DE102017004778A1

DE102017004778A1 - Toleranzausgleichende Verbindungsanordnung und Bauteilanordnung, insbesondere eines motornahen Funktionsbauteils und eines Motorblocks

Info

Publication number: DE102017004778A1
Application number: DE102017004778.2A
Authority: DE
Inventors: Herbert Jainek
Original assignee: Mann and Hummel GmbH
Current assignee: Mann and Hummel GmbH
Priority date: 2017-05-18
Filing date: 2017-05-18
Publication date: 2018-11-22

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine radial und axial toleranzausgleichende Verbindungsanordnung (10) zur Montage eines ersten Bauteils (B), insbesondere eines motornahen Funktionsbauteils, insbesondere eines Ölfiltermoduls oder einer Ölwanne, an einem zweiten Bauteil (A), insbesondere einem Motorblock, umfassend eine Schraube (1) mit zumindest einem Kopf (11) und einem Schaft mit einem ersten Außengewinde (12) und eine Ausgleichsbuchse (2) mit einem Außengewinde (22), wobei die Schraube (1) von einem ersten Ende (23) her in der Ausgleichsbuchse (2) aufgenommen ist, wobei die Ausgleichsbuchse (2) zumindest teilweise in dem ersten Bauteil (B) aufnehmbar ist. Das zweite Bauteil (A) hat ein mit dem Außengewinde (12) der Schraube (1) korrespondierendes Innengewinde (3), in das die Schraube (1) ein-schraubbar ist. Die Ausgleichsbuchse (2) ist mit ihrem Außengewinde (22) in ein korrespondierendes Innengewinde (4) des ersten Bauteils (B) eindrehbar, das auch erst furchend entstehen kann, und hat an einem Innenumfang einen eingeschnürten Vorfixierungsabschnitt (21), an dem die Schraube (1) mit einem Haltebereich (13) in einem Vormontagezustand der Verbindungsanordnung (10) axial und begrenzt drehmomentübertragend gehalten ist. Ein Durchmesser (d) des Schafts (14) der Schraube (1) zwischen dem Haltebereich (13) und dem Kopf (11) ist kleiner als ein Innendurchmesser (d) des Vorfixierungsabschnitts (21) der Ausgleichsbuchse (2). Ferner wird eine Bauteilanordnung offenbart.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine toleranzausgleichende Verbindungsanordnung. Unter anderem in der Kraftfahrzeugtechnik werden im motornahen Bereich zahlreiche Funktionskomponenten wie Ölwanne, Ölfiltermodul, Thermomanagementventile, Thermostatgehäuse vermehrt aus Kunststoffen gefertigt, wobei werkstoff- und prozessbedingt Toleranzen im Bereich von mehreren Zehntel Millimetern auftreten können, die bei der Serienmontage zu Problemen hinsichtlich Fehlpositionierung führen können, was die Automatisierbarkeit der Montage verschlechtert und manuelle Tätigkeiten erforderlich macht.
Kunststoffbauteile können in der Regel nicht direkt verschraubt werden, weshalb darin Verstärkungshülsen aus Metall eingebracht werden, die als Aufnahme für eine Schraube dienen oder ihrerseits Gewinde bereitstellen, so dass die Schraubenvorspannkräfte nicht direkt auf das Kunststoffmaterial einwirken, um ein Kriechen des Kunststoffmaterials zu vermeiden. Solche einfachen Buchsen für Kunststoffgehäuse lösen zwar die Probleme hinsichtlich Fließens, bieten jedoch keinerlei Toleranzausgleich.
Stand der Technik
Aus der DE 10 2006 040 759 B3 ist eine Toleranz ausgleichende Verbindungsanordnung bekannt, die zur Verbindung von zwei Bauteilen ausgebildet ist und den Ausgleich von Toleranzen in Längsrichtung der Verbindungsanordnung betrifft. Die Vorrichtung besteht aus einer mit einem der Bauteile verschweißten Mutter mit Linksgewinde, in die eine Ausgleichsbuchse, die außen ein Linksgewinde hat, eingedreht ist. Innenseitig hat die Ausgleichsbuchse ein Rechtsgewinde; in diese ist eine korrespondierende Schaftschraube eingedreht, die ihrerseits in einer Bohrung des anderen Bauteils steckt. Zwischen dem Außengewinde der Schraube und dem Innengewinde der Ausgleichsbuchse befindet sich eine mikroverkapselte Klebstoffschicht, die dazu führt, dass zwischen Schraube und Buchse ein Grenzdrehmoment übertragen werden kann, das ausreicht, um die Ausgleichsbuchse in der Mutter (entsprechend dem Linksgewinde) weiterzudrehen, bis die Ausgleichsbuchse den Toleranzspalt zwischen den beiden Bauteilen ausgleicht.
Eine Anordnung wie diese kompensiert jedoch lediglich Toleranzen in Axialrichtung. Eine zusätzliche Kompensation von Lagefehlern in Radialrichtung der Verbindungsanordnung ist nicht vorgesehen.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine toleranzausgleichende Verbindungsanordnung zu schaffen, die einen Toleranzausgleich sowohl in Axial- als auch Radialrichtung bereitstellt und problemlos mit automatisierten Schraubverfahren anziehbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Die erfindungsgemäße toleranzausgleichende Verbindungsanordnung ist zur Montage eines ersten Bauteils, beispielsweise eines motornahen Funktionsbauteils, wie ein Ölfiltermodul oder eine Ölwanne, an einem zweiten Bauteil, beispielsweise einem Motorblock, ausgebildet. Insbesondere kann durch die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung ein besonders schwingungsgefährdeter Bereich des Ölfiltermoduls, der frei hängend ist, an einer Ölwanne befestigt werden, während ein Dichtbereich des Ölmoduls mit einem entsprechenden Gegenflansch eines Motorblocks dichtend verbunden ist.
Die Verbindungsanordnung umfasst eine Schraube mit zumindest einem Kopf und einem Schaft mit einem ersten Außengewinde sowie eine Ausgleichsbuchse mit einem Außengewinde, das beispielsweise auch als (Furch-)Wendel, Spindel oder anderes selbstformendes Gewinde ausgeführt sein kann. Die Schraube ist von einem ersten Ende her in der Ausgleichsbuchse aufgenommen und die Ausgleichsbuchse zumindest teilweise in dem ersten Bauteil aufnehmbar. Das zweite Bauteil hat seinerseits ein mit dem Außengewinde der Schraube korrespondierendes Innengewinde, in das die Schraube mit ihrem ersten Außengewinde einschraubbar ist. Die Ausgleichsbuchse ist mit ihrem Außengewinde in ein korrespondierendes Innengewinde des ersten Bauteils eindrehbar und weist an einem Innenumfang einen eingeschnürten Vorfixierungsabschnitt auf, an dem die Schraube mit einem Haltebereich, der zwischen Kopf- und Stirnseite vorliegt, in einem Vormontagezustand axial und begrenzt drehmomentübertragend gehalten ist. Schließlich ist erfindungsgemäß ein Durchmesser des Schafts der Schraube zwischen dem Haltebereich und dem Kopf kleiner als ein Innendurchmesser des Vorfixierungsabschnitts der Ausgleichsbuchse. Alternativ zu einem vorgeformten Gewinde zwischen der Ausgleichsbuchse außen und dem ersten Bauteil innen kann dieses auch erst durch Eindrehen der Ausgleichsbuchse in das erste Bauteil erzeugt werden, wobei hierzu an der Ausgleichsbuchse außen eine Furchwendel vorgesehen sein kann.
Durch letzteren Durchmesserzusammenhang wird in einem Zustand, in dem der Halteabschnitt der Schraube nicht mehr mit dem Vorfixierungsabschnitt verbunden ist, d. h. der Halteabschnitt sich jenseits/unterhalb des Vorfixierungsabschnitts befindet, eine radial toleranzausgleichende Funktion erreicht. Der Toleranzausgleich in Längenrichtung wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass bei einer Drehung der Schraube zunächst aufgrund der begrenzt Drehmoment übertragenden Verbindung des Haltebereichs mit dem Vorfixierungsabschnitt auch die Ausgleichsbuchse gedreht wird, wodurch ein evtl. vorhandener Toleranzspalt zwischen den beiden Bauteilen geschlossen wird und die Ausgleichsbuchse mit ihrem dem ersten Ende abgewandten zweiten Ende auf Anschlag mit dem zweiten Bauteil gerät.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung kann in beliebigen Größen bereitgestellt werden, wobei zur Befestigung von typischen Ölmodulen und/oder Ölwannen im PKW-Bereich in der Regel Schrauben mit ersten Gewindedurchmessern im Bereich von M5-M8 zum Einsatz kommen. Es sind für andere Anwendungsfälle - Trucks, Industriemotoren, Marine - jedoch bedeutend größere Abmessungen denkbar.
Das Innengewinde des zweiten Bauteils kann beispielsweise direkt in dem Bauteil vorliegen, etwa als Sacklochbohrung oder aber als separater Gewindeabschnitt, etwa in Form einer Mutter, insbesondere als Schweiß-, Klemm- oder Blechmutter, mit diesem verbunden sein.
In einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass die Gewindepaarung Außengewinde der Ausgleichsbuchse und Innengewinde des ersten Bauteils die gleiche Gangrichtung wie das erste Außengewinde der Schraube hat. Hierdurch ist ein Anzug der Verbindungsanordnung möglich, ohne die Drehrichtung ändern zu müssen. Alternativ hierzu kann auch vorgesehen sein, dass die Gangrichtung der Gewindepaarung Außengewinde der Ausgleichsbuchse und Innengewinde des ersten Bauteils eine andere Gangrichtung hat als das erste Außengewinde der Schraube; die Vorrichtung funktioniert auch so problemlos, da die beiden Gewindeeingriffe unterschiedliche Aufgaben erfüllen: Während über den Eingriff des Außengewindes der Ausgleichsbuchse in dem Innengewinde des ersten Bauteils lediglich die Ausgleichsbuchse Toleranz ausgleichend auf Anschlag gebracht wird (wenn es sich bei dieser Gewindepaarung um ein selbstfurchendes Gewinde handelt, wird dabei auch das Gewinde erzeugt), wird über das Außengewinde der Schraube in Eingriff mit dem Innengewinde des zweiten Bauteils die Schraubenvorspannkraft übertragen; beide Funktionen lassen sich trennen.
In einer noch weiteren Ausbildung kann ein Grenzdrehmoment, das maximal über den Vorfixierungsabschnitt von der Schraube auf die Ausgleichsbuchse übertragbar ist, größer sein als ein Reibmoment des Außengewindes der Ausgleichsbuchse in dem Innengewinde des ersten Bauteils; hierdurch wird erreicht, dass zwischen Schraube und Ausgleichsbuchse unterhalb des Grenzdrehmoments zunächst kein Drehfreiheitsgrad besteht. Erst bei Überschreiben des Grenzdrehmoments ist die begrenzt Drehmoment übertragende Halterung der Schraube in dem Vorfixierungsabschnitt der Buchse überwindbar.
Das Überwinden kann dabei irreversibel, d.h. zerstörerisch durch Trennen einer stoffschlüssigen Verbindung, Klebung o.ä., geschehen oder reversibel, etwa durch Durchschrauben bzw. -furchen.
Noch weiter kann vorgesehen sein, dass der Vorfixierungsabschnitt der Ausgleichsbuchse einen nach radial innen einragenden umlaufenden Bund hat, der als Furchbund ausgebildet sein kann. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Vorfixierungsabschnitt durch Überschreitung des Grenzdrehmoments zerstörbar ist; handelt es sich bei dem Vorfixierungsabschnitt um einen Furchbund, wird keine Zerstörung erreicht, sondern bei Überschreiten des Grenzdrehmoments schneidet/furcht sich in dem Bund ein Gewinde bzw. Wendel, was dann schließlich zum Durchschrauben einsetzbar ist. Wie bereits erwähnt, wird das Grenzdrehmoment so ausgelegt, dass das Grenzdrehmoment frühestens zu dem Zeitpunkt überschritten wird, in dem die Ausgleichsbuchse auf Anschlag mit dem zweiten Bauteil kommt.
In einer besonders bevorzugten Weiterbildung ist eine Länge zwischen einem Stirnende der Schraube und dem Haltebereich kleiner als ein buchsenseitiger Abstand zwischen dem Vorfixierungsabschnitt und einem dem ersten Ende abgewandten zweiten Ende der Ausgleichsbuchse. Hierdurch wird wirksam ein radialer Toleranzausgleich ermöglicht, da in einem durch den Vorfixierungsabschnitt gelösten Zustand die Schraube durch das Radialspiel zwischen Schaftdurchmesser unter dem Kopf und dem Innendurchmesser der Ausgleichsbuchse im Bereich des Vorfixierungsabschnitts frei bewegt werden kann, ohne jedoch schon in das Gegengewinde des zweiten Bauteils eingeschraubt zu sein.
Ferner kann der Vorfixierungsabschnitt an einer dem ersten Ende der Ausgleichsbuchse nahen Axialposition vorliegen. Hierdurch kann die maximal für eine Einschraubung in das zweite Bauteil zur Verfügung stehende Gewindelänge des ersten Gewindes der Schraube maximiert werden.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform kann die Schraube im Haltebereich ein zweites Gewinde haben, das die gleiche Gangrichtung wie das Außengewinde der Buchse hat und insbesondere ein selbstfurchendes Gewinde ist. Das selbstfurchende Gewinde kann 0,5 bis 7 Gewindegänge haben, vorteilhafterweise 1 bis 3 Gewindegänge. Dadurch, dass das zweite Gewinde der Schraube und das Außengewinde der Ausgleichsbuchse die gleiche Gangrichtung haben, wird, nachdem, die Ausgleichsbuchse auf Anschlag mit dem zweiten Bauteil gebracht wurde, vorteilhafterweise ein Durchschrauben des selbstfurchenden Gewindes durch den Vorfixierungsabschnitt möglich.
Es ist funktionell wichtig, dass die Gangrichtungen des zweiten Gewindes der Schraube und des Außengewindes der Ausgleichsbuchse identisch sind, während sich die Gangrichtung des ersten Gewindes der Schraube hiervon auch unterscheiden kann, da so beispielsweise verhindert werden kann, dass versehentlich die Schraube bereits in das Gewinde des zweiten Bauteils eingeschraubt wird, wenn dies noch nicht gewünscht ist. Gerade bei hochautomatisierten Anzugverfahren in der (automobilen) Serienproduktion kann dies sinnvoll sein. Über die Anzahl der Gewindegänge des zweiten Gewindes der Schraube kann das Grenzdrehmoment sehr genau festgelegt werden; zusätzlich spielen Gewindeform, Abmessungen und Werkstoffe als Auslegungsparameter natürlich eine wichtige Rolle.
Eine zusätzliche Weiterbildung sieht vor, dass die Ausgleichsbuchse eine Gesamtlänge hat, die größer ist als eine Dicke des ersten Bauteils an dieser Position. Hierüber ist ein steifes Verspannen des ersten Bauteils möglich, da Schraubenvorspannkräfte vom Schraubenkopf in die Ausgleichsbuchse und von der Ausgleichsbuchse in das zweite Bauteil abgeleitet werden. Dies ist insbesondere bei ersten Bauteilen aus Kunststoff vorteilhaft, da auf diese Weise ein Kriechen des Kunststoffmaterials weitgehend verhindert werden kann. Mit „Position“ ist hierein eine Position in der Normalenebene zur Schraubachse gemeint. Dies schließt natürlich nicht aus, dass das erste Bauteil an anderen Positionen, die außerhalb des Bereichs der Verbindungsanordnung liegen, größere Abmessungen aufweist, die die Länge der Buchse überschreiten. Die Gesamtlänge der Ausgleichsbuchse kann jedoch auch minimal kleiner sein als die Dicke des Bauteils an der genannten Befestigungsposition, so dass das Kunststoffmaterial des ersten Bauteils zwar mit einem Teil der Schraubenvorspannkraft beaufschlagt wird, jedoch der Hauptanteil der Schraubenvorspannkraft über die Ausgleichsbuchse geleitet wird.
Des Weiteren kann das zweite Gewinde der Schraube einen Durchmesser haben, der größer ist als der Durchmesser des ersten Gewindes der Schraube und größer als der Durchmesser des Schafts der Schraube zwischen dem Haltebereich und dem Kopf. Alternativ oder zusätzlich kann das zweite Gewinde wenigstens an einem zu der Stirnseite weisenden Ende eine Anfasung aufweisen, bevorzugt zusätzlich eine Anfasung an einer zu dem Kopfende weisenden Seite. Hierdurch wird eine Zentrierung der Schraube bezüglich des Vorfixierungsabschnitts erreicht, was besonders sinnvoll ist, wenn der Vorfixierungsabschnitt als Furchbund ausgebildet ist.
Die Ausgleichsbuchse kann ferner einen Antriebseingriff haben, der von dem ersten Ende aus zugänglich ist, wobei es sich bei dem Antriebseingriff etwa um eine Formschlusseingriffskontur, insbesondere eine ein- oder mehrfache Schlitzung, einen Innensechskant oder einen Vielzahn handeln kann. Selbstverständlich sind auch andere Formschlusskonturen möglich, z.B. auch Außensechskant, Vielrund oder ähnliche dem Fachmann geeignet erscheinende Mitnehmerprofile. Über den Antriebseingriff kann die Ausgleichsbuchse in das erste Bauteil vormontiert werden, indem sie mit ihrem Außengewinde in das korrespondierende Innengewinde des ersten Bauteils eingedreht wird bzw. unter Formung des Gewindes. Analog kann diese zur Demontage fest sitzender Verbindungsanordnungen verwendet werden.
Schließlich kann noch vorgesehen sein, dass der Kopf der Schraube in dem Vormontagezustand um ein vorbestimmtes Maß über das erste Ende der Ausgleichsbuchse übersteht. Dieser vorbestimmte Montageüberstand ist vorteilhaft bei einer automatisierten Montage, da bei variablen Kopfabständen zusätzliche Sensorik zur Erfassung einer Schraubenkopflängsposition an einer Schraubvorrichtung einzusetzen wäre. Der Montageüberstand kann einfach dimensioniert werden durch eine geeignete Festlegung des Abstandes zwischen Schraubenkopf und zweitem Gewinde bezüglich eines buchsenseitigen Abstandes des ersten Endes bezüglich des Vorfixierungsabschnitts.
Das erste Bauteil kann wenigstens teilweise aus Kunststoff bestehen, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere einem Polyamid. Die Ausgleichsbuchse sollte dagegen aus einem Werkstoff bestehen, dessen E-Modul den E-Modul des Werkstoffs des ersten Bauteils übersteigt, wobei die Ausgleichsbuchse insbesondere aus Metall, etwa aus Stahl oder Messing, bestehen kann.
Eine erfindungsgemäße Bauteilanordnung weist jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil auf, die durch zumindest eine toleranzausgleichende Verbindungsanordnung verbunden sind. Bei dem ersten Bauteil kann es sich um ein motornahes Funktionsbauteil, insbesondere ein Ölfiltermodul oder einer Ölwanne, handeln und bei dem zweiten Bauteil etwa um einen Motorblock.
Es kann vorgesehen sein, dass die Bauteilanordnung neben der toleranzausgleichenden Verbindungsanordnung gemäß der Erfindung zumindest eine weitere Verbindungsanordnung hat. Hierbei kann insbesondere vorgesehen sein, die erfindungsgemäße toleranzausgleichende Verbindungsanordnung in einem Nicht-Dichtbereich vorzusehen. Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung eignet sich besonders gut zur Fixierung von Funktionsbauteilen in frei hängenden oder stehenden Bereichen, etwa zur Festlegung eines Ölmoduls in einem vom Dichtflansch entfernt liegenden Bereich. Hierdurch kann die Schwingungsneigung solche Bauteilbereiche erheblich reduziert werden.
Alle im Bezug zu der Verbindungsanordnung genannten Merkmale und deren Kombinationen sowie deren Ausführungsformen und Vorteile sind analog auch auf die Bauteilanordnung übertragbar.
Figurenliste
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:

1 eine Längsschnittansicht der Verbindungsanordnung im Vormontagezustand,
2 eine Längsschnittansicht der Verbindungsanordnung im Montagezustand,
3 eine Längsschnittansicht der Ausgleichsbuche und Schraube,
4 eine Draufsicht der Ausgleichsbuchse,
5 einen charakteristischen Drehmomentverlauf beim Anzug.

Ausführungsform(en) der Erfindung
In 1 ist die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 10 in einem Vormontagezustand dargestellt. Zwischen den beiden zu verbindenden Bauteilen A und B liegt der toleranzbedingte Spalt T, der durch die Verbindungsanordnung 10 zu überbrücken ist. Die Anordnung besteht aus einer Schraube 1, die durch eine Ausgleichsbuchse 2 hindurch geführt ist. Die Ausgleichsbuchse 2 hat auf ihrer Mantelfläche ein Außengewinde 22, hier als Rechtsgewinde ausgeführt, mit dem sie in ein korrespondierendes Gegengewinde 4 des ersten Bauteils B eingedreht ist. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann es sich bei dem Gewinde 22 auch um ein selbstfurchendes Gewinde, eine sog. Furchwendel, handeln. Die Ausgleichsbuchse 2 befindet sich in dem Vormontagezustand noch nicht auf Anschlag mit dem zweiten Bauteil A, sondern es liegt auch zwischen dem zweiten Ende 24 der Ausgleichsbuchse 2 und der Oberfläche des zweiten Bauteils A der o.g. Spalt T vor. Diesen Vormontagezustand nimmt die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 10 bereits bei deren Vormontage in das erste Bauteil B unter Abwesenheit des zweiten Bauteils A ein. Die Schraube 1 hat ihrerseits ein endständiges Außengewinde 12, mit dem sie zur Verbindung der Bauteile A, B in das Innengewinde 3 des zweiten Bauteils A eingeschraubt werden kann. Ferner hat die Schraube 1 zwischen ihrem Kopf 11 und der Stirnseite ein zweites Gewinde 13, mit dem diese axial fest und ein begrenztes Drehmoment übertragend mit der Ausgleichsbuchse 2 über ihren Vorfixierungsabschnitt bzw. Furchbund 21 gehalten ist. Mit T_M ist ein Montageüberstand des Kopfes 11 gegenüber der Ausgleichsbuchse 2 gekennzeichnet.
Hierbei ist das Reibmoment, das das Außengewinde 22 der Ausgleichsbuchse 2 in dem Innengewinde 4 des ersten Bauteils erzeugt, kleiner als ein maximal über den Vorfixierungsabschnitt bzw. den Furchbund 21 relativ zur Schraube 1 übertragbares Drehmoment, so dass beim Eindrehen der Schraube 1 zunächst die Ausgleichsbuchse 2 gedreht wird, bis diese mit ihrem zweiten Ende 24 auf Anschlag mit dem zweiten Bauteil A kommt. Anschließend kann durch weiteres Drehen der Schraube 1 mit einem höheren Drehmoment das zweite Gewinde 13' der Schraube 1, welches selbstfurchend ist, durch den Furchbund 21 gedreht werden, bis das zweite Gewinde 13' der Schraube 1 unterhalb des Furchbundes 21 vorliegt, die Schraube 1 mit ihrem endständigen ersten Gewinde 12 jedoch noch nicht in das Gegengewinde 3 des zweiten Bauteils A eingeschraubt ist. In diesem Zustand ist ein radial, d.h. in x- und y-Richtung, wirkender Toleranzausgleich möglich, um Lagefehler ausgleichen zu können; dieser Zustand ist jedoch figurativ nicht gezeigt.
Die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung 10 leistet also einen Toleranzausgleich in allen drei Raumrichtungen, wodurch geringstmögliche Anforderungen an Lage und Breite eines Toleranzfeldes gestellt werden können und die Montage deutlich vereinfacht wird, was sich positiv auch auf der Kostenseite bemerkbar macht.
Ist die Schraube 1 mit ihrem endständigen ersten Gewinde 12 dann in dem Gewinde 3 des zweiten Bauteils A, z.B. eines Motorblocks, eingeschraubt, wird diese nach einer vorbestimmten Anzugsvorschrift bis zu ihrem Drehmoment- und/oder Drehwinkelendwert angezogen; dies ist beispielhaft in 2 gezeigt. Die Schraube 12 befindet sich in Kopfauflage 11 zu dem ersten Ende 23 der Ausgleichsbuchse 2, so dass eine Schraubenvorspannkraft unter Umgehung des ersten Bauteils B, das aus Kunststoff ist, vom Kopf 11 in das zweite Bauteil A, üblicherweise aus Stahl und oder einer Aluminium- oder Magnesiumbasislegierung bestehend, übertragen werden kann. Es ist, um diese steife Übertragung der Schraubenvorspannkraft zu ermöglichen, die Gesamtlänge l_s der Ausgleichsbuchse 2 größer als eine Dicke t_B des ersten Bauteils im Bereich der Verbindungsanordnung 10. In einer nicht gezeigten Ausführungsform kann die Gesamtlänge l_s der Ausgleichsbuchse 2 gleich oder geringfügig kleiner sein als die Dicke t_B des ersten Bauteils, wodurch eine zumindest geringfügige Verpressung des ersten Bauteils erreicht werden kann. Das zum Toleranzausgleich im durch die Ausgleichsbuchse 2 durchgeschraubten, jedoch nicht in das Innengewinde 3 des zweiten Bauteils A eingeschraubten, Zustand zur Verfügung stehende Radialspiel ist mit cR gekennzeichnet.
Soweit zur grundlegenden Funktion der Verbindungsanordnung 10.
Eine weitere Ausführungsform der Verbindungsanordnung ist in 3 gezeigt, wobei die Bauteile A und B nicht gezeigt sind, lediglich die Schraube 1 und Ausgleichsbuchse 2, mit etwas anderen Abmessungen. Es ist zu erkennen, dass der Vorfixierungsabschnitt bzw. Furchbund 21 direkt an das erste Ende 23 der Ausgleichsbuchse 2 anschließend ausgebildet ist; hierdurch wird eine zur Einschraubung in das Gegengewinde 3 des zweiten Bauteils A zur Verfügung stehende Gewindelänge des ersten Außengewindes 12 erhöht. Für den Radialtoleranzausgleich ist es wichtig, dass der Durchmesser d₂ des Schafts oberhalb des zweiten Gewindes 13' kleiner ist als der Durchmesser d₅ des Furchbundes 21 der Ausgleichsbuchse 2. Um einen möglichst großen Radialtoleranzausgleich zu ermöglichen, ist das Verhältnis zwischen Durchmesser d₁ des zweiten Gewindes 13' der Schraube 1 und oberem Schaftabschnitt besonders groß gewählt. In der gezeigten Ausführungsform ist auch der Durchmesser d₃ des ersten Gewindes 12 kleiner als der Durchmesser d₁ des zweiten Gewindes 13'; dies ist für den Radialtoleranzausgleich nicht zwingend notwendig, spart aber schraubenseitig Material.
Um ein leichtes Einführen der Schraube 1 bzw. ein Furchen des Gewindes in den Furchbund 21 in korrekter Achslage zu erreichen, ist das zweite Gewinde 13' mit Anfasungen 131,132 versehen, die eine Selbstzentrierung beim Ansetzen der Schraube 1 einleiten.
Für die radial ausgleichende Funktion sind aber auch bestimmte Längenabmessungen einzuhalten. So muss, was in dem gezeigten durchgeschraubten Zustand gut erkennbar ist, der Abstand l_ST zwischen dem zweiten Ende 24 der Ausgleichbuchse 2 und dem Vorfixierungsabschnitt bzw. Furchbund 21 größer sein als auf Seiten der Schraube 1 ein Abstand l₁₃ von der Stirnseite bis zum Halteabschnitt 13 bzw. dem zweiten Gewinde 13', da ansonsten in dem durchgeschraubten Zustand bereits ein Eingriff des ersten Gewindes 12 der Schraube 1 und dem Gegengewinde 3 des zweiten Bauteils A erfolgen würde.
Zum Antrieb hat die gezeigte Schraube eine Vielrundkontur 111, jedoch können andere Mitnehmerprofile ebenso eingesetzt werden.
In 4 ist eine Draufsicht der Ausgleichsbuchse gezeigt. Hierin ist der Antriebseingriff 23' zu erkennen, der hier als Kreuzschlitzung bzw. -rillierung vorgesehen ist. Dieser Antriebseingriff 23' ist für den Fall vorgesehen, dass die Ausgleichsbuchse 2 hierüber in das erste Bauteil B vormontiert wird. Es kann hierbei vorgesehen sein, die Schraube 1 erst nach der Vormontage der Ausgleichsbuchse 2 in das erste Bauteil B in die Ausgleichsbuchse 2 vorzumontieren. Die Endmontage der Verbindungsanordnung 10 unter Schließung des Spalts T erfolgt auch in diesem Fall, wie oben beschrieben, durch Drehen der Schraube 1.
Die in 5 gezeigte Drehmomentkurve zeigt qualitativ den Verlauf des Schraubmoments beim Anziehen der erfindungsgemäßen Verbindungsanordnung. Dieser weist fünf charakteristische Phasen I-V auf. Die erste Phase I verläuft auf einem Drehmomentniveau a, das durch das Reibmoment des Außengewindes 22 der Ausgleichsbuchse 2 in dem Innengewinde 4 des ersten Bauteils B hervorgerufen wird. Das Drehmoment ist während des Eindrehens der Ausgleichsbuchse 2 konstant, bis der Toleranzspalt T geschlossen ist; zu diesem Zeitpunkt kommt das zweite Ende 24 der Ausgleichsbuchse 2 auf Anschlag mit dem zweiten Bauteil A, wie es in 2 gezeigt ist. Dies ist in der Drehmomentkurve mit T=0 eingezeichnet. In Phase II ist ein deutlicher Drehmomentanstieg zu beobachten, der durch das Hindurchschrauben des zweiten Gewindes 13 der Schraube 1 durch den Vorfixierungsabschnitt 21 der Ausgleichsbuchse hervorgerufen wird. Je nach genauer Ausprägung des Vorfixierungsabschnitts 21 kann sich natürlich ein leicht abweichender Kurvenverlauf ergeben; wenn schraubenseitig ein zweites selbstschneidendes Gewinde eingesetzt wird, stellt sich zusätzlich ein plateauartiger Verlauf auf Niveau b ein. In Phase III ist die Schraube 1 vollständig durch den Vorfixierungsabschnitt 21 der Ausgleichsbuchse hindurch getreten und frei in Radialrichtung beweglich innerhalb der Ausgleichsbuchse 2; in dieser wird zunächst das Gegengewinde 3 des zweiten Bauteils aufgesucht und die Schraube 1 mit diesem in Eingriff gebracht. In Phase IV wird die Schraube 1 mit ihrem Außengewinde 12 schließlich zunächst lose eingedreht. Hier liegt ein im Wesentlichen konstantes Drehmomentniveau c vor, das jedoch, aufgrund der beim Einschrauben zunehmenden Anzahl an Gewindegängen, die auf Seiten des zweiten Bauteils A in Eingriff sind, eine leichte Steigung hat. Das hierin vorliegende Drehmomentniveau c ist jedoch tendenziell etwas niedriger als das Niveau a, da das erste Gewinde 12 der Schraube 1 einen kleineren Durchmesser hat als der Durchmesser der Ausgleichsbuchse 2. Schließlich kommt der Schraubenkopf 11 auf Anschlag mit dem ersten Ende 23 der Ausgleichsbuchse 2. Ab diesem Zeitpunkt steigt in Phase V das Drehmoment kontinuierlich unter Aufbauen einer Schraubenvorspannkraft an, bis der Endwert erreicht ist; je nach Anzugsvorschrift kann anschließend noch ein drehwinkelkontrolliertes Anziehen erfolgen.
Aufgrund des charakteristischen Drehmomentverlaufs, wobei die einzelnen Phasen eindeutig den vorbeschriebenen Einschraubschritten zuordenbar sind, ergibt sich für die erfindungsgemäße Verbindungsanordnung eine hervorragende Automatisierbarkeit, beispielsweise unter Einsatz von vollautomatisierten Mehrfachdrehschraubern.
Es kann in einer Weiterbildung vorgesehen sein, dass die Drehrichtung in den Phasen I-III eine andere ist als in den Phasen IV und V, wodurch verhindert werden kann, dass die Schraube 1 versehentlich zu einem zu frühen Zeitpunkt bereits in das Gegengewinde 3 im zweiten Bauteil A eingedreht wird.
Bezugszeichenliste

A: Zweites Bauteil
B: Erstes Bauteil
1: Schraube
11: Kopf der Schraube
111: Vielzahneingriff des Kopfs der Schraube
12: Erstes Gewinde der Schraube
13, 13': Halteabschnitt, zweites Gewinde der Schraube
131: Kopfseitige Anfasung des Halteabschnitts
132: Stirnseitige Anfasung des Halteabschnitts
14: Schaft der Schraube
2: Ausgleichsbuchse
21: Vorfixierungsabschnitt Ausgleichsbuchse
22: Außengewinde der Ausgleichsbuchse
23: Erstes Ende der Ausgleichsbuchse
23': Antriebseingriff der Ausgleichsbuchse
24: Zweites Ende Ausgleichsbuchse
3: Innengewinde des zweiten Bauteils
4: Innengewinde des ersten Bauteils
c_R: Zum Toleranzausgleich zur Verfügung stehendes Radialspiel
I_S: Gesamtlänge der Buchse
t_B: Dicke des ersten Bauteils
l_ST: Abstand zweites Ende der Ausgleichsbuchse zum Vorfixierungsabschnitt
l₁₃: Abstand des Stirnseite der Schraube zum Halteabschnitt der Schraube
d₁: Durchmesser des zweiten Gewindes der Schraube
d₂: Durchmesser des Schafts der Schraube zwischen Kopf und Halteabschnitt
d₃: Durchmesser des ersten Gewindes der Schraube
d₄: Durchmesser der Buchse innen
d₅: Innendurchmesser des Vorfixierungsabschnitts
T_M: Montageüberstand des Schraubenkopfs
T: Toleranzspalt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102006040759 B3 [0003]

Claims

Toleranzausgleichende Verbindungsanordnung (10), zur Montage eines ersten Bauteils (B), insbesondere eines motornahen Funktionsbauteils, insbesondere eines Ölfiltermoduls und/oder einer Ölwanne, an einem zweiten Bauteil (A), insbesondere einem Motorblock, umfassend - eine Schraube (1) mit zumindest einem Kopf (11) und einem Schaft mit einem ersten Außengewinde (12) und - eine Ausgleichsbuchse (2) mit einem Außengewinde (22), wobei die Schraube (1) von einem ersten Ende (23) her in der Ausgleichsbuchse (2) aufgenommen ist, und - wobei die Ausgleichsbuchse (2) zumindest teilweise in dem ersten Bauteil (B) aufnehmbar ist und - wobei das zweite Bauteil (A) ein mit dem Außengewinde (12) der Schraube (1) korrespondierendes Innengewinde (3) aufweist, in das die Schraube (1) einschraubbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass - die Ausgleichsbuchse (2) mit ihrem Außengewinde (22) in ein korrespondierendes Innengewinde (4) des ersten Bauteils (B) eindrehbar ist, und - die Ausgleichsbuchse (2) an einem Innenumfang einen eingeschnürten Vorfixierungsabschnitt (21) aufweist, an dem die Schraube (1) mit einem Haltebereich (13), der zwischen Kopf (11) und Stirnseite vorliegt, in einem Vormontagezustand der Verbindungsanordnung (10) axial festgelegt und begrenzt drehmomentübertragend gehalten ist, - wobei ein Durchmesser des Schafts (14) der Schraube (1) zwischen dem Haltebereich (13) und dem Kopf (11) kleiner ist als ein Innendurchmesser des Vorfixierungsabschnitts (21) der Ausgleichsbuchse (2).
Verbindungsanordnung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (22) der Ausgleichsbuchse (2) und das Innengewinde (4) des ersten Bauteils (B) die gleiche Gangrichtung wie das Außengewinde (12) der Schraube haben.
Verbindungsanordnung (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Grenzdrehmoment, das maximal über den Vorfixierungsabschnitt (21) von der Schraube (1) auf die Ausgleichsbuchse (2) übertragbar ist, größer ist als ein Reibmoment des Außengewindes (22) der Ausgleichsbuchse (2) in dem Innengewinde (4) des ersten Bauteils (B), wobei die begrenzt Drehmoment übertragende Halterung der Schraube (1) in dem Vorfixierungsabschnitt (21) der Buchse (2) bei Überschreiten des Grenzdrehmoments überwindbar ist.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorfixierungsabschnitt (21) der Ausgleichsbuchse - durch einen nach radial innen einragenden umlaufenden Bund, bevorzugt einem Furchbund, gebildet ist und/oder - ein Sollbruchbereich ist, der durch Überschreitung des Grenzdrehmoments zerstörbar ist.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Länge (l₁₃) zwischen einem Stirnende der Schraube (1) und dem Haltebereich (13) kleiner ist als ein buchsenseitiger Abstand (l_ST) zwischen dem Vorfixierungsabschnitt (21) und einem dem ersten Ende (23) abgewandten zweiten Ende (24) der Ausgleichsbuchse (2).
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der der Vorfixierungsabschnitt (21) an einer dem ersten Ende (23) der Ausgleichsbuchse (2) nahen Axialposition vorliegt, bevorzugt direkt benachbart dazu.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (1) im Haltebereich (13) ein zweites Gewinde (13') aufweist, das die gleiche Gangrichtung wie das Außengewinde (22) der Buchse (2) hat und insbesondere ein selbstfurchendes Gewinde ist, wobei das selbstfurchende Gewinde 0,5 bis 7 Gewindegänge hat, stärker bevorzugt 1 bis 3 Gewindegänge.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsbuchse (2) eine Gesamtlänge (l_S) hat, die größer ist als eine Dicke (t_B) des ersten Bauteils an dieser Position.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Gewinde der Schraube (1) - einen Durchmesser (d₁) hat, der größer ist als der Durchmesser (d₃) des ersten Gewindes (12) der Schraube (1) und größer als der Durchmesser (d₂) des Schafts (14) der Schraube (1) zwischen dem Haltebereich (13) und dem Kopf (11), und/oder - zumindest an einem zu der Stirnseite weisenden Ende eine Anfasung (131) aufweist, bevorzugt zusätzlich eine Anfasung (132) an dem zu dem Kopfende (11) weisenden Ende.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgleichsbuchse (2) einen Antriebseingriff (23') aufweist, der von dem ersten Ende (23) aus zugänglich ist, wobei der Antriebseingriff (23') bevorzugt eine Formschlusseingriffskontur, insbesondere eine ein- oder mehrfache Schlitzung, einen Innensechskant, einen Vielrund oder Vielzahn aufweist.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (11) der Schraube (1) in dem Vormontagezustand in einem vorbestimmten Maß (T_M) über das erste Ende (23) der Ausgleichsbuchse (2) übersteht.
Verbindungsanordnung (10) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (B) aus Kunststoff, insbesondere aus einem thermoplastischen Kunststoff, insbesondere einem Polyamid, besteht und/oder - die Ausgleichsbuchse (2) aus einem Werkstoff besteht, dessen E-Modul den E-Modul des Werkstoffs des ersten Bauteils (B) übersteigt, wobei die Ausgleichsbuchse (2) insbesondere aus Metall, insbesondere aus Stahl oder Messing, besteht.
Bauteilanordnung, aufweisend jeweils zumindest ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil, die durch zumindest eine toleranzausgleichende Verbindungsanordnung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsanordnung eine Verbindungsanordnung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ist.
Bauteilanordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (B) ein motornahes Funktionsbauteil, insbesondere Ölfiltermoduls oder einer Ölwanne, und das zweite Bauteil ein Motorblock ist.
Bauteilanordnung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteilanordnung neben der toleranzausgleichenden Verbindungsanordnung (10) zumindest eine weitere Verbindungsanordnung aufweist, wobei bevorzugt die erfindungsgemäße toleranzausgleichende Verbindungsanordnung (10) in einem Nicht-Dichtbereich vorliegt und eine mechanische Schwingungsanregung des ersten Bauteils zumindest mindert.