DE19706766B4

DE19706766B4 - Befestigungsverfahren

Info

Publication number: DE19706766B4
Application number: DE19706766A
Authority: DE
Inventors: Shigehiko Iwakura Kunieda; Takeshi Kani Shogo; Shuji Fujii
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1996-02-21
Filing date: 1997-02-20
Publication date: 2005-11-17
Anticipated expiration: 2017-02-21
Also published as: DE19706766A1; JPH09231847A; FR2744939A1; US5907898A; JP3151147B2; FR2744939B1

Abstract

Verfahren zur Befestigung eines Kerns in einer Ausnehmung eines Metallbauteils, bei dem der Kern (1) über die Öffnung der Ausnehmung (3) in diese eingesetzt wird und anschließend durch umfangseitiges Zusammendrücken des Metallbauteils (2) mittels eines Druckstempels (4), der mit einem bestimmten Kompressionsdruck (P) auf das Metallbauteil (2) gedrückt wird, mit dem Metallbauteil (2) verbunden wird, wobei der Gesamtbereich des Metallbauteils (2), auf den mittels des Druckstempels der Kompressionsdruck (P) aufgebracht wird, zumindest in einen ersten und zweiten Druckbereich unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgebrachte Kompressionsdruck (P) von der Öffnung der Ausnehmung (3) ausgehend ansteigt und in dem zweiten Bereich ein höherer Kompressionsdruck (P) als in dem ersten Bereich aufgebracht wird.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Befestigung eines Kerns in einer Ausnehmung eines Metallbauteils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Im allgemeinen waren verschiedene Befestigungsverfahren zum Einsetzen eines Kerns in einen Vertiefungsabschnitt eines Metallbauteils, das ein offenes Ende hat, und zum Verbinden des Metallbauteils mit dem Kern bekannt, indem der Kern und das Metallbauteil mittels eines Druckstempels am Umfang zusammengedrückt wurden. Zum Beispiel offenbart die japanische Patentveröffentlichung Nr. 60-54730 eine derartige Technik, so dass, wie in 7 gezeigt ist, ein Kern 51 und ein Druckabschnitt eines Metallbauteils 52 durch Durchführen eines Kompressionsvorgangs verbunden werden, so dass ein Kompressionsdruck P am Umfang auf einen Kompressionsbereich L des Kerns 51 und des Metallbauteils 52, die komprimiert werden sollen, mittels eines Druckstempels 53, der eine Breite a hat, die dem Kompressionsbereich L entspricht, auf einmal aufgebracht wird.

Da bei dieser Technik das Metallbauteil 52 in einer Richtung plastisch deformiert wird, die senkrecht zu einer Richtung ist, in der der Kompressionsdruck mittels des Druckstempels 53 aufgebracht wird, wird auf den Kern 51 in dessen Axialrichtung eine Zugbelastung aufgebracht. Darüber hinaus wird auf den Kern 51 in dessen Radialrichtung zur gleichen Zeit ein Kompressionsdruck aufgebracht.

Zu der Zeit, wenn von der in der japanischen Patentveröffentlichung Nr. 60-54730 offenbarten Technik Gebrauch gemacht wird, kann durch diese Technik eine ausreichende Befestigungsfestigkeit erzielt werden. Jedoch trat in letzter Zeit beispielsweise auf dem Gebiet eines Polymerisolators und dergleichen das Erfordernis auf, ein Befestigungsverfahren zu schaffen, das eine noch zuverlässigere Befestigungsfestigkeit hat, um einen Polymerisolator herzustellen, der eine noch exzellentere Zuverlässigkeit hat.

In dieser Hinsicht kann der Kompressionsdruck erhöht werden, um eine ausreichendere Befestigungsfestigkeit zu erzielen. Jedoch kann eine vorbestimmte Befestigungsfestigkeit nicht erzielt werden, wenn ein Material des Kerns variiert, und somit entsteht ein Problem, dass nämlich ein Befestigungsabschnitt bei einer extrem niedrigen Zugfestigkeit im tatsächlichen Gebrauch bricht.

Aus der GB 1 312 246 ist ein Verfahren zum Befestigen eines Kerns in einer Ausnehmung eines Metallbauteils bekannt, bei dem der zur Herstellung der Verbindung erforderliche Kompressionsdruck bereichsweise aufgebracht wird. Hierzu sind mehrere Druckbereiche vorgesehen. Der Kompressionsdruck des Druckstempels wird dabei ausgehend vom geschlossenen Ende sukzessive Bereich für Bereich auf das Metallbauteil aufgebracht.

Aus der US 3 835 690 ist ein Befestigungsverfahren zum Verbinden von Büchsen mit stangenartigen Elementen bekannt, bei dem ein Druckstempel verwendet wird, der so geformt ist, dass in den äußeren Bereichen des Druckstempels ein geringerer Druck auf die stangenartigen Elemente aufgebracht wird. Bei diesem Verfahren wird über den gesamten Pressvorgang immer mit demselben Kompressionsdruck gearbeitet.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Befestigung eines Kerns in einer Ausnehmung eines Metallbauteils zu schaffen, mit dem der Kern sicher in dem Metallbauteil befestigt werden kann, ohne dass Beschädigungen des Kerns zu befürchten sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Gemäß der Erfindung steigt der Kompressionsdruck von der Öffnung der Ausnehmung ausgehend an, wobei in dem zweiten Bereich ein höherer Kompressionsdruck als in dem ersten Bereich aufgebracht wird. Der Druckstempel wird also in dem ersten Bereich, der an der Öffnung der Ausnehmung vorgesehen ist, mit einem geringeren Kompressionsdruck auf das Metallbauteil aufgebracht als in dem zweiten Bereich, in dem der Druckstempel mit einem höheren Kompressionsdruck auf das Metallbauteil gepresst wird.

Gemäß der vorliegenden Erfindung ist es möglich, eine hohe Befestigungsfestigkeit (Zugfestigkeit) im Vergleich zu einer herkömmlichen, durch einfaches Zusammendrücken hergestellten Verbindung zu erhalten, da ein Kompressionsdruck sukzessive ansteigend von dem offenen Endabschnitt zu dem anderen Endabschnitt auf die Kompressionsbereiche aufgebracht wird.

1 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens.
2 ist eine grafische Darstellung zum Vergleich des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens und des bekannten Befestigungsverfahrens.
3 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines anderen Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens.
4 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens.
5 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines weiteren Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens.
6 ist eine grafische Darstellung zur Erläuterung eines bevorzugten Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens.
7 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles eines bekannten Befestigungsverfahrens.
Im nachfolgenden soll die Erfindung anhand einer Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert werden.
Zuerst wird eine Verbindung, die durch Zusammendrücken eines Kerns und eines Metallbauteiles durchgeführt wird, was eine Grundlage eines erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens ist, unter Bezugnahme auf eine Kompressionsverbindung zwischen einem FRP-Kern und einem Metallendfitting in einem Polymerisolator erläutert. In dem Polymerisolator wird eine Verbindungsfestigkeit durch Reibung einer Grenzoberfläche zwischen dem FRP-Kern und dem Metallendfitting erzeugt. Deshalb variieren in dem Polymerisolator, in dem eine Verbindung zwischen dem FRP-Kern und dem Metallendfitting durch ein Kompressionsverfahren durchgeführt wird, eine Bruchfestigkeit und ein Bruchmodus in Abhängigkeit von einem Kompressionsdruck, der aufgebracht wird, wenn die Verbindung durchgeführt wird.
In dem Fall, in dem der FRP-Kern und das Metallendfitting durch ein Kompressionsverfahren in einem Bereich verbunden werden, wo ein niedriger Kompressionsdruck aufgebracht wird, wird der Bruchmodus zu einem "Kernausschlupf"-Modus, in dem ein Schlupf an einer Grenzoberfläche zwischen dem FRP-Kern und dem Metallendfitting auftritt und der FRP-Kern aus dem Metallendfitting herausschlüpft, wenn der Polymerisolator beim tatsächlichen Gebrauch in einem Zugzustand bleibt. In diesem Fall, wenn der Kompressionsdruck erhöht wird, wird auch eine Grenzbruchfestigkeit erhöht, bei der der Kernausschlupf beginnt. Wenn sie jedoch unter einem Kompressionsdruck verbunden werden, der unterhalb einer vorbestimmten Grenze liegt, wird der Bruchmodus zu einem "Kernbruch"-Modus, bei dem eine Zugfestigkeit, die der Polymerisolator aushalten kann, unerwartet sinkt. Das heißt, in dem "Kernbruch"-Modus, wenn eine Kompressionsverbindung zwischen dem FRP-Kern und dem Metallendfitting durchgeführt wird, werden in dem FRP-Kern mikrofeine Risse erzeugt. In diesem Fall, wenn der Polymerisolator über einen langen Zeitraum beim tatsächlichen Gebrauch in einem Zugzustand gehalten wird, werden die mikrofeinen Risse, die in dem FRP-Kern erzeugt werden, gefördert und der FRP-Kern bricht. Deshalb sinkt eine Zugfestigkeit unerwartet, die der Polymerisolator aushalten kann. Darüberhinaus bricht der FRP-Kern in dem Metallendfitting, wenn der Kompressionsdruck weiter ansteigt und eine ausreichende Verbindungsfestigkeit kann nicht erzielt werden.
1 ist eine schematische Ansicht zur Erläuterung eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens unter Bezugnahme auf ein Befestigungsverfahren an einem Endabschnitt des Polymerisolators. In dem Ausführungsbeispiel, das in 1 gezeigt ist, wird ein FRP-Kern 1 in einen Vertiefungsabschnitt 3 eines Metallendfittings 2, das ein offenes Ende 2a hat, eingesetzt und der FRP-Kern 1 und das Metallendfitting 2 werden miteinander verbunden, indem sie mittels eines Druckstempels 4 am Umfang zusammengedrückt werden. In diesem Fall ist in der vorliegenden Erfindung eine Breite des Druckstempels 4 auf eine Breite a (L/2) eingestellt, was eine Hälfte eines Gesamtdruckabschnittes L ist, und ein Kompressionsdruck wird auf den gesamten Druckabschnitt auf zweimal von einer Seite des offenen Endes 2a aufgebracht. Der jeweilige Kompressionsdruckaufbringungsvorgang wird in einer solchen Art und Weise durchgeführt, daß ein Kompressionsdruck P auf einer gesamten äußeren Oberfläche des Metallendfittings 2 aufgebracht wird.
Im nachfolgenden werden das Befestigungsverfahren gemäß der Erfindung, das in 1 gezeigt ist, und das bekannte Befestigungsverfahren, das in 7 gezeigt ist, miteinander verglichen. Das heißt, daß, wie in 7 gezeigt ist, der bekannte Polymerisolator, der durch einmaliges Aufbringen eines Kompressionsdruckes P unter solch einer Bedingung erhalten wird, daß ein Durchmesser d des FRP-Kerns 51 16 mm beträgt und eine Breite a des Druckstempels 53 44 mm beträgt, was gleich ist zu jener des Gesamtdruckabschnittes L, vorbereitet wird. Zur gleichen Zeit wird der erfindungsgemäße Polymerisolator, wie in 1 gezeigt ist, der durch zweifaches Aufbringen eines Kompressionsdruckes unter solch einer Bedingung erhalten wird, daß ein Durchmesser des FRP-Kerns 1 16 mm beträgt und eine Breite a des Druckstempels 4 22 mm beträgt, was eine Hälfte des gesamten Druckabschnittes L ist, vorbereitet.
Anschließend werden in Bezug auf den somit vorbereiteten erfindungsgemäßen Polymerisolator und den somit vorbereiteten bekannten Polymerisolator die Zugfestigkeiten gemessen, bei denen der Polymerisolator bricht und ein Brechmodus wird zu jener Zeit bestätigt. Die Ergebnisse sind in 2 gezeigt. Aus den Ergebnissen, die in 2 gezeigt sind, kann abgeleitet werden, daß in dem bekannten Polymerisolator die größte Zugfestigkeit, bei der Polymerisolator in dem Kernausschlupfmodus bricht, T1 beim Kompressionsdruck P1 ist, wenn eine im tatsächlichen Gebrauch aushaltbare Zugfestigkeit durch Formen des Polymerisolators unter einem erhöhten Kompressionsdruck P angehoben wird. Andererseits kann erkannt werden, daß in dem erfindungsgemäßen Polymerisolator eine Zugfestigkeit T2 im Kernausschlupfmodus erhalten wird, die größer als T1 ist, wenn ein Kompressionsdruck, der aufgebracht werden soll, P1 ist, der viel niedriger als P2 ist. Auf diese Art und Weise kann eine Zugspannung und eine Druckspannung, die in dem Kern erzeugt wird, herabgesetzt werden, wenn der Gesamtdruckabschnitt in eine Vielzahl an Druckbereichen unterteilt wird und ein Kompressionsdruck sukzessive auf die Kompressionsbereiche aufgebracht wird, um eine Verbindung herzustellen, und ein Bruch des Kerns in dem Metallbauteil aufgrund einer Kompression des Metallbauteils kann verhindert werden, so daß der Polymerisolator erhalten werden kann, der eine stabile Zugfestigkeitscharakteristik hat.
Die 3 bis 5 sind jeweils schematische Ansichten, die ein anderes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Befestigungsverfahrens zeigen. In den in den 3 bis 5 gezeigten Ausführungsbeispielen sind Abschnitte, die ähnlich zu jenen in 1 sind, durch dieselben Bezugszeichen wie jene aus 1 bezeichnet, und deren Erläuterung wird hier weggelassen. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Kompression des Gesamtdruckabschnittes L in einer solchen Art und Weise durchgeführt, daß ein erster Kompressionsdruck P₁, ein zweiter Kompressionsdruck P₂ und ein dritter Kompressionsdruck P₃ sukzessive auf die Druckbereiche mittels des Druckstempels 4 aufgebracht werden, der eine Breite a hat, die ein Drittel des Gesamtdruckabschnittes L ist, der zusammengedrückt werden soll. In dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel sind alle Kompressionsdrücke gleich, so daß eine Gleichung P₁ = P₂ = P₃ erfüllt ist.
Darüberhinaus wird in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel, das dasselbe wie das in 3 gezeigte Ausführungsbeispiel ist, ein Druck auf den Gesamtdruckabschnitt L in einer solchen Art und Weise durchgeführt, daß ein Kompressionsdruck auf dreimal mittels des Druckstempels 4 aufgebracht wird, der eine Breite a hat, die ein Drittel des Gesamtdruckabschnittes L ist. Ein unterschiedlicher Punkt zu jenem aus 2 ist, daß ein Kompressionsdruck, der aufgebracht werden soll, sukzessive erhöht wird, so daß eine Gleichung P₁ < P₂ < P₃ erfüllt wird. Desweiteren wird in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel, das dasselbe wie die in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsbeispiele ist, von dem Druckstempel 4 Gebrauch gemacht, der eine Breite a hat, die ein Drittel des Gesamtdruckabschnittes L ist. Ein unterschiedlicher Punkt zu jenen aus den 3 und 4 ist, daß ein erster Kompressionsdruck P₁, ein zweiter Kompressionsdruck P₂, ein dritter Kompressionsdruck P₃ und ein vierter Kompressionsdruck P₄ sukzessive in einer solchen Art und Weise auf die Druckbereiche aufgebracht werden, daß ein Teil b der jeweiligen Druckbereiche überlappt. In dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Gleichung P₁< P₂< P₃≤ P₄ erfüllt.
In den Befestigungsverfahren, die in den 3 bis 5 gezeigt sind, wird ein Verhältnis zwischen dem Kompressionsdruck P₃ unter den Kompressionsdrücken P₁ bis P₄ und eine Grenzfestigkeit, bei der das Metallbauteil des Polymerisolators, der durch die vorstehend beschriebenen jeweiligen Befestigungsverfahren erhalten wird, bricht, zusammen mit dem Brechmodus zu jener Zeit gemessen. Die Ergebnisse sind in 6 gezeigt. In 6 zeigt P_S einen Grenzkompressionsdruck, bei dem der Polymerisolator bei dem "Kernausschlupf"-Modus in dem Ausführungsbeispiel, das in 3 gezeigt ist, bricht, und P_b zeigt einen Kompressionsdruck, bei dem der Polymerisolator bei dem "Kernbruch"-Modus bricht. Darüberhinaus ist in dem in 4 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Beispiel gezeigt, das den Fall P₃= P_b, P₂ = P_S und P₁< P₂< P3 erfüllt. Desweiteren ist in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Beispiel gezeigt, für den Fall, daß P₃ = P₄ = P_b, P₂ = P_S, und P₁ < P₂ < P₃ = P₄ erfüllt werden.
Aus den in 6 gezeigten Ergebnissen, wenn die in 3 gezeigten Ergebnisse und die in 4 gezeigten Ergebnisse verglichen werden, wird klar, daß, sogar bei dem dreimaligen Kompressionsvorgang das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel, für das P₁< P₂< P₃ erfüllt ist, bei dem Kernausschlupfmodus eine exzellente Zugfestigkeit hat, der höher als jener des Ausführungsbeispieles ist, das in 3 gezeigt ist, für das P₁= P₂= P₃ gilt. Aus diesem Ergebnis wird klar, daß ein auf die Druckbereiche aufgebrachter Kompressionsdruck sukzessive ansteigt, wenn eine Vielzahl an Druckvorgängen durchgeführt wird. Anschließend, wenn die in 4 gezeigten Ergebnisse und die in 5 gezeigten Ergebnisse verglichen werden, wird klar, daß das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel, bei dem die Anzahl der Kompressionsvorgänge erhöht wird und eine Mehrzahl an Kompressionsvorgängen in einer überlappenden Art durchgeführt werden, eine hervorragende Druckfestigkeit beim Kernausschlupfmodus hat, der höher als jener des Ausführungsbeispieles ist, das in 4 gezeigt ist, bei dem die Anzahl der Kompressionsvorgänge gering ist und und eine Vielzahl an Kompressionsvorgängen in einer nichtüberlappenden Art durchgeführt werden. Aus den vorstehend beschriebenen Ergebnissen wird klar, daß es vorzuziehen ist, die Vielzahl an Kompressionsvorgängen in einer überlappenden Art durchzuführen.
Im allgemeinen wird die Verbindung unter einem Kompressionsdruck in einem Bereich durchgeführt, bei dem der Bruch in dem "Kernausschlupf"-Modus auftritt, was eine stabile Qualität für den Isolator gewährleistet. Jedoch ist es in den bevorzugten Ausführungsbeispielen gemäß der vorliegenden Erfindung klar, daß eine weiterhin hervorragende Zugfestigkeit erhalten werden kann, sogar wenn der zweite Kompressionsdruck oder weitere andere als der erste Kompressionsdruck, der nahe des offenen Endes 2a des Metallendfittings 2 aufgebracht wird, derselbe wie der Grenzkompressionsdruck P_S zwischen dem "Kernausschlupf"-Modus und dem "Kernbruch"-Modus ist oder größer.
Es soll angemerkt werden, daß in den vorstehend beschriebenen erfindungsgemäßen Ausführungsbeispielen ein Bereich des "Kernausschlupf"-Modus und ein Bereich des "Kernbruch"-Modus vorher durch Vorbereiten der Polymerisolatoren bestimmt wird, die dieselbe Gestalt unter verschiedenen Kompressionsdrücken haben, und es werden Zugfestigkeiten gemessen und das Ergebnis wird verwendet.
Wie deutlich aus der vorstehend beschriebenen Erläuterung hervorgeht, kann erfindungsgemäß eine hervorragende Befestigungsfestigkeit (Zugfestigkeit) im Vergleich mit dem Ausführungsbeispiel erhalten werden, bei dem ein Kompressionsdruck auf einmal aufgebracht wird, da ein Kompressionsdruck sukzessive auf die unterteilten Druckbereiche des Gesamtdruckabschnittes in dem Fall, daß die Verbindung in einer solchen Art und Weise durchgeführt wird, daß der Kern und das Metallbauteil umfangsseitig mittels des Druckstempels zusammengedrückt werden.

Claims

Verfahren zur Befestigung eines Kerns in einer Ausnehmung eines Metallbauteils, bei dem der Kern (1) über die Öffnung der Ausnehmung (3) in diese eingesetzt wird und anschließend durch umfangseitiges Zusammendrücken des Metallbauteils (2) mittels eines Druckstempels (4), der mit einem bestimmten Kompressionsdruck (P) auf das Metallbauteil (2) gedrückt wird, mit dem Metallbauteil (2) verbunden wird, wobei der Gesamtbereich des Metallbauteils (2), auf den mittels des Druckstempels der Kompressionsdruck (P) aufgebracht wird, zumindest in einen ersten und zweiten Druckbereich unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der aufgebrachte Kompressionsdruck (P) von der Öffnung der Ausnehmung (3) ausgehend ansteigt und in dem zweiten Bereich ein höherer Kompressionsdruck (P) als in dem ersten Bereich aufgebracht wird.
Befestigungsverfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Breite der Druckbereiche des Metallbauteils (2) auf eine Hälfte oder weniger der Länge des Kompressionsbereichs, auf den der Kompressionsdruck (P) aufgebracht wird, festgesetzt wird.
Befestigungsverfahren gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Kompressionsdrücke (P1, P2) eines ersten Kompressionsvorganges auf ein Niveau festgelegt sind, das niedriger als ein Grenzkompressionsdruck ist, bei dem ein Bruch in einem Kernschlupf-Modus auftritt, und die Kompressionsdrücke (P2–P4) vom zweiten Kompressionsvorgang oder dritten oder weitere Kompressionsvorgänge auf ein Niveau festgesetzt sind, das größer als der Grenzkompressionsdruck ist.
Befestigungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kompressionsbereiche, die auf die Kompressionsdrücke (P) aufgebracht werden, partiell überlappen.
Befestigungsverfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (1) eine FRP-Stange eines Polymerisolators ist und das Metallbauteil (2) ein Metallendfitting des Polymerisolators ist.