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Die
Erfindung betrifft ein Verbindungselement mit einer Schraube und
einer Gewindemutter zum Verbinden zweier oder mehrerer Bauteile
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Im
Fahrzeugbau werden vielfältig
Schraubverbindungen bestehend aus einer Schraube bzw. einem Bolzen
und einer Gewindemutter eingesetzt. Das Montieren solcher Schraubverbindungen
und Verspannen auf einen vorgegebenen Wert (sog. „Anziehen") erfolgte herkömmlicherweise
drehmoment-gesteuert. Inzwischen wird das Anziehen der Schraubverbindungen
verstärkt
drehmoment-drehwinkel-gesteuert durchgeführt, da dabei das Vorspannkraftpotential
der Schraubverbindung deutlich (im Mittel um 40% bis 60%) höher ausgeschöpft werden
kann. Dadurch lassen sich ca. 30% bis 40% der Verschraubungselemente
einsparen.
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In
vielen Einsatzgebieten von Schraubverbindungen im Fahrzeugbereich,
insbesondere bei der Montage von Nutzfahrzeugen, wird aufgrund der hohen
Variantenvielfalt eine hohe Flexibilität gefordert, die mit stationären Verschraubungswerkzeugen nicht
realisiert werden kann. Daher kommen in großem Maße handgehaltene, flexible
Schraubaggregate zum Einsatz, die an verschiedenen Verschraubungsstellen
verwendet werden. Aufgrund der hohen Zahl unterschiedlicher Schraubverbindungen
ist es vielfach nicht möglich
(oder nicht praktikabel), eine eindeutige Zuordnung zwischen dem
Schraubaggregat und dem Schraubfall vorzunehmen. Somit fehlen spezifische
Vorschriften, die auf den konkreten lokalen Schraubfall im Fahrzeug
abgestimmt sind. Ferner besteht im Falle einer manuellen Nacharbeit
sowie bei Reparaturen im Servicebereich die Forderung nach einer
einheitlichen Anziehvorschrift (beispielsweise bestehend aus einem
definierten Voranzugs-Drehmoment gefolgt von einem Drehwinkel von 90°) für jede Schraubendimension,
um das Risiko einer Vorschriftenverwechslung auszuschließen. Das hat
zur Folge, dass für
jede Schraubendimension pauschal eine einzige Anziehvorschrift verwendet werden
soll, die dann sämtliche
Schraubfälle
abdecken muss.
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Bei
Verwendung herkömmlicher
Schrauben und Gewindemuttern und bei Anwendung einer solchen kombinierten
Drehmoment-Drehwinkel-Anziehvorschrift
können
dann – je
nach Schraubfall – zwei Extremfälle auftreten:
Der
erste Extremfall, die „zu
weiche Verschraubung", tritt
dann auf, wenn die verspannten Teile in Summe eine zu hohe Nachgiebigkeit
aufweisen bzw. wenn die Schraubenklemmlänge zu lang ist. In diesem
Fall besteht die Gefahr, dass die beim Anziehen erzeugte Vorspannkraft
nicht ausreicht, um die Funktion der Schraubverbindung sicherzustellen,
so dass die Verbindung den auftretenden Betriebskräften eventuell nicht
standhält.
In einem zweiten Extremfall liegt eine „zu kurze Schraubenklemmlänge" vor. Dann besteht die
Gefahr, dass die Schraube übermontiert
wird. Um beim Einsatz einer pauschalen kombinierten Drehmoment-Drehwinkel-Anziehvorschrift
das Auftreten dieser Extremfälle
zu vermeiden, ist darauf zu achten, dass einerseits eine ausreichend
hohe Vorspannkraft ausgeübt
wird und andererseits die Schraubenklemmlänge ein vorgegebenes Mindestmaß nicht
unterschreitet. Soll nun ein- und
dieselbe pauschale Drehmoment-Drehwinkel-Anziehvorschrift für unterschiedliche
Schraubverbindungen eingesetzt werden, so müssen konstruktive Maßnahmen
getroffen werden, um ein Mindestmaß der Schraubenklemmlänge sicherzustellen.
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Dies
kann beispielsweise erreicht werden, indem – je nach Schraubverbindung – eine bzw.
mehrere Unterlegscheiben oder -buchsen verwendet werden. Dies erfordert
jedoch das Bereitstellen und den Einbau weiterer Bauteile, was einen
zusätzlichen Aufwand
bei der Montage mit sich bringt und Kosten verursacht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein eine Schraube und eine
Gewindemutter umfassendes Verbindungselement vorzuschlagen, das
den Einsatz ein- und derselben pauschalen Drehmoment-Drehwinkel-Anziehvorschrift
für unterschiedliche
Einsatzfälle
ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die
Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Danach
weist die Gewindemutter in einem der Auflagefläche benachbarten Aussparungsbereich
einen Durchmesser auf, der größer ist
als der Gewindegrund des an den Aussparungsbereich angrenzenden
Gewindes. Dieser Aussparungsbereich hat zur Folge, dass in Zusammenbaulage
der Gewindemutter mit der Schraube und den zu verbindenden Bauteilen
die Schraubenklemmlänge
erhöht
wird, da – im
Unterschied zu konventionellen Gewindemuttern – der eigentliche Gewindebeginn
der Gewindemutter nicht im Bereich der Auflagefläche liegt, sondern in das Innere
der Gewindemutter versetzt ist. Auf diese Weise kann die Problematik
einer zu geringen Schraubenklemmlänge überwunden werden. Der Aussparungsbereich
umfasst typischerweise 2–5 Gewindegänge.
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Da
der eigentliche Gewindebeginn der Gewindemutter im Inneren der Mutter
liegt, muss die Gesamthöhe
der Gewindemutter um die Höhe
des Aussparungsbereichs vergrößert werden,
um die geforderte Mindesttragfähigkeit
des Gewindes im verspannten Zustand sicherzustellen und zu vermeiden, dass
die Gewindeflanken bei entsprechend hoher Belastung versagen und
abstreifen. Eine solche Vergrößerung der
Gewindemutterhöhe
führt allerdings zu
einer Vergrößerung der
Masse der Gewindemutter, die zu Mehrkosten und Zusatzgewicht bei
den durch die Schraubverbindung verbundenen Bauteilen führt. Um
die Masse der Gewindemutter möglichst
gering zu halten, ist es vorteilhaft, das der Auflagefläche entgegengesetzte
Ende der Gewindemutter möglichst
schlank zu gestalten, wobei allerdings die Mindesttragfähigkeit
des Gewindes im verspannten Zustand sichergestellt sein muss. Daher
wird dieses Ende als wandstärkenreduzierter
Gewindebereich ausgestaltet, dessen mittlere Wandstärke kleiner
ist als die mittlere Wandstärke
eines zwischen Auflagefläche
und wandstärkenreduziertem
Gewindebereich angeordneten Werkzeugangriffsbereichs. Der Quotient
aus dem mittleren Außendurchmesser des
wandstärkenreduzierten
Gewindebereichs und dem Nenndurchmesser des Mutterngewindes liegt vorteilhafterweise
zwischen 120% und 150%. Die Höhe
des wandstärkenreduzierten
Gewindebereichs liegt vorteilhafterweise zwischen 25% und 50% der Gesamthöhe der Gewindemutter.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der wandstärkenreduzierte
Gewindebereich als Ringbereich mit einer näherungsweise zylindersymmetrischen
Außenkontur
ausgestaltet. Der wandstärkenreduzierte
Gewindebereich kann jedoch auch die Außenkontur eines regelmäßigen Vielecks
oder eine beliebige andere Außenkontur
haben.
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Die
rechnerische Auslegung der Tragfähigkeit
des Mutterngewindes erfolgt beispielsweise mit Hilfe der sog. „Alexander-Formeln" (hierzu z.B. E.A. Alexander: "Analysis and design
of threaded assemblies".
Int. Automotive Engineering Congress and Exposition, Detroit. 1977
Rep.-Nr. 770420).
Folgt man dieser Rechnung, die von einer näherungsweise gleichen Lastverteilung
in allen Gewindeflanken ausgeht, müsste die Tragfähigkeit
einer Gewindemutter mit der erfindungsgemäßen Aussparung gepaart mit dem
wandstärkenreduzierten
Gewindebereich reduziert sein, da der wandstärkenreduzierte Gewindebereichs
eine deutlich geringere Wandstärke
aufweist als bei der konventionellen Gestaltung. Überraschenderweise
haben experimentelle Untersuchungen jedoch gezeigt, dass durch eine
solche Gestaltung der Gewindemutter die Tragfähigkeit sogar noch erhöht werden
kann. Die Ursache hierfür
könnte
darin zu finden sein, dass die den Alexander-Formeln zugrunde liegende
Annahme einer linearen Lastverteilung der Gewindeflanken die Realität nur unzureichend
beschreibt. Es ist vielmehr zu vermuten, dass unter Zugbeanspruchung
im verschraubten Zustand die der Auflagefläche am nächsten liegenden Gewindegänge am meisten
beansprucht werden. Dadurch hat die Gewindemutter in diesem Bereich
die Tendenz, sich geringfügig
aufzuweiten. Die verminderte Wandstärke des am gegenüberliegenden
Ende der Gewindemutter befindlichen wandstärkenreduzierten Gewindebereichs
könnte
zur Folge haben, dass die Gewindemutter tendenziell dort eine Gegenbewegung vollziehen
kann, die die Tragfähigkeit
letztlich in Summe begünstigt.
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Die
Gewindemutter zeichnet sich vorteilhafterweise ferner dadurch aus,
dass sie im Vergleich zu herkömmlichen
Flansch-Gewindemuttern
eine reduzierte Auflagefläche
infolge eines reduzierten Auflageaußendurchmessers aufweist. Dies
ist u.a. aus zwei Gründen
sinnvoll: Zum einen haben experimentelle Untersuchungen gezeigt,
dass die als Auflagepartner dienenden verspannten Bauteile, insbesondere
wenn als Werkstoff ein Baustahl verwendet wird, einer deutlich höheren Grenzflächenpressung standhalten
als die konventionelle theoretische Auslegung vorgibt, die den Zugfestigkeitswert
als Grenzflächenpressung
zugrunde legt (vgl. VDI-Richtlinie 2230 2/03). Zum anderen reduziert
der im Außendurchmesser
verkleinerte Auflagebereich ein mögliches Kippmoment, falls die
Zugkraft des Schraubenbolzens nicht genau senkrecht zur Auflageebene
des Bauteils wirksam ist. Ein Kippmoment erzeugt wiederum eine Kippkraft
in den obersten und untersten Gewindegängen, was beim Anziehen der
Schraubverbindung eine unerwünschte
Steigerung des Gewindereibbeiwertes bewirken kann, so dass die erzeugte
Vorspannkraft zu niedrig ist, um die Funktion der Schraubverbindung
sicherzustellen. Im unerfreulichsten Fall führt dies zum so genannten „Gewindefressen". Ein reduziert gestalteter
Auflageaußendurchmesser
begünstigt
daher das Reibverhalten der ineinander greifenden Gewindeflanken,
insbesondere in Kombination mit einer zusätzlich höheren Gewindeausführung. Der
Quotient aus dem Außendurchmesser
der Auflagefläche
und dem Nenndurchmesser des Innengewindes liegt vorteilhafterweise zwischen
150% und 190%.
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Im
Folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten
Ausführungsbeispiels
näher erläutert. Dabei
zeigen
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1 eine
schematische Schnittdarstellung zweier mit Hilfe von Schraube-Mutter-Verbindungselementen
Bauteile;
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2 zwei
perspektivische Darstellungen einer Gewindemutter mit Aussparungsbereich
im Bereich der Auflagefläche
und wandstärkenreduziertem Gewindebereich.
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1a zeigt eine schematische Schnittdarstellung
zweier Bauteile 1, 2, die mit Hilfe von Verbindungselementen 3, 3' bestehend aus
Gewindemuttern 4, 4' und
Schrauben 5 verbunden sind. Die Gewindemuttern 4, 4' liegen mit
Auflageflächen 8, 8' auf dem Bauteil 1 auf
und weisen zentrale Bohrungen 6', 6 auf, an deren Innenflächen Gewinde 7, 7' ausgestaltet
sind. Unter „Bohrung" 6', 6 soll
im Zusammenhang dieser Anmeldung eine beliebige zylindersymmetrische
Aussparung in der Gewindemutter 4, 4' verstanden
werden. Die ringförmige
Auflagefläche 8 der
Gewindemutter 4 hat einen Außendurchmesser 18,
der vorteilhafterweise zwischen 165% und 175% des Nenndurchmessers
des Innengewindes 7 liegt. Die Auflagefläche 8 erstreckt
sich also nicht bis zum Außendurchmesser 20 des
Bunds 19 und ist daher gegenüber der Auflagefläche 8' der Gewindemutter 4' reduziert.
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Am
Außenumfang
der Gewindemutter 4, 4' ist eine Werkzeugangriffsfläche 9, 9' zum Ansetzen eines
Montagewerkzeugs, beispielsweise eines Schraubaggregats, vorgesehen.
Im vorliegenden Beispiel ist diese Angriffsfläche 9, 9' durch einen Sechskant
gebildet; sie kann aber auch eine andere Kantenzahl bzw. eine andere
Gestalt haben.
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Zu
dem mit dem Bezugszeichen 3' bezeichneten
herkömmlichen
Verbindungselement gehört eine
Gewindemutter 4' mit
einem Gewinde 7',
das unmittelbar an die Auflagefläche 8' anschließt und die
gesamte Höhe
H' der Gewindemutter 4' überspannt.
Die Schraubenklemmlänge
L' entspricht in diesem
Fall der kombinierten Blechdicken der beiden Bleche 1, 2.
Wird bei der Montage dieses Verbindungselements 3' – unabhängig von
dem konkreten Schraubfall und somit auch unabhängig von der Materialstärke der
Bleche 1, 2 – eine
pauschale Drehmoment-Drehwinkel-Anziehvorschrift verwendet, so kann
dies bei dünnen
Blechen 1, 2 zu einer zu harten Verschraubung
mit zu kurzer Klemmlänge
L' führen; dies
kann im Extremfall eine Übermontage
der Schraubverbindung zur Folge haben.
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Dies
wird bei dem mit dem Bezugszeichen 3 bezeichneten erfindungsgemäßen Verbindungselement
vermieden: Die hier zum Einsatz kommende Gewindemutter 4 weist
in einem der Auflagefläche 8 benachbarten
Aussparungsbereich 11 einen Durchmesser 12 auf,
der größer ist
als der Gewindegrund des an den Aussparungsbereich 11 anschließenden Gewindes 7.
Der Aussparungsbereich 11 hat vorzugsweise eine Höhe ΔL von 2–5 Gewindegängen. Durch
den Aussparungsbereich 11 wird – verglichen mit dem herkömmlichen
Verbindungselement 3' – die Klemmlänge L auf
den Wert L = L' + ΔL erhöht. Dadurch
wird die Gefahr einer zu kurzen Klemmlänge des Verbindungselements 3 reduziert. – Um gleichzeitig
die geforderte Mindesttragfähigkeit
der Gewindemutter 4 im verspannten Zustand sicherzustellen, muss
das Gewinde 7 der erfindungsgemäßen Gewindemutter 4 mindestens
ebenso lang sein wie das Gewinde 7' der herkömmlichen Gewindemutter 4', das die gesamte
Höhe H' überspannt; dies entspricht einer
Gesamthöhe
H der Gewindemutter 4 von H ≥ H' + ΔL.
Die damit verbundene Vergrößerung der
Masse der Gewindemutter 4 kann reduziert werden, wenn der
Werkzeugangriffsbereich 9 nicht die gesamte Höhe H der
Gewindemutter 4 überspannt, sondern
wenn die Gewindemutter 4 an dem der Auflagefläche 8 gegenüberliegenden
Ende 10 mit einem wandstärkenreduzierten Gewindebereich 13 versehen
ist, dessen gemittelte Wandstärke 14 kleiner
ist als die gemittelte Wandstärke 15 des
zwischen Auflagefläche 8 und
wandstärkenreduziertem
Gewindebereich 13 angeordneten Werkzeugangriffsbereichs 9.
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2 zeigt
zwei perspektivische Ansichten der Gewindemutter 4. In
dieser bevorzugten Ausgestaltung ist der wandstärkenreduzierte Gewindebereich 13 ein
Ringbereich mit einer näherungsweise zylindersymmetrischen
Außenkontur.
Der als Ringbereich ausgestaltete wandstärkenreduzierte Gewindebereich 13 weist
eine Höhe 16 auf,
die vorzugsweise zwischen 25% und 50% der Gesamthöhe H der Gewindemutter 4 liegt.
Der Quotient aus dem mittleren Außendurchmesser 17 des
Ringbereichs 13 und dem Nenndurchmesser des Innengewindes 7 der Gewindemutter 4 beträgt vorzugsweise
zwischen 130% und 140%.
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In
der in 2 gezeigten Ausgestaltung der Gewindemutter 4 ist
die Wandstärke 14 und
der Außendurchmesser 17 des
wandreduzierten Gewindebereichs 13 überall etwa gleich groß. Allerdings
kann die Gewindemutter 4 auch in einer solchen Weise ausgestaltet
sein, dass die Wandstärke 14 über den Umfang
hinweg variiert (z.B. wenn die Außenkontur des wandreduzierten
Gewindebereichs 13 als Vieleck ausgebildet ist) und/oder über die
Höhe 16 hinweg
variiert (z.B. wenn die Außenkontur
des wandreduzierten Gewindebereichs 13 eine konische Form hat,
oder wenn im oberen Bereich des wandreduzierten Gewindebereichs 13 Aussparungen
vorgesehen sind). In diesem Fall soll unter der „mittleren Wandstärke" 14 eine über den
Umfang und/oder über
die Höhe 16 des
wandstärkenreduzierten
Gewindebereichs 13 gemittelte Wandstärke verstanden werden. Ebenso
soll in diesem Fall unter dem „mittleren
Außendurchmesser" 17 ein über den
Umfang und/oder über
die Höhe 16 des
wandstärkenreduzierten Gewindebereichs 13 gemittelter
Außendurchmesser verstanden
werden.
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Die
Gewindemutter 4 ist vorteilhafterweise derart ausgelegt,
dass eine streckgrenzenüberschreitende
Montage möglich
bzw. noch zulässig
ist, um größere Reserven
in Richtung des oben beschriebenen zweiten Extremfalls (einer tendenziell
zu kurzen Schraubenklemmlänge)
ausschöpfen
zu können.