DE2912019A1

DE2912019A1 - Befestiger

Info

Publication number: DE2912019A1
Application number: DE19792912019
Authority: DE
Inventors: John Howland Ruhl
Original assignee: Huck Manufacturing Co
Current assignee: Huck International Inc
Priority date: 1978-03-24
Filing date: 1979-03-24
Publication date: 1979-10-04
Also published as: FR2420678B1; JPS6375617U; JPS5597510A; DE2912019C2; GB2017249B; CA1122828A; NL7902175A; IT7948465A0; FR2420678A1; IT1115058B; BE875009A; US4198895A; GB2017249A

Description

Huck Manufacturing Company, Detroit 7» Michigan, Y.St.A.

Befestiger

Die vorliegende Erfindung betrifft Befestiger mit einem Schaft und einer Hülse bzw. einer Mutter und insbesondere ein Befestigerelement für Luftfahrzeuge, das so konstruiert und aufgebaut ist j daß man ein verbessertes Ermüdungsverhalten in Verbindungen mit geringer Scherübertragung erhält, wo also ein Befestiger aneinandergrenzende Werkstücke befestigt.

Eine Verbindung mit geringer Scherübertragung ("low shear
transfer joint") ist im Luftfahrzeugbau als eine Ermüdungsverbindung definiert, bei der bei Belastung mit der zulässigen
Grenzlast weniger als 20 °J> der Scherfestigkeit des Befestigers übertragen werden. Derartige Verbindungen sind bei Flügellängsverbindungen und Längsbefestigern an Rümpfen im Flugzeugbau
üblich.

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Eine Auswertung von Untersuchungsdaten hat gezeigt, daß das Pressen ("fretting"), d.h. eine Bewegung zwischen den aufeinanderliegenden Oberflächen der Setzhülse des Befestigers und des angrenzenden Werkstücks, die üblicherweise angegebene Ursache für das Verssgen von für preßgepaßte Verbindungen mit geringer ßcherübertragung (zwischen 1(K und 10 Lastspielen) ist.

Ist die Lastübertragung sehr gering, erfolgt das Freßversagen durch diese Bewegung unter der Hülse, der Imtter bzw. dem Befestigerkopf. Für Verbindungen mit höherer Lastübertragung wird ein Versagen zuweilen von Freßbewegungen am Befestigerschaft verursacht, mijestens Jedoch von Freßbewegungen an den Paßflächen.

Das Fressen wird von einer Kombination folgender Einflußfaktoren verursacht:

1. Heibkoeffizient zwischen den gepaßten Bauteilen;

2. Auflagedruck zwischen den gepaßten Bauteilen;

3. Relativbewegung zwischen den gepaßten Bauteilen

Derzeit ist der Anmelderin eine genaue Gleichung nicht bekannt, die die Wechselwirkung dieser Einflußfsktoren beschreibt. Indem man aber einen oder mehrere dieser Faktoren eliminiert oder ändert, kann man ein Freßversagen einer Verbindung unter Kontrolle halten oder eliminieren. Der Faktor, den die Anmelderin

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zur Kontrolle gewählt hat, ist die Relativbewegung zwischen dem Befestiger und dem Material der Verbindung. Bei Verbindungen mit geringer Scherübertragung tritt, wenn Zuglasten auf den verbundenen Werkstoff aufgebracht werden, eine Streckung der Probe auf, während der Befestiger stationär bleibt. Dabei tribt eine relativbewegung auf und die Vorbelastung des Befestigers trägt zur jj'reßwirkung bei.

Die Gleichung für die Relativbewegung zwischen dem Befestigerkopf, der üefestigermutter oder -hülse und dem verbundenen Werkstoff ist

FH -

E
f

max

B¹H

Elastizitätsmodul des verbundenen Werkstoffs, Äxialspannung des verbundenen Werkstoffs, maximaler Auflagedurchmesser des Befestigers, Freßbewegung bzw. Dehnung

Betragen die Dehnung 50,8/101,6 /um/,um (0,002/0,004 in./in.) und der Äuflagedurchmesser des Befestigers mehr als das 12,5-facli® seines Schaftdurchmessers, tritt eine Neigung zu einem Versagen der Verbindung infolge Fressens auf. Da die Dehnung in der vorliegenden Struktur praktisch nicht kontrolliert werden l:?nn₅ mn:-: rsur Kontrolle der Auflagedr]uchmesser entsprecaenc g 3;;l'i--".ν- werden. Es ist daher die Geometrie des Be-

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festigerkopfes, der bündigen Vertiefung, der hutter und der Hülse irn gesetzten Zustand so modifiziert worden, daß sich ein Auflagedurchtnesser von nicht mehr als dem 1,25-fachen des Durchmessers des Befestigerschafts ergibt. Diese Geometrie ist auf befestiger-Vorbelastungen ausgelegt, die im typischen' Bereich für iicherschaft- und liülsenbefestiger rleich etwa 60 ^c,j der minimalen Zugfestigkeit liegen.

Die Gleichung für eine maximale i'lächenauflage gleich dem 1,25-fachen des Befostigerdurchmescers lautet:

A =

2 D

mit A = maximale Auflagefläche

D = üchaftdurchmesser des Befestigers

Die Auflagespannung für den 1,2>-fachen maximalen Auflagedurchuiesser ergibt sich au

_i{ = 0,60 P_T/A

mit f_m, = Auflagespannung

t,„ = Vorbelastung des Befentigers A = maximal 3 Auflagefläche

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Der i'aktor 0,60 ist das Verhältnis der mittleren Schaft- und Hülsen-Vorlast zur minimalen Zerreißfestxgkeit des Befestigers.

Die mit den oben angegebenen Beziehungen ermittelten Auflagespannungen liegen weit unter den Streckgrenzen üblicher Hülsen/Lüttem- bzw. Blechwerkstoffe; sie weisen also auf stabile Verbindungen hin. Um den minimalen Auflagedurchmesser zu erhalten, ist die Anmelderin vom Materialfließpunkt ausgegangen. Hierzu wurde zunächst eine anfängliche Auflagefläche erzeugt, die kleiner als diejenige Auflagefläche ist, die man für Auflagespannungen an der Streckgrenze braucht, und dann ein fließen des Hülsen/Huttern- bzw. Blechwerkstoffs zugelassen, bis sich eine stabile Auflagefläche einstellt.

Auf diese Weise gewährleistet man, daß sich der minimale Auflagedurchmesser für einen vorgegebenen Zustand der Befestiger-Vorbelastung einstellt.

Der Stand der Technik folgt u.a. aus den US-PSn 3 094 017, 3 421 562 und 2 531 049.

Die vorliegende Erfindung schafft einen Befestiger mit einem Bolzen mit einem Kopf und einem Schaft, der durch eine Werkstücköffnung vorsteht, wobei der Bolzen eine Längsmittelachse aufweist, und mit einer Hülse mit einer den Schaft umfassenden hittelöffnung und einer Ringfläche, die in einer zur Zentralachse des Bolzens rechtwinkligen Ebene liegt, so daß sie an die

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angrenzende Oberfläche des Werkstücks an dessen Öffnung anliegen kann. Weiterhin weist die Hülse eine ringförmige Kegelfläche auf, die von der ebenen Ringfläche nach hinten und außen zur zylindrischen Außenmantelfläche der Hülse und um die Zentralachse herum verläuft. Diese Hülse ist nach folgenden Beziehungen hergestellt:

Ist D der Innendurchmesser der Hülsenöffnung, B der Außendurchmesser der ebenen Hingfläche und A die Höhe der kegeligen Ringfläche entlang der Zentralschse, ist B nicht größer als etwa 1,2OD, A mindestens etwa O,12D und der Durchmesser O der Zylinderfläche der Hülse nicht größer als etwa 1,6D, wobei diese Beziehungen für die Hülsenabmessungen vor dem Aufdrücken gelten.

Die Erfindung soll nun unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert werden, die spezielle Ausführungsformen zeigt.

Fig. 1 ist ein Seitenriß eines Befestigerhülsenelements nach vorliegender Erfindung;

Pig. 2 is± ein Endaufriß der Hülse der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung einer modifizierten Version der Erfindung;

Fig. 4- ist eine Schnitt- und Aufrißansicht des Bolzens mit aufgesetzter Hülse nach der vorliegenden Erfindung vor dem Setzen des Befestigers und Aufdrücken der Hülse und

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Fig. 5 ist eine der Pig. 4 ähnliche Darstellung und zeigt den Befestiger im gesetzten Zustand mit aufgedrückter Hülse.

Die Figuren der Zeichnung und insbesondere die Fig. 4 und 5 zeigen einen Befestiger nach der vorliegenden Erfindung im am Werkstück angesetzten Zustand. Die Erfindung ist hier an einem Befestiger erläutert, wie er als Sperrbolzen ("lockbolt") bekannt und beispielsweise in der US-PS 2 531 049 beschrieben ist. Er weist einen allgemein bei ΊΟ gezeigten Bolzen, eine allgemein bei 12 gezeigte Hülse und ein allgemein bei 14 gezeigtes Werkstück auf, das eine Öffnung 16 enthält. Beim Bolzen 10 kann es sich um einen herkömmlichen Bolzen mit Sperrnuten, einem Bruchhals, Zugnuten an einem Ende und einem Kopf am anderen Ende handeln. Der Bolzen ist durch die Werkstücköffnung geführt und die Hülse 12 auf den Bolzen so aufgeschoben, daß die vordere Stirnfläche der Hülse 12 an der ihr zugewandten Fläche des Werkstücks 14 um die öffnung 16 herum anliegt.

Die Fig. 4 zeigt die Befestigeranordnung vor dem Setzen bzw. vor dem Aufdrücken der Hülse 12 auf die in der US-PS 2 531 gezeigte Weise; die Fig. 5 zeigt den Befestiger nach dem Setzen, dem Aufdrücken der Hülse und dem Abbrechen des Bolzens an der Sollbruchstelle.

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Bis hier gilt die Beschreibung für den herkömmlichen Sperrbolzen aus der oben beschriebenen Patentschrift·

Nach der vorliegenden Erfindung ist die Hülse 12 für den oben erläuterten Zweck bemessen und ausgeführt. Diese Hülse ist auch in den Fig. 1 und 2 gezeigt und es handelt sich in dieser Ausführungsform um eine zweiseitig aufsetzbare Hülse, d.h. die gegenüberliegenden Enden der Hülse mit der zylindrischen Außenfläche 17 sind gleich bemessen und ausgestaltet, so daß die Hülse auf den Bolzen in beiden Richtungen aufgeschoben werden kann.

Die Hülse 12 hat eine glatte Innenbohrung 18, die dem Durchmesser des Bolzens 10 entspricht, mit dem zusammen sie eingesetzt werden soll. Der Innendurchmesser der Bohrung ist bei D gezeigt.

Der Außendurchmesser des Bolzens ist bei G gezeigt.

Beide Stirnflächen der Hülse 12 sind identisch. Jede Stirnfläche ist mit einer flachen Ringfläche 20 in einer zur Zentralachse X des Bolzens und der Hülse rechtwinkligen Ebene ausgeführt, die den Außendurchmesser B hat und, wie in Fig. 4 gezeigt, auf der ihr zugewandten Fläche des Werkstücks aufliegt. Die Stirnflächen der Hülse gehen in geschrägte Flächen .;'2 über, deren Längsabmessung bzw. Höhe - entlang der Achse X gemessen - bei A gezeigt ist.

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Wie bereits erwähnt, ist die Fläche 20 vor und nach dem Aufdrücken kritisch. Die Fläche 20 vergrößert sich während des Aufdrückens, so daß, wenn der Befestiger gesetzt wird, die Abmessung B sich auf B' vergrößert, wie in Fig. 5 gezeigt.

Diese für das Erreichen des oben genannten Ziels kritischen Abmessungen lassen sich wie folgt in Beziehung setzen: 1st D der Innendurchmesser der Hülse, ist B nicht größer als etwa 1,-2OD, A mindestens etwa O,12D und der Außendurchmesser 0 nicht größer als etwa 1,6D.

Wenn der Befestiger aufgetrieben wird, ist B¹ bzw. der Durchmesser der Auflagefläche nach dem Aufdrücken (vergl. Fig. 5) 1,25D. Wie oben ausgeführt, ist es diese Abmessung, die die verbesserte Ermüdungsfestigkeit der Verbindung bestimmt* Während des Aufdrückens bewirkt das Anliegen der Auflageflächen der Hülse mit der Abmessung B und nach dem Aufdrücken mit der Abmessung B¹ eine Spannungsverformung ("stress coining") der Werkstückoberfläche um die Öffnung herum.

Die Fig. $ zeigt eine modifizierte Ausführungsform der Hülse allgemein bei 24. Diese Hülse liegt in der in der US-PS 2 531 0^9 offenbarten allgemeinen Form vor und gehorcht den gleichen Abmessungsbeziehungen, wie sie oben zu den Fig. 1 und 2 erläutert sind. Es handelt sich hier um eine einendige Hülse in dem Sinn, daß sie richtungsgerecht aufgeschoben werden muß, damit die Fläche 26 sich an das Werkstück anlegen kann. Anstelle

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einer flachen gleichmäßigen kegelstumpfförmigen Verjüngung 22 ist das Hülsenende leicht abgerundet konturiert, wie bei 28 gezeigt. Ansonsten gelten die gleichen Abmessungsbeziehungen und -funktionen wie für die Ausfuhrungsform der Fig. 1 und 2.

Die US-PS 3 421 562 offenbart einen Befestiger anderer Art, bei dem es sich anstelle der Hülse um eine auf einen Bolzen aufgeschraubte Mutter handelt, die danach beim abschließenden Setzen des Befestigers auf den Bolzen aufgedrückt wird. Die vorliegende Erfindung ist gleichermaßen für die Mutter der in dieser Patentschrift gezeigten Art gedacht, so daß deren Auflageende nach den oben angegebenen Gleichungen bemessen und aufgebaut wird und man den gleichen Nutzen erhält.

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Claims

BERUH MÜNCHEN Patentanwälte i-n.. Dl IQOl-IK-F X DARTMFR Patentanwälte Dr.-lng.Hn»RasGhte Dr. RUSCHKt & PARTNhH Dip|.-tng. Ham,E. Ruschke Dipl.-lngLO!af■ Ruschke PATENTANWÄLTE ktoria-StraSe 6d BERLIN-MÜNCHEN Talafon:lo30) O1SB1S TeIaf0n: (089, 9803* „, J,,° (089988800 ??";«?. . ,· Telex: 522767 Kabel: Quadratur Bailin KabeI. Quadra,ur m„Ae„ H 698 Patentansprüche

1.;Befestiger mit einem Bolzen (10) mit einem Kopf und einem Schaft, der durch eine Werkstücköffnung verlaufen soll und eine Längsmittelachse (X) aufweist, und mit einer Hülse (12) mit einer den Schaft umfassenden Mittelöffnung und einer Ringfläche (20), die in einer zur Mittelachse des Bolzens rechtwinkligen Ebene liegt und auf der ihr zugewandten Oberfläche des Werkstücks an der Werkstücköffnung anliegt, sowie einer schrägverlaufenden Ringfläche (22), die rück- und auswärts von der ebenen Ringfläche zu einer zylindrischen Außenmantelfläche (17) der Hülse verläuft, wobei die zylindrische Mantelfläche um die Mittelachse herumliegt, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse folgenden Beziehungen gehorchend ausgestaltet ist: Wenn D der Innendurchmesser der Hülsenöffnung und A die Höhe der geneigten Ringfläche entlang der Mittelachse sind, ist B nicht größer als etwa 1,20D, A mindestens etwa 0,12D und der Durchmesser G der zylindrischen Hülsenfläche nicht größer als etwa 1,6D, wobei diese Beziehungen für die Hülsenabmessungen vor dem Aufdrücken gelten.

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2. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg verlaufende Ringfläche kegelstumpfförtnig ist.

3. Befestiger nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegengesetzten Hülsenenden symmetrisch sind.

4-. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg verlaufende Ringfläche abgerundet konturiert ist.

5. Befestiger nach einem der vorgehenden Ansprüche, der durch eine Öffnung in einem Werkstück verläuft und gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (B¹) der Auflagefläche der Hülse im gesetzten Zustand nicht größer als etwa 1,25D ist.

6. Befestiger nach Anspruch 4-, dadurch gekennzeichnet, daß die Fläche maximaler Auflageberührung der Hülse gleich 1,25D der Beziehung

^Γ - [ifiTi

gehorcht.

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