DE2912019C2

DE2912019C2 -

Info

Publication number: DE2912019C2
Application number: DE2912019A
Authority: DE
Inventors: John Howland Tustin Calif. Us Ruhl
Original assignee: HUCK Manufacturing Co DETROIT MICH US
Current assignee: Huck International Inc
Priority date: 1978-03-24
Filing date: 1979-03-24
Publication date: 1989-07-27
Also published as: JPS6375617U; DE2912019A1; BE875009A; FR2420678B1; US4198895A; JPS5597510A; GB2017249B; GB2017249A; NL7902175A; FR2420678A1; IT7948465A0; IT1115058B; CA1122828A

Description

Die Erfindung betrifft Befestiger mit einem Bolzen mit einem Kopf und einem Schaft, der durch eine Werkstücköffnung verlaufen soll und eine Längsmittelachse aufweist, und mit einer Hülse mit einer den Schaft umfassenden Mittelöffnung und einer Ringfläche, die in einer zur Mittelachse des Bolzens rechtwinkligen Ebene liegt und auf der ihr zugewandten Oberfläche des Werkstücks an der Werkstücköffnung anliegt, sowie einer schräg verlaufenden Ringfläche, die rück- und auswärts von der ebenen Ringfläche zu einer zylindrischen Außenmantelfläche der Hülse verläuft, wobei die zylindrische Mantelfläche um die Mittelachse herumliegt.

Eine Verbindung mit geringer Scherübertragung ist im Luftfahrzeugbau als Ermüdungsverbindung definiert, bei welcher bei Belastung mit der zulässigen Grenzlast weniger als 20% der Scherfestigkeit des Befestigers übertragen werden. Derartige Verbindungen sind bei Flügellängsverbindungen und Längsbefestigern an Rümpfen im Flugzeugbau üblich.

Eine Auswertung von Untersuchungsdaten hat gezeigt, daß das "Fressen", d. h. ein Bewegen zwischen den aufeinanderliegenden Flächen der Hülse des Befestigers und des angrenzenden Werkstücks Ursache für das Versagen von preßgepaßten Verbindungen mit geringer Scherübertragung (zwischen 10⁵ und 10⁶ Lastspielen) ist.

Ist die Lastübertragung sehr gering, erfolgt ein Versagen durch Fressen durch diese Bewegung unter der Hülse, der Mutter bzw. dem Befestigerkopf. Für Verbindungen mit höherer Lastübertragung wird ein Versagen zuweilen durch Bewegungen am Schaft des Befestigers verursacht, meistens jedoch durch Bewegungen an den Paßflächen.

In der US-PS 30 94 017 ist ein Befestiger der einangs umrissenen Art beschrieben, der im wesentlichen zum Erzielen einer lecksicheren Versiegelung für Tankwände eingesetzt werden soll. Dazu soll ein ringförmiger Spitzkeil in den Ringspalt zwischen Bolzen und Bohrung im Werkstück gepreßt werden und dieses abdichten. Zu diesem Zweck weist die dort eingesetzte Hülse eine zylindrische Außenfläche auf, die sich über weniger als die halbe Höhe der Hülse erstreckt, derart, daß ihr konstanter Durchmesser das 1,75- bis 2fache des Innendurchmessers der Hülsenöffnung ist.

In dem DE-Buch ABC der Stahlkorrosion, Mannesmann AG, Düsseldorf, 1966, S. 169 sind zur Reiboxidation verschiedene Pauschalangaben hinsichtlich ihrer Bekämpfung gemacht. Insbesondere ist erwähnt, daß über sie quantitativ beeinflussende Faktoren wie beispielsweise Härte, Spaltbreite, Eigenschaften der Korrosionsprodukte, Frequenz der Schwingungen, Reibungskoeffizienten, Temperatur und Scherbewegungen noch nichts Sicheres bekannt sei.

Aus der CH-PS 4 93 750 ist eine Anordnung zum Verbinden eines Bauteilestapels bekannt. Die dort erläuterten Befestiger sollen eine höhere Ermüdungsfestigkeit aufweisen. Zu diesem Zweck wird eine Anordnung geschaffen, welche in den miteinander verbundenen Bauteilen überlagerte remanente Zug- und Druckspannungen erzeugt, so daß neben der Erhöhung der Ermüdungsfestigkeit auch eine Verbesserung des Widerstandes gegen Spannungskorrosion erreicht wird. Relativbewegungen, wie sie anmeldungsgemäß angesprochen werden, sind bei dem Vorschlag nach dieser Druckschrift konstruktions- und wirkungsbedingt ausgeschlossen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, einen gattungsgemäßen Befestiger zu schaffen, mit welchem die Reibkorrosion bzw. das Fressen unter Kontrolle gehalten bzw. eliminiert werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Hülse folgenden Beziehungen gehorchend ausgestaltet ist: wenn D der Innendurchmesser der Hülsenöffnung, B der äußere Durchmesser der ebenen Ringfläche und A die Höhe der geneigten Ringfläche entlang der Mittelachse sind, ist B nicht größer als etwa 1,20 D und A mindestens etwa 0,12 D, daß die zylindrische Hülsenfläche sich über den größeren Teil der Länge der Hülse erstreckt und einen im wesentlichen konstanten Durchmesser C hat, der nicht größer ist als etwa 1,6 D, wobei diese Beziehungen für die Hülsenabmessungen vor dem Aufdrücken gelten.

Zeckmäßige weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Befestigers ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Das Fressen wird von einer Kombination folgender Einflußfaktoren verursacht:

1. Reibungskoeffizient zwischen den Werkstücken;
2. Auflagedruck zwischen den Werkstücken;
3. Relativbewegung zwischen den Werkstücken.

Derzeit ist eine genaue Gleichung nicht bekannt, welche die Wechselwirkung dieser Einflußfaktoren beschreibt. Indem man aber einen oder mehrere dieser Faktoren eliminiert oder ändert, kann man ein durch Fressen verursachtes Versagen einer Verbindung unter Kontrolle halten oder eliminieren. Der erfindungsgemäß zur Kontrolle gewählte Faktor 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, ein Strecken der Probe auf, während der Befestiger stationär bleibt. Dabei tritt eine Relativbewegung auf, und die Vorbelastung des Befestigers trägt zur Freßwirkung bei.

Die Gleichung für die Relativbewegung zwischen dem Kopf des Befestigers, der Hülse und dem verbundenen Werkstoff ist

FM = (f _JM/E)d _max

mit
E = Elastizitätsmodul des verbundenen Werkstoffs,
f _JM = Axialspannung des verbundenen Werkstoffs,
d _max = maximaler Auflagedurchmesser des Befestigers,
FM = Freßbewegung bzw. Dehnung.

Betragen die Dehnung 50,8/101,6 µm/µm und der Auflagedurchmesser des Befestigers mehr als das 1,25fache seines Schaftdurchmessers, tritt eine Neigung zu einem Versagen der Verbindung infolge Fressens auf. Da die Dehnung in der vorliegenden Struktur praktisch nicht kontrolliert werden kann, muß zur Kontrolle der Auflagedurchmesser entsprechend gewählt werden. Erfindungsgemäß ergibt sich ein Auflagedurchmesser von nicht mehr als dem 1,25fachen des Durchmessers des Schafts des Befestigers. Diese Geometrie ist auf Befestiger-Vorbelastungen ausgelegt, die im typischen Bereich für Scherschaft- und Hülsenbefestiger gleich etwa 60% der minimalen Zugfestigkeit liegen.

Die Gleichung für eine maximale Flächenauflage gleich dem 1,25fachen des Befestigungsdurchmessers lautet:

mit
A = maximale Auflagefläche,
D = Schaftdurchmesser des Befestigers.

Die Auflagespannung für den 1,25fachen maximalen Auflagedurchmesser ergibt sich zu

f _BR = 0,60 P _T/A

mit
f _BR = Auflagespannung,
P _T = Vorbelastung des Befestigers,
A = maximale Auflagefläche.

Der Faktor 0,60 ist das Verhältnis der mittleren Schaft- und Hülsen-Vorlast zur minimalen Zerreißfestigkeit des Befestigers.

Die mit den oben angegebenen Beziehungen ermittelten Auflagespannungen liegen weit unter den Streckgrenzen üblicher Hülsen/Muttern- bzw. Blechwerkstoffe; sie weisen also auf stabile Verbindungen hin. Um den minimalen Auflagedurchmesser zu erhalten, ist erfindungsgemäß 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/Muttern- bzw. Blechwerkstoffs zugelassen, bis sich eine stabile Auflagefläche einstellt.

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

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Hülse eines Befestigers,

Fig. 2 eine Endansicht der Hülse nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Fig. 1 ähnliche Darstellung einer weiteren Ausführungsform,

Fig. 4 eine Schnittansicht des Bolzens mit aufgesetzter Hülse vor dem Setzen des Befestigers und Aufdrücken der Hülse,

Fig. 5 den Befestiger nach Fig. 2 im gesetzten Zustand mit aufgedrückter Hülse.

Ein Befestiger umfaßt einen Bolzen 10 und eine Hülse 12. Ein Werkstück 14 enthält eine Öffnung 16. Der Bolzen 10 kann ein Bolzen mit Sperrnuten, einem Bruchhals, Zugnuten an einem Ende und einem Kopf am anderen Ende sein. Der Bolzen ist durch die Werkstücköffnung 16 geführt, und die Hülse 12 ist 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 Hülse 12 ist für den oben erläuterten Zweck bemessen und ausgeführt. Sie ist zweiseitig aufsetzbar, 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 weist eine glatte Innenbohrung 18 auf, welche dem Durchmesser des Bolzens 10 entspricht, mit dem sie eingesetzt werden soll. Der Innendurchmesser der Bohrung ist bei D, der Außendurchmesser des Bolzens bei C gezeigt.

Beide Stirnflächen der Hülse 12 sind identisch. Jede Stirnfläche ist mit einer flachen Ringfläche 20 in einer zur Mittelachse X des Bolzens und der Hülse rechtwinkligen Ebene ausgeführt, die Ringfläche hat einen Außendurchmesser B und liegt, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist, an der ihr zugewandten Fläche des Werkstücks an. Die Stirnflächen der Hülse gehen in geneigte bzw. geschrägte Ringflächen 22 über, deren Höhe, entlang der Achse X gemessen, bei A gezeigt ist.

Die Ringfläche 20 vegrößert sich während des Aufdrückens, so daß, wenn der Befestiger gesetzt wird, die Abmessung B auf B′ zunimmt, wie dies in Fig. 5 gezeigt ist.

Diese für das Erreichen des oben genannten Ziels kritischen Abmessungen lassen sich wie folgt in Beziehung setzen: Ist D der Innendurchmesser der Hülse, ist B nicht größer als etwa 1,20 D, A mindestens etwa 0,12 D und der Außendurchmesser C nicht größer als etwa 1,6 D.

Wenn der Befestiger gesetzt ist, ist B′ der Durchmesser der Auflagefläche nach dem Aufdrücken (vergl. Fig. 5) und 1,25 D. Dies ist die Abmessung, welche die verbesserte Ermüdungsfestigkeit der Verbindung bestimmt. Während des Aufdrückens bewirkt das Anliegen der Auflagefläche der Hülse mit der Abmessung B und nach dem Aufdrücken mit der Abmessung B′ eine Spannungsverformung der Werkstückoberfläche um die Öffnung.

Die in Fig. 3 gezeigte Hülse 24 gehorcht den gleichen Abmessungsbeziehungen, wie sie oben zu Fig. 1 und 2 erläutert sind. Es handelt sich hier um eine einendige Hülse in dem Sinn, daß sie richtungsgerecht aufgeschoben werden muß, damit sich ihre Fläche 26 an das Werkstück 14 anlegen kann. Anstelle der gleichmäßigen kegelstumpfförmigen Ringfläche 22 ist das Hülsenende bei 28 leicht abgerundet konturiert.

Claims

1. Befestiger mit einem Bolzen mit einem Kopf und einem Schaft, der durch eine Werkstücköffnung verlaufen soll und eine Längsmittelachse aufweist, und mit einer Hülse mit einer den Schaft umfassenden Mittelöffnung und einer Ringfläche, die in einer zur Mittelachse des Bolzens rechtwinkligen Ebene liegt und auf der ihr zugewandten Oberfläche des Werkstücks an der Werkstücköffnung anliegt, sowie einer schräg verlaufenden Ringfläche, die rück- und auswärts von der ebenen Ringfläche zu einer zylindrischen Außenmantelfläche 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, B der äußere Durchmesser der ebenen Ringfläche und A die Höhe der geneigten Ringfläche entlang der Mittelachse sind, ist B nicht größer als etwa 1,20 D und A mindestens etwa 0,12 D, und daß die zylindrische Hülsenfläche sich über den größerenTeil der Länge der Hülse erstreckt und einen im wesentlichen konstanten Durchmesser C hat, der nicht größer ist als etwa 1,6 D, wobei diese Beziehungen für die Hülsenabmessungen vor dem Aufdrücken gelten.

2. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die schräg verlaufende Ringfläche kegelstumpfförmig 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 vorhergehenden Ansprüche, der durch eine Öffnung in einem Werkstück verläuft und gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser (B′) der Auflagefläche der Hülse im gesetzten Zustand nicht größer als etwa 1,25 D ist.

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