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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschrauben zweier Bauteile
mittels eines mit zwei, ein Differenzialgewinde bildenden Gewinden
versehenen Schraubbolzens.
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Das
Verschrauben zweier Bauteile mittels eines mit einem Differenzialgewinde
versehenen Schraubbolzens ist bekannt. Beispielsweise wird in der
EP 1 065 393 B1 vorgeschlagen,
Gewinde unterschiedlicher Drehrichtung und/oder unterschiedlicher Ganghöhe zu verwenden,
um verschiedene Bauteile miteinander zu verbinden. Insbesondere
bei Pleuelverschraubungen, also bei Verschraubungen von Pleueln
mit einem Pleueldeckel um einen Kurbelbetrieb einer Kurbelwelle,
ist zur Zeit noch üblich,
einfache Pleuelverschraubungen mittels zweier Pleuelschrauben, die
in die Streckgrenze angezogen werden, zu verwenden. Dies hat zur
Folge, dass das Pleuel mit entsprechender Auflagefläche für den Schraubenkopf
ausgeführt
werden muss, oder diese Auflagenfläche an dem Pleueldeckel ausgeführt werden
muss. Dies verursacht unnötiges
Mehrgewicht und hat zur Folge, dass im Bereich des Überganges von
der Deckelgeometrie in den Schraubenauflagebereich ein ungünstiger
Steifigkeitssprung besteht. Um dies zu vermeiden, können Schraubbolzen
mit Differenzialgewinde verwendet werden. Diese verwenden keine
Schraubenauflagefläche
mehr, sondern werden in Innengewinden in den zu verschraubenden
Bauteilen geführt,
wobei diese beiden Gewinde jeweils andere Steigungen aufweisen,
dergestalt, dass ein Dehnen des Schraubbolzens stattfindet und die
beiden zu verschraubenden Bauteile gegeneinander gezogen und verspannt
werden. Die bislang über
die Auflagefläche
vorgenommene Abstützung
wird hierdurch von den Innengewinden übernommen. Im Stand der Technik
sind indes keine Verfahren bekannt, die eine vorteilhafte, definierte Verschraubung
mittels Differenzialgewinden vorschlagen. Insbesondere ist im Stand
der Technik kein Verfahren bekannt, das die erforderliche Einschraubtiefe
beider Gewinde vor dem Verspannen ohne erhöhtes Flankenspiel und geringe
Steigungsdifferenz sicherstellt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Verfahren zum Verschrauben zweier Bauteile
mittels eines Differenzialgewinde aufweisenden Bolzens bereitzustellen,
das diese Nachteile vermeidet und eine vorteilhafte, zuverlässige und
definierte Verschraubung gestattet.
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Hierzu
wird ein Verfahren zum Verschrauben zweier Bauteile mittels eines
mit zwei, ein Differenzialgewinde bildenden Gewinden versehenen Schraubbolzens
vorgeschlagen, wobei die beiden Bauteile mit zu den Gewinden zugehörigen Innengewinden
versehen sind. Es ist vorgesehen, dass für ein Anziehen des Schraubbolzens
die beiden Bauteile zu Beginn des Eingriffs beider Gewinde einen
vorgegebenen Abstand Y zueinander aufweisen. Die beiden zu verschraubenden
Bauteile werden folglich zu Beginn der Verschraubung, also dann,
wenn in beiden Gewinden der Eingriff beginnt, mit einem Abstand
von Y zu einander gehalten und liegen sich nicht, wie im Stand der
Technik üblich,
in Berührlage gegenüber.
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In
einer weiteren Verfahrensausgestaltung ist vorgesehen, dass für ein Anziehen
des Schraubbolzens in seine Streckgrenze die beiden Bauteile zu Beginn
des Eingriffes beider Gewinde einen Abstand von Y = (U·X) – K aufweisen,
wobei U die Anzahl der Schraubbolzenumdrehungen ist, um eine vorgegebene
Einschraubtiefe zu erreichen, X die Steigungsdifferenz der beiden
Gewinde angibt und K den Weg angibt, um den Schraubbolzen in seine
Streckgrenze zu ziehen. Mit Streckgrenze ist hierbei eine solche Zugspannung
durch momentfreie axiale Kraftbeaufschlagung des Schraubbolzens
gemeint, bei deren Erreichen keine elastische Rückverformung mehr stattfindet,
sondern die plastische Verformung des Schraubbolzens beginnt. Sie
gibt also die Zugspannung an, ab der bei zunehmender Zugkraft die
Dehnung überproportional
zuzunehmen beginnt. Nach Entlastung bleibt eine plastische Dehnung
erhalten. Diese
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In
einer weiteren Ausgestaltung des Verfahrens ist vorgesehen, dass
zur Vermeidung der Erreichung der Streckgrenze des Schraubbolzens
K = 0 ist. Der Schraubbolzen wird demzufolge nicht so weit gedehnt,
dass seine Streckgrenze erreicht wird, sondern es verbleibt bei
einer nur elastischen Dehnung des Schraubbolzens durch die während der
Verschraubung der Differenzialgewinde axial wirkenden Kräfte.
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In
einer Ausgestaltung des Verfahrens ergibt sich die Steigungsdifferenz
aus der Beziehung X = P1 – P2,
wobei X > 0 ist, P1
die Steigung des dem einen Bauteil zugeordneten Gewindes beziehungsweise
Innengewindes und P2 die Steigung des dem anderen Bauteil zugeordneten
Gewindes beziehungsweise Innengewindes ist.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass sich aus dem E-Modul
(aus dem Elastizitäts-Modul)
und der freien Länge
des Schraubbolzens der Weg K für
seine Streckgrenze ergibt. Aus den Materialeigenschaften des Schraubbolzens,
die ein bestimmtes E-Modul ergeben, lässt sich der Weg K ableiten,
der nach Aneinanderstoßen
der beiden zu verschraubenden Bauteile noch erforderlich ist, um den
Schraubbolzen bis an seine Streckgrenze R anzuziehen. Hierfür spielt
auch die freie Länge
des Schraub bolzens eine Rolle, also der Bereich des Schraubbolzens,
der sich nicht im Eingriff eines Gegengewindes befindet, da nur
der freie Bereich eine wesentliche Dehnung erfährt. Der Abstand Y wird folglich
dazu verwendet, nach Beginn des Eingriffes die notwendige Einschraubtiefe
der beiden Gewinde in den zugehörigen
Innengewinden zu erreichen. Nachdem der ursprüngliche Abstand Y im Laufe
der Verschraubung immer weiter zurückgeht und schließlich Null
beträgt,
wenn nämlich
die beiden zu verschraubenden Bauteile aufeinanderliegen, wird durch
Weitedrehen des Schraubbolzens ein weiterer, kleiner Weg K zurückgelegt,
um den Schraubbolzen an seine Streckgrenze R anzuziehen. Aufgrund
der unterschiedlichen Steigung der beiden Gewinde und Innengewinde
wird der Schraubbolzen gelängt
und hiermit die entsprechende Vorspannkraft erzeugt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird als erstes Bauteil ein Pleuel einer Brennkraftmaschine verwendet
und als zweites Bauteil ein Pleueldeckel für den Pleuel der Brennkraftmaschine eingesetzt.
Gerade bei Verschraubungen von Pleueln ist es wünschenswert, die Masse der
Pleuel bei gleichbleibend guter Festigkeit zu reduzieren. Durch die
Verwendung der beschriebenen Befestigungsmittel und Ausführung des
beschriebenen Verfahrens lässt
sich eine sehr sichere und gewichtssparende Verschraubung von Pleuel
und Pleueldeckel erreichen, die mit sehr geringem Materialaufwand
auskommt und insbesondere die aus dem Stand der Technik bekannten
Auflagenflächen
und/oder Schraubenköpfe überflüssig macht.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
wird als Schraubbolzen ein kopffreier Schraubbolzen verwendet. Der
Werkzeugangriff erfolgt hierbei an einer dem Schraubbolzen zugehörigen Werkzeugangriffsfläche, die
aber kein Kopf im Sinne eines gewöhnlichen Schraubenkopfes ist,
sondern beispielsweise als Torxsangriff, als Innensechskant oder anderer
Innenwerkzeugangriff oder in sonstiger geeigneter Form ausgebildet
ist. Wesentlich ist allein, dass kein Schraubenkopf verwendet wird.
Hierbei ist insbesondere vorteilhaft, dass bei zutreffender Wahl des
Schraubbolzens hinsichtlich der Schraubbolzen-Länge und zutreffender Verschraubung
des Schraubbolzens der Schraubbolzen Pleuel und Pleueldeckel nicht
oder nicht wesentlich überragt.
Der Schraubbolzen verschwindet folglich im Wesentlichen in der Verschraubung,
ohne Überstände aufzuweisen.
Der Werkzeugangriff erfolgt hierbei beispielsweise durch die Ausnehmung
im Pleuel beziehungsweise Pleueldeckel, durch die auch die Verschraubung
erfolgt.
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In
einer weiteren Ausgestaltung ist vorgesehen, dass der Abstand Y
mittels eines entfernbaren Abstandhalters realisiert wird. Als entfernbarer
Abstandhalter kommen insbesondere einseitig offene Hülsen, beispielsweise
in U-Form, eine Abstandhaltevorrich tung, die zwischen beiden zu
verschraubenden Bauteilen eingelegt wird oder über Vorrichtungen an der Verschraubungsstation,
also insbesondere automatische, in Betracht. Wesentlich ist allein,
dass der Abstandhalter zuverlässig
den Abstand Y zu Beginn des Eingriffes sicherstellt.
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Weitere
vorteilhafte Ausführungsformen
ergeben sich aus den Unteransprüchen
und aus Kombinationen derselben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend von Figuren näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 ein
zu verschraubendes Pleuel mit zugehörigem Pleueldeckel und einem
Schraubbolzen zu Beginn des Eingriffes und
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2 die
selben Bauteile nach Verschraubung.
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1 zeigt
zwei miteinander zu verschraubende Bauteile 1, nämlich ein
Pleuel 2 und einen Pleueldeckel 3. In beide Bauteile 1 ist
senkrecht zu Auflageflächen 4,
die nach Verschraubung in Berührlage
zueinander kommen sollen, eine Ausnehmung 5, nämlich eine
Bohrung 6 eingebracht, wobei diese in beide Bauteile fluchtet.
Die Bohrung 6 ist insbesondere mehrstufig ausgebildet und
weist in jeweils den Auflageflächen 4 entfernteren
Abschnitten 7 Innengewinde 8 auf, nämlich ein
erstes Innengewinde 9 in dem Pleuel 2 und ein
zweites Innengewinde 10 in dem Pleueldeckel 3.
Das erste Innengewinde 9 weist hierbei eine Steigung P1
auf, während
das zweite Innengewinde eine Steigung P2 aufweist. Den Innengewinden 8 entsprechen
Gewinde 11 an einem Schraubbolzen 12, der folglich
ein erstes Gewinde 13 aufweist, das an seinem vorderen
Ende 14 beginnt und ebenfalls eine Steigung P1 aufweist,
so dass das erste Gewinde 13 dem ersten Innengewinde 9 entspricht.
Das erste Gewinde 13 erstreckt sich über einen ersten Bolzenabschnitt 15,
der sich vom vorderen Ende 14 ausgehend über eine
gewisse Axialerstreckung des Schraubbolzens 12 erstreckt,
wobei ein Mittelbereich 16 des Schraubbolzens 12 kein
Gewinde aufweist, sondern im Durchmesser reduziert ist (beispielsweise
nur einen Kerndurchmesser d aufweist). Hierdurch wird verhindert,
dass der Mittelbereich 16 mit einem Innengewinde 8 in
Berührlage
gerät.
An dem Mittelbereich 16 in Axialerstreckung des Schraubbolzens 12 anschließend ist
ein weiteres Gewinde 11 ausgebildet, nämlich ein zweites Gewinde 17.
Dieses erstreckt sich über
einen zweiten Bolzenabschnitt 18, in Axialerstreckung Richtung
Bolzenkopf 19. Das zweite Gewinde 17 weist hierbei
die Steigung P2 auf, so dass das zweite Gewinde 17 dem
zweiten Innengewinde 10 entspricht. Der Bolzenkopf 19 ist
als Werkzeugangriff 20 ausgebildet und dient der Beaufschlagung
des Schraubbolzens 12 mit einem Drehmoment zur Bewirkung
der Drehbewegung, um den Schraubbolzen 12 in den Innengewinden
zu verschrauben.
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Zu
Beginn der Verschraubung, also dann, wenn das erste Gewinde 13 beginnt,
in das erste Innengewinde 9 einzugreifen und gleichzeitig
das zweite Gewinde 17 beginnt, in das zweite Innengewinde 10 einzugreifen,
weisen die beiden Bauteile 1, nämlich das Pleuel 2 und
der Pleueldeckel 3, hinsichtlich ihrer Auflagenflächen 4 einen
Abstand Y zu einander auf. Der Abstand Y wird bei Einsetzen des
Schraubbolzens 12 in die Ausnehmung 5 und beginnender Einschraubbewegung
(Drehbewegung des Schraubbolzens 12) mittels eines Abstandhalters 21,
der zwischen die beiden Auflageflächen 4 eingebracht
wird und mit diesen beidseitig in Berührlage steht, bewirkt und gehalten.
Der Abstandhalter 21 wird nach Eingriff der Gewinde 11 in
den Innengewinden 8 zum Zwecke weiterer Verschraubung entfernt.
Die Steigung P1 ist größer als
die Steigung P2, so dass sich das erste Gewinde 13 schneller
in das erste Innengewinde 9 hineinzieht als das zweite
Gewinde 17 in das zweite Innengewinde 10. Auf
diese Weise nähern
sich die Auflageflächen 4 einander
an, bis sie in Berührlage
zueinander treten. Ein Weiterdrehen des Schraubbolzens 12 bewirkt
eine Verspannung des Schraubbolzens 12 über die Gewinde 11 in
den Innengewinden 8.
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2 zeigt
den Schraubbolzen 12 eingeschraubt in die Bauteile 1,
nämlich
das Pleuel 2 und den Pleueldeckel 3. Die Berührflächen 4 der
Bauteile 1 sind in Berührlage,
die Gewinde 11 vollständig
in die jeweils zugehörigen
Innengewinde 8 eingeschraubt. Da das erste Innengewinde 9 und
das erste Gewinde 13 eine Steigung P1 größer als
die Steigung P2 des zweiten Gewindes 17 und des zweiten Innengewindes 10 aufweist,
ergibt sich bei Weiterdrehen des Schraubbolzens 12 eine
Längung
des Schraubbolzens 12 um einen bestimmten Weg K (in der
Figur stark übertrieben
dargestellt), der den Schraubbolzen 12 bis in seine Streckgrenze
R zieht. Hierdurch ergibt sich eine sehr gute Verspannung des Schraubbolzens 12 über die
Gewinde 11 in den Innengewinden 8, so dass, ohne
dass äußere Abstützflächen (beispielsweise
für Schraubenköpfe) erforderlich
wären,
eine sichere Abstützung über die
Innengewinde 8 an den Gewinden 11 erfolgt, weil
die Gewinde 11 durch ihre unterschiedlichen Steigungen,
nämlich
P1 für
das erste Gewinde 13 und P2 für das zweite Gewinde 17,
ein Differenzialgewinde D ausbilden.
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Beispielsweise
kann P1 eine Steigung von 1 sein, P2 eine solche von 0,75. Hierbei
ergibt sich eine Steigungsdifferenz X von P1 – P2 = 0,25. K sei hierbei
0,5. Es sollen elf Schraubenumdrehungen U zum Erreichen der notwendigen
Einschraubtiefe durchgeführt
werden. Daraus ergibt sich ein Montageabstand Y (nämlich der
in 1 als anfänglicher
Abstand Y gezeigte, der zwischen den beiden Auflageflächen 4 zu
Beginn des Eingriffs erforderlich ist) als Y = (11·0,25) – 0,5 =
2,25. Diese Beispielsrechnung ist selbstverständlich nur exemplarisch und
abhängig von
den zu verschraubenden Bauteilen 1 sowie von den Gewinden 11 beziehungsweise
Innengewinden 8 und der Ausbildung des Schraubbolzens 12.
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- 1
- Bauteil
- 2
- Pleuel
- 3
- Pleueldeckel
- 4
- Auflagefläche
- 5
- Ausnehmung
- 6
- Bohrung
- 7
- Abschnitt
- 8
- Innengewinde
- 9
- 1.
Innengewinde
- 10
- 2.
Innengewinde
- 11
- Gewinde
- 12
- Schraubbolzen
- 13
- 1.
Gewinde
- 14
- vorderes
Ende
- 15
- 1.
Bolzenabschnitt
- 16
- Mittelbereich
- 17
- 2.
Gewinde
- 18
- 2.
Bolzenabschnitt
- 19
- Bolzenkopf
- 20
- Werkzeugangriff
- 21
- Abstandhalter
- P1
- Steigung
- P2
- Steigung
- d
- Kerndurchmesser
- K
- Weg
- D
- Differenzialgewinde
- R
- Streckgrenze