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Zwischenelement für Verbindeelemente höherer Festigkeit
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Die Erfindung bezieht sich auf ein Zwischenelement, das bei der Verspannung
oder Befestigung von Bauteilen niedriger Werkstoffestigkeit mittels Schrauben, Muttern,
Bolzen, Niete oder dergleichen in höherer Werkstoffestigkeit angewendet wird.
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Es sind Unterlegscheiben bekannt, die so gestaltet sind, daß mit ihrer
Hilfe, beispielsweise bei der Verspannung mit Schraubenverbindungselementen, ein
Ausgleich unterschiedlich gestalteter Auflageflächen und -bedingungen möglich ist.
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So können diese Unterlegscheiben zur Überbrückung von Langlöchern
oder zum Ausgleich von geneigten Auflageflächen oder zum Schutz empfindlicher Oberflächenschichten
oder zur Überbrückung großer Oberflächenrauheiten oder ähnlichem verwendet werden.
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Derartige Unterlegscheiben sind in vielen Regelwerken der Normung
und Standardisierung enthalten.
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Es sind ferner Unterlegscheiben bekannt, die in ihrer geometrischen
Gestaltung so ausgebildet sind, daß bei ihrer Anwendung in Verbindung mit Verschraubungselemen
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besondere Sicherungsfunktionen erzielt werden sollen, um ein unbeabsichtigtes Lösen
der Verbindung zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch formschlüssige oder kraftschlüssige
Wirkungen der Unterlegscheibe erzielt.
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Allen diesen bekannten technischen Lösungen ist gemeinsam, daß sie
der Bedeutung der Kraftübertragung und damit den Flächenpressungen und den Fließvorgängen,
sowohl zwischen den Verbindungselementen und der Unterlegscheibe, als auch zwischen
der Unterlegscheibe und dem Bauteil, keine Beachtung schenken.
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Demzufolge besteht auch kein Zusammenhang zwischen den geometrischen
Größen, wie Scheibendicke und Scheibendurchmesser und der Werkstoffestigkeit der
Scheibe. Auch stehen diese Größen bei den bekannten Lösungen nicht im direkten Zusammenhang
zu den Belastungeverhältnissen und Werkstoffeigenschaften, die insbesondere bei
der Verwendung von hochfesten Verbindeelementen von entscheidendem Einfluß auf die
Höhe und Verteilung der Druckspannung und damit der schädlichen Deformation an den
zu verbindenden Bauteilen sind0 Durch die dadurch eintretenden Fließvorgänge werden
häufig größere Unsicherheiten in einer vorgespannten Schraubenverbindung verursacht,
als durch unsachgemäße Verriegelungssicherungen oder Verspannungssicherungen verhindert
werden können.
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Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein Zwischenelement zu schaffen,
das einfach in seiner Herstellung ist und dessen Abmessungen bei einem geringstmöglichen
Materialvolumen so gestaltet sind, daß durch Benutzung des Zwischenelementes höherfeste
Verbindeelemente zur Verbindung oder Verspannung von Bauteilen niedriger Festigkeit
angewendet werden können und zusätzliche Sicherungselemente entfallen können.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Zwischenelement zu schaffen,
das unter Einbeziehung dqr zu verbindenden Bauteile und deren Verbindeelemente so
gestaltet ist, um die Anwendung von hochfesten Verbindeelementen auch auf Bauteilen
geringer Festigkeit bei Verwendung eines definierten Zwischenelementes bis zur maximalen
Tragfähigkeit des Verbindeelementes zu ermoglichen, wodurch der Mangel bisher bekanntgewordener
Lösungen wirkungsvoll beseitigt wird.
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Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß das Zwischenelement
in den Verspannungszustand einer Verbindung Bauteil-Verbindeelement integriert und
in Abhängigkeit von diesen unter Einbeziehung des Verformungswinkels des Zwischenelementes
geometrisch gestaltet ist. Die Hauptabmessungen Außendurchmesser und Dicke untereinander
sowie die Festigkeit des Zwischenelementes stehen in Anpassung an die Belastungsverhältnisse
und Werkstoffeigenschaften er Bauteilverbindung in Wechselbeziehung.
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Für die Dicke gilt die Beziehung
Der Außendurchmesser und die Festigkeit sind durch die maximal übertragbare Spannkraft
des höherfesten Verbindeelementes und die Grenzflächenpressung des zu verspannenden
Bauteils unter Berücksichtigung des wirksamen Kopfdurchmessers des Verbindeelementes
definiert.
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Der Verformungswinkel liegt in einem Bereich zwischen 550 und 650.
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In einem Ausführungsbeispiel soll die erfindungsgemäße Lösung an Hand
einer Schraubenverbindung entsprechend einer Zeichnung erläutert werden.
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Die Figur 1 stellt das Zwischenelement 1 in Verbindung mit einer Schraube
2 und dem zu verspannenden Bauteil 3 dar.
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Die Figuren 2 und 3 zeigen eine kreisrunde und ebene Ausführungsform
des Zwischenelementes im Schnitt und in der Draufsicht.
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Erfindungsgemäß ergibt sich der Außendurchmesser da einer beispielsweise
kreisringförmigen und ebenen Scheibe 1 gemäß Figur 1 entsprechend der Beziehung
(1) in Abhängigkeit vom Durchmesser dB der für das zu verspannende Bauteil vorzusehenden
Durchgangsbohrung; in Abhängigkeit von der maximal übertragbaren Spannkraft BSmax
und in Abhängigkeit, von der zulässigen Grenzflächenpressung PZU1 des zu verspannenden
Bauteiles.
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Es gilt
Im Gegensatz zu den bisher bekannten Lösungen wird, bei Verwendung eines erfindungsgemäßen
Zwischenelementes mit einem Außenrand entsprechend der angegebenen Beziehung (1),
die Flächenpressung zwischen Scheibe und zu verspannendem Bauteil nicht überschritten,
wenn die Festigkeit der Scheibe den erfindungsgemäßen Anspruch, wie er im weiteren
noch erläutert wird, verfüllt. Eine Vergrößerung des Außenrandes über die durch
die Beziehung (1) angegebenen Grenzen hinaus, ist nicht von Nachteil für die Übertragung
der Spannkraft, sie vergrößert aber in unnötiger Weise die Abmessungen des Zwischenelementes.
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Für den Innendurchmesser di gemäß Beziehung (2) der Scheibe 1 nach
Figur 3 ist in Anlehnung an Normative in bestehenden Regelwerken der Normung und
Standardisierung ein Wert vorgesehen, der.um einen kleinen Betrag größer als der
Schaftdurchmesser d5 des Verbindeelementes 2 entsprechend Figur 1 und im allgemeinen
kleiner als der.Durchmesser dB der Durchgangsbohrung der Verspannteile 3 nach Figur
1 ist, entsprechend,
dB > di # 1,05 d5 (2) Ein weiteres erfindungsgemäßes
Merkmal besteht darin, daß für die Dicke h des Zwischenelementes 1 in Figur 2 die
Beziehung (3) gilt,
wodurch gewährleistet ist, entgegen den bisher bekanntgewordenen Lösungen, daß die
Dicke des Zwischenelementes ebenfalls in Abhänigkeit von der maximal übertragbaren
Spannkraft und den Werkstoffeigenschaften der zu verspannenden Teile gestaltet ist.
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Für dK ist der wirksame Kopfdurchmesser des Verbindeelementes einzusetzen.
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Für den Verformungswinkel # ergibt sich aus Versuchen ein Wert zwischen
55° # t # 650. Eine größere Dicke als es der Beziehung (3) entspricht, ist ebenfalls
nicht von Nachteil für die Übertragung der Spannkraft auf das Bauteil, es wird jedoch
nur unwesentlich die plastische Verformung verringert, die Abmessung jedoch unnötig
vergrößert.
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Zu den erfindungsgemäßen Merkmalen gehört ferner, daß das Zwischenelement
1 in Figur 1 in einer Werkstofffestigkeit gefertigt ist, deren Streckgrenze #s der
Beziehung (4) entspricht:
Entgegen allen bisherigen Lösungen sind damit Festigkeit und Geometrie des Zwischenelementes
auf die Bedingungen von Verbindeelement und Bauteil bezogen.
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Eine größere Festigkeit, als durch die Beziehung (4)
angegeben,
ist njcht-,von Nachteil für die Kraftübertragung auf die Bauteile, sie erhöht jedoch
nur unnötig den Fertigungsaufwand.
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Mit p wird der Reibungskoeffizient zwischen Schraubenkopf und Zwischenelement
oder Mutter und Zwischenelement berücksichtigt, wenn zur Verspannung ein gewindetragendes
Verbindungselement benutzt wird.
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ErfindungsgemäD ist das Zwischenelement mit einer geringen Oberflächenrauhigkeit
der beiden Auflageflächen ausgeführt, wie dies für kaltgewalzte Bleche üblich ist.
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Damit kann für die meisten Anwendungsfälle für den Wurzelausdruck
in Beziehung (4) ein Bereich von 1,06 bis 1 ,08 angenommen werden.
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Die Einbeziehung des erfindungsgemäßen Zwischenelementes führt bei
einer Vielzahl von Anwendungsfällen zu einer erheblichen Terringerung der Anzahl
und der Abmessungen (Durchmesserverringerung) der erforderlichen Verbindungselemente
und der entsprechenden Konstruktionsteile (Verkleinerung der Planschabmessungen)
und zu einer Erhöhung der Zuverlässigkeit der Verbindung durch Ausnutzen der höheren
Tragfähigkeit höherfester Verbindeelemente selbst auf Bauteilen niedriger Werkstoffestigkeit.
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Darüber hinaus werden anziehbedingte Gleitvorgänge von der Bauteiloberfläche
ferngehalten, so daß eine Zerstörung der Oberflächenstruktur des Bauteils unter
der Wirkung der ausnutzbaren hohen Druckkräfte ausgeschlossen ist. Ferner wird die
Möglichkeit geschaffen, bei Anwendung des Zwischenelementes in dem im Ausführungsbeispiel
gezeigten Sinne auf zusätzliche Sicherungeelemente, die einen Vorspannkraftverlust
kompensieien sollen, zu verzichten, da Pließvorgänte vollständig vermieden werden.
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Aufstellung der verwendeten Bezugszeichen dK - wirksamer Kopfdurchmesser
des Verbindeelement es d - Schaftdurchmesser des Verbindeelementes d3 - Durchmesser
der Durchgangsbohrung der Verspannteile da - Außendurchmesser di - Innendurchmesser
h - Dicke FSmax - maximal übertragbare Spannkraft pzu] - Grenzflächenpressung des
zu verspannenden Bauteils #s - Festigkeit # - Verformungswinkel µ - Reibungskoeffizient
1 - Zwischenelement 2 - Schraube 3 - Bauteil