WO2024022804A1 - Verbindungsmittel und verfahren zum herstellen eines verbindungsmittels - Google Patents

Verbindungsmittel und verfahren zum herstellen eines verbindungsmittels Download PDF

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WO2024022804A1
WO2024022804A1 PCT/EP2023/069178 EP2023069178W WO2024022804A1 WO 2024022804 A1 WO2024022804 A1 WO 2024022804A1 EP 2023069178 W EP2023069178 W EP 2023069178W WO 2024022804 A1 WO2024022804 A1 WO 2024022804A1
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connecting means
elasticity
region
longitudinal direction
area
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PCT/EP2023/069178
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Dennis DUTENHÖFNER
Johannes SCHWALM
Claudia PÖGGELER RIBAS
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Kamax Holding Gmbh & Co. Kg
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    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B35/00—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws
    • F16B35/04—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws with specially-shaped head or shaft in order to fix the bolt on or in an object
    • F16B35/041—Specially-shaped shafts
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F16B35/044—Specially-shaped ends
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    • H01M8/2465—Details of groupings of fuel cells
    • H01M8/247—Arrangements for tightening a stack, for accommodation of a stack in a tank or for assembling different tanks
    • H01M8/248—Means for compression of the fuel cell stacks
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    • H01M8/02—Details
    • H01M8/0271—Sealing or supporting means around electrodes, matrices or membranes
    • H01M8/0286—Processes for forming seals

Definitions

  • the invention relates to a connecting means, a battery arrangement, a fuel cell and a method for producing a connecting means.
  • Connecting means are already known from the prior art. These serve to connect different components to one another, especially reversibly.
  • the problem is that if the components to be connected expand during operation, as can be the case with fuel cells or battery arrangements, for example, an enormous load is exerted on the connecting means or on the components to be connected or the Connecting means can come. 5
  • a connecting means according to claim 1, with a battery arrangement and / or a fuel cell according to claim 14 and with a method for producing a connecting means according to claim 15. Further advantages, features and embodiments emerge from the subclaims, the description and the figures.
  • a connecting means in particular a screw or a bolt.
  • the connecting means comprises an actuation region, in particular a head, an elasticity region and preferably a mounting region, wherein the connecting means extends in a longitudinal direction, with a radial direction being in particular perpendicular to the longitudinal direction, wherein the elasticity region can lie in the longitudinal direction between the actuation region and the mounting region , wherein the mounting region has a thread, in particular an internal thread, wherein advantageously or optionally the elasticity region and/or the mounting region are or can be hollow on the inside, and/or wherein the elasticity region has a lower elasticity than the mounting region due to its geometry and/or or as the operating range.
  • the connecting means serves in particular to connect various components to one another, in particular in a non-positive manner.
  • This non-positive connection relates in particular to transverse forces, advantageously in the radial direction or parallel to this direction.
  • the connecting means is advantageously designed as a non-positive connecting means.
  • the connecting means in particular has an actuation area.
  • the actuation area advantageously serves to be able to apply an assembly torque to the connecting means, in particular in a form-fitting manner.
  • the actuation area can have actuation surfaces, in particular in the form of an external, internal hexagon, external or internal hexalobular, a multi-tooth and/or a multi-round, each advantageously as an internal and/or external actuation.
  • the normals of the actuation surfaces expediently point in the radial direction.
  • These actuation surfaces can be part of a head, which in turn can form the actuation area.
  • the actuation area can be formed by or include a head.
  • the actuation area is expediently designed in such a way that it forms a distal end of the connecting means in the longitudinal direction.
  • the longitudinal direction in turn is in particular the direction in which the connecting means has its largest main dimension.
  • the longitudinal direction can therefore or alternatively preferably be the direction in which measures the length of the connecting means.
  • the center of gravity of the connecting means, the elasticity area and/or the assembly area can be in the longitudinal direction.
  • one or the radial direction extends perpendicular to the longitudinal direction.
  • the longitudinal direction, the radial direction and a circumferential direction form a cylindrical coordinate system with one another.
  • the connecting means also has an elasticity area and/or an assembly area.
  • the mounting area of the connecting means has a thread in order to form a connection with another thread, in particular a nut thread.
  • This thread can advantageously be designed as an internal thread in order to achieve a particularly space-saving configuration.
  • the thread of the mounting area can also be an external thread. This allows particularly simple production to be achieved.
  • the thread itself can be a metric or an inch thread.
  • the mounting area is preferably limited in the longitudinal direction by the distal ends of the thread in the longitudinal direction.
  • the mounting area forms a distal end of the connecting means in the longitudinal direction.
  • the mounting area which has the thread and/or which is formed by the thread, can limit the connecting means in the longitudinal direction.
  • the assembly area can be delimited in the radial direction outwards by a cylindrical surface and/or have such a surface.
  • the elasticity area lies between the actuation area and the assembly area.
  • the length of the elasticity region in the longitudinal direction is greater than the length of the actuation region and/or the mounting region in the longitudinal direction. In particular, the lengths of all areas are measured in the longitudinal direction.
  • the length of the elasticity region in the longitudinal direction is expediently greater than the sum of the lengths of the actuation region and the mounting region.
  • at least 30%, preferably at least 60% and particularly preferably at least 70% of the length of the connecting means in the longitudinal direction is formed by the elasticity region.
  • the elasticity area and/or the assembly area are in particular hollow on the inside, in order to facilitate easy assembly and/or gas passage and/or a reduction in elasticity to create or provide. Due to its geometry, the elasticity region is designed such that it has a lower elasticity than the assembly region and/or, wherein the elasticity region has deformation structures and/or stiffness reduction structures, in particular in the form of deformation structures.
  • the geometry of the elasticity area in particular is such that this results in a lower elasticity in the assembly area than the elasticity in the assembly area and/or in the actuation area.
  • the elasticity itself is in particular the spring stiffness or the gradient of the force-path diagram.
  • the decisive factor for the elasticity is the elasticity in the longitudinal direction.
  • this force-path diagram or the spring stiffness is not de-dimensionalized by a geometric parameter.
  • the elasticity or spring stiffness is therefore not determined by the gradient of the stress-strain diagram but by the force actually applied to the elastic range in comparison to the resulting displacement path or the resulting deformation.
  • the force path diagram is therefore the force that must be applied in the longitudinal direction to separate the assembly area from the actuation area, while at the same time recording the resulting displacement path of the actuation area in the longitudinal direction from the assembly area.
  • the elasticity area and the assembly area and/or the elasticity area and the actuation area are made of the same material and/or in one piece. This allows particularly good mechanical durability to be achieved. Due to the lower elasticity of the elasticity range - due to the geometry in the elasticity range and/or due to the stiffness reduction structures - a load - due to a swelling and/or static expansion of the components to be connected - can be reduced.
  • the load on the connecting means and/or on the components to be braced or braced can be reduced, so that the operational reliability and longevity of the connecting means can be increased.
  • Another advantage of such a design is that, in particular, the dynamic loads on the connecting means are reduced.
  • the connecting means according to the invention can in particular also be a fastening means and/or vice versa.
  • the elasticity region advantageously has one or a plurality of deformation structures which are or are subjected to bending and/or torsion when the actuation region is displaced in the longitudinal direction in relation to the mounting region.
  • Deformation structures are in particular spirals or beam segments, which can be achieved, for example, by introducing depressions and/or openings or other stiffness reduction structures into the elasticity region, in particular in the radial direction. These deformation structures are therefore in particular not recesses but rather material areas which are mechanically stressed due to the change in length in the longitudinal direction of the elasticity area, in particular due to a displacement of the assembly area in the longitudinal direction in relation to the actuation area. This mechanical stress on the deformation structures is in particular or includes in particular a bending load and/or a torsional load.
  • This type of loading is in particular the predominant type of loading, therefore in particular the type of loading that causes at least 30%, preferably at least 50% and particularly preferably at least 70%, of the comparison stress, in particular when applying the shape change hypothesis (von Mises) and / or the Principal normal stress hypothesis (Rankine).
  • the achievable reversible degrees of deformation of the deformation structures can be increased, so that ultimately the elasticity of the elasticity range can be reduced.
  • the spring stiffness of the elasticity region which can be a synonym for the elasticity, can be reduced by using deformation structures which are subjected to bending and/or torsion when the actuation region is displaced in the longitudinal direction in relation to the mounting region. In this way, a particularly advantageous design of the elasticity range can be achieved.
  • the elasticity region is advantageously designed in such a way that it has a degressive spring characteristic.
  • the elasticity or the spring stiffness of the elasticity area - with regard to a displacement of the actuation area in the longitudinal direction in relation to the mounting area - be designed in such a way that the elasticity is reduced or decreases as the distance between the actuation area increases in the longitudinal direction in relation to the mounting area.
  • the spring characteristic is degressive in the elastic range.
  • a degressive spring characteristic is already achieved, especially "before" an irreversible deformation occurs. In this way, in particular, permanent relief and/or mechanical overstressing of the components to be connected and/or the connecting means can be minimized and/or reduced.
  • the elasticity region advantageously has one or a plurality of stiffness reduction structures, in particular depressions and/or openings, with the stiffness reduction structures forming or limiting the deformation structures.
  • depressions and/or other stiffness reduction structures can be formed in the elasticity region, in particular in the radial direction, which each border the deformation structures.
  • these depressions can be designed in such a way that fluid can pass through them from the environment via the recess or depression or breakthrough into the internal area or the overall internal elasticity area.
  • the breakthrough or breakthroughs can be designed in such a way that they extend from the outside into the hollow inside region of the elasticity region.
  • the or an internally hollow region of the connecting means can in particular be formed by a central recess, which extends from the mounting region into the elasticity region or even into the actuation region in the longitudinal direction.
  • a fluid flow can also be realized between the individual areas of the connecting means in the longitudinal direction.
  • the stiffness reduction structures in particular in the form of a depression or depressions, connect an outer wall of the elasticity region with an inner wall of the elasticity region.
  • the outer wall of the elasticity area borders it in particular outwards in the positive radial direction and the inner wall borders the elasticity area in particular inwards towards the longitudinal direction.
  • This inner wall can in particular border and/or partially form the central recess.
  • At least one stiffness reduction structure in particular in the form of a recess, is expediently designed such that its projection in the longitudinal direction overlaps itself.
  • at least one depression can be designed in such a way that when this depression is projected onto a plane perpendicular to the longitudinal direction, the projection is closed in itself and can therefore in particular form a ring around the longitudinal direction.
  • the ends of the recess, which forms the projection, which overlaps or is closed on itself lie at different height positions in the longitudinal direction.
  • the depression which can in particular be a breakthrough, is only closed in itself in the projection and not when the depression is viewed taking into account the extension in the longitudinal direction. This can in particular prevent a drastic weakening of the connecting means.
  • the elasticity region has one or more helical depressions and/or stiffness reduction structures, in particular openings, so that the elasticity region has one or more and/or multi-threaded deformation structures, which is and/or are a spiral.
  • spiral-shaped depressions and/or stiffness reduction structures which can in particular be openings, it can be particularly effective It can be achieved in such a way that the deforming structures are subjected to torsion.
  • deformation structures that are subjected to torsion a particularly high degree of reversible deformation capability can be provided.
  • helical deformation structures a particularly good torsional load can be achieved.
  • several helices can also be provided, so that multiple-thread deformation structures can be present in a helical shape.
  • the helical multi-start deformation structures can be designed similar to a multi-start thread.
  • a deformation structure in particular the spiral, has a material thickness in the direction of the longitudinal direction and a material thickness in the direction of the radial direction, which can also be referred to as radial thickness, the ratio of the material thickness to the radial thickness being in a range from 0.8 to 1.2, preferably in a range from 0.9 to 1.1, and particularly preferably in a range from 0.97 to 1.03.
  • the material thickness is therefore the average and/or the maximum or minimum material thickness of the deformation structure measured in the longitudinal direction.
  • the radial thickness of the deformation structure is in particular the material thickness or the material thickness in the radial direction.
  • the ratio of the material thickness to the radial thickness is in a range from 0.8 to 1.2.
  • the material thickness is in a range from 0.9 to 1.1, a particularly advantageous stress distribution can be achieved.
  • the ratio is in a range from 0.97 to 1.03, an approximately homogeneous stress distribution can be achieved on all edges.
  • At least one depression and/or stiffness reduction structure is elongated hole-shaped.
  • the or at least one, preferably at least a predominant part, and particularly preferably all of the depressions or stiffness reduction structures, which are elongated hole-shaped are designed as openings.
  • a depression/stiffness reduction structure is in particular as to be viewed as an elongated hole if it has a larger dimension in its main extension direction than perpendicular to it.
  • an elongated hole-shaped depression or an elongated hole-shaped opening can therefore be present if the length in the circumferential direction of the opening is greater than the length of the opening in the longitudinal direction.
  • the length of the opening and/or the depression in the radial direction is particularly irrelevant. In other words, only the contour that the depression and/or the breakthrough leaves on an outer wall of the elasticity region can be decisive, particularly for the elongated hole shape.
  • the extent of the elongated hole-shaped opening or the elongated hole-shaped depression, in particular in the circumferential direction is expediently larger than in the longitudinal direction.
  • the extent in the circumferential direction is at least 10%, preferably at least 20% and particularly preferably at least 30% larger in the longitudinal direction in order to be defined as elongated hole-shaped.
  • the distal end regions of the elongated hole-shaped opening or the elongated hole-shaped recess are formed by a curve. In this way, the material stress increase or the stress increase factor that occurs can be reduced.
  • the projections of the slot-shaped depressions or stiffness reduction structures in the longitudinal direction preferably form a closed circle, in particular in the longitudinal direction.
  • the projections of the elongated hole-shaped depression which could in particular be openings, can be designed in such a way that when viewed in the longitudinal direction, they overlap in such a way that a complete circle or a self-contained ring is formed, in particular the center of gravity this ring lies in the longitudinal direction and/or the ring surrounds the longitudinal direction. In this way, a particularly advantageous reduction in elasticity of the elasticity range can be achieved.
  • At least one depression and/or stiffness reduction structure which is elongated hole-shaped, has a variable width in the longitudinal direction.
  • the width is in particular the complaint about the walls lying opposite one another in the longitudinal direction.
  • the elongated hole, or the elongated hole-shaped depression is oriented in such a way that it extends perpendicular to the longitudinal direction.
  • the main extension direction is oriented perpendicular to the longitudinal direction in a projection in the radial direction.
  • a defined stress distribution can be achieved due to the variable width in the longitudinal direction.
  • the width of the opening or depression, which is elongated hole-shaped decreases towards the center of the depression or opening.
  • the width of the depression can initially decrease starting from a distal end of the opening or the depression towards the other distal end of the depression and can increase again after the middle between the distal ends of the depression has been exceeded. In this way, a particularly advantageous anticipation of the mechanical tension that occurs can be achieved. In other words, a particularly voltage-adapted course can be achieved in this way.
  • a deformation structure in particular a deformation structure arranged between two slot-shaped openings, has a material thickness, in particular a maximum material thickness, in the direction of the longitudinal direction and a, in particular maximum, material thickness in the direction of the radial direction, which - as already explained - can be referred to as radial thickness, on, the ratio of the material thickness to the radial thickness being in a range from 0.7 to 1.3, preferably in a range from 0.85 to 1.15, and particularly preferably in a range from 0.9 to 1.1 , lies.
  • the material thickness is - as already explained - in particular the average and / or the maximum or the minimum material thickness of the deformation structure measured in the longitudinal direction.
  • the radial strength of the deformation structure is - as already explained - in particular the material thickness or the material thickness in the radial direction.
  • the ratio of the material thickness to the radial thickness is in a range from 0.7 to 1.3. In this way, particularly cost-effective production can be achieved, especially if the deformation structure is at least partially limited in the longitudinal direction by slot-shaped openings. However, if the material thickness is in a range of 0.85 to 1.15, so In this way, a particularly low local stress concentration can be achieved, especially if the deformation structure is at least partially limited in the longitudinal direction by slot-shaped openings. However, if the ratio is in a range from 0.9 to 1.1, a particularly good increase in elasticity can be achieved.
  • the ratio of the average height or the maximum height of the openings, in particular the openings which are elongated hole-shaped, in the longitudinal direction to the diameter of the elasticity range is in a ratio of 0.045 to 0.125, preferably in a range of 0.055 to 0.0834, particularly preferred in a range of 0.06 to 0.75.
  • the average height or the maximum height of the openings in the longitudinal direction is the width of the opening in the longitudinal direction, in particular between two walls opposite one another in the longitudinal direction.
  • the average height is the height of the breakthrough in the longitudinal direction averaged in the direction of the breakthrough between one distal end and the other distal end.
  • the diameter of the elasticity region is the diameter of the smallest possible circle, which lies in a plane perpendicular to the longitudinal direction and which can just surround the elasticity region. If the ratio is in a range from 0.045 to 0.125, a particularly effective reduction in elasticity can be achieved. However, if the ratio is in a range from 0.055 to 0.0834, particularly simple production can be achieved.
  • the connecting means is advantageously designed in one piece.
  • a one-piece design means in particular that the material of the connecting means was connected to one another in a single original molding process.
  • the connecting means may have been further processed after this original forming process, in particular by separating or separating processes, such as laser cutting and/or thread cutting and/or milling or turning, but no further elements were added to the connecting means, for example by welding.
  • each but only the actuation area, the elasticity area and the assembly area are formed in one piece with one another.
  • the connecting means can also result from cohesive joining of further components to one another, in particular by cohesive joining of the actuation area with the elasticity area and the assembly area.
  • connection with this cohesive connection, further elements can also be mounted on the connecting means, so that ultimately a connecting means results whose actuation area, its elasticity area and its assembly area have been joined together by cohesive joining, although further elements are force-fitting and/or form-fitting and/or or can be attached to the connecting means in a materially bonded manner.
  • Cohesive joining is particularly advantageous in terms of manufacturing costs.
  • the one-piece design of the connecting means and/or the actuation area with the elasticity area and the assembly area results in a particularly mechanically advantageous design.
  • the actuation area is hollow, in particular hollow.
  • a fluid flow can take place in the hollow area of the actuation area through the elasticity area and/or through the assembly area.
  • the connecting means presented here can be used particularly advantageously in a fuel cell.
  • Hollow means in particular that the entire actuation area can be hollow in the longitudinal direction.
  • the actuation area advantageously has a gas connection. This makes it particularly easy to realize a gas flow from and/or into the actuation area.
  • the gas connection can in particular have or form a gas-tight thread and/or a hose connection.
  • a central recess is advantageously present, which extends in the longitudinal direction from the actuation area over the elasticity area and can extend to the assembly area.
  • This central recess advantageously extends from the distal end of the mounting area to one distal end of the actuation area.
  • a central recess can extend through the connecting means in the longitudinal direction, in order in particular to be able to realize a fluid flow through the connecting means.
  • This central recess advantageously has a constant diameter in the actuation area, in the elasticity area and/or in the assembly area. This makes it possible to achieve particularly simple and cost-effective production, which also has mechanically advantageous properties.
  • the actuation area expediently has actuation surfaces, the actuation surfaces in particular having a normal in the radial direction.
  • actuation surfaces in particular having a normal in the radial direction.
  • one or a plurality of depressions and/or openings are laser cut. This results in particularly cost-effective and precise production, so that local (unwanted) stress concentrations can be avoided and/or reduced.
  • a further aspect of the invention may relate to a battery arrangement and/or a fuel cell, wherein the battery arrangement or the fuel cell has a connecting means as described above and/or below.
  • a further aspect of the invention may relate to a use of a connecting means as described above and/or below in a battery arrangement or fuel cell and/or for a battery arrangement or fuel cell.
  • a further aspect of the invention may relate to a method for producing a connecting means, in particular as described above and below. The procedure includes in particular the steps:
  • the stiffness reduction structures can be introduced in particular by means of a laser, therefore for example by laser cutting.
  • the connecting means provided by the manufacturing method can in particular have the features, configurations, embodiments and advantages set out above and below.
  • the shaping of the actuation area and/or the shaping of the elasticity area and/or the shaping of the assembly area is carried out by a forming process in order to achieve a particularly mechanically resilient and yet cost-effective design of a connecting means.
  • the connecting means can in particular be a screw and/or a bolt.
  • Figure 1 is a side view of a connecting means with stiffness reduction structures in the shape of an elongated hole;
  • Figure 2 also shows a connecting means with stiffness reduction structures as a recess, the width of the stiffness reduction structures decreasing towards the middle;
  • Figure 3 shows a partial view of a connecting means in a fuel cell
  • Figure 4 shows a plurality of connecting means in a fuel cell
  • Figure 5 shows a side and sectional view of a connecting means
  • Figure 6 shows a connecting means with a deformation structure, which is a spiral.
  • the connecting means 1 shows a connecting means 1 which has an actuation area 10 in the form of a head.
  • the actuation area 10 has a connection thread for a gas connection.
  • the connecting means 1 also has a mounting region 50, wherein the fastening region 10 and the mounting region 50 form distally opposite end regions of the connecting means 1 in the longitudinal direction L.
  • the elasticity area 30 is located between the fastening area 10 and the mounting area 50. Due to its geometry, the elasticity area 30 has a lower elasticity than the mounting area 50 and than the actuation area 10 and the elasticity area 30 has a degressive spring characteristic. These stiffness characteristics of the elasticity region 30 are achieved by the slot-shaped stiffness reduction structures, which are designed as a breakthrough.
  • FIG 2 a similar connecting means 1 is shown in comparison to Figure 1.
  • the actuation area 10 has an external hexagon with actuation surfaces 12.
  • the mounting area 50 which is hollow on the inside, there is an internal thread for assembly.
  • the radial direction R points radially from the longitudinal direction L.
  • the deformation structures 32 present in the elasticity region 30 are designed in such a way that they have a variable width Have longitudinal direction L, with the width decreasing towards the center of the recess.
  • FIG. 1 A detailed view of a mounted connecting means 1 in a fuel point can be seen in FIG.
  • Both the actuation area 10, which has actuation surfaces 12 in its interior, and the elasticity area 30 are provided with a central recess 60, so that an internally hollow area results in both the elasticity area 30 and in the actuation area 10.
  • the stiffness reduction structures are designed in the shape of an elongated hole.
  • the stiffness reduction structures 34 form the deformation structures 32, the deformation structures 32 having a radial strength RS in the radial direction R.
  • FIG. 4 shows a fuel cell which has a large number of connecting means 1.
  • the connecting means 1 penetrate the fuel cell completely in the longitudinal direction L.
  • FIG. 5 shows a side view in the lower area and a sectional view through a connecting means 1 in the upper area.
  • the connecting means 1 extends in the longitudinal direction L.
  • plate spring-like deformation structures 32 connected in series are formed in the elasticity region 32. Due to this geometric design, the elasticity area 30 has a degressive spring characteristic. The radial strength RS in the elasticity range can be seen.
  • Both the mounting area 50 and the elasticity area 30 are hollow on the inside and therefore each have a section of the central recess 60. In order to achieve assembly of the connecting means 1, the mounting area 50 has an internal thread.
  • the connecting means 1 has a deformation structure 32, which is a spiral.
  • the elasticity region 30 has a helical depression which forms the deformation structure 32.
  • the deformation structure 32 points in the longitudinal direction L has a material thickness of MS.
  • a helical recess instead of a helical recess, a plurality of helical recesses can also be provided, so that a multi-stage deformation structure or deformation structures in the form of a spiral result.
  • the mounting area 50 also has a metric internal thread.

Abstract

Verbindungsmittel (1), insbesondere Schraube oder Bolzen, umfassend einen Betätigungsbereich (10), insbesondere einen Kopf, einen Elastizitätsbereich (30) und einen Montagebereich (50), wobei sich das Verbindungsmittel (1) in eine Längsrichtung (L) erstreckt, wobei eine Radialrichtung (R) insbesondere senkrecht auf der Längsrichtung (L) steht, wobei der Elastizitätsbereich (30) in Längsrichtung (L) zwischen dem Betätigungsbereich (10) und dem Montagebereich (50) liegt, wobei der Montagebereich (50) ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde, aufweist, wobei der Elastizitätsbereich (30) und/oder der Montagebereich (50) insbesondere innen hohl sind, wobei der Elastizitätsbereich (30) Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), insbesondere in der Form von Ausnehmungen und/oder Durchbrüchen, aufweist, und/oder wobei der Elastizitätsbereich (30) aufgrund seiner Geometrie eine geringere Elastizität als der Montagebereich (50) und/oder als der Betätigungsbereich (10) aufweist und/oder wobei der Elastizitätsbereich eine degressive Federcharakteristik aufweist.

Description

VERBINDUNGSMITEL UND VERFAHREN ZUM HERSTELLEN EINES VERBINDUNGSMITTELS
5 Die Erfindung betrifft em Verbindungsmittei, eine Batteneanordnung, eine Brennstoffzelle und ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels.
Verbindungsmittel sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt. Diese dienen dazu, verschiedene Bestandteile, insbesondere reversibel, miteinander zu verbinden. Problematisch ist jedoch, dass bei einer Ausdehnung der zu verbindenden Bauteile während des Betriebs, wie dies z.B. bei Brennstoffzellen oder bei Batterieanordnungen der Fall sein kann, eine enorme Belastung auf das Verbindungsmittel bzw. auf die zu verbindenden Bauteile ausgeübt wird oder es zu einem Lösen des Verbindungsmittels kommen kann. 5
Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verbindungmittel bereitzustellen, welches es erlaubt, dass auch hohe dynamische oder statische Ausdehnungen sicher abgefangen werden können und/oder die resultierende Belastung auf das Verbindungsmittel oder die zu verbindenden Bauteile reduziert werden.
Diese Aufgabe wird mit einem Verbindungsmittel gemäß dem Anspruch 1 , mit einer Batteneanordnung und/oder einer Brennstoffzelle gemäß Anspruch 14 und mit einem Verfahren zur Herstellung eines Verbindungsmittels gemäß dem Anspruch 15 gelöst. Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführungsformen ergeben sich aus5 den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren. Erfindungsgemäß ist ein Verbindungsmittel, insbesondere eine Schraube oder ein Bolzen. Vorteilhafterweise umfasst das Verbindungsmittel einen Betätigungsbereich, insbesondere einen Kopf, einen Elastizitätsbereich und bevorzugt ein Montagebereich, wobei sich das Verbindungsmittel in eine Längsrichtung erstreckt, wobei eine Radialrichtung insbesondere senkrecht auf der Längsrichtung steht, wobei der Elastizitätsbereich in Längsrichtung zwischen dem Betätigungsbereich und dem Montagebereich liegen kann, wobei der Montagebereich ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde, aufweist, wobei vorteilhafterweise bzw. optional der Elastizitätsbereich und/oder der Montagebereich innen hohl sind bzw. sein können, und/oder wobei der Elastizitätsbereich aufgrund seiner Geometrie eine geringere Elastizität als der Montagebereich und/oder als der Betätigungsbereich aufweist. Das Verbindungsmittel dient insbesondere dazu, verschiedene Bauteile miteinander zu verbinden, insbesondere kraftschlüssig. Diese kraftschlüssige Verbindung betrifft insbesondere Querkräfte, vorteilhafterweise in Radialrichtung oder parallel zu dieser Richtung. Um eine Querkraft, insbesondere senkrecht zur Längsrichtung, zwischen den zu verbindenden Bauteilen etablieren bzw. übertragen zu können, ist somit vorteilhafterweise das Verbindungsmittel als ein kraftschlüssiges Verbindungsmittel ausgebildet. Das Verbindungsmittel verfügt insbesondere über einen Betätigungsbereich. Der Betätigungsbereich dient vorteilhafterweise dazu, ein, insbesondere formschlüssiges, Aufbringen eines Montagedrehmoments auf das Verbindungsmittels applizieren zu können. Hierzu kann der Betätigungsbereich Betätigungsflächen, insbesondere in Form eines Außen-, In- nensechskants, Außen- oder Innensechsrund, eines Mehrzahns und/oder eins Mehrrunds, jeweils vorteilhafterweise als Innen- und/oder Außenbetätigung, aufweisen. Zweckmäßigerweise weisen die Normalen der Betätigungsflächen in die Radialrichtung. Diese Betätigungsflächen können dabei Teil eines Kopfs sein, welcher wiederum den Betätigungsbereich ausbilden kann. In anderen Worten kann daher der Betätigungsbereich durch einen Kopf gebildet sein oder einen selbigen umfassen. Zweckmäßigerweise ist dabei der Betätigungsbereich derart ausgebildet, dass dieser ein distales Ende des Verbindungsmittels in Längsrichtung ausbildet. Die Längsrichtung wiederum ist insbesondere diejenige Richtung, in welcher das Verbindungsmittel seine größte Hauptabmessung aufweist. Beispielsweise kann die Längsrichtung daher oder alternativ bevorzugt diejenige Richtung sein, in welcher sich die Länge des Verbindungsmittels bemisst. Der Schwerpunk des Verbindungsmittels, des Elastizitätsbereichs und/oder des Montagebereichs kann auf der Längsrichtung liegen. Senkrecht zur Längsrichtung erstreckt sich insbesondere eine bzw. die Radialrichtung. Vorteilhafterweise bilden die Längsrichtung, die Radialrichtung und eine Umfangsrichtungsrichtung ein Zylinderkoordinatensystem miteinander aus. Neben dem Betätigungsbereich verfügt das Verbindungsmittel auch über einen Elastizitätsbereich und/oder einen Montagebereich. Der Montagebereich des Verbindungsmittels weist ein Gewinde auf, um so eine Verbindung mit einem anderen Gewinde, insbesondere einem Muttergewinde, einzugehen. Dieses Gewinde kann vorteilhafterweise als Innengewinde ausgebildet sei, um so eine besonders bauraumsparende Konfiguration zu erreichen. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann das Gewinde des Montagebereichs auch ein Außengewinde sein. Hierdurch kann eine besonders einfache Fertigung erreicht werden. Das Gewinde selbst kann wiederum ein metrisches oder ein zölliges Gewinde sein. Bevorzugt ist der Montagebereich in Längsrichtung durch die distalen Enden des Gewindes in Längsrichtung begrenzt. Vorteilhafterweise bildet der Montagebereich ein distales Ende des Verbindungsmittels in Längsrichtung aus. Der Montagebereich, welcher das Gewinde aufweist und/oder welcher durch das Gewinde ausgebildet ist, kann in Längsrichtung das Verbindungsmittel begrenzen. Um eine Verletzungsgefahr bei der Montage zu reduzieren, kann der Montagebereich in Radialrichtung nach außen weisend durch eine zylindrische Fläche begrenzt sein und/oder eine derartige aufweisen. Der Elastizitätsbereich liegt in Längsrichtung gesehen zwischen dem Betätigungsbereich und dem Montagebereich. Vorteilhafterweise ist dabei die Länge des Elastizitätsbereichs in Längsrichtung größer als die Länge des Betätigungsbereichs und/oder des Montagebereichs in Längsrichtung. Insbesondere bemessen sich dabei die Längen aller Bereiche in Längsrichtung. Zweckmäßigerweise ist die Länge des Elastizitätsbereichs in Längsrichtung größer als die Summe der Längen des Betätigungsbereichs und des Montagebereichs. Vorteilhafterweise sind zumindest 30 %, bevorzugt zumindest 60 % und besonders stark bevorzugt zumindest 70 % der Länge des Verbindungsmittels in Längsrichtung durch den Elastizitätsbereich ausgebildet. Der Elastizitätsbereich und/oder der Montagebereich sind innen insbesondere hohl, um so eine einfache Montage und/oder einen Gasdurchtritt und/oder eine Verringerung der Elastizität zu schaffen bzw. bereitstellen zu können. Der Elastizitätsbereich ist aufgrund seiner Geometrie derart ausgebildet, dass dieser eine geringere Elastizität aufweist als der Montagebereich und/oder, wobei der Elastizitätsbereich Verformungsstrukturen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere in der Form von Verformungsstrukturen, aufweist. In anderen Worten ist insbesondere die Geometrie des Elastizitätsbereichs derart beschaffen, dass hierdurch eine geringere Elastizität im Montagebereich resultiert als die Elastizität im Montagebereich und/oder im Betätigungsbereich. Die Elastizität selber ist insbesondere die Federsteifigkeit bzw. der Gradient des Kraft-weg-diagramms. Maßbeglich für die Elastizität ist dabei die Elastizität in Längsrichtung. Insbesondere ist dieses Kraft-weg-diagramm bzw. die Federsteifigkeit nicht durch eine geometrische Kenngröße entdimensio- nalisiert. Mit anderen Worten bestimmt sich die Elastizität bzw. die Federsteifigkeit daher nicht nach dem Gradienten des Spannungsdehnungs-Diagramms sondern der tatsächlich aufgebrachten Kraft auf den Elastizitätsbereich im Vergleich zum resultierenden Verschiebeweg bzw. der resultierenden Verformung. Das Kraft- weg-diagramm ist daher die Kraft, welche zur Separierung des Montagebereichs zum Betätigungsbereich in Längsrichtung aufgebracht werden muss, wobei gleichzeitig die resultierende Verschiebeweg des Betätigungsbereichs in Längsrichtung zum Montagebereich aufgenommen wird. Vorteilhafterweise sind dabei der Elastizitätsbereich und der Montagebereich und/oder der Elastizitätsbereich und der Betätigungsbereich materialgleich und/oder einstückig ausgebildet. Hierdurch kann eine besonders gute mechanische Haltbarkeit erreicht werden. Durch die geringere Elastizität des Elastizitätsbereichs - aufgrund der Geometrie im Elastizitätsbereich und/oder aufgrund der Steifigkeitsreduktionsstrukturen - kann eine Belastung - aufgrund einer schwellenden und/oder statisch auftretenden Ausdehnung der zu verbindenden Bauteile - reduziert werden. Hierdurch kann insbesondere die Belastung auf das Verbindungsmittel und/oder auf die zu verspannenden oder verspannten Komponenten verringert werden, sodass die Betriebssicherheit als auch die Langlebigkeit des Verbindungsmittels gesteigert werden kann. Ein weiterer Vorteil einer derartigen Ausgestaltung ist darüber hinaus, dass insbesondere auch die dynamischen Lasten auf das Verbindungsmittel reduziert werden. Das Verbindungsmittel gemäß der Erfindung kann insbesondere auch ein Befestigungsmittel sein und/oder umgekehrt. Vorteilhafterweise weist der Elastizitätsbereich eine oder eine Vielzahl von Verformungsstrukturen auf, welche bei einer Verlagerung des Betätigungsbereichs in Längsrichtung in Relation zum Montagebereich auf Biegung und/oder Torsion belastet sind bzw. werden. Verformungsstrukturen sind insbesondere Spiralen oder Balkensegmente, welche beispielsweise dadurch erreicht werden können, dass Vertiefungen und/oder Durchbrüche oder andere Steifigkeitsreduktionsstrukturen in den Elastizitätsbereich, insbesondere in Radialrichtung, eingebracht sind. Diese Verformungsstrukturen sind daher insbesondere keine Ausnehmungen sondern Materialbereiche, welche aufgrund der Längenänderung in Längsrichtung des Elastizitätsbereichs, insbesondere durch eine Verlagerung des Montagebereichs in Längsrichtung in Relation zum Betätigungsbereich, mechanisch beansprucht werden. Diese mechanische Beanspruchung der Verformungsstrukturen ist dabei insbesondere bzw. umfasst insbesondere eine Biegebelastung und/oder eine Torsionsbelastung. Diese Belastungsart ist dabei insbesondere die vorherrschende Belastungsart, daher insbesondere diejenige Belastungsart, die zumindest 30%, bevorzugt zumindest 50% und besonders bevorzugt zumindest 70%, der Vergleichsspannung bedingt, insbesondere bei der Anwendung der Gestaltände- rungshypothese (von Mises) und/oder der Hauptnormalspannungshypothese (Rankine). Hierdurch können insbesondere die erreichbaren reversiblen Verformungsgrade der Verformungsstrukturen gesteigert werden, sodass letztendlich die Elastizität des Elastizitätsbereichs verringert werden kann. In anderen Worten kann daher die Federsteifigkeit des Elastizitätsbereichs, welches ein Synonym für die Elastizität sein kann, durch die Verwendung von Verformungsstrukturen, welche bei einer Verlagerung des Betätigungsbereichs in Längsrichtung in Relation zum Montagebereich auf Biegung und/oder Torsion belastet werden, reduziert werden. Hierdurch kann insbesondere eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Elastizitätsbereichs erreicht werden.
Vorteilhafterweise ist der Elastizitätsbereich derart ausgebildet, dass dieser eine degressive Federcharakteristik aufweist. In anderen Worten kann daher die Elastizität bzw. die Federsteifigkeit des Elastizitätsbereichs - in Hinblick auf einer Verlagerung des Betätigungsbereichs in Längsrichtung in Relation zum Montagebereich - derart beschaffen sein, dass die Elastizität mit zunehmender Beabstandung des Betätigungsbereichs in Längsrichtung in Relation zum Montagebereich reduziert bzw. abfallend ist. Hierdurch kann insbesondere erreicht werden, dass die dynamischen Lasten bei einer zunehmenden Ausdehnung der zu verbindenden Bauteile weiter reduziert werden kann bzw. die hierdurch resultierende (statische) Belastung weniger stark ansteigend ist. Vorteilhafterweise ist die Federcharakteristik im elastischen Bereich degressiv. In andere Worten ist daher insbesondere "bevor" eine irreversible Verformung eintritt bereits eine degressive Federcharakteristik erreicht. Hierdurch kann insbesondere eine dauerhafte Entlastung und/oder eine mechanische Überbeanspruchung der zu verbindenden Bauteile und/oder des Verbindungsmittels minimiert und/oder reduziert werden.
Vorteilhafterweise weist der Elastizitätsbereich eine oder eine Vielzahl von Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere Vertiefungen und/oder Durchbrüche, auf, wobei die Steifigkeitsreduktionsstrukturen die Verformungsstrukturen ausbilden o- der begrenzen. In anderen Worten können im Elastizitätsbereich, insbesondere in Radialrichtung, Vertiefungen und/oder andere Steifigkeitsreduktionsstrukturen ausgebildet sein, welche jeweils die Verformungsstrukturen beranden. Insbesondere können diese Vertiefungen dabei derart ausgebildet sein, dass durch diese einen Fluiddurchtritt von der Umgebung über die Ausnehmung bzw. Vertiefung bzw. Durchbruch in den innenholen Bereich bzw. den insgesamt innenholen Elastizitätsbereich ermöglichen. In anderen Worten kann der Durchbruch bzw. die Durchbrüche derart beschaffen sein, dass dieser bzw. diese sich von außen bis in den innen hohlen Bereich des Elastizitätsbereichs erstreckt.
Der oder ein innen hohler Bereich des Verbindungsmittels kann insbesondere durch eine Zentralausnehmung ausgebildet sein, welche sich vom Montagebereich bis in den Elastizitätsbereich oder gar bis in den Betätigungsbereich in Längsrichtung erstreckt. Durch das Vorsehen einer derartigen Zentralausnehmung kann daher auch zwischen den einzelnen Bereichen des Verbindungsmittels in Längsrichtung ein Fluidstrom realisiert werden. Vorteilhafterweise verbindet die Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere in der Form einer Vertiefung oder von Vertiefungen, eine Außenwandlung des Elastizitätsbereichs mit einer Innenwandung des Elastizitätsbereichs. Die Außenwandung des Elastizitätsbereichs berandet diesen insbesondere in positive Radialrichtung nach außen und die Innenwandung berandet den Elastizitätsbereich insbesondere nach innen hin zur Längsrichtung. Diese Innenwandung kann dabei insbesondere die Zentralausnehmung beranden und/oder teilweise mitausbilden. Hierdurch kann ein Fluidfluss in besonders effektiver und direkter Weise von der Umgebung in den innen hohlen Bereich des Elastizitätsbereichs - wie bereits erläutert - erreicht werden.
Zweckmäßigerweise ist zumindest eine Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere in der Form einer Vertiefung, derart ausgebildet, dass dessen Projektion in Längsrichtung sich selbst überdeckt. In anderen Worten kann zumindest eine Vertiefung derart ausgebildet sein, dass bei einer Projektion dieser Vertiefung auf eine Ebene senkrecht zur Längsrichtung die Projektion in sich selbst geschlossen ist und daher insbesondere einen Ring um die Längsrichtung ausbilden kann. Hierdurch kann ein besonders hohes Maß an Elastizitätsverringerung erreicht werden, sodass hierdurch ein besonders vorteilhafter Elastizitätsbereich resultiert. Vorteilhafterweise sind dabei jedoch die Enden der Vertiefung, welche die Projektion ausbildet, die in sich selbst überdeckend bzw. in sich selbst geschlossen ist, auf unterschiedlichen Höhenpositionen in Längsrichtung liegend. In anderen Worten ist die Vertiefung, welche insbesondere ein Durchbruch sein kann, nur in der Projektion in sich selbst geschlossen und nicht bei einer Betrachtung der Vertiefung unter Berücksichtigung der Erstreckung in Längsrichtung. Hierdurch kann insbesondere eine drastische Schwächung des Verbindungsmittels verhindert werden.
Vorteilhafter Weise weist der Elastizitätsbereich eine oder mehrere wendeiförmige Vertiefungen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, insbesondere Durchbrüche, auf, sodass der Elastizitätsbereich eine oder mehrere und/oder mehrgängige Verformungsstrukturen aufweist, welche eine Spirale ist und/oder sind. Durch das Vorsehen von spiralförmigen Vertiefungen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, welche insbesondere Durchbrüche sein können, kann in besonders effektiver Weise erreicht werden, dass die Verformungsstrukturen auf Torsion belastet werden. Durch das Vorsehen von Verformungsstrukturen, welche auf Torsion belastet werden, kann ein besonders hohes Maß an reversibler Verformungsfähigkeit bereitgestellt werden. Durch das Vorsehen von wendeiförmigen Verformungsstrukturen kann eine besonders gute Torsionsbelastung erreicht werden. Wie bereits ausgeführt, können auch mehrere Wendeln vorgesehen sein, sodass mehrgängige Verformungsstrukturen in wendeiförmiger Form vorhanden sein können. In anderen Worten können die wendeiförmigen mehrgängigen Verformungsstrukturen ähnlich einem mehrgängigen Gewinde ausgebildet sein.
Vorteilhafterweise weist eine Verformungsstruktur, insbesondere die Spirale, eine Materialstärke in Richtung der Längsrichtung und eine Materialstärke in Richtung der Radialrichtung, welche auch als Radialstärke bezeichnet werden kann, auf, wobei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,8 bis 1 ,2, bevorzugt in einem Bereich von 0,9 bis 1 ,1 , und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,97 bis 1 ,03, liegt. Die Materialstärke ist daher die gemittelte und/oder die maximale bzw. die minimale Materialstärke der Verformungsstruktur gemessen in Längsrichtung. Die Radialstärke der Verformungsstruktur ist insbesondere die Materialstärke bzw. die Materialdicke in Radialrichtung. Vorteilhafterweise liegt dabei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,8 bis 1 ,2. Hierdurch kann eine besonders einfache Fertigung erreicht werden. Sollte hingegen die Materialstärke in einem Bereich von 0,9 bis 1 ,1 liegen, so kann hierdurch eine besonders vorteilhafte Spannungsverteilung erreicht werden. Sollte hingegen das Verhältnis in einem Bereich von 0,97 bis 1 ,03 liegen, so kann hierdurch eine annähernd homogene Spannungsverteilung an allen Kanten erreicht werden.
Vorteilhafterweise ist zumindest eine Vertiefung und/oder Steifigkeitsreduktionsstruktur, bevorzugt eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen, langlochförmig. Bevorzugt sind die oder zumindest eine, bevorzugt zumindest ein überwiegender Teil, und besonders bevorzugt alle Vertiefungen bzw. Steifigkeitsreduktionsstrukturen, welche langlochförmig sind, als Durchbrüche ausgebildet. Eine Vertiefung/Steifigkeitsreduktionsstruktur ist insbesondere dann als langlochförmig zu betrachten, wenn diese in seine Haupterstreckungsrichtung eine größere Abmessung aufweist als senkrecht hierzu. In anderen Worten kann daher eine langlochförmige Vertiefung bzw. ein langlochförmiger Durchbruch vorliegen, wenn die Länge in Umfangsrichtung des Durchbruchs größer ist als die Länge des Durchbruchs in Längsrichtung. Unerheblich ist dabei insbesondere die Länge des Durchbruchs und/oder der Vertiefung in Radialrichtung. In anderen Worten kann daher insbesondere für die Langlochförmigkeit ausschließlich die Kontur entscheidend sein, welche die Vertiefung und/oder der Durchbruch auf einer Außenwandung des Elastizitätsbereichs hinterlässt. Zweckmäßigerweise ist die Erstreckung des langlochförmigen Durchbruchs bzw. der langlochförmigen Vertiefung, insbesondere in Umfangsrichtung, größer als in Längsrichtung. Vorteilhafterweise ist dabei die Erstreckung in Umfangsrichtung zumindest 10 %, bevorzugt zumindest 20 % und besonders stark bevorzugt zumindest 30 % größer in Längsrichtung, um als langlochförmig definiert zu werden. Vorteilhafterweise sind dabei die distalen Endbereiche des langlochförmigen Durchbruchs bzw. der langlochförmigen Vertiefung durch eine Rundung ausgebildet. Hierdurch kann die auftretende Materialspannungsüberhöhung bzw. der Spannungsüberhöhungsfaktor reduziert werden.
Bevorzugt bilden die Projektionen der langlochförmigen Vertiefungen oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen in Richtung der Längsrichtung einen geschlossenen Kreis, insbesondere in Längsrichtung, aus. In anderen Worten können daher die Projektionen der langlochförmigen Vertiefung, welche insbesondere Durchbrüche sein konnten, derart ausgebildet sein, dass bei einer Betrachtung in Längsrichtung diese sich derart überdecken, sodass ein vollständiger Kreis bzw. ein in sich geschlossener Ring ausgebildet wird, wobei insbesondere der Schwerpunkt dieses Rings auf der Längsrichtung liegt und/oder der Ring die Längsrichtung umgibt. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Elastizitätsverringerung des Elastizitätsbereichs erreicht werden.
Bevorzugt weist zumindest eine Vertiefung und/oder Steifigkeitsreduktionsstruktur, welche langlochförmig ist, eine variable Breite in Längsrichtung auf. Die Breite ist dabei insbesondere die Beanstandung der sich in Längsrichtung gegenüberliegenden Wandungen. Insbesondere ist nämlich das Langloch derart orientiert, bzw. die langlochförmige Vertiefung, sodass diese sich senkrecht zur Längsrichtung erstreckt. In anderen Worten ist daher die Haupterstreckungsrichtung bei einer Projektion in Radialrichtung senkrecht zur Längsrichtung orientiert. Durch die variable Breite in Längsrichtung kann insbesondere eine definierte Spannungsverteilung erreicht werden. Vorteilhafterweise ist die Breite des Durchbruchs bzw. der Vertiefung, welche langlochförmig ist, zum Mitte der Vertiefung bzw. des Durchbruchs hin abnehmend. In anderen Worten kann die Breite der Vertiefung ausgehend von einem distalen Ende des Durchbruchs bzw. der Vertiefung dahingehend zum anderen distalen Ende der Vertiefung zunächst abnehmend sein und nach Überschreitung der Mitte zwischen den distalen Enden der Vertiefung wieder zunehmend sein. Hierdurch kann eine besonders vorteilhafte Vorwegnahme der auftretenden mechanischen Spannung erreicht werden. In anderen Worten kann hierdurch ein besonders spannungsangepasster Verlauf erreicht werden.
Vorteilhafterweise weist eine Verformungsstruktur, insbesondere eine zwischen zwei langlochförmigen Durchbrüchen angeordnete Verformungsstruktur, eine Materialstärke, insbesondere eine maximale Materialstärke, in Richtung der Längsrichtung und eine, insbesondere maximale, Materialstärke in Richtung der Radialrichtung, welche - wie bereits dargelegt - als Radialstärke bezeichnet werden kann, auf, wobei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,7 bis 1 ,3, bevorzugt in einem Bereich von 0,85 bis 1 ,15, und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,9 bis 1 ,1 , liegt. Die Materialstärke ist - wie bereits dargelegt - insbesondere die gemittelte und/oder die maximale bzw. die minimale Materialstärke der Verformungsstruktur gemessen in Längsrichtung. Die Radialstärke der Verformungsstruktur ist - wie ebenfalls bereits dargelegt - insbesondere die Materialstärke bzw. die Materialdicke in Radialrichtung. Vorteilhafterweise liegt dabei das Verhältnis aus der Materialstärke zu der Radialstärke in einem Bereich von 0,7 bis 1 ,3. Hierdurch kann eine besonders kostengünstige Fertigung erreicht werden, insbesondere wenn die Verformungsstruktur in Längsrichtung durch langlochförmige Durchbrüche zumindest teilweise begrenzt ist. Sollte hingegen die Materialstärke in einem Bereich von 0,85 bis 1 ,15 liegen, so kann hierdurch eine besonders geringe lokale Spannungskonzentration erreicht werden, insbesondere wenn die Verformungsstruktur in Längsrichtung durch langlochförmige Durchbrüche zumindest teilweise begrenzt ist. Sollte hingegen das Verhältnis in einem Bereich von 0,9 bis 1 ,1 liegen, so kann hierdurch eine besonders gute Elastizitätssteigerung erreicht werden.
Vorteilhafterweise liegt das Verhältnis aus der mittleren Höhe oder der maximalen Höhe der Durchbrüche, insbesondere der Durchbrüche welche langlochförmig sind, in Längsrichtung zu dem Durchmesser des Elastizitätsbereichs in einem Verhältnis von 0,045 bis 0,125, bevorzugt in einem Bereich von 0,055 bis 0,0834, besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,06 bis 0,75. Die mittlere Höhe oder die maximale Höhe der Durchbrüche in Längsrichtung ist dabei die Breite des Durchbruchs in Längsrichtung, insbesondere zwischen zwei sich in Längsrichtung gegenüberliegenden Wandungen. Die mittlere Höhe ist hingegen die in Verlaufsrichtung des Durchbruchs zwischen dem einen distalen Ende zu dem anderen distalen Enden gemittelte Höhe des Durchbruchs in Längsrichtung. Der Durchmesser des Elastizitätsbereichs ist hingegen der Durchmesser des kleinsten möglichen Kreises, welcher in einer Ebene senkrecht zur Längsrichtung liegt, der den Elastizitätsbereich gerade eben umgeben kann. Sollte dabei das Verhältnis in einem Bereich von 0,045 bis 0,125 liegen, so kann hierdurch eine besonders effektive Elastizitätsverringerung erreicht werden. Sollte hingegen das Verhältnis in einem Bereich von 0,055 bis 0,0834 liegen, so kann hierdurch eine besonders einfache Fertigung erreicht werden.
Vorteilhafterweise ist das Verbindungsmittel einstückig ausgebildet. Unter einem einstückigen ausbilden ist insbesondere zu verstehen, dass das Material des Verbindungsmittels in einem einzigen ursprünglichen Urformprozess miteinander verbunden wurde. In anderen Worten kann das Verbindungsmittel nach diesem Urformprozess zwar weiterbearbeitet worden sein, insbesondere durch trennende o- der abspaltende Verfahren, wie Laserschneiden und/oder Gewindeschneiden und/oder Fräsen oder Drehen, wobei jedoch keine weiteren Elemente zum Verbindungsmittel hinzugefügt wurden, z.B. durch Schweißen. Vorteilhafterweise sind je- doch lediglich der Betätigungsbereich, der Elastizitätsbereich und der Montagebereich einstückig miteinander ausgebildet. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann auch das Verbindungsmittel durch stoffschlüssiges Fügen weiterer Bestandteile miteinander resultieren, insbesondere durch stoffschlüssiges Fügen des Betätigungsbereichs mit dem Elastizitätsbereich und dem Montagebereich. Des Weiteren können bei dieser stoffschlüssigen Verbindung auch noch weitere Elemente am Verbindungsmittel montiert werden, sodass letztendlich ein Verbindungsmittel resultiert, dessen Betätigungsbereich, dessen Elastizitätsbereich und dessen Montagebereich durch stoffschlüssiges Fügen miteinander gefügt wurden, wobei jedoch weitere Elemente kraft- und/oder form- und/oder stoffschlüssig am Verbindungsmittel befestigt sein können. Das stoffschlüssige Fügen ist in Hinblick auf die Fertigungskosten besonders vorteilhaft. Die einstückige Ausbildung des Verbindungsmittels und/oder des Betätigungsbereichs mit dem Elastizitätsbereich und dem Montagebereich hingegen resultiert in einer besonders mechanisch vorteilhaften Ausbildung.
Vorteilhafterweise ist der Betätigungsbereich hohl, insbesondere inne Hohl. Hierdurch kann insbesondere ein Fluidfluss im hohlen Bereich des Betätigungsbereichs durch den Elastizitätsbereich und/oder durch den Montagebereich erfolgen. Dadurch kann das hier dargelegte Verbindungsmittel besonders vorteilhafterweise in einer Brennstoffzelle verwendet werden. Unter hohl ist dabei insbesondere zu verstehen, dass der gesamte Betätigungsbereich in Längsrichtung hohl sein kann.
Vorteilhafterweise weist der Betätigungsbereich einen Gasanschluss auf. Hierdurch kann besonders einfach ein Gasfluss aus dem und/oder in den Betätigungsbereich realisiert werden. Der Gasanschluss kann insbesondere ein gasdichtes Gewinde und/oder ein Schlauchanschluss aufweisen oder ausbilden.
Vorteilhafterweise ist eine Zentralausnehmung vorhanden, welche sich in Längsrichtung von dem Betätigungsbereich über den Elastizitätsbereich erstreckt und bis zum Montagebereich reichen kann. Vorteilhafterweise erstreckt sich diese Zentralausnehmung von dem distalen Ende des Montagebereichs bis zu einem distalen Ende des Betätigungsbereichs. In anderen Worten kann eine Zentralausnehmung durch das Verbindungsmittel sich in Längsrichtung erstrecken, um so insbesondere einen Fluidfluss durch das Verbindungsmittel realisieren zu können. Vorteilhafterweise weist diese Zentralausnehmung einen konstanten Durchmesser im Betätigungsbereich, im Elastizitätsbereich und/oder im Montagebereich auf. Hierdurch kann eine besonders einfache und kostengünstige Fertigung erreicht werden, welche darüber hinaus auch noch mechanisch vorteilhafte Eigenschaften aufweist.
Zweckmäßigerweise weißt der Betätigungsbereich Betätigungsflächen auf, wobei die Betätigungsflächen insbesondere eine Normale in die Radialrichtung aufweisen. Hierdurch kann ein, insbesondere formschlüssige, Drehmoment, insbesondere um die Längsrichtung, zur Montage des Verbindungsmittels in einfacher Weise auf das Verbindungsmittel ausgeübt werden. Durch die Vorsehung dahingehend, dass die Normalen der Betätigungsflächen in die Radialrichtung weisen, kann insbesondere eine besonders kostengünstige Fertigung erreicht werden, welche darüber hinaus auch einfach betätigt werden kann.
Vorteilhafterweise ist/sind eine oder eine Vielzahl von Vertiefungen und/oder Durchbrüchen, insbesondere Vertiefungen und/oder Durchbrüche, welche Spiralen ausbilden und/oder langlochförmig ausgebildet sind, lasergeschnitten. Hierdurch resultiert eine besonders kostengünstige und exakte Fertigung, sodass lokale (ungewollte) Spannungskonzentrationen vermieden und/oder reduziert werden können.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann eine Batterieanordnung und/oder eine Brennstoffzelle betreffen, wobei die Batterieanordnung oder die Brennstoffzelle ein Verbindungsmittel wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben aufweist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann eine Verwendung eines Verbindungsmittels wie vorhergehend und/oder nachfolgend beschrieben in einer Batterieanordnung oder Brennstoffzelle und/oder für eine Batterieanordnung oder Brennstoffzelle betreffen. Ein weiterer Aspekt der Erfindung kann ein Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels, insbesondere wie vorgehend und nachfolgend beschrieben, betreffen. Das Verfahren umfasst insbesondere die Schritte:
• Vorteilhafterweise Bereitstellen eines Rohlings;
• Ausformen eines Betätigungsbereichs, insbesondere eines Kopfs, vorteilhafterweise durch Umformen;
• Ausformen eines, insbesondere hohlen, Montagebereichs, insbesondere mittels Umformen;
• Ausformen eines Elastizitätsbereichs, insbesondere durch Einbringung von Steifigkeitsreduktionsstrukturen, vorteilhafterweise in der Form von Vertiefungen und/oder Durchbrüchen, in Längsrichtung zwischen dem Betätigungsbereich und dem Montagebereich.
Das Einbringen der Steifigkeitsreduktionsstrukturen kann insbesondere mittels eines Lasers erfolgen, daher beispielsweise durch Laserschneiden. Das durch das Verfahren zum Herstellen bereitgestellte Verbindungsmittel kann insbesondere die vorhergehend und nachfolgend dargelegten Merkmale, Ausgestaltungen, Ausführungsform und Vorteile aufweisen. Insbesondere erfolgen dabei das Ausformen des Betätigungsbereichs und/oder das Ausformen des Elastizitätsbereichs und/oder das Ausformen des Montagebereichs durch ein Umformverfahren, um so eine besonders mechanisch belastbare und dennoch kostengünstige Ausgestaltung eines Verbindungsmittels zu erreichen. Das Verbindungsmittel kann dabei insbesondere eine Schraube und/oder ein Bolzen sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung mit Bezug auf die Figuren. Einzelne Merkmale der dargestellten Ausführungsformen können dabei auch in anderen Ausführungsformen eingesetzt werden, sofern dies nicht ausdrücklich ausgeschlossen wurde. Es zeigen:
Figur 1 eine Seitenansicht eines Verbindungsmittels mit Steifigkeitsreduktionsstrukturen in Langlochförmiger Form; Figur 2 ebenfalls ein Verbindungsmittel mit Steifigkeitsreduktionsstrukturen als Ausnehmung, wobei die Briete der Steifigkeitsreduktionsstrukturen zur Mitte hin abnehmend ist;
Figur 3 eine Teilansicht eines Verbindungsmittels in einer Brennstoffzelle;
Figur 4 eine Vielzahl von Verbindungsmitteln in einer Brennstoffzelle;
Figur 5 eine Seiten und Schnittansicht eines Verbindungsmittels; und
Figur 6 ein Verbindungsmittel mit einer Verformungsstruktur, welche eine Spirale ist.
In Figur 1 ist ein Verbindungsmittel 1 gezeigt, welches ein Betätigungsbereich 10 in Form eines Kopfes aufweist. Der Betätigungsbereich 10 verfügt über ein Anschlussgewinde für einen Gasstutzen. Darüber hinaus verfügt das Verbindungsmittel 1 auch über einen Montagebereich 50, wobei der Befestigungsbereich 10 und der Montagebereich 50 distal gegenüberliegende Endebereiche des Verbindungsmittels 1 in Längsrichtung L ausbilden. Zwischen dem Befestigungsbereich 10 und dem Montagebereich 50 befindet sich der Elastizitätsbereich 30. Der Elastizitätsbereich 30 weist aufgrund seiner Geometrie eine geringere Elastizität als der Montagebereich 50 und als der Betätigungsbereich 10 auf und wobei der Elastizitätsbereich 30 eine degressive Federcharakteristik aufweist. Diese Steifigkeitscharakteristika des Elastizitätsbereichs 30 wird durch die langlochförmigen Steifigkeitsreduktionsstrukturen erreicht, welche als Durchbruch ausgebildet sind.
In Figur 2 ist ein ähnliches Verbindungsmittel 1 im Vergleich zu der Figur 1 gezeigt. Der Betätigungsbereich 10 verfügt jedoch über einen Außensechskant mit Betätigungsflächen 12. In dem Montagebereich 50, welcher innen hohl ausgebildet ist, befindet sich ein Innengewinde zur Montage. Radial von der Längsrichtung L weist die Radialrichtung R. Die im Elastizitätsbereich 30 vorhandenen Verformungsstrukturen 32 sind derart beschaffen, dass diese eine variable Breite in Längsrichtung L aufweisen, wobei die Breite zur Mitte der Ausnehmung hin abnehmend ist.
In Figur 3 ist eine Detailansicht eines montierten Verbindungsmittels 1 in einer Brennstoffstelle zu erkennen. Sowohl der Betätigungsbereich 10, welcher in seinem Inneren Betätigungsflächen 12 aufweist, als auch der Elastizitätsbereich 30 sind mit einer Zentralausnehmung 60 versehen, sodass ein innen hohler Bereich sowohl im Elastizitätsbereich 30 als auch im Betätigungsbereich 10 resultiert. Die Steifigkeitsreduktionsstrukturen sind dabei in langlochförmiger Weise ausgebildet. Die Steifigkeitsreduktionsstrukturen 34 bilden die Verformungsstrukturen 32 aus, wobei die Verformungsstrukturen 32 eine Radialstärke RS in Radialrichtung R aufweisen.
In Figur 4 ist eine Brennstoffzelle gezeigt, welche über eine Vielzahl von Verbindungsmitteln 1 verfügt. Die Verbindungsmittel 1 durchdringen dabei die Brennstoffzelle jeweils in Längsrichtung L vollständig.
In Figur 5 ist im unteren Bereich eine Seitenansicht und im oberen Bereich eine Schnittansicht durch ein Verbindungsmittel 1 gezeigt. Das Verbindungsmittel 1 erstreckt sich in Längsrichtung L. Im Elastizitätsbereich 32 sind dabei tellerfederartige hintereinander geschaltete Verformungsstrukturen 32 ausgebildet. Durch diese geometrische Ausbildung verfügt der Elastizitätsbereich 30 über eine degressive Federcharakteristik. Die Radialstärke RS im Elastizitätsbereich ist dabei erkennbar. Sowohl der Montagebereich 50 als auch der Elastizitätsbereich 30 sind innen hohl ausgebildet und verfügen daher jeweils über einen Abschnitt der Zentralausnehmung 60. Um eine Montage des Verbindungsmittels 1 zu erreichen, verfügt der Montagebereich 50 über ein Innengewinde.
In Figur 6 ist ein Verbindungsmittel 1 gezeigt. Das Verbindungsmittel 1 verfügt über eine Verformungsstruktur 32, welche eine Spirale ist. In anderen Worten verfügt der Elastizitätsbereich 30 über eine wendeiförmige Vertiefung, welche die Verformungsstruktur 32 ausbildet. Die Verformungsstruktur 32 weist in Längsrich- tung L eine Materialstärke MS auf. Alternativ bevorzugt kann statt einer wendeiförmigen Vertiefung auch eine Mehrzahl von Wendeiförmigen Vertiefungen vorgesehen sein, sodass eine mehrgängige Verformungsstruktur bzw. Verformungsstrukturen in Form einer Spirale resultieren. Der Montagebereich 50 verfügt ebenfalls über ein metrisches Innengewinde.
Bezugszeichenliste:
1 - Verbindungsmittel
10 - Betätigungsbereich, insbesondere Kopf
12 - Betätigungsfläche
30 - Elastizitätsbereich
32 - Verformungsstrukturen
34 - Steifigkeitsreduktionsstrukturen, Vertiefungen, insbesondere Durchbrüche
50 - Montagebereich
60 - Zentralausnehmung
L - Längsrichtung
MS - Materialstärke
R - Radialrichtung
RS - Radialstärke
U - Umfangsrichtung

Claims

Ansprüche Verbindungsmittel (1 ), insbesondere Schraube oder Bolzen, umfassend einen Betätigungsbereich (10), insbesondere einen Kopf, einen Elastizitätsbereich (30) und einen Montagebereich (50), wobei sich das Verbindungsmittel (1 ) in eine Längsrichtung (L) erstreckt, wobei eine Radialrichtung (R) insbesondere senkrecht auf der Längsrichtung (L) steht, wobei der Elastizitätsbereich (30) in Längsrichtung (L) zwischen dem Betätigungsbereich (10) und dem Montagebereich (50) liegt, wobei der Montagebereich (50) ein Gewinde, insbesondere ein Innengewinde, aufweist, wobei der Elastizitätsbereich (30) und/oder der Montagebereich (50) insbesondere innen hohl sind, wobei der Elastizitätsbereich (30) Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), insbesondere in der Form von Ausnehmungen und/oder Durchbrüchen, aufweist, und/oder wobei der Elastizitätsbereich (30) aufgrund seiner Geometrie eine geringere Elastizität als der Montagebereich (50) und/oder als der Betätigungsbereich (10) aufweist und/oder wobei der Elastizitätsbereich eine degressive Federcharakteristik aufweist. Verbindungsmittel (1 ) gemäß Anspruch 1 , wobei der Elastizitätsbereich (30) eine oder eine Vielzahl von Verformungsstrukturen (32) aufweist, welche bei einer Verlagerung des Betätigungsbereichs (10) in Längsrichtung (L) in Relation zum Montagebereich (50) auf Biegung und/oder Torsion belastet sind. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elastizitätsbereich (30) eine degressive Federcharakteristik aufweist. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elastizitätsbereich (30) einen oder eine Vielzahl von Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), insbesondere in der Form von Vertiefungen (34) und/oder Durchbrüchen, aufweist, wobei die Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34) die Verformungsstrukturen (32) ausbilden oder begrenzen. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), insbesondere eine Vertiefung, derart ausgebildet ist, dass dessen Projektion in Längsrichtung (L) sich selbst überdeckt. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Elastizitätsbereich (30) eine oder mehrere wendeiförmige Vertiefungen (34) und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34) aufweist, sodass der Elastizitätsbereich (30) eine oder mehrere und/oder mehrgängige Verformungsstrukturen (32) aufweist, welche eine Spirale sind. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Verformungsstruktur (32), insbesondere die Spirale, eine Materialstärke (MS) in Richtung der Längsrichtung (L) und Radialstärke (RS) in die Radialrichtung aufweist, wobei das Verhältnis aus der Materialstärke (MS) zu der Radialstärke (RS) in einem Bereich von 0,8 bis 1 ,2, bevorzugt in einem Bereich von 0.9 bis 1 ,1 , und besonders bevorzugt in einem Bereich von 0,97 bis 1 ,03, liegt. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Vertiefung (34) und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), bevorzugt eine Vielzahl von Vertiefungen (34) und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), langlochförmig ist/sind. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Projektionen der langlochförmigen Vertiefungen (34) und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34) in Richtung der Längsrichtung (L) einen geschlossenen Kreis, insbesondere um die Längsrichtung (L), ausbilden.
10. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zumindest eine Vertiefung (34) und/oder Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), welche insbesondere langlochförmig ist, eine variable Breite in Längsrichtung (L) aufweist.
11 . Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 10, wobei die Breite des und/oder zumindest eines Durchbruchs (34) und/oder zumindest einer Steifigkeitsreduktionsstruktur (34) zur Mitte der Vertiefung (34) und/oder der Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34) abnehmend ist.
12. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verbindungsmittel einstückig ist.
13. Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine Zentralausnehmung (60) vorhanden ist, welche sich in Längsrichtung (L) von dem Betätigungsbereich (10) über den Elastizitätsbereich (30) bis zum Montagebereich (50), insbesondere bis zum distalen Ende des Montagebereichs (50), erstreckt.
14. Batterieanordnung oder Brennstoffzelle umfassend ein Verbindungsmittel (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche und/oder
Verwendung eines Verbindungsmittels (1 ) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche in einer Batterieanordnung oder Brennstoffzelle und/oder für eine Batterieanordnung oder Brennstoffzelle.
15. Verfahren zum Herstellen eines Verbindungsmittels (1 ), insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 13, umfassend die Schritte:
• Insbesondere Bereitstellen eines Rohlings; • Ausformen eines Betätigungsbereichs (10), insbesondere eines Kopf, vorteilhafterweise durch Umformen;
• Ausformen eines hohlen Montagebereichs (50), insbesondere mittels Umformen;
• Ausformen eines Elastizitätsbereichs (30), insbesondere durch Einbringung von Steifigkeitsreduktionsstrukturen (34), vorteilhafterweise in der Form von Vertiefungen und/oder Durchbrüchen, in Längsrichtung (L) zwischen dem Betätigungsbereich (10) und dem Montagebereich (50).
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