DE1475216B2 - Blindschraubverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Blindschraubverbindung mit einer Schraube, die einen Kopf, der unter spitzem Winkel in einen gewindelosen Schaft übergeht, um eine hinterschnittene Antriebsschulter zu bilden, einen gewindelosen Schaft, einen Gewindeabschnitt und einen Endabschnitt mit Antriebsflächen aufweist, wobei der Querschnitt des Endabschnitts nicht größer als der Kerndurchmesser und der Außendurchmesser nicht größer als der Schaftdurchmesser ist, ferner mit einer Mutter, die mit einem mit Antriebsflächen versehenen Kopf, einem in einem konischen Endabschnitt mit verkleinertem Durchmesser übergehenden Schaft und einer teilweise ein Gewinde aufweisenden axialen Bohrung versehen ist, deren am konischen Endabschnitt beginnender Teil beim Festziehen der Verbindung den Schraubenschaft aufnimmt, und mit einer dehnbaren, auf die Mutter aufziehbaren Hülse mit einer abgestuften axialen Bohrung, deren Durchmesser am einen Hülsenende eine Aufnahme des Schaubenschaftes im Paßsitz gestattet, während der restliche Teil der Bohrung einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als der Außendurchmesser des äußersten Teils des konischen Endabschnittes des Mutterschaftes ist.

Derartige Blindschraubverbindungen sind sehr vorteilhaft zur Verbindung von Platten, Blechen oder anderen Bauteilen in Bereichen mit beschränkter Zugangsmöglichkeit, wo es unzweckmäßig oder unmöglieh ist, ein Werkzeug an die beiden Seiten der Werkstücke heranzubringen, die durch die Schraubverbindung miteinander zu verbinden sind. Solche Blindschraubverbindungen sind in zahlreichen unterschiedlichen Ausführungen bekannt. Eine solche be- kannte Ausführung besteht aus drei Elementen, nämlich einer Schraube, einer aufweitbaren Hülse mit gleichmäßigem Querschnitt sowie einer Zylindermutter mit einem Kopf und einem konischen Schaft am entgegengesetzten Ende. Vor dem Einbau erstreckt sich die Schraube durch die Zylind'ermutter und trägt die Hülse auf dem Abschnitt, der dann durch den konischen Schaft hindurch verläuft. Da die maximalen Durchmesser der Hülse und des Endes der Schraube, das über den konischen Schaft hinausragt, nicht größer sind als der Zylindermutterdurchmesser, kann die Anordnung in miteinander fluchtenden Öffnungen in den Werkstücken eingesetzt werden, die miteinander zu verbinden sind. Der Mutterkopf liegt dann auf der Fläche der zugänglichen Seite des Werkstückes auf. Diese bekannte Blindschraubverbindung ist weiter mit Mitteln versehen, die eine relative axiale Bewegung zwischen der Zylindermutter und der Schraube bewirken, wodurch die Hülse auf den konischen Endabschnitt der Mutter aufgezogen wird, sich gegen die Auflagefläche des inneren Werkstückes ausweitet und durch die Schraube in Einbaulage gehalten ist, so daß sie eine zweite Klemm- oder Auflagefläche bildet, die gegenüber der durch den Mutterkopf geschaffenen Auflagefläche liegt. Bei dieser bekannten Ausführung geht ferner der Schraubenkopf unter einem spitzen Winkel in den Schaft über, so daß eine hinterschnittene Antriebsschulter gebildet ist, gegen die sich die eine Stirnseite der Hülse legen kann und an einem Ausbrechen gehindert ist, wenn Schraube und Mutter festgezogen werden.

Wenngleich sich mit einer solchen Blindschraubverbindung im allgemeinen zufriedenstellende Ergebnisse erreichen lassen, ist sie jedoch nicht so zuverlässig, wie dies unter sehr hoher Belastung erwünscht ist. Es hat sich gezeigt, daß Brüche und Ausfälle in der Regel dann auftreten, wenn eine Hülse mit gleichmäßigen Querschnitt auf die zugeordnete konische Mutter aufgezogen wird, wobei der vordere Teil der Hülse, nachdem er sich über den konischen Abschnitt geschoben hat, seine Bewegung in der gleichen nach außen gerichteten auseinanderlaufenden Bahn fortsetzt, bis die in der Hülse erzeugten Ringspannungen den Einfluß des Konus ausschalten. In Abhängigkeit von dem relativen Abstand zwischen der unzugänglichen Seite des Werkstückes und der Scheitelstelle des Konus neigt die Hülse entweder zu einer Aufweitung oder einem Ausbrechen nach

außen an der Scheitelstelle oder in der Mitte zum Aufwölben. Hat einmal eine Aufwölbung oder Aufweitung stattgefunden, so genügt schon eine sehr kleine Erhöhung einer von außen angreifenden Last oder Kraft, um die Zerstörung der Hülse oder einen vollständigen Bruch zu verursachen. Da Blindschraubverbindungen weiter an unzugänglichen Stellen eingebaut werden, erweist sich eine Überprüfung als sehr schwierig, wenn nicht völlig unmöglich. Das Auftreten von Bruchrissen wird daher in der Regel nicht vorzeitig entdeckt.

Zur Vermeidung obiger Schwierigkeiten und zum gleichmäßigeren Aufziehen der Hülse über den konischen Endabschnitt der Mutter ist es auch bereits bekannt, die Hülse an den in Frage stehenden Blindschraubverbindungen mit einer abgestuften axialen Bohrung zu versehen. Der Innendurchmesser der Hülsenbohrung ist hierbei am einen Hülsenende so bemessen, daß man einen engtolerierten Paßsitz für den Schraubenschaft erhält, und der Innendurchmesser der Bohrung am anderen Ende und im mittleren Abschnitt der Hülse zwischen den Hülsenenden ist auf einen etwas größeren Durchmesser aufgebohrt als der Außendurchmesser des äußersten Abschnitts des Konus am Mutterschaft. Auch diese Maßnahme hat sich jedoch noch als unzureichend erwiesen, um unter allen Umständen ein Aufweiten oder Ausbrechen der Hülse beim Festziehen der Blindschraubverbindung zu vermeiden.

Bei Blindnietverbindungen ist es außerdem bekannt, das konische Ende einer Zylinderhülse stufenartig zu verjüngen, wobei der Winkel der äußersten Stufe zur Hülsenachse weniger spitz als derjenige der innersten Stufe verläuft. Da hier jedoch die ausdehnbare Hülse an demjenigen Teil, der über das konische Ende dieser Zylinderhülse aufgezogen wird, eine reduzierte Wandstärke aufweist, erreicht man kein enges Anschmiegen der ausdehnbaren Hülse an den konischen Teil der Zylinderhülse, sondern wiederum ein unerwünschtes Aufbauchen der Hülse.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die obigen Nachteile zu vermeiden und die Zuverlässigkeit sowie Belastungsfähigkeit von Blindschraubverbindungen der eingangs bezeichneten Art weiter dadurch zu verbessern', daß ein Aufwölben und Aufweiten der ausdehnbaren Hülse beim Festziehen der Schraubverbindung zuverlässig verhindert wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß am konischen Endabschnitt des Mutterschaftes eine äußere Stufe von etwa 60° Neigung und eine innere Stufe von etwa 30° Neigung vorgesehen sind, die an einem Punkt ineinander übergehen, der etwa in der Mitte der Schaftwand liegt, und daß die Wandstärke des mittleren Teils der Hülse auf Grund eines verkleinerten Außendurchmessers um etwa 15 °/o geringer als an den Hülsenenden ist, von denen das eine, wie an sich bekannt, unter dem gleichen spitzen Winkel abgeschrägt ist, unter dem der Schraubenkopf in den Schraubenschaft übergeht. Bei einer Blindschraubverbindung mit diesen Merkmalen läßt sich die Hülse gleichmäßig über den konischen Endabschnitt der Mutter aufziehen, ohne daß eine Aufwölbung oder Erweiterung nach außen stattfindet.

Die Schraube kann in an sich bekannter Weise im Bereich des Gewindeabschnitts mit einer Sollbruchstelle versehen sein.

Ein Teil der Gewindegänge der Zylindermutter kann ferner in eine nichtkreisförmige Form gebracht worden sein.

Um den Einbau der Blindschraubverbindung zu erleichtern, sind die maximalen Außendurchmesser des Schraubenkopfes, der Hülse und des Schaftes der Zylindermutter im wesentlichen gleich.

Die Erfindung wird anschließend an Hand der Zeichnungen eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen

ίο F i g. 1 und 1 a je eine Seitenansicht bzw. Draufsicht einer Schraube,

F i g. 2 und 2 a je eine Seitenansicht bzw. Draufsicht auf eine Ausführungsform einer Zylindermutter gemäß der Erfindung,

F i g. 2 b eine Schnittansicht eines Teils des konischen Endes der mit einem Kopf versehenen Zylindermutter,

F i g. 3 und 3 a je eine Seitenansicht und eine Draufsicht einer Hülse gemäß der Erfindung,

Fig.4 eine zusammengesetzte Blindschraubverbindung, die in zwei Werkstücke eingebaut ist, gerade vor dem Anziehen der Schraube,

Fig.4a die Blindschraubverbindung gemäß der F i g. 4, nachdem die Schraube festgezogen ist, und

F i g. 5 und 6 bekannte Blindschraubverbindungen, deren Hülsen aufgeweitet bzw. aufgewölbt sind.

Aus der F i g. 5 geht hervor, daß, wenn die Scheitelstelle des Konus 50 sehr dicht neben der Fläche des Werkstückes 51 liegt, sich eine Hülse mit gleichförmigen Querschnitt aufweitet. Ist dagegen die Scheitelstelle des Konus 50 von der Fläche des Werkstückes 53 (F i g. 6) etwas weiter entfernt, so wölbt sich die Hülse mit gleichförmigem Querschnitt auf oder biegt sich aus.

In der F i g. 1 ist eine Schraube 10 dargestellt, die am einen Ende mit einer Anzahl von Arbeitsflächen 11 versehen ist, auf die ein Schraubenschlüssel od. dgl. aufsteckbar ist. Wenngleich auch andere Mittel zum Aufnehmen einer Drehkraft verwendet werden können, wird jedoch vorzugsweise ein Sechskant benutzt, auf den genormte Werkzeuge aufgesteckt werden können. .' ■ .

Die Schraube 10 ist in ihrem mittleren Abschnitt mit einem Gewinde 13 versehen. Der Schraubenschaft 14 neben dem Schraubenkopf weist kein Gewinde auf. Der Durchmesser des Schaftabschnittes ohne Gewinde soll etwas größer sein als der größte Durchmesser bzw. Außendurchmesser des Gewindes, worauf im folgenden noch näher eingegangen wird.

Der Schraubenkopf 15 geht in den gewindelosen Abschnitt 14 des Schraubenschaftes unter einen Winkel über, der in bezug auf die Schraubenachse etwas geneigt bzw. spitz ist, wodurch eine Ausnehmung oder hinterschnittene Schulter 16 gebildet wird. Falls erwünscht, kann der Schraubenkopf mit einem üblichen kantigen Profil für einen Schraubenschlüssel, z.B. mit einem Innensechskant od. dgl. (nicht gezeigt), versehen sein, um später den Ausbau des Befestigungsmittels zu erleichtern. Ein Abschnitt des Schraubenschaftes ist ausgeschnitten, um eine Sollbruchstelle 17 zu bilden.

Die Zylindermutter 20, die in der F i g. 2 gezeigt ist, weist einen aufgebohrten Abschnitt 21 auf, in dem neben dem Kopfende ein Gewinde 22 eingeschnitten ist, das mit dem Schraubengewinde zusammenarbeitet. Falls eine Arretierung erwünscht ist, können einige der Gewindegänge 22' in eine nicht kreisrunde Form gebracht werden. Am konischen

Ende ist die Mutter 20 mit einer etwas größeren Aufbohrung 23 versehen, die derart bemessen ist, daß ein eng tolerierter jedoch einwandfreier Paßsitz für den gewindelosen Abschnitt 14 der Schraube 10 geschaffen wird. Die Zylindermutter besitzt einen Kopf 24 von üblicher Ausführung, der die in Fig.2 gezeigte Form aufweisen kann und mit einem Werkstück bündig abschließt; es können aber auch andere Kopfarten und -Formen verwendet werden. Der Kopf 24 ist mit Abschnitten zum Einsetzen eines Werkzeuges z.B. mit den Ausnehmungen 25 versehen, die in F i g. 2 a gezeigt sind, wodurch eine relative Bewegung der Mutter verhindert werden kann, wenn ein Drehmoment auf den Sechskant der Schraube ausgeübt wird.

Das dem Schraubenkopf gegenüberliegende Ende der Zylindermutter 20 weist einen konischen Abschnitt 26 auf. Wie am besten aus der Fig. 2b zu ersehen ist, setzt sich der konische Abschnitt aus einer Anzahl von einzelnen bzw. ausgeprägten Stufen 27 und 28 zusammen. Der Winkel der äußersten Stufe 27 in bezug auf die Mutterachse ist größer als der Winkel der anschließenden Stufe 28, worauf nachstehend noch ausführlich eingegangen wird.

Die in der F i g. 3 gezeigte Hülse 30 ist mit einem abgeschrägten Ende 31 versehen, so daß beim Aufstecken auf die Schraube das Hülsenende mit der hinterschnittenen Antriebsfläche 16 des Schraubenkopfes übereinstimmt. Um die axiale Ausrichtung der Zylindermutter, der Schraube und der Hülse zu erleichtern, ist der Innendurchmesser des äußeren Endes 32 der Hülse so dimensioniert, daß ein engtolerierter Paßsitz für den Schaft 14 der Schraube gebildet wird, und das vordere oder innere Ende der Hülse ist mit einer Aufbohrung 33 versehen, deren Durchmesser etwas größer ist als der vorderste Abschnitt 27 des konischen Randes der Mutter 20. Der mittlere Abschnitt 34 der Hülse weist eine etwas verringerte Wandstärke auf, die dadurch gebildet ist, daß etwas Material von der Außenfläche der Hülse abgenommen worden ist. Der Unterschied der Wandstärken der Hülse zwischen dem vorderen Ende 35 und dem mittleren Abschnitt 34 stellt ein Merkmal dar, durch das in Verbindung mit den Konusabschnitten 27 und 28 erreicht wird, daß die Hülse 30 sich gleichmäßig über die konische Mutter schiebt und auf dieser mit einem Paßsitz gehalten ist, worauf anschließend noch näher eingegangen wird. Im praktischen Einsatz werden die Schraube, die Hülse und die Zylindermutter gemäß Fig.4 zusammengebaut, wobei die Schraube so weit angezogen wird, daß die Hülse lose gehalten und axial zwischen dem Schraubenkopf und dem Rand der Zylindermutter zentriert ist. Die Anordnung wird dann in die ausgerichteten Bohrungen in den Teilen 36 und 37 eingesetzt, die miteinander zu verbinden sind. Mittels eines üblichen Schraubwerkzeuges oder Schraubenschlüssels, der auf den Sechskant 11 bzw. in die Ausnehmungen 25 eingesetzt wird, wird ein Drehmoment auf den Sechskant ausgeübt, um die Schraube in bezug auf die Mutter zu drehen und dieselbe in axialer Richtung relativ zu der Mutter zu bewegen, wobei bewirkt wird, daß der Schraubenkopf 15 die Hülse 30 auf den konischen Abschnitt 26 der Mutter drückt. Dabei bildet die Hülse eine Kopf- oder Klemmfläche 38 auf der unzugänglichen Seite der Verbindung. Die Belastung oder Spannung des Befestigungsmittels wird durch das Drehmoment festgelegt, das zum Abscheren des einen Endes der Schraube an der Sollbruchstelle 17 erforderlich ist. Die Belastung kann in bekannter Weise durch Änderung der Querschnittszone der Sollbruchstelle für jedes vorgegebene Schraubenmaterial variiert werden. Wenn das Befestigungsmittel richtig vorgespannt ist, so ist der Sollbruch-Stellen-Abschnitt der Schraube mit der Fläche des Mutterkopfes ausgerichtet oder befindet sich etwas unterhalb dieser. Ein Kontrolleur kann auf diese

ίο Weise einfach feststellen, ob die Verbindung richtig vorgespannt ist.

Der Gesamtwinkel des konischen Endes 26 der Mutter, die Größenverhältnisse der Winkel und die Hülsenabmessungen sind so in bezug aufeinander festgelegt, daß die Hülse gleichmäßig über die Mutter gezogen wird, ohne daß sie sich aufwölbt oder nach außen erweitert, während gleichzeitig ein Paßsitz zwischen der Mutter und der Hülse geschaffen wird. Der aufgebohrte Teil 33 der Hülse sitzt, wie in F i g. 4 gezeigt ist, auf dem Rand der äußersten Stufe 27 der konischen Mutter. Neben der Zentrierung der Hülse bewirkt diese Anordnung eine gleichmäßige Verformung und setzt die anfängliche Kraft, die zur Aufweitung der Hülse ausgeübt werden muß, auf einen minimalen Wert herab. Da ferner der zuerst aufgeweitete vordere Endabschnitt 35 einen größeren Querschnitt hat, als die folgenden Hülsenabschnitte, werden in diesem vorderen Ende weit mehr Ringspannungen erzeugt, wenn dieses sich auf die abge- schrägte Fläche 27 schiebt, als in den dünnwandigen Abschnitten. Wenn sich die Hülse auf die weniger abgeschrägte Fläche 28 schiebt, bewirken diese Ringkräfte oder Ringspannungen, daß sich das vordere Ende selbsttätig gegen die Mutterfläche 28 legt und sich nicht weiter in Richtung der ersten Stufe aufweitet. Wenn die Hülse weiter aufgeschoben wird, so folgt dem dickwandigeren Abschnitt der etwas schwächere Mittelabschnitt, der sich gleichmäßig über die konische Mutter legt, bis die Hülse festsitzt.

Ein wesentlicher Faktor, der die Belastungsfähigkeit der unzugänglichen Seite der einseitig festziehbaren Blindschraubverbindung beeinflußt, ist das Verhältnis der Höhe der Hülse zur Wanddicke. Die Belastungsfähigkeit derartiger Befestigungsmittel ändert sich umgekehrt mit dem Verhältnis der Hülsenhöhe zur Hülsenwanddicke, d. h., je kleiner dieses Verhältnis ist, desto größer wird die aufnehmbare Last und umgekehrt.

Die Abschrägung oder Verjüngung des Mutterrandes stellt einen weiteren Faktor dar, der zur Vermeidung einer Aufwölbung und Ausweitung der Hülse beitragen kann. Bei Hülsen, die zur Aufnahme einer spezifischen Last eine minimale Wanddicke aufweisen, hat sich gezeigt, daß der optimale Winkel auf der Mutter zum Aufweiten der Hülse und Herstellung der Außenfläche in der Größenordnung von 15° liegt. Wenn jedoch ein Winkel von 15° zur Erreichung einer vollen radialen Ausdehnung der Hülse benutzt wird, so ist das Ausmaß der Aufziehbewegung und die Hülsenhöhe zwangläufig bei der vorhandenen Wanddicke sehr groß und maximale Belastungen können hierbei nicht aufgenommen werden. Um die Aufzieh-Strecke auf ein Mindestmaß oder einen minimalen Wert herabzusetzen und die An-Wendung geringerer Höhen für die Hülse zu ermöglichen, soll daher die Hülse über eine Mutter gedrückt und aufgeweitet werden, die an ihrem konischen Ende einen »zusammengesetzten Winkel« aufweist,

wobei ein stumpferer Winkel, vorzugsweise von etwa 30°, für die erste Stufe des Konus verwendet wird. Auf diese Weise weitet sich die Hülse während der ersten Aufziehstufe schneller aus, und anschließend bewirken die Ringspannungen, daß sich die Hülse zusammenzieht und sich gleichmäßig über die zweite Stufe mit einem spitzeren Winkel schiebt, bis sie festsitzt. Somit kann die Gesamthülsenhöhe verkürzt werden.

Bei dem in der F i g. 2 b gezeigten Ausführungsbeispiel schneiden sich die beiden Winkel des Konus an einer Stelle 40, die etwa in der Mitte zwischen der inneren und äußeren Mutterwand 41 bzw. 42 liegt.

Die Gesamtlänge der Abschnitte 34 und 35 der Hülse ist vorzugsweise etwas größer als die Länge desjenigen Abschnittes der Mutter 26, der über die nichtzugängliche Auflagefläche 39 der zu verbindenden Anordnung hinausragt. Der dünnere Wandabschnitt 34 der Hülse soll ferner etwa eine Dicke von 85% der Dicke des stärkeren Wandabschnittes 35 aufweisen. Dies stellt einen Faktor dar, der in Verbindung mit den Konusabschnitten 27 und 28 sicherstellt, daß die Hülse 30 sich gleichmäßig über die Mutter 20 aufziehen läßt.

Um weiter einen besseren Sitz der Hülse an den Abschnitten neben dem Schraubenkopf 15 nach dem Aufziehen zu erreichen, sollte die Hülse am äußeren Ende 31 der Bohrung 32 am stärksten sein, d. h. daß hier die dicksten Abschnitte der Hülse liegen sollen.

Eine Aufwölbung oder Aufweitung der Hülse 30 wird durch die Kombination der vorstehend beschriebenen Merkmale verhindert. Hinzu kommt, daß die Winkel an der hinterschnittenen Antriebsschulter 16 der Schraube und der konischen Fläche 31 der Hülse bewirken, daß diese zwei Teile in Bezug aufeinander ausgerichtet sind, wenn die Hülse über die konische Mutter gedrückt wird, wodurch eine zweckmäßige Verteilung der Kraft erreicht und eine gegenseitige Versetzung der Teile vermieden wird, was einen Faktor darstellt, der, sofern er nicht ausgeschaltet wird, ebenfalls zu einem Aufwölben und Aufweiten beitragen kann.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen 309 511/4

Claims (3)

Patentansprüche:.

1. Blindschraubverbindung mit einer Schraube, die einen Kopf, der unter spitzem Winkel in einen gewindelosen Schaft übergeht, um eine hinterschnittene Antriebsschulter zu bilden, einen gewindelosen Schaft, einen Gewindeabschnitt und einen Endabschnitt mit Antriebsflächen aufweist, wobei der Querschnitt des Endabschnitts nicht größer als der Kerndurchmesser und der Außendurchmesser nicht größer als der Schaftdurchmesser ist, ferner mit einer Mutter, die mit einem mit Antriebsflächen versehenen Kopf, einem in einem konischen Endabschnitt mit verkleinertem Durchmesser übergehenden Schaft und einer teilweise ein Gewinde aufweisenden axialen Bohrung versehen ist, deren am konischen Endabschnitt beginnender Teil beim Festziehen der Verbindung den Schraubenschaft aufnimmt, und mit einer dehnbaren, auf die Mutter aufziehbaren Hülse mit einer abgestuften axialen Bohrung, deren Durchmesser am einen Hülsenende eine Aufnahme des Schraubenschafts im Paßsitz gestattet, während der restliche Teil der Bohrung einen Durchmesser aufweist, der etwas größer als der Außendurchmesser des äußersten Teils des konischen Endabschnittes des Mutterschaftes ist, dadurch gekennzeichnet, daß am konischen Endabschnitt (26) eine äußere Stufe (27) von etwa 60° Neigung und eine innere Stufe (28) von etwa 30° Neigung vorgesehen sind, die an einem Punkt (40) ineinander übergehen, der etwa in der Mitte der Schaftwand (41, 42) liegt, und daß die Wandstärke des mittleren Teils (34) der Hülse (30) auf Grund eines verkleinerten Außendurchmessers um etwa 15 % geringer als an den Hülsenenden ist, von denen das eine (31), wie an sich bekannt, unter dem gleichen spitzen Winkel (16) abgeschrägt ist, unter dem der Schraubenkopf (15) in den Schraubenschaft (14) übergeht.

2. Blindschraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube in an sich bekannter Weise im Bereich des Gewindeabschnittes mit einer Sollbruchstelle versehen ist.

3. Blindschraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Gewindegänge der Zylindermutter in eine nicht kreisförmige Form gebracht sind.