DE3025676A1

DE3025676A1 - Buendig abschliessender befestiger mit senkkopf

Info

Publication number: DE3025676A1
Application number: DE19803025676
Authority: DE
Inventors: Richard Daniel Dixon
Original assignee: Huck Manufacturing Co
Current assignee: Huck Manufacturing Co
Priority date: 1979-07-13
Filing date: 1980-07-07
Publication date: 1981-01-29
Also published as: IT1128122B; FR2461143A1; BE884198A; ES493184A0; US4324518A; ES8106591A1; GB2053402B; IT8049091A0; GB2053402A; NL8003514A; FR2461143B1; CA1183028A; JPS5618116A

Description

Bündig abschließender Befestiger mit Senkkopf

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein zweiteilige Befestiger und insbesondere verbesserte zweiteilige Befestiger mit bündig abschließendem Kopf.

Zweiteilige Abscher-Befestiger mit bündig abschließendem Kopf weisen typischerweise einen Bolzen mit einem kegelstumpfformigen Kopf an einem Ende eines länglichen Schafts auf, der in eine geeignet zugerichtete Senkbohrung in den aneinander zu befestigenden Werkstücken eingesetzt wird. Der Schaft derartiger Befestiger weist im allgemeinen eine Vielzahl von Sperrnuten außerhalb der Werkstücke, einen abtrennbaren Abschnitt am äußeren Ende des Schaftes, der normalerweise mit einer Vielzahl von Zugnuten versehen ist, sowie eine Hülse auf, die auf die Sperrnuten aufgedrückt bzw. aufgehämmert werden kann.

Derartige Befestiger sind aus dem Stand der Technik bekannt und zum Setzen mit einem Setzwerkzeug konstruiert, das eine Bakkenanordnung, die an den Zugnuten des Schaftabscherabschnitts angreift, sowie einen Amboß aufweist, der an der Hülse angreift. Wenn das Werkzeug betätigt wird, üben die Backen einen Zug auf den Bolzen und der Amboß die Reaktionskraft auf die Hülse aus. Während des anfänglichen Andrückvorgangs werden die Werkstücke zunächst aufeinander und dann der Bolzen in die vorbereitete Öffnung hinein gezogen, bis er vollständig sitzt. Während die freie Relativbewegung zwischen dem Bolzen und der Hülse aufge-

030065/0836

nommen wird, steigt infolge der Zugwirkung des Werkzeugs die Zugspannung im Bolzen, so daß auf die Hülse eine steigende Reaktionskraft wirkt. Während diese Kräfte zunehmen, hämmert der Amboß die Hülse in die äußeren Sperrnuten auf dem Bolzen ein, so daß eine primäre Klemm- bzw. Festspannwirkung ("clinch action") entsteht, die eine weitere freie Relativbewegung zwischen Bolzen und Hülse verhindert. Wenn danach die Hülse weiter auf den Bolzen aufgehämmert wird, entsteht in ihr eine axiale Dehnung, infolge der das andere Ende der Hülse eine Klemmkraft auf die Werkstücke ausübt und die Zugbelastung des Bolzens weiter steigt; diese steigende Zugbelastung des Bolzens infolge der Dehnung der Hülse wird auch als "sekundäre Klemm- bzw. Festspannwirkung" bezeichnet. Beim Setzen des Befestigers erfährt also der an den Bolzen angeformte Kopf eine kombinierte Belastung infolge der Wirkung des Setzwerkzeugs und der sekundären Klemmbelastung.

Eine Anzahl von Faktoren beeinflußt die tatsächliche Höhe dieser kombinierten Belastung; einige von ihnen beeinflussen auch die Festigkeit des gesetzten Befestigers - beispielsweise die Härte der Hülse. Für Anwendungen,in denen eine verhältnismäßig hohe Festigkeit erwünscht ist, muß eine möglichst harte Hülse verwendet werden, um die auf das Werkstück wirkende Festspannkraft ebenso wie die bis zur Ermüdung nutzbare Lebensdauer zu erhöhen und die Zugfestigkeitseigenschaften zu verbessern. Mit zunehmender Härte der Hülse nehmen jedoch auch die erforderlichen Setzkräfte zu, so daß der Befestiger und der angeformte Kopf zusätzlich belastet werden. Mit zunehmender Härte der Hülse können diese kombinierten Kräfte also die Nennfestigkeit des Bolzenkopfes übersteigen, so daß der Kopf zu fließen beginnt und die Festigkeit der resultierenden Verbindung beeinträchtigt wird. Typischerweise läßt sich eine derartige Beeinträchtigung an einer schalenförmigen Einsenkung in der ansonsten verhältnismäßig flachen Oberseite des Bolzenkopfes erkennen. Dieser Vorgang tritt am häufigsten beim Setzen von

030065/0836

Abscher-Befestigern auf, bei denen das Verhältnis vom Kopfzum Bolzendurchmesser verhältnismäßig klein ist. Die Kopfgröße scheint daher ein einschränkender Faktor für die maximal mögliche Hülsenhärte zu sein und begrenzt daher die erreichbare Zugfestigkeit und Spannkräfte. Es ist weder praktisch sinnvoll noch wirtschaftlich wünschenswert, an Befestiger des gleichen Schaft-Nenndurchmessers für den Einsatz mit Hülsen verschiedener Härte unterschiedlich große Köpfe anzuformen, da dann für jede Kopfgröße unterschiedlich große Senkbohrer für die Werkstücke erforderlich wären, um zu gewährleisten, daß die Senkbohrung die erforderliche Größe hat.

Die vorliegende Erfindung schafft einen verbesserten Befestiger mit erhöhtem Kopfteil einer Abmessung, der an die angenommene, beim Setzen auftretende Spitzenlast infolge der Belastung durch das Setzwerkzeug und der sekundären Festspannbelastung sowie an die relative Scherfestigkeit und den Durchmesser des Bolzens so angepaßt ist, daß die Einsenkung des Befestigerkopfes beim Setzen im wesentlichen verhindert ist und man einen Befestiger erhält, der gesetzt mit der Oberseite im wesentlichen bündig abschließt: Weiterhin ergibt dieser erhöht ausgeführte Kopf einen Bolzen, dessen Kopf eine höhere Scherfestigkeit aufweist, so daß man Hülsen höherer Karte verwenden kann, infolge deren das gesamte Befestigungssystem eine höhere Zugfestigkeit erhält, während man vorhandene normale Lochvorbereitungswerkzeuge einsetzen kann. Da weiterhin die Häufigkeit fehlgesetzter Befestiger erheblich abnimmt, kann man aus dem geringerem Aufwand an Material und Arbeitszeit, die für das Ausbohren und erneute Setzen fehlgesetzter Befestiger in Kauf genommen werden müssen, erhebliche Einsparungen realisieren.

Weiterhin kann man mit der Kopfkonstruktion nach der vorliegenden Erfindung eine zwangs 'eise Anzeige über das einwandfreie Set-

030065/0836

zen eines Befestigers erreichen. Da die Abmessungen des angehobenen bzw. erhöhten Oberflächenteils des Kopfes sich so einstellen lassen, daß zum Abflachen dieses angehobenen bzw. erhöhten Oberflächenteils eine bestimmte Belastung erforderlich ist, ist das Ausmaß der Flachheit proportional dieser Belastung und auch zu der Klemm- bzw. FestSpannkraft, der die Werkstücke infolge der sekundären Klemm- bzw. Festspannwirkung unterliegen. Eine unzureichende "Flachheit" kann also als Anzeige dafür dienen, daß die Werkstücke unzureichend festgespannt oder vorbelastet sind - was zu verfrühtem Ermüdungsbruch führen kann. Demgegenüber ist eine übermäßige "Flachheit" oder auch eine Vertiefung der Oberfläche ein Zeichen dafür, daß die Belastung zu hoch ist und die Werkstücke im Bereich um den Befestiger Schaden nehmen können und die Zugfestigkeit durch Beeinträchtigung des Kopfes zu gering geworden ist.

Die vorliegende Erfindung soll nun anhand spezieller Ausführungsbeispiele unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung erläutert werden.

Fig. 1 ist ein Schnitt durch einen zweiteiligen Zug-Befestiger mit bündig abschließender Oberfläche nach der vorliegenden Erfindung während des Setzens;

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Außenfläche des angeforrcten Kopfes auf dem Befestiger nach Fig. 1;

Fig. 3 ist eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, zeigt jedoch den Befestiger im endgültig gesetzten Zustand.

030065/0836

Die Fig. 1 zeigt einen Befestiger nach der vorliegenden Erfindung bei 10; er weist einen Bolzen 12, der in vorbereitete fluchtende Öffnungen 14, 16 in den Werkstücken 18, 20 eingesetzt ist, sowie eine Hülse 22 auf, die auf den Bolzen aufgesetzt und zum Setzen bereit ist.

Der Bolzen 12 hat einen Schaftteil 24 mit dem Nenndurchmesser (d) und einem Kopf 26 an einem Ende sowie einem abscherbaren
Endabschnitt 28 am anderen Ende, wobei eine Vielzahl umlaufender Sperrnuten 30 zwischen dem Kopf 26 und dem Endabschnitt sowie eine Sollbruchnut 32 zwischen den Sperrnuten 30 und dem Endabschnitt 28 vorgesehen sind.

Der angeformte Kopf 16 hat eine allgemein kegelförmige Seitenwandung 34, die in eine entsprechend geformte Senkung 36 der
Öffnung 14 paßt und mit einem eingeschlossenen Winkel von typischerweise etwa 100° ausgeführt ist. Die Außenkante des Senkteils 36 hat einen Durchmesser A, der auch als "theoretischer Schnittdurchmesser des Kopfes" bezeichnet wird ("theoretical
head intersection diameter"). Die nach außen weisende Oberfläche des Kopfes 26 hat einen verhältnismäßig flachen erhöhten Mittelteil 38, der zunächst in einer Höhe H über der von der Außenfläche 41 des Werkstücks 18 aufgespannten Ebene liegt und den Durchmesser D hat. Ein geschrägter bzw. geringfügig geneigter Oberflächenteil 40 umgibt den erhöhten Oberflächenteil 38 und verläuft zwischen dem Umfang des Teils 38 und der umlaufenden Kante 42 des Kopfes 26.

Wie dargestellt, hat der Kopf 26 in Axialrichtung eine Gesamthöhe T, die zwischen etwa dem Schnittpunkt zwischen der Seitenwandung 34 mit dem Schaffteil 20 und dem angehobenen Oberflächenteil 40 gemessen wird und gleich der Summe aus der Abmessung L, gemessen zwischen dem Schnittpunkt der Seitenwandung 34 mit

030065/0836

dem Schaftteil 20 und der Oberfläche 40 des Werkstücks 18,und
der Höhe H ist.

Wie bereits erwähnt, sind Zug-Befestiger beim Setzen einer Zugspannung ausgesetzt, die die angesetzte KopfScherfestigkeit infolge der kombinierten Kräfte des ziehenden Setzwerkzeugs und
der sekundären Spannbelastung insbesondere bei Befestigern übersteigen kann, die für Scherbelastung (im Gegensatz zur Zugbelastung) ausgeführt sind. Bei derartigen Befestigern mit herkömmlich gestalteter Kopfaußenfläche kann diese Zugbelastung zu
übermäßiger Verformung des Kopfes führen. Um diese Verformung
gering zu halten, ist es erforderlich, weichere Hülsen zu verwenden als eigentlich erwünscht wäre, um die sekundäre Spannbelastung geringer zu halten; eine weichere Hülse reduziert jedoch auch die Zugfestigkeit des gesetzten Befestigers.

Mit der vorliegenden Erfindung kann man Hülsen höherer Härte
verwenden, indem man einen Kopf größerer Gesamthöhe vorsieht;
auf diese Weise kann man die Kopfscherspannung verringern, die infolge der erhöhten Zugbelastung beim Setzen auftritt. Weiterhin ist die Abmessung H des erhöhten Oberflächenteils 38 auf
die Differenz zwischen der Setzbelastung und der gewünschten
maximalen Kopffestigkeit so abgestimmt, daß, wenn die sekundäre Spannbelastung beim Setzen des Befestigers zum gewünschten Maximum ansteigt, der Kopf nachgibt, so daß die sekundäre Spannbelastung nicht weiter steigen kann und der angehobene Oberflächenteil 38 zur Oberfläche 40 gezogen wird; man erhält dann für den gesetzten Befestiger eine im wesentlichen flache, bündig abschließende Kopfoberfläche. Für einen Bolzen mit beliebigem Durchmesser kann diese Abmessung H nach der folgenden Formel berechnet werden:

F_p

030065/0836

in der gilt: P = erwartete Spitzenbelastung beim Setzen P_D = maximale Soll-Kopffestigkeit A = theoretischer Kopfsehnittdurchmesser

Um den vollen Nutzen der gewünschten axialen Kopfhöhe zu gewinnen und gleichzeitig die Bildung einer im wesentlichen flachen Außenfläche am gesetzten Befestiger zu erleichtern, macht man vorzugsweise den Durchmesser D des angehobenen Oberflächenteils etwa gleich dem Nenndurchmesser (d) des Bolzens.

Die Zunahme der axialen Länge des Kopfes erhöht die Gesamtscherfestigkeit des Kopfes und erhöht weiterhin die Last, der der Bolzen ausgesetzt werden kann, bevor das Material nachgibt.

Nachdem die Setzbelastung infolge der gemeinsamen Wirkung des ziehenden Werkzeugs und der sekundären Spannbelastung eine ausreichende Höhe erreicht hat, beginnt der Bolzenkopf nachzugeben bzw. sich plastisch zu verformen, so daß der erhöhte Oberflächenteil zu der von der Oberfläche 41 des Werkstücks 18 aufgespannten Ebene gezogen wird. Wenn der Kopf 26 nachgibt, sinkt auch die sekundäre Spannbelastung zu einem gewissen Grad, so daß die gesamte auf den Bolzenkopf wirkende Setzbelastung bis zu einem Punkt sinkt, an dem die Setzbelastung geringer ist als die, bei der der Kopf zu fließen beginnt.

Bei einem herkömmlichen Abscher-Befestiger mit bündig abschließendem Kopf nimmt beim übersteigen der Fließgrenze des Kopfes während der Spitzenbelastung beim Setzen die Scherfläche, über die sich die Last verteilt, infolge der schalenförmigen Einsenkung des Kopfes ab. Da weiterhin die insgesamt vorliegende Scherfläche kleiner als bei der vorliegenden Erfindung ist, erfolgt das Fließen bei niedrigerer Belastung und erfordert weiterhin

030065/0836

eine stärkere Verformung, um auf eine geringere Größe abzusinken, so daß bei der Setz-Spitzenbelastung eine erhebliche Einsenkung der Kopfaußenfläche auftritt und sich damit die Scherfestigkeit des Kopfes beim Setzen erheblich verringert.

Mit der durch den erhöhten Oberflächenteil erreichten vergrößerten Scherfläche (vergl. Fig. 2) steigt die Belastung, bei der der Kopf fließt, so weit an, daß das Ausmaß der Kopfverformung, die erforderlich ist, um die Belastung so weit zu senken, daß die im Kopf auftretende Spannung unter die Fließgrenze sinkt, erheblich reduziert wird. Die Abmessung des angehobenen Oberflächenteils wird daher so gewählt, daß bei der beim Setzen auftretenden Belastung die Fließgrenze des Kopfes übertroffen werden kann, so daß der Kopf sich plastisch verformt und der erhöhte Oberflächenteil axial zu den Werkstücken hin gezogen wird. Auf diese Weise eliminiert man die Ausbildung der ansonsten unvermeidbaren flachen schalenförir.igen Einsenkung und erhält eine bündig abschließende Kopfoberfläche im wesentlichen koplanar zur Oberfläche des Werkstücks. Die axiale Länge des Kopfes bleibt also erhalten, so daß man eine Scherfestigkeit und folglich eine gesetzte Verbindung erreicht, deren Zugfestigkeit mindestens gleich einer gewünschten minimalen Sollzugfestigkeit ist. Die erforderliche axiale Länge des Befestigers im dann gesetzten Zustand kann angenähert irit folgender Formel

^PD

^dfsu

bestimmt werden, in der f die Nennscherfestigkeit des Bolzenmaterials bezeichnet.

Weiterhin erhält man mit der Kopfkonstruktion nach der vorliegenden Erfindung die Möglichkeit, Hülsen mit höherer Färte für einen Kopf gegebener Größe einzusetzen, so daß man eine Verbin-

030065/0836

dung höherer Zugfestigkeit und verbesserter und kontrollierter Spannung zwischen den Werkstücken erreicht. Weiterhin kann die verringerte Höhe des erhöhten Oberflächenteils als sichtbare Anzeige dienen, daß die auf die Werkstücke wirkende Klemmkraft die Sollhöhe erreicht hat.

030065/0836

L e e r s

Claims

HUCK MANUFACTURING COMPANY

2500 Bellevue Avenue, Detroit 7, State of Michigan, V. St. A.

Patentansprüche

M.)Zweiteiliger Abscher-Befestiger zum Aneinanderbefestigen von mehreren Werkstücken, mit einem Bolzen mit angeformtem Kopf an einem Ende, einem Schaft mit einer Vielzahl von Sperrnuten sowie einer Hülse, die auf die Sperrnuten auf-bzw. in sie eingehämmert werden kann, wobei der angeformte Kopf eine Seitenwandung mit einem allgemein konisch geformten Teil aufweist, der von einer vorgeformten angesenkten öffnung in einem der Werkstücke aufgenommen werden kann und sich deren Gestalt im wesentlichen anpaßt, gekennzeichnet durch einen mittig liegenden erhöhten und axial auswärts gewandten Oberflächenteil (38) sowie einen ringförmig umlaufenden geschrägten, radial auswärts weisenden Oberflächenteil, der die Seitenwand (42) schneidet, wobei der Schnitt im wesentlichen koplanar mit der Außenfläche eines der Werkstücke anordenbar ist und der erhöhte Oberflächenteil axial auswärts der Außenfläche in einer Entfernung liegt,

03006S/0836

die auf die Scherfestigkeit des Bolzenmaterials und die Differenz zwischen der erwarteten Setzlast und der Sollfestigkeit des Kopfes abgestimmt ist_r so daß der erhöhte Oberflächenteil die schalenförmige Einsenkung im Kopf während des Auftretens der Setzbelastung im wesentlichen eliminiert.
2. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser des erhöhten Oberflächenteils im wesentlichen gleich dem Nenndurchmesser (d) des Bolzenschafts ist.
3. Befestiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Oberflächenteil (38) einen Durchmesser im wesentlichen gleich dem Nenndurchmesser des Schaftteils sowie eine Axialabmessung hat_r die im wesentlichen gleich H_r gemessen vom Schnitt mit der Seitenwand (42) ist, wobei gilt:

wobei P = erwartete Setz-Spitzenbelastung

P = gewünschte Setzfestigkeit des Befestigerkopfes

A = theoretischer Kopfschnittdurchmesser

d = Nenndurchmesser des Bolzenschafts

Q- = eingeschlossener Winkel der Kopf-Seitenwandung.
4. Befestiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Setzen der angeformte Kopf eine Axialausdehnung im wesentlichen gleich L hat, wobei gilt:

und f gleich der minimalen Nennscherfestigkeit des Bolzenmaterials und L zwischen dem Schnitt der Seitenwanduna mit dem

EV. VZ!

Schaft und der Außenfläche gemessen ist.
5. Befestiger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Oberflächenteil (38) auf die Differenz zwischen der erwarteten Setzbelastung und der Soll-Kopffestigkeit so abgestimmt ist, daß nach dem Setzen des Befestigers die erhöhte Oberfläche im wesentlichen koplanar mit der Außenfläche des Werkstücks verläuft, wenn der Befestiger beim Setzen eine Setzbelastung vorbestimmter minimaler Höhe erfahren hat.
6. Befestiger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf beim Setzen des Befestigers fließt, so daß die auf die Werkstücke ausgeübte Spannkraft ein vorbestimmtes Maximum nicht übersteigt.
7. Zweiteiliger Abscher-Befestiger zum Aneinanderbefestigen einer Vielzahl von Werkstücken, mit einem Bolzen mit an einem Ende angeformten Kopf, einem Schaft mit einer Vielzahl von Sperrnuten und einer Hülse, die auf die Sperrnuten auf- bzw. in sie eingehämmert werden kann, wobei der angeformte Kopf eine Seitenwandung mit einem allgemein konisch geformten Teil hat, der von einer vorbereiteten Senköffnung in einem der Werkstücke aufgenommen werden und sich deren Gestalt im wesentlichen anpassen kann, gekennzeichnet durch einen mittig liegenden, erhöhten und axial auswärts weisenden Oberflächenteil (38) , dessen Durchmesser im wesentlichen gleich dem Nenndurchmesser des Schaftteils und dessen axiale Ausdehnung im wesentlichen gleich H, gemessen von der Außenfläche des einen der Werkstücke her, ist, wobei vor dem Setzen des Befestigers gilt:

03Q065/0836

Ki.

und die Bildung einer schalenförmigen Einsenkung im angeformten Kopf unter der Setzbelastung des Befestigers im wesentlichen beseitigt ist, und

P_p = erwartete Setz-Spitzenbelastung P_n = gewünschte Setzfestigkeit des Befestigerkopfes

A = theoretischer Kopfschnittdurchmesser d = Nenndurchmesser des Bolzenschafts α = eingeschlossener Winkel der Kopf-Seitenwandung.
8. Befestiger nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Setzen des Befestigers die Axialausdehnung des angeformten Kopfes die Länge L entsprechend der Beziehung

^L = V^d-^fsu

hat, wobei f gleich der minimalen Nennscherfestigkeit des Bolzenmaterials und L zwischen dem Schnitt der Seitenwandung mit dem Schaft und der Außenfläche gemessen ist.
9. Befestiger nach Anspruchs oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der erhöhte Oberflächenteil auf die Differenz zwischen der erwarteten Setzbelastung und der Kopfsollfestickeit so abgestimmt ist, daß nach dem Setzen des Befestigers der erhöhte Oberflächenteil im wesentlichen koplanar mit der Außenfläche des Werkstücks liegt, wenn der Befestiger beim Setzen eine Setzbelastung erfahren hat, die mindestens gleich einem vorbestimmten Minimum war.

030065/0836