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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Fügen von Stahlelementen, die über koinzidierende
Bohrungen mit gleichem Querschnitt verfügen, unter Verwendung einer
durch die Bohrungen reichenden metallenen Schraube mit Mutter, wobei
die Schraube einen Kopf mit im wesentlichen flacher Unterseite besitzt,
der auf einer Oberseite des oben liegenden Stahlelementes aufliegt,
einen sich an den Kopf anschließenden,
die Bohrungen durchsetzenden Einpassschaftteil, der mit über seine
Peripherie verteilten, in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden
Kanneluren und Rippen versehen ist, und einen den unteren Teil der
Schraube bildenden Gewindeschaftteil aufweist, auf den die Mutter
aufschraubbar ist und der länger
ist als die addierten Dicken der Stahlelemente im Bereich der von
der Schraube durchsetzten, koinzidierenden Bohrungen.
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Ein
solches Fügeverfahren
mit einer Schraube ist aus der
US-PS 3 418 012 bekannt. In die Bohrungen in
der zu verbindenden Stahlelemente wird eine Schraube mit Kopf eingesetzt,
die eine konvergierende, also nicht-zylindrische Schaftform besitzt.
Das Metall, das in den Bohrungen den Schraubenschaft umgibt, wird
verdrängt
und gestaucht. Die Außenseite
des Schaftes ist mit Einkerbungen versehen, die sich im wesentlichen in
Schaftachsenrichtung erstrecken; sie sind zudem so geformt, dass
in einer bestimmten Drehrichtung die Einkerbungen in das umgebende
Metall einschneiden.
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Weiterhin
ist eine Schraubenbolzenanordnung bekannt (
DE 1 890 438 U ), bei der
der am Schraubenbolzen vorhandene Bund mit Rändeln oder Rippen versehen
ist, die sich mit dem Rand einer Öffnung verkrallen, so dass
die Mutter ohne Gegenhaltung des Bolzens fest angezogen werden kann.
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Die
bekannten Fügeverfahren
machen demnach Gebrauch von einer Wechselwirkung zwischen dem Schraubenschaft
und dem den Schaft umgebenden Metall. Hierfür sind aber erhebliche Schwierigkeiten
in Bezug auf die Herstellung der Schraubenschäfte in Kauf zu nehmen. Eine
nicht-zylindrische Gestaltung unter Einhaltung exakter Maße ist kompliziert;
das Einbringen von nicht-achsial ausgerichteten Eintragungen oder
Nuten in den Schaft ist sehr schwierig.
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Hinzuweisen
ist ferner auf die nicht-vorveröffentlichte
Anmeldung
DE 101 15 823 der
Anmelderin, aus der eine Fügeverbindung
für Metallelemente
hervorgeht, bei der eine metallene Schraube mit Mutter eingesetzt
wird, die einen sich an den Kopf anschließenden, die Bohrungen durchsetzenden
Einpassschaftteil besitzt, der mit über seine Peripherie verteilten,
in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden, relativ weichen Kanneluren
und Rippen versehen ist. Die weichen Kanneluren und Rippen sollen
sich verformen und eine schubsichere Verbindung zwischen Bohrungsinnenseiten
und Einpassschaftteil bilden. Da jedoch die weichen Rippen nicht
in die Bohrungswandung eindringen, ergibt sich keine verdrehsichere
Verbindung.
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Ausgehend
von dem vorveröffentlichten,
genannten Stand der Technik stellt sich die Aufgabe, ein Verfahren
zum Fügen
von Stahlelementen anzugeben, bei dem einfacher gestaltete Schrauben,
insbesondere solche mit im wesentlichen zylindrischer Schaftgeometrie,
eingesetzt werden und bei dem insbesondere moderne Schrauber-Werkzeuge
genutzt werden können.
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Die
Lösung
ergibt sich aus Patentanspruch 1.
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Demnach
wird zum einen das Material der Schraube härter gewählt als das der Stahlelemente;
zum anderen werden bei der verwendeten Schraube die Abmessungen
der Kanneluren und Rippen derart gewählt, dass bei einer hohen,
durch einen Schrauber hervorgerufenen Umdrehungsgeschwindigkeit
der Schraube eine Metallfusion (Metallfressen) vermieden wird. Damit
wird auch verhindert, dass sich das Reaktionsdrehmoment des Einpassschaftteils
während
des Andrehens der Mutter schlagartig erhöht.
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Zu
Beginn des Fügens
werden die Stahlelemente aufeinander gelegt, und falls koinzidierende
Bohrungen noch nicht vorhanden ist, durchbohrt. Anschließend wird
der Gewindeschaftteil der Schraube bis zum Anschlag des Einpassschaftteils
eingeführt
und die Mutter auf den Gewindeschaftteil aufgesetzt. Die Mutter
wird dann mit einem drehmomentregelbaren, motorisch angetriebenen
Schrauber angezogen, bis die Unterseite des Schraubenkopfes zur
Anlage gebracht ist, wobei der Schrauber im Schnellgang mit einem
niedrigen Drehmoment betrieben wird.
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Der
Einpassschaftteil, dessen Material härter ist als das der Stahlelemente,
arbeitet sich in die Innenseiten der Bohrungen ein, so dass eine
verdreh- und schubsichere Ver bindung zwischen Bohrungsinnenseiten und
Einpassschaftteil hergestellt wird. Bei Erreichen der Kopfauflage
wird automatisch in eine niedrige Drehzahl umgeschaltet und bei
dieser niedrigen Drehzahl die endgültige Verbindung unter Wärmeentwicklung
zwischen den Bauteilen hergestellt.
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Zur
Herstellung der Klemmkraft von Schraube und Stahlelementen werden
Schrauber mit momentgenauer Kupplung benutzt. Sie können als
pneumatische Schrauber mit Druckluft oder als elektrische Schrauber (zumeist)
mit Gleichstrom niedriger Spannung angetrieben werden. Auf dem Markt
angeboten werden geeignete Schrauber z.B. von der Firma Atlas-Copco.
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Das
Schraubengewinde richtet sich nach den üblichen DIN-Gewindenormungen. Vorzugsweise sollte das
eingestellte Drehmoment des Schraubers weniger als 80 % des empfohlenen
Wertes des Anziehmomentes für
Gewinde der entsprechenden Festigkeitsklasse M8, M10 oder M12 betragen,
wobei bekannte empfohlene Werte (vgl. ATLAS-COPCO, TASCHENBUCH ÜBER. SCHRAUBER,
herausgegeben von ATLAS-COPCO o. J.) betragen:
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Insbesondere
bei Gewinden größeren Durchmessers,
d.h. bei einem Gewinde von M14 des Gewindeschaftteils gemäß DIN 13
und einem Durchmesser der Bohrungen zwischen 15 und 16 mm bei einem
einstellbaren Drehmoment von 65 N·m, sollten die Kanneluren-Rippen-Kombinationen
eine Amplitude von 0,5 bis 1,5 mm haben und einen Teil des Kreisumfangs
von 0,25 bis 0,35 (360° entspricht
2Π) bei
gleichmäßiger Einteilung
einnehmen.
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Bei
einem Gewinde von M10 des Gewindeschaftteils gemäß DIN 13 und einem Durchmesser
der Bohrungen zwischen 10,5 und 11,5 mm bei einem einstellbaren
Drehmoment von 30 N·m
sollten die Kanneluren-Rippen-Kombinationen eine Amplitude von 0,4
bis 1,3 mm haben und jeweils einen Teil des Kreisumfangs von 0,30
bis 0,40 (360° entspricht
2Π) einnehmen.
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Die
vorgenannten Werte sind als Anhaltspunkte für den Fachmann zu werten, der
nach fachmännischem
Ermessen die Parameter bestimmen kann, um die im Hauptanspruch genannte
Lehre anzuwenden.
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Um
zu kurzen Taktzeiten zu kommen, beträgt bei einer Länge des
Einpassschaftteils bis zu 20 mm die Einzugszeit des Einpassschaftteils
maximal 10 sec.
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Zur
Durchführung
des Verfahrens sind metallene Schrauben mit kompatibler Mutter und
mit folgenden Einzelteilen geeignet:
- – einen
Kopf mit im wesentlichen flacher Unterseite, der auf einer Oberseite
des oben liegenden Metallelementes aufliegt,
- – einen
sich an den Kopf anschließenden,
die Bohrungen durchsetzenden Einpassschaftteil,
- – einen
den unteren Teil der Schraube bildenden Gewindeschaftteil,
- – eine
auf den Gewindeschaftteil aufgeschraubte Mutter, bei der der Einpassschaftteil
mit über
seine Peripherie verteilten, in Achsenrichtung der Schraube verlaufenden
feinen Kanneluren und Rippen versehen ist, die beim Einpassen und
Anziehen der Mutter in die Innenseiten der Bohrungen einarbeitbar
sind.
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Derartige
Schrauben sind aus dem Stand der Technik, wie oben genannt, bekannt.
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Durch
eine Fügeverbindung,
die nach dem hier erläuterten
Verfahren geschaffen wird, bildet sich sowohl eine Form- als auch eine Kraftschlüssigkeit
gegen die Verdrehung und die axiale Kraftbeeinflussung aus. Die
Verbindung ist daher auch einer Nietverbindung überlegen, da der Schraubenschaft
innerhalb der Bohrung keinerlei Spiel mehr aufweist und die Federwirkung
des Metalls im Bereich der Kanneluren auch eine gewisse Nachgiebigkeit
besitzt, die auch bei langer Standzeit kein Lösen des Einpassschaftteils
gegenüber
der Innenseite der Bohrung zeigt, wie dies bei einer Nietverbindung
oder einer normalen Passschraube der Fall ist. Ein weiterer Vorteil
ist, dass im Gegensatz zu einer Passschraube von vornherein kein
sehr genauer Passsitz gebohrt werden muß, sondern eine relativ hohe
Toleranz besteht. Vorfertigung und Montage sind daher preisgünstiger
und weniger kompliziert. Andererseits ergibt sich eine passsitzartige
Qualität
der vorliegenden Fügeverbindung,
weil das Material in den Bohrungen etwas verdrängt wird.
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Verfahrensbeispiele
zur Herstellung der Fügeverbindung
werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung dargestellt.
Die Figuren zeigen im einzelnen:
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1 eine Fügeverbindung unter Zuhilfenahme
einer Schraube gemäß Erfindung;
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2 den Kopf der Schraube;
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3 und 4 Ausführungsbeispiele einer Schraube
mit Mutter;
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5 Ausführungsbeispiele einer Schraube
mit Mutter und Abstandselement.
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Die
Begriffe „oben" und „unten" beziehen sich auf
eine Darstellung gemäß 1 der Zeichnungen und sind
nur für
eine beschreibende Zuordnung gedacht. Selbstverständlich können auch
durch die Fügeverbindung
verschiedene Stellungen eingenommen werden, wie dies üblich ist.
Auch sind Begriffsbestimmungen für Definitionen
von Schrauben verwendet worden, wie sie beispielsweise aus dem Buch „TECHNOLOGIE
METALL" hervorgehen.
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Der
Kerndurchmesser des Einpassschaftteils 7 ist etwas kleiner
als der Durchmesser der koinzidierenden Bohrungen, wobei der Unterschied
zwischen Kern- und Außendurchmesser
bei einem Kanneluren-Rippen-Paar zwischen 0,1 und 1,5 mm liegen
sollte, auch hier abhängig
von der Wahl des Materials der Schraube und der zu verbindenden
Metallteile. Die Schraube besteht aus einem härteren Material als das der zu
fügenden
Metallelemente.
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In 1 ist eine Fügeverbindung
dargestellt, bei der ein oberes Metallelement 2 und ein
unteres Metallelement 3 über eine speziell ausgebildete
Schraube 1 zusammengefügt
sind. Bei den Metallelementen kann es sich beispielsweise um Fahrzeugteile,
Getriebeteile oder Möbelteile
handeln. Die beiden Metallteile 1 und 2 haben
jeweils eine Bohrung 4, wobei die beiden Bohrungen übereinander
liegen. Das Material der Metallelemente ist weniger hart als das
Material der Schraube.
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Die
durch die Bohrungen reichende Schraube 1 weist einen Kopf 5 mit
im wesentlichen flacher Unterseite auf, der auf einer Oberseite
des oben liegenden Metallelementes 2 aufliegt. An den Kopf 5 schließt sich ein
Einpassschaftteil 7 an, welches die Bohrungen 4 durchsetzt
und an der zylindrischen Innenfläche
der Bohrungen 4 verdrehungs- und schubsicher anliegt. Den
unteren Teil der Schraube bildet ein Gewindeschaftteil 8, auf
den eine Mutter, hier eine Bundmutter 10.2, die ein Innengewinde 14 aufweist,
aufgeschraubt ist. Mit dem flanschartigen Bund 17 drückt die
Mutter, wenn sie über
das Gewinde 14 fest angezogen ist, auf das untere Metallelement 3.
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Die
Metallelemente 2 und 3 bestehen beispielsweise
aus gelasertem, gestanztem oder gebohrtem Stahlblech, wie es für Konstruktionen
im Fahrzeugbau üblich
ist. Es können
aber auch Stahlgussteile sein.
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Bei
einer Schraube mit einem Gewinde M12 wird der Gewindeschaftteil 8 durch
die Bohrungen hindurchgeschoben, wobei der Einpassschaftteil 7 oberhalb
der Bohrungen auf den Metallelementen aufsetzt. Nach Anlage der
Mutter muss eine erhebliche Kraft aufgebracht, um den Einpassschaftteil 7 in
den Bohrungsbereich hineinzuziehen. Hierbei entsteht auch Wärme, die
jedoch nicht so hoch sein darf, dass es zu einer Schweißverbindung
und damit zu einem „Festfressen" des Einpassschaftteils
in der Peripherie der Bohrungen kommt. Dies würde auch schlagartig das von
dem Schrauber aufzubringende Andrehmoment erhöhen. Dabei wird zunächst der
Schrauber im Schnellgang betrieben, wobei eine erhebliche Wärme entsteht.
Bei Erreichen der Kopfauflage schaltet der Schrauber auf eine niedrige
Drehzahl um und ermöglicht
unter Wärmeeinwirkung eine
endgültige
Verbindung zwischen Schraubenschaft und Bauteilen.
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Zwischen
Einpassschaftteil 7 und umgebendem Material findet eine
Verformung statt, die zu einer dauerhaften Fügeverbindung führt.
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Durch
genaue Auswahl und Ausbildung der Kanneluren-Abmessungen im Bezug auf den Durchmesser
der Bohrung und die Einstellung des Anzieh-Drehmomentes des Schraubers
bei konstanter Umdrehungszahl tritt kein sogenanntes Metallfressen
oder die damit verbundene schlagartige Anzieh-Drehmomenterhöhung auf.
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Dabei
werden für
Schrauben folgende DIN-Abmessungen-Anziehdrehmomente wie folgt angesetzt.
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Diese
Werte entsprechen etwa 80 % der empfohlenen Werte (vgl. Atlas-Copco,
TASCHENBUCH FÜR SCHRAUBER,
o.J.).
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Zwei
Gestaltungen der Schraube (Bezugszahlen 1.1 und 1.2)
gehen aus den 3 und 4 hervor.
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Bei
dem Ausführungsbeispiel
gem. 3 schließt sich
an die Unterseite des Schraubenkopfes 5 der Einpassschaftteil 7 an.
Im Bereich des Einpassschaftteils 7 ist der Schraubenschaft 20 mit über seine
Peripherie verteilten, in Achsenrichtung A ... A der Schraube 1.1 verlaufenden
feinen Kanneluren 12 (Vertiefungen) und Rippen 11 versehen,
wie der 3 zu entnehmen
ist. Beim Einpassen und Festdrehen des Einpassschaftteils der Schraube 1.1 verformen
die Rippen 11 die Innenseiten der Bohrungen 4 und
bilden eine verdrehsichere und formschlüssige Verbindung zwischen den
Innenseiten der Bohrungen 4 und dem Einpassschaftteil 7 und
damit der Schraube 1.1 insgesamt. Auch können andere
Konturen als Kanneluren und Rippen gewählt werden, wenn sie einen
im Prinzip ähnlichen
Zweck erfüllen
wie diese. Erreicht wird eine Fügung
die vom Prinzip her bessere Verdrehsicherheit gewährt als
ein Passsitz oder eine Presspassung.
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Im
vorliegenden Fall sind 30 Kanneluren-Rippen-Paare auf der Peripherie
des Einpassschaftteils 7 verteilt. Die Rippen 11 stehen über den
Kerndurchmesser etwas über,
wobei der Unterschied. zwischen Kern- und Außendurchmesser bei einem Kanneluren-Rippen-Paar
im vorliegenden Fall etwa 0,25 mm beträgt. Variationen sind hier aber
möglich,
wobei die Größe der Schraube,
das Material der Metallelemente und ähnliche Parameter zu berücksichtigen
sind.
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Vorzugsweise
sind 10 bis 30 Kanneluren-Rippen-Paare auf der Peripherie des Einpassschaftteils gleichmäßig verteilt.
Dabei ist vorzugsweise der am Grund der Kanneluren gemessene Kerndurchmesser
des Einpassschaftteils etwas kleiner als der Durchmesser der koinzidierenden
Bohrungen; der Unter schied zwischen Kern- und Außendurchmesser bei einem Kanneluren-Rippen-Paar
sollte zwischen 0,5 und 2,0 mm liegen.
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Weiterhin
ist zur Vereinfachung der Montage und zur Erzielung eines sicheren
Sitzes der Schraube eine Verjüngungsübergangsfläche 13 zwischen
dem Einpassschaftteil 7 an der kopfabgewandten Seite und dem
Gewindeschaftteil 8 vorhanden. Im Bereich dieser Verjüngungsübergangsfläche verjüngt sich
der Schraubenschaft im wesentlichen bis auf den Kerndurchmesser
des Einpassschaftteils 7. Der Winkel der Verjüngungsübergangsfläche mit
der Schraubenachse A ... A liegt etwa zwischen 15 bis 45°.
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Als
Mutter 10.1 ist eine längliche
Sechskant-Mutter gewählt
worden, bei der ein Teil des Innendurchmessers als Innengewinde 14 und
zum Schraubenkopf 5 hin von einer Aufbohrung 16 gebildet
ist, so dass die Mutter damit mit ihrer Oberseite 19 über den
Anfang des Einpassschaftteils aufgedreht werden kann, wenn dieser
die beiden addierten Dicken der Metallelemente durchsetzt und überragt.
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Das
Innengewinde 14, entspricht dem Gewinde des Gewindeschaftteils 8.
Als Material zur Herstellung von Schrauben und Muttern wird vorgeschlagen,
eine Stahllegierung mit hoher Zugfestigkeit zu verwenden. Die Materialauswahl
richtet sich jedoch im wesentlichen nach den Anforderungen der Fügeverbindung.
Bei der Fügeverbindung
verformen sich die Rippen im allgemeinen nicht wesentlich, da das
Material der Schraube härter
gewählt
ist als das der Metallelemente 2, 3.
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Wie
aus 2 hervorgeht, weist
die Unterseite 6 des Kopfes 5 der Schraube eine
kreisförmige,
den Schraubenschaft umschließende
Riefe 18 auf, deren Durchmesser etwas größer ist
als der Schraubenschaft selbst. Diese Riefe dient dazu, verdrängtes Material
im Bereich des Schraubenschaftes aufzunehmen.
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Wahlweise
wird die Mutter 10.3 mit einem zwischen Mutter 10.3 und
Unterseite des unten liegenden Metallelementes 3 zu liegen
kommenden ringförmigen
Abstandselement 20 unterlegt, wobei der Reibungskoeffizient
zwischen der Kontaktfläche
der Mutter 10.3 und dem des ringförmigen Abstandselementes 20 kleiner ist
als der Reibungskoeffizient zwischen der Kontaktfläche von
ringförmigem
Abstandselement 20 und der Unterseite des unten liegenden
Metallelementes 3. In 5 ist
eine Ausführungsform
dargestellt, bei eine Mutter 10.3 mit einer Hülse 20 drehbar
verbunden ist. Die Hülse 20 wirkt
als ringförmiges
Abstandselement, welches zwischen der Mutter und der Unterseite
des unten liegenden Metallelementes 3 zu liegen kommt.
Der Durchmesser der Innenöffnung 21 der
Hülse 20 ist
größer als
der Außendurchmesser
des Einpassschaftteils 7 der Schraube ist.
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Dadurch,
dass die Hülse 20 gegenüber der
Mutter verdrehbar ist, kontaktiert die Hülse die Unterseite des Metallelementes 3 ohne
schürfende
oder kratzende Bewegung, so dass eine Lackierung oder Oberflächenbeschichtung
im Bereich des Kontaktes 22 unbeschädigt bleibt.
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Die
Mutter 10.3 ist mit einer sogenannten „unverlierbaren" Verbindung mit dem
Abstandselement, hier der Hülse 20,
verdrehbar, jedoch unlösbar,
verbunden. Hierdurch wird die Montagezeit verkürzt.
