DE102016208193A1 - A method for securing a threaded connection against unwanted loosening and screw for use in the method - Google Patents
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Abstract
Bei dem Verfahren zum Sichern einer Schraubverbindung gegen unerwünschtes Lösen werden mit mindestens einer Schraube zwei zu verbindende Bauteile verbunden. Eine Schraube und/oder eine Schraubenmutter, die zumindest teilweise mit einem Zusatzwerkstoff, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Schrauben-, Schraubenmutter- und des Werkstoffs mindestens eines der zu verbindenden Bauteile liegt, beschichtet ist, wird mit einem Mindestanzugsdrehmoment in ein Gewinde, das in einer Bohrung mindestens eines der zu verbindenden Bauteile oder einer Schraubenmutter ausgebildet ist, eingeschraubt. Mittels einer elektrischen Kontaktierung an der Schraube und einer elektrischen Kontaktierung an einem aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Bauteil und/oder einer metallischen Schraubenmutter kann ein elektrischer Stromfluss oder einen anderen Energieeintrag mit einer vorgebbaren Leistung wird eine Erwärmung der Schraube und im Kontaktbereich zwischen Schraube, Schraubenmutter und/oder metallischem Bauteil, bei der eine Temperatur erreicht wird, die unterhalb der Schmelztemperatur des Zusatzwerkstoffs liegt. Es erfolgt eine Diffusion des Zusatzwerkstoffes an den Grenzflächen die zur Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung in Form einer Presslötverbindung oder Diffusionsschweißverbindung führt.In the method for securing a screw against unwanted loosening to be connected with at least one screw two components. A screw and / or a nut, which is at least partially coated with a filler whose melting temperature is below the melting temperature of the screw, nut and the material of at least one of the components to be joined is coated with a minimum tightening torque in a thread that in a bore of at least one of the components to be connected or a nut is screwed. By means of an electrical contact on the screw and an electrical contact on a component formed from a metallic material and / or a metallic nut may be an electric current flow or another energy input with a predetermined power is a heating of the screw and in the contact area between the screw, nut and or metallic component, in which a temperature is reached, which is below the melting temperature of the filler material. There is a diffusion of the filler material at the interfaces which leads to the formation of a cohesive connection in the form of a Presslötverbindung or Diffusionsschweißverbindung.
Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Sichern einer Schraubverbindung gegen unerwünschtes Lösen und Schraube zur Verwendung bei dem Verfahren. The invention relates to a method for securing a screw connection against unwanted loosening and screw for use in the method.
Wenn bei Schraubverbindungen die Betriebslasten ein Gleiten zwischen den verspannten Bauteilen auslösen, dann müssen diese Schrauben durch spezielle Losdrehsicherungen gesichert werden. Bisher werden mikroverkapselte oder flüssige Klebstoffe zur Erzielung eines Stoffschlusses oder Sperrverzahnungsscheiben als Losdrehsicherungen eingesetzt. If, in the case of screw connections, the operating loads trigger a sliding between the braced components, then these screws must be secured by special anti-rotation locks. So far, microencapsulated or liquid adhesives are used to achieve a material connection or Sperrverzahnungsscheiben as Losdrehsicherungen.
Bei Verschraubungen mit Klebstoffen lässt sich der Reibungskoeffizient beim Verschrauben nur schlecht bis gar nicht bestimmen. Dieser ist jedoch für eine Auslegung der Schraubverbindungen von Bedeutung, um ausreichend Vorspannkraft in der Verbindung sicherstellen zu können und eine Überlastung der Schrauben zu verhindern. When screwing with adhesives, the coefficient of friction during screwing is difficult or impossible to determine. However, this is important for a design of the screw to ensure sufficient preload force in the connection and to prevent overloading of the screws.
Zusätzlich sind Schraubverbindungen, an denen Klebstoffe zur Sicherung eingesetzt wurden, nicht ohne weiteres erneut verwendbar. Der verbliebene alte Klebstoff insbesondere im Mutterngewinde müsste entfernt werden, um wieder konstante Reibbedingungen erreichen zu können. Dies ist technisch kaum umsetzbar. Der zusätzliche Klebstoff erhöht auch die Fertigungskosten einer Schraubverbindung. In addition, screw connections on which adhesives have been used for securing, not readily reusable. The remaining old adhesive in particular in the nut thread would have to be removed in order to achieve constant friction conditions again. This is technically difficult to implement. The additional adhesive also increases the manufacturing costs of a screw connection.
Mechanische Spannelemente, wie paarweise Sperrverzahnungsscheiben oder Unterkopfsperrverzahnungen, stellen einen zusätzlichen Kosten- und Montageaufwand aufgrund einer größeren Anzahl an Einzelteilen dar. Speziell bei den Sperrverzahnungsscheiben besteht die Möglichkeit einer Falschmontage, da hier die Einbaurichtung entscheidend ist. Dadurch kann die Sicherung unwirksam sein. Verzahnungen sorgen außerdem beim Anziehen und Lösen für eine Beschädigung der Bauteiloberfläche, wodurch die Gefahr von Korrosion stark erhöht und die Verhältnisse bei der Herstellung einer neuen Schraubverbindung nach einem Lösen verschlechtert werden. Mechanical clamping elements, such as pairwise locking gear teeth or underhead locking gears, represent an additional cost and assembly effort due to a larger number of individual parts. Especially with the locking gear discs, there is the possibility of a wrong assembly, since the installation direction is crucial. As a result, the backup can be ineffective. In addition, teeth cause damage to the component surface during tightening and loosening, which greatly increases the risk of corrosion and worsens the conditions when producing a new screw connection after loosening.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Möglichkeiten zur Sicherung von Schraubverbindungen und Schrauben zur Verwendung mit dem erfindungsgemäßen Verfahren vorzuschlagen, so dass ein unerwünschtes Lösen der Schraubverbindung sicher verhindert und die Oberfläche der Bauteile nicht beschädigt wird. It is therefore an object of the invention to propose ways to secure screw and screws for use with the method according to the invention, so that an undesirable loosening of the screw securely prevented and the surface of the components is not damaged.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Verfahren, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Eine Schraube zur Verwendung dem erfindungsgemäßen Verfahren wird in Anspruch 9 offenbart. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. According to the invention, this object is achieved by a method having the features of
Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren gegen unerwünschtes Lösen einer Schraubverbindung werden mindestens zwei miteinander zu verbindende Bauteile mit einer Schraube verbunden. Die Schraube und/oder eine Schraubenmutter ist/sind zumindest teilweise mit einem Zusatzwerkstoff beschichtet, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Schraubenwerkstoffes und/oder des Schraubenmutterwerkstoffs und des Werkstoffes mindestens eines der zu verbindenden Bauteile liegt. Die Schraube wird mit einem Mindestanzugsdrehmoment in ein Gewinde eingeschraubt, das in einer Bohrung mindestens eines der zu verbindenden Bauteile oder einer zusätzlichen Schraubenmutter ausgebildet ist. In der Variante ohne Schraubenmutter ist dabei mindestens eines der zu verbindenden Bauteile aus einem metallischen Werkstoff gebildet. In a method according to the invention against unwanted loosening of a screw connection, at least two components to be connected to one another are connected to a screw. The screw and / or a nut is / are at least partially coated with a filler whose melting temperature is below the melting temperature of the screw material and / or the nut material and the material of at least one of the components to be joined. The screw is screwed with a Mindestanzugsdrehmoment in a thread which is formed in a bore at least one of the components to be connected or an additional nut. In the variant without a nut, at least one of the components to be connected is formed from a metallic material.
Mit einem Mindestanzugsdrehmoment sollten Druckkräfte in Kontaktflächenbereichen erreicht werden, in denen eine Diffusion von Zusatzwerkstoff in den Schrauben-, Schraubenmutter- und/oder Bauteilwerkstoff erreichbar ist. With a minimum tightening torque, compressive forces should be achieved in contact surface areas where diffusion of filler material into the screw, nut, and / or component material can be achieved.
Mittels einer elektrischen Kontaktierung an der Schraube, der Schraubenmutter und/oder einer weiteren elektrischen Kontaktierung an einem aus einem metallischen Werkstoff gebildeten Bauteil erfolgt ein elektrischer Stromfluss mit einer vorgebbaren Leistung, der zu einer Erwärmung der Schraube, der Schraubenmutter und/oder im Kontaktbereich zwischen Schraube und metallischem Bauteil/metallischen Bauteilen führt. Die Leistung des elektrischen Stroms bezogen auf den Spannungsquerschnitt AS der Schraube kann dabei im Bereich von 0,01 kVA/mm2 und 20 kVA/mm2 liegen. By means of an electrical contact on the screw, the nut and / or another electrical contact on a component formed from a metallic material, an electrical current flow with a predetermined power, which leads to a heating of the screw, the nut and / or in the contact area between screw and metallic component / metallic components leads. The power of the electric current relative to the voltage cross section A S of the screw can be in the range of 0.01 kVA / mm 2 and 20 kVA / mm 2 .
Aus dem gemessenen elektrischen Widerstand zwischen den elektrischen Kontaktierungen kann die jeweilige Temperatur des Schrauben-, Schraubenkopfwerkstoffes und des Werkstoffes mindestens eines der zu verbindenden Bauteile bestimmt werden. Da sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit der jeweiligen Temperatur verändert, kann anhand der Temperatur der elektrische Stromfluss so geregelt werden, dass die erreichte Temperatur unterhalb des Schmelzpunktes des Zusatzwerkstoffes liegt. From the measured electrical resistance between the electrical contacts, the respective temperature of the screw, screw head material and the material of at least one of the components to be joined can be determined. Since the electrical resistance changes as a function of the respective temperature, the temperature of the electrical current flow can be controlled so that the temperature reached is below the melting point of the filler material.
Die elektrischen Kontaktierungen können dabei lokal definiert so an der Schraube, Schraubenmutter und/oder dem aus dem/den metallischen Werkstoff gebildeten Bauteil(en) angeordnet sein, dass die Schraube ggf. die Schraubenmutter und der umliegende Bereich im jeweiligen Bauteil lokal definiert, bevorzugt unter dem Schraubenkopf und/oder im Bereich der Gewinde der Schraube, der Schraubenmutter und/oder des/der Bauteile(s) erreicht wird. Dadurch ist es möglich, die stoffschlüssige Verbindung als Presslötverbindung oder Diffusionsschweißverbindung zwischen der Schraube, Schraubenmutter und/oder dem/den Bauteil(en) an vorgebbaren Positionen der Schraubverbindung auszubilden und so beispielsweise lokal auf den Bereich des Gewindes oder des Schraubenkopfes zu begrenzen, so dass dadurch keine Beeinflussung oder Beschädigung der Bauteiloberfläche auftritt. The electrical contacts can be locally defined so as to be arranged on the screw, nut and / or formed from the / the metallic material component (s) that the screw if necessary, the nut and the surrounding area in the respective component locally defined, preferably under the screw head and / or in the region of the threads of the screw, the nut and / or of the / the component (s) is reached. This makes it possible to form the cohesive connection as a press-soldered or diffusion welded connection between the screw, nut and / or the component (s) to predeterminable positions of the screw and so for example locally to the region of the thread or the screw head, so that As a result, no influence or damage to the component surface occurs.
Die Erwärmung kann in einer weiteren Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens durch eine induktive Einkopplung elektrischer oder elektromagnetischer Wechselfelder mit einer vorgebbaren Leistung erreicht, und kann dabei bevorzugt mit einem gepulst betriebenen Induktor erfolgen. The heating can be achieved in a further alternative of the method according to the invention by an inductive coupling of electrical or electromagnetic alternating fields with a predetermined power, and can be carried out preferably with a pulsed-operated inductor.
In einer weiteren Alternative der Erfindung kann die Erwärmung durch einen Energieeintrag mittels Bestrahlung mit einer vorgebbaren Leistung erreicht werden. Dabei kann die Bestrahlung mittels einer Laserstrahlung erfolgen. In a further alternative of the invention, the heating can be achieved by an energy input by means of irradiation with a predeterminable power. In this case, the irradiation can be effected by means of a laser radiation.
Alternativ kann die Erwärmung auch durch einen Energieeintrag durch Reibungswärme erfolgen. Dies kann durch lange Schraubwege mit hoher Drehzahl oder ein Einschrauben unter Vorspannung gelingen. Dazu kann eine mehrwindige Druckfeder unter dem Schraubenkopf angebracht werden, wodurch ein langer Einschraubweg unter Vorspannung erreicht wird. Weiterhin ist es auch möglich, während des Einschraubens mit dem Schraubgerät auf den Kopf der Schraube eine Druckkraft auszuüben, wodurch die Reibwärme im Gewinde zunimmt. Kurz vor dem Endanzug wird die Druckkraft dann idealerweise entfernt, sodass die Reibverhältnisse der Berechnung/Auslegung entsprechen. Alternatively, the heating can also be effected by an energy input by frictional heat. This can be achieved by long screwdriving at high speed or screwing under pretension. For this purpose, a mehrwindige compression spring can be mounted under the screw head, whereby a long Einschraubweg is achieved under bias. Furthermore, it is also possible to exert a compressive force during screwing with the screwdriver on the head of the screw, whereby the frictional heat increases in the thread. Shortly before the final suit, the compressive force is then ideally removed so that the friction conditions correspond to the calculation / design.
Eine Einbringung von Energie kann alternativ auch durch Vorwärmen der Bauteile, Schraubenmutter und/oder Schraube umgesetzt werden. Im Falle von Zink sollte beispielsweise auf eine Temperatur von 200°C vorgewärmt werden. An introduction of energy can alternatively be implemented by preheating the components, nut and / or screw. In the case of zinc, for example, should be preheated to a temperature of 200 ° C.
Die Erwärmung kann bevorzugt in mehreren einzelnen, voneinander getrennten Zyklen, z.B. durch gepulste Erwärmung, vollzogen werden. Die Anzahl der Zyklen kann dabei im Bereich von 1 bis 2000 und ihre Dauer im Bereich von 1 ms bis 1000 ms liegen. The heating may preferably be carried out in several separate, separate cycles, e.g. by pulsed heating, be completed. The number of cycles can be in the range of 1 to 2000 and their duration in the range of 1 ms to 1000 ms.
Durch die Erwärmung wird eine Temperatur erreicht, die unterhalb der Schmelztemperatur oder Übergangstemperatur des jeweiligen Zusatzwerkstoffes liegt. By heating a temperature is reached, which is below the melting temperature or transition temperature of the respective filler material.
Durch die Erwärmung erfolgt eine Diffusion des Zusatzwerkstoffes an den Grenzflächen zwischen der Schraube, Schraubenmutter und/oder dem Werkstoff des/der Bauteile(s) im Kontaktbereich des/der Bauteile(s) und des Zusatzwerkstoffes, die zu einer stoffschlüssigen Verbindung zwischen Schraube, Schraubenmutter und/oder dem Bauteil/den Bauteilen führt. By heating a diffusion of the filler occurs at the interfaces between the screw, nut and / or the material of the / the component (s) in the contact area of the / the components (s) and the filler, which leads to a cohesive connection between the screw, nut and / or the component (s).
Eine Schraube und/oder Schraubenmutter zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Verfahren sollte(n) aus einem metallischen Werkstoff gebildet und zumindest teilweise mit einem bevorzugt metallischen Zusatzwerkstoff beschichtet sein. A screw and / or nut for use in a method according to the invention should (n) formed from a metallic material and at least partially coated with a preferably metallic filler material.
Der Zusatzwerkstoff kann bevorzugt aus Aluminium, Zink, Zinn, Kupfer, Nickel, Silber und Chrom und einer Legierung davon ausgewählt sein. Es können Legierungen mit einem Eutektikum, das eine gegenüber der Schmelztemperatur des Basismetalls der Legierung kleinere Schmelztemperatur aufweist, eingesetzt werden. The filler material may preferably be selected from aluminum, zinc, tin, copper, nickel, silver and chromium and an alloy thereof. Alloys having a eutectic having a lower melting temperature than the melting temperature of the base metal of the alloy may be used.
Das Aufbringen des Zusatzwerkstoffes kann galvanisch, durch chemische Gasphasenabscheidung, physikalische Gasphasenabscheidung, Schmelztauchen, thermisches Spritzen, Reibbeschichten, Auftragslöten, Aufwalzen oder Sintern erfolgen. The application of the filler material can be galvanic, by chemical vapor deposition, physical vapor deposition, hot dipping, thermal spraying, friction coating, order soldering, rolling or sintering done.
Die Beschichtung kann lokal definiert im Bereich des Gewindes der Schraube und/oder Schraubenmutter ausgebildet sein, um eine Beeinflussung der Bauteiloberfläche im Bereich des Schraubenkopfes und der Kontaktfläche zwischen dem jeweiligen Bauteil und einer Schraubenmutter zu vermeiden. Alternativ oder gleichzeitig kann die Beschichtung im Bereich des Schraubenkopfes und/oder einer Schraubenmutter aufgebracht sein, der mit einem metallischen Bauteil bei der Herstellung der Schraubverbindung in berührenden Kontakt gebracht wird, um so in diesem Bereich eine stoffschlüssige Verbindung zu erreichen. The coating can be formed locally defined in the region of the thread of the screw and / or nut to avoid influencing the component surface in the region of the screw head and the contact surface between the respective component and a nut. Alternatively or simultaneously, the coating can be applied in the region of the screw head and / or a screw nut which is brought into touching contact with a metallic component during the production of the screw connection so as to achieve a material connection in this area.
Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens werden Schraubverbindungen gegen ungewolltes Lösen gesichert. Die Schraubverbindung kann jedoch gezielt gelöst werden, dabei sind die Schraube, Schraubenmutter und/oder auch das/die Gewinde in den zu verbindenden Bauteilen mehrfach wiederverwendbar. Es entstehen keine zusätzlichen Kosten, da auf die Schrauben bzw. Schraubenmuttern zumeist eine geeignete Beschichtung mit einem Zusatzwerkstoff als Korrosionsschutz bereits aufgebracht ist, die für die Ausbildung einer stoffschlüssigen Verbindung mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. By means of the method screw connections are secured against unwanted loosening. However, the screw can be selectively resolved, while the screw, nut and / or also the / the thread in the components to be connected are reusable several times. There are no additional costs, since the screws or nuts usually a suitable coating with an additional material as corrosion protection is already applied, which can be used for the formation of a cohesive connection by means of the method according to the invention.
Durch eine bevorzugt lokal definiert aufgebrachte Beschichtung und eine lokal definierte Erwärmung der Schraube, der Schraubenmutter und/oder des umgebenden Bereiches des/der Bauteile(s) kann eine Schraubverbindung ohne oder mit nur geringer Beeinflussung bzw. Beschädigung der Bauteiloberfläche ausgebildet werden. Da die Erwärmung unterhalb des Schmelzpunktes des Zusatzwerkstoffes und der Werkstoffe der Schraube, der Schraubenmutter und mindestens eines der zu verbindenden Bauteile liegt, bleibt die geometrische Form der Schraube, der Schraubenmutter und des/der Bauteile(s) erhalten. Außerdem sind zur Sicherung der Schraubverbindung durch das erfindungsgemäße Verfahren keine zusätzlichen Bauteile erforderlich, wodurch ein fehlerhafter Einbau ausgeschlossen ist. Zwischen dem Schraubenkopf und einem bevorzugt metallischen Bauteil kann auch ein Bauteil oder Element aus einem organischen Werkstoff angeordnet sein, ohne dass dessen Eigenschaften leiden. By a preferably locally defined applied coating and a locally defined Heating the screw, the nut and / or the surrounding area of the component (s) can be a screw without or with little influence or damage to the component surface are formed. Since the heating is below the melting point of the filler material and the materials of the screw, the nut and at least one of the components to be connected, the geometric shape of the screw, the nut and / or components (s) is retained. In addition, no additional components are required to secure the screw by the inventive method, whereby a faulty installation is excluded. A component or element made of an organic material can also be arranged between the screw head and a preferably metallic component without its properties suffering.
Nachfolgend soll die Erfindung anhand eines Beispiels näher erläutert werden. Dabei zeigen: The invention will be explained in more detail below with reference to an example. Showing:
Die Schraube S weist ein Regelgewinde M6 auf. Im Bauteil
Anschließend wurde mittels einer elektrischer Kontaktierung
Durch die Erwärmung in Verbindung mit den infolge des Anzugsdrehmoments wirkenden Druckkräften wurde eine Diffusion des Zinks als Zusatzwerkstoff und des Stahls als Bauteilwerkstoff an den Grenzflächen der Schraube S und der Bauteile
Nach einer Wartezeit von 60 min wurde das Lösedrehmoment erneut mit einem elektronischen Drehmomentschlüssel geprüft. Mit dem beschriebenen Verfahren konnte eine prozentuale Steigerung des Lösedrehmoments der Schraubverbindung von ca. 15% erreicht werden. After a waiting period of 60 minutes, the release torque was checked again with an electronic torque wrench. With the described method, a percentage increase in the release torque of the screw connection of about 15% could be achieved.
Die Schraube S wurde mit einem vorgegebenen Anzugsdrehmoment von 16 Nm angezogen. Danach wurde mittels einer elektrischen Kontaktierung
Die Schraube S wurde mit einem vorgegebenen Anzugsdrehmoment von 16 Nm angezogen. Danach wurde mittels einer elektrischen Kontaktierung
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