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TECHNISCHES GEBIET
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Die Erfindung betrifft ein Klemmbefestigungselement für die lösbare Verbindung von Hohlprofilen mit einem Hauptelement.
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STAND DER TECHNIK
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Verbindungselemente nach dem Prinzip der Keilwirkung von komplementär geformten Elementen mit mehreren aneinander abgleitenden Schrägen sind bereits bekannt.
EP2034194A2 beschreibt eine aus neun Komponenten zusammengestellte Einheit mit fünf massiven, aufwendig gestalteten hohlen, zylinderförmigen abgeschrägten Elementen, welche teilweise mit einer Nut für die Aufnahme von Ringfedern ausgestattet sein müssen. Die Gestaltung lässt darauf schließen, dass die abgeschrägten Teile entweder spanend hergestellt werden müssen, in einem Gießverfahren, Prägeverfahren oder in einem 3D-Druckverfahren. Jedes der genannten Verfahren ist durchaus kostenintensiv. Die Anzahl der Komponenten beansprucht verhältnismäßig viel Bauraum, Material und das erhöht die Kosten ebenfalls.
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In
DE4316808A1 wird ein Spannstück für Rohrelemente beschrieben, welches aus zwei dünnwandigen, keilförmig abgetrennten Rohren besteht. Diese können sich unter Belastung verformen, da die Klemmwirkung durch eine starke Aufspreizung der Keilelemente entsteht. Die Keilstücke müssen also relativ geringe Wandstärken und hohe Elastizität aufweisen um eine ausreichend große radiale Verformung zu ermöglichen. Bei einer geringen Überbeanspruchung des Spannstücks durch eine zu große Schraubkraft kommt es zu einer bleibenden Verformung der Keile, die dann weder die Funktion sicher stellen, noch eine Wiederverwendung zulassen.
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In
DE29717476U1 wird ein Spannelement beschrieben, das aus zwei baugleichen Spannhülsen in einer massiven Bauweise besteht. Die äußere Mantelfläche der Hülsen muss dieselbe Form aufweisen wie die Innenkontur des Hohlprofis, das geklemmt wird. Auf einer Seite der Spannhülsen befindet sich eine Schrägfläche. Bei der Montage berühren sich diese Schrägflächen. Durch das Anziehen einer Spannschraube werden die Spannhülsen aneinander abgleitend axial zusammen gezogen und verschieben sich durch ihre Schrägfläche quer zur Achse. Hierdurch entsteht die Klemmwirkung großflächig von innen im Profil. Da sich beim Anziehen der Schraube auch zwangsmäßig eine axiale Verschiebung der Teile ergibt, kann sich das Spannelement unter ungünstigen Umständen minimal aus dem Profil heraus bewegen, wodurch ein Spalt zwischen den gefügten Teilen entstehen kann.
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Die Formgebung lässt darauf schließen, dass eine solche Spannhülse entweder spanend hergestellt werden muss, in einem Gießverfahren oder in einem 3D-Druckverfahren. Jedes der genannten Verfahren ist durchaus kostenintensiv. Die hier eingesetzte Materialmenge erhöht die Kosten nochmals, da es sich um ein massives Bauteil handelt. Bei der Montage in ein Profil mit nichtkreisförmigem Querschnitt muss die polare Ausrichtung der beiden Spannelemente zueinander, sowie die polare Ausrichtung bei der Einführung ins Profilelement jeweils beachtet werden, was die Montage erschwert.
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DEFINITION
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Hohlprofil ................ rund, rechteckig, polygonal, oval oder anderem geschlossenen Querschnitt
Schraubenmutter................ hohler Körper mit Innengewinde und beliebiger äußerer Form
Bohrung................................ Durchbruch im Material mit kreisrunder oder anderer Form, z. B. Langloch
Hauptelement....................... Hohlprofil / offenes Profil, Blech, Flach- / Voll-/ oder Plattenmaterial
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- AUFGABE DER ERFINDUNG
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Hauptelement und eine oder mehrere dazu rechtwinklig angeordnete Hohlprofil(e) mit einem beliebig geformten geschlossenen Querschnitt, z. B. Quadratrohre, die auch in einem gemeinsamen Knotenpunkt enden können, der vorstehenden erläuterten Art miteinander fest zu verbinden.
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Das Befestigungselement soll aus möglichst wenigen kostengünstigen Normteilen oder aus einfach zu fertigenden Gleichteilen bestehen und muss ausreichende Festigkeit, sowie Steifigkeit bieten, um z. B. ein Regal, einen Couchtisch, ein Rahmenteil moderater Tragfestigkeit aus einfachen Gleichteilen zuverlässig zu verbinden.
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Die Befestigung muss ohne Vorbearbeitung der zu fügenden Elemente, somit für den Hersteller kostengünstig in der Fertigung seiner zu fügenden Hohlprofilelemente sein. Das Setzen von Schweißmuttern oder ähnlichen Teilen in den Profilen muss wegen des höheren Arbeitsaufwands vermieden werden. Schweißverzug wäre von außen sichtbar, die Teile müssten von außen sauber verschliffen werden, was Mehrkosten verursacht. Aus ästhetischen Gründen sollen von außen möglichst keine Teile sichtbar sein. Des weiteren soll die Befestigung möglichst zerstörungsfrei lösbar und wiederverwendbar sein, einfach und kostengünstig herstellbar, für den Laien einfach anwendbar, montagefreundlich, mit einfachen Werkzeugen montierbar.
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Zur Lösung der Aufgabe wird ein Klemmbefestigungselement entsprechend der Patentansprüche 1-8 aufgezeigt. Ein speziell gestaltetes Hohlprofil für den Aufbau von variabel gestaltbaren Gestellen mit Nutzung des Klemmbefestigungselements ist in Patentanspruch 9 beschrieben.
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TECHNISCHE LÖSUNG
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Das Klemmbefestigungselement der vorliegenden Erfindung besteht mindestens aus einer Schraube (1), einer Keilhülse (4) und einer Schraubenmutter (5). Zusätzlich können eine Beilagscheibe groß (21), eine oder mehrere Beilagscheiben (2), eine oder mehrere Federscheiben (3) und ein Zentrierelement (31) verbaut werden, welche technisch nicht unbedingt notwendig sind, aber die Genauigkeit, Prozesssicherheit und die Montagefreundlichkeit verbessern. Alle Teile, bis auf die Keilhülse sind Norm- oder Standardteile.
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Die zylindrisch hohle Keilhülse ist vorzugsweise aus einem genormten Metallrohr hergestellt. Die Fertigung erfolgt spanend z. B. durch Sägen oder spanlos z. B. durch thermisches Laserschneiden oder Wasserstrahlschneiden. Die Keilhülse ist an einem Ende gerade abgetrennt, am anderen Ende weist sie stirnseitig eine Schräge (41) auf. Die Mantelfläche kann an der schmalsten Stelle durch einen Schlitz (42) unterbrochen werden, um der Hülse etwas radiale Elastizität zu verleihen. Der Reibungskoeffizient der Mantelfläche kann durch eine Rändelung, eine Oberflächengravur, durch Bohrungen oder Perforationen etc. erhöht werden, um eine höhere Haftreibung und dadurch höhere Betriebskraft durch das Klemmbefestigungselement zu erzielen.
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Der Außendurchmesser der Keilhülse wird so gewählt, dass sie mit möglichst kleinem Spiel in das Innere des zu fügenden Hohlprofils passt. Sollten die Toleranzen der Keilhülse und des Hohlprofils, bzw. die Lage der Schweißnaht in der Innenfläche des zu fügenden Hohlprofils derart ungünstig liegen, dass sich dadurch eine schwergängige Paarung ergibt, kann die Keilhülse durch den Schlitz (42) im Durchmesser nachgeben und unter geringer Kraftanwendung in das Profil geschoben werden.
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Der Innendurchmesser der Keilhülse (4) wird so gewählt, dass die Schraube (1) in ihrer angezogenen Position einen ausreichend großen Kippwinkel zulässt und sich die Schraubenmutter (5) in jedem Fall zwischen Keilhülse (4) und Hohlprofilinnenwand, oder den Hohlprofilinnenwänden in einer Ecke z. B. eines Quadratrohrs verklemmen kann. Die Schraube darf dabei weder Hohlprofilwandinnenfläche noch Keilhülse berühren. Die Wandstärke und die Oberflächenhärte der Keilhülse im Bereich der Schräge muss ausreichend groß sein, um eine zu starke plastische Verformung dort unter der Schraubenmutter zu verhindern. Plastische Verformung würde die Keilwirkung mindern und somit nicht genügend Vorspannkraft unter dem Schraubenkopf erzeugen.
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Das Zentrierelement steckt eng in der Keilhülse und führt die Schraube mit möglichst geringem Spiel, sodass die Keilhülse beim Einfädeln des Klemmbefestigungselements in das Hohlprofil einen möglichst festen Sitz hat. Es ist aus einem weichen, elastischen Material, z. B. Silikon, Kautschuk oder einem geschäumten Polymer gefertigt, welches zwecks einer besseren Handhabung in die Keilhülse einvulkanisiert, mit ihr vergossen oder eingeklebt werden kann.
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Zusammenbauvariante 1: Montage des Klemmbefestigungselements in einer kleinen Bohrung. Siehe 1-2. Die Bohrung (101) muss nicht zwingend eine kreisrunde Form haben. Sie kann z. B. auch ein durch Laserschneiden gefertigtes Langloch sein. Die Bohrung weist eine größere Öffnung als den Gewindenenndurchmesser der Schraube auf, ist jedoch kleiner als der Schraubenkopf, sodass die Schraube einen sicheren Sitz hat. Wird ein Hohlprofil als Hauptelement verwendet, kann der Schraubenkopf auch anders als in 1 - 2 dargestellt in der äußeren Profilwand sitzen. Erst wird die Schraube (1) in die Bohrung eines Hauptelements (10) geschoben. Danach werden die Beilagscheibe (2), die Federscheibe (3), das Zentrierelement (31) und die Keilhülse (4) auf die Schraube aufgefädelt und die Mutter (5) an das Ende der Schraube um wenige Umdrehungen lose von Hand aufgeschraubt. Unter bestimmten Voraussetzungen kann es zielführend sein die Beilagscheibe und die Federscheibe in umgekehrter Reihenfolge, oder in größerer Anzahl zu montieren. Die Schraubenlänge muss so gewählt werden, dass die Schraubenmutter die Elemente bei beschriebener Montagereihenfolge gerade noch nicht unter Spannung setzt. Somit können die Teile zwar noch locker in der Bohrung bewegt werden, das Klemmbefestigungselement kann aber nicht mehr auseinanderfallen oder aus der Bohrung herausfallen. In speziellen Fällen, z. B. Vibrationen im Betrieb wird eine selbstsichernde Mutter verwendet um ein ungewolltes Lösen von Schraube und Mutter zu verhindern.
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Alle anderen Klemmbefestigungselemente in einem Hauptelement werden genauso vormontiert bevor die rechtwinklig angeordneten Hohlprofile vormontiert werden können. Bei dem zu fügenden Hauptelement (10) kann es sich auch um dieselbe Art und Größe von Profil handeln wie bei den Hohlprofilen (11), die von innen mit dem Klemmbefestigungselement gespannt werden sollen.
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Zusammenbauvariante 2: Wenn es die Einbaubedingungen zulassen, und das Hauptelement eine größere Bohrung aufweisen kann. Auch hier ist eine kreisrunde Formgebung nicht zwingend. Siehe 3-4. Die Bohrung muss geringfügig größer sein als der Außendurchmesser der Keilhülse, bzw. der montierten Beilagscheibe(n) und Federscheibe(n). In diesem Fall sitzt als erstes Element eine große Beilagscheibe (21) z. B. nach DIN 9021 direkt unter dem Schraubenkopf. Die Restlichen Elemente werden wie in Einbauvariante 1 vormontiert. Das komplett vormontierte Klemmbefestigungselement wird durch die Bohrung des Hauptelements geschoben. Hier überträgt die große Beilagscheibe die Betriebskraft der Schraube auf das Hauptelement.
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Zusammenbauvariante 3: Zwei Hohlprofile desselben Profilquerschnitts, deren Enden jeweils im 45° Winkel schräg abgetrennt sind, werden miteinander verbunden und bilden somit die äußere Ecke z. B. eines Rahmenteils. Siehe 5-6. Der zylindrische Bereich der Keilhülse ist derartig verlängert, dass dadurch die beiden Hohlprofile fluchtend zueinander ausgerichtet und ähnlich einer Zentrierhülsenverbindung geführt werden. Der Schraubenkopf stützt sich von außen auf die äußere Wand des Hauptelements, somit verbleiben keine sichtbaren Löcher in den Profilen. Wird eine Senkkopfschraube verwendet, welche in einer geringfügig kleineren Bohrung als dessen Kopfaußendurchmesser platziert wird, kann ein bündiger, optisch sauberer Abschluss erreicht werden. Die Wahl der Farbgebung der Schraube, beispielsweise eine Schwarzphosphatierung kombiniert mit schwarz lackierten Hohlprofilen, trägt zu einer unauffälligen Optik bei.
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Im nächsten Schritt wird das Hohlprofil (11) mit dem Hauptelement (10) vormontiert. Das Klemmbefestigungselement wird in das Hohlprofil geschoben, bis zwischen dem Hauptelement (10) und dem Hohlprofil (11) kein Spalt mehr vorhanden ist. Die polare Ausrichtung der Keilhülse im Hohlprofil ist dabei frei gestellt. Die Schraube (1) des Klemmbefestigungselements wird unter leichtem Druck in Richtung des Hohlprofils erst handfest angezogen. Endgültig festgezogen werden die Schrauben erst dann, wenn alle Verbindungselemente einer Baugruppe korrekt sitzen und das vormontierte Gebilde grob ausgerichtet ist. Die Schrauben können bis ca. 80% des zulässigen Drehmoments angezogen werden. Die für die Befestigung notwendige (kraftschlüssige) Klemmwirkung entsteht, indem sich die Schraubenmutter (5) durch Anzug der Schraube zwischen der Schräge (41) der Keilhülse und der Hohlprofilinnenwand (111) abgleitet, sich quer zur Achse verschiebt und dann verklemmt. Hierbei entsteht ein sehr kleiner Kippwinkel zwischen der Schraube und der Mittelachse des geklemmten Hohlprofils. Die Keilhülse wird dabei einseitig an die Hohlprofilinnenwand gedrückt. Die Klemmwirkung entsteht nicht durch die radiale Aufweitung der Keilhülse.
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Zwischen Schraubenmutter und Hohlprofilinnenwand ist kein Flächenkontakt vorhanden, sondern es herrscht ähnlich der Hertz'schen Pressung Linien- oder Punktberührung. So kann durch eine relativ kleine Anpresskraft (Normalkraft) eine große Klemmkraft erreicht werden. Die Schraubenmutter hemmt sich selbst in ihrer endgültigen Position, kann aber jederzeit wieder gelöst und auch wiederverwendet werden. Bei der Demontage ist zum Lösen der verklemmten Mutter ein leichter Schlag auf den gelockerten und etwas herausgedrehten Schraubenkopf nötig. Das Hohlprofil muss eine ausreichende Festigkeit, bzw. Härte bieten, sodass es die Kräfte der Komponenten des Klemmbefestigungselements ohne eine von außen sichtbare plastische Deformation aufnehmen kann.
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Um zu verhindern, dass beim Anziehen der Schraube zwischen Hohlprofil und Hauptelement ein störender Spalt bleibt ist die Verwendung mindestens einer Federscheibe (3) an bereits beschriebener Position sinnvoll. Dieses kleine kostengünstige Element ermöglicht eine minimale Vorspannstrecke, wodurch Hohlprofil und Hauptelement beim anziehen der Schraube zusammen gezogen werden. Die Beilagscheibe (2) in bereits beschriebener Position hat die Funktion das Hohlprofil fluchtend gegenüber der Bohrung des Hauptelements zu zentrieren, wenn Profile gleichen Querschnitts auch optisch sauber zueinander ausgerichtet sein sollen.
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Beispiel einer gut funktionierende Verbindung: siehe Kombination in 1, 2 und 5. Die Keilhülse ist aus blankem geschweißtem Stahl-Rundrohr (EN 10305-3) mit 12mm Außendurchmesser und 1,5mm Wandstärke durch 3D-Laserscheiden gefertigt. Sie hat eine Gesamtlänge von 20mm, einen Schlitz mit 3mm Breite und einen verhältnismäßig spitzen Schrägenwinkel von 37°. Bei der Schraube handelt es sich um eine M6 Linsenkopfschraube (ISO 7380) mit 30mm Länge. Beilagscheibe (ISO 7089), Federscheibe (DIN127 Form B) und Sechskantmutter (DIN EN 24032) sind genormte Standardteile der Größe M6. Das Klemmbefestigungselement dient zum Spannen von 15x15mm geschweißten Quadratrohren (EN 10219) aus Stahl mit 1,5mm Wandstärke. Durch diese Kombination konnte im Versuch eine Betriebskraft von über 600N in Achsrichtung erreicht werden, bevor das Klemmbefestigungselement aus dem Hohlprofil rutschte. Die Schraube wurde mit ca. 80% des NominellenAnziehmomentes festgezogen (µges=0,1 und Festigkeitsklasse 8.8).Die dargestellten Maße sind linear größenskalierbar, somit kann eine Produktfamilie verschiedener Größe dargestellt werden.
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Aus einem in 12 prinzipiell dargestellten Hohlprofilelement (110) mit variablen Maßen kann ein Baukastensystem für den kostengünstigen Aufbau von vielseitig variabel gestaltbaren Gestellen erstellt werden. Das Profil kann Rundherum mit durchgängigen Bohrungen und Langlöchern für Schrauben (1) versehen werden. Die Enden des Hohlprofils müssen jedoch im Klemmbereich (112) der Schraubenmutter des Klemmbefestigungselements rundum frei von Bohrungen und Langlöchern sein.
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Figurenliste
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- 1 zeigt die Explosionszeichnung eines Hohlprofils und eines Hauptelements aus Vierkantrohr identischen Querschnitts. Die Schraube wird zuerst in die Bohrung des Hauptelements geschoben, erst danach können die restlichen Elemente des Klemmbefestigungselements auf die Schraube vormontiert werden.
- 2 zeigt den Vollschnitt durch die fertig befestigten Hohlprofile aus 1
- 3 zeigt ein vormontiertes Klemmbefestigungselement, bestehend aus einer Schraube, einer Beilagscheibe groß, zweier Beilagscheiben, einer Federscheibe, einem Zentrierelement, einer Keilhülse und einer Schraubenmutter. Das vormontierte Klemmbefestigungselement kann als eine Einheit durch die Bohrung des hier flachen Hauptelements geschoben werden.
- 4 zeigt den Vollschnitt durch das fertig befestigte flache Hauptelement und dem Hohlprofil aus 3
- 5 zeigt die Explosionszeichnung eines Hohlprofils und eines Hauptelements aus Vierkantrohr identischen Querschnitts, deren Enden jeweils im 45° Winkel abgetrennt sind.
- 6 zeigt den Vollschnitt durch die fertig befestigten Hohlprofile aus 5. Die Senkkopfschraube sitzt in einer Bohrung in der äußeren Profilwand, wobei der Schraubenkopf fast vollständig darin versenkt ist.
- 7 zeigt ein Klemmbefestigungselement ohne Hauptelement und Hohlprofil.
- 8 zeigt eine nach dem 2-D Laserschneidverfahren gefertigte Keilhülse. Hierbei steht der Schneidkopf immer im 90° Winkel zur Mittelachse des produzierten Bauteils.
- 9 zeigt eine mögliche kombinierte Anordnung von drei Hohlprofilen identischen Querschnitts in einer Ecke. Die Bohrung des linken Profils muss mindestens so weit nach unten versetzt werden, dass die Schrauben nicht miteinander kollidieren. Das linke Hohlprofil ist gemäß Zusammenbauvariante 1 befestigt. Das rechte Hohlprofil gemäß Zusammenbauvariante 3. Verwendet werden jeweils Senkkopfschrauben mit Kopf in der äußeren Profilwand des Hauptelements.
- 10 zeigt die kombinierte Anordnung von drei Hohlprofilen identischen Querschnitts in einem Knotenpunkt. Die Hohlprofile sind jeweils gemäß Zusammenbauvariante 1 in der inneren Profilwand des Hauptelements mit einer Linsenkopfschraube befestigt.
- 11 zeigt die kombinierte Anordnung von drei Hohlprofilen identischen Querschnitts in einem Knotenpunkt. Das linke Profil ist gemäß Zusammenbauvariante 1 befestigt, mit Linsenkopf in der inneren Profilwand des Hauptelements. Das rechte Hohlprofil ist gemäß Zusammenbauvariante 3 befestigt mit Senkkopf in der äußeren Profilwand des Hauptelements.
- 12 zeigt ein Hohlprofilelement mit rundherum angeordneten Bohrungen und Langlöchern für den Aufbau vielseitig gestaltbarer Gestelle.
- 13 zeigt den räumlich dargestellten Vollschnitt durch den beispielhaften Aufbau eines Gestells aus mehreren auf verschiedene Weise miteinander verbundenen Hohlprofilelementen mit vorgefertigten Bohrungen und Langlöchern.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schraube
- 2
- Beilagscheibe
- 21
- Beilagscheibe groß
- 3
- Federscheibe
- 31
- Zentrierelement
- 4
- Keilhülse
- 41
- Schräge
- 42
- Schlitz
- 5
- Schraubenmutter
- 10
- Hauptelement
- 101
- Bohrung
- 11
- Hohlprofil
- 110
- Hohlprofilelement
- 111
- Hohlprofilinnenwand
- 112
- Klemmbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 2034194 A2 [0002]
- DE 4316808 A1 [0003]
- DE 29717476 U1 [0004]
