt. Dies ist in 4 dargestellt.
Gegenüber den bekannten Verfahren, bei denen die Schraube 1 aus einem konventionellen Metall ist und teilweise beträchtliche Wege aufgrund großer Drehwinkel innerhalb des Innengewindes 9 zurücklegen muss und darüber hinaus Schwankungen der Vorspannkraft auftreten und ein plastischer Anzug einen Verschleiß des Materials mit sich bringt, liegen bei dem erfindungsgemäßen Verfahren mit der erfindungsgemäßen Schraube eine Reihe von Vorteilen vor: So wird eine Schädigung im Gewindebereich durch große Drehwinkel auf hohem Kraftniveau vermieden. Darüber hinaus erfolgt eine Verringerung der Schwankung der Vorspannkraft, da eine Unabhängigkeit von den Reibungsverhältnissen gegeben ist. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass ein vereinfachter Anzug gegeben ist. Schließlich treten auch keine Torsionsspannungen innerhalb der Schraube 1 auf, sondern lediglich Axialkräfte. Dadurch erhält man eine höhere Belastbarkeit der Schraube 1 bei gleichbleibendem Durchmesser des Schaftes 3. Alternativ kann auch eine Querschnittsreduktion der Schraube 1 erfolgen, wenn eine vorgegebene Belastbarkeit erhalten bleiben soll. Dadurch wird eine Gewichtsersparnis und ein geringerer Platzbedarf erzielt, was zur Möglichkeit kleinerer Schraubenabstände führt.
Diese Vorteile wiegen bei weitem den Nachteil auf, dass die beiden Bauteile 5, 6 während der Montage auf einer Temperatur gehalten werden müssen, die dem Austenit der Schraube 1 entspricht.

Claims

Schraube (1) mit einem Schraubenkopf (2), einem Gewinde (4) und einem diese beiden Abschnitte verbindenden Schaft (3), dadurch gekennzeichnet, dass zumindest der Schaft (3) aus einer Formgedächtnislegierung ist, der in der Tieftemperaturphase gedehnt wurde.
Schraube (1) nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie vollständig aus einer Formgedächtnislegierung besteht.
Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (5) mit einem zweiten Bauteil (6) mittels einer Schraube (1) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das erste Bauteil (5) eine Durchbrechung (7) aufweist, die auf den Schaft (3) der Schraube (1) abgestimmt ist und das zweite Bauteil (6) ein Innengewinde (9) aufweist, das auf das Gewinde (4) der Schraube (1) abgestimmtist, mit folgenden Schritten: Abkühlen der Schraube (1) in ihre Tieftemperaturphase; Dehnen der Schraube (1) in ihrer Tieftemperaturphase; Verbinden der Schraube (1) mit dem ersten Bauteil (5) und dem zweiten Bauteil (6) durch Eindrehen in ihrer Tieftemperaturphase; Erwärmen der Schraube (1) über die Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung mit damit verbundener Verkürzung der Schraube (1) und Verspannung der beiden Bauteile (5, 6).
Verfahren nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung der Schraube (1) nur im Bereich des Schaftes (3) erfolgt.
Verfahren nach Patentanspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (5) und/oder das zweite Bauteil (6) während der Verbindung der Schraube (1) mit diesen Bauteilen (5, 6) eine Temperatur unterhalb der Umwandlungstemperatur der Formgedächtnislegierung aufweist.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Dehnung der Schraube (1) eine Längenänderung von 0,1–0,3 %, insbesondere 0,2 %, der Länge des Schaftes (3) ausmacht.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Eindrehen nur so weit erfolgt, dass die Schraube (1) nicht vollständig angezogen sind.
Verfahren nach einem der Patentansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Eindrehen so weit erfolgt, dass ein plastischer Anzug zwischen Schraubenkopf (2) und Schaft (3) gegeben ist, danach gewartet wird, bis sich die Verbindung gesetzt hat, und erst dann die Erwärmung stattfindet.