-
Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung einer gewindefurchenden Schraube an einem Bauteil aus einem Aluminiumwerkstoff.
-
Der
DE 20 2005 013 320 U1 ist eine gewindefurchende Schraube mit einem Gewindeteil und einem Schraubenkopf als bekannt zu entnehmen. Das Gewindeteil weist an seinem dem Schraubenkopf abgewandten Endbereich einen konischen Teilbereich mit einer Furchspitze und einen unrunden Gewindeteilbereich auf, der im Querschnitt gesehen von der Kreisform abweicht und zwischen einem minimalen Abstand und einem maximalen Abstand zur Schraubenmittenachse variiert, wobei der maximale Abstand etwa 2,5 Prozent bis 10 Prozent größer als der minimale Abstand ist.
-
Darüber hinaus sind aus dem allgemeinen Stand der Technik Befestigungsanordnungen bekannt, bei welchen jeweils ein erstes Bauteil an einem zweiten Bauteil mittels wenigstens einer Schraube gehalten ist. Das zweite Bauteil ist dabei beispielsweise aus Aluminium, das heißt einem Aluminiumwerkstoff, gebildet. Um eine besonders feste Halterung des ersten Bauteils am zweiten Bauteil zu gewährleisten, kommt üblicherweise ein sogenannter Gewindeeinsatz zum Einsatz, wobei der Gewindeeinsatz aus einem vom Aluminiumwerkstoff des zweiten Bauteils unterschiedlichen Werkstoff, beispielsweise Stahl, gebildet ist. Der Gewindeeinsatz ist zumindest teilweise, insbesondere zumindest überwiegend, in dem zweiten Bauteil, das heißt in dem Aluminiumwerkstoff, aufgenommen, wobei die Schraube nicht etwa in den Aluminiumwerkstoff des zweiten Bauteils, sondern in den Gewindeeinsatz eingeschraubt ist. Hierdurch kann die Schraube mit einem hohen Enddrehmoment angezogen beziehungsweise festgezogen werden, sodass sich eine hohe Vorspannkraft realisieren lässt, mittels welcher das erste Bauteil am zweiten Bauteil gehalten ist. Üblicherweise lassen sich solch hohe Enddrehmomente und somit solch hohe Vorspannkräfte mittels einer Direktverschraubung, bei welcher die Schraube direkt in den Aluminiumwerkstoff eingeschraubt ist, nicht realisieren.
-
Das Erfordernis, den Gewindeeinsatz verwenden zu müssen, führt jedoch zu einer hohen Teileanzahl und somit zu einem hohen Gewicht und hohen Kosten der Befestigungsanordnung.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine Befestigungsanordnung einer Schraube an einem Bauteil aus einem Aluminiumwerkstoff zu schaffen, bei welcher besonders hohe Vorspannkräfte realisiert werden können bei gleichzeitiger Realisierung eines geringen Gewichts, einer geringen Teileanzahl und geringer Kosten.
-
Diese Aufgabe wird durch eine Befestigungsanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
-
Bei der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung einer gewindefurchenden Schraube an einem Bauteil aus einem T5-wärmebehandelten oder T6-wärmebehandelten Aluminiumwerkstoff ist die ein Außengewinde mit einer Steigung von 2 Millimetern aufweisende gewindefurchende Schraube mit einem tragenden Gewindeteil von wenigstens 44 Millimetern unter Ausbildung eines mit dem Außengewinde korrespondierenden Innengewindes in dem Aluminiumwerkstoff direkt in den Aluminiumwerkstoff in ein Kernloch mit einem zumindest im Wesentlichen zylindrischen Kernlochdurchmesser in einem Bereich von einschließlich 12,5 Millimeter bis einschließlich 13,5 Millimeter eingeschraubt. Das Kernloch weist vorzugsweise einen Durchmesser in einem Bereich von einschließlich 12,5 Millimeter bis einschließlich 13,3 Millimeter auf, wenn der Aluminiumwerkstoff T5-wärmebehandelt ist, das heißt einer T5-Wärmebehandlung unterzogen wurde. Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass das Kernloch einen Durchmesser, das heißt einen Kernlochdurchmesser in einem Bereich von einschließlich 13,0 Millimeter bis einschließlich 13,5 Millimeter aufweist, wenn der Aluminiumwerkstoff T6-wärmebehandelt ist, das heißt einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wurde.
-
Dadurch, dass die Schraube direkt in den Aluminiumwerkstoff eingeschraubt ist, kann auf einen zusätzlichen Gewindeeinsatz verzichtet werden, sodass die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Befestigungsanordnung besonders gering gehalten werden können. Darüber hinaus kann die Schraube mit einem hohen Drehmoment, das heißt mit einem hohen Enddrehmoment angezogen beziehungsweise festgezogen werden, sodass besonders hohe Vorspannkräfte realisiert werden können, mittels welchen beispielsweise ein weiteres Bauteil an dem Bauteil aus dem Aluminiumwerkstoff fest und stabil über die Schraube gehalten werden kann. Es ist bekannt, dass bei der Befestigungsanordnung mittels der Schraube auch besonders hohe Vorspannkräfte von beispielsweise 90 Kilonewton bis 100 Kilonewton mit einem maximalen Versagensmoment von elastisch 120 Kilonewton nach DIN-EN-ISO 898 zu erfüllen sind, ohne dass es zu unerwünschten Beschädigungen der Schraube und des Bauteils kommt. Aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung der Schraube insbesondere hinsichtlich des Kernlochdurchmessers und hinsichtlich des tragenden Gewindeanteils sowie der Steigung des Gewindes kann ein unerwünschtes Versagen der Schraube bereits bei geringen Vorspannkräften vermieden werden, sodass sich bei der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung besonders hohe Vorspannkräfte von mindestens elastisch 120 Kilonewton realisieren lassen.
-
Hierzu hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn die Schraube zumindest im Bereich des tragenden Gewindeanteils einen zumindest im Wesentlichen zylindrischen Außendurchmesser aufweist. Mit anderen Worten ist es vorzugsweise vorgesehen, dass die Schraube zumindest im Bereich des tragenden Gewindeanteils keine unrunde, insbesondere trilobulare, Außenkontur, sondern eine zumindest im Wesentlichen zylindrische beziehungsweise runde Außenkontur aufweist, wodurch eine unerwünschte Schwächung der Schraube vermieden werden kann.
-
Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn das Außengewinde als metrisches ISO-Gewinde mit einem Nenndurchmesser von mindestens M14 und einer Steigung von 2,0 Millimeter ausgebildet ist. Es hat sich nämlich gezeigt, dass aus dem Stand der Technik bekannte Schrauben, insbesondere gewindefurchende Schrauben, nicht für sogenannte Direktverschraubungen mit einem Nenndurchmesser von M14 und größer verwendet werden können, da mittels der herkömmlichen Schrauben die beispielsweise nach DIN geforderten maximalen Vorspannkräfte nicht erreicht werden können, da es beim Anziehen der herkömmlichen Schrauben zu einem Versagen dieser kommt, bevor die Vorspannkräfte erreicht werden. Bei der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung jedoch lässt sich aufgrund der entsprechenden Ausgestaltung auch bei Nenndurchmessern von mindestens M14 eine hinreichende Vorspannkraft realisieren.
-
Bei der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung ist eine sogenannte Direktverschraubung vorgesehen, bei welcher die Schraube nicht etwa in einen im Bauteil vorgesehenen Gewindeeinsatz, sondern direkt in den Aluminiumwerkstoff des Bauteils eingeschraubt ist. Da die Schraube als gewindefurchende Schraube ausgebildet ist, wird das mit dem Außengewinde korrespondierende Innengewinde in dem Kernloch und somit in dem Bauteil ausgebildet, wenn die Schraube in das Kernloch beziehungsweise das Bauteil eingeschraubt wird. Ein zusätzlicher, dem Einschrauben der Schraube in das Bauteil vorweggehender Schritt, bei welchem das Kernloch mit einem mit dem Außengewinde korrespondierenden Innengewinde unabhängig von der Schraube versehen wird, kann somit vermieden werden. Dadurch kann die Befestigungsanordnung besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden.
-
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Schraube außenumfangsseitig mit einer Zink-Nickel-Duplexbeschichtung als Korrosionsschutzbeschichtung versehen ist. Hierdurch können eine unerwünschte Korrosion der Schraube und des Bauteils vermieden werden. Ferner ist es möglich, das Kernloch mittels der Precote-Beschichtung abzudichten oder das Kernloch mittels ähnlichen, zusätzlich aufgebrachten Stoffen auf der Schraube im tragenden Gewindebereich abzudichten, sodass keine Flüssigkeit zwischen dem Bauteil und der Schraube hindurchtreten kann.
-
Schließlich hat es sich als besonders vorteilhaft gezeigt, wenn das Außengewinde eine Gewindeflankengeometrie aufweist, mittels welcher der Aluminiumwerkstoff infolge des Einschraubens der Schraube in den Aluminiumwerkstoff kaltverfestigt ist. Mit anderen Worten führen Gewindeflanken des Außengewindes bei einem Formprozess, bei welchem die gewindefurchende Schraube unter Ausbildung des Innengewindes in das Bauteil eingeschraubt wird, eine Kaltverfestigung des Bauteils, das heißt des Aluminiumwerkstoffs, durch. Dadurch wird das als Aluminiumgewinde ausgebildete Innengewinde besonders stabil ausgeformt, sodass besonders hohe Vorspannkräfte realisiert werden können.
-
Ferner ist es vorzugsweise vorgesehen, dass zumindest beim Einschrauben der Schraube in das Bauteil ein zusätzliches Schmiermittel auf der Formzone der Schraube, welche in das Bauteil verschraubt wird, aufgebracht wird, mittels welchem das Bauteil und die Schraube beim Einschrauben dieser geschmiert werden. Hierdurch kann eine besonders prozesssichere Anbindung realisiert werden. Als besonders vorteilhaft hat es sich gezeigt, wenn als das Schmiermittel die genannte Duplexbeschichtung verwendet wird.
-
Zur Erfindung gehört auch ein Verfahren zum Herstellen einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, wobei vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung als vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens anzusehen sind und umgekehrt. Bei einem ersten Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Schraube durch Drehen dieser in eine erste Drehrichtung mit 150 bis 280 Umdrehungen pro Minute auf 60 bis 120 Newtonmetern in das Bauteil eingeschraubt. Bei einem zweiten Schritt des Verfahrens wird die Schraube gelöst, indem die Schraube in eine der ersten Drehrichtung entgegengesetzte zweite Drehrichtung um 180 Grad bei 20 bis 50 Umdrehungen pro Minute gedreht wird. Dies bedeutet, dass die Schraube in dem zweiten Schritt nicht vollständig aus dem Kernloch beziehungsweise dem Bauteil herausgeschraubt, sondern lediglich ein Stück zurückgedreht wird. Bei einem dritten Schritt des Verfahrens wird die Schraube schließlich auf ein Enddrehmoment angezogen, indem die Schraube wieder in die erste Drehrichtung gedreht wird.
-
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
-
Die Zeichnung zeigt in:
-
1 eine schematische Schnittansicht einer Befestigungsanordnung einer gewindefurchenden Schraube an einem Bauteil aus einem Aluminiumwerkstoff;
-
2 ausschnittsweise eine Schnittansicht des Bauteils;
-
3 eine schematische Seitenansicht der Schraube; und
-
4 eine schematische Perspektivansicht der Schraube, deren Außengewinde zumindest teilweise mit einer Zink-Nickel-Duplexbeschichtung versehen ist.
-
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
-
1 zeigt in einer schematischen Schnittansicht eine Befestigungsanordnung einer gewindefurchenden Schraube 10 an einem Bauteil 12 für einen Kraftwagen, insbesondere einen Personenkraftwagen. Das Bauteil 12 ist dabei zur Realisierung eines geringen Gewichts des Kraftwagens insgesamt aus einem T5-wärmebehandelten oder T6-wärmebehandelten Aluminiumwerkstoff gebildet. Mit anderen Worten ist das Bauteil 12 aus Aluminium gebildet, das einer T5-Wärmebehandlung oder einer T6-Wärmebehandlung unterzogen wurde. Bei dem Bauteil 12 handelt es sich beispielsweise um ein Rohbauteil beziehungsweise ein Karosseriebauteil des Kraftwagens. Die Schraube 10 dient beispielsweise dazu, eine Achskomponente einer Radaufhängung des Kraftwagens an das Bauteil 12 anzubinden.
-
Um nun die gewindefurchende Schraube 10 unter Realisierung einer besonders hohen Vorspannkraft von beispielsweise wenigstens 120 Kilonewton mit einem besonders hohen Drehmoment, das heißt Enddrehmoment anzuziehen beziehungsweise festzuziehen und dabei gleichzeitig die Teileanzahl, das Gewicht und die Kosten der Befestigungsanordnung gering zu halten, ist die als M14-Schraube ausgebildete und ein Außengewinde 14 mit einer Steigung von 2 Millimetern aufweisende gewindefurchende Schraube 10 mit einem aus 2 erkennbaren tragenden Gewindeanteil GA von wenigstens 44 Millimetern unter Ausbildung eines mit dem Außengewinde 14 korrespondierenden Innengewindes 16 in dem Aluminiumwerkstoff des Bauteils 12 direkt in den Aluminiumwerkstoff des Bauteils 12 in ein Kernloch 18 mit einem zumindest im Wesentlichen Kernlochdurchmesser in einem Bereich von einschließlich 12,5 Millimeter bis einschließlich 13,5 Millimeter eingeschraubt.
-
Aus 2 ist erkennbar, dass sich in axialer Richtung der Schraube 10 und des Kernlochs 18 an den tragenden Gewindeanteil GA eine sogenannte Auslaufzone AZ anschließt, in welcher mittels des Außengewindes 14 zwar Gewindegänge des Innengewindes 16 ausgeformt sind, jedoch handelt es sich bei diesen Gewindegängen nicht um tragende Gewindegänge, sodass die Vorspannkraft zumindest überwiegend über Gewindegänge des tragenden Gewindeanteils GA übertragen wird.
-
Aus 3 ist erkennbar, dass die Schraube 10 als M14-Schraube ausgebildet ist. Dies bedeutet, dass das Außengewinde 14 als metrisches ISO-Gewinde mit einem Nenndurchmesser von mindestens M14 ausgebildet ist. Die Schraube weist dabei einen Schraubenkopf 20 auf, über welchen die Schraube 10 am Bauteil 12 abgestützt und gegen das Bauteil 12 gespannt wird. Hierzu weist der Schraubenkopf 20 eine Scheibe 22 auf, welche einstückig mit der Schraube 10 ausgebildet ist. Um die Schraube 10 auf ein vorgebbares Enddrehmoment anzuziehen beziehungsweise festzuziehen, weist der Schraubenkopf 20 einen Werkzeugangriff 24 auf, über welchen die Schraube 10 mit einem Schraubwerkzeug zusammenwirken kann. Vorliegend ist der Werkzeugangriff 24 als Außenvielrund, insbesondere Außensechsrund, ausgebildet. Zwischen der Scheibe 22 und dem Außengewinde 14 weist die Schraube 10 einen Schaft 26 mit einem Außendurchmesser DA von 12,7 Millimetern auf.
-
Ferner ist besonders gut aus 3 erkennbar, dass die Schraube 10 zumindest im Bereich des tragenden Gewindeanteils GA einen zumindest im Wesentlichen zylindrischen Außendurchmesser aufweist. Durch die annähernd runde Geometrie im Bereich des tragenden Gewindeanteils GA kann eine besonders hohe Gewindetragkraft und Flankenüberdeckung realisiert werden. Durch die Verwendung einer Steigung von 2 Millimetern des Außengewindes 14 können besonders stabile Flanken im Aluminiumwerkstoff erzeugt werden. Bei Verschraubungen ab M10 ist es vorteilhaft, ein zusätzliches Schmiermittel im Furchzonenbereich aufzubringen.
-
Aus 1 ist besonders gut erkennbar, dass bei der Befestigungsanordnung eine Direktverschraubung vorgesehen ist, in deren Rahmen die Schraube 10 nicht etwa in ein Gewindeeinsatz, sondern direkt in den Aluminiumwerkstoff des Bauteils 12 eingeschraubt wird. Da das Außengewinde 14 zudem selbstfurchend beziehungsweise gewindefurchend ausgebildet ist, ist es nicht erforderlich, in das Kernloch 18 unabhängig von der Schraube 10 ein Innengewinde einzubringen, sodass die Befestigungsanordnung insgesamt besonders zeit- und kostengünstig hergestellt werden kann. Darüber hinaus lässt sich eine besonders prozesssichere Montage in Form einer Schraubenmontage mit guter Parameterabstimmung realisieren bei gleichzeitiger Vermeidung von Gewindebeschädigungen und Schraubenfässern. Dabei ist ein leichter Schrägansatz der Schraube 10 unproblematisch, da sich die Schraube 10 beim Einschrauben zumindest im Wesentlichen selbstständig in ihre gewünschte Position zieht. Besondere Maßnahmen wie bei anderen Schrauben sind nicht vorgesehen und nicht erforderlich. Darüber hinaus kann bei der Direktverschraubung ein Selbsthemmungseffekt und eine Gewindesicherung realisiert werden. Hierbei kann eine Nulltoleranz im Gewindespiel zwischen der Schraube 10 und dem Bauteil 12 realisiert werden, wobei zusätzliche und kostenintensive Sicherungsmittel wie beispielsweise Klebemittel zwischen der Schraube 10 und dem Bauteil 12 nicht vorgesehen und nicht erforderlich sind.
-
Das Außengewinde 14 weist dabei eine Gewindeflankengeometrie auf, mittels welcher der Aluminiumwerkstoff infolge des Einschraubens der Schraube 10 in den Aluminiumwerkstoff kaltverfestigt ist. Infolge dieser Kaltverfestigung kann eine besonders hohe Festigkeit des Innengewindes 16 realisiert werden.
-
Ist das Bauteil 12 einer T5-Wärmebehandlung unterzogen, so ist das Bauteil 12 einfach wärmebehandelt und nach dem Ausformen abgeschreckt und warm ausgelagert. Hierbei weist das Bauteil 12 beispielsweise einen Wert von RP0,2 von 160 Megapascal bis 240 Megapascal auf.
-
Ist das Bauteil 12 beispielsweise einer T6-Wärmebehandlung unterzogen, so ist es zweifach wärmebehandelt und dabei lösungsgeglüht, abgeschreckt und warm ausgelagert. Hierbei beträgt RP0,2 beispielsweise 220 Megapascal bis 280 Megapascal.
-
4 zeigt die Schraube 10 in einer schematischen Perspektivansicht, wobei zumindest ein Teil des Außengewindes 14 außenumfangsseitig mit einer Zink-Nickel-Duplexbeschichtung 28 versehen ist. Hierdurch lässt sich ein Korrosionsschutz ohne Feuchtigkeitseintritt zwischen der Schraube 10 und dem als Muttergewinde ausgebildeten Innengewinde 16 realisieren. Zur Realisierung eines besonders guten Korrosionsschutzes können zusätzlich zur genannten Duplexbeschichtung ein Dichtmittel sowie ein abgestimmtes Schmiermittel vorgesehen sein.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 202005013320 U1 [0002]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
