DE2143784A1

DE2143784A1 - Verbindungsbolzen, insbesondere schraubenbolzen und verfahren zur herstellung desselben

Info

Publication number: DE2143784A1
Application number: DE2143784A
Authority: DE
Inventors: Michio Abe
Original assignee: Tokai Cold Forming Co Ltd
Current assignee: Tokai Cold Forming Co Ltd
Priority date: 1971-08-24
Filing date: 1971-09-01
Publication date: 1973-03-08
Also published as: GB1352599A

Description

2U378A Patentanwalt DipL-Phys.Gerhard Liedl 8 München 22 Steinsdorfstr.21-22 Tel.298462

B 5312

TOKAI COLD FORMING CO., LTD.,

No. 1203, Aza Shimotambonaka, Ushiyama-cho, Kasugai-shi, Aichi-ken,

Japan

Verbindungsbolzen, insbesondere Schraubenbolzen und Verfahren zur

Herstellung desselben

Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbolzen, insbesondere einen Schraubenbolzen, sowie ein Verfahren zur Herstellung desselben, das möglichst einfach sein soll, ohne daß komplizierte spanhebende Bearbeitungsvorgänge, wie Schleifen u. dgl. erforderlich sind.

In neuerer Zeit wurden die Drehzahlen und Kolbengeschwindigkeiten der

H/Ho.

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Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen ständig gesteigert, was zur Folge hat, daß auch die Belastung der bei den Verbrennungsmotoren benutzten Schraubenbolzen ansteigt, was insbesondere für die Schraubenbolzen der Pleuelstangen gilt. Bei derart ansteigenden Belastungen sind

Zugfestigkeiten von 80 bis 90 kg/mm , wie sie herkömmliche Schraubenbolzen aufweisen, unzureichend. Bei derartigen Festigkeiten besteht nämlich die Gefahr eines relativ häufigen Bruches. Neuere Vorschriften sehen

2 deshalb Zugfestigkeiten von 130 bis 140 kg/mm vor sowie eine Streck-

2 +2

grenze von 117 bis 125 kg/mm und eine Dauerfestigkeit von - 10 kg/mm

' Diese Vorschriften können jedoch allein durch eine Änderung der Werk-Stoffqualität, durch Wärmebehandlungsverfahren usw. nicht erfüllt werden.

Es ist deshalb erforderlich, die Hohlkehle am Bolzenkopf noch mehr abzurunden, was auch bezüglich des Anfangsteiles des Schraubengewindes gilt, und den Bolzenschaftdurchmesser zu verringern, um die elastische Dehnung zu erhöhen. Aus diesen Gründen wurde in letzter Zeit die Gestalt von Verbindung- und Schraubenbolzen leicht geändert, wie dies in Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Die in Fig. 1 dargestellte Dehnschraube ist ein typisches Beispiel eines sogenannten elastischen Bolzens, der mit zwei Passungen 1 und 2 versehen ist, die mit zugeordneten Passungen einer Bohrung zusammenarbeiten und im Bereich des Kopfendes und im Bereich der Bolzenmitte liegen. An dem dem Kopfende gegenüberliegenden Ende ι ist ein Schraubengewinde 3 vorgesehen. Das gegenüberliegende Kopfende

läuft in Richtung auf den Bolzenschaft in eine Hohlkehle 4 aus, die in einen ersten verjüngten Schaftteil 5 mündet. Zwei weitere verjüngte Schaftteile 6 und 7 sind zwischen den beiden Passungen 1 und 2 bzw. zwischen der Passung 2 und dem Schraubengewinde 3 angeordnet. Die Schaftteile haben einen reduzierten Durchmesser, der etwa 90% des Gewindekerndurchmessers beträgt. Hierdurch wird die Dauerfestigkeit des Bolzens erhöht und es werden Spannungserhöhungen sowie schädliche Kerbwirkungen reduziert.

Eine andere bekannte Dehnschraube ist in Fig. 2 dargestellt, die in

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der Regel bei Kraftfahrzeugmotoren mit einer Leistung von weniger als 100 PS in Anwendung kommt. Dieselben Teile sind hierbei mit denselben Bezugszeichen wie in Fig. 1 bezeichnet, wobei der Unterschied besteht, daß die beiden Passungen 1 und 2 gemäß Fig. 1 zu einer einzigen größeren Passung 1 bei dem Schraubenbolzen gemäß Fig. 2 vereinigt sind.

Die beiden bekannten Schraubenbolzen gemäß Fig. 1 und 2 weisen vor allem folgende Nachteile auf. Das Befestigungs- und Anziehdrehmoment ist unzureichend. Es tritt Reibungskorrosion auf, die zu Rissen oder Brüchen führen kann, die wiederum schwere Beschädigungen des Motors zur Folge haben. Außerdem besteht der Nachteil, daß die Herstellung kompliziert und schwierig ist.

Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt deshalb der Erfindung die Aufgabe zugrunde, den vorgenannten Nachteilen abzuhelfen und einen verbesserten Schraubenbolzen in Vorschlag zu bringen, der eine verbesserte Festigkeit hat und frei von Kerbwirkungen ist. Insbesondere sollen die Dauerfestigkeit und die Streckgrenze verbessert werden und es soll außerdem eine Selbstsperrung und Selbstsicherung gewährleistet sein. Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Schraubenbolzens in Vorschlag zu bringen, bei dem schwierige und komplizierte Arbeitsgänge, wie spanhebende Bearbeitung, Schleifen u. dgl. vermieden werden.

Der erfindungsgemäße Schraubenbolzen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser der Ausrundung und Hohlkehle am kalt verformten Kopfende in etwa gleich dem Durchmesser des Befestigungsgewindes vor den Gewinderollen ist. Dieses Befestigungsgewinde wird an dem dem Kopfende

oder -walzen gegenüberliegenden Ende durch Gewinderollen/hergestellt. Außerdem ist

oder -walzen ein zweites Gewinde, welches ebenfalls durch Gewinderollen/hergestellt wird, im mittleren Bolzenbereich zwischen dem Bolzenkopf und dem Be-

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festigungsgewinde angeordnet. Dieses Zwischengewinde hat eine Gewindesteigung die größer ist als die des Befestigungsgewindes. Außerdem ist der Außendurchmesser des Zwischengewindes größer als der des Befestigungsgewindes. Der letzte Arbeitsgang bei der Herstellung des Zwischengewindes besteht aus einem Glätten bzw. Reduzieren des Bolzenschaftes, damit eine genaue Passung in bezug auf die Paßbohrung im Pleuel gewährleistet ist. Das Endprodukt weist eine hohe Genauigkeit und eine hohe Oberflächengüte auf.

Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Schraubenbolzen hat der als Ausgangsmaterial benutzte Bolzenschaft einen größeren Durchmesser während des Kaltverformens und Kaltschlagens. Nachfolgend werden die Hohlkehle und Ausrundung am Kopfende und die Einschn-ürungen und Passungen des Bolzenschaftes jeweils durch spanhebende Bearbeitung und Schleifen hergestellt. All diese nachfolgenden Arbeitsgänge können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren in Fortfall kommen.

Bei dem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren hat der Durchmesser des gesamten Bolzenschaftes während des Kaltverformens und Kalthämmerns denselben Wert wie der Flanlendurchmesser des Befestigungsgewindes, so daß das Kaltverformen und Kalthämmern vereinfacht wird. Ein Schraubengewinde mit einer größeren Steigung als das Befestigungsgewinde wird zwischen der Ausrundung am Kopfende und dem Befestigungsgewinde am anderen Ende durch Rollen hergestellt. Der Außendurchmesser dieses Zwischengewindes ist größer als der des Befestigungsgewindes. Bei einem nachfolgenden Extrudieren ergibt sich sodann ein endgültiger Außendurchmesser, der genau in die Bohrung des Pleuelkopfes paßt. Komplizierte und teure Arbeitsgänge, wie spanhebende Bearbeitung, Schleifen u.dgl. können somit vollständig in Fortfall kommen.

Erfindungsgemäß ist eine etwas stärkere Ausrundung im Bereich der Hohl-

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kehle vorgesehen und das Zwischengewinde hat eine größere Steigung als

das Befestigungsgewinde und ist mit einer größeren Krümmung und AusGewinde rundung am Ansatz und im grund versehen. Das Zwischengewinde wird derart durch Rollen hergestellt, daß die Kerbwirkung im Grund und am Ansatz reduziert wird, obwohl der Kerndurchmesser 2 bis 10% kleiner ist als der Kerndurchmesser des Befestigungsgewindes. Die elastische Dehnung und die Dauerfestigkeit des Bolzens werden erheblich gesteigert, so daß Motorbeschädigungen aufgrund von Brüchen oder Rissen der Pleuelstangen vermieden werden können. Insbesondere werden Schwierigkeiten vermieden, die auf eine Reibungskorrosi on zurückzuführen sind, die sonst aufgrund der leichten Bewegung zwischen der Bohrung und dem Bolzen entsteht. Der Grund für diese Vorteile liegt in dem Schraubengewinde, das im Bereich des den Passungen entsprechenden Bolzenschaftes hergestellt wird, wobei durch geeignete Reduzierungsverfahren eine hohe Paßgenauigkeit mit hoher Oberflächengüte erzielt wird. Die Steigung des Zwischengewindes ist umgekehrt zu der des Befestigungsgewindes, so daß eine Selbstsperrung und Selbstsicherung des Befestigungsgewindes erzielt werden kann.

Weitere Einzelheiten sind aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen und anhand der beiliegenden Zeichnung ersichtlich. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 je ein Beispiel eines bekannten Schraubenbolzens;

Fig. 3 eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen

Schraubenbolzens;

Fig. 4 einen Ausschnitt aus dem Bolzen gemäß Fig. 3, wobei

ein vergrößerter Maßstab gewählt ist;

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Fig. 5 die Anordnung des erfindungsgemäßen Schraubenbolzens

in einer Pleuelstange eines Verbrennungsmotors;

Fig. 6A ein Last-Dehnungs-Diagramm mit den Werten eines herkömmlichen und eines erfindungsgemäßen Schraubenbolzens;

Fig.. 6B ein Vorlastdreiecksdiagramm zur Erläuterung der Beziehung zwischen der Lastdehnungskurve und der zusätzlichen Betriebslastdehnungskurve gemäß Fig. 6A.

Anhand von Fig. 3,6A und 6B wird zunächst die Erfindung näher erläutert.

Der für eine Pleuelstange mit offenem bzw. geteiltem Kopf vorgesehene Schraubenbolzen ist im Bereich seines Kopfes 8 mit einer Ausrundung 5 bzw. mit einer Hohlkehle 4 versehen. Ein Übergangsteil 7 ist zwischen e inem Befestigungsgewinde 3 und einem Paß- und Zwischengewinde 1 angeordnet. Die Durchmesser der Teile 5 und 7 sind gleich den Durchmessern des Ausgangsmateriales beim Gewinderollen und in etwa gleich groß wie der effektive Durchmesser des Befestigungsgewindes 3. Der Durchmesser der Hohlkehle 4 ist geringfügig kleiner als der der Bohrung des geteilten Pleuelstangenkopfes, worin der Schraubenbolzen angeordnet wird. Die Kblskrümmung der Hohlkehle 4 im Bereich des Bolzenkopfes 8 kann deshalb 0,1 bis 0,15mal so groß wie der Außendurchmesser des Gewindes 3 sein, so daß Spannungskonzentrationen im Bereich 4 bzw. 5 ausreichend reduziert werden. Das Befestigungsgewinde 3 wird mit ausrei-

oder Walzen
chender Genauigkeit durch Rollen/bei Raumtemperatur hergestellt, wobei der Ausgangsdurchmesser derselbe ist, wie bei den Teilen 5 und 7 (siehe die gestrichelte Linie 15 in Fig. 4), Der Außendurchmesser des Befestigungsgewindes ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der Paßbohrung im Pleuelstangenkopf und das Gewinde besteht vorzugsweise aus einem Rechtsgewinde.

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Das Paßgewinde 1> welches mit der Paßbohrung des Pleuelstangenkopfes

oder Walzen zusammenarbeitet, wird ebenfalls durch Rollen^us dem Ausgangsmaterial hergestellt, wobei der Ausgangsdurchmesser durch die gestrichelte Linie 15 bestimmt ist, Die Steigung des Paßgewindes 1 ist größer als die des Befestigungsgevvindes 3. Das Paßgewinde 1 ist in der Regel ein Linksgewinde, in Ausnahmefällen ein Rechtsgewinde. Der Außendurchmesser des Paßgewindes 3 ist zuerst geringfügig größer als der Durchmesser der Paßbohrung im Pleuelstangenkopf. Dieser Durchmesser wird sodann reduziert und einer Endbearbeitung unterzogen, wobei eine Reduzierform benutzt wird. Hierdurch wird der Schraubenbolzen hindurchgeführt und man erhält ein Paßgewinde 1, welches genau in die Paßbohrung des Pleuelstangenk^pfes paß*

Folgende Arbeitsgänge werden bei der Herstellung des erfindungsgemäßen SchrL^beribolzcns ausgeführt. Kaltstauchen des Kopfes, Gewinderollen(Walzen), Wärmebehandlung, Endbearbeitung des Befestigungsgewindes durch Gewinderollen mit einem Gewinderollverhältnis von 2 bis 5%. Der fertig bearbeitete Paßbolzen hat eine Dauerfestigkeit die größer ist als die von herkömmlicher. Paiibolzen. So wird z. B. ein Paßbolzen mit einer Zugfe-

2
stigkeit von 100 bis 130 kg/mm und einer Dauerfestigkeit von + 4 bis

2
6 kg/mm aufgrund des sich an die Wärmebehandlung anschließenden Fer-

tigrollens auf eine Dauerfestigkeit von + 10 bis 15 kg/mm im Befestigungsgewindeteil verbessert. Bei dem erfindungsgemäßen Paßbolzen sind die Radien der Abrundungen der Schraube im Kerndurchmesser bei noch nicht vollständiger Herstellung der Gewinde 3 und 1 jeweils gleich oder geringfügig größer als die Radien bei vollständiger Herstellung der Gewinde 3 und 1. Hierdurch wird jede Art von Spannungskonzentration im noch nicht fertig hergestellten Gewindeteil vermieden, die auf eine Änderung der Querschnittsfläche in axialer Richtung des Echraubenbolzens zurückzuführen ist.

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BAD ORIGINAL

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Die Steigung des Paßgewindes 1 ist in der Regel umgekehrt zu der des Befestigungsgewindes 3. Die Steigung des Paßgewindes 1 ist in der Regel zweimal so groß wie die des Befestigungen windes 3. Ein Radius 10 der Abrundung der Schraube im Kerndurchmesser, d.h. der Abrundung des Gewindegrundes des Paßgewindes 1, ist deshalb mindestens zweimal so groß wie der Radius des Gewindegrundes 11 des Befestigungsgewindes 3. Dies ist im einzelnen in Fig. 4 dargestellt, woraus ferner hervorgeht, daß der Kerndurchmesser des Paßgewindes 1 um 7 bis 8% kleiner ist als der Kerndurchmesser des Befestigungsgewindes 3.

^ Das Entstehen eines auslaufenden unvollständigen Endteiles 12 ist in der

Regel unvermeidlich und dieser Teil verbleibt auch noch nach der Fertigbearbeitung bzw. nach der abschließenden Gewindereduzierung. Die Festigkeit des Paßbolzens wird jedoch hierdurch nicht verringert, wie dies bei den bekannten Schraubenbolzen der Fall ist.

Zwei Bohrungen 13 und 14 im Pleuelstangenkopf nehmen den Schraubenbolzen auf. Die Berührungsfläche der beiden gegeneinander anliegenden Stirnflächen der Bohrungen 13 und 14 ist mit dem Bezugszeichen 9 bezeichnet.

In Fig. 5 ist im einzelnen dargestellt, wie der erfindungsgemäße Schrau-P benbolzen in einem Kopf einer Pleuelstange angeordnet wird.

Nachstehend wird die Erfindung näher anhand von Fig. 6A und 6B erläutert.

Fig. 6A zeigt kombinierte Last-Dehnungskurven und zusätzliche Betriebs last-Dehnungs-Kurven. Die Last-Dehnungs-Kurven werden durch Zugversuche bestimmt, bei denen ein herkömmlicher Schraubenbolzen (z.B. gemäß Fig. 2), der nachstehend als Bolzen A bezeichnet wird, zusammen

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mit einem erfindungsgemäßen Schraubenbolzen (ζ. B.gemäß Fig.3), der nachstehend als Bolzen B bezeichnet wird, als Zugversuchsprobe benutzt wird. Die zusätzlichen Betriebslast -Dehnungs-Kurven zeigen die Ergebnisse weiterer Zugversuche, bei denen die Paßbolzen im Pleuelstangenkopf angeordnet sind. Hierbei wird die Bolzendehnung unter einer auf die Pleuelstange einwirkenden Zugbelastung gegenüber der zusätzlichen Betriebslast aufgetragen.

In Fig. 6A entspricht eine Last-Dehnungskurve a dem Bolzen A, während eine Last-Dehnungskurve b dem Bolzen B entspricht. Wenn der Bolzen A oder der Bolzen B im Pleuelstangenkopf angeordnet ist und hierauf eine Zugkraft Pv einwirkt, hat die elastische Dehnung des Bolzens A den Wert AB, während die elastische Dehnung des Bolzens B den Wert OB hat. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist AB kleiner als OB .Durch Kurven a' und b' ist jeweils die zusätzliche ^etriebslastdehnung dargestellt, die man erhält, wenn man Zugkräfte von Null bis Pv als Betriebslasten auf den befestigten Schraubenbolzen einwirken läßt. Auf der X-Achse ist hierbei eine Betriebslast aufgetragen, die zusätzlich auf die Bolzen A und B einwirkt, die im Pleuelstangenkopf angeordnet sind. Auf der horizontal liegenden Y-Achse ist hingegen die Dehnung aufgetragen, die in dem Schraubenbolzen A bzw. B entsprechend der zusätzlichen Betriebslast auftritt.

Wenn ein Bolzen mit einer Federkonstante Cb mit einem Körper mit einer Federkonstante Ca verbunden und hierbei eine Verbindungskraft Pv auf den Bolzen ausgeübt wird und auf den Körper eine Betriebslast P wirkt, so erhält man eine zusätzliche auf den Bolzen ausgeübte Kraft in der Größe von Pa gemäß nachstehender Gleichung:

Cb

Pz = , P₀ (1)

Ca + Cb

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2H3784 - io-

Die Federkonstante C ergibt sich im allgemeinen aus folgender Gleichung:

E- F
C = . (2)

In der vorgenannten Gleichung ist E der E-Mödul, F die Querschnittsfläche und .£ die Befestigungslänge.

Die vorgenannten Beziehungen werden anhand des Vorlastdreiecksdiagrammes gemäß Fig. 6B näher erläutert. Hierbei zeigen die gekrümmten biagrammkurven ein Zugkraftdehnungsdiagramm eines einzelnen Bolzens. Bei einer Bolzenzugkraft Pv dehnt sich der Bolzen elastisch um den Betrag X , während der Körper, in dem der Bolzen befestigt ist, um den Betrag S elastisch zusammengedrückt wird.

Wenn eine Arbeite- bzw. Betriebslast zusätzlich noch auf die Bolzenverbindung aufgebracht wird, ist hierbei eine Länge D'A' zwischen dem Schnittpunkt D' auf der Kurve a und dem Schnittpunkt A¹ auf der Linie AC gleich der Arbeitslast P. Diese Arbeits- und Betriebslast P kann in zwei Komponenten Pa und Pb durch horizontale Verlängerung der Linie PvA aufgeteilt werden. Hierbei entspricht die Komponente Pa der zusätzlichen Betriebslast des Bolzens aufgrund der vorgenannten Arbeitslast P, während die andere Komponente Pb der durch die Bolzenverbindung aufgenommenen Innenkraft entspricht. Der befestigte Bolzen dehnt sich somit um einen weiteren BetragA^- entsprechend der weiteren Betriebslast P, die auf die Bolzenverbindung zur Einwirkung gebracht wird. Andererseits kann die Kontraktion der Bolzenverbindung um den BetragA λ reduziert werden. Die Fläche des Dreieckes, die in Fig. 6B durch ein Pluszeichen bezeichnet ist, entspricht somit einer positiven Energie (·) erzeugt im Bolzen), während die Fläche des anderen und mit dem Minuszeichen bezeichneten Dreiecks der negativen Energie ( V> — ,

erzeugt in der Bolzenverbindung bzw. in den durch den Bolzen zusammen-

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gedrückten Körperteilen) entspricht. Dies bedeutet, daß die Komponente Pb der Betriebslast in der Bolzenverbindungsanordnung absorbiert worden ist.

Entsprechend den vorstehenden Darlegungen ist die zusätzliche Betriebslast im Bolzen erheblich kleiner als die Betriebslast P. Die zusätzliche Betriebslast im befestigten Bolzen ist nicht größer als das 0, 2 bis 0, 5-fache der Betriebslast.

Entsprechend den vorstehenden Darlegungen erhält man die Kurven a, b, a' und b' gemäß Fig. 6A und 6B aus Zugversuchen mit einzelnen Bolzen und mit Rolzenverbindungen (eingebaute Bolzen). Die Diagramme zeigen die Ergebnisse einiger Beispiele der tatsächlichen Last und Dehnung, die mittels einer X-Y-Aufzeichnungsvorrichtung aufgezeichnet sind.

Gemäß Fig. 5 sei angenommen, daß eine Betriebszuglast auf eine Bolzenverbindung einwirkt und daß eine Betriebslast Po auf jeden der beiden Bolzen einwirkt, der die beiden Teile des geteilten Pleuelstangenkopfes zusammenhält. Hierbei dehnt sich der Bolzen A elastisch um den Betrag FH", d.h. um Δ λ gemäß Fig. 6A, während sich der Bolzen B um den Betrag FG, d h. um^A¹ elastisch dehnt. Die zusätzliche Betriebslast, die jeweils auf die mit dem Pleuelstangenkopf verbundenen Bolzen einwirkt, entspricht jeweils den elastischen Dehnungen*^ λ und<ü A' des Bolzens A oder B gemäß Fig. 6A; PvM = Pz für den Bolzen A und PvK = Pz' für den Bolzen B. Die zusätzliche Betriebslast im Bolzen B ist wesentlich kleiner als die im Bolzen A. Wenn die Belastungen Pz bzw. Pz' ständig und wechselnd auf die Bolzenverbindung während der Kurbelwellendrehung des Motors einwirken, bricht der herkömmliche Bolzen, wenn die Last Pz bzw. Pz' die Bolzendauerfestigkeit überschreitet. Demgegenüber weist der erfindungsgemäße Bolzen eine wesentlich größere elastische Dehnung auf als der bekannte Bolzen, so daß die zusätzliche Betriebslast, die auf

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den Bolzen einwirkt, erheblich reduziert wird. Da der Radius im Gewindegrund des Gewindes 1 groß genug gemacht werden kann, können Kerbwirkungen an diesen Stellen vollständig vermieden werden. Wenn ein Bolzenbruch auftritt, so tritt er im Befestigungsgewinde auf und es ist möglich, die mechanischen Festigkeiten zu verbessern.

Wenn gemäß Fig. 5 eine Betriebslast 2Po auf die Pleuelstange einwirkt, wird in Richtung der Betriebslast eine Kraft Px auf ein Lagerteil 18 ausgeübt, während eine Kraft Py quer hierzu auf den Lagerteil 18 einwirkt. Aufgrund dieser Kräfte wird deshalb der an sich kreisrunde Lagerteil 18 zu einer Ellipse verformt. Es wird somit eine Biegebeanspruchung auf die Bolzen ausgeübt und es entsteht eine kleine Reibungsbewegung zwischen der Bohrungswandung und dem äußeren Umfang der Paßteile bzw. des Paßgewindes der Bolzen. Aus diesem Grunde tritt bei den bekannten Bolzen eine Reibungskorrosion in der Nähe des gegen den geteilten Pleuelstangenkopf anliegenden Teiles auf. Dies ist auch der Grund, warum Spannungskonzentrationen häufig in diesem Teil beobachtet werden, weshalb Bolzenbrüche häufig an dieser Stelle auftreten.

Bei dem erfindungsgemäßen Bolzen ist die Passung jedoch als Paßgewinde ausgebildet und es fehlen insoweit die verjüngten Abschnitte, z.B. die Schaftteile 5, 6 und 7 der herkömmlichen Bolzen gemäß Fig. 1. Hieraus folgt, daß aufgrund einer Verdrehkraft ausgeübte Spannungen, die auf den Bolzen einwirken, erheblich kleiner sind, und zwar selbst dann, wenn ein größeres Anzieh- und Befestigungsdrehmoment beim Anziehen der Bolzen in Anwendung gebracht wird. Außerdem kann naturgemäß der erfindungsgemäße Bolzen eine wesentlich größere Last aushalten als die herkömmlichen Bolzen.

Wie schon erwähnt, verläuft die Steigung des Paßgewindes umgekehrt zu der des Befestigungsgewindes. Im allgemeinen ist das Befestigungsgewinde ein Rechtsgewinde, während das Paßgewinde ein Linksgewinde ist.

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Wenn eine Betriebszuglast Po auf den Bolzen in Längsrichtung desselben einwirkt, verlängert sich der Bolzen unter gleichzeitiger Drehung im Uhrzeigersinn. Der Bolzen zieht sich somit selbst in der Mutter fest und es wird eine Selbstsicherung und Selbstsperrung erreicht.

Anhand des dargestellten Ausführungsbeispieles wird nachstehend das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren im einzelnen beschrieben, das bei Raumtemperatur durchgeführt wird.

Als Ausgangsmaterial wird ein aufgewickelter Draht benutzt, dessen Durchmesser dem Außendurchmesser des Befestigungsgewindes entspricht. Zunächst werden der Schraubenkopf 8 und die Hohlkehlenteile 4 und 5 durch gleichzeitiges Verformen bei Raumtemperatur mittels einer herkömmlichen Vorrichtung hergestellt, die zum Kaltstauchen bzw. Walzen oder Rollen dient. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist somit sehr einfach. Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel betragen der Außendurchmesser des Befestigungsgewindes 3, der Durchmesser des nicht mit einem Gewinde versehenen Schaftteiles und die Gewindesteigung 8 ' ₀₅ mm0, 7, 3 mm 0 und 1, O mm jeweils.

Der Außendurchmesser des Befestigungsgewindes 3 ist nahezu" gleich dem des nicht mit einem Gewinde versehenen Schaftteiles. Ein Linksgewinde 1 mit einem Außendurchmesser von 8 η 15 ^mm0 ^un{* einer Steigung von 2 mm wird sodann durch Rollen bzw. Walzen zwischen der Hohlkehle 4 und dem Befestigungsgewinde 3 hergestellt. Diese Verformung erfolgt unter Raumtemperatur. Das Linksgewinde wird kalt gewalzt bzw. kalt gerollt und der Außendurchmesser wird geringfügig größer gemacht als der Bohrungsdurchmesser im Pleuelstangenkopf, der einen Wert von 8,10 mm hat. Sodann wird das Zwischen- und Paßgewinde einem Fertigarbeitsgang (finishing) unterzogen, indem ein Gewinde-

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extrudieren oder Gewindeglätten unter Verwendung einer Extrudierform in Anwendung gebracht wird, damit das Paßgewinde genau die erforderliche Passung für die Paßbohrung im Pleuelstangenkopf erhält. Bei diesem Ausführungsbeispiel wird ein JIS Chrommolybdänstahl Nr. 4 als Ausgangsmaterial benutzt.

Der kalt verformte bzw. kalt geschmiedete Bolzen wird wärmebehandelt und sodann folgt das endgültige Gewindewalzen oder Gewinderollen des Befestigungsgewindes. Auf diese Art und Weise erhält man einen Schrau-

- benbolzen mit einer sehr hohen mechanischen Festigkeit, z. B. mit einer

ο
Zugfestigkeit von 132 bis 135 kg/mm , einer Streckgrenze von 118 bis

2 2

120 kg/mm und einer Dauerfestigkeitfim Gewindeteil)von + 15 kg/mm . Wenn auch die Dauerfestigkeit des erfindungsgemäßen Schraubenbolzens in der Nähe der Dauerfestigkeit eines bekannten Schraubenbolzens gemäß Fig. 1 und 2 liegt, so ißt jedoch gleichwohl zu beachten, daß aufgrund der erfindungsgemäßen Form und Gestalt des Schraubenbolzens ein etwaiger Bruch im Betrieb in aller Regel im Befestigungsgewinde auftritt. Die Kerndurchmesser des Befestigungsgewindes 3 und des Paßgewindes 1 betragen jeweils 6, 65 mm und 6, 15 mm.

Entsprechend der Ausbildung des vorgenannten erfindungsgemäßen Bolzens beträgt die Dauerfestigkeit des Befestigungsgewindes wegen der Kerbwirkung im Gewindegrund ca. 11, 5% der Zugfestigkeit einer einfachen runden Stange mit demselben Durchmesser-wie das Schraubengewinde.

Der Kernquerschnitt des Paßgewindes ist um ca. 14% kleiner als der des Befestigungsgewindes und es ist kein Gewindefertigrollen oder Gewindefertigwalzen zur Verbesserung der Dauerfestigkeit des erfindungsgemäß hergestellten Schraubenbolzens erforderlich. Im Gegensatz hierzu ist bei der Herstellung von herkömmlichen Schraubenbolzen ein zweites Gewinderollen oder Gewindewalzen in aller Regel erforderlich, welches auf die

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Wärmebehandlung folgt und eine Reduktion der Quersclinittsfläche von 2 bis 3% ergibt.

Der Bruch eines erfindungsgemäßen Bolzens tritt in aller Regel am Befestigungsgewinde auf, wenn ein Dauerfestigkeitsversuch mit einem einzelnen Bolzen durchgeführt wird. Der Grund für dieses Bruchverhalten eines erfindungsgemäßen Bolzens liegt darin, daß der Krümmungsradius im Gewindegrund des Paßgewindes ca. 0, 34 mm beträgt und somit ca. dreimal so groß ist wie der Radius von ca. 0,11 mm des Gewindegrundes des Befestigungsgewindes. Die Kerbwirkung aufgrund des Schraubengewindes des Befestigungsgewindes kann somit erheblich verringert werden.

Wenn beispielsweise die beiden Bolzen A und B gemäß Fig. 2 bzw. gemäß Fig. 3 mit einer Last von jeweils 3 Tonnen belastet werden, ergeben sich jeweils elastische Dehnungen von 0, 2 mm und von 0, 25 mm. Wenn eine Betriebslast (2Po)von 3,5 Tonnen ferner noch auf eine Pleuelstange, in der der Bolzen A bzw. B angeordnet ist, ausgeübt wird, betragen die weiteren elastischen Dehnungen 0, 025 mm und 0, 027 mm für den Bolzen A bzw. den Bolzen B. Die diesen zusätzlichen elastischen Dehnungen entsprechenden zusätzlichen Betriebslasten, die auf die Bolzen einwirken, betragen somit 400 kg für den Bolzen A gemäß Fig. 2 und 320 kg für den Bolzen B gemäß der Erfindung. Bei dem erfindungsgemäßen Schraubenbolzen kann somit die zusätzliche Betriebslast auf ca. 80^ des Wertes der zusätzlichen Betriebslast des herkömmlichen Bolzens A verringert werden. Hierdurch ergibt sich eine nicht unbeträchtliche Verbesserung der mechanischen Festigkeitswerte.

Wie schon erwähnt, kann der erfindungsgemäße Schraubenbolzen sehr einfach und wirtschaftlich hergestellt werden. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren besteht hierbei bevorzugt aus folgenden Verfahrensschritten: Anstauchen des Schraubenkopfes mittels einer herkömmlichen KaIt-

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stauch- bzw. Kaltschlagvorrichtung unter Verwendung eines aufgewickelten Drahtes, von dessen Durchmesser beim Walzen oder Rollen des Befestigungsgewindes ausgegangen wird; Walzen oder Rollen des Befestigungsgewindes mittels einer herkömmlichen Gewindewalz- oder Gewinderollvorrichtung; Gewindewalzen oder Gewinderollen des Paß- und Zwischengewindes mit bestimmter Länge und mit einem Außendurchmesser der leicht größer ist als der der Paßbohrung in dem Pleuelstangenkopf; Extrudieren des Paßgewindes durch eine "Finishing"-Form. Das erfindungsgemäße Herstellungsverfahren ist. wesentlich vorteilhafter als die bekannten Herstellungsverfahren,bei denen die Hohlkehle, 4 die abgesetzten Schaft

t eile' 6 und 7 und die Passungen 1 und 2 jeweils durch spanhebende Bearbeitung hergestellt werden müssen und wobei es ferner erforderlich ist, die Passungen 1 und 2 nochmals einer Endbearbeitung, z.B. einem
Schleifen,zu unterziehen.

Die erfindungsgemäßen Schraubenbolzen sind allgemein verwendbar, obwohl ein bevorzugtes Anwendungsgebiet die Verbindung von geteilten
Pleuelstangenköpfen von Verbrennungsmotoren betrifft.

Besondere Bedeutung kommt dem Vorteil zu, wonach die erfindungsgemäßen Schraubenbolzen im Vergleich zu den herkömmlichen Schraubenbolzen eine erhebliche Reduzierung der Kerbwirkung ermöglichen und ausgezeichnete Dehnschrauben darstellen.

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Claims

- 17 Patentansprüche

j Schraubenbolzen, insbesondere für geteilte Pleuelstangenköpfe, bei dem zwischen einem Schraubenkopf am einen Ende und einem Befestigungsgewinde am anderen Ende eine Passung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Passung aus einem Paßgewinde (1) besteht.
2. Schraubenbolzen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindesteigung des Paßgewindes (1) größer ist als die des Befestigungsgewindes (3).
3. Schraubenbolzen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Schraubengewinde des Paßgewindes (1) in umgekehrter Richtung im Vergleich zu dem Schraubengewinde des Befestigungsgewindes (3) verläuft.
4. Schraubenbolzen gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Paßgewindes (1) größer ist als der Außendurchmesser des Befestigungsgewindes (3).
5. Verfahren zur Herstellung eines Schraubenbolzens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Ausgangs- und Rohmaterial eine kreiszylindrische Stange oder ein kreiszylindrischer Draht benutzt wird, von dessen Durchmesser beim nachfolgenden Gewindewalzen oder Gewinderollen ausgegangen wird, daß zunächst durch eine Kaltverformung, wie ein Kaltschlagen oder Kaltstauchen, ein Ende der Stange bzw. des Drahtes zu dem Schraubenkopf bei Raumtemperatur geformt wird, daß durch Walzen oder Rollen das Befestigungsgewinde am anderen Ende der Stange bzw. des Drahtes bei Raumtemperatur hergestellt wird, daß bei derselben Temperatur durch Walzen oder durch Rollen das Paßgewinde zwischen dem Schraubenkopf und dem Befestigungs-

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gewinde hergestellt wird und daß das Paßgewinde einer End- und Fertigbearbeitung (Finishing) mittels eines Extrudierens durch eine Schraubenreduzierform unterzogen wird.

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