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Die Erfindung betrifft ein einen Schaft aufweisendes Befestigungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Werkzeug zum Setzen eines solchen Befestigungselements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Die
DE 20 2004 014 071 U1 betrifft ein gattungsgemäßes Befestigungselement, das einen Flansch mit einem Verbindungsbereich zur Befestigung an einem Bauteil umfasst. Ferner weist das Befestigungselement an der von dem Verbindungsbereich abgewandten Seite des Flansches einen Schaft auf. Um das Befestigungselement mit einem Bauteil zu verbinden, ist vorgesehen, dass ein Antriebswerkzeug mit einem rohrförmigen Druckstück, das über den Schaftbereich geschoben wird, auf die Flanschfläche eine Axialkraft aufbringt. Über eine Aufnahme wird das Befestigungselement in Drehrichtung festgelegt und kann so durch Rotation des Antriebswerkzeugs mit dem Bauelement verschweißt werden.
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Das Druckstück gewährleistet dabei, dass der Bolzen schlagfrei rotiert und sich somit um seine Drehachse, die auf der Schaftachse liegt, gleichmäßig rotiert.
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Diese Anordnung hat den Nachteil, dass eine sehr genaue Abstimmung des Innendurchmessers des Druckstücks auf den Schaftdurchmesser notwendig ist, um die vorgesehene Funktion sicherzustellen. Eine Einführhilfe in Form einer konischen Abschrägung erleichtert in dieser Gestaltung das Aufstecken des passgenauen Werkstücks. So ist für jeden Schaftdurchmesser ein auf diesen angepasstes Werkzeug von Nöten. Zudem ist diese Gestaltung verschleißbehaftet, da aufgrund der Anforderung an die Passgenauigkeit nur ein geringfügiger Materialabtrag toleriert werden kann.
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Es ist Aufgabe der Erfindung oben genannte Nachteile zu beseitigen.
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Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
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Die Unteransprüche bilden eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung.
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In bekannter Weise umfasst ein Befestigungselement zur Verbindung mit einem Bauteil einen Flansch, der Antriebsstrukturen trägt, wobei an dem Flansch ein Verbindungsbereich angeformt ist, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement durch Reibschweißen an dem Bauteil befestigbar ist. Ferner weist das Befestigungselement einen Schaft auf, der an der dem Verbindungsbereich gegenüberliegenden Seite des Flansches angeordnet ist. Zudem weist das Befestigungselement im Übergang von Schaft zu Verbindungsbereich in axialer Richtung einen Führungsbereich auf, der eine Führungsfläche umfasst, die wenigstens ein Segment einer Mantelfläche umfasst, das einem sich in Richtung des Verbindungsbereichs aufweitenden Konus zugeordnet ist.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an den Führungsbereich an seinem dem Schaft zugewandten Ende eine Axialdruckfläche vorgesehen ist, wobei die Erstreckung der Axialdruckfläche in einer radialen Richtung größer ist als der Durchmesser des Schaftes. Da die zur Montage notwendigen axialen Druckkräfte über die insbesondere plane, orthogonal zur Schaftachse liegende Planfläche übertragen werden können, muss der Führungsbereich lediglich eine Zentrierfunktion übernehmen. Dadurch wird der Verschleiß im Werkzeug erheblich minimiert. Eine unrunde Drehbewegung kann auf diese Weise vermieden werden.
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Insbesondere ist die Axialdruckfläche in Form einer Ringfläche ausgeführt, die gegenüber dem Flansch oder dem Schaft abgesetzt ist. An dieser Ringfläche, die in die seitliche Führungsfläche übergeht, kann ein eine Ringfläche und eine konische Ausnehmung aufweisendes Druckstück zur Übertragung der Anpresskraft und der zentrierten Führung während des Betriebs eingreifen. Der Bereich innerhalb der Ringfläche kann so, unabhängig von Zentrierungsaufgaben, weitgehend frei gestaltet werden.
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So kann zum Antrieb eines solchen Befestigungselements ein Antriebswerkzeug vorgesehen sein, das ein Druckstück umfasst, das eine Ringfläche aufweist, deren Ausnehmung größer als der Schaftdurchmesser ist und in seiner Außenabmessung etwa der Ausdehnung der Planfläche entspricht. Darüber hinaus kann das Druckstück so gestaltet sein, dass die Ringfläche die obere Fläche eines Kegelstumpfes bildet, der sich in Befestigungsrichtung konisch aufweitet. Auf diese Weise bildet eine solche Mantelfläche einen Anlagebereich mit den Führungsflächen des Führungsbereichs, wobei gleichzeitig die Ringfläche auf die Axialdruckfläche drückt.
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Auf diese Weise kann das rotierende Befestigungselement während des Befestigungsvorgangs zentriert gehalten werden. Aufgrund der seitlichen konischen Führung des Befestigungselements im Führungsbereich kann der Schaft unabhängig von Zentrieranforderungen gestaltet werden. So wird es möglich, dass mit nur einem Antriebswerkzeug Befestigungselemente mit unterschiedlichen Schaftdurchmessern, die kleiner sind als der Durchmesser der Ausnehmung, verarbeitet werden können. Ein einheitlicher Führungsbereich kann diesem Bedürfnis Rechnung tragen.
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In besonders vorteilhafter Weise ergibt es sich, dass der Führungsbereich zwischen dem Schaft und dem Flansch angeordnet ist. Dadurch kann auch der Flansch mit seinen Antriebsmitteln unabhängig von Zentrieranforderungen gestaltet werden. Bei einer solchen Anordnung liegt der Führungsbereich radial innerhalb der Antriebsmittel. So kann eine laufruhigere Führung gewährleistet werden. Zudem eignet sich diese Formgebung in besonderer Weise zur kaltumformtechnischen Herstellung.
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Der Führungsbereich kann in der vorgenannten Ausgestaltung vom Flansch abgesetzt sein. Dies erlaubt eine gute Trennung von Druckbereich und Führungsbereich und Antriebsbereich.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Flansch den Führungsbereich umfassen. Dies bedeutet, dass der Führungsbereich in Richtung des Verbindungsbereichs absatzlos in den die Antriebsstrukturen tragenden Flansch übergeht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Führungsfläche als eine vollständig umlaufende Mantelfläche des zugeordneten Konus ausgebildet. Diese Ausgestaltung weist eine besonders rotationsymmetrische Gestaltung auf und vermeidet so Unwuchten um die Schaftachse.
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Vorzugsweise kann der Konus des Führungsbereichs einen Winkel von 35° bis 65° mit der Achse des Befestigungselements einschließen. In diesem Winkelbereich ergibt sich eine besonders gute Zentrierung während der Rotation.
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Die Ausdehnung der insbesondere ringförmigen Druckfläche ist so gewählt, dass die für den Setzvorgang des Befestigungselements benötigten Anpresskräfte über diese Druckfläche vom Druckstück des Antriebswerkzeugs auf das Befestigungselement übertragen werden können.
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Die Ausdehnung der Druckfläche ist im Wesentlichen abhängig vom Material des Bauteils und vom Material des Befestigungselements.
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Eine zur Übertragung der Anpresskraft ausreichende Abmessung kann vorliegen, wenn die dem Schaft zugewandte Erstreckung der Planfläche um wenigstens 10% größer ist als der Durchmesser des Schafts. Dadurch kann eine ausreichende Druckfläche für das Befestigungselement bereitgestellt werden. So ist beispielsweise bei einem gängigen Schaftdurchmesser von 6 mm ein Durchmesser der Planfläche von wenigstens 7 mm sinnvoll.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich, wenn der äußere Durchmesser der Planfläche 7 mm und der des Schafts 6 mm oder 5 mm oder 4 mm beträgt. So können mit einer einzigen Gestaltung des Antriebswerkzeugs aufgrund der Gestaltung aus Führungsbereich und Flansch eine Vielzahl von unterschiedlichen Norm-Schaftdurchmessern ohne Tausch des Antriebswerkzeugs zuverlässig befestigt werden.
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Insbesondere ist der Schaft gewindetragend, wobei der Durchmesser des Schafts dem Außendurchmesser des Gewindes entspricht.
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Die Planfläche liegt vorzugsweise normal zur Schaftachse und erhält dadurch eine besonders rotationssymmetrische Gestalt, was die Zentrierung während des Setzvorgangs sehr verbessert.
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Das Befestigungselement kann vorzugsweise einen Verbindungsbereich aufweisen, dessen Ende so gestaltet ist, dass dieses eine Aufstandsfläche festlegt.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das Befestigungselement derart ausgestaltet sein, dass die durch den Verbindungsbereich festgelegte Aufstandsfläche planparallel zur Planfläche liegt, vorzugsweise liegen beide orthogonal zur Schaftachse. Aufgrund der Planparallelität der Aufstandsfläche und der Planfläche kann ein besonders runder Lauf des Befestigungselements während der Drehung gewährleistet werden.
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Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Befestigungssystem umfassend ein Befestigungselement zur Verbindung mit einem Bauteil, wobei das Befestigungselement einen Flansch mit Antriebsstrukturen aufweist, wobei an dem Flansch ein Verbindungsbereich angeformt ist, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement durch Reibschweißen an dem Bauteil befestigbar ist, wobei das Befestigungselement einen Schaft aufweist, der an der dem Verbindungsbereich gegenüberliegenden Seite des Flansches angeordnet ist. Ferner weist das Befestigungselement zwischen Schaft und Verbindungsbereich in axialer Richtung einen Führungsbereich auf, der eine Führungsfläche umfasst, die wenigstens ein Segment einer Mantelfläche umfasst, das einem sich in Richtung des Verbindungsbereichs aufweitenden Konus zugeordnet ist.
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Das Befestigungssystem umfasst weiter ein Werkzeug zum Befestigen eines vorbeschriebenen Befestigungselements, wobei das Werkzeug eine Antriebsaufnahme zur Übertragung einer Drehbewegung aufweist, und ein Druckstück umfasst, das teilweise hohl ausgebildet ist, und welches an dem dem Befestigungselement zugewandten Ende eine kegelstumpfförmige Ausnehmung aufweist, die eine werkzeugseitige Führungsfläche bildet.
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Erfindungsgemäß sind das Druckstück und die Axialdruckfläche so aufeinander abgestimmt, dass die für den Setzvorgang notwendige Druckkraft übertragen wird, und die werkzeugseitige Führungsfläche und der befestigungselementseitige Führungsbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Aneinanderliegen des Druckstücks und der Plandruckfläche ermöglicht ist, und der Führungsbereich und die Führungsfläche durch eine außermittige Lage des eingesetzten Befestigungselements in Anlage bringbar sind.
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Insbesondere weisen die Führungsflächen des Werkzeugs und die Führungsflächen des Befestigungselements den gleichen Winkel auf. Die Führungsflächen liegen bei Kontakt der Axialdruckflächen des Werkzeugs und des zentral eingesetzten Befestigungselements in einem geringen Abstand parallel zueinander. Der geringe Abstand kann vorzugsweise zwischen 10 µm und 1 mm betragen.
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Das Befestigungselement kann vorzugsweise wie vorangehend beschrieben ausgebildet sein. Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
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1 ein Reibelement, welches über eine Drehbewegung unter Aufbringung einer Axialkraft mit einem Bauteil verbunden werden kann;
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2 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Reibelements;
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3a eine Schnittansicht eines Befestigungselements gemäß 1;
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3b die Darstellung nach vollständiger Aufnahme des Befestigungselements im Antriebswerkzeug;
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4 eine Ausgestaltung, bei der ein Antriebswerkzeug vorgesehen ist, welches ein Druckstück umfasst, das radial außerhalb der Antriebsmittel vorgesehen ist;
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5a ein Befestigungssystem in einer Schnittansicht vor vollständiger Aufnahme eines Befestigungselements in ein Werkzeug, und
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5b ein Befestigungssystem in einer Schnittansicht nach vollständiger Aufnahme eines Befestigungselements in ein Werkzeug.
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 10, welches über eine Drehbewegung unter Aufbringung einer Axialkraft F mit einem Bauteil 12 verbunden werden kann. Das Befestigungselement 10 umfasst einen Flansch 14, an welchem Antriebsmittel vorgesehen sind, um eine rotatorische Bewegung von einem Werkzeug auf das Befestigungselement 10 zu übertragen. Die Antriebsmittel sind in Form eines Außensechskantantriebs ausgebildet. An den Flansch 14 schließt in Richtung des Schafts 16 ein Führungsbereich 18 an. Der Führungsbereich 18 ist kegelstumpfartig ausgebildet und gegenüber dem Flansch 14 abgesetzt. An seinem dem Schaft zugewandten Ende weist der Kegelstumpf eine Planfläche 20 auf, die eine Ringfläche darstellt. Von der Planfläche 20 wird der Anpressdruck, der für die Reibschweißverbindung notwendig ist, auf das Befestigungselement 10 übertragen. Auf diese Weise kann das Befestigungselement 10 unter Aufschmelzen eines Verbindungsbereichs 22 mit dem Bauteil 12 eine Reibverbindung eingehen. Durch die konische Führungsfläche 24 erfolgt eine Zentrierung des Befestigungselements 10 an korrespondierenden Führungsflächen eines Antriebswerkzeugs (nicht dargestellt) während des Befestigungsvorgangs. Dadurch wird eine gleichmäßige Drehung des Befestigungselements 10 um seine Achse gewährleistet und ein sogenanntes Schlagen des Befestigungselements 10 während des Reibschweißvorgangs verhindert.
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Das Zusammenwirken des Befestigungselements 10 mit dem Werkzeug ist in den folgenden Figuren näher beschrieben.
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2 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Befestigungselements 30. In dieser Ausführungsform geht der Führungsbereich 32 absatzlos in den Flansch 24 über. Das Befestigungselement weist an der einen Seite des Flansches 34 einen Verbindungsbereich 36 auf und auf der dem Verbindungsbereich gegenüberliegenden Seite einen Schaft 38. Die Antriebsmittel sind in Form einer Verzahnung 35 ausgeführt. Das Befestigungselement 30 ist in einer Schnittdarstellung zu dieser Ausgestaltung in 3a und 3b näher beschrieben. Die notwendigen Anpresskräfte werden über die plane, ringförmige Axialdruckfläche 37 übertragen.
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3a zeigt eine Schnittansicht eines Befestigungselements 30 gemäß 1. Das Befestigungselement 30 weist Antriebsmittel 35 auf, die in Form von Ausnehmungen in den Flansch 34 eingebracht sind. Am Antriebswerkzeug 50 sind entsprechende korrespondierende Antriebsmittel 52 zur Übertragung der Drehbewegung angeformt. Zudem weist das Antriebswerkzeug 50 ein Druckstück 54 auf.
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Das Druckstück 54 ist für die Übertragung der Anpresskraft auf das Befestigungselement 30 zuständig. Dieses weist dafür eine ringförmige Axialdruckfläche 56 auf, welche in eine kegelige Führungsfläche 58 übergeht. Das Befestigungselement 30 wird beim Zuführvorgang zuerst von dem Antriebsmittel 35 umfasst und anschließend mit seinem Führungsbereich 32 in eine korrespondierende Aufnahme des Druckstücks 54 eingesetzt. Auf diese Weise wird die Axialdruckfläche 37, die als Ringfläche um den Schaft herum gebildet ist, von der ringförmigen Axialdruckfläche 56 in Befestigungsrichtung gedrückt. Während der Drehung wird das Befestigungselement 30 über die Führungsflächen 34 und die korrespondierende kegelige Führungsfläche 58 des Antriebswerkzeugs 50 zentriert. Dadurch wird ein ruhiger Lauf des Befestigungselements 30 gewährleistet, ohne dass sich ein Verschleiß aufgrund der hohen Anpressdrücke ergibt, da keine Anpresskraft auf die konische Führungsfläche 58 des Antriebswerkzeugs 50 ausgeübt wird.
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So erfährt das Befestigungselement 30 zuerst eine Führung durch den Antriebsteil des Antriebswerkzeugs 50, wonach das Befestigungselement 30 mit seiner Axialdruckfläche 37 mit der ringförmigen Axialdruckfläche 56 des Druckstücks 54 in Anlage gebracht wird.
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3b zeigt die Darstellung nach vollständiger Aufnahme des Befestigungselements im Antriebswerkzeug 50. Bei Anlage der Axialdruckflächen 37 des Befestigungselements an die Axialdruckfläche 56 des Druckstücks 54 ergibt sich ein Abstand der Antriebsmittel 52 von den Antriebsmitteln 35 des Befestigungselements. Dadurch führt ein Ausgleich bzw. eine Zentrierung des Befestigungselements 30 durch das Druckstück 54 nicht zu einem Verklemmen des Befestigungselements 30 mit dem Antriebsmittel 52. Die korrespondierenden Führungsflächen 34, 58 sind derart spielbehaftet, so dass bei idealer zentrischer und gerader Lage keine Axialkräfte auf die Führungsfläche 34 des Befestigungselements 30 wirken.
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Durch die korrespondierenden Axialdruckflächen 37 des Befestigungselements 30 und der Axialdruckfläche 56 des Antriebswerkzeugs 50 wird die für den Reibschweißvorgang notwendige Axialkraft F zuverlässig übertragen, wobei die Führungsfläche 58 des Antriebswerkzeugs 50 zusammen mit der korrespondierenden Führungsfläche 34 für eine stabile Lage beim Eindrehen sorgt.
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4 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher die Axialdruckfläche 90 radial außerhalb der Antriebsmittel 84 vorgesehen ist. Das Befestigungselement 80 weist einen Führungsbereich 82 auf, der zwischen dem die Antriebsmittel 84 tragenden Flansch 86 und dem Verbindungsbereich 88 angeordnet ist.
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Aufgrund dieser Ausgestaltung kann der gesamte Bereich, der radial innerhalb der ringförmigen Axialdruckfläche 90 des Zentrierelements 82 liegt, frei gestaltet werden, ohne dass auf die Stabilisierung des Elements geachtet werden muss. So können insbesondere bei einer solchen Ausgestaltung bereits vormontierte Elemente, wie hier ein Befestigungselement 80, mit einer Mutter 92 an einem Bauteil angebracht werden, wodurch dennoch eine laufruhige stabile Befestigung möglich ist.
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5a zeigt ein Befestigungssystem 100 umfassend ein Befestigungselement 102 sowie ein Werkzeug 104 zur Befestigung des Befestigungselements 102. Das Befestigungselement weist wie zuvor beschrieben einen Flansch 106 mit Antriebsstrukturen 108 auf. An dem Flansch 106 ist ein Verbindungsbereich 110 angeformt, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement 102 mit seiner Oberfläche verbindbar ist. Das Befestigungselement 102 weist zwischen seinem Schaft 112 und dem Verbindungsbereich 110 einen Führungsbereich mit einer Führungsfläche 114 auf. Ferner weist das Befestigungselement 102 eine Axialdruckfläche 116 auf. Diese wirkt mit einer Axialdruckfläche 118 des Werkzeugs 104 zusammen, um den Anpressdruck vom Werkzeug auf das Befestigungselement 102 zu übertragen. Die Führungsfläche 114 des Befestigungselements 102 ist parallel zur Führungsfläche 120 des Werkzeugs angeordnet. Zu der konischen Führungsfläche 114 des Befestigungselements 102 ist korrespondierend die Führungsfläche 120 des Werkzeugs als konische Ausnehmung ausgebildet.
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Wie 5b zu entnehmen ist, in der die Schnittansicht bei vollständig eingesetztem Befestigungselement 102 dargestellt ist, wird die Druckkraft über die Axialdruckflächen 116, 118 übertragen, die übereinander zu Liegen kommen, wobei zwischen den Führungsflächen 120, 114 ein geringer Abstand bestehen bleibt, der die Axialdruckübertragung nicht beeinflusst, jedoch ein Verkippen des Befestigungselements 102 aus seiner Drehachse heraus in engen Grenzen hält. Dadurch kann eine besonders effiziente und qualitativ hochwertige Befestigung erreicht werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 202004014071 U1 [0002]
