DE1950372A1

DE1950372A1 - Befestigungsanordnung mit Senkkopf und Senkloch

Info

Publication number: DE1950372A1
Application number: DE19691950372
Authority: DE
Inventors: Sekhon Jagdish Singh
Original assignee: Hi Shear Corp
Current assignee: Hi Shear Corp
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1969-10-06
Publication date: 1970-04-16
Also published as: DE1950372B2; GB1259800A; FR2020076A1; US3512446A; DE1950372C3; NL6915108A

Description

PATENTANWÄLTE Λ ηΓΛΛΠΛ

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN DIPL.-PHYS. DIPL.-ING. 8 MÜNCHEN 25 · .L I POWSK-YSTR. 10 i-15

6. Oktober 1969 11/b/l

Hi-Shear Corporation Befestigungsanordnung mit Senkkopf und Senkloch

Die Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung mit Befestigungsmitteln, die einen Senkkopf haben, wie beispielsweise mit Köpfen versehene Bolzen, Muttern und Stifte, in Verbindung mit einem Werkstück, das ein Senkloch aufweist .

Es ist bekannt, in einem Werkstück ein Loch auszubilden, das den Schaft eines Befestigungselemente aufnimmt, wobei an einem Ende des Lochs eine versenkte Oberfläche vorgesehen ist, gegen die sich eine entsprechende Oberfläche eines an dem Schaft vorgesehenen Senkkopfes anlegt* Die Senkflächen von Werkstück und Kopf sind üblicherweise kongruent zueinander und berühren einander bewußt über ihre gesamten Oberflächen.

Bei der Herstellung relativ hoch beanspruchter Gebilde, beispielsweise Rahmen von Luftfahrzeugen und dergleichen, ist man dazu übergegangen, die Lebensdauer dadurch zu erhöhen, daß man im Bereich des Hauptteils eines Lochs radiale Druckbeanspruchungen vorsah. Diese radialen Druckbeanspruchungen werden durch Preßsitze zwischen dem Schaft und der Lochwand erzeugt sowie durch gewisse Abwandlungen in der Technik der Herstellung der Preßsitze. Die Lebensdauer

009816/1319

Posudiedtkonto 1679 41 München · Deutidtc B»nk, MUndien Konto 70/37369 · Telefon: (0811) 77 89 56

- 2 - an-hi-ii

einer Verbindung wird durch diese Techniken stark erhöht. Es wurde jedoch bisher kein Versuch gemacht, radiale Druckbeanspruchungen in dem Senkbereich eines Lochs zu schaffen. Infolgedessen ergeben sich die meisten Fälle von Versagen infolge Ermüdungserscheinungen in Bereich der Senkungen der Verbindungsanordnungen, bei denen mit Schäften versehene Befestigungselemente, wie Bolzen oder Stifte, verwendet werden.

Durch die Erfindung soll daher die Lebensdauer derartiger Gebilde durch Schaffung radialer Druckbeanspruchungen in dem Senkbereich der Verbindungsanordnung erhöht werden

Bei einer Anordnung, die ein Loch in einem Werkstück aufweist, das den Schaft eines Befestigungselements aufnehmen soll und mit einer versenkten Oberfläche in den Werkstoff am Ende des Loche versehen ist, wobei die Anordnung eine weitere Senkfläche an dem Kopf eines Befestigungselemente aufweist, wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die beiden Senkflächen nicht kongruent zueinander sind und daß eine Senkfläche konvex in Bezug auf die andere ist, derart, daß die Senkfläche an dem Loch durch die Senkfläche an dem Befestigungselement verformt werden muß, um das Befestigungselement in gewünschter Weise einzusetzen und zu verankern. Dabei ergibt eich eine radiale Druckbeanspruchung im Senkbereich des Lochs, die im Bereich der Senkung die Vorteile von Preßsitzen ergibt.

Ausführungabeiepiele der Erfindung werden im folgenden an Hand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 ist ein teilweiser Querschnitt, der den Stand der Technik veranschaulicht.

009816/1319

- 3 - an-hi-15

Fig, 2 ist eine auseinandergezogene Darstellung der Bestandteile einer Verbindungsanordnung gemäß der Erfindung.

Fig. 3 ist ein Querschnitt nach der Linie 3-3 von Fig. 2„ Fig» 4 zeigt einen Ausschnitt aus der Verbindung, die durch die Bestandteile der Anordnung nach Fig. 2 im zusammengesetzten Zustand gebildet ist.

Fig. 5 veranschaulicht eine abgewandelte Ausbildung der Erfindung.

Gemäß Fig. 1 hat beim Stand der Technik eine Platte 10 ein Loch 11 mit einer Wand 12, die in einer Senkbohrung 13 endet ο Diese Senkbohrung hat eine kegelstumpfartige Senkfläche 14, die an der oberen Oberfläche 15 der Platte 10 endet. Ein Befestigungselement 16 besitzt einen zylindrischen Schaft 17, der mit der Wand 12 des Lochs 11 einen Preßsitz bilden kann oder nicht. Das Befestigungselement 16 hat einen Senkkopf mit einer kegelstumpfförmigen Oberfläche 18, die kongruent zu der Fläche 14 ist. Ein Radius 19 ist am Übergang der Schrägflächen von Loch und Befestigungselement in deren benachbarte Oberflächen vorgesehen, um unerwünschte Beanspruchungsspitzen zu vermeiden. Ein Zusammenpressen der Senkflächen ergibt nur eine verhäitnismässig kleine radiale Druckbeanspruchung, eine wesentliche Verformung des Materials unterhalb der Fließgrenze ist nicht zu erwarten, und eine Verformung des Materials über die Fließgrenze hinaus ist außerordentlich unwahrscheinlich. Ein Zusammenpressen, das sinnvolle Beanspruchungswerte ergibt, erfordert eine Verformung des Materials, und eine solche ist nicht zu erwarten, wenn axiale Kräfte

009816/1319

-«*■-■ an-hi-i5

über große kongruente Flächen verteilt werden.

Um diese Beschränkungen des Standes der Technik zu beseitigen, werden erfindungsgemäes die Ausgestaltungen verwendet, die in den Fig« 2 bis S veranschaulicht sind. Gemäss der Erfindung soll ein Werkstück zusammengehalten werden, das aus Platten 20 und 21 bestehen kasm_s die ein Durchgangsloch 22 aufweisen. Derjenige Teil des Lochs 22, der in der Platte 20 angeordnet ist, weist eine Senkbohrung 23 auf_s die in bequemer Weise durch eine kegelstumpfartige Oberfläche 2H gebildet sein kann^ die den zylindrischen Teil des Lochs 22 innerhalb der Platte 20 schneidet» Ein Halteglied 25, beispielsweise eine Mutter oder ein Kragen, dient dazu«, an einem Befestigungselement 2S befestigt zu werden und die Befastigungsanordnung zu vervollständigen. Das Befestigungselement 26 besitzt bei dem dargestellten Ausführungsbexspxel einen Gewindestift 28, aber die Erfindung ist natürlich für jede Art von Verbindungsmittel und für jede Art von Schaft anwendbar. Die Art des Zusammen-' haltens der Verbindung ist unabhängig von der Ausbildung des Senkbereichs.

Das Befestigungselement 26 besitzt einen Schaft 27, der im allgemeinen einen Preßsitz mit der Wand des Lochs 22 bilden soll, wobei also der Durchmesser des Schafts grosser ist als der Durchmesser des Lochs, an dem der Schaft im zusammengesetzten Zustand anliegt.

Das Haltemittel oder der Gewindestift 28 besitzt ein Gewinde j dass, wenn das Befestigungselement 26 in das Loch 22 eingesetzt ist* über cie Rückseite der Platte 21 hinausragt und durch das Gegengewinde in dem Haltemittel 2S festgehalten wird, wodurch die gesamte Anordnung fest mitein-

0 0 9 8 16/1319

- S - an-hi-15

ander verklemmt wird. Das Haltemittel oder der Gewindestift 28 kann auch dazu verwendet werden» den Schaft 27 vollständig in das Loch 22 hineinzuziehen, oder druckerzeugende Mittel, beispielsweise ein Schlaghammer, können verwendet werden, um die Zug- oder Schlagkräfte aufzubringen, die notwendig sind, um das Befestigungselement 26 durch Verformung des Materials in dem Loch 22 festzulegen.

An dem Schaft 27 ist einstückig mit diesem ein Senkkopf 30 ausgebildet, der eine Senkfläche 31 aufweist, die jedoch nicht kongruent zu der Oberfläche 24 ist. Statt dessen ist die Oberfläche 31 konvex in Bezug auf die Fläche 24 und weist eine durchgehende Rotationsfläche auf, die ausserhalb eines theoretischen Kegels 32 liegt, der den gleichen Kegelwinkel hat wie die Fläche 2t. Beispielsweise kann bei einem Befestigungselement mit einem Schaftdurchmesser in der Grössenordnung von etwa 6,5 mm (0,2535 Zoll) der größte Durchmesser des Kopfs in der Grössenordnung von etwa 9,5 mm (0,375 Zoll) und der größte Durchmesser der Senkfläche in der Grössenordnung von 10,0 mm (0,395 Zoll) liegen. Der Senkwinkel kann in der Grössenordnung von 50° liegen, und die Erzeugende der Rotationsfläche kann ein Kreisbogen mit einem Radius in der Grössenordnung von etwa 5,1 mm (0,200 Zoll) sein, dessen Mittelpunkt auf einem Punkt liegt, der sich etwa 4,6 mm (0,180 Zoll) oberhalb des Obergangs von dem Kopf in den Schaft befindet und gegenüber der Mittelachse etwa um 8,9 mm (0,35 Zoll) nach aussen verschoben ist. Hierdurch ergibt sich eine leicht ausgebauchte Fläche, die in Druckberührung mit der Senkfläche 24 kommt, wenn der Kopf stark gegen diese Senkfläche in der Platte 20 gezogen wird.

Das Ergebnis ist in Fig. 4 dargestellt, wo der ursprüngliche UmriÄ der Senkfläche 24 in der Platte 20 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die sich ergebende Berührungs-

009818/1319

- 6 - an-hi-15

fläche ist durch die volle Linie 33 dargestellt, die im wesentlichen dem Umriß des Kopfes entspricht, während die Verformung im wesentlichen in dem Werkstück oder der Platte 20 stattgefunden hat« Das Metalls das den Senkbereich umgibt, wird daher sowohl in radialer Richtung nach aussen als auch durch axiale Kräfte zusammengedrückt, die in Richtung des Pfeiles 34 wirken.

Fig. 5 veranschaulicht, daß an einem Kopf 41 eines Schafts 42 eine im wesentlichen konische Senkfläche 40 ausgebildet sein kann, wobei eine ursprünglich nicht kongruente Oberfläche 43 (in derselben Art wie die Fläche 31 in Fig, 2) an der Senkwand einer Platte 44 ausgebildet sein kann. Die Fläche 43 ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Wenn die Befestigungsanordnung festgezogen ist, erhält die Senkfläche in der Platte 44 eine Form, wie sie durch die Linie 45 dargestellt ist.

In allen Fällen ist das Material des Kopfes härter als das der Platte, damit das Plattenmaterial durch den Kopf verformt wird, um die dargestellten Ergebnisse zu erzielen. Aus den Zeichnungen ergibt sich, daß es gleichgültig ist, wie die sich ergebende Gestalt der Grenzfläche zwischen dem Senkkopf und der Senkbohrung in der Platte im Endzustand aussieht« Wichtig ist nur, daß das Material der Platte während des BefestigungsVorgangs durch den Kopf auf Druck beansprucht wird.,

Weil die Toleranzen, die Oberflächengüte und die Gestalt des Kopfes eines Befestigungselements genauer eingehalten werden können als die gleichen Merkmale der Löcher in den Platten, ergibt sich eine wesentliche Verbesserung in der Ausbildung der Zwischenfläche zwischen Senkkopf und Senkbohrung durch die Wechselwirkung zwischen diesen beiden

009816/1319

- 7 - an-hi-iS

Flächen, An der Senkhohrung ergibt sich eine Oberfiächerw gute, die im wesentlichen einen Polieren dieser Fläche äquivalent ist, wodurch sieh zusätzlich zu anderen günstigen Wirkungen eine Verkleinerung der Bereiche mit Bs&nspruchungskonzentrationen oder Beanspruchungßspitzen ergibt. Ausserdeat kann eich, abhängig von der iSs^ss® der Ober lagerung zwischen den beiden ursprünglichen Ssarakf liehen, eine Kaltverfestigung oder Kalthärtung erg©ts©j&_s %smm -die ausgeübten Kräfte groE genug sind, wodurch ©in« drtliehe Härtung end eine erhöhte Zugfestigkeit erspielst werden, die sich durch Oberschreiten der Flie&grenze ergeben. Diese Vorteile treten zu denjenigen hinsu, die azam?&k er-reioht werden, daß die Platte lediglich unterhalb desr· Flieegrense beansprucht wird. Die Erfindung betrifft dicee beiden Beanspruchufigsarten, und der Ausdruck ^Verformimg des Hetalls" bedeutet nicht notwendigerweise ein unelastisches, plastisches Fliessen.

Durch Versuche wurde festgestellt, da& dutch Rwendung der Erfindung die Lebensdauer in der BrGm&mw-Mvng vor* wenigstens 25 % und oft bis zu 100 % verbessert wurde, was z.B. bei Luftfahrzeugen einen beträchtlichen Vorteil darstellt. Eine typische Materialpaarung wird gebildet durch die Verwendung einer Titanlegierung 6AL-1V für das Befestigungselement und die Verwendung einer Aluminiumlegierung für die Platte, die unter der Bezeichnung 2O2U-T351 bekannt ist. Hierdurch soll veranschaulicht werden, daft ein Kopf verwendet wird, der härter ist als die Platte.

09816/13 19

Claims

- 8 - an-hi-15

PATENTANSPRÜCHE

Befestigungsanordnung, bestehend aus einem metallischem Werkstück mit einem Loch, das an einem Ende .eine Senkbohrung aufweist, und aus einem Befestigungselement mit einem Schaft, der in das Loch einführbar ist, und mit einem starr mit dem Schaft verbundenen Kopf, der eine Senkfläche trägt, die sich an die Oberfläche der Senkbohrung anlegt, wobei beide Senkflächen Rotationsflächen sind, die über die ganze Fläche aus Metall bestehen und im wesentlichen gleiche radiale Abmessungen haben_s dadurch gekennzeichnet , daß die Senkflächen (24, 31; 40» 43) nicht kongruent zueinander sind, daß eine der Senkflächen (31;43) konvex in Bezug auf die andere (24; 40) ist und daß die konvexe Senkfläche im wesentlichen über ihre ganze radiale Ausdehnung leicht gekrümmt ist, so daß beim Einsetzen des Schafts (27; 42) in das Loch (22; - ) die Senkfläche (24; 43) am Werkstück (20; 44) über die Druckfließgrenze hinaus verformt wird, um eine vollständige Flächenberührung zwischen den beiden Senk~ flachen zu erzielen.

2, Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senkflächen (24, 31; 40, 43) vor dem Zusammenfügen nicht kongruent zueinander sind und daß das Befestigungselement (26; 42) nach dem Einsetzen in das Loch (22; - ) in diesem mit einer solchen Kraft gehalten ist, daß die Senkfläche (31; 40) des Kopfs (30; 41) diejenige des Werkstücks (20; »*4) über die

009816/ 1319

- 9 - an-hi-15

Druckfließgrenze hinaus verformt, so daß die beiden Senkflächen sich aneinander anlegen und kongruent und komplementär zueinander konkav-konvex werden.

3. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Metall des Befestxgungselements (26;42) härter ist als das des Werkstücks (20; tH).

009816/1319

Le e rs ei te