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Die
Erfindung betrifft eine Schraubverbindung zwischen wenigstens
- – einem
ersten, eine Bolzendurchführung
aufweisenden Verbindungsbauteil,
- – einem
zweiten, ein Innengewinde aufweisenden Verbindungsbauteil und
- – einem
Schraubbolzen mit einem ein Außengewinde
tragenden Schraubenschaft, und einem Schraubenkopf, dessen radiale
Abmessungen diejenigen des Schraubenschaftes wenigstens bereichsweise überragen,
wobei
ein senkrecht zu dem Schraubenschaft ausgerichtetes, drehfest mit
dem Schraubenschaft verbundenes, flaches Losdrehsicherungselement
vorgesehen ist, das zur Bildung eines eine relative Rotationsbewegung
verhindernden Schlusses mit einem der Verbindungsbauteile bereichsweise
in axialer Richtung plastisch verformt ist.
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Die
Erfindung umfasst weiter ein Verfahren zur Erzeugung einer Schraubverbindung
zwischen wenigstens
- – einem ersten, eine Bolzendurchführung aufweisenden
Verbindungsbauteil,
- – einem
zweiten, ein Innengewinde aufweisenden Verbindungsbauteil und
- – einem
Schraubbolzen mit einem ein Außengewinde
tragenden Schraubenschaft, und einem Schraubenkopf, dessen radiale
Abmessungen diejenigen des Schraubenschaftes wenigstens bereichsweise überragen,
bei
dem der Schraubenschaft durch die Bolzenführung des ersten Verbindungsbauteils
geführt
und sein Außengewinde
mit dem Innengewinde des zweiten Verbindungsbauteils verschraubt
wird bis eine Verspannung der Verbindungsbauteile erreicht ist,
wobei
nach dem Verspannen ein senkrecht zu dem Schraubenschaft ausgerichtetes,
drehfest mit dem Schraubenschaft verbundenes, flaches Losdrehsicherungselement
zur Bildung eines eine relative Rotationsbewegung verhindernden
Schlusses mit einem der Verbindungsbauteile bereichsweise in axialer
Richtung plastisch verformt wird.
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Schraubverbindungen
sind eine bewährte und
vielfach verwendete Methode zur Verbindung zweier oder mehr Bauteile.
Typischerweise wird ein Schraubenschaft eines Schraubbolzens durch
eine Bolzendurchführung
eines ersten Bauteils hindurchgeschoben und mit seinem Außengewinde
in einem Innengewinde eines zweiten Bauteils verschraubt, bis das
erste Bauteil zwischen dem Schraubenkopf des Schraubbolzens und
dem zweiten Bauteil verspannt ist bzw. sind. Auch die Verspannung
mehrerer erste Bauteile ist möglich
und bekannt.
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Die
Dauerhaftigkeit solcher Schraubverbindungen ist ein wesentliches
Sicherheitskriterium für das
entstehende Verbundbauteil. In vielen Fällen befinden sich solche Schraubverbindungen
im Inneren komplexer, sukzessiv aufgebauter Verbundbauteile, sodass
eine regelmäßige oder
bedarfsweise Überprüfung oder
Wartung der Schraubverbindungen nicht möglich ist. Beispiele hierfür sind etwa
mittels Schraubverbindungen drehfest miteinander verbundene, rotierende
Elemente in Kraftfahrzeuggetrieben. Die drehfeste Verbindung wird
im Wesentlichen durch Reibschluss zwischen den rotierenden Elementen
erreicht, wobei zur Aufrechterhaltung des Reibschlusses die durch
die Schraubverbindungen erzeugte Verspannung der Elemente zueinander konstant
auf hohem Niveau gehalten werden muss. Unbeabsichtigtes Lösen der
Schraubverbindungen führt
zu nachlassendem Reibschluss und Entstehung einer Scherbeanspruchung
der Schraubenschäfte, die
schnell zum Bruch führen
kann.
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Zur
Sicherung von Schraubverbindungen sind zahlreiche Prinzipien bekannt.
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Die
deutsche Industrienorm DIN 462 definiert eine gattungsbildende Schraubverbindung
bzw. ein Verfahren zu deren Erzeugung. Das oben genannte zweite
Verbindungsbauteil ist dabei als eine Mutter ausgestaltet, die auf
einen Schraubenschaft aufgeschraubt wird. Der Schraubenschaft weist
eine sich axial erstreckende und das Außengewinde unterbrechende Nut
auf. Zwischen einem ersten Verbindungsbauteil, durch dessen Bolzendurchführung der
Schraubenschaft durchgeführt
ist, und der als zweites Verbindungsbauteil dienenden Mutter ist
ein Sicherungsblech in Form einer Unterlegscheibe angeordnet, wobei
das Sicherungsblech an seinem Innenumfang eine Lasche aufweist,
die formschlüssig in
die Nut des Schraubenschaftes eingreift, sodass der Schraubenschaft
und das Sicherungsblech drehfest miteinander verbunden sind. Durch
Aufschrauben der Mutter auf den Schraubenschaft erfolgt eine Verspannung
des ersten Bauteils und des Sicherungsblechs zwischen dem Schraubenkopf
und der Mutter. Nach erfolgter Verspannung wird ein den Hüllkreis
der Mutter überragender
Bereich des Sicherungsblechs axial abgebogen, sodass er an einer nicht-radialsymmetrischen
Flanke der Mutter anliegt. Hierdurch ist ein Formschluss zwischen
dem drehfest mit dem Schraubenschaft verbundenen Sicherungsblech
und der Mutter gegeben, sodass insgesamt eine Losdrehsicherung der
Schraubverbindung realisiert ist. Nachteilig bei dieser Art der
Sicherung ist zum einen die Notwendigkeit eines zusätzlichen
Bauteils, nämlich
des speziell geformten Sicherungsblechs. Als weiterer Nachteil ist
anzuführen,
dass die Verbindung nur geeignet ist in Fällen, in denen das freie Ende
des Schraubenschaftes zum Aufschrauben einer Mutter frei zugänglich ist.
Schraubverbindungen, bei denen das Innengewinde des zweiten Verbindungsbauteils
in ein Innengewinde einer Sackbohrung eingeschraubt wird, können auf
diese Art nicht gesichert werden.
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Für derartige
Schraubverbindungen eignen sich so genannte Sperrzahnschrauben,
deren Schraubenkopfunterseite eine Sperr- oder Rippenverzahnung
aufweisen, die bei der Verspannung der Verbindungsbauteile einen
Reibschluss mit der Oberfläche
des an dem Schraubenkopf anliegenden, ersten Bauteils eingeht. Eine
spezielle Ausführungsform
einer derartigen Schraube ist aus der
DE 20 2005 000 146 U1 bekannt.
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Aus
der
DE 87 02 329 U1 und
der
DE 37 04 763 C1 sind
Schraubverbindungen bekannt, bei denen die Unterseite des Schraubenkopfes
Höcker oder
Vertiefungen aufweist, die zur Bildung eines Formschlusses mit einem
als anliegendes, erstes Bauteil fungierenden Blech verprägt werden.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine gattungsgemäße Schraubverbindung
derart weiterzubilden, dass eine zuverlässige Losdrehsicherung auch
in Fällen
erreicht werden kann, in denen das dem Schraubenkopf gegenüberliegende Ende
des Schraubenschaftes nicht zugänglich
ist.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 1 dadurch gelöst,
dass das Losdrehsicherungselement einstückig mit dem Schraubenkopf
ausgebildet ist und das erste Verbindungsbauteil im Bereich des Hüllkreises
des Losdrehsicherungselementes eine Absenkung aufweist, in die das
verformte Losdrehsicherungselement zur Bildung des Schlusses bereichsweise
eingreift.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein gattungsgemäßes Verfahren
derart weiterzubilden, dass es auch in Fällen anwendbar ist, in denen
das dem Schraubenkopf gegenüberliegende
Ende des Schraubenschaftes nicht zugänglich ist.
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Diese
Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von
Anspruch 5 dadurch gelöst,
dass das Losdrehsicherungselement einstückig mit dem Schraubenkopf
ausgebildet ist und das erste Verbindungsbauteil im Bereich des Hüllkreises
des Losdrehsicherungselementes eine Absenkung aufweist, in die das
verformte Losdrehsicherungselement zur Bildung des Schlusses bereichsweise
eingreift.
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Günstige Ausführungsformen
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Nachfolgend
sollen die einzelnen Aspekte der erfindungsgemäßen Schraubverbindung und des erfindungsgemäßen Verfahrens
gemeinsam diskutiert werden.
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Ein
wesentliches Merkmal der Erfindung ist es, dass das Losdrehsicherungselement
im Gegensatz zum Stand der Technik kein separates Teil ist, sondern
einstückig
mit dem Schraubenkopf ausgebildet ist. Dies kann beispielsweise
durch einen Ringflansch realisiert sein, der mit der Unterseite
eines ansonsten herkömmlichen
Sechskant-Schraubenkopfes verbunden ist. Bei anderen Ausführungsformen
kann auch der Rand des Schraubenkopfes selbst, der hierbei besonders
flach ausgeführt
ist, als Losdrehsicherungselement fungieren. Man beachte, dass eine
radialsymmetrische Ausgestaltung des Losdrehsicherungselementes
zwar in vielen Fällen vorteilhaft,
jedoch für
die Erfindung nicht zwingend erforderlich ist.
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Ein
weiteres wesentliches Merkmal der Erfindung ist die Ausgestaltung
des bzw. eines ersten Verbindungsbauteils. In der Regel wird dies
dasjenige erste Verbindungsbauteil sein, das dem Schraubenkopf zunächst angeordnet
ist und an dessen Unterseite, d. h. im Wesentlichen der Unterseite
des Losdrehsicherungselementes, anliegt. Dieses erste Verbindungsbauteil
weist innerhalb des Hüllkreises
des Losdrehsicherungselementes wenigstens eine Absenkung auf. Dies
heißt
mit anderen Worten, dass das Losdrehsicherungselement über einen
von der Absenkung gebildeten Absatz in dem ersten Verbindungsbauteil
hinausragt. Erfindungsgemäß wird zur Sicherung
der Schraubverbindung nach dem Verspannung das Losdrehsicherungselement
in diesem überstehenden
Bereich abgebogen, sodass es in die Absenkung eingreift und mit
deren Flanke einen Schluss eingeht. Dieser Schluss ist vorzugsweise
ein Formschluss, was allerdings voraussetzt, dass die Absenkung
in dem ersten Verbindungsbauteil bezüglich der Schraubenachse nicht
radialsymmetrisch ausgestaltet ist. Alternativ oder zusätzlich kann
auch ein Kraft- oder Reibschluss realisiert werden, indem die Abbiegung
des Losdrehsicherungselementes mit einem geeignet hohen Kraftaufwand
erfolgt. Auf diese Weise wird eine losdrehgesicherte Schraubverbindung
realisiert, bei der eine Zugänglichkeit
des dem Schraubenkopf gegenüberliegenden
Endes des Schraubenschaftes unerheblich ist. Aufgrund des vorzugsweise
realisierten Formschlusses ist die Erfindung auch in Fällen geeignet,
in denen aufgrund von Kriecheigenschaften nicht-hochfester Materialien
auch sperrverzahnte Schraubenköpfe
keine dauerhafte Stabilität
der Schraubverbindung garantieren können, insbesondere in thermisch
und mechanisch hochbelastenden Umgebungen, wie etwa im inneren eines
Kraftfahrzeuggetriebes.
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Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,
dass der Schraubenschaft im Bereich des Ansatzes des Innengewindes
eine absatzförmige
oder konische Verbreiterung aufweist, wobei der Anschnitt des Innengewindes
beim Verspannen der Verbindungsbauteile durch diese Verbreiterung
deformiert wird. Dies setzt selbstverständlich eine Konzeption des
Schraubenschaftes in Abstimmung auf die Dimensionen der zu verbindenden Verbindungsbauteile
voraus. In der Regel wird die Ausführungsform mit konischer Verbreiterung
des Schraubenschaftes bevorzugt, da diese zu größeren Toleranzen gegenüber Fertigungsungenauigkeiten führt. Bei
Verwendung einer absatzförmigen
Verbreiterung ergeben sich zwei Anschläge, nämlich an dem Absatz und dem
Schraubenkopf, die sehr genau auf die Dicke des ersten Verbindungsbauteils
abgestimmt sein müssen.
In jedem Fall ergibt sich durch die Deformation des Anschnitts des
Innengewindes im Bereich der Verbreiterung ein zusätzlicher
Reibschluss, der eine zusätzliche
Sicherungswirkung für die
Schraubverbindung erzielt.
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In
der Regel werden ein erstes und ein zweites Verbindungsbauteil mit
einer Mehrzahl von Schraubverbindungen miteinander verspannt. Bei
einer vorteilhaften Weiterbildung des Verfahrens ist daher vorgesehen,
dass zunächst
bei dieser Mehrzahl von Schraubverbindungen der Verspannungsschritt durchgeführt wird.
Anschließend
können
mit einem geeigneten Prägewerkzeug,
das eine Mehrzahl oder vorzugsweise alle Schraubenverbindungen erfasst, deren
Losdrehsicherungselemente gleichzeitig in einem gemeinsamen Verformungsschritt
erfindungsgemäß verformt
werden. Somit ist zur Sicherung einer großen Anzahl von Schraubverbindungen
nur ein einziger Werkzeughub erforderlich.
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Dabei
ist es besonders günstig,
wenn die Bolzendurchführungen
der Schraubverbindungen in einem Ringwall auf der Oberfläche des
ersten Verbindungsbauteils angeordnet sind. Ein solcher Ringwall ist
auf einem als Drehteil hergestellten ersten Verbindungsbauteil leicht
auszubilden. Seine Flanken bilden zwei Absenkungen in die hinein
der erfindungsgemäße Bördelvorgang
erfolgt. Ein entsprechendes Bördelwerkzeug,
das sämtliche
auf dem Ringwall angeordnete Schraubverbindungen mit einem Hub erfasst,
kann bei dieser Ausgestaltung ebenfalls als einfaches, z. B. glockenförmiges Drehteil
hergestellt werden.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den beigefügten Zeichnungen.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Schraubverbindung.
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2 eine
Detaildarstellung des in 1 mit II gekennzeichneten Bereichs.
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3 eine
weitere Detaildarstellung analog 2 gemäß einer
zweiten Ausführungsform
der Erfindung.
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4 eine
Detaildarstellung des Gewindedeformationsbereichs zweier weiterer
Ausführungsformen
der Erfindung.
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1 zeigt
eine Schnittdarstellung durch eine erfindungsgemäße Schraubverbindung 10.
Bei der gezeigten Ausführungsform
weist die Schraubverbindung 10 im Wesentlichen drei Elemente
auf, nämlich
ein erstes Verbindungsbauteil 12 mit einer Bolzendurchführung 122,
ein zweites Verbindungsbauteil 14 mit einem Innengewinde 142 und
eine Schraube, umfassend einen Schraubenschaft 16 mit Außengewinde 162,
und einen Schraubenkopf 18, umfassend eine Schraubenkopfkrone 182 und
ein einstückig
mit der Schraubenkopfkrone 182 ausgebildetes Losdrehsicherungselement 184.
Die Schraubverbindung 10 dient zur dauerhaften Verspannung des
ersten Verbindungsbauteils 12 mit dem zweiten Verbindungsbauteil 14,
wobei bei der gezeigten Ausführungsform
das erste Verbindungsbauteil 12 ein Wellenflansch und das
zweite Verbindungsbauteil 14 ein Kegelrad eines Automobilgetriebes
ist. Selbstverständlich
ist die vorliegende Erfindung jedoch nicht auf die Verbindung von
Elementen in Automobilgetrieben beschränkt.
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2 zeigt
in vergrößerter Darstellung
ein Detail, das in 1 mit dem strichpunktierten
Kreis II markiert ist. Deutlich erkennbar in 2 ist eine
Absenkung 20, im Bereich der Anlagefläche des ersten Verbindungsbauteils 12 mit
der Unterseite des Schraubenkopfes 18, d. h. insbesondere
mit dem Losdrehsicherungselement 184. Die Ränder 186 des Losdrehsicherungselementes 184 sind
abgewinkelt und liegen an den Flanken der Absenkung 20 an.
In dem bevorzugten Fall, dass die Absenkung 20 bzgl. der
Schraubenachse keine Radialsymmetrie aufweist, wird hierdurch ein
Formschluss erzeugt, der die Schraube gegen unbeabsichtigtes Losdrehen
sichert. Mit dem Bezugszeichen 186' sind die Ränder des Losdrehsicherungselementes 184 in
einer Stellung vor ihrem Abwinkeln gestrichelt dargestellt. Nach
dem Verspannen der Verbindungsbauteile ragt das Losdrehsicherungselement 184 mit
seinen Rändern 186', deren größte Abmessung
den Hüllkreis des
Losdrehsicherungselementes definieren, über die Flanken der Absenkung 20 hinaus.
Erst in einem nachfolgenden Verformungsschritt wird die erfindungsgemäße Verdrehsicherung
realisiert.
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3 zeigt
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung in einer Darstellung ähnlich 2. Bei der Ausführungsform
von 3 sind die Absenkungen 20 als Sackbohrungen
in der Oberfläche
des ersten Verbindungsbauteils 12 ausgebildet. Andere Arten von
Absenkungen, beispielsweise Fräsnuten
oder ähnliches
können
selbstverständlich
ebenfalls eingesetzt werden.
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Nicht
erkennbar in den 1 bis 3, die Schnittdarstellungen
zeigen, ist die spezielle Umfangsgestaltung des Losdrehsicherungselementes 184 mit
seinen Rändern 186, 186'. Denkbar ist
sowohl eine tellerartige Ausführung,
wie auch ein gezahnter oder mit Laschen versehener Rand 186, 186', wobei die
Zähne oder
Laschen symmetrisch oder unsymmetrische über den Umfang verteilt sein können.
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4 zeigt
zwei besonders vorteilhafte Ausgestaltungen des Schraubenschaftes 16,
die zu einer zusätzlichen
Verdrehsicherung der Schraubverbindung 10 führen können. Die
besonders beachtenswerten Bereiche von 4 sind mit
den strichpunktierten Kreisen A und B gekennzeichnet. Bei der Variante
gemäß Detail
A weist der Schraubenschaft 116 im Bereich des Anschnitts
des Innengewindes 142 des zweiten Verbindungsbauteils 14 einen
schulterartigen Absatz 164 auf. Bei geeigneter Abstimmung der
relevanten Dimensionen wird der Anschnitt des Gewindes 142 bei
der Verspannung der Verbindungsbauteile 12 und 14 beim
Vortrieb des Schraubenschaftes 16 deformiert, sodass an
dieser Stelle ein zusätzlicher
Reibschluss entsteht, der eine Losdrehsicherungswirkung hat.
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Bei
der Ausführungsform
gemäß Detail
B weist der Schraubenschaft 16 anstelle des schulterartigen
Absatzes 164 eine konische Verbreiterung 168 auf.
Diese Ausführungsform
hat grundsätzlich die
gleiche Wirkung wie die zuvor geschilderte; sie weist jedoch den
Vorteil auf, dass sie auch bei größeren Fertigungstoleranzen
wirksam ist und insbesondere einen Anschlag im Bereich der Verbreiterung vermeidet,
der einem hinreichend festen Verspannen der Verbindungsbauteile 12 und 14 entgegenwirken könnte.
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Natürlich stellen
die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren
gezeigten Ausführungsformen
nur illustrative Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hier
offenbarten Lehre ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten
anhand gegeben. Insbesondere können
die Materialien und Dimensionen der einzelnen Elemente an die konkrete Anwendung
angepasst werden.
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- 10
- Schraubverbindung
- 12
- erstes
Verbindungsbauteil
- 122
- Bolzendurchführung von 12
- 14
- zweites
Verbindungsbauteil
- 142
- Innengewinde
von 14
- 16
- Schraubenschaft
- 162
- Außengewinde
von 16
- 164
- absatzförmige Verbreiterung
von 16
- 168
- konische
Verbreiterung von 16
- 18
- Schraubenkopf
- 182
- Schraubenkopf
- 184
- Losdrehsicherungselement
- 186
- abgebogener
Rand von 184
- 186
- nicht
abgebogener Rand von 184