DE3033909C2 - Verbindungselement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement der im Oberbegriff des Hauptanspruchs angegebenen Art.

Aus der US-PS 42 08 943 ist ein Verbindungselement dieser Art bekannt, bei dem alle Schließrillen die gleiche Form und die gleiche radiale Tiefe aufweisen. Ausgenommen die vom Bolzenkopf aus gesehen erste und vom verformten Schließring mit Material ausgefüllte Schließrille ist jede Schließrille als mögliche Sollbruchstelle für den Bolzenschaft ausgebildet. Bei der Formgebung der Schließrillen wird jeweils der Rillengrund zu einer Kerbstelle und damit möglichen Bruchstelle ausgebildet. Ferner stehen die Flanken jeder Rille unter verschiedenen Winkeln in bezug auf das beim Verformen fließende Material des Schließringes. Da im Bereich des dem Bolzenkopf abgewandten Schließringendes das stärkste Fließen stattfindet, sollen in der dort zu liegen kommenden Schließrille Kräfte an den Flanken wirksam werden, die sie auseinanderzuzwängen suchen und in der Kerbstelle zu einem Belastungs- oder Spannungsspitzenwert führen. Die zusätzlich dort auch wirksame Zugkraft des Setzwerkzeuges soll schließlich dazu führen, daß der Bolzenschaft an dieser Kerbstelle in derjenigen Schließstelle abreißt, die im Schließring die erste ist und als erste ausgefüllt wird. In der Praxis ist es jedoch außerordentlich schwierig, die Formgebung, die tatsächlich eintretenden Fließverhältnisse und den Kraftverlauf beim Setzen so vorherzubestimmen und so aufeinander abzustimmen, daß der Bruch tatsächlich in der gewünschten Kerbstelle eintritt Es zeigt sich vielmehr, daß der Bolzenschaft häufig nicht dort abreißt, sondern in einer anderen, außerhalb liegenden Fließrille. Da ja bei jedem Rillengrund die gleiche Querschnittsfläche vorliegt, herrschen in allen diesen Querschnittsflächen die gleichen Zugspannungen. Kleinste Inhomogenitäten des Bolzenschaftmaterials oder Unebenheiten an einem Rillengrund verlegen die Bruchstelle unvermeidlich in eine solche eine Schwachstelle bildende Schließrille, die ohne weiteres auch direkt bei den Zugklauen des Setzwerkzeuges liegen kann. Dann steht aber nach dem Abreißen des Bolzenschaftes die verletzungsgefährliche Bruchstelle und der lange Bolzenschaft unerwünscht über den Schließring vor. Der grundlegende Nachteil dieses bekannten Verbindungselementes liegt in der Unsicherheit, ob der Bolzenschaft tatsächlich in der gewünschten Schließrille reißt, oder nicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein universell für verschiedene Dicken von Bauteilverbindungen einsetzbares Verbindungselement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem die Bruchstelle des Bolzenschaftes unabhängig von der jeweiligen Dicke der Bauteilverbindung zuverlässig unmittelbar hinter der dem Kopf abgewandten Stirnseite des Schließringes oder sogar in diesem versenkt zu liegen kommt.
Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs angegebenen Merkmale gelöst.

Unabhängig von der Dicke der Bauteilverbindung reißt der Bolzenschaft mit Sicherheit jeweils im Bereich der nicht mehr oder nur unvollständig ausgefüllten Schließrille, die der dem Bolzenkopf abgewandten Stirnseite des Schließringes benachbart ist oder im Bereich dieser Stirnseite zu liegen kommt. Erreicht wird dies durch die stufenweise Abnahme der radialen Tiefe der Schließrillen, und zwar in Richtung vom Bolzenkopf

« weg. Wenn nämlich gegen Ende der Verformung des Schließringes noch mehrere Schließrillen frei bleiben, reißt der Bolzenschaft an dem Querschnitt, der die geringste Querschnittsfläche aufweist, infolge der vom Bolzenkopf weg abnehmenden, radialen Tiefe der Schließrillen befindet sich die kleinste und außerhalb des Schließringes vorliegende Querschnittsfläche im Bereich der Schließrille, die dem Schließring am nächsten liegt. Bei den weiteren, freien Schließrillen ist die Querschnittsfläche des Schaftes jeweils größer. Die innerhalb des Schließringes von dessen verformten Material ausgefüllten Schließringe definieren zwar Schaftabschnitte mit noch kleineren Querschnittflächen, jedoch werden diese nicht mit einer so großen Zugspannung beaufschlagt, wie die kleinste Quer-Schnittfläche im Bereich der ersten freien Schließrille außerhalb des Schließringes, denn die Verformungshülse stützt sich in überwiegendem Maß auf dem verformten Schließring ab, bzw. die Zugkraft wird über die Breite der in die Schließrillen hineingepreßten Wulste übertragen, so daß die Zugspannung zwischen dem Zugteil und der Verformungshülse in der kleinsten Querschnittsfläche des Schaftes, jedoch außerhalb des Schließringes wirkt.

Es ist zwar aus der US-PS 29 55 505 bekannt, bei einem Verbindungselement einer anderen Gattung die Schließrillen vom Bolzenkopf weg mit abnehmender radialer Tiefe auszubilden. Hieraus läßt sich aber nicht ableiten, die Schließrillen als mögliche Sollbruchstellen auszubilden und zu benutzen, da der Bolzenschaft nicht abgerissen wird und das Herstellen der Verbindung nicht unter Zug am Bolzenschaft erfolgt, sondern da der mit vorgegebener Länge ausgebildete Bolzenschaft unter Abstützung des Bolzenkopfes an einem Gegenhalter unter Druckbelastung gesetzt und von dem unter Druck aufgepreßten Schließring umschlossen wird.

Eine zweckmäßige Ausführungsform der Erfindung ist Unteranspruch 2 zu entnehmen. Diese Abstimmung der Breiten der Ringstege zwischen den Schließrillen trägt besonderen Anforderungen an das Verbindungselement Rechnung. Das Zusammenspiel zwischen der Tiefe der Schließrillen, ihrer Breite und der Breite der Stege führt zu je nach Anwendungsfall unterschiedlicher Verteilung der Zugspannungen im vom Schließring umfaßten Bolzenschaft.

Eine weitere, zweckmäßige und besonders wichtige Ausführungsform der Erfindung geht aus Anspruch 3 hervor. Aus statischen Gründen ist es wichtig, daß eine vorbestimmte Schließlänge des Schließringes unter allen Umständen zum Tragen kommt. Andererseits wird angestrebt, daß — falls beispielsweise der Schließring an der Sichtseite einer Bauteil-Verbindung liegt — die Bruchstelle des Bolzenschaftes keine Verletzungsgefahr bedingt. Diese beiden Forderungen lassen sich gemeinsam oder alternativ in der besonders vorteilhafter Weise durch die Ansenkung im Schließringende erfüllen. Bei der Verformung des Schließringes wird nämlich über die Tiefe der Ansenkung das Material des Schließringes nicht in die dort liegenden Schließrilien hineingepreßt, sondern nur bis gegen die äußeren Ringstege. Die Schließrillen selbst bleiben dort frei. Infolge der Ausbildung des Verbindungselementes gemäß dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruches wird dann sichergestellt, daß die tatsächliche Sollbruchstelle des Bolzenschaftes innerhalb der Ansenkung zu liegen kommt, und zwar bei der ersten Schließrille, die freigeblieben ist. Das freie Ende des Schließringes ist jedoch glatt und schirmt die zackige Bruchstelle ab, so daß hier keine Verletzungsgefahr besteht.

Dabei ist es wichtig, wenn die Maßnahmen gemäß Anspruch 4 getroffen sind. Die Form der Ansenkung beeinflußt den Kraftverlauf beim Herstellen der Verbindung.

Wichtig ist schließlich noch die Ausführungsform gemäß Anspruch 5. Bei dieser Mindesttiefe der Ansenkung wird zuverlässig erreicht, daß die tatsächliche Bruchstelle innerhalb der Schließringlängserstreckung liegen muß.

Ausführungsformen der Erfindung werden nächstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen

F i g. 1 bis F i g. 3 ein erfindungsgemäßes Verbindungselement in 3 Phasen bei der Herstellung einer Verbindung zweier Bauteile,

Fig.4 eine vergrößerte Darstellung des Verbindungselementes, in etwa in der Phase von Fig. 1,

F i g. 5 einen Schließring wie er in F i g. 4 dargestellt ist,

F i g. 6 einen Schließring, wie er in etwa in F i g. 1 gezeigt ist, mit angesetzter Verformungshülse, und

Fig. 7 eine spezielle Ausführungsform eines Schließringes mit angesetzter Verformungshülse.

Aus den Fig. 1 bis 3 seht die Verarbeitungsweise eines erfindungsgerr.äßsn Verbindungselementes 1 deutlicher hervor. Von einem Bolzenkopf 2 erstreckt sich ein glatter Schaftteil 3 weg, an den sich ein erster Schaftabschnitt 4 in einer vorgegebenen Länge und ein zweiter Schaftabschnitt 5 in ebenfalls vorgegebener Länge anschließt. Im Schaftabschnitt 4 sind umlaufende Schließrillen 6 ausgeformt, während der zweite Schaftabschnitt 5 eine Strukturierung 7 aufweist die zum besseren Angreifen eines Zugteils 14 dient Mit dem Verbindungselement 1 sollen zwei flächige Bauteile 8, 9 im Bereich einer Durchgangsbohrung 10 miteinander fest verbunden werden. Zu diesem Zweck ist über die Schaftabschnitte 5, 4 ein Schließring 11' aufgeschoben, der sich an der dem Kopf 2 abgewandten Oberfläche des Bauteiles 9 abstützt

Zum Verbinden der Bauelemente 8 und 9 wird ein Setzwerkzeug 12 verwendet, das bekannt ist und deshalb nur zum Teil erläutert wird. Das Setzwerkzeug

12 verfügt über eine Verformungshülse 13, die eine konisch aufgeweitete Innenbohrung hai. In der Verformungshülse 13 befindet sich ein Zugteil 14, zweckmäßiger Weise mit Klauen, und ein mit dem Zugteil 14 zusammenwirkender Zugkopf 15, der über ein Distanzelement 16 verfügt, das sich durch die Verformungshülse

13 erstreckt. In der dargestellten Arbeitsphase wird die Verformungshülse 13 gegen die dem Kopf 2 abgewandte Stirnseite des Schließringes 11' gepreßt, während der Zugteil 14 an der Strukturierung 7 des zweiten Schaftabschnittes 5 angreift. Danach wird über den Zugkopf 15 in Fig.", Zug nach links ausgeübt, aus dem gleichzeitig eine in F i g. 1 nach rechts gerichtete Druckkomponente für die Verformungshülse 13 resultiert.

Anfänglich werden die Bauteile 8, 9 fest gegeneinander gezogen und der Bolzenschaft auf Zug gespannt. Die Zugbelastung wird dann soweit gesteigert, bis die Verformungshüise 13 schließlich (Fig. 2) den Schließring 11 soweit verformt, daß sein Werkstoff in die Schließrillen 6 hineinfließt und in diesen wuJstartigen Zonen Kräfte überträgt. In der Phase von F i g. 2 gelangt das vordere Ende der Verformungshülse in die Nähe des Bauteiles 9. Bei einer weiteren Steigerung der Zugbelastung am Schaft reißt dieser im Bereich der ersten Schließrille 6, die sich hinter dem dem Kopf 2 abgewandten Stirnende des Schließringes 11 befindet.

Danach wird das Setzwerkzeug 12 mit dem abgerissenen Schaftteil entfernt, so daß sich das Verbindungselement in der in Fig. 3 angedeuteten Weise zeigt, wobei die Bauteile 8 und 9 unter Druckvorspannung miteinander verbunden sind.

In F i g. 4 ist der Aufbau des Befestigungselementes 1 deutlicher erkennbar. Im ersten Schaftabschnitt 4 hinter dem glatten Schaft 3 sind in Richtung vom Kopf 2 weg die Schließrillen 6 ausgeformt, wobei die Schließrillen 6 bei diesem Ausführungsbeispiel mit gleichen Zwischenabständen in ihrer radialen Tiefe vom Kopf 2 weg abnehmen. Ausgehend von der ersten Schließrille 6a, die den kleinsten Durchmesser d min des Schaftabschnittes 4 definiert, nimmt bei gleichbleibender Breite b der Schließrillen mit jeder Schließrille 6b bis 6Λ der Kerndurchmesser des Schaftabschnittes 4 bis zu einem Wert d max zu. Der zweite Schaftabschnitt 5 hat z. B. den gleichen Außendurchmesser wie die mit 18 bezeichneten, zwischen den Schließrillen 6a bis 6Λ verbleibenden Ringstege. Seine Strukturierung 7 dient nur einem besseren Angriff des Zugteiles 14.

Der Schließring 11, an den bereits die Verformungshülse 13 angesetzt ist, ist an seiner den Kopf 2

abgewandten Stirnseite bei 21 abgeschrägt, eine konusartige Innenbohrung 26 der Verformungshülse 13 ist bei 20 angeschrägt. Der Schließring 11 besitzt eine Innenbohrung 22, deren Durchmesser du geringfügig größer ist, als der Schaftdurchmesser ds im Bereich der Ringstege 18.

Bei gegebener Länge des Schließringes 11 liegt infolge der Dicke der Bauteile 8 und 9 die Schließrille 6/" außerhalb des Schließringes 11. Da die Querschnittsfläche des Schaftes im Bereich der Schließrille 6/kleiner ist, als die Querschnittsfläche im Bereich der Schließrille 6Λ (d max) wird bei ausreichend großer Zugbelastung durch den Zugteil 14 der Schaft im Bereich dieser Schließrille 6/" abreißen, da die Zugkraft vom Zugteil 14 nicht unmittelbar auf den sich an den Bauteilen 8, 9 abstützenden Kopf 2 übertragen wird, sondern ihr Widerlager in der sich an dem Schließring 11 abstützenden Verformungshülse 13 findet, und da die wulstartigen Materialansammlungen in den Schließrillen 6a—6e mittragen.

Mit dem dargestellten Satz aus Bolzen und Schließring 11 können unterschiedlich dicke Bauteilverbindungen hergestellt werden. Wenn die Bauteile 8 und 9 dicker sind, wird die Bruchstelle im Bereich der Schließrille 6Λ liegen. Bei dünneren Bauteilen 8, 9 kann jede der Schließrillen 6b bis 6Λ als Bruchstelle dienen, an der der Bolzenschaft abreißt. Bei besonderen Anforderungen ist es zweckmäßig, die Breite b der Schließrillen 6 eines Bolzens in Richtung vom Kopf weg zu- oder abnehmend zu gestalten.

F i g. 5 verdeutlicht im Querschnitt den Schließring 11 von Fig.4. Neben seiner Innenbohrung 22 mit dem Durchmesser d« verfügt der Schließring 11 über die Abschrägung 21, die den Beginn der Verformung durch die Verformungshülse 13 vereinfachen soll.

In F i g. 6 ist ein Schließring 11' im Schnitt dargestellt, dessen Innenbohrung 22 wiederum den Durchmesser cfo aufweist. Anstelle der Abschrägung 21 ist hier eine verstärkte Abschrägung 21' ausgebildet, die in den weiteren Körper des Schließringes 11' mit einer Schulter 23 überführt. Eine spezielle Art einer Verformungshülse 13' besitzt neben der konischen Innenbohrung 26' am hinteren Ende eine Anschlagschulter 27, die am Ende der Verformung am Schließring 11' stirnseitig anschlägt und das Abreißen begünstigt.

F i g. 7 zeigt eine besondere Ausführungsform eines Schließringes 11" im Schnitt. Auch dieser verfügt wiederum über eine Innenbohrung 22 mit den Durchmesser d_R, der geringfügig größer ist, als der Außendurchmesser ds des Schaftes des Bolzens 1. An seinem beim Verarbeiten des Verbindungselementes dem Kopf abgewandten Stirnende besitzt der Schließring 11" eine zylindrische Ansenkung 24, die koaxial zur Innenbohrung 22 liegt und sich mit einem Innendurchmesser dv über eine Tiefe T erstreckt. Mit dieser Ansenkung 24 kann die Bruchstelle des Schaftabschnittes 4, die durch jede der Schließrillen 6b bis 6Λ definiert sein kann, ins Innere des Schließringes 11" verlegt werden, ohne daß die vorbestimmte und durch die Länge der Innenbohrung 22 vorgegebene Schließlänge des Schließringes 11" verlängert wird. Der Schaftabschnitt 4 reißt hier so ab, daß die Bruchstelle nach außen nicht übertritt und daß jede Verletzungsgefahr ausgeschlossen wird. Die Ansenkung kann auch kegelförmig ausgebildet sein; sie geht mit einer Schulter 25 in die Innenbohrung 22 über. Der Innendurchmesser dv der Ansenkung 24 ist so gewählt, daß bei der Verformung des Schließringes 11" dessen Material im Tiefenbereich der Ansenkung nicht in die Schließrillen gepreßt wird. Dadurch reißt der Schaft an der ersten Schließrille ab, die nicht mit dem Material des Schließringes ti" ausgefüllt ist. Mit 13 ist wieder die Verformungshülse bezeichnet.

Der besondere Vorteil dieses Verbindungselementes liegt darin, daß mit einer Bolzengröße und einem Schließring unterschiedliche Dicken von Bauteilverbindungen überdeckt werden. Darüberhinaus können ein und demselben Bolzen verschieden lange Schließringe zugeordnet werden, damit je nach Anwendungsfall unterschiedlich hohe Schließlängen erzielt werden. Trotzdem bildet auch dann wiederum die erste freie Schließrille die Sollbruchstelle bzw. die tatsächliche Bruchstelle für den Bolzenschaft Die Tiefe T der Ansenkung ist zweckmäßigerweise so gewählt, daß sie zumindest die Hälfte der Breite b einer Schließrille 6 beträgt. Dann schließt die Bruchstelle bündig mit der Stirnseite des Schließringes ab. Die Querschnittsform der Schließrillen 6 kann in üblicher Weise variiert werden, so daß das Verbindungselement an unterschiedliche Anwendungsfälle anpaßbar ist Als günstig hat sich auch eine V-förmige, gerundete Querschnittsgestalt der Schließrillen erwiesen, da dann das Material dort besser hineinfließt. Da die Breite b der Schließrillen mitbestimmend für das Tragen der wulstartigen Materialansammlungen des verformten Schließringes ist, ist es zweckmäßig, bei weichen Schließringen eine größere Breite b zu wählen, als bei harten Schließringen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

1 Patentansprüche:

1. Verbindungselement zum Verbinden von Bauteilen, bestehend aus einem Bolzen mit einem an einer Bauteilseite anlegbaren Kopf und einem durch die Bauteile steckbaren Bolzenschaft, um den ein Schließring verformbar ist, der in verformten! Zustand an einer anderen Bauteilseite anliegt unü wenigstens eine umlaufende Schließrille einer Vielzahl von in Schaftlängsrichtung hintereinanderliegenden Schließrillen ausfüllt, wobei mit Ausnahme der ersten außerhalb der anderen Bauteilseite liegenden Schließrille jede Schließrille als mögliche Sollbruchstelle für den Bolzenschaft dient, an der der Bolzenschaft abreißt, wenn mit dem aus einer Verformungshülse für den Schließring und einem Zugteil bestehenden Setzwerkzeug der Schließring unter Zug am Bolzenschaft in einem vorbestimmten Maß verformt ist, dadurch gekennzeichnet, daß die als Sollbruchstellen dienenden SchließriJJen (6b bis 6h) in Richtung vom Kopf (2) weg eine stufenweise abnehmende, radiale Tiefe aufweisen.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der zwischen den Schließrillen (6) liegenden Ringstege (18) in Richtung vom Bolzenkopf (2) weg stufenweise zu- oder abnimmt.

3. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß am dem Bolzenkopf (2) abgewandten Ende des Schließringes (U") eine in ihrem Innendurchmesser (d_v) gegenüber dem Durchmesser (or) der Ringbohrung (22) vergrößerte und zu dieser koaxiale Ansenkung (24) vorgesehen ist.

4. Verbindungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ansenkung (24) zylindrisch oder nur schwach kegelförmig ist.

5. Verbindungselement nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe (T) der Ansenkung (24) zumindest die Hälfte der Breite (h) der die tatsächliche Bruchstelle des Schaftes bildenden Schließrille (6) beträgt.