DE60023638T2

DE60023638T2 - Befestigungselemente mit Gewinde und ihr Herstellungsverfahren

Info

Publication number: DE60023638T2
Application number: DE60023638T
Authority: DE
Inventors: Richard J. Duffy; Eugene D. Sessa
Original assignee: Nylok LLC
Current assignee: Nylok LLC
Priority date: 1999-12-14
Filing date: 2000-02-11
Publication date: 2006-08-10
Anticipated expiration: 2020-02-12
Also published as: US6454504B2; CA2298179A1; AU7230600A; US20010046428A1; EP1108903B1; DE60023638D1; TW477868B; EP1108903A1; KR20010062434A; US6296573B1; MXPA00012431A; CA2298179C; AU776060B2; AR030174A1; ATE308685T1; BR0006802A; JP2001200828A

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Gewindebefestigungseinrichtungen, und, genauer ausgedrückt, selbstverriegelnde Befestigungseinrichtungen mit Innengewinde vom selbstsichernden Typ sowie ein Verfahren für ihre Herstellung.
Selbstsichernde selbstverriegelnde Befestigungseinrichtungen sind im technischen Gebiet gut bekannt. Diese Befestigungseinrichtungen sind reibresistent gegen Drehung aufgrund des unabhängigen selbstsichernden Merkmals, das oft als "Verriegelungselement" bezeichnet wird. Eine Vielzahl verschiedener selbstsichernder Befestigungseinrichtungen ist bekannt, einschließlich sogenannter "Ganzmetall-" Befestigungseinrichtungen und Befestigungseinrichtungen mit "Kunststoffflecken", "Kunststoffstreifen" oder "Kunststoffpellet". Wie ihre jeweiligen Namen implizieren, erreichen diese Befestigungseinrichtungen eine selbstverriegelnde oder selbstsichernde Funktion aufgrund der Charakteristiken des bestimmten verwendeten Verriegelungselements.
Die vorliegende Erfindung ist nur auf selbstverriegelnde Befestigungseinrichtungen des selbstsichernden Typs gerichtet, die einen Flecken aus thermoplastischem Material als das Verriegelungselement verwenden. Darüber hinaus ist die Erfindung auf Befestigungseinrichtungen mit Innengewinde gerichtet. Solche selbstverriegelnden Befestigungseinrichtungen vom Fleckentyp mit Innengewinde sind im technischen Gebiet gut bekannt und eine Vielzahl von Maschinen und Prozessen für ihre Herstellung sind auch bekannt, wie zum Beispiel in den US-Patenten der Nr. 3,858,262; 3,894,509; 3,995,074; 4,054,688; 4,060,868; 4,100,882; 4,366,190; 4,775,555; 5,141,771; 5,221,170; 5,511,510; 5,620,520; und 5,718,945 offenbart ist.
Es ist bekannt, dass ein großer Markt für selbstverriegelnde Befestigungseinrichtungen mit Innengewinde existiert, die relativ strenge funktionale Spezifikationen aufweisen. Das heißt, das zum Erreichen einer bestimmten Einspannungslast zwischen ineinandergreifenden Befestigungseinrichtungen mit Innen- und Außengewinden erforderliche Drehmoment darf nicht mehr als einen bestimmten Maximalwert betragen, während das zum Lösen der ineinandergreifenden Befestigungseinrichtungen erforderliche Drehmoment einen bestimmten Mindestwert übersteigen muss. Das Industrial Fasteners Institute ("IFI") hat veröffentlichte Normen, die für solche Spezifikationen relevant sind. Zum Beispiel definiert IFI 100/107 (1987) ein maximales Installierungsdrehmoment, das nicht überschritten werden darf, und Mindestentfernungsdrehmomente (sowohl für die erste als auch die fünfte Entfernung), die überschritten werden müssen. In ähnlicher Weise definiert IFI 101 (1987) auch einen Drehmomentbereich- sowohl Mindest- als auch Maximalwert- dem das Drehmoment für eine bestimmte Befestigungseinrichtung entsprechen muss. Solche Befestigungseinrichtungen, die typischerweise in der Fahrzeugindustrie und insbesondere an großen Lastwagen für Ferntransport verwendet werden, sind konventionell als selbstverriegelnde Ganzmetallbefestigungseinrichtungen hergestellt worden, bei denen das Verriegelungselement in der Form deformierer Gewinde oder eines deformierten Metallkörpers vorliegt. Diese selbstverriegelnden Ganzmetallbefestigungseinrichtungen haben zahlreiche Probleme in der Lastwagenindustrie erzeugt. Typischerweise erfordert das Konzept von deformiertem Gewinde eine Cadmiumplattierung, aber selbst hier besteht bei Eintreiben in eine Baugruppe ein Abriebeffekt von Metall zu Metall, der infolge variierender Installationsdrehmomentstärken auftritt, welche ihrerseits zu zu starkem Festziehen oder zu schwachem Festziehen und daher Produktionsverlust aufgrund der Auswechselung mangelhafter Verbindungsstellen führt. Wenn Cadmiumplattierung durch andere Plattierungen, typischerweise Zink ersetzt wird, werden die Bedingungen verschlimmert. Viel höhere Einspannmomente sind zum Erzielen der gleichen Einspannlasten benötigt.
Ganzmetallsicherungsmuttern entfernen oder beschädigen ferner den Schutzüberzug auf den ergriffenen Außengewinden; was dazu führt, dass nacktes Metall den Elementen ausgesetzt wird, wobei infolgedessen Oxidations- oder Rosteffekte auftreten. Außerdem verursacht zu starkes Festziehen manchmal, dass die Mutter in die Rahmenbaugruppe getrieben wird, wodurch Einritzen oder Abschaben des betroffenen Bereichs verursacht wird, das Entfernung der Baugruppe, Neubearbeitung des beschädigten Bereichs und Wiedereinbringung zurück in die Produktion erfordert. Dies führt zu Produktionsverlust, höheren Montagekosten und schlechter Qualität.
Die selbstverriegelnden Befestigungseinrichtungen mit Innengewinde vom Kunststofffleckentyp der vorliegenden Erfindung beseitigen die obigen Probleme, indem sie die IFI-Drehmomentanforderungen der Spezifikationen 100/107 und 101 für cadmiumplattierte Ganzmetallmuttern erfüllen oder sogar übertreffen – selbst wenn die Befestigungseinrichtungen zinkplattiert sind. Außerdem liefern die selbstverriegelnden Befestigungseinrichtungen der vorliegenden Erfindung verbesserte funktionale Leistung mit einer Befestigungseinrichtung, die ein leichteres Gewicht und niedrigere Kosten als eine entsprechende Ganzmetall-Sicherungsmutter aufweist.
Die Beschreibung des US-Patents Nr. US-A-4 775 555 offenbart einen Prozess und eine Vorrichtung zum Herstellen einer Befestigungseinrichtung, bei dem eine Harzauflage eines Fleckens auf einen Teil der Gewinde einer Befestigungseinrichtung aufgebracht wird.
Die Erfindung schafft daher eine Befestigungseinrichtung, wie sie in Anspruch 1 beschrieben ist. Außerdem schafft die Erfindung ein wie in Anspruch 2 beschriebenes Verfahren.
Die vorliegende Erfindung ist auf eine selbstverriegelnde Befestigungseinrichtung mit Innengewinde vom selbstsichernden Typ gerichtet, die einen Flecken aus geschmolzenem thermoplastischem Material als das Verriegelungselement verwendet und die die funktionalen Drehmomentanforderungen sowohl von IFI 100/107 (1987) als auch IFI 101 (1987) erfüllt.
Der vorliegenden Erfindung zufolge umfasst die Befestigungseinrichtung einen Metallkörper mit einer Bohrung, die sich zu seinen entgegengesetzten Enden erstreckt, wobei die Bohrung eine Gewindeoberfläche einschließt; einen Flecken aus Polymermaterial, der auf einen Teil der Gewindeoberfläche aufgebracht und an diesen geschmolzen wird; und erfüllt die Befestigungseinrichtung die selbstsichernden Charakteristiken, die sowohl in IFI 100/107 (1987) als auch IFI 101 (1987) spezifiziert sind.
Die Erfindung ist ferner auf ein Verfahren gerichtet, in dem eine Befestigungseinrichtung mit Innengewinde zuerst durch Aufbringen und Schmelzen eines Polymerharzmaterials auf mindestens einen Teil der Gewindeoberfläche der Befestigungseinrichtung, und anschließendes Konditionieren der Reibungseigenschaften der Befestigungseinrichtung bearbeitet wird, so dass ihre selbstsichernden Leistungscharakteristiken sowohl IFI 100/107 (1987) als auch IFI 101 (1987) erfüllen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die neuen Merkmale, die charakteristisch für die Erfindung sind, sind in den anliegenden Patentansprüchen ausgeführt. Die Erfindung selbst, zusammen mit weiteren Aufgaben und verbundenen Vorteilen derselben, wird jedoch am besten durch Bezugnahme auf die folgende Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen:
1 ein schematisches Diagramm ist, das die Abfolge von Prozessschritten darstellt, die gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet werden;
2 eine perspektivische Ansicht ist, die ein Beispiel einer selbstverriegelnden Mutter mit einem aufgebrachten Kunststoffflecken auf ihrer Gewindeoberfläche und eine bevorzugte Fleckenappliziereinrichtung darstellt, die in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet wird, wobei die Mutter 180° nach Fleckenaufbringung gedreht wurde, um die Fleckenposition innerhalb der Mutter zu zeigen;
3 eine Querschnittansicht entlang Linie 3-3 von 2 ist;
4 eine andere Querschnittansicht entlang Linie 4-4 von 3 ist;
5 eine Querschnittansicht allgemein entlang der axialen Mittellinie der in 2 dargestellten Appliziereinrichtung ist; und
6–10 Darstellungen einer anderen bevorzugten Ausführungsform eines Fleckenappliziergeräts sind, das in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendbar ist.
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Die Grundkomponente der vorliegenden Erfindung ist eine aus einem Metall oder einer Metalllegierung hergestellte Befestigungseinrichtung mit Innengewinde. Die Befestigungseinrichtung umfasst einen Körper 10 mit einer Bohrung 12, die sich zu seinen entgegengesetzten Enden 14 und 16 erstreckt. Der Körper 10 kann aus irgendeinem gut bekannten Metall hergestellt sein und kann, wahlweise, mit Zink, Cadmium oder anderen Materialien plattiert sein, um korrosionsfeste Eigenschaften oder verbesserte Ästhetik bereitzustellen. Typischerweise weist die Bohrung 12 entlang ihrer gesamten Länge ein Gewinde auf, mit Ausnahme eines kurzen Spitzsenkers an jedem Ende, wodurch eine Gewindeoberfläche 18 gebildet wird, die mit sogenannten "Leitgewinden" an den Enden 14 und 16 endet.
Das Verriegelungselement liegt in Form eines Fleckens 20 aus thermoplastischen Material vor, der auf mindestens einen Teil der Gewindeoberfläche 18 aufgebracht und an diesen geschmolzen wird. Am stärksten bevorzugt ist der Flecken 20 gut begrenzt und hat eine allgemein rechteckige Form, mit geringen oder keinen zugehörigen Polymerablagerungen, die sich außerhalb des Hauptkörpers des Fleckens 20 befinden. Somit werden die Leitgewinde an beiden Enden der Befestigungseinrichtung im wesentlichen frei von Polymerablagerungen sein, was den anfänglichen Eingriff der Befestigungseinrichtung mit seiner komplementären passenden männlichen Befestigungseinrichtung erleichtern wird. Eine breite Vielfalt von Kunststoffmaterialien kann in der Praxis der vorliegenden Erfindung verwendet werden. Ein thermoplastisches Nylonharz hat sich jedoch als besonders geeignet herausgestellt. Zum Beispiel hat sich Nylon 11, das durch die Morton Power Division der Rohm and Haas Company unter dem Handelsnamen Corvel 76-5001 oder Corvel 76-5004 geliefert wird, als zufriedenstellend herausgestellt.
Das Nylonflecken-Verriegelungselement 20 wird auf die Gewindeoberfläche 18 der Befestigungseinrichtung unter Verwendung einer jeglichen der im Stand der Technik offenbarten, gut bekannten Techniken wie zum Beispiel denjenigen aufgebracht und an diese geschmolzen, die in mehreren der oben aufgeführten Patente offenbart sind. Typischerweise wird die Befestigungseinrichtung unter Verwendung eines Induktionsspulenheizers vorerhitzt und anschließend wird ein in Luft mitgeführter Strom aus Nylonpulver auf ihre Gewindeoberfläche 18 gerichtet. Das Pulver schmilzt dadurch und bildet eine allgemein geschmolzene Masse auf einem Teil des Gewindes, der nach Abkühlen einen an die Gewindeoberfläche geschmolzenen massiven Kunststoffflecken bildet.
Ein solches Bearbeitungssystem ist in 1 dargestellt. Wie gezeigt ist, werden die Befestigungseinrichtungen 10 aus einer Zuführschale 30 eine Fallbahn 32 hinunter, durch einen Induktionsspulenheizer 34 und in eine Sprühstation mit zwei Pulverappliziereinrichtungen 36, 38 geführt. Die erste Appliziereinrichtung 36 richtet einen ersten in Luft mitgeführten Pulverstrom auf die Gewindeoberfläche der Befestigungseinrichtung, und die zweite Appliziereinrichtung 38 richtet einen zweiten in Luft mitgeführten Pulverstrom über das erste aufgebrachte Pulver. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, den Flecken mit mehreren, mindestens zwei Pulversprühaufträgen aufzubauen. Dies ermöglicht bessere Steuerung des Fleckenüberzugsgewichts, der Fleckenbegrenzung und erhöhte Produktion. Die Befestigungseinrichtungen werden dann auf ein Förderband 40 weitergeführt, wo sie für eine kurze Zeit luftgekühlt werden, von etwa einer bis fünf Minuten, und anschließend in ein Konditionierbad 42 eingetaucht. Die Befestigungseinrichtungen werden gekühlt, entweder in Umgebungsluft oder mittels Durchquerung einer fremdbelüfteten Kühlkammer, um die Temperatur des Konditionierbads unter 100°C (212°F) zu halten. Das Förderband 44 trägt die Befestigungseinrichtungen durch das Bad 42 und legt sie auf noch ein anderes Förderband 46 ab, das die Befestigungseinrichtungen durch einen Infrarottrocknungsofen 48 trägt und die Befestigungseinrichtungen schließlich in einen jeglichen geeigneten Transport- oder Lagerbehälter 50 fallen lässt.
Einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zufolge ist die Appliziereinrichtung, die zum Bilden des in Luft mitgeführten Pulvers und Richten desselben in die Befestigungseinrichtung verwendet wird, die in den 2 und 5 gezeigte. Die Appliziereinrichtung 50 umfasst einen Sprühkopf oder eine Sprühdüse 52, die einen allgemein gebogenen, sich radial öffnenden Schlitz bildet, welchem ein Druckluftstrom zugeführt wird, der das in Luft mitgeführte Nylonpulver über eine Leitung 54 trägt. Während das Biegungsausmaß der Sprühdüse 52 variiert werden kann, ist festgestellt worden, dass ein gebogener Schlitz im Bereich von etwa 60°–75° bevorzugt ist, wobei ein Bogen von etwa 68° als optimal befunden wird. Ein Zylinder 56 ist konzentrisch um die Leitung 54 herum angebracht, wobei der Zylinder ein geschlossenes Ende 58 und ein offenes Ende 60 aufweist, die unmittelbar angrenzend an die Düse 52 angeordnet sind. Diese Komponenten begrenzen dadurch eine allgemein ringförmige Vakuumdüse 62, die mit einer Vakuumquelle über den Durchlass 64 verbunden ist.
Das Nylonpulver kann der Gewindeoberfläche 18 der Befestigungseinrichtung bei Anordnung der Düse 52 an einer feststehenden axialen Position innerhalb der Bohrung 12 zugeführt werden. Unerwartete Vorteile sind jedoch durch Ausbringen des Pulvers erhalten worden, während die Düse 52, zusammen mit der Vakuumdüse 62, sich axial innerhalb der Bohrung 12 bewegt. Am stärksten bevorzugt wird das Pulver aufgebracht, während die Düsen 52 und 62 sich axial zuerst in eine Richtung und anschließend in die entgegengesetzte Richtung entlang nur eines Innenteils der Bohrung 12 bewegen. Es wurde festgestellt, dass diese Pulveraufbringungstechnik wesentlich die Schwankungen in selbstsichernden Leistungswerten reduziert hat, die ansonsten bei einer ortsfesten Düse auftreten, abhängig von der Winkelausrichtung der Düse in Bezug zum Startpunkt der Leitgewinde der Befestigungseinrichtung.
Ein anderer Appliziermechanismus ist in den 6–10 dargestellt. Hier sind zwei Appliziereinrichtungen 62 und 64 in einem Basisblock 66 angebracht. Die Appliziereinrichtungen umfassen jeweils eine zentrale Leitung 68, die in einer Pulversprühdüse 70 mit Ausgabeschlitz 71 endet. Ein Zylinder 72 ist konzentrisch um die Leitung 68 herum angebracht und weist einen radialen Einschnitt an seinem freien Ende auf, der einen Vakuumschlitz 74 bildet, wenn die Sprühdüse 70 über ihm angebracht wird Sowohl der Sprühdüsenschlitz 71 als auch der Vakuumschlitz 74 begrenzen einen Bogen von etwa 68°. Der Block 66 umfasst Durchgänge 76 zur Überführung eines Kühlmittels (wie durch die Pfeile angezeigt) und Vakuumdurchlässe 78, die mit dem Innenraum des Zylinders 72 in Verbindung stehen.
Wie bereits erwähnt, erzielen die gemäß der vorliegenden Erfindung hergestellten Befestigungseinrichtungen die selbstsichernde Leistungscharakteristik sowohl von IFI 100/107 (1987) als auch IFI 101 (1987). Die Fähigkeit, sowohl den Einspannlast-Drehmomentbereich als auch die Mindestentfernungsdrehmomente zu erfüllen, die in diesen IFI-Normen spezifiziert sind, resultiert teilweise aus einer nachträglichen Fleckenaufbringungsbehandlung, die die Reibungseigenschaften des Nylonflecken-Verriegelungselements und auch die Gewindeoberfläche der Befestigungseinrichtung konditioniert. Vorzugsweise wird die Befestigungseinrichtung mit vorhergehend aufgebrachtem Flecken in eine wachshaltige wässrige Emulsion eingetaucht, mit dieser besprüht oder auf andere Weise wirksam damit befeuchtet. In dem schematisch in 1 dargestellten Prozess wird diese Konditionierbehandlung durch Eintauchen der Befestigungseinrichtungen in ein Bad 42 ausgeführt. Während eine Vielzahl natürlicher oder synthetischer Wachse verwendet werden kann, hat sich ein Bad mit einer wässrigen Kohlenwasserstoffwachsdispersion als zufriedenstellend herausgestellt. Eine geeignete Kohlenwasserstoffwachsdispersion wird unter der Handelsbezeichnung OKS 1765 durch OKS Speciality Lubricants International GmbH P.O.B 50 04 66, D-80974 München, Deutschland hergestellt. Eine Mischung von etwa 15 Vol.-% bis etwa 30 Vol.-% und vorzugsweise etwa 20 Vol.-% von OKS 1765 in Wasser wirkt gut in der Praxis der vorliegenden Erfindung. Die Befestigungseinrichtungen werden gründlich mit der Lösung befeuchtet und danach in einer konventionellen Weise getrocknet.
Natürlich sollte verstanden werden, dass verschiedene Änderungen und Modifikationen an den hier beschriebenen bevorzugten Ausführungsformen den Fachleuten in diesem Gebiet gekannt sein werden. Es ist deshalb beabsichtigt, dass solche Änderungen und Modifikationen durch die folgenden Patentansprüche abgedeckt sind.

Claims

Selbstsichernde Befestigungseinrichtung mit Innengewinde, umfassend: einen Metallkörper (10) mit einer Bohrung (12), die sich zu entgegengesetzten Enden des Körpers (10) erstreckt, wobei die genannte Bohrung (12) eine Gewindeoberfläche (18) einschließt; einen Flecken aus Polymermaterial (20), der auf wenigstens einen Teil der Gewindeoberfläche (18) aufgebracht und an diesen geschmolzen wird; dadurch gekennzeichnet, dass das geschmolzene Material (20) einer Konditionierbehandlung durch Befeuchten mit einer wachshaltigen wässrigen Emulsion unterzogen wird; wobei die genannte Befestigungseinrichtung selbstsichernde Leistungscharakteristiken hat, die sowohl die Norm IFI 100/107 als auch die Norm IFI 101 erfüllen.
Verfahren zum Herstellen einer selbstsichernden Befestigungseinrichtung mit Innengewinde, das die folgenden Schritte umfasst: (a) Vorsehen eines Metallkörpers (10) mit einer Bohrung (12), die sich zu entgegengesetzten Enden des Körpers (10) erstreckt, wobei die Bohrung (12) eine Gewindeoberfläche (18) einschließt; und (b) Aufbringen und Schmelzen eines Polymerharzes (20) auf mindestens einen Teil der Gewindeoberfläche (18); dadurch gekennzeichnet, dass nach Schritt (b) das Harz (20) einer Konditionierbehandlung durch Befeuchten des Harzes (20) mit einer wachshaltigen wässrigen Emulsion unterzogen wird, so dass die selbstsichernden Leistungscharakteristiken der Befestigungseinrichtung sowohl die Norm IFI 100/107 als auch die Norm ITI 101 erfüllen.
Verfahren nach Anspruch 2, bei dem sowohl das Harz (20) als auch die Gewindeoberfläche (18) der Konditionierbehandlung ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, bei dem die wachshaltige wässrige Emulsion eine wässrige Kohlenwasserstoffwachsdispersion aufweist.
Verfahren nach Anspruch 4, bei dem das Verhältnis von Kohlenwasserstoffwachsdispersion und Wasser etwa 15 Volumenprozent bis etwa 30 Volumenprozent, vorzugsweise etwa 20 Volumenprozent darstellt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2–5, bei dem das Polymerharz auf die Gewindeoberfläche durch Richten eines in Luft mitgeführten Stroms aus pulverförmigem Harz (20) auf die Gewindeoberfläche (18) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem die Gewindeoberfläche (18) der Befestigungseinrichtung vor Aufbringung des Harzes erhitzt wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder Anspruch 7, bei dem die Befestigungseinrichtung zinkplattiert oder cadmiumplattiert ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 6–8, bei dem eine Mehrzahl in Luft mitgeführter Harzströme nacheinander auf die Gewindeoberfläche (18) gerichtet werden.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der in Luft mitgeführte Harzstrom auf die Gewindeoberfläche (18) gerichtet wird, während sich der Strom axial innerhalb der Bohrung (12) in Bezug zu dem Körper (10) bewegt, und wobei der in Luft mitgeführte Harzstrom sich vorzugsweise axial in eine Richtung und dann in die entgegengesetzte Richtung bewegt, während das Harz (20) auf die Gewindeoberfläche (18) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der in Luft mitgeführte Harzstrom auf die Gewindeoberfläche (19) mittels einer sich axial erstreckenden Appliziereinrichtung gerichtet wird, die eine sich radial öffnende Düse (52) an ihrem freien Ende und einen Vakuumdurchgang (74) angrenzend an die Düse (52) angeordnet aufweist.