DE202004009477U1

DE202004009477U1 - Schraube für ein Bauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff sowie Schraubverbindung zwischen der Schraube und dem Bauteil

Info

Publication number: DE202004009477U1
Application number: DE200420009477
Authority: DE
Original assignee: Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Richard Bergner Verbindungstechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2005-10-27
Anticipated expiration: 2014-06-16

Abstract

Schraube (2) für ein Bauteil (14) aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere für ein Aluminium-Motorbauteil im Kraftfahrzeugbereich, welches Temperaturänderungen ausgesetzt ist, bestehend aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer 15*10^–6 K^–1 und mit einem asymmetrischen Gewinde (8) mit einer zu einem Schraubenkopf (4) orientierten oberen Gewindeflanke (10) und einer dem Schraubenkopf (4) abgewandten unteren Gewindeflanke (12), wobei die obere Gewindeflanke (10) unter einem oberen Teilflankenwinkel (α1) angeordnet ist, welcher kleiner als ein unterer Teilflankenwinkel (α2) der unteren Gewindeflanke (12) ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube sowie eine Schraubverbindung zwischen der Schraube und einem Bauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere zwischen einer Zylinderkopfschraube und einem Aluminium-Zylinderkopf.
Zunehmend werden im Maschinen- und Apparatebau Bauteile aus Leichtmetallwerkstoffen, zum Beispiel aus Aluminium oder Magnesium, mit hochfesten Stahlschrauben aus niedrig legierten ferritischen Baustählen verschraubt, die im späteren Betrieb höheren oder tieferen Temperaturen ausgesetzt werden, zum Beispiel Zylinderköpfe und Kurbelgehäuse im Automobilbereich.
Insbesondere dann, wenn Verbindungselemente, insbesondere Schrauben, aus ferritischem Stahl eingesetzt werden, wird die Betriebssicherheit des verschraubten Systems durch Temperaturveränderung beeinträchtigt. Der Grund hierfür liegt zunächst in dem unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der unterschiedlichen Werkstoffe von Schraube und verschraubten Teilen.
Wegen des thermischen Längenausdehnungskoeffizienten von etwa 11•10^–6 K^–1 für niedrig legierte ferritische Baustähle (zum Beispiel hochfeste Schrauben-Stähle nach ISO 898-1) und dem zum Beispiel von Aluminium mit etwa 22•10^–6 K^–1 oder von Magnesium mit etwa 27•10^–6 K^–1 dehnen sich die Schrauben bei Temperaturzunahme wesentlich weniger stark thermisch aus als die verschraubten Teile. Die Folge ist eine Zunahme der Schraubenvorspannkraft gegenüber dem Montagezustand.
Bei bereits während der Montage unter Raumtemperatur über die Schraubenfließgrenze hinaus angezogenen Schrauben kann durch die erwähnte unterschiedliche Wärmedehnung die elastische Verformungsgrenze von Schraube und/oder verschraubten Bauteilen durch Wärmedehnungen überschritten werden. Der Bauteilwerkstoff von Schraube und/oder verschraubten Bauteilen wird dadurch plastisch verformt.
Eine plastische Verformung in einem verschraubten System hat einen Vorspannkraftverlust zur Folge. Dieser Vorspannkraftverlust kann später zu einer Überbeanspruchung der Schraube infolge der üblicherweise auftretenden Betriebskräfte führen. Die Betriebssicherheit ist gefährdet, die Lebensdauer des verschraubten Systems nachhaltig und teilweise gravierend reduziert. Frühzeitige Schäden (Motorschäden) sind die Folge.
Die Zunahme der Schraubenvorspannkraft gegenüber dem Montagezustand verschärft zudem ein weiteres Problem, welches insbesondere bei Schraubenlöchern mit nur geringer Wandstärke auftritt, wie dies insbesondere bei Zylinderkopfschrauben der Fall ist. Und zwar entsteht durch die für die Betriebssicherheit benötige Vorspannkraft aufgrund der schräg zur Schraubenlängsachse geneigten Gewindeflanke des Gewindes eine radiale Querkraft, die auf die Innenwand und damit auf ein Innengewinde des Schraubenlochs einwirkt und das Schraubenloch dadurch elastisch radial aufweitet. Dieser Effekt wird auch als Mutteraufweitung bezeichnet.
Diese Radialverformung ist besonders dann problematisch, wenn die Wanddicke um das Schraubenloch gering ist. In diesen Fällen ist die Radialverformung besonders groß. Die Radialverformung macht sich zudem dann besonders unangenehm bemerkbar, wenn auf der dem Schraubenloch gegenüberliegenden Seite oszillierende Massen vorgesehen sind. Der Reibungsverschleiß nimmt in diesem Fall verstärkter Radialaufweitung besonders zu. Bekanntes Beispiel sind Zylinderkopfverschraubungen von Kfz-Verbrennungsmotoren, wo die Zylinderkopfschrauben eng um den Zylinder herum angeordnet sind. Die Wanddicke zwischen dem Schraubenloch und dem Zylinder ist hier relativ gering. Das üblicherweise metrische Gewindeprofil verformt diese dünne Wandung bei der Montage quer zur Schraubenachse. Damit entsteht die in Fachkreisen bekannte „Kleeblattform" des Zylinders, die einen vergrößerten Verschleiß in den zueinander oszillierend bewegten Bauteilen (Kolbenringe, Zylinderwand) zur Folge hat.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine sichere und langzeitstabile Schraubverbindung zwischen einer Schraube und einem Bauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere zwischen einem Zylinderkopf und einer Zylinderkopfschraube, zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Schraube gemäß dem Anspruch 1. Danach ist vorgesehen, dass die Schraube aus einem Stahl mit einem thermischen Ausdehnungekoeffizienten größer 15•10^–6 K^–1 besteht und dass die Schraube zugleich mit einem asymmetrischen Gewinde ausgebildet ist, wobei eine obere, zum Schraubenkopf hin orientierte Gewindeflanke des Gewindes einen geringeren Teilflankenwinkel als die dem Schraubenkopf abgewandte untere Gewindeflanke aufweist.
Durch diese beiden Maßnahmen ist zum einen der thermische Ausdehnungskoeffizient der Schraube an den des Bauteils angepasst, so dass bei einer Temperaturzunahme im Betriebszustand die Schraubenvorspannkraft gegenüber dem Montagezustand nur geringfügig zunimmt. Aufgrund der nur geringen Zunahme der Schraubenvorspannkraft ist auch die Zunahme der radialen Querkraft und damit das Problem der Radialverformung gering gehalten. Durch die zusätzliche Maßnahme der asymmetrischen Ausbildung des Gewindes mit dem oberen, kleinen Teilflankenwinkel wird zudem die aufgrund der Vorspannkraft resultierende Kraftkomponente in radialer Richtung gering gehalten. Diese beiden Maßnahmen, nämlich die Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten an den des Leichtmetalls sowie die asymmetrische Ausbildung des Gewindes ergänzen sich daher in vorteilhafter Weise und bilden einen Synergieeffekt.
Zweckdienlicherweise besteht die Schraube hierbei aus einem austenitischen Stahl, welcher einen thermischen Ausdehnungkoeffizienten von etwa 16 bis 18•10^–6 K^–1 aufweist. Ein derartiger austenitischer Stahl weist die erforderlichen mechanischen Eigenschaften auf und hat zugleich – im Vergleich zu den sonst üblicherweise eingesetzten niedriglegierten ferritischen Stählen, wie sie für hochfeste Schrauben-Stähle nach ISO 898-1 eingesetzt werden – einen um 50% erhöhten thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Der Unterschied zu dem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Aluminium (22•10^–6 K^–1) bzw. von Magnesium (27•10^–6 K^–1) ist daher deutlich reduziert.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung liegt der obere Teilflankenwinkel im Bereich von etwa 5° bis 25° und insbesondere im Bereich von 10° bis 15°. Der Teilflankenwinkel gibt hierbei den Winkel zwischen einer senkrecht zur Schraubenlängsachse orientierten Ebene und der Orientierung der oberen Gewindeflanke zu dieser Ebene an. Die obere Gewindeflanke stellt bei einer angezogenen Schraube die belastete Flanke dar. Aufgrund der sehr flachen Orientierung entsteht nur eine geringe Kraftkomponente in radialer Richtung. Im Vergleich zu einem üblicherweise symmetrischen Gewindeprofil, beispielsweise nach DIN 13, welches üblicherweise einen oberen und unteren Teilflankenwinkel von jeweils 30° aufweist, ist also die resultierende radiale Querkraft deutlich verringert.
Zweckdienlicherweise ist weiterhin vorgesehen, dass der untere Teilflankenwinkel etwa 35° bis 45° und insbesondere etwa 40° beträgt. Im Vergleich zu dem unteren Teilflankenwinkel von 30° gemäß DIN 13 stellt dies also einen erhöhten Winkel dar. Die untere Gewindeflanke ist daher sehr steil angeordnet. Durch diese steile Anordnung wird eine ausreichend hohe Stabilität der Gewindegänge aufgrund einer ausreichenden Materialstärke erzielt.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Schraubenverbindung gemäß Anspruch 5 zwischen einer Schraube und einem Bauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Aluminium- oder Magnesium-Motorbauteil im Kraftfahrzeug. Die im Hinblick auf die Schraube angeführten Vorteile und bevorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf die Schraubverbindung zu übertragen. Vorzugsweise ist hierbei vorgesehen, dass das Bauteil ein Zylinderkopf und die Schraube eine Zylinderkopfschraube ist, die nahe zu einer Zylinder bohrung in den Zylinderkopf eingeschraubt ist. Der Abstand der Zylinderkopfschraube von der Zylinderbohrung liegt hierbei beispielsweise im Bereich eines Schraubennenndurchmessers.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischen und stark vereinfachten Darstellungen:
1 eine Seitendarstellung einer Schraube,
2A eine Darstellung zur Illustration des Gewindeprofils eines metrischen Gewindes nach DIN 13,
2B eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen asymmetrischen Gewindeprofils sowie
3 eine schematische und stark vereinfachte Aufsicht auf einen Zylinderkopf eines Kraftfahrzeugs.
In den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Eine Schraube 2 gemäß 1 umfasst üblicherweise einen Schraubenkopf 4, an den sich in Längsrichtung 6 der Schraube 2 ein mit einem Gewinde 8 versehener Schaft anschließt. Das Gewinde 8 weist eine obere Gewindeflanke 10 sowie eine untere Gewindeflanke 12 auf.
Wie insbesondere aus den 2A, 2B hervorgeht, schließen die beiden Gewindeflanken 10,12 zwischen sich einen Flankenwinkel ein, welcher sich zusammensetzt aus einem oberen Teilflankenwinkel a₁ und einem unteren Teilflankenwinkel a₂. Die Teilflankenwinkel geben hierbei die Winkelbeziehung zwischen der jeweiligen Gewindeflanke 10,12 und einer Ebene an, die senkrecht zur Längsrichtung 6 der Schraube 2 orientiert ist.
Bei dem in 2A dargestellten metrischen Gewinde nach DIN 13 sind die beiden Teilflankenwinkel a₁, a₂ identisch und liegen bei 30°. Beim Anziehen der Schrauben und Erzeugen der Vorspannkraft wird die obere Gewindeflanke 10 belastet. Wie aus dem in der 2A dargestellten Kräfteparallelogramm zu entnehmen ist, wird hierbei eine radiale Querkraft F_R erzeugt, die auf das korrespondierende Innengewinde eines Bauteils 14 (vgl. 3) wirkt und dazu führen kann, dass das Bauteil 14 verformt wird.
Wie aus der Darstellung gemäß 2B zu entnehmen ist, welche das erfindungsgemäße Gewindeprofil zeigt, ist der obere Teilflankenwinkel a₁ kleiner als der untere Teilflankenwinkel a₂ und liegt hier insbesondere bei 15°. Er ist demnach gegenüber dem Teilflankenwinkel a₁ beim symmetrischen Gewinde nach DIN 13 reduziert. Gleichzeitig ist der untere Teilflankenwinkel a₂ gegenüber dem unteren Teilflankenwinkel a₂ gemäß DIN 13 erhöht. Der sehr flache obere Teilwinkel a₁ führt dazu, dass die radiale Querkraft F_R deutlich reduziert ist, wie sich aus einem Vergleich der in den 2A,2B dargestellten Kräfteparallelogramme ergibt.
Neben der speziellen asymmetrischen Ausgestaltung des Gewindeprofils ist die Schraube 2 zudem aus einem austenitischen Stahl mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von etwa 16 bis 18•10^–6 K^–1 gebildet. Durch diese Maßnahme werden die aufgrund einer Temperaturänderung bedingte Erhöhung der Vorspannkraft einer angezogenen Schraube und die damit bedingte Erhöhung der Querkraft gering gehalten.
Insbesondere bei dem Einsatz als Zylinderkopfschrauben bei dem als Zylinderkopf ausgebildeten Bauteil 14, wie es in 3 dargestellt ist, ergeben sich dadurch erhebliche Vorteile gegenüber den heutzutage üblicherweise eingesetzten Schrauben. Gemäß 3, welche einen Ausschnitt aus einem Zylinderkopf zeigt, sind um eine zentrale Zylinderbohrung 16 gleichmäßig verteilt vier Schraubenlöcher 18 mit hier nicht dargestellten Innengewinden versehen. Das Profil des Innengewindes ist insbesondere an das asymmetrische Gewindeprofil der Schraube 2 angepasst. Die Schraubenlöcher 18 sind hierbei sehr nahe an der Zylinderboh rung 16 angeordnet. Zur Befestigung eines Zylinderkopfdeckels auf den Zylinderkopf 14 werden vier Schrauben 2 in die Schraubenlöcher 18 eingedreht und fest angezogen. Aufgrund des geringen Abstands der Schraubenlöcher 18 zu der Zylinderbohrung 16 besteht hierbei die Gefahr der radialen Verformung an der Innenseite der Zylinderbohrung 16. Dies führt unter Umständen zu den in 3 gestrichelt dargestellten Einbuchtungen auf der Innenseite der Zylinderbohrung 16, so dass sich insgesamt eine „Kleeblattform" des Zylinders ausbildet, die zu einem erhöhten Verschleiß führt.
Durch die Kombination der Wahl des Materials der Schraube 2 mit der Wahl des speziellen Gewindeprofils ist die Gefahr der Ausbildung einer derartigen Kleeblattform deutlich verringert. Insgesamt ist die Betriebssicherheit und damit die Lebensdauer deutlich verbessert. Mit der erfindungsgemäßen Schraube wird nämlich die infolge unterschiedlicher Wärmedehnung von Schraube 2 und den verschraubten Bauteilen 14 auftretende plastische Verformung der gepaarten Bauteile und dem daraus resultierendend Vorspannkraftverlust sowie ein unzulässig großer Verschleiß von relativ zueinander bewegten Bauteilen infolge der Querverformung durch das Gewindeprofil verringert oder vermieden.
Die Vorteile der Verwendung von Schrauben aus insbesondere austenitischem Stahl mit hohem thermischen Ausdehnungskoeffizienten sind darin zu sehen, dass derartige Schrauben

– gegenüber Schrauben aus ferritischem niedrig legiertem Baustahl eine größere thermische Ausdehnung erfahren. Damit wird die Relativdehnung von Schraube und verschraubten Teilen kleiner. Somit bleibt die Veränderung der Montagevorspannkraft infolge Temperaturveränderung geringer. Die plastische Verformung der Bauteilwerkstoffe wird reduziert oder ganz unterdrückt. Damit bleibt eine die Verbindung positiv beeinflussende Restvorspannkraft erhalten.
– im kaltverfestigten Zustand hohe Zugfestigkeiten besitzen, die hohe Montagevorspannkräfte zulassen.
– im Allgemeinen hervorragende Duktilitäts-, d. h. Zähigkeitseigenschaften aufweisen, die für eine Schraubmontage über die Schraubenfließgrenze hinaus prädestiniert sind. Mit Schrauben dieser Art ist auch ein mehrfaches überelastisches Montieren möglich.
– gegenüber Schrauben aus ferritischem niedrig legiertem Baustahl verbesserte Warmfestigkeits- und Kaltzähigkeitseigenschaften aufweisen, womit sie sich besonders bei hohen und tiefen Temperaturen gut eignen.

Das asymmetrische Gewindeprofil mit einem reduzierten Teilflankenwinkel α1 besitzt gegenüber dem symmetrischen metrischen Gewindeprofil die folgenden Vorteile sowohl bei der Montage wie im Betrieb der Schraubenverbindung:

– Das Gewindereibungsmoment wird reduziert. Damit können höhere Montagevorspannkräfte bei gleichem Anziehdrehmoment erreicht werden. Damit steigt auch die Wahrscheinlichkeit höherer Restvorspannkräfte nach Temperatureinwirkung.
– Die aus der Montagevorspannkraft F_ax (2A,2B) resultierende Querkraftkomponente F_R wird deutlich reduziert. Damit nimmt die Querverformung im Gewinde ab. Das hat zur Folge, dass der Gesamtbeanspruchungszustand im eingeschraubten Gewinde auf ein niedrigeres Niveau abgesenkt wird, was wiederum zusätzlich zu einer Verminderung der plastischen Verformung bei Temperatureinwirkung und zur Erhöhung der Restvorspannkraft beiträgt.
– Eine kleinere Querkraftkomponente F_R in Verbindung mit reduzierter Querverformung des Innengewinde-Bauteils führt darüber hinaus zu einer entscheidenden Verbesserung der Verschleißsituation bei dünnwandigen Verschraubungen, bei denen in enger Nachbarschaft zum Schraubenloch oszillierende Bewegungen stattfinden, wie dies biespielsweise bei Zylinderkopfverschraubungen, der Fall ist.

2: Schraube
4: Schraubenkopf
6: Längsrichtung
8: Gewinde
10: obere Gewindeflanke
12: untere Gewindeflanke
14: Bauteil
16: Zylinderbohrung
18: Schraubenloch
a₁: oberer Teilflankenwinkel
a₂: unterer Teilflankenwinkel

Claims

Schraube (2) für ein Bauteil (14) aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere für ein Aluminium-Motorbauteil im Kraftfahrzeugbereich, welches Temperaturänderungen ausgesetzt ist, bestehend aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer 15*10^–6 K^–1 und mit einem asymmetrischen Gewinde (8) mit einer zu einem Schraubenkopf (4) orientierten oberen Gewindeflanke (10) und einer dem Schraubenkopf (4) abgewandten unteren Gewindeflanke (12), wobei die obere Gewindeflanke (10) unter einem oberen Teilflankenwinkel (α1) angeordnet ist, welcher kleiner als ein unterer Teilflankenwinkel (α2) der unteren Gewindeflanke (12) ist.
Schraube (2) nach Anspruch 1, bestehend aus einem austenitischen Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von (16–18)*10^–6 K^–1.
Schraube (2) nach Anspruch 1 oder 2, bei der der obere Teilflankenwinkel (a₁) etwa 5° bis 25° und insbesondere etwa 10° bis 15° beträgt.
Schraube (2) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der der untere Teilflankenwinkel (a₂) etwa 35° bis 45° und insbesondere etwa 40° beträgt.
Schraubverbindung zwischen einer Schraube (2) und einem Bauteil (14) aus einem Leichtmetallwerkstoff, insbesondere ein Aluminium-Motorbauteil im Kraftfahrzeugbereich, welches Temperaturänderungen ausgesetzt ist, bei der die Schraube (2) aus einem Material mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten größer 15*10^–6 K^–1 besteht und ein asymmetrisches Gewinde (8) mit einer zu einem Schraubenkopf (4) orientierten oberen Gewindeflanke (10) und einer dem Schraubenkopf (4) abgewandten unteren Gewindeflanke (12) aufweist, wobei die obere Gewindeflanke (10) unter einem oberen Teilflankenwinkel (a₁) angeordnet ist, welcher kleiner als ein unterer Teilflankenwinkel der unteren Gewindeflanke (12) ist.
Schraubverbindung nach Anspruch 5, bei der die Schraube (2) aus einem austenitischen Stahl mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von (16–18)*10^–6 K^–1 besteht.
Schraubverbindung nach Anspruch 5 oder 6, bei der der obere Teilflankenwinkel (a₁) etwa 5° bis 25° und insbesondere etwa 10° bis 15° beträgt.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, bei der der untere Teilflankenwinkel (a₂) etwa 35° bis 45° und insbesondere etwa 40° beträgt.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, bei der das Bauteil (14) ein Zylinderkopf und die Schraube (2) eine Zylinderkopfschraube ist, die im Bereich einer Zylinderbohrung in den Zylinderkopf eingeschraubt ist.