WO2007138061A1

WO2007138061A1 - Befestigungsanordnung für dynamisch belastete bauteile

Info

Publication number: WO2007138061A1
Application number: PCT/EP2007/055209
Authority: WO
Inventors: Stefan Beyer
Original assignee: Abc Umformtechnik Gmbh & Co. Kg
Priority date: 2006-05-26
Filing date: 2007-05-29
Publication date: 2007-12-06
Also published as: DE202006008313U1; DE112007001204A5

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung, insbesondere für dynamisch belastete Bauteile, wie Kraftfahrzeugräder, bestehend aus mindestens einem Befestigungselement mit einem Außengewindebolzen (1, 10) und einem an diesem einendig befestigten bzw. befestigbaren Kopfteil (2) mit einem Kraftangriff (4) für ein Drehwerkzeug, wobei das Befestigungselement einen inneren in Richtung einer Längsachse (X-X) verlaufenden Hohlraum (6, 15) aufweist. Der Hohlraum (6, 15) ist zumindest in einem bei Beaufschlagung mit einer Anzugskraft auf Zug beanspruchten Bereich des Außengewindebolzens (1, 10) und/oder des Kopfteils (2) angeordnet. wobei einerseits der Hohlraum (6, 15) in Anpassung an die übrige Geometrie des Befestigungselementes und andererseits die materialspezifizischen Eigenschaften derart in Anpassung aneinander ausgelegt sind, dass im Vergleich zu einem Befestigungselement mit gleichen Außenmaßen, aber ohne Hohlraum eine erhöhte elastische Nachgiebigkeit in axialer Richtung bei im Wesentlichen gleicher Belastbarkeit erreicht wird.

Description

"Befestigungsanordnung für dynamisch belastete Bauteile"

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Befestigungsanordnung, insbesondere für dynamisch belastete Bauteile, wie Kraftfahrzeugräder, bestehend aus mindestens einem Befestigungselement mit einem Außengewindebolzen und einem an diesem einendig befestigten bzw. befestigbaren Kopfteil mit einem Kraftangriff für ein Drehwerkzeug, wobei das Befestigungselement einen inneren Hohlraum aufweist.

Befestigungsanordnungen für Kraftfahrzeugräder bestehen entweder aus einer sogenannten Radschraube, die einen Schraubenschaft und einen Schraubenkopf aufweist, oder aus einem Außengewinde-Schraubbolzen und einer auf diesen aufschraubbaren Radmutter. Hierbei sind der Schraubenschaft und der Schraubbolzen zumeist als Vollteile ausgebildet.

Die GB 254 076 A beschreibt allerdings eine Rad-Befestigung mittels solcher Schrauben, die jeweils einen axialen Hohlraum aufweisen, der sich als Sackloch von der Seite eines Schraubenkopfes aus mehr oder weniger weit in Richtung des Schraubenschaftes erstreckt, so dass der Schraubenschaft ein geschlossenes Ende aufweist. Gemäß der Lehre dieser Veröffentlichung dient der Hohlraum keinem anderen Zweck als nur der Verringerung des Gewichtes der Schraube.

Derartige Befestigungsanordnungen werden im praktischen Einsatz mit einem bestimmten Anzugs-Drehmoment angezogen, um einen sicheren und dauerhaften Halt der zu befestigenden Bauteile, insbesondere Kraftfahrzeugräder, zu gewährleisten. In der Praxis kommt es vor allem bei dynamisch belasteten Bauteilen häufig zu einem ungewollten Lösen der Verschraubungen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die vorstehenden Nachteile zu vermeiden und eine gattungsgemäße Befestigungsanordnung zu schaffen, die eine verbesserte Festigkeit einer dynamisch belasteten Verbindung, insbesondere eines Kraftfahrzeugrades, ermöglicht. Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des unabhängigen Patentanspruchs 1 erreicht. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass es auf Grund von Mikroverformung bei bekannten Befestigungsanordnungen zu einem so genannten Setzen der Verbindung kommt, wodurch sich die axiale Anzugskraft, die in der Befestigungsanordnung aufgebaut worden ist, verringert. Im Falle von auf die Befestigungsanordnung wirkenden starken dynamischen Belastungen kann es hierdurch zu einem Lösen und sogar zu einer Zerstörung der Verbindung kommen. Erfindungsgemäß wird nun durch den Hohlraum und eine entsprechende Verringerung des Materialquerschnitts in mindestens einem auf Zug beanspruchten Bereich eine Erhöhung der axialen elastischen Nachgiebigkeit erreicht, wodurch dann die Auswirkungen des Setzens mit geringeren Vorspannkraftverlusten der Verbindung verringert werden, wodurch eine verbesserte Dauerhaltbarkeit erzielt wird. Zudem kann über den inneren Hohlraum des Befestigungselementes eine verbesserte Wärmeabfuhr nach außen erfolgen. Außerdem kann die erfindungsgemäße Maßnahme dazu genutzt werden, im Vergleich zu einem Befestigungselement ohne Hohlraum die axiale Länge reduzieren zu können und dabei die elastische Nachgiebigkeit im Wesentlichen gleich zu halten.

Um eine im Vergleich zu einem Befestigungselement ohne Hohlraum im Wesentlichen gleiche Belastbarkeit zu erreichen, kann es vorteilhaft sein, die Festigkeit des Materials durch eine Material-Auswahl und/oder durch eine geeignete Änderung des Materialzustandes anzupassen.

Die Erfindung führt zu wesentlichen Vorteilen. So kann eine weitgehende Unempfindlichkeit gegenüber Vorspannkraftänderungen als Folge temperaturbedingter Ausdehnungsunterschiede bei einer Verschraubung von Werkstoffen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten erreicht werden. Bei gleicher äußerer Geometrie des Befestigungselementes wird durch die Erhöhung der elastischen Nachgiebigkeit (elastische Längenänderung / Zugkraft in mm x 10^"6/N) eine Minimierung von Vorspannkraftverlusten in Folge von Setzungserscheinungen erreicht. Die Schraubenzusatzkräfte bei dynamischer Belastung werden verringert. Bei gleicher äußerer Geometrie (insbesondere Außendurchmesser) kann durch eine Variation der Schraubenfestigkeit und des Hohlraum-Querschnittes die Belastbarkeit im Vergleich zu einem Befestigungselement ohne Hohlraum weitgehend konstant gehalten werden. Anhand der in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele wird die Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Teilquerschnitt durch eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung,

Fig. 2 einen Teilquerschnitt durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, teilweise geschnitten,

Fig. 4 eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, teilweise geschnitten,

Fig. 5 - 8 alternative Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, zum Teil geschnitten,

Fig. 9 - 12 weitere alternative Ausführungen, die abgesehen von einer anderen Kopfgestaltung im Wesentlichen den Ausführungen der Fig. 1 bis 4 entsprechen.

In Fig. 1 ist eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung zum Teil geschnitten dargestellt. Diese erfindungsgemäße Befestigungsanordnung besteht aus einem Befestigungselement in Form einer Radschraube, die einen Außengewindebolzen 1 und ein Kopfteil 2 aufweist, wobei das Kopfteil 2 und der Außengewindebolzen 1 einteilig ausgebildet sind. Somit bildet das Kopfteil 2 einen Schraubenkopf und der Außengewindebolzen 1 einen Schraubenschaft. Auf dem Schraubenschaft ist ein Außengewinde 3 ausgebildet. An dem Kopfteil 2 ist ein äußerer Kraftangriff 4 vorhanden, der im dargestellten Ausführungsbeispiel als Außen- Sechskant ausgebildet ist. Dieser Kraftangriff 4 kann aber auch jede andere mögliche Ausführungsform aufweisen, und zwar in Anpassung an das jeweils verwendete Drehwerkzeug. Somit ist es ebenfalls möglich, diesen Kraftangriff 4 als Innenkraftangriff auszubilden. Im dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Kopfteil 2 eine konisch ausgebildete äußere Andruckumfangsfläche 5 auf, die mit einer entsprechend angepasst ausgebildeten Andruckfläche in einer anzuziehenden Felge zusammenwirkt. Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, an Stelle einer konisch ausgebildeten Andruckfläche eine kalottenartig gekrümmte äußere Andruckfläche vorzusehen.

Erfindungsgemäß ist es gemäß Fig. 9 bis 12 ebenfalls möglich, an Stelle der vorstehend genannten Formen der äußeren Andruckfläche eine ebene senkrecht zur Längsachse X-X verlaufende Andruckfläche 5a vorzusehen.

Erfindungsgemäß ist im Innern des Außengewindebolzens 1 zumindest in einem beim Anziehen zugbelasteten Bereich des Außengewindebolzens 1 und/oder des Kopfteils 2 ein in Richtung der Längsachse X-X verlaufender Hohlraum 6 ausgebildet. Gemäß Fig. 1 und 9 ist der Hohlraum 6 als axiale Durchgangsbohrung hergestellt, wobei diese Durchgangsbohrung konzentrisch zur Längsachse X-X angeordnet ist und vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt besitzt. Dieser Hohlraum 6 ist somit sowohl im kopfseitigen Ende als auch am anderen Ende des Außengewindebolzens 1 nach außen geöffnet.

In den Fig. 2 und 10 ist jeweils eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung dargestellt, und zwar wiederum teilweise geschnitten. Hierbei sind gleiche Teile wie in Fig. 1 und 9 mit denselben Bezugsziffern versehen. In Abweichung von den Ausführungsformen gemäß Fig. 1 und 9 ist der Hohlraum 6 hier nicht als Durchgangsbohrung ausgebildet, sondern als Sackloch, wobei dieses Sackloch zum Außengewindebolzenende nach außen offen ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist das Kopfteil 2 als Vollmaterial ausgebildet. Das Sackloch ist wiederum konzentrisch zur Längsachse X-X angeordnet und besitzt einen kreisförmigen Querschnitt. Dabei liegt es im Rahmen der Erfindung, die Länge des Sackloches entsprechend den jeweiligen Belastungen zu bemessen.

In Fig. 3 und 11 sind wiederum andere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung dargestellt. Gleiche Teile wie in den Fig. 1 und 2 sind mit denselben Bezugsziffern versehen. In Abänderung zu den bereits beschriebenen Ausführungsformen ist hier der Hohlraum 6 als Sacklochbohrung ausgebildet, wobei jedoch diese Sacklochbohrung zum kopfseitigen Ende des Kopfteils 2 offen ist. Durch die Länge der Sacklochbohrung kann die Festigkeit der Anordnung beeinflusst werden.

Fig. 4 und 12 zeigen weitere alternative Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, wobei wiederum gleiche Teile mit denselben Bezugsziffern versehen sind. In Abwandlung von den vorstehenden Ausführungsformen besitzt hier die Befestigungsanordnung im Innern des Außengewindebolzens 1 und des Kopfteils 2 zwei Sacklochbohrungen 6a, 6b, die durch einen Boden 7 getrennt sind. Die Sacklochbohrung 6a verläuft im Wesentlichen im Kopfteil 2 und die Sacklochbohrung 6b verläuft im Wesentlichen im Außengewindebolzen 1 , so dass der Boden 7 etwa im Übergangsbereich zwischen dem Kopfteil 2 und dem Außengewindebolzen 1 ausgebildet ist. Jedoch ist es auch möglich, die Länge der Sacklochbohrungen 6a, 6b zu variieren, so dass zum Beispiel der Boden 7 im Bereich des Außengewindebolzens 1 angeordnet ist. Bei der beschriebenen Ausführungsform ist die eine Sacklochbohrung 6a zum kopfseitigen Ende offen und die andere Sacklochbohrung 6b ist zum gewindebolzenseitigen Ende offen.

Die Länge der Sacklöcher 6a und 6b kann gleich oder auch unterschiedlich sein, und zwar entsprechend den jeweils gewünschten Festigkeitswerten. Auch können die Querschnitte der Sacklöcher 6a und 6b unterschiedlich groß sein.

In den dargestellten Ausführungsbeispielen besitzen die Hohlräume 6 bzw. 6a, b, d. h. die Sacklöcher bzw. die Durchgangsbohrung, jeweils einen einheitlichen Durchmesser, es liegt jedoch ebenfalls im Rahmen der Erfindung, beispielsweise Stufenbohrungen vorzusehen, so dass die Sacklöcher bzw. die Durchgangsbohrung in Längsrichtung der Achse X-X gesehen ein Stufenbohrungsprofil aufweisen können. Auch können die Sacklöcher bzw. die Durchgangsbohrung nicht nur einen kreisförmigen Querschnitt, sondern auch einen ellipsenförmigen oder einen polygonalen Querschnitt besitzen.

In den Fig. 1 bis 4 ist jeweils die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung als einteilige Radschraube ausgebildet.

Es liegt ebenfalls im Rahmen der Erfindung, diese Befestigungsanordnung nicht einstückig, sondern als zweiteiliges Befestigungselement herzustellen, wobei dieses dann aus einem Außengewindebolzen und einer Mutter mit Innengewinde gebildet ist, die auf den Außengewindebolzen einseitig aufschraubbar ist. In diesem Falle sind die Sacklochbohrungen bzw. die Durchgangsbohrung ausschließlich im Außengewindebolzen ausgebildet. Ausführungsbeispiele hierzu sind in den Fig. 5 bis 8 dargestellt.

In Fig. 5 ist ein sogenannter Stehbolzen dargestellt, der aus einem Außengewindebolzen 10 mit einem einseitig angeformten, im Durchmesser vergrößerten Anlagekopf 11 ausgebildet ist. An seinem dem Anlagekopf 11 gegenüberliegenden Ende weist der Außengewindebolzen 10 einen Außengewindeabschnitt 12 auf, auf den eine nicht dargestellte Mutter aufschraubbar ist. Hierbei kann es sich um eine Radmutter handeln, wobei bei dem bevorzugten Anwendungsfall der Kraftfahrzeugradbefestigung der Stehbolzen in einer Radnabe befestigt wird. Hierzu weist der Außengewindebolzen am anlagekopfnahen Bereich einen Abschnitt 13 mit einer Verdrehsicherung auf, mit dem der Stehbolzen in einer Bohrung der Radnabe befestigt wird. In Fig. 5 ist in dem Außengewindebolzen 10 vom Anlagekopf 11 aus konzentrisch ein Hohlraum 15 als Sacklochbohrung ausgebildet, die kurz vor dem Ende des Außengewindeabschnitts 12 endet.

In den Fig. 6 bis 8 sind gleiche Tele wie in Fig. 5 mit denselben Bezugsziffern gekennzeichnet.

In Fig. 6 ist der Hohlraum 15 vom Ende des Außengewindeabschnitts 12 aus als Sackloch in dem Außengewindebolzen 10 ausgebildet. Das Sackloch endet kurz vor dem Beginn des Anlagekopfes 11.

In Fig. 7 ist der Hohlraum 15 als axiales Durchgangsloch bzw. -bohrung ausgebildet.

In Fig. 8 besteht der Hohlraum aus zwei axialen Sacklochbohrungen 16a, 16b. Die Sacklochbohrung 16a verläuft vom anlagekopfseitigen Ende Stehbolzens aus in den Außengewindebolzen 10 hinein und die Sacklochbohrung 16b vom außengewinde- abschnittseitigen Ende aus. Zwischen den beiden Sacklochbohrungen 16a, 16b ist ein Bodensteg 17 ausgebildet. Über die Breite und die axiale Länge des Bodenstegs 17 kann die Festigkeit der Verbindung beeinflusst werden.

Im Folgenden sollen einige bevorzugte Werte für die Auslegung des erfindungsgemäßen Befestigungselementes angegeben werden. Das Außengewinde 3 weist einen Außendurchmesser (sog. Gewinde-Nennmaß) dπ im Bereich von 10 mm bis 20 mm auf.

Die Festigkeit liegt im Bereich von (800 bis 1.400) N/mm².

Die Ausnutzung der Streckgrenze des Gewindebolzens 1 (Belastbarkeit) beträgt maximal 90 %.

Der lichte Innendurchmesser di des Hohlraumes 6 beträgt mindestens etwa 40 % und maximal etwa 60 % des Gewinde-Nennmaßes bzw. des Außendurchmessers dN-

Das so genannte Klemmlängenverhältnis ydu liegt im Bereich von 50 % bis 500 %, wobei I_K die effektive Klemmlänge zwischen dem ersten tragenden Gewindegang des Gewindebolzens 1 und dem Kopfteil 2 ist. Unter Berücksichtigung des obigen Bereiches des Außendurchmessers dπ ergibt sich somit für die Klemmlänge I_K ein Bereich von 5 mm bis 100 mm.

Aus den genannten Auslegungswerten bzw. Wertebereichen resultieren bestimmte Werte für die axiale elastische (Längen-)Nachgiebigkeit (in mm ^■ 10^"6/N). Einige Werte sind beispielhaft in den folgenden Tabellen genannt, wobei auch entsprechende Werte für eine bekannte Ausführung ohne Hohlraum (Innendurchmesser di = 0) als Referenzwerte angegeben sind:

Tabelle 1

Tabelle 2

Innerhalb der angegebenen Bereichsgrenzen sind auch andere beliebige Zwischenwerte möglich.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfasst auch hierzu äquivalente Ausführungen. So kann auch der zunächst bei der Herstellung einseitig offen ausgebildete Hohlraum durch einen weiteren Arbeitsgang verschlossen werden, ohne dass hierdurch die erfindungsgemäße Wirkung beeinträchtigt wird. Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung dient insbesondere zur Befestigung von Kraftfahrzeugrädern. Ihre Anwendung ist jedoch hierauf nicht beschränkt, sondern ihr Einsatzgebiet ist allgemein gesagt insbesondere die Befestigung von dynamisch belasteten Bauteilen in der Antriebstechnik.

Claims

Ansprüche

1. Befestigungsanordnung, insbesondere für dynamisch belastete Bauteile, wie Kraftfahrzeugräder, bestehend aus mindestens einem Befestigungselement mit einem Außengewindebolzen (1, 10) und einem an diesem einendig befestigten bzw. befestigbaren Kopfteil (2) mit einem Kraftangriff (4) für ein Drehwerkzeug, wobei das Befestigungselement einen inneren in Richtung einer Längsachse (X- X) verlaufenden Hohlraum (6, 15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum (6, 15) zumindest in einem bei Beaufschlagung mit einer Anzugskraft auf Zug beanspruchten Bereich des Außengewindebolzens (1, 10) und/oder des Kopfteils (2) angeordnet ist, wobei der Hohlraum (6, 15) bezüglich seiner Abmessungen in Anpassung an die übrige Geometrie des Befestigungselementes und insbesondere die materialspezifischen Eigenschaften derart ausgelegt sind, dass im Vergleich zu einem Befestigungselement mit gleichen Außenmaßen, aber ohne Hohlraum eine erhöhte elastische Nachgiebigkeit in axialer Richtung bei im Wesentlichen gleicher Belastbarkeit erreicht wird.

2. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Hohlraum (6, 15) konzentrisch zur Längsachse (X-X) ausgebildet ist.

3. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s der Hohlraum (6, 15) als Durchgangsbohrung ausgebildet ist.

4. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s der Hohlraum (6, 15) als Sackloch ausgebildet ist.

5. Befestigungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass der Hohlraum (6, 15) aus zwei Sacklöchern (6a, 6b, 16a, 16b) gebildet ist, die durch einen gemeinsamen Boden (7, 17) im Innern des Außengewindebolzens (1, 10) getrennt sind.

6. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u rch g e ke n nze ich n et, d a ss der Hohlraum (6, 15) einen kreisförmigen, ellipsenförmigen oder polygonalen Querschnitt aufweist.

7. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s das Kopfteil (2) mit dem Außengewindebolzen (1) materialschlüssig, vorzugsweise einstückig verbunden ist und einen Schraubenkopf bildet.

8. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadu rch gekennzeich net, dass das Kopfteil (2) als Mutter mit Innengewinde ausgebildet ist, das zu einem auf dem Außengewindebolzen (10) befindlichen Außengewindeabschnitt (12) passend ist.

9. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadu rch gekennzeich net, dass das Kopfteil (2) eine konische oder kalottenartig gekrümmte oder radiale, zur Längsachse (X-X) senkrechte Andruckfläche (5, 5a) aufweist.

10. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u rc h g e ke n n z e i c h n e t, d a s s der Hohlraum (6, 15) in Längsrichtung stufenförmig ausgebildet ist.

11. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Außengewindeabschnitt (12) einen Außendurchmesser (d_N) im Bereich von 10 bis 20 mm aufweist.

12. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u rc h g e k e n n z e i c h n e t, d a s s der Hohlraum (6) einen Innendurchmesser (di) aufweist, der mindestens 40 % und maximal 60 % des Außendurchmessers (dπ) des Außengewindeabschnittes (12) beträgt.

13. Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dad urch geken nzeich net, dass die elastische Nachgiebigkeit etwa im Bereich von 0,9 bis 4,5 mm ^■ 10^"6/N liegt.

14. Außengewindebolzen zur Verwendung bei einer Befestigungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, gekennzeichnet durch die kennzeichnenden Merkmale zumindest eines der Ansprüche 1 bis 13.

15. Außengewindebolzen nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass er als Teil eines Stehbolzens mit endseitigem Anschlagkopf (12) ausgebildet ist, mit einem im anlagekopfnahen Bereich ausgebildeten Einpressabschnitt (13) mit Verdrehsicherung.

16. Außengewindebolzen nach Anspruch 15, d ad u rch g eke n n ze i c h n et, d a s s auf dem anlagekopffernen Endbereich des Außengewindebolzens (10) ein Außengewindeabschnitt (12) ausgebildet ist.