DE8325206U1

DE8325206U1 - Verbindungselement für zwei Maschinen- oder Bauteile, wie Paß-Dehnschraube und Paß-Gewindebolzen

Info

Publication number: DE8325206U1
Application number: DE8325206U
Authority: DE
Original assignee: Friedr Boesner GmbH
Current assignee: Friedr Boesner GmbH
Publication date: 1983-12-01

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement für zwei Maschinen- oder Bauteile, wie Paß-Dehnschraube und Paß-Gewindebolzen.

Schrauben brechen bei dynamischer Beanspruchung fast ausschließlich im ersten tragenden Gang des Gewindes oder unter dem Kopf. Die größte dynamische Beanspruchung/ die ein Werkstoff ohne zu brechen noch eben dauernd erträgt, wird mit Dauerfestigkeit wie folgt bezeichnet:

wobei 2>_D = Dauerfestigkeit,

t>_M = mittlere statische Belastung und Vorspannung, fc_A = Spannungsausschlag der Wechselbeanspruchung ist.

Dieser gerade noch dauernd ertragbare Spannungsausschlag ist für Stahlschrauben mit einer Festigkeit 800 bis 1200 N/nun²&_A = 60 N/mm² und für sehr hochfeste Schrauben 1300 bis 1400 N/mm δ =100 N/mm . Dieser Spannungsausschlag ist praktisch unabhängig von der Vorspannung und der Stahlqualität.

Die Erkenntnisse über den Einfluß der Elastizitätsverhältnisse zwischen der Schraube und den von ihr verspannten Teilen ermöglicht es, den von der Schraube spürbaren Spannungsausschlag zu senken. Bei gegeber er dynamischer Beanspruchung einer Schraubenverbindung wird der vom Gewinde spürbare Anteil der dynamischen Last (Spannungsausschlag O) umso kleiner, je weicher die Federung

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der Schraube und je härter und steifer die verspannten Teile der Verbindung sind.

Aufgrund der höheren Anforderungen, z.B. an Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, werden die Drehzahlen und Kolbengeschwindigkeiten erhöht. Hierdurch steigen auch die Belastungen an den Schraubenbolzen, u.a. auch an den Schraubenbolzen bzw. den Schrauben/ die die Verbindung zwischen dem Pleuelfuß und dem Pleueldeckel einer Pleuelstange herstellen* Neuere Vorschriften sehen, z.B.

für Pleuelschrauben, höhere und eingeengte Zugfestigkeiten

z.B. von 3_b = 1100 bis 1200 N/mm²; 1200 bis 1300 N/mm²

und 1300 bis 1400 N/mm mit einer Vorspannung von etwa 90% der Streckgrenze 8_g vor.

Hiermit ist ein Produkt entwickelt worden, das die beiden zu verbindenden Teile wie Pleuelfuß des Pleuelschaftes und Pleueldeckel, mit sehr hoher Vorspannung im Streckgrenzbereich des Bolzens zusammenfügt.

Diese Anforderungen werden einmal erreicht durch die Auswahl geeigneter Werkstoffqualitäten und Wärmebehandlungsverfahren, um hierdurch höhere Qualitätsgüten zu erzielen. Darüber hinaus ist es erforderlich, durch geometrische Änderungen des Bolzens die elastische Dehnung zu erhöhen.

Hiervon ausgehend ist die Dehnschraube entwickelt worden, die bei Verschraubungen verwendet wird, die dauernden Wechselbelastungen ausgesetzt sind und bei der es sich um eine Schraube mit einem dünnen Schaft handelt,

die sehr elastisch and federnd ist, wodurch die Daurrbruchgefahr der Schraubenverbindung vermindert wird. Diese Dehnschraube besitzt einen Schaftteil mit einem verjüngten Durchmesser/ der etwa 90% des Gewindekern-* durdhmessers entspricht. Die Paßschraube ist dagegen mit einer Passung oder mit zwei Passungen versehen _t deren Durchmesser größer sind als der Gewindeaußendurchmesser der Schraube/ die mit zugeordneten Passungen der Bohrung zusammenarbeiten und im Bereich der Schraubenmitte und evtl. im Bereich des Kopfendes liegen. An dem dem Kopfende gegenüberliegenden Ende ist das Schraubengewinde vorgesehen.

Das gegenüberliegende Kopfende läuft in Richtung auf den Schraubenschaft bzw. Bolzenschaft in eine besonders ausgerundete Hohlkehle aus, die in einen verjüngten Schaftteil mündet und ungefähr gleich ist mit dem Flankenmaß des Gewindes.

Die bisher bekannten Dehnschrauben weisen folgend« Nachteile auf:

Die statische Belastbarkeit der Dehnschraube ist aufgrund des verjüngten Dehnungsschafts über die gesamte Schraubenlänge nicht gleich. Ferner hat die Dehnschraube aufgrund der Durchmesserunterschiede auf dem Schaftkörper (Taille, Paßsitz) zum Gewindekern Dehnungsfiprünge, die eine gleichmäßige elastische Dehnung über die gesamte Schraubenlänge verhindern. Des weiteren tritt aufgrund der aufgetretenen Querkräfte und der Vibration in der

Dehnschraube am zylindrischen Paßsitz in Verbindung mit |'

f dem Sitz der Bohrung eine Paßflächen-Korrosion auf, die ·;

eine molekulare Grenzflächen-Zerstörung bewirkt. Diese "\

Paßflächen-Korrosion führt zu Oberflächenrissen (Fig. 6) i

und zu Brüchen, die schwere Beschädigungen des Motors Γ

zur Folge haben. Durch kleine Amplituden aufweisende Relativbewegungen der Kontakt-Oberflächen der Paßteiie entstehen Wellen mit kleiner Amplitude, aber hoher Frequenz, d.h. Mikrowellen, die eine hohe lokale überhitzung fördern und eine Oxidation in den Oberflächenkristallen hervorrufen. Diese heißen Oxid-Teilchen haben die Wirkung eines Schleifmittels und bewirken Risse und ernste Zerstörungen der Paßoberflächen mit Bruchfolge.

Ein weiterer Nachteil besteht in der komplizierten und unwirtschaftlichen Herstellungsmethode durch spanabhebende Bearbeitungsvorgänge, wie Drehen und Schleifen bei der Herstellung von Paßschrauben.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein verbessertes Verbindungselement, wie Paß-Dehnschraube oder Paß-Gewindebolzen mit hoher Festigkeit zu schaffen, bei dem die zwischen je zwei konzentrischen Paßringen liegenden Paßnuten und der Kern des Befestigungsgewindes derart zusammenwirken, daß bei dem Schrauben- oder Gewindebolzenschaft während der durch die Zugbeanspruchung der Paß-Dehnschraube oder des Paß-Gewindebolzens verursachten elastischen Dehnung keine Dehnungssprünge oder -risse auftreten, und das so ausgebildet ist, daß eine spielfreie Anlage der

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Paßringe mit der Paßbohrung im Werkstück, Maschinen- oder Bauteil stabilisiert ist und daß darüber hinaus sowohl eine genaue Passung in bezug auf die Paßbohrung in einem Werkstück, Maschinen- oder Bauteil, wie Pleuelstange od.

dgl., als auch eine enge Koaxialitatstoleranz zwischen dem Befestigungsgewinde und dem Paßdurchmesser am Kamm der Paßringe gewährleistet ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung eine Paß-Dehnschraube mit den im Kennzeichen des Anspruches angegebenen Merkmalen vor.

Eine weitere Lösung der Aufgabe besteht nach der Erfindung in einem Paß-Gewindebolzen, dpr mit den im Kennzeichen des Anspruches 2 angegebenen Merkmalen versehen ist.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Paß-Dehnschraube bzw. Paß-Gewindebolzen ist hiernach in der Weise ausgebildet, daß der Durchmesser der Ausrundung und Hohlkehle am kaltverformten Kopfende in etwa gleich dem Durchmesser des Flankenmaßes des Befestigungsgewindes ist. Der Krümmungsradius der Hohlkehle beträgt das 0,1 bis 0,15-fache des Außendurchmessers des Befestigungsgewindes. Dieses Befestigungsgewinde wird an dem dem Kopfende gegenüberliegenden Ende durch Gewinderollen oder -walzen hergestellt. Außerdem sind parallel verlaufende konzentrische Paßringe, die ebenfalls durch Gewinderollen oder -walzen hergestellt werden, im mittleren Bereich des Schraubenschaftes im Anschluß an das Befestigungsgewinde bis zur Hohlkehle unter dem Kopf angeordnet.

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Der Bolzendurchmesser des noch, gewindefreien Preßrohlings sowohl der Paß-Dehnschraube als auch des Paß-Gewinaebolzens sowohl zur Herstellung des Befestigungsgewindes als auch zur Walzung der konzentrischen Ringe ist gleich.

Aufgrund dieser Maßgleichheit werden sowohl das Gewinde als auch die konzentrischen Paßringe in einem Arbeitsgang gerc=llt oder gewalzt. Der Außendurchmesser der konzentrisehen Ringe, gemessen über dem Kamm, ist um 0,1 bis 0,5 mm größer als der Außendurchmesser des Gewindes. Der Wurzeldurchmesser (Kern) der konzentrischen Ringe ist gleich dem Kerndurchmesser des Befestigungsgewindes. Hierdurch wirken die konzentrischen Nuten der Paßringe und der Kern des Befestigungsgewindes dahingehend zusammen, daß bei dem Bolzenschaft während der durch die Zugebeanspruchung verursachten elastischen Dehnung der Paß-Dehnschraube kein Dehnungssprung auftritt. Der Wurzelradius der konzentrischen Pass nuten beträgt das Zwei-

bis Dreifache des Kernradius des Befestigungsgewindes oder ist als Doppelradius ausgebildet im Zwei- bis Dreifachen des Befestigungsgewindes.

Die Kammbreite der konzentrischen Ringe ist dabei ungefähr gleich der Flankenbreite der Aufwürfe der Pa Bringe. Hierdurch wird die spielfreie Anlage mit der Paßbohrung stabilisiert.

Der letzte Arbeitsgang bei der Herstellung der konzentrischen Paßringe ist ein Roll- bzw. Walzvorgang, in Kombination mit dem Befestigungsgewinde, um die Koaxialitat zu gewährleisten. Hierdurch wird sowohl die genaue Passung in bezug auf die Paßbohrung, z.B. bei einer Pleuel-

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stange, als auch die geforderte enge Koaxialitätstoleranz zwischen dem Befestigungsgewinde und dem Paßdurchmesser am Kamm der konzentrischen Ringe gewährleistet.

Bei Paß-Gewindebolzen mit beidseitiger gleicher oder ungleicher Gewindedimension ist ein Paßteil mit parallelen konzentrischen Paßringen zwischen dem Gewinde angeordnet , in der Geometrie wie voranstehend beschreiben.

Bei den bekannten Verfahren zur Herstellung von Schraubenpleuelbolzen hat der als Ausgangsmaterial benutzte BoI-zenschaft einen größeren Durchmesser während der Kaltumformung. Durch nachfolgende spanabhebende Bearbeitung wird die Aussparung der Taillen und die Ausrundung der Hohlkehle und der Kopf durch Drehen sowie der Paßsitz durch Schleifen hergestellt. Diese kostenaufwendigen, spanabhebenden Arbeitsgänge entfallen bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Verbindungselemente.

Aufgrund der vorgesehenen parallelen konzentrischen Paßringe wird die elastische Dehnung ohne Sprünge gleichmäßig über den gesamten Bolzen und die Dauerfestigkeit des Bolzens erheblich gesteigert, so daß Motorbeschädigungen aufgrund /on Brüchen oder Rissen der Pleuelschrauben vermieden werden (Fig. 7). Ferner werden Schwierigkeiten verhindert, die auf eine Paßflächenkorrosion zurückzuführen sind, die sonst aufgrund der leichten ReIativbewegung zwischen der Paßbohrung und dem zylindrischen Paßsitz durch molekulare Grenzflächenzerstörung auftritt. Der Grund für diese Vorteile liegt in den parallelen konzentrischen Paßringen, die senkrecht zur Achse des Bolzens liegen.

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Die räumlich nach außen gerichteten ringförmigen Rippen sind durch U-förmig vertiefte zylindrische Nuten getrennt. Hierdurch ist der Paßsitz des Bolzens mit der Paßbohrung jeweils unterbrochen/ so daß Relativbewegungen der Paß-Verbindungsteile zueinander abreißen und ge stoppt werden. Ferner verlaufen die Kraftlinien des vorgespannten Bolzens nicht bis an die Paßoberfläche und liegen von der zylindrischen Kontakt-Ebene weiter entfernt ale die Nuttiefe der konzentrischen Ringe· Beginnende leichteOberflächenrisse, die avaf dem Kamm der konzentri schen Paßrippen entstehen würden/ erreichen nicht die Kraftlinien des vorgespannten Bolzens und weiten sich konsequenterweise nicht weiter aus (Fig. 7).

In der Zeichnung ist der Gegenstand der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigt

Fig. 1 eine in einem Werkstück angeordnete Paß-Dehnschraube in einer vergrößerten Seitenansicht/

Fig. 2 die Paß-Dehnschraube in einer Seitenansicht,

Fig. 3 die in einer Paßbohrung eines Werk stückes angeordnete Paß-Dehnschraube _t teils in einer Seitenansicht, teils in einem senkrechten Schnitt,

Fig. 4 eine Pleuelstange mit den Pleuelfuß mit dem Pleueldeckel miteinander verbindenden Paß-Dehnschrauben, teils in Ansicht, teils in einem Schnitt, Fig. 5 einen Paß-Gewindebolzen/ Fig. 6 den Kraftlinienverlauf bei zylindri-

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schem Paßsitz, und

Fig. 7 den Kraftlinienverlauf bei konzentrischen Paßringen.

Die in den FIg* 1 bis 3 dargestellte Paß-Oehnschrau-· be 100 besteht aus einem Schraubenschaft to mit einendi.g an diesem angeformten Kopf 11» Der Schraubenschaft 10 ist benachbart zu seinem Kopf mit elftem Abschnitt 12 versehen, der eine Anzahl von parallel zueinander verlaufen·^ den konzentrischen Paßringen 120 aufweist.. Die zwischen je zwei Paßringen 120 ausgebildeten konzentrischen Paßnuten sind mit 121 bezeichnet. (Fig.. 1;, 2 und 3).

An den Abschnitt 12 mit den konzentrischen Paßringen 120 schließt sich auf dem Schraubenschaft 10 ein in an sich bekannter Weise ausgebildetes Befestigungsgewinde 13 an, welches bis zum Ende 10a des Schraubenschaftes 10 der Paß-Dehnschraube 100 geführt ist..

Im Übergangsbereich vom Schraubkopf 11 zum Abschnitt 12 mit den konzentrischen Ringen 120 ist eine Hohlkehle 14 mit einer bei 15 angedeuteten Ausrundung vorgesehen (Fig. 1). Der Durchmesser der Ausrundung 15 und der Hohlkehle 14 ist etwa gleich dem durchmesser des Plankenmaßes des Befestigungsgewindes 13.. Der Krümmungsradius der Hohlkehle 14 beträgt das 0,1 bis 0,15-fache des Außendurchmessers des Befestigungsgewindes 13, Die konzentrischen Paßringe 120 weisen einen Wurzelbzw.. Kerndurchmesser auf, der in Fig. 1 bei 120a angedeutet ist und der dem Kerndurchmesser, der in Fig. 1 mit 13a

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bezeichnet ist, des Befestigungsgewindes 13 entspricht, wobei der Wurzelradius der Paßnuten 121 das Zwei- bis Dreifache des Kernradius des Befeßtigungsgewindes beträgt oder ein Doppelradius im Zwei- bis Dreifachen des Kernradius des Befestigungsgewindes beträgt. Die Kammbreite, in Fig. 1 bei 120b angedeutet/ der konzentrischen Paßringe 120 entspricht annähernd der Flankenbreite der Aufwürfe 122 der konzentrischen Paßringe 120 (Fig. 1). Der in Fig. 5 dargestellte Paß-Gewindebolzen 200 bestaht ebenfalls aus einem Gewindebolzenschaft 20 mit einem einendig ausgebildeten Antrieb 21. Benachbart zu seinem Antrieb 21 weist der Gewindebolzenschaft 20 einen Abschnitt mit einem Befestigungsgewinde 223 auf, während der Gewindebolzenschaft 20 in seinem Endbereich 20a einen weiteren Abschnitt mit einem Befestigungsgewinde 23 aufweist, das normalerweise als Festsitzgewinde ausgebildet ist und mit einem Führungs- bzw. Aufsitz-(Gegendruck) Zapfen versehen ist.

Der am Festsitzgewinde 23 anschließende Führungszapfen 20a dient zugleich als Aufsitz- bzw. Gegendruck-Zapfen nach dem Einschrauben des Paß-Gewindebolzens in der Gewindebohrung. Hierdurch tritt neben dem Gewindereibmoment des Festsitzgewindes eine Vorspannkraft zwischen Festsitzgewinde und Gegengewinde in der Bohrung auf, so daß der Gewindebolzen eine zusätzliche Verankerung in einem Bauteil erfährt, bevor das zweite Bauteil mit dem Befestigungsgewinde verschraubt wird und hierdurch eine weitere Vorspannung durch

Zugkraft auftritt.

Die Antriebskraft zur Verschraubung des Paß-Gewindebolzens mit der Seite des Festsitzgewindes in einem Bauteil erfolgt sowohl über ein Sechskant* oder TORX-Antriebs- System (wie dargestellt) am Ende des Befestigungsgewindes oder kann mit Hilfe eines Spezialschraubers durch Klemmung an diesem Befestigungsgewinde erfolgen. Hierbei sind leichte Beschädigungen des Befestigungsgewindes zu erwarten. Aus diesem Grunde wurde das TOEX-Antriebs-System in der Skizze dargestellt, das dem Sechskant überlegen ist.

Zwischen den beiden Gewindeabschnitten 23, 223 ist ein Abschnitt (22) mit einer Anzahl von parallel zueinander verlaufenden konzentrischen Paßringen 220 angeordnet. Zwischen je zwei Paßringen ist eine konzentrische Paßnut 221 ausgebildet. Des weiteren kann zwischen dem Gewindeabschnitt 223 und dem Abschnitt 22 mit den konzentrischen Paßringen 220 ein gewinde- und paßringfreier Abschnitt vorgesehen.

Die konzentrischen Paßringe 220 weisen einen Nutendurchmesser auf, der dem Kerndurchmesser der Gewinde der beiden Gewindeabschnitte 23, 223 entspricht, wobei der Wurzelradius der Paßnuten 221 das Zwei- bis Dreifache des Kernradius dieser Gewinde 23, 223 oder ein Doppelradius im Zwei- bis Dreifachen des Kernradius des Befesti— gungsgewindes beträgt, während die Kammbreite der konzentrischen Paßringe 220 annähernd der Flankenbreite der Aufwürfe der konzentrischen Paßringe 220 entspricht.

Claims

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DIPL₁-ING-J-RICHTEr '"'·'"' '"' "' '""Patentanwälte dipl.-ing. f. werdermann

ZÜGEL. VEKIHb-IER BEIM EPA · PROFESSIONAL REPRESENTATIVES BEFORE EPO · MANDATAIRES AeREES PRES L'OEB

2OOO Hamburg 36 1 . September 1983

NEUER WALL 1O

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TELEGRAMME: INVENTIUS HAMBURG

TELEX 2163551 INTU D

UNSER ZE.CHEN/OUR FILE β _ ß 3 303" 111" 1

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Anmelder:

Friedr. Boesner GmbH, 5450 Neuwied

Bezeichnung;

Verbindungselement für zwei Maschinen- oder Bauteile, wie Paß-Dehnschraube und Paß-Gewindebolzen.

Schutzansnrüche

Iy. Verbindungselement für zwei Maschinen- oder Bauteile, wie Paß-Dehnschraube mit einem ein Befestigungsgewinde und einen Konf aufweisenden Schraubenschaft, da- durch gekennzeichnet,

daß der Schraubenschaft (10) benachbart zu seinem Kopf (11) einen Abschnitt (12) mit einer Anzahl von narallel zueinander verlaufenden konzentrischen Paßringen (120) mit einer zwischen je zwei Paßringen (120) ausgebildeten konzentrischen Paßnut (121) aufweist, daß sich an den Abschnitt (12) mit den konzentrischen Paßringen (120) das Befestigungsgewinde (13) anschließt,

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daß im Übergangsbereich vom Schraubenkopf (1t) zum Abschnitt (12) mit den Konzentrischen Ringen (K20) eine Hohlkehle (T4) mit einer Ausrundung {1;5} vorgesehen ist, deren Durchmesser dem Durchmesser des Flankenmaßes des Befestigurigsgewindes (13) entspricht und deren Krümmungsradius etwa das 0,1 bis 0,1-5-fache des Außendurchmessers beträgt,

daß die konzentrischen Paßringe (120) einen Würze!durchmesser (Kern) (120a) aufweisen, der dem Kerndurchmesser (13a) des Befestigungsgewindes (13) entspricht, wobei der Wurzelradius der Paßnuten (121) das Zwei- bis Dreifache des Kernradius des Befestigungsgewindes (13J beträgt oder ein Doppelradius im Zwei- bis Dreifachen des Kernradius des Befestigungsgewindes (13) ist und daß die Kammbreite (120b) der konzentrischen Paßringe (120) annähernd der Flankenbreite der Aufwürfe (122) der konzentrischen Paßringe (120) entspricht.
2. Verbindungselement für zwei Maschinen- oder Bauteile wie Paß-Gewindebolzen mit einem Mittelschaft mit parallelen konzentrischen Paßringen, evtl. mit einem Antrieb aufweisenden Gewindebolzenende und nach beiden Seiten liegendem Befestigungsgewinde, davon mit einseitigem Festsitzgewinde, evtl. hieraus anschließend einen Führungszapfen (20a), der zugleich nach dem Einschrauben durch Aufsitzen in der Gewindebohrung eine Vorspannkraft im Festsitzgewinde erzielt, dadurch gekennzeichnet,, daß der Gewindebolzenschaft (20) benachbart zu seinem Antrieb (21) einen ersten Befestigungsgewindeabschnitt (223) und an seinem Ende einen zweiten Befestigungsgewin-

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deabschnitt (23) und evtl. einen Führungs- und Aufsitzbzw. Gegendruck-Zapfen aufweist,

daß zwischen den beiden Befestigungsgewindeabschnitten (223/ 23) ein Abschnitt (22) mit einer Anzahl von parallel zueinander verlaufenden konzentrischen Paßringen (220) mit einer zwischen je zwei Paßringen (220) ausgebildeten konzentrischen Paßnut (221) angeordnet ist/ daß zwischen dem ersten Befestigungsgewindeabschnitt (223) und dem Abschnitt (22) mit den konzentrischen Paßringen (220) ein gewinde- und paßringfreier Abschnitt (25) vorgesehen ist, daß die konzentrischen Paßringe (220) einen Wurzeldurchmesser (Kern) aufweisen, der dem Kerndurchmessei" der beiden Befestigungsgewinde (23, 223) entspricht, wobei der Wurzelradius der Paßnuten (221) das Zwei- bis Dreifache des Kernradius der Befestigungsgewinde beträgt, und

daß die Kammbreite der konzentrischen Paßringe (220) annähernd der Flankenbreite der Aufwürfe (122) der konzentrischen Paßringe (220) entspricht.
3. Verbindungselement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten Befestigungsgewindeabschnitt (223) und dem Abschnitt (22) mit den konzentrischen Paßringen (220) ein gewinde- und paßringfreier Abschnitt (25) vorgesehen ist.