DE19518763A1 - Simultan lösbare, kraftschlüssige Verbindung zwischen zwei Bauteilen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine simultan lösbare, kraft­ schlüssige Verbindung zweier Bauteilen eines Erzeugnisses un­ ter Verwendung eines hülsenartigen Gefrierelements.

Zur Realisierung von Querpreßverbindungen ist es seit langem bekannt, die Wärmedehnung von Werkstoffen auszunutzen. Durch Erwärmen des Außenteils und/oder Abkühlen des Innenteils wird das bei Raumtemperatur vorhandene Übermaß zwischen den Bau­ teilen beseitigt. Diese lassen sich dadurch mit Spiel fügen und sind nach dem Ausgleich der Temperatur fest verbunden. Hierfür, wie auch zum Lösen, werden jedoch Temperaturunter­ schiede von 100 K und mehr gefordert, was eine Anwendung für simultane Löseprozesse in den meisten Fällen ausschließt.

Weiterhin sind Mittel zum simultanes Lösen mehrerer Verbin­ dungsstellen zwecks Vereinfachung der Demontage eines Er­ zeugnisses bereits bekannt. Die für die Zustandsänderung der Verbindungsstellen solcher Verbindungstechniken notwendige mechanische Energie wird mittels Wandlerelemente aus anderen, ungerichteten physikalischen Größen, wie Temperatur, gewonnen (DE 43 27 381 A1).

Weiter regte Gehrmann, Franz in: "Konstruktion und werterhal­ tendes Recycling niederwertiger technischer Gebrauchsgüter, dargestellt am Beispiel Haushaltkleinmaschinen" - VDI-Fort­ schrittsberichte, Reihe 15: Umwelttechnik Nr. 40, Düsseldorf: VDI-Verlag GmbH, 1986 bereits an, gasgefüllte, elastische Blasen, die sich unter der Wirkung äußerer Druckveränderungen verformen sollen, oder sogenannte Dehnelemente mit z. B. Pa­ raffin im Innern zu verwenden. Diese Vorschläge bewähren sich in der Praxis aber nicht. Das Gas diffundiert mit der Zeit durch die Blasenwand, wodurch sich der Druck abbaut und Pa­ raffin ist ein brennbarer und schlecht entfernbarer Stoff. Außerdem erfolgt die Volumenzunahme jeweils gleichförmig mit der Temperaturzunahme bzw. Druckzunahme oder -abnahme, was ebenfalls höhere Temperaturdifferenzen erfordert. Auch sind die verwertbaren Kräfte für technisch sinnvolle Elementegrö­ ßen vielfach zu klein.

Auch ist schon vorgeschlagen worden, Dehnelemente als Ge­ frierelemente auszubilden, die aufgrund der Volumenänderung der Gefriersubstanz - vorzugsweise Wasser - im Innern der Ge­ frierelemente beim Übergang vom flüssigen in den starren Zu­ stand oder umgekehrt Verbindungen lösen oder schließen (P 44 01 862.2).

Dabei können sich beispielsweise die Seitenwände einer mit Wasser gefüllten Zelle bei Temperaturen unter dem Gefrier­ punkt sphärisch nach außen wölben und ein nicht näher ausge­ führtes Verbindungselement beaufschlagen oder eine stoff­ schlüssige Verbindung auftrennen.

Die Gefrierelemente leisten im Vergleich zu Gasblasen oder Paraffin-Dehnelemente eine wesentlich größere mechanische Ar­ beit und zwar ziemlich schlagartig. Sie sind umweltverträg­ lich, preiswert und teilweise wiederverwendbar.

Für hochfeste Verbindungen, insbesondere Verbindungen, die ohne Zwischenschaltung herkömmlicher Verbindungselemente, wie Schnapphaken, Riegel, Schrauben usw. geschaffen werden sol­ len, sind die ausnutzbaren Kräfte mitunter noch nicht ausrei­ chend hoch.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, für Verbin­ dungen kleiner Bauart auf der Basis von Gefrierelementen den Kraftschluß zwischen den zu verbindenden Teilen mit einfachen Mitteln zu erhöhen. Ferner sollen die Verbindungen sowohl se­ quentiell als auch simultan lösbar sein.

Die Erfindung wird gelöst durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Ausführun­ gen sind in den Ansprüchen 2 bis 9 angegeben.

An sich wäre zu erwarten, daß durch die Volumenausdehnung des gefrierenden Wassers sich die Preßverbindung noch verstärkt. Durch die erfindungsgemäße Formgestaltung des Mantels des Ge­ frierelements im Zusammenwirkung mit der kreisrunden Bohrung im zu verbindenden Bauteil wird jedoch ein Lösen erreicht, da sich in Vorspannrichtung das Gefrierelement unter Aufhebung der Kraftwirkung verkürzt.

Vorteilhafterweise liegt die Füge-/Trennrichtung der Verbin­ dung nach Art einer Preßverbindung senkrecht zu ihrer Kraft­ schlußrichtung.

Eine erfindungsgemäße Verbindung läßt sich sehr einfach und damit kostengünstig aufbauen, indem das Gefrierelement über den formveränderbaren, elastischen Hülsenmantel direkt die Verbindung öffnet.

Das Gefrierelement weist im Funktionszustand einen wasserge­ füllten, allseitig verschlossenen Hohlkörper mit einem ra­ dialunsymmetrischem Mantelquerschnitt senkrecht zur Füge­ /Trennrichtung auf.

Besonders anspruchslos gestalten sich Verbindungen, wenn der Mantelquerschnitt des Gefrierelements senkrecht zur Füge­ /Trennrichtung im Funktionszustand elliptisch ausgebildet ist.

Für höhere Verbindungskräfte kann das Gefrierelement aus ei­ nem wassergefüllten, allseitig verschlossenen Hohlkörper mit einem Mantelquerschnitt im Funktionszustand in Form eines Po­ lygon-Profils ausgebildet sein oder mit Formschluß kombiniert werden. Hierzu sind in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Mantel des Gefrierelements und die Bohrung entsprechend profiliert.

Ist vorauszusehen, daß das mit den erfindungsgemäßen Verbin­ dungselementen ausgestattete Erzeugnis Temperaturen unter dem Gefrierpunkt des reinen Wassers ausgesetzt sein wird, werden dem Wasser Zusatzstoffe zur Einstellung des Gefrierpunkts auf eine tiefere Temperatur beigemischt.

Das Gefrierelement ist prinzipiell wiederverwendbar und kann als Normteil ausgeführt werden. Die Größe der Gefrierelemente ist dann vergleichbar mit der Größe von Normschrauben.

Anhand eines Ausführungsbeispiels soll die Erfindung näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigt:

Fig. 1a einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Ver­ bindungsstelle,

Fig. 1b einen Querschnitt A-A nach Fig. 1a,

Fig. 2 einen Querschnitt A-A nach Fig. 1a mit Einzeichnung der beim Gefrieren des Wassers wirkenden Kräfte,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine weitere erfindungsgemä­ ße Verbindungsstelle,

Fig. 4a einen Längsschnitt durch eine weitere erfindungsge­ mäße Verbindungsstelle,

Fig. 4b einen Querschnitt A-A nach Fig. 4a.

Anhand der Fig. 1 soll zunächst die prinzipielle Wirkungswei­ se der Erfindung erläutert werden. Zu verbinden sind die bei­ den Bauteile 1 und 2. Das Bauteil 1 ist im Beispiel eine Platte mit einem Durchzug, das Bauteil 2 ein Vollkörper mit einer Bohrung, die beispielsweise auch ein herkömmliches Ein­ preßteil aufnehmen könnte. Das Gefrierelement 4 besteht aus einem hülsenartigen Hohlkörper und ist mit reinem Wasser 3 oder Wasser 3 mit einem den Gefrierpunkt herabsetzenden Zu­ satz gefüllt und anschließend dauerhaft verschlossen. Der Hülsenmantel ist aus formelastischen Material und im Quer­ schnitt elliptisch. Im Oberteil wird das Gefrierelement 4 von einem Bund bzw. Kopf 5 abgeschlossen.

Zur Herstellung der Querpreßverbindung wird das Gefrierele­ ment 4 durch den Durchzug des Bauteils 1 gesteckt und unter Ausübung von Einpreßkraft in die Bohrung im Bauteil 2 bis zum Anschlag am Bund 5 eingetrieben. Zur Erleichterung des Fügens kann der Fuß des Gefrierelements 4 konisch angefast sein. Die elastische Verformung des Hülsenmantels des Gefrierelements 4 bewirkt die für den Zusammenhalt notwendige Reibkraft in der Bohrung des Bauteils 2 (Fig. 1b).

Zum sequentiellen Lösen der Verbindung kann das Gefrierele­ ment mit einem geeigneten Werkzeug aus der Bohrung entfernt werden. Dazu kann das Gefrierelement äußerlich weitestgehend herkömmlichen Verbindungselementen angeglichen sein.

Soll die Verbindung mit einer Vielzahl weiterer Verbindungen dieser Art gleichzeitig gelöst werden, so wird das Erzeugnis in einer Klimakammer einer Temperatur ausgesetzt, die zum Ge­ frieren des Wassers in dem Gefrierelement führt. Hierzu ist im Normalfall ein Temperaturunterschiede von 20 bis 30 K ausreichend. Wasser dehnt sich bekanntlich beim Erstarren zu Eis um fast 9% seines Volumens aus. Der beim Gefrieren ausge­ übte Druck ist so stark, das der Mantel des wassergefüllten Gefrierelements sich verformt. Der im Funktionszustand ellip­ tische Mantelquerschnitt nähert sich der Kreisringform an, das heißt, die Hauptscheitel auf der großen Ellipsenachse verkürzen ihre Abstände zum Ellipsenmittelpunkt, die Neben­ scheitel vergrößern ihren Abstand. Die Preßpassung wird nahe­ zu oder völlig aufgehoben und das Gefrierelement löst sich, z. B. unter Zuhilfenahme einer vorgespannten Druckfeder zwi­ schen dem Bund 5 und dem Bauteil 1.

Die Formänderung des Hülsenmantels erklärt sich dadurch, daß das gefrierende Wasser einen allseitig gleichmäßigen Innen­ druck auf die Gefrierelement-Hülse ausübt, die aufsummierte Kraftkomponente auf die Wandung in Richtung der kleinen Achse der Ellipse aber größer ist als in Richtung der großen Ellip­ senachse. Da der Mantel aus einem elastischen Material, wie z. B. Stahl, besteht und sich sein Umfang aufgrund seiner Form nur unwesentlich vergrößert, werden mit dem Ausweiten der Nebenscheitelzonen die Hauptscheitelzonen entgegen dem Druck des fließfähigen Eises so weit nach innen gezogen, bis sich ein Kräftegleichgewicht einstellt. In Fig. 2 sind die auf den Mantel des Gefrierelements 4 wirkenden Kräfte symbolisch dar­ gestellt.

Die Gefrierelement-Hülse kann im Querschnitt auch anders ge­ formt sein, beispielsweise als Polygon-Profil. Beim Gefrieren wird sich jede Seite des n-Ecks unter Einziehung der Kanten nach außen ausbeulen. Bei einem n-eckigen Gefrierelement las­ sen sich höhere Reibkräfte und damit Haltekräfte erreichen, jedoch sind an die Paßgenauigkeit höhere Anforderungen zu stellen, als beispielsweise bei einem elliptischen Quer­ schnitt.

Im Beispiel nach Fig. 3 ist das Gefrierelement mit dem Bauteil 1 zu einem einzigen Bauteil integriert und in das Bauteil 2 eingesetzt. Es ersetzt z. B. Rasthaken oder mit Sägezahn ver­ sehene, dübelartige Einpreßbolzen an der Innenseite eines Verkleidungs- oder Gehäuseteils oder eine Schraubverbindung mit dem Vorteil einer simultanen Lösbarkeit.

Im Beispiel nach Fig. 4 ist das kraftschlüssige Verbin­ dungselement zur Erhöhung der Haltekräfte mit Formschluß kom­ biniert. Hierzu dient eine gewindeartige bzw. wulstartige Profilierung der Manteloberfläche des Gefrierelements 4 und eine adäquate Ausbildung der Bohrung (Fig. 4a).

Mit der erfindungsgemäßen Lösung lassen sich hochfeste, si­ multan und separat lösbare Preßverbindungen herstellen.

Claims (10)

1. Simultan lösbare, kraftschlüssige Verbindung zweier Bau­ teile unter Verwendung eines hülsenartigen Gefrierelements, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierelement (4) beim Er­ starren des eingeschlossenen Wassers (3) sich in Kraftschluß­ richtung unter Aufhebung der Kraftwirkung an den Fügeflächen der Bauteile (1, 2) verkürzt.

2. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Funktionszustand der Verbindung der Zusammenhalt der Bauteile (1, 2) durch eine beim Einpressen des Gefrierelements (4) in eine Bohrung eines Teils (2) sich aufbauende Vorspannkraft hervorgerufen wird.

3. Verbindung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Füge-/Trennrichtung der Verbindung senkrecht zu ihrer Kraftschlußrichtung liegt.

4. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierelement (4) über den formveränderbaren, elasti­ schen Hülsenmantel direkt die Verbindung schließt/öffnet.

5. Verbindung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierelement (4) im Funktionszustand aus einem was­ sergefüllten, allseitig verschlossenen Hohlkörper mit einem radialunsymmetrischem Mantelquerschnitt senkrecht zur Füge­ /Trennrichtung besteht.

6. Verbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel des Gefrierelements (4) zusätzlich profiliert ist.

7. Verbindung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelquerschnitt des Gefrierelements (4) senkrecht zur Füge-/Trennrichtung im Funktionszustand achssymmetrisch, insbesondere elliptisch ist.

8. Verbindung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierelement (4) aus einem wassergefüllten, allsei­ tig verschlossenen Hohlkörper mit einem Mantelquerschnitt im Funktionszustand in Form eines Polygon-Profils besteht.

9. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Wasser (3) Zusatzstoffe zur Herabsetzung des Gefrier­ punkts beigemischt sind.

10. Verbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefrierelement (4) wiederverwendbar ist.