DE60313165T2

DE60313165T2 - Leichtes befestigungselement zur verwendung an presspassungen bei automation

Info

Publication number: DE60313165T2
Application number: DE60313165T
Authority: DE
Inventors: Dennis San Juan Capistrano SCHULTZ
Original assignee: Hi Shear Corp
Current assignee: Hi Shear Corp
Priority date: 2002-05-23
Filing date: 2003-05-19
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2023-05-20
Also published as: EP1514030A1; DE60313165D1; WO2003100273A1; ATE359451T1; US20050002754A1; US20030219328A1; HK1073350A1; EP1514030B1; AU2003243261A1; US7275903B2; ES2285171T3

Description

Hintergrund der Erfindung
Erfindungsgebiet:
Die Erfindung bezieht sich allgemein auf Befestigungselemente und speziell auf ein Befestigungselement, welches mittels automatischer Installation installiert wird und eine Schulter hat, die einen Presssitz in einer Öffnung zur Verfügung stellt, in der das Befestigungselement installiert wird.
Beschreibung des Standes der Technik:
Befestigungselemente von dem Typ, auf den sich die Erfindung bezieht, schließen normalerweise einen Kopf an einem proximalen Ende, eine vom Kopf beabstandete Schulter und einen von der Schulter beabstandeten Außengewindeabschnitt ein. Die Schulter ist typischerweise bemessen, um einen Presssitz in einer Öffnung zur Verfügung zu stellen, welche in einer Struktur positioniert ist, in der es installiert werden soll. Das Befestigungselement schließt normalerweise auch eine Öffnung zur Aufnahme eines Drehwerkzeuges an einer distalen Fläche des Befestigungselementes ein. Da die Schulter einen Presssitz zur Verfügung stellt, schließt der Gewindeabschnitt ein Durchmesser ein, der geringer ist als der Durchmesser der Schulter, um Störungen zwischen dem Gewinde und der Öffnung zu vermeiden, in die das Befestigungselement installiert werden soll.
Ein Beispiel für ein Befestigungselement ist offenbart in der US-A-4,637,764 . Dieses Befestigungselement kann befestigt werden unter Verwendung eines mechanischen Schraubenschlüssel. Das Befestigungselement besitzt einen Gewindeabschnitt, der mit einer Mutter zu verbinden ist, und ein Stiftende, welches durch den Schraubenschlüssel ergriffen wird, um eine Drehung des Bolzens zu verhindern, worauf eine Mutter in Anzugsrichtung auf den Bolzen geschraubt wird. Außerdem gibt es hier einen Führungsabschnitt zwischen dem Gewindeabschnitt und dem Stiftende.
Bei der Installation wird das Befestigungselement längs durch die Öffnung vorgetrieben, bis eine distale Fläche am Kopf des Befestigungselements die Struktur kontaktiert und die Schulter mit der Öffnung in Kontakt ist. Ein Verfahren zum Vortreiben des Befestigungselementes durch die Öffnung schließt das Einsetzen des Gewindeabschnitts des Befestigungselementes in die Öffnung von einer Seite der Struktur aus und das Stoßen des Kopfes distal zu der Struktur ein, bis die distale Fläche des Kopfes die Struktur kontaktiert. Ein alternatives Verfahren ist das Einsetzen des Gewindeabschnitts des Befestigungselementes in die Öffnung von einer Seite der Struktur aus, bis der Gewindeabschnitt über eine Oberfläche auf der gegenüberliegenden Seite der Struktur vortritt. Dieser Schritt wird gefolgt durch das Ergreifen des Gewindes des Befestigungselementes mit einem Werkzeug und Ziehen des Befestigungselementes distal durch die Öffnung, bis die distale Fläche des Kopfes des Befestigungselementes die Struktur kontaktiert. Sobald ein Presssitz hergestellt ist, ist das Befestigungselement in der Öffnung in der Struktur gehalten durch Presskräfte der Öffnung, die auf die Schulter des Befestigungselementes ausgeübt werden. Sobald das Befestigungselement so sitzt, wird eine Innengewindevorrichtung, beispielsweise eine Mutter, auf den Gewindeabschnitt des Befestigungselementes aufgeschraubt. Das anfängliche Aufschrauben der Innengewindevorrichtung auf das Befestigungselement wird im Wesentlichen durchgeführt, um das Befestigungselement vor einem Drehen in der Öffnung zu bewahren. Um das Niveau des Drehmoments zwischen der Innengewindevorrichtung und dem Befestigungselement zu erhöhen, wird ein Drehwerkzeug, z.B. ein Sechskantschlüssel oder ein Allen-Schlüssel üblicherweise in eine Sechskantöffnung in dem distalen Ende des Befestigungselementes eingesetzt und übt Drehkräfte in einer ersten Richtung, beispielsweise einer Gegenuhrzeigerrichtung, aus, während das Drehwerkzeug mit der Innengewindevorrichtung in Kontakt steht, um Torsionskräfte in einer zweiten Richtung, beispielsweise in Uhrzeigerrichtung, auszuüben.
Wenn eine Sechskantöffnung in der distalen Fläche des Befestigungselementes vorgesehen ist, muss der Sechskantschlüssel vor dem Einsetzen in die Öffnung mit der Öffnung fluchten. Manchmal umfasst eine Struktur, beispielsweise eine Flugzeugzelle, eine große Zahl von Befestigungselementen dieser Konfiguration. Das Beseitigen des Schritts des Fluchtens des Sechskantschlüssels mit jedem dieser Befestigungselemente in einer Struktur kann erhebliche Zeitersparnis und damit Kostenersparnis bei der Strukturmontage bringen.
Ein weiteres Anliegen von Herstellern ist das Gewicht einer komplett montierten Struktur einschließlich der Befestigungselemente. Eine große Zahl von Befestigungselementen kann beträchtlich zum Gesamtgewicht der Struktur beitragen. Bei Fahrzeugstrukturen, beispielsweise einer Flugzeugzelle, übersetzt sich erhöhtes Gewicht in erhöhte Betriebskosten, bedingt durch erhöhten Treibstoffverbrauch und reduzierte Beladung. Obwohl die sechskantförmige Öffnung dazu dient, das Gewicht des Befestigungselementes zu reduzieren, gibt es strukturelle Begrenzungen der Größe einer sechskantförmigen Öffnung.
Ein weiteres Anliegen sind die Fabrikationskosten der sechskantförmigen Öffnung in dem Befestigungselement. Herstellen der sechskantförmigen Öffnung verlangt üblicherweise erst Hinzufügen einer kreisförmigen Öffnung in das Befestigungselement, beispielsweise durch ein Bohrverfahren, gefolgt von einem Räumvorgang, um die kreisförmige Öffnung in eine sechskantförmige Öffnung umzuwandeln. Der Räumvorgang schließt das Eintreiben eines länglichen, gezahnten Schneidewerkzeugs mit Sechskantquerschnitt in die kreisförmige Öffnung ein, um die Kreisform in eine Sechskantform zu erweitern und zu formen. Der Räumvorgang verlangt oftmals eine zusätzliche Maschineneinrichtung gegenüber der ursprünglichen Einrichtung zum Hinzufügen der kreisförmigen Öffnung. Die zusätzliche Maschineneinrichtung und der zusätzliche Herstellungsschritt tragen zu den Herstellungskosten des Verbindungselements bei.
Aus den vorgenannten Gründen haben die Fachleute die Notwendigkeit für ein Befestigungselement erkannt, welches es den Herstellern erlaubt, Zeit und Kosten während der Herstellung der Befestigungselemente und der Montage der Strukturen einzusparen. Ferner haben die Fachleute die Notwendigkeit erkannt, das Gewicht von Befestigungselementen zu reduzieren. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese und andere Notwendigkeiten.
Zusammenfassung der Erfindung:
Kurz und in allgemeinen Worten gesagt ist die vorliegende Erfindung gerichtet auf ein Befestigungselement und ein Verfahren zum Einbauen eines solches Befestigungselementes, wie in den beigefügten Ansprüchen beansprucht.
1 ist eine Darstellung eines Befestigungselementes nach dem Stand der Technik. Ein solches Befestigungselement schließt üblicherweise einen Kopf an einem proximalen Ende, eine Schulter distal zum Kopf und einen Außengewindeabschnitt distal zu der Schulter ein. Das Befestigungselement ist dimensioniert, um einen Presssitz in einer Öffnung in einer Struktur zur Verfügung zu stellen, in der das Befestigungselement installiert ist. Das Befestigungselement schließt normalerweise eine Öffnung zur Aufnahme eines Drehwerkzeugs ein. Die Schulter stellt den Presssitz zur Verfügung; daher ist der Gewindeabschnitt von einem kleineren Durchmesser als die Schulter. Die vorliegende Erfindung stellt zahlreiche wesentliche Vorteile im Vergleich zu einem derartigen Befestigungselement nach dem Stand der Technik zur Verfügung.
Erfindungsgemäß schließt das Befestigungselement einen erweiterten vorstehenden Kopf ein, positioniert an einem proximalen Ende des Befestigungselementes und im Wesentlichen zu einer Längsachse des Befestigungselementes zentriert. Das Befestigungselement schließt ebenso einen im Wesentlichen zylindrischen Schulterabschnitt ein, positioniert anschließend an und distal zu dem Kopf und im Wesentlichen zu der Längsachse zentriert. Der Schulterabschnitt schließt eine Länge ein mit einem ersten Durchmesser. Eine Oberfläche des Schulterabschnitts trägt eine Schmiermittelbeschichtung, die die Installation des Schulterabschnitts in einer Presspassöffnung erleichtert. Ein Gewindeabschnitt des Befestigungselementes ist benachbart und distal zu dem Schulterabschnitt positioniert und ist im Wesentlichen zu der Längsachse zentriert. Der Gewindeabschnitt trägt ein Außengewinde und besitzt einen zweiten Durchmesser, der kleiner ist als der erste Durchmesser des Schulterabschnitts. Eine leicht abgeschrägte Öffnung ist auf einer distalen Fläche des Befestigungselementes positioniert und im Wesentlichen zu der Längsachse zentriert. Die Öffnung hat einen im Wesentlichen gerundeten Querschnitt, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Befestigungselementes verläuft und sich längs in das Befestigungselement erstreckt.
In einer Ausführungsform kann der erste Durchmesser des Schulterabschnitts konfiguriert sein, um mit einer Öffnung in einer Struktur, in der es installiert werden soll, einen Presssitz zur Verfügung zu stellen. In einer anderen Ausführungsform ist die Länge des Schulterabschnitts ausreichend, um über eine Oberfläche auf einer zweiten Seite der Struktur vorzustehen, während eine distale Fläche des Kopfes in Kontakt mit einer Oberfläche auf einer ersten Seite der Struktur ist. In einer weiteren Ausführungsform ist die Länge des Schulterabschnitts so dimensioniert, dass die Schulter nicht über eine Oberfläche auf einer zweiten Seite der Struktur vorsteht, während die distale Fläche des Kopfes in Kontakt mit einer Fläche auf einer ersten Seite der Struktur ist. In einer Ausführungsform ist ein Abstand über die Peripherie an der Mündung der Öffnung ungefähr 50% bis ungefähr 70% des Durchmessers des Gewindeabschnitts. In einer weiteren Ausführungsform ist eine Tiefe der Öffnung ungefähr einmal bis ungefähr zweimal der Abstand über die Peripherie bei der Mündung der Öffnung. Vorteilhafterweise schließt die gerundete Form der Öffnung im Wesentlichen eine Kreisform mit einem Durchmesser ein. Der Durchmesser an der Mündung der Öffnung beträgt ungefähr 50% bis ungefähr 70% des Durchmessers des Gewindeabschnitts. Die Öffnung erstreckt sich schräg längs in das Befestigungselement hinein. Nach einem hier bevorzugten Aspekt schließt die Abschrägung eine im Wesentlichen konische Form ein, während nach einem anderen hier bevorzugten Aspekt die Schrägung eine im Wesentlichen Parabolform einschließt. In einer zusätzlichen Ausführungsform schließt die Schmiermittelbeschichtung auf dem Schulterabschnitt Polytetrafluorethylen ein.
Das Befestigungselement der Erfindung kann in eine Presssitzöffnung in der Struktur eingesetzt werden. Das Verfahren des Einsetzens des Befestigungselementes schließt das Zurverfügungstellen des Befestigungselementes und einer Struktur mit einer Presssitzöffnung ein. Der Gewindeabschnitt des Befestigungselementes wird in die Öffnung in der Struktur von einer ersten Seite der Struktur aus eingesetzt. Das Befestigungselement wird längs durch die Öffnung vorgetrieben, bis eine distale Fläche an dem Kopf des Befestigungselementes eine Oberfläche auf der ersten Seite der Struktur kontaktiert. Das Befestigungselement wird in der Öffnung durch die Presskräfte gehalten, die von der Öffnung auf den Schulterabschnitt des Befestigungselementes ausgeübt werden. Der abgeschrägte Stift wird in die Öffnung in dem Befestigungselement eingesetzt. Kraft wird durch den abgeschrägten Stift in Längsrichtung auf die Öffnung ausgeübt. Eine Innengewindevorrichtung ist vorgesehen und wird auf den Gewindeabschnitt des Befestigungselementes aufgeschraubt.
Nach einem Weg zur Ausführung des Verfahrens schließt der Schritt des Vortreibens des Befestigungselementes das Schieben des Kopfes des Befestigungselementes distal durch die Struktur ein, bis die distale Fläche an dem Kopf die Struktur berührt. Nach einem anderen Weg zur Ausführung des Verfahrens schließt der Schritt des Vortreibens des Befestigungselementes das distale Vortreiben des Befestigungselementes ein, bis der Gewindeabschnitt über eine Fläche auf der zweiten Seite der Struktur vorsteht. Dies wird gefolgt durch einen Schritt, der das Erfassen des Gewindeabschnittes mit einem Werkzeug einschließt und das Anwenden einer Längszugkraft auf das Befestigungselement unter Benutzung eines Werkzeuges, bis die distale Fläche am Kopf die Struktur kontaktiert.
Aus dem Vorgenannten kann man sehen, dass die Erfindung ein Befestigungselement zur Verfügung stellt mit reduziertem Gewicht verglichen mit ähnlichen Befestigungselementen nach dem Stand der Technik für Flugzeugstrukturen. Man kann ebenso erkennen, dass das Befestigungselement mit besserer Ökonomie im Vergleich zu Befestigungselementen mit einer sechskantigen oder anders geformten Öffnung, die in der distalen Fläche positioniert ist, hergestellt und installiert werden kann. Diese und andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden offenbar aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den begleitenden Zeichnungen, die im Wege eines Beispiels die Merkmale der Erfindung illustrieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen:
1 ist ein Querschnitt, der eine Ausführungsform eines Befestigungselementes nach dem Stand der Technik zeigt.
2 ist ein Querschnitt, der eine Ausführungsform eines Befestigungselementes zeigt.
3 ist ein Querschnitt, der ein Befestigungselement zeigt, wie es in der vorliegenden Erfindung benutzt ist.
4 ist ein Querschnitt, der das Befestigungselement von 2 zeigt, installiert in einer Struktur.
5 ist ein Querschnitt, der das Befestigungselement von 3 zeigt, installiert in einer Struktur.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele:
Wie in den Zeichnungen zum Zweck der Illustration dargestellt, ist die Erfindung in einem Befestigungselement realisiert, das in einer Öffnung in einer Struktur installiert ist. Bezugnehmend auf die Zeichnungen, in denen gleiche Bezugszeichen benutzt sind, um gleiche oder korrespondierende Elemente in den Figuren zu bezeichnen, zeigt 2 ein Ausführungsbeispiel eines Befestigungselementes 20. Das Befestigungselement 20 schließt einen erweiterten vorstehenden Kopf 22 ein, der an einem proximalen Ende des Befestigungselementes positioniert und im Wesentlichen zu einer Längsachse 24 des Befestigungselements zentriert ist. Der Kopf 22 kann eine distale Fläche 26 einschließen, die konfiguriert ist, um eine Fläche auf einer ersten Seite einer Struktur zu kontaktieren, in die das Befestigungselement 20 zu installieren ist. Obwohl 2 das Befestigungselement mit einem Flachkopf 22 zeigt, ist es nicht auf eine solche Konfiguration beschränkt und kann auch andere Kopfkonfigurationen einschließen.
Benachbart und distal beabstandet zum Kopf 22 und im Wesentlichen zu der Längsachse 24 zentriert befindet sich ein im Wesentlichen zylindrischer Schulterabschnitt 32 mit einem ersten Durchmesser. Der hier verwendete Begriff „benachbart" kann „nahe" oder „nahe bei" bedeuten und ist nicht beschränkt auf „anschließend". Der Schulterabschnitt 32 ist konfiguriert, um in einer Öffnung 34 (4 und 5) in einer Struktur 30 aufgenommen zu werden, wobei der erste Durchmesser des Schulterabschnitts einen Presssitz mit der Öffnung zur Verfügung stellt. Die Länge des Schulterabschnitts 32 kann auf unterschiedliche Arten konfiguriert sein. In einer Ausführungsform ist die Länge des Schulterabschnitts 32 ausreichend, um über eine Oberfläche auf einer zweiten Seite 36 der Struktur 30 vorzustehen, während die distale Fläche 26 an dem Kopf 22 in Kontakt ist mit der Oberfläche auf der ersten Seite 28 der Struktur. In einer anderen Ausführungsform jedoch kann die Länge des Schulterabschnitts 32 so dimensioniert sein, dass der Schulterabschnitt nicht über die Oberfläche auf der zweiten Seite 36 der Struktur 30 vorsteht, während die distale Fläche an dem Kopf 22 in Kontakt mit der Oberfläche auf der ersten Seite 28 der Struktur ist. Der Schulterabschnitt 32 kann durch Herstellungsmethoden geformt werden, wie sie im Stand der Technik gut bekannt sind, beispielsweise durch Schmieden oder Oberflächenbearbeitung.
Benachbart und distal zum Schulterabschnitt 32 und im Wesentlichen zu der Längsachse 24 zentriert befindet sich ein Gewindeabschnitt 38 mit einem Außengewinde 40 zur Aufnahme einer Innengewindevorrichtung 42 (4 und 5), beispielsweise eine Gewindemutter. Um die Installation des Befestigungselementes 20 in der Presssitzöffnung 34 in der Struktur 30 zu erleichtern, schließt der Gewindeabschnitt 38 einen zweiten Durchmesser ein, der kleiner ist als der erste Durchmesser des Schulterabschnitts 32, so dass hier ein Abstand zwischen dem Gewindeabschnitt 38 und der Öffnung in der Struktur besteht.
Das Gewinde 40 kann hergestellt werden mittels Herstellungsmethoden, die im Stand der Technik gut bekannt sind, beispielsweise durch Bearbeiten auf einer Drehbank oder durch Gewinderollen. Gewinderollen ist ein Verfahren, in dem der Abschnitt des Befestigungselementes, welches mit Gewinde versehen werden soll, zwischen Werkzeugen mit gewindeförmigen Erhöhungen, welche in das Befestigungselement einsinken und das Material des Befestigungselementes beseitigen, platziert wird. Das Befestigungselement wird zwischen den Werkzeugen gerollt, um das Gewinde über den vollen Umfang des Befestigungselementes zu formen.
Eine Öffnung 44, die im Wesentlichen zu der Längsachse 24 zentriert ist, ist an einer distalen Fläche 46 des Befestigungselementes 20 positioniert. Die Öffnung 44 kann im Querschnitt eine im Wesentlichen Kurvenform, beispielsweise eine im Wesentlichen Kreisform, einschließen, die im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse des Befestigungselementes ist. Darüber hinaus erstreckt sich die Öffnung 44 längs in das Befestigungselement 20 hinein, um eine Höhlung zu bilden. In einem Ausführungsbeispiel (2) erstreckt sich die Öffnung 44 im Wesentlichen der Länge nach in das Befestigungselement 20 hinein. Gemäß der vorliegenden Erfindung (3) verjüngt sich die Öffnung 44 in das Befestigungselement 20 hinein. Die Verjüngung (3) der Öffnung 44 kann verschiedene Formen einschließen, wie z.B. eine im Wesentlichen konische Form oder eine im Wesentlichen parabolische Form. Der Abstand um die Peripherie der Mündung der Öffnung 44 an der distalen Fläche 46 des Befestigungselementes 20 kann einen weiten Formenbereich einschließen. Nach einer Ausführungsform ist der Abstand um die Peripherie der Mündung der Öffnung 44 ungefähr 50% bis ungefähr 70% des Durchmessers des Gewindeabschnitts 38. Dieser Bereich ist jedoch nicht beschränkend, da der Abstand um den Umfang der Mündung der Öffnung breiter oder schmaler sein kann als dieser Bereich. Nach einer anderen derzeit bevorzugten Ausführungsform ist der Abstand um die Peripherie der Mündung der Öffnung 44 im Wesentlichen der gleiche wie der Abstand zwischen den Ecken einer sechseckförmigen Öffnung eines ähnlichen Befestigungselementes (1).
Die Tiefe der Öffnung 44 oder Höhlung kann im Wesentlichen tiefer sein als die Tiefe einer sechseckförmigen Öffnung eines ähnlichen vorbekannten Befestigungselementes. Nach einer derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Tiefe der Öffnung 44 oder Höhlung ungefähr einmal bis zweimal der Abstand um die Peripherie um die Öffnungsmündung an der distalen Fläche 46. Jedoch ist dieser Bereich nicht beschränkend, da die Tiefe der Öffnungsmündung breiter oder schmäler als dieser Bereich sein kann. Die Umfangsgröße und die Tiefe der Öffnung 44 haben zur Folge, dass die Öffnung in dem Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung ein größeren Volumenbereich hat als die sechseckeförmige Öffnung von ähnlichen vorbekannten Befestigungselementen. Die Öffnung 44 kann hergestellt werden durch Herstellungsverfahren, die im Stand der Technik wohl bekannt sind, wie Oberflächenbearbeitung, Schmieden oder Funkenerosion (EDM).
Gemäß der 4 und 5 kann das Befestigungselement mittels automatischer Montageverfahren in der Struktur montiert werden. Während der Montage des Befestigungselementes 20 in der Struktur 30 wird der Gewindeabschnitt 38 des Befestigungselementes in die Öffnung 34 in der Struktur von der ersten Seite 28 der Struktur aus eingesetzt. Das Befestigungselement 20 wird distal durch die Öffnung 34 vorgeschoben, bis die distale Fläche 26 an dem Kopf 22 die Oberfläche auf der ersten Seite 28 der Struktur kontaktiert. Da der erste Durchmesser des Schulterabschnitts 32 des Befestigungselementes so dimensioniert ist, dass ein Presssitz mit der Öffnung 34 in der Struktur erzeugt wird, muss eine Extrakraft angewendet werden, um den Schulterabschnitt distal durch die Öffnung vorzutreiben. Die Extrakraft kann aufgebracht werden durch Schieben des Kopfs 22 distal zu der Struktur 30, bis die distale Fläche 26 an dem Kopf die Oberfläche an der ersten Seite 28 der Struktur kontaktiert. Alternativ kann, nachdem der Gewindeabschnitt 38 über die Oberfläche auf der zweiten Seite 36 der Struktur hervorsteht, der Gewindeabschnitt mit einem Werkzeug erfasst werden. Durch Verwendung dieses Werkzeugs kann eine Zugkraft auf das Befestigungselement 20 ausgeübt werden, um das Befestigungselement distal durch die Öffnung 34 vorzutreiben, bis die distale Oberfläche 26 am Kopf 22 die Oberfläche auf der ersten Seite 28 der Struktur kontaktiert. Wenn der Schulterabschnitt 32 des Befestigungselementes 20 einen Presssitz mit der Öffnung 34 in der Struktur 30 hat, wird das Befestigungselement in der Öffnung durch gehalten, die von der Öffnung auf den Schulterabschnitt des Befestigungselementes ausgeübt werden. Wie nachfolgend detaillierter beschrieben werden soll, kann der Schulterabschnitt 32 des Befestigungselementes 20 mit einer Zusammensetzung 48 beschichtet sein, die ein Schmiermittel einschließt, um den Reibungswiderstand zwischen dem Befestigungselement und der Öffnung 34 während der Montage des Befestigungselementes zu herabzusetzen.
Sobald das Befestigungselement 20 in der Öffnung 34 in der Struktur 30 montiert ist und die distale Fläche 26 am Kopf 22 des Befestigungselementes die Oberfläche auf der ersten Seite 28 der Struktur kontaktiert und die Druckkräfte von der Öffnung auf den Schulterabschnitt 32 des Befestigungselementes wirken, wird unter Verwendung eines Werkzeugs eine Innengewindevorrichtung 42, beispielsweise eine Gewindemutter, auf den Gewindeabschnitt 38 des Befestigungselementes aufgeschraubt. Nach einer Ausführungsform ist die Presskraft der Öffnung 34 auf den Schulterabschnitt 32 des Befestigungselementes 20 ausreichend, um das Befestigungselement vor dem Drehen zu bewahren, während die Innengewindevorrichtung 42 auf den Gewindeabschnitt 38 des Befestigungselementes aufgeschraubt wird. Gemäß der vorliegenden Erfindung wird jedoch ein sich verjüngender Stift 50 (5) in die Öffnung 44 im Befestigungselement 20 eingeführt. Über den abgeschrägten Stift 50 kann während des Aufschraubens der Innengewindevorrichtung 42 Kraft auf die Öffnung 44 in Längsrichtung ausgeübt werden, um ein Verdrehen des Befestigungselementes 20 zu vermeiden. Das Anwenden von Kraft auf die Öffnung mit Hilfe des abgeschrägten Stifts 50 kann das Drehen des Befestigungselementes 20 durch Reibung zwischen dem abgeschrägten Stift und der Öffnung 44 verhindern.
Bezüglich der Schmiermittelbeschichtung 48 ist Haftung der Schmiermittelbeschichtung auf dem Schulterabschnitt 32 des Befestigungselementes 20 wesentlich, damit das Befestigungselement der Montage in der Öffnung 34 in der Struktur 30 widerstehen kann, ohne merkliche Schäden am Befestigungselement oder der Struktur zu verursachen. Die Beschichtung 48 kann einen Film zur Verfügung stellen, von dem wenigstens der Basisteil ausreichend haftet, so dass er mechanisch nur mit dem darunter liegenden Metall des Schulterabschnitts 32 beseitigt werden kann. Er stellt somit eine verlässliche Rutschfläche mit einem Reibungskoeffizient zur Verfügung, der niedrig genug ist, um das Befestigungselement 20 in der Öffnung 34 in der Struktur 30 mit deutlich geringeren Kräften als mit einem Befestigungselement ohne Schmiermittelbeschichtung 48 montieren zu können. Die 2 und 3 zeigen das Befestigungselement 20, dessen Schulterabschnitt 32 von einer Schicht 52 der Beschichtung 48 umgeben ist. Die Schicht 52 der Beschichtung 48 kann eine Dickendimension 54 haben, die teilweise durch die Viskosität der flüssigen Mischung begründet ist, wenn diese aufgebracht wird. Nach einer Ausführungsform kann die Dicke 54 ungefähr 0,008 bis 0,010 mm (0,0003 bis 0,0004 Zoll) betragen. Die Beschichtung 48 kann eine ausgehärtete Mischung eines wärmehärtenden Harzes, Füllers und eines Lösungsmittels umfassen. Eine beispielhafte Beschichtung für die Zwecke der Erfindung ist das wohl bekannte Hi-Kote 4, verkauft durch die Firma Hi-Shear Corporation of Torrance, Kalifornien.
Das Harz kann ein Harz vom wärmehärtenden Typ sein, welches, wenn es ausgehärtet ist, auf dem Metallsubstrat des Befestigungselementes 20 haftet und eine feste äußere Hülle für das Substrat bildet. Nach einer Ausführungsform widersteht das Harz einer Faltenbildung und einer Ablösung vom Metallsubstrat. Das Harz kann auch tolerant gegenüber Additiven sein, die in die Mischung eingesetzt sein können, um unterschiedliche Eigenschaften der filmbildenden Zusammensetzung zu erhalten. Darüber hinaus kann das Harz temperaturresistent sein, wobei es Belastungen widersteht, die durch thermische Zyklen verursacht werden. Zusätzlich kann das Harz gegen viele Lösungsmittel resistent sein. Obwohl Harze mit diesen Eigenschaften eine geeignete Beschichtung zur Verfügung stellen, die für viele Anwendungen brauchbar ist, müssen dem Harz Füllmittel hinzugegeben werden, um die Eigenschaften dieser Erfindung zu vollenden.
Um den Reibungskoeffizient der ausgehärteten Mischung zu reduzieren, können Mengen von Polytetrafluorethylen, gewerblich bekannt als Teflon^TM und ein Olefin der Beschichtungszusammensetzung 48 zugegeben werden, bevor diese ausgehärtet wird. Das Olefin kann auf der Basis von entweder Polyethylen oder Polypropylen sein. Unterschiedliche Gewichtsprozente von Teflon^TM können in der Beschichtung 48 benutzt werden, um unterschiedliche Grade von Reibungskoeffizienten zu erhalten. Zusätzlich zu den Füllstoffen zum Reduzieren des Reibungskoeffizienten können weitere Füllstoffe zugegeben werden, beispielsweise zum Erhöhen der Korrosionsfestigkeit oder zum Zugeben von Farbe zu der gehärteten Beschichtung.
Das Harz und die Füllstoffe werden einem Träger zugegeben, beispielsweise einem Lösungsmittel. Das Lösungsmittel kann flüchtig sein und muss fähig sein, das ungehärtete Harz aufzulösen. Das Harz kann teilweise reagiert sein, um ein durch Lösungsmittel lösbares Oligomer zu bilden, in das die Füllstoffe eingerührt und gemahlen werden, um eine Paste zu bilden. Die Paste kann dann in dem Lösungsmittel gelöst werden. Geeignete Lösungsmittel schließen aromatische Kohlenwasserstoffe, z.B. Xylen oder Toluen; Alkohol, z.B. Methyl-, Ethyl- Propylalkohol, Ketone oder Methylisobuthylketon; oder andere geeignete Lösungsmittel oder Kombinationen davon ein. Nachdem Harz und Füllstoffe mit den Lösungsmitteln vermischt oder in diesen aufgelöst sind, kann die resultierende Beschichtung auf das Metallsubstrat der Teile aufgetragen werden. Die Beschichtung 48 kann auf den Schulterabschnitt 32 durch aus dem Stand der Technik wohl bekannte Verfahren aufgetragen werden, beispielsweise durch Sprayen oder Tauchen.
Durch Verwenden von Befestigungselementen 20 der vorliegenden Erfindung können Hersteller Herstellungskosten gegenüber ähnlichen vorbekannten Befestigungselementen mit einer sechseckförmigen Öffnung in der distalen Fläche einsparen. Beispielsweise sind die Kosten zum Herstellen der kreisringförmigen Öffnung 44 im Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung geringer als die Kosten zur Herstellung einer sechseckförmigen Öffnung, weil die kreisförmige Öffnung weniger Herstellungsschritte benötigt. Speziell kann die kreisförmige Öffnung 44 im Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung mit einem einzigen Arbeitsvorgang und einer einzigen Einrichtung hergestellt werden. Die sechseckförmige Öffnung jedoch verlangt typischerweise wenigstens zwei Maschineneinrichtungen und wenigstens zwei Arbeitsvorgänge. Durch Eliminieren der Maschineneinrichtungen und der Arbeitsvorgänge sind die Gesamtkosten des Befestigungselementes 20 reduziert.
Das Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung macht es Herstellern ebenso möglich, die Montagekosten zu reduzieren im Vergleich zur Benutzung von Befestigungselementen mit einer sechseckförmigen Öffnung in der distalen Fläche. Die Befestigungselemente mit einer sechseckförmigen Öffnung in der distalen Fläche verlangen die Benutzung eines Drehwerkzeuges, beispielsweise eines Imbusschlüssels während der Montage. Ausrichten des Imbusschlüssels führt zu erhöhten Montagekosten bei der Benutzung der Befestigungselemente mit sechseckförmiger Öffnung an der distalen Fläche. Statt eine sechseckförmigen Öffnung an der distalen Fläche zu haben, schließt das Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung eine im Wesentlichen kurvenförmige Öffnung 44 ein, welche die Verwendung eines Werkzeuges, welches mit der Öffnung gefluchtet werden muss, nicht verlangt. Darüber hinaus kann, wenn das Befestigungselement eine abgeschrägte Öffnung einschließt, ein Werkzeug, beispielsweise ein abgeschrägter Stift 50 eingesetzt werden und Kraft in Längsrichtung auf die Öffnung 44 ausüben, um ein Drehen des Befestigungselementes 20 zu hindern, während eine Innengewindevorrichtung auf das Befestigungselement aufgeschraubt wird. Da der abgeschrägte Stift weder Ecken noch Kanten hat, wie sie bei dem Imbusschlüssel gefunden werden, benötigt er keine radiale Fluchtung vor dem Einsetzen in die abgeschrägte Öffnung. Durch Beseitigen der Notwendigkeit der radialen Fluchtung eines Werkzeuges reduziert das Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung die Montagekosten für Hersteller gegenüber der Benutzung von Befestigungselementen mit einer sechseckförmigen Öffnung in der distalen Fläche des Befestigungselementes.
Das Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung macht es Herstellern ebenso möglich, das Gewicht für Strukturen 30 einschließlich der Befestigungselemente zu reduzieren im Vergleich zu Strukturen, die Befestigungselemente mit sechseckförmiger Öffnung in der distalen Fläche des Befestigungselementes haben. Da der Volumenbereich der Öffnung 44 in dem Befestigungselement 20 der vorliegenden Erfindung größer ist als der Volumenbereich der sechseckförmigen Öffnung eines ähnlichen Befestigungselementes, wiegt das Befestigungselement der vorliegenden Erfindung weniger als das ähnliche vorbekannte Befestigungselement (1). Bei Benutzung einer großen Menge von Befestigungselementen in der Struktur 30 kann das reduzierte Gewicht pro Befestigungselement 20 zu einer bedeutenden Gewichtseinsparung für die Struktur führen. Die Gewichtseinsparung für eine Struktur, z.B. eine Flugzeugzelle, kann in reduziertem Treibstoffverbrauch und erhöhter Beladungskapazität resultieren.
Es ist aus dem Vorgesagten ersichtlich, dass, obwohl spezielle Formen der Erfindung illustriert und beschrieben wurden, mehrere Modifikationen eingeführt werden können, ohne aus dem Schutzumfang der Erfindung herauszuführen. Dementsprechend ist nicht beabsichtigt, dass die Erfindung beschränkt wird, außer durch die angefügten Patentansprüche.

Claims

Befestigungselement (20) mit einem erweiterten vorstehenden Kopf (22), positioniert einem nahen Ende des Befestigungselements (20) und im Wesentlichen zu einer Längsachse (24) des Befestigungselements (20) zentriert; einen im Wesentlichen zylindrischen Schulterabschnitt (32), positioniert anschließend und distal zu dem Kopf (22) und im Wesentlichen zu der Längsachse (24) zentriert, wobei der Schulterabschnitt (32) einen ersten Durchmesser hat; einen Gewindeabschnitt (38), positioniert anschließend an und distal zu dem Schulterabschnitt (32) und im Wesentlichen zu der Längsachse (24) zentriert, wobei der Gewindeabschnitt (38) ein Außengewinde zur Aufnahme einer Vorrichtung (42) mit Innengewinde umfasst und einen zweiten Durchmesser besitzt, der kleiner ist als der erste Durchmesser des Schulterabschnitts (32), wobei das Befestigungselement (20) gekennzeichnet ist durch: eine Schmiermittelbeschichtungskomposition (48, 52) auf einer Oberfläche des Schulterabschnitts (32), eine leicht konische Öffnung (44) in die ein konischer Stift (50) mit Kraft eingesetzt werden kann, um ein Drehen des Befestigungselements (20) zu verhindern, wenn die Vorrichtung (42) mit Innengewinde auf dem Gewindeabschnitt (38) aufgenommen wird, wobei die Öffnung auf einer distalen Fläche des Befestigungselements (20) positioniert und im Wesentlichen zu der Längsachse (24) zentriert ist, wobei die Öffnung (44) senkrecht zu der Längsachse (24) des Befestigungselements (20) eine im Wesentlichen abgerundeten Querschnitt mit einem leichten Keil hat, der sich längs in das Befestigungselement (20) erstreckt.
Befestigungselement nach Anspruch 1, wobei die Abschrägung der Öffnung (44) eine im Wesentlichen konische Form einschließt.
Befestigungselement nach Anspruch 1, wobei die Abschrägung der Öffnung (44) eine im Wesentlichen parabolische Form einschließt.
Verfahren zum Montieren eines Befestigungselements (20) in eine Bohrung (34) in einer Struktur (30) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, umfassend: Einsetzen eines Gewindeabschnitts (38) des Befestigungselements (20) in die Öffnung (34) in der Struktur (30) von einer ersten Seite (28) der Struktur 30; Vorschieben des Befestigungselements (20) distal durch die Öffnung (34), bis eine distale Fläche (26) am Kopf (22) des Befestigungselements (20) eine Fläche auf der ersten Seite (28) der Struktur (30) berührt; Festhalten des Befestigungselements (20) in der Öffnung (34) durch Druckkräfte, die von der Öffnung (34) auf den Schulterabschnitt (32) des Befestigungselements (20) ausgeübt werden; Einsetzen des angeschrägten Stifts (50) in die Öffnung (44); Anwenden von Kraft in Längsrichtung auf die Öffnung (44) mittels des angeschrägten Stifts (50); und Aufdrehen der Vorrichtung (42) mit Innengewinde auf den Gewindeabschnitt (38) des Befestigungselements (20).