DE19734147A1 - Bauteilverbindung - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Bauteilverbindung zum Zusammenfügen
zweier metallischer Bauteile gemäß dem Oberbegriff des An
spruchs 1.
Metallische Bauteile werden in der Praxis oftmals durch
Schraubverbindungen zusammengefügt, was an der Übergangsstelle
zwischen Schraubenkopf und Bauteil zu Kontaktkorrosion führen
kann, wenn die Werkstoffe der Schraube einerseits und des Bau
teils andererseits unterschiedliche elektrochemische Potentiale
aufweisen. Bei einem Feuchtigkeitsniederschlag an der Über
gangsstelle bildet sich dann eine Elektrolytbrücke zwischen
Schraubenkopf und Bauteil und damit eine Galvanische Zelle, was
zur Abtragung des chemisch unedleren Metalls führt. Besonders
gefährdet sind hierbei Bauteile aus Magnesium, die mit Schraub
verbindungen aus Stahl zusammengefügt werden, da Eisen als
Hauptbestandteil von Stahl und Magnesium in der Spannungsreihe
der Metalle weit auseinander stehen und somit sehr unterschied
liche elektrochemische Potentiale aufweisen, was bei Nässe zu
einer besonders aggressiven Kontaktkorrosion und einer entspre
chend starken Schädigung des chemisch unedleren Magnesiumbau
teils führt.
Zur Verhinderung derartiger Kontaktkorrosion bei Schraubverbin
dungen ist aus der DE 195 08 977 A1 bekannt, Unterlegscheiben
aus elektrisch isolierendem Material zu verwenden. Zum einen
wird hierdurch die Schraubverbindung abgedichtet und ein Ein
dringen von Feuchtigkeit in die Bohrung des Bauteils verhin
dert, so daß eine Kontaktkorrosion allenfalls im Bereich des
freiliegenden Schraubenkopfes erfolgen kann. Zum anderen wird
auf diese Weise eine direkte Berührung von Schraubenkopf und
Bauteil verhindert und eine Isolierstrecke geschaffen, so daß
zur Bildung einer Elektrolytbrücke wesentlich mehr Feuchtigkeit
erforderlich ist. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist
jedoch die unzureichende mechanische Festigkeit der in der Pe
gel aus Kunststoff bestehenden Isolierstoffe, was zu Setzungs
erscheinungen der Schraubverbindung und damit zu einer allmäh
lichen Lockerung der Verschraubung führt.
Aus der DE 195 08 977 A1 ist zur Lösung dieses Problems be
kannt, eine derartige Unterlegscheibe als Verbundelement mit
einem zentral angeordneten Kern aus Stahl und einer umlaufenden
Dichtlippe aus Kunststoff auszuführen. Der Stahlkern nimmt
hierbei die während der Verschraubung auftretenden Axialkräfte
auf und verhindert somit Setzungserscheinungen, während die um
laufende Dichtlippe die Schraubverbindung abdichtet und eine
Isolierstrecke zwischen Schraubenkopf und Bauteil schafft.
Nachteilig ist hierbei jedoch der relativ komplizierte Aufbau
der Unterlegscheibe, was insbesondere bei einer Herstellung
großer Stückzahlen zu berücksichtigen ist.
Aus der DE 43 43 111 C1 ist eine weitere Schraubverbindung zur
Verringerung von Kontaktkorrosion bekannt, bei der die Schraube
unterhalb des eigentlichen Schraubenkopfs einen Absatz auf
weist, der sich zum freien Schraubenende hin konisch erweitert
und an seiner Stirnseite die Anlagefläche der Schraube bildet.
An diesen konischen Absatz wird eine aus Isolierstoff bestehen
de Unterlegscheibe angeclipst, wodurch die Schraubverbindung
abgedichtet und eine Isolierstrecke zwischen Schraubenkopf und
Bauteil geschaffen wird. Im Gegensatz zu einer normalen Unter
legscheibe liegt die Schraube jedoch mit ihrer Anlagefläche di
rekt auf dem Bauteil auf, wodurch Setzungserscheinungen verhin
dert werden. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß eine Sonderaus
führung des Schraubenkopfs erforderlich ist, was zu erhöhten
Kosten gegenüber Standardausführungen dieser Maschinenelemente
führt. Weitere Nachteile dieser Schraubenverbindungen mit an
der Scheibe angesetzten Kunststoff-Formteilen werden darin ge
sehen, daß die zur Verringerung der Magnesium-Kontaktkorrosion
erforderliche Dichtheit durch mechanische Einwirkung oder auch
durch entstehende Korrosionspunkte beeinträchtigt werden kann
und daß im Fall einer Reparatur neue Schrauben mit neuen Dich
telementen verwendet werden müssen, wobei eventuell eine welt
weite Verfügbarkeit problematisch sein könnte.
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Bauteil
verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, zu schaffen,
die eine Kontaktkorrosion zwischen der Bauteilverbindung und
den zusammenzufügenden Bauteilen möglichst weitgehend verhin
dert und darüber hinaus große mechanische Belastungen aufnehmen
kann.
Die Aufgabe wird, ausgehend von einer bekannten Bauteilverbin
dung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, durch die kenn
zeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Der Begriff Bauteilverbindung ist hierbei und im folgenden all
gemein zu verstehen und nicht auf die eingangs erwähnten
Schraubverbindungen beschränkt, sondern umfaßt beispielsweise
auch Bauteilverbindungen mit Bolzen, Stiften, Keilen oder Nie
ten.
Die Erfindung geht von einer Bauteilverbindung mit einem Ver
bindungselement aus, das mit seinem Schaft in entsprechende
Bohrungen in den zusammenzufügenden Bauteilen eingeführt wird,
wobei zwischen dem Kopf des Verbindungselements und den zusam
menzufügenden Bauteilen eine nicht-metallische und elektrisch
isolierende Unterlegscheibe angeordnet ist. Hierdurch wird eine
direkte Berührung des Kopfs mit den Bauteilen verhindert und
eine Isolierstrecke zwischen den unterschiedlich edlen Metallen
von Kopf und Bauteil geschaffen, wodurch die Ausbildung einer
Elektrolytbrücke wesentlich erschwert wird. Keramische Scheiben
können auch bereits bei der Schraubenherstellung verliersicher
mit den Schrauben verbunden werden (sogenannte Kombischrauben)
Die keramischen Scheiben erfüllen auch bei auf üblicher Weise
beschichteten Stahlschrauben ihre Funktion. Weiterhin können
die keramischen Scheiben auch bei Schrauben aus Aluminium- oder
Titanwerkstoffen in Verbindung mit Magnesium mit Erfolg einge
setzt werden.
Sollte aufgrund starker Feuchtigkeitsniederschläge trotzdem ei
ne Elektrolytbrücke entstehen, so wäre zumindest deren elektri
scher Widerstand entsprechend der Länge der überbrückten Iso
lierstrecke erhöht, was zu einer entsprechend abgeschwächten
Korrosionswirkung führt. Die Unterlegscheibe sollte also so ge
formt sein, daß der vom Elektrolyt zu überbrückende Weg zwi
schen Schraubenkopf und Bauteil möglichst groß ist. Hierbei ist
jedoch ein Kompromiß zu wählen zwischen den Anforderungen zur
Korrosionsminderung, der zulässigen mechanischen Beanspruchung
der Unterlegscheibe und dem verfügbaren Einbauraum.
Der Begriff Unterlegscheibe ist hierbei und im folgenden nicht
auf kreisrunde Unterlegscheiben im engeren Sinne beschränkt,
sondern umfaßt beispielsweise auch dünne, rechteckige Platten
oder ähnliches. Entscheidend für die korrosionsmindernde Wir
kung ist lediglich, daß die seitliche Ausdehnung der Unterleg
scheibe hinreichend groß ist, um eine direkte Berührung des
Kopfes des Verbindungselements mit den zusammenzufügenden Bau
teilen zu verhindern.
Gemäß der Erfindung besteht die Unterlegscheibe im wesentlichen
aus einem Keramikwerkstoff, der neben den guten Isoliereigen
schaften auch mechanisch belastbar ist, so daß bei einer
Schraubverbindung eine Lockerung aufgrund von Setzungserschei
nungen verhindert wird.
Als Keramikwerkstoff für die Unterlegscheibe eignet sich bei
spielsweise Zirkondioxid ZrO2, das vorzugsweise mit Magnesiu
moxid MgO oder Y2O3 teilstabilisiert ist, jedoch kann auch Alu
miniumoxid Al2O3 mit einem hohen Reinheitsgrad von mehr 97%
verwendet werden. Besonders vorteilhaft an diesen Werkstoffen
sind ihre hydrophoben Oberflächeneigenschaften, wodurch der
Bildung einer Elektrolytbrücke aufgrund von Feuchtigkeitsnie
derschlägen entgegengewirkt wird.
Weitere mögliche Werkstoffe für die Unterlegscheibe sind Alumi
nium-Dispersionskeramiken Al2O3 mit 3-10% ZrO sowie Siliziumni
trid Si3N4. Unabhängig vom verwendeten Material ist es weiter
hin vorteilhaft, den Werkstoff mit Fasern oder Partikeln zu
verstärken, um die mechanischen Eigenschaften zu verbessern.
In einer vorteilhaften Variante der Erfindung weist die Unter
legscheibe ballige Oberflächen auf, um die mechanische Belast
barkeit zu erhöhen, was insbesondere bei Schraubverbindungen
wichtig ist, da die Unterlegscheibe dann die gesamten Axial
kräfte aufnehmen muß, ohne zu brechen.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen angegeben bzw. werden nachstehend zusammen mit
der Beschreibung der bevorzugten Ausführung der Erfindung an
hand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
Fig. 1 als bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
Schraubverbindung von zwei Magnesiumbauteilen im Quer
schnitt,
Fig. 2 eine vorteilhafte Ausführungsform der Unterlegscheibe
einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung im Quer
schnitt sowie in der Aufsicht,
Fig. 3 als weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung eine
Nietverbindung im Querschnitt sowie
Fig. 4 eine formschlüssige Stiftverbindung ebenfalls im Quer
schnitt.
Die Querschnittsdarstellung in Fig. 1 zeigt eine erfindungsge
mäße Schraubverbindung, die beim Zusammenfügen von Magnesium
bauteilen 1.1, 1.2 eine Kontaktkorrosion zwischen der aus Stahl
bestehenden Schraube 2 und den Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2
weitgehend verhindert. Die mechanische Verbindung der Magnesi
umbauteile 1.1, 1.2 erfolgt hierbei in herkömmlicher Weise
durch die vollständig aus Stahl bestehende Sechskantschraube 2
mit einem Schraubenkopf 2.1 und einem Schraubenschaft 2.2, der
durch zwei zylindrische Bohrungen hindurchgeführt wird, die in
den beiden zusammenzufügenden Bauteilen 1.1, 1.2 in Deckung
übereinander liegend angeordnet sind und mit dem Schrauben
schaft 2.2 eine Spielpassung bilden. Anschließend wird dann ei
ne entsprechend angepaßte Sechskantmutter 3 auf ein an dem
Schraubenschaft 2.2 angebrachtes Feingewinde aufgesetzt und die
Schraubverbindung mit entsprechenden Schraubenschlüsseln ange
zogen. Zwischen dem Schraubenkopf 2.1 und dem Magnesiumbauteil
1.1 sowie zwischen der Sechskantmutter 3 und dem Magnesiumbau
teil 1.2 ist hierbei jeweils eine elektrisch isolierende Unter
legscheibe 4.1 bzw. 4.2 aus Keramik angeordnet, um eine Kon
taktkorrosion zu verhindern, wobei als Keramikwerkstoff Zirkon
dioxid ZrO2 verwendet wird, das mit Magnesiumoxid MgO teilsta
bilisiert ist.
Zum einen dichten die Unterlegscheiben 4.1, 4.2 die Schraubver
bindung ab und verhindern das Eindringen von Feuchtigkeit in
die Gewindegänge der Schraubverbindung, damit dort keine Kon
taktkorrosion auftreten kann, was aufgrund der damit verbunde
nen Zersetzung des chemisch unedleren Magnesiums zu einem Fest
setzen der Schraubverbindung führen könnte. Um hierbei eine
möglichst gute Dichtwirkung zwischen der Anlagefläche des
Schraubenkopfs 2.1 und dem Magnesiumbauteil 1.1 bzw. zwischen
der Sechskantmutter 3 und dem anderen Magnesiumbauteil 1.2 zu
erreichen, weisen die Unterlegscheiben 4.1, 4.2 beidseitig ge
glättete Oberflächen auf.
Zum anderen verhindern die Unterlegscheiben 4.1, 4.2 eine di
rekte Berührung des Schraubenkopfs 2.1 bzw. der Sechskantmutter
3 mit den Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 und bilden eine Isolier
strecke, wodurch der vom Elektrolyt zu überbrückende Weg ver
größert wird. Eine Kontaktkorrosion kann also erst dann erfol
gen, wenn sich aufgrund von Feuchtigkeitsniederschlagen eine
Elektrolytbrücke zwischen dem aus Stahl bestehenden Schrauben
kopf 2.1 bzw. der Sechskantmutter 3 und den Magnesiumbauteilen
1.1 bzw. 1.2 gebildet hat. Bei normalen Verhältnissen führen
die Feuchtigkeitsniederschläge jedoch lediglich zu geringfügi
gen Feuchtigkeitsansammlungen 5 an den Stoßstellen der Magnesi
umbauteile 1.1, 1.2 mit dem Schraubenkopf 2.1 bzw. der Sechs
kantmutter 3, die nicht ausreichen, um eine Elektrolytbrücke zu
bilden, so daß keine galvanische Zelle entsteht und demzufolge
auch keine Kontaktkorrosion auftritt. Zur Verhinderung derarti
ger Elektrolytbrücken ist der Radius der Unterlegscheiben 4.1,
4.2 ungefähr doppelt so groß wie der Radius des Schraubenkopfs
2.1.
Fig. 2 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform einer im Rahmen
der erfindungsgemäßen Schraubverbindung zu verwendenden Unter
legscheibe 6, die beidseitig ballige Oberflächen aufweist, was
wegen der erheblichen Biege- und Schubbeanspruchungen beim An
ziehen der Schraubverbindung aus mechanischer Sicht vorteilhaft
ist.
Die in Fig. 3 gezeigte Querschnittsdarstellung gibt eine Niet
verbindung wieder, die - wie die vorstehend beschriebene
Schraubverbindung - beim Zusammenfügen von Magnesiumbauteilen
1.1, 1.2 eine Kontaktkorrosion weitgehend verhindert. Die Her
stellung der Nietverbindung erfolgt hierbei, indem ein Vollniet
7 mit seinem Schaft 7.1 durch eine elektrisch isolierende Un
terlegscheibe 8.1 hindurch in die beiden übereinander in
Deckung liegenden Bohrungen der Magnesiumbauteile 1.1, 1.2 einge
führt wird, bis der Kopf 7.2 des Vollniets 7 mit seiner Anlage
fläche auf der Unterlegscheibe 8.1 aufliegt und der Schaft 7.1
des Vollniets 7 auf der gegenüberliegenden Seite der Magnesium
bauteile 1.1, 1.2 herausragt. Auf das herausragende freie Ende
des Schafts 7.1 wird dann eine weitere Unterlegscheibe 8.2 aus
Keramik gelegt. Anschließend wird die Vollnietverbindung ge
schlagen, indem durch einen sogenannten Döpper das herausragen
de freie Ende 7.3 des Schafts 7.1 axial gestaucht wird, wobei
es die dargestellte Halbkugelform annimmt und eine haltbare
Verbindung herstellt.
Die Unterlegscheiben 8.1, 8.2 bestehen im wesentlichen aus Alu
miniumoxid Al2O3 mit einem Reinheitsgrad von mehr als 97% und
haben - wie bereits vorstehend anhand der Beschreibung zu Fig.
1 erläutert - die Aufgabe, eine Kontaktkorrosion zwischen dem
aus Stahl bestehenden Niet 7 und dem Magnesiumbauteil 1.1 bzw.
1.2 zu verhindern. Dies geschieht zum einen dadurch, daß die
Bohrung in den Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 durch die Unterleg
scheiben 8.1, 8.2 gegenüber einem Eindringen von Feuchtigkeit
abgedichtet wird, um die Bildung einer Galvanischen Zelle in
der Bohrung zu verhindern. Zum anderen wird auf diese Weise an
den Außenseiten der Nietverbindung der von dem Elektrolyt zu
überbrückende Abstand zwischen den Nietköpfen 7.2, 7.3 und den
Magnesiumbauteilen 1.1 bzw. 1.2 erhöht, was ebenfalls der Bil
dung einer Galvanischen Zelle entgegenwirkt.
Fig. 4 zeigt schließlich eine Stiftverbindung zweier Magnesi
umbauteile 1.1, 1.2, die - wie die vorstehend beschriebenen
Ausführungsbeispiele - trotz der unterschiedlichen Werkstoffe
von Stift 9 und Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 eine Kontaktkorro
sion weitgehend verhindert. Die Verbindung der beiden Magnesi
umbauteile 1.1, 1.2 erfolgt hierbei, indem ein aus Federstahl
bestehender Stift 9 durch eine elektrisch isolierende Unterleg
scheibe 10 hindurch in die übereinander in Deckung liegenden
Bohrungen in den beiden Magnesiumbauteilen 1.1, 1.2 hineinge
drückt wird, bis der Kopf 9.1 des Stifts 9 mit seiner Anlage
fläche auf der Oberseite der Unterlegscheibe 10 aufliegt. Hier
bei bildet der einen Spreizschlitz 9.2 aufweisende Stift 9 mit
seinem Schaft 9.3 eine Preßpassung mit den Bohrungen in den Ma
gnesiumbauteilen 1.1, 1.2, so daß nach dem Einschieben des
Stifts 9 eine haltbare Verbindung hergestellt ist.
Die Unterlegscheibe 10 besteht hierbei aus einer Aluminium-
Dispersionskeramik mit 3-10% Zirkonoxid ZrO und hat wiederum
die Aufgabe, eine Kontaktkorrosion zwischen dem aus Stahl be
stehenden Stift 9 und dem Magnesiumbauteil 1.1 zu verhindern,
wie bereits vorstehend eingehend erläutert wurde.
Claims (9)
1. Bauteilverbindung mit einem Verbindungselement (2) mit einem
Schaft (2.2) zum Einführen in koaxial verlaufende Bohrungen
in zwei zusammenzufügenden Bauteilen (1.1, 1.2) und einem ge
genüber dem Schaft (2.2) verbreiterten Kopf (2.1) sowie einer
Unterlegscheibe (4.1) zur Anordnung zwischen der Anlagefläche
des Kopfes (2.1) einerseits und den zusammenzufügenden Bau
teilen (1.1, 1.2) andererseits, wobei die Unterlegscheibe
(4.1) zur Verhinderung von Kontaktkorrosion zwischen dem Kopf
(2.1) und den Bauteilen (1.1, 1.2) aus einem nicht
metallischen und elektrisch isolierenden Werkstoff besteht,
dadurch gekennzeichnet, daß die Unterlegscheibe (4.1) zur Er
reichung ausreichender mechanischer Festigkeit bei guter
elektrischer Isolierung im wesentlichen aus einem Keramik
werkstoff besteht.
2. Bauteilverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Unterlegscheibe (4.1) zur Verbesserung der mechanischen
Festigkeit ballig geformt ist.
3. Bauteilverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Verbindungselement eine Schraube (2), ein
Niet (7) oder ein Stift (9) ist.
4. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der Unterlegscheibe
(4.1) mindestens doppelt so groß ist wie der Radius des Kopfes
(2.1) des Verbindungselements (2)
5. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Unterlegscheibe
(4.1) ZrO2, Al2O3 und/oder Si3N4 enthält.
6. Bauteilverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,
daß der Werkstoff der Unterlegscheibe (4.1) mehr als 97 Prozent
Al2O3 und/oder 3 bis 10 Prozent ZrO2 enthält.
7. Bauteilverbindung nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff der Unterlegscheibe (4.1) mit
Magnesiumoxid oder Y2O3 teilstabilisiert ist.
8. Bauteilverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß der Werkstoff (4) der Unterlegscheibe (4.1)
faser- oder partikelverstärkt ist.
9. Verwendung einer Bauteilverbindung nach einem der vorherge
henden Ansprüche zur Verhinderung von Kontaktkorrosion bei ei
ner Verbindung von Bauteilen aus chemisch unedlen Werkstoffen.
Priority Applications (1)
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