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Die
Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung eines Kegelzapfens
in einem Metallbauteil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Derartige
Befestigungsanordnungen dienen beispielsweise zur Herstellung von
Gelenk- und/oder Lageranordnungen. Ein Beispiel hierfür
ist die Verwendung von Kegelzapfen mit kugelförmigem Kopf zur
Ausbildung eines Kugelgelenkes, welche in eine Öffnung
eines Achsschenkels für Kraftwagen eingesetzt sind. Der
Kegelzapfen weist dabei an seinem verjüngten Ende ein Gewindeteil
auf, über welches er mit dem Metallbauteil verschraubt
werden kann. Aufgrund der kegelförmigen Geometrie des Schaftes des
Kegelzapfens verspannt sich der Zapfen dabei mit dem Metallbauteil,
so dass eine selbsthemmende Verbindungsanordnung entsteht. Eine
derartige Verbindungsanordnung ist beispielsweise aus der
DE 10 2008 012 136
A1 bekannt.
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Sollen
Kegelzapfen aus Stahl in Aluminiumbauteile eingesetzt werden so
ergeben sich mehrere Probleme. Bei der Verwendung von Stahlkegelzapfen
mit Steilkegel, also einem Kegelwinkel größer 12°,
verspannt sich der Kegelzapfen fest mit dem Aluminiumbauteil und
kann nur mittels eines Ausdrückwerkzeuges aus seinem Sitz
gelöst werden.
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Aufgrund
der hohen Radialkräfte beim Anziehen der Mutter auf das
Gewindeteil des Kegelzapfens erfolgt eine Aufweitung des Aluminiumbauteils beim
Einziehen des Kegelzapfens. Eine derartige Aufweitung ist jedoch
nicht wünschenswert. Verwendet man einen Kegelzapfen mit
Flachkegel, also Kegelwinkeln von etwa 90°, so wird die
tragende Fläche der Verbindungsanordnung vermindert und
somit die Flächenpressung des Zapfens gegen das Aluminiumbauteil
erhöht. Unter Betriebsbelastung ist dabei ein Plastifizieren
des Bauteils möglich, was zu einem Versagen der Verbindungsanordnung
führen kann. Weiterhin führt die geringe Stützlänge
von Flachkegelzapfen zu einer starken Lateralbelastung der Mutter
am Gewindeteil des Kegelzapfens, welche daher abrutschen kann.
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Eine
aus dem Stand der Technik bekannte Lösung ist die Verwendung
von Einsatzhülsen aus Stahl, welche in das Aluminiumbauteil
eingepresst werden. Der Steilkegelzapfen wird dann in die Einsatzhülse
eingezogen. Diese Lösung ist sehr teuer und aufwändig.
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Weiterhin
besteht im Service die Gefahr, dass durch unsachgemäßes
Lösen der Kegelverbindung nicht der Kegelzapfen, sondern
die Einsatzhülse aus dem Aluminiumbauteil ausgepresst wird,
was teuren Teileaustausch notwendig macht.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungsanordnung nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln, dass
eine kostengünstige, und unter Betriebslast stabile und
einfach zu lösende Befestigungsanordnung bereitgestellt
wird.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Befestigungsanordnung mit den Merkmalen
des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Bei
einer derartigen Befestigungsanordnung eines Kegelzapfens, welcher
ein Kopfteil, einen sich daran anschließenden kegelförmigen
Schaft und ein Gewindeteil umfasst, durchsetzt der Kegelzapfen eine
Aufnahmeöffnung eines Hilfsbefestigungselementes, welches
in einer Durchtrittsöffnung des Metallbauteils angeordnet
ist. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass
das Hilfsbefestigungselement selbst kegelförmig ausgebildet
ist, wobei eine äußere Mantelfläche des
Hilfsbefestigungselementes einen Kegelwinkel von 53° bis
67° aufweist. Die äußere Mantelfläche
liegt in ihrem Kegelwinkel somit zwischen den eingangs beschriebenen
Steil- und Flachkegeln und soll im Folgenden als Mittelkegel bezeichnet
werden. Durch die Ausführung des Hilfsbefestigungselementes
als Mittelkegel wird ein optimaler Kompromiss zwischen tragender
Fläche und Stützlänge erzielt, so dass
die eingangs genannten Probleme bezüglich der Lateralbelastung
und einer möglichen Plastifizierung des Aluminiumbauteils
unter Betriebslast vermieden werden.
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Im
Gegensatz zu aus dem Stand der Technik bekannten stählernen
Einsatzhülsen muss das als Mittelkegel ausgeführte
Hilfsbefestigungselement nicht in das Aluminiumbauteil eingepresst
werden, sondern kann einfach druckfrei eingesetzt werden. Ein einfaches
Lösen der Verbindung ist somit möglich, da nach
Lösen der Mutter der Kegelzapfen zusammen mit dem Hilfsbefestigungselement
entfernt werden kann. Mithin kann bei Bedarf der Kegelzapfen mittels
eines Werkzeugs aus dem Hilfsbefestigungselement ausgepresst werden.
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Bevorzugter
Weise durchsetzt das Hilfsbefestigungselement dabei das Metallbauteil
auf 50% bis 100% dessen Dicke. Damit wird ein optimaler Kompromiss
zwischen freier Länge des Kegelzapfens und Tragfläche
erzielt.
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Bevorzugt
ist weiterhin, dass durch das Anziehen einer Mutter das Gewindeteil
des Kegelzapfens dieser in die Aufnahme des Hilfsbefestigungselements
unter Selbsthemmung eingepresst. Besonders bevorzugt ist, dass das
Hilfsbefestigungselement durch einen separaten Aufpressprozess auf den
Kegelzapfen aufgepresst wird. Durch die Selbsthemmung zwischen Kegelzapfen
und Hilfsbefestigungselement werden ein unkontrolliertes Lösen
und gegebenenfalls der Verlust des Hilfsbefestigungselements sicher
vermieden.
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Dabei
ist weiterhin bevorzugt das Hilfsbefestigungselement werkzeuglos
aus dem Metallbauteil lösbar.
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Der
kegelförmige Schaft des Kegelzapfens weist weiterhin bevorzugterweise
einen Kegelwinkel von 12° oder größer
auf. Der Kegelzapfen ist somit als Steilkegel ausgebildet, so dass
die Befestigungsanordnung die Vorteile einer Steilkegelverbindung mit
der einer Mittelkegelverbindung kombiniert.
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Im
Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen
anhand der Zeichnung näher erläutert werden.
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Hierbei
zeigen:
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1 eine
Steilkegelverbindung mit stählerner Einsatzhülse
nach dem Stand der Technik;
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2 eine
Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung und
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3 eine
Schnittdarstellung durch ein Hilfsbefestigungselement in Form eines
Mittelkegels für ein erfindungsgemäße
Befestigungsanordnung.
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Eine
in 1 dargestellte, im Ganzen mit 10 bezeichnete
Befestigungsanordnung nach dem Stand der Technik umfasst einen Steilkegelzapfen 12,
welcher über eine Einsatzhülse 14 in
ein Metallbauteil 16, insbesondere ein Aluminiumbauteil
eingesetzt ist.
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Sowohl
der Kegelzapfen 12 als auch die Einsatzhülse 14 sind
rotationssymmetrisch bezüglich einer Achse 18.
Der Kegelzapfen 12 umfasst ein im Wesentlichen kugelförmiges
Kopfteil 20, einen kegelstumpfförmigen Schaft 22,
wobei der Kegelwinkel 12° beträgt, und ein Gewindeteil 24,
auf welches eine Mutter 26 aufgeschraubt ist. Durch das
Aufschrauben der Mutter 26 wird der Kegelzapfen 12 in
eine Aufnahme 28 der Einsatzhülse 14 eingepresst.
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Die
Einsatzhülse 14 besteht dabei aus einem härteren
Material als das Metallbauteil 16. Weiterhin verläuft
eine Wandung 30 der Einsatzhülse 14 im Wesentlichen
parallel zur Achse 18, so dass über diese Wandung 30 keine
Kräfte in das Metallbauteil 16 eingetragen werden.
Ein Abstützen erfolgt lediglich über einen Überstand 32.
Die gezeigte Lösung ist sehr aufwändig, da die
Einsatzhülse 14 eine genaue Passung sowohl zu
einer Durchgangsöffnung 34 des Metallbauteils 16 als
auch zum Kegelzapfen 12 aufweisen muss. Weiterhin muss
die Einsatzhülse 14 in das Metallbauteil 16 eingepresst
werden. Beim Lösen der Verbindung muss der Kegelzapfen 12 mit
Hilfe eines Werkzeugs aus der Einsatzhülse 14 ausgepresst
werden. Bei unsachgemäßer Handhabung kann dabei
die gesamte Einsatzhülse 14 selbst aus dem Metallbauteil 16 ausgepresst
werden, was zu aufwändigen Reparaturen führt.
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Die
Probleme der in 1 dargestellten, dem Stand der
Technik entsprechenden Verbindungsanordnung 10 werden durch
eine erfindungsgemäße, im Ganzen mit 40 bezeichnete
Verbindungsanordnung gelöst. Ein Ausführungsbeispiel
einer solchen Verbindungsanordnung 40 ist in 2 dargestellt.
Die Verbindungsanordnung 40 umfasst wiederum einen Kegelzapfen 42,
welcher eine Durchtrittsöffnung 44 eines Metallbauteils 46,
insbesondere eines Aluminiumbauteils durchsetzt. Im Gegensatz zum
Stand der Technik ist hier keine Einsatzhülse vorgesehen.
Vielmehr ist die Durchtrittsöffnung 44 selbst
kegelförmig mit einem Öffnungswinkel von 53° bis
67° gestaltet, so dass ein Hilfsverbindungselement 48 in
diese eingesetzt werden kann.
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Das
Hilfsverbindungselement 48 ist, ebenso wie der Kegelzapfen 42,
rotationssymmetrisch zu einer Achse 50 der Verbindungsanordnung 40.
Eine Mantelfläche 52 des Hilfsverbindungselements 48 ist kegelmantelförmig
und weist einen zur Durchtrittsöffnung 44 komplementären
Kegelwinkel von 53° bis 67° auf. Eine innere Mantelfläche 54 des
Hilfsverbindungselements 48 ist ebenfalls kegelförmig
mit einem Kegelwinkel von 12°, was komplementär
zu einem kegelförmigen Schaft 56 des Kegelzapfens 42 ist.
Dieser weist zudem wiederum einen im Wesentlichen kugelförmigen
Kopfbereich 58 sowie ein Gewindeteil 60 auf, an
welchem eine Mutter 62 befestigt ist.
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Das
Hilfsverbindungselement 48, das in 3 nochmals
im Detail dargestellt ist, braucht nicht in das Metallbauteil 46 eingepresst
werden, sondern kann einfach eingesetzt werden. Nach Lösen
der Mutter 62 kann die Gesamtheit von Kegelzapfen 42 und
Hilfsverbindungselement 48 werkzeuglos aus dem Metallbauteil 46 entnommen
werden. Lediglich der Kegelzapfen 42 muss dann mithilfe eines
Werkzeugs aus dem Hilfsverbindungselement 48 ausgepresst
werden. Durch die Ausführung des Hilfsverbindungselements 48 als
Mittelkegel wird ein optimaler Kompromiss zwischen einer Stützlänge
d1 und einer freien Länge d2 des Kegelzapfens 42 erzielt. Damit
werden die eingangs geschilderten Probleme der hohen Belastung des
Metallbauteils 46, was zu seiner Plastifizierung führen
kann sowie der hohen Lateralbelastung der Mutter 62, was
zu deren Verrutschen führen kann, gelöst. Weiterhin
wird durch die Selbsthemmung zwischen dem Kegelzapfen 42 und
dem Hilfsbefestigungselement 48 das unkontrollierte Lösen
bzw. ein möglicher Verlust des Hilfsbefestigungselements 48 sicher
vermieden.
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- 10
- Befestigungsanordnung
- 12
- Steilkegelzapfen
- 14
- Einsatzhülse
- 16
- Metallbauteil
- 18
- Achse
- 20
- Kopfteil
- 22
- Schaft
- 24
- Gewindeteil
- 26
- Mutter
- 28
- Aufnahme
- 30
- Wandung
- 32
- Überstand
- 34
- Durchgangsöffnung
- 40
- Verbindungsanordnung
- 42
- Kegelzapfen
- 44
- Durchtrittsöffnung
- 46
- Metallbauteil
- 48
- Hilfsverbindungselement
- 50
- Achse
- 52
- Mantelfläche
- 54
- Innere
Mantelfläche
- 56
- Schaft
- 58
- Kopfbereich
- 60
- Gewindeteil
- 62
- Mutter
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102008012136
A1 [0002]