DE1950372B2

DE1950372B2 - Anwendung eines metallischen befestigungselements

Info

Publication number: DE1950372B2
Application number: DE19691950372
Authority: DE
Inventors: Jagdish Singh Torrance Calif Sekhon (VStA)
Original assignee: Hi-Shear Corp, Torrance, Calif (V St A)
Priority date: 1968-10-07
Filing date: 1969-10-06
Publication date: 1977-10-13
Also published as: NL6915108A; US3512446A; FR2020076A1; DE1950372A1; GB1259800A; DE1950372C3

Description

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Bei metallischen Befestigungselementen mit Schaft und Kopf ist es allgemein bekannt, den Kopf als Senkkopf auszubilden, so daß sich beim Einsetzen des Befestigungselements in das Loch eines Werkstücks die Senkfläche des Senkkopfes an eine entsprechende Senkfläche an einem Ende des Lochs im Werkstück anlegt. Die Senkflächen von Werkstück und Kopf sind hierbei üblicherweise kongruent zueinander und berühren einander über ihre gesamten Oberflächen.

Aus der US-PS 29 82 166 ist ein Befestigungselement bekannt, bei dem die Senkfläche des Kopfes nicht kongruent zu der Senkfläche im Werkstück ist. Beim Einsetzen des Befestigungselements in das Loch im Werkstück wird die Senkfläche am Werkstück, das aus nachgiebigem Material besteht, über die Druckfließgrenze hinaus verformt, um eine vollständige Fiächenberührung zwischen den beiden Senkflächen zu erzielen. Diese Anordnung dient dazu, bei dünnen Werkstücken aus nachgiebigem Material, z. B. aus Metall, zu vermeiden, daß beim Einsetzen des Befestigungseh:- ments das Material des Werkstücks aufreißt, spaltet oder splittert. Zu diesem Zweck wird beim Einsetzen des Senkkopfü des Befestigungselements das Material des Werkstücks zusammengedrückt.

Unabhängig davon ist man bei der Herstellung hochfester Befestigungsanordnungen, z. B. bei Rahmen von Luftfahrzeugen u. dgl., dazu übergegangen, die Lebensdauer dadurch zu erhöhen, daß man im Bereich des zylindrischen Teils eines Lochs im Werkstück radiale Druckbeanspruchungeri durch Preßsitz zwisehen dem Schaft des metallischen Befestigungselements und der Lochwand des metallischen Werkstücks erzeugte. Die Lebensdauer solcher Verbindungen wurde hierdurch stark erhöht. Es wurde jedoch gefunden, daß hierbei noch Fälle von Versagen infolge von Ermüdungserscheinungen im Bereich der Senkftächen auftraten.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Lebensdauer der bckaniiieii Preßsitz-Verbindungsanordnungen zu erhöhen.

Dies geschieht erfindungsgemäß durch Anwendung eines an sich aus der US-PS 29 82 166 bekannten metallischen Befestigungselements bei einem mit Preßsitz im Loch des Werkstücks gehaltenen Befestigungselement.

Hierdurch werden zusätzlich zu den radialen Druckbeanspruchungen durch den Preßsitz zwischen Bolzenschaft und Lochwand auch im Senkbereich Druckbeanspruchungen erzeugt, die zu einer Erhöhung der Lebensdauer des Befestigungselements führen. Das aus der US-PS 29 82 166 bekannte Befestigungselement wird also erfindungsgemäß zu einem anderen, neuen Zweck eingesetzt.

Dabei ist es grundsätzlich gleichgültig, wie die eine Senkfläche am Kopf des Befestigungselements in Bezug auf die andere Senkfläche im Loch des Werkstücks ausgebildet ist. Es genügt, wenn die beiden Senkflächen nicht kongruent zueinander sind, so daß sich beim Einsetzen des Befestigungselements eine Verformung der Senkfläclie am Werkstück über die Druckfließgrenze hinaus ergibt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform kann die Senkfläche am Kopf des Befestigungselements in Bezug auf die Senkfläche im Werkstück über ihre radiale Ausdehnung in an sich bekannter Weise konvex ausgebildet sein.

Eine solche Ausbildung ist an sich aus der FR-PS 9 17 003 bekannt, die ein Befestigungselement mit einer konvexen Senkfläche am Kopf offenbart. Dort soll aber nicht das Werkstück über die Druckfließgrenze hinaus zur Erzielung eines Preßsitzes im Senkbereich verformt werden. Vielmehr wird der Senkkopf in eine dünne Scheibe hineingezogen, die sich auf einer geneigten Werkstücksoberfläche abstützt. Hierbei wird die nicht als Senkbohrung anzusehende mittlere Vertiefung der Scheibe lediglich verbogen, so daß über die Scheibe ein Neigungsausgleich zwischen der Oberfläche des Werkstücks und dem Schaft des Befestigungselementes erfolgt.

Bei einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann an Stelle der Senkfläche am Kopf des Befestigungselements die Senkfläche im Werkstück konvex in Bezug auf die Senkfläche am Befestigungselement ausgebildet sein, so daß auch hier beim Einsetzen des Befestigungselements die Senkfiäche am Werkstück zum Erzielen von Druckbeanspruchungen über die Druckfließgrenze hinaus verformt wird.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt einen teilweisen Querschnitt, der zunächst den Stand der Technik veranschaulicht,

Fig.2 stellt eine auseinandergezogene Darstellung der Bestandteile einer Befestigungsanordnung gemäß der Erfindung dar,

F i g. 3 zeigt einen Querschnitt nach der Linie 3—3 in Fig. 2,

F i g. 4 zeigt einen Ausschnitt aus der Verbindung, die durch die Bestandteile der Anordnung nach Fig.2 im zusammengesetzten Zustand gebildet ist,

Fig. 5 veranschaulicht eine abgewandelte Ausbildung.

Gemäß Fig. 1 hat beim Stand der Technik ein Werkstück 10 ein Loch 11 mit einer Wand 12, die in einer Senkbohrung 13 endet. Diese Senkbohrung hat eine kegelstumpfförmige Senkfläche 14, die an der oberen Oberfläche 15 des Werkstücks 10 endet. Ein Befestigungselement 16 weist einen zylindrischen Schaft 17 auf, der mit der Wand 12 des Lochs 11 einen Preßsitz bilden kann. Das Befestigungselement 16 hat einen Senkkopf mit einer kegelstumpfförmigen Senkfläche 18, die kongruent zu der Senkfläche 14 ist. Ein Radius 19 ist

am Übergang der Senkflächen 14, 18 von Loch 11 und Befestigungselement 16 in deren benachbarte Oberflächen vorgesehen, um unerwünschte Beanspruchungsspitzen zu vermeiden. Ein Zusammenpressen der Senkflächen ergibt nur eine verhältnismäßig kleine s radiale Druckbeanspruchung. Eine wesentliche Verformung des Materials unterhalb der Fließgrenze ist nicht zu erwarten, und eine Verformung des Materials über die Fließgrenze hinaus ist außerordentlich unwahrscheinlich. Ein Zusammenpressen, das sinnvolle Bean- ίο spruchungswerte ergibt, erfordert eine Verformung des Materials, und eine solche ist nicht zu erwarten, wenn axiale Kräfte über große kongruente Flächen verteilt werden.

Um diese Beschränkungen des Standes der Technik zu beseitigen, werden erfindungsgemäß die Ausgestallungen verwendet, die in den F i g. 2 bis 5 veranschaulicht sind. Gemäß der Erfindung soll eine Befestigungsanordnung an einem Werkstück geschaffen werden, das aus Platten 20 und 21 bestehen kann, die je ein Durchgangsloch 22 aufweisen. Das Loch 7:2 in der Platte 20 weist eine Senkbohrung 23 auf, die durch eine kegelstumpfförmige Oberfläche 24 gebildet ist, die den zylindrischen Teil des Lochs 22 innerhalb der Platte 20 schneidet. Ein Halteglied, beispielsweise eine Mutter 25, dient dazu, an einem Befestigungselement 26 befestigt zu werden und die Befestigungsanordnung zu vervollständigen. Das Befestigungselement 26 weist einen Gewindezapfen 28 auf, aber die Erfindung ist auch für andere Befestigungselemente anwendbar. Die Art des Zusammenhaltens der Verbindung ist unabhängig von der Ausbildung des Senkbereichs.

Das Befestigungselement 26 weist einen Schaft 27 auf, der einen Preßsitz mit der Wand des Lochs 22 bilden soll, wobei also der Durchmesser des Schafts 27 größer ist als der Durchmesser des Lochs 22, an dem der Schaft im zusammengesetzten Zustand anliegt.

Der Gewindezapfen 28 weist ein Gewinde auf, das, wenn das Befestigungselement 26 in das Loch 22 eingesetzt ist, über die Rückseite der Platte 21 hinausragt und durch das Gegengewinde in der Mutter 25 festgehalten wird.

Der Gewindezapfen 28 kann auch dazu verwendet werden, den Schaft 27 vollständig in das Loch 22 hineinzuziehen, oder druckerzeugende Mittel, beispielsweise ein Schlaghammer, können verwendet werden, um die Druck- oder Schlagkräfte aufzubringen, die notwendig sind, um das Befestigungselement 26 durch Verformung des Materials in dem Locl· 22 festzulegen.

An dem Schaft 27 ist einstückig mit diesem ein Senkkopf 30 ausgebildet, der eine Senkfläche 31 aufweist, die jedoch nicht kongruent zu der Senkfläche 24 ist. Statt dessen ist die Senkfläche 31 konvex in Bezug auf die Senkfläche 24 und weist eine durchgehende Rotationsfläche auf, die außerhalb eines theoretischen Kegels 32 liegt, der den gleichen Kegelwinkel hat wie die Senkfläche 24. Beispielsweise kann bei einem Befestigungselement 26 mit einem Schaftdurchmesser in der Größenordnung von etwa 6,5 mm der größte Durchmesser des Kopfs 30 in der Größenordnung von etwa 9,5 mm und der größte Durchmesser der Senkfläche 24 in der Größenordnung von 10,0 mm liegen. Der Senkwinkel kann in der Größenordnung von 50° liegen, und die Erzeugende der Rotationsfläche kann ein Kreisbogen mit einem Radius in der Größenordnung von etwa 5,1 mm sein, dessen Mittelpunkt auf einem Punkt liegt, der sich etwa 4,6 mm oberhalb des Übergangs von dem Kopf 30 in den Schaft 27 befindet und gegenüber der Mittelachse etwa um 8,9 mm nach außen verschoben ist. Hierdurch ergibt sich eine leicht ausgebauchte Fläche, die in Druckberührung mit der Senkfläche 24 kommt, wenn der Kopf 30 stark gegen diese Senkfläche in der Platte 20 gezogen wird.

Das Ergebnis ist in Fig.4 dargestellt, wo der ursprüngliche Umriß der Senkfläche 24 in der Platte 20 in gestrichelten Linien dargestellt ist. Die sich ergebende Berührungsfläche ist durch die volle Linie 33 dargestellt, die im wesentlichen dem Umriß des Kopfes 30 entspricht, während die Verformung im wesentlichen in dem Werkstück oder der Platte 20 stattgefunden hat. Das Metall, das den Senkbereich umgibt, wird daher sowohl in radialer Richtung nach außen als auch durch axiale Kräfte zusammengedrückt, die in Richtung des Pfeiles 34 wirken.

Fig. 5 veranschaulicht, daß an einem Kopf 41 eines Schafts 42 eine im wesentlichen konische Senkfläche 40 ausgebildet sein kann, wobei eine ursprünglich nicht kongruente Oberfläche 43 (in derselben Art wie die Fläche 31 in Fig. 2) an der Senkfläche einer Platte 44 ausgebildet sein kann. Die Fläche 43 ist durch gestrichelte Linien dargestellt. Wenn die Befestigungsanordnung festgezogen ist, erhält die Senkfläche in der Platte 44 eine Form, wie sie durch die Linie 45 dargestellt ist.

In allen Fällen ist das Material des Kopfes härter als das des Werkstücks, damit das Werkstück durch den Kopf verformt wird, um die dargestellten Ergebnisse zu erzielen. Aus der Zeichnung ergibt sich, daß es gleichgültig ist, wie die sich ergebende Gestalt der Grenzfläche zwischen dem Senkkopf und der Senkbohrung im Werkstück im Endzustand aussieht. Wichtig ist nur, daß das Material des Werkstücks während des Befestigungsvorgangs durch den Kopf auf Druck beansprucht wird.

Weil die Toleranzen, die Oberflächengüte und die Gestalt des Kopfes eines Befestigungselements genauer eingehalten werden können als die gleichen Merkmale des Loches im Werkstück, ergibt sich eine wesentliche Verbesserung in der Ausbildung der Grenzfläche zwischen Senkkopf und Senkbohrung durch die Wechselwirkung zwischen diesen beiden Flächen. An der Senkbohiung ergibt sich eine Oberflächengüte, die im wesentlichen einem Polieren dieser Fläche äquivalent ist, wodurch sich zusätzlich zu anderen günstigen Wirkungen eine Verkleinerung der Bereiche mit Beanspruchungskonzentrationen oder Beanspruchungsspitzen ergibt. Außerdem kann sich, abhängig von der Größe der Überlagerung zwischen den beiden ursprünglichen Senkflächen, eine Kaltverfestigung oder Kalthärtung ergeben, wenn die ausgeübten Kräfte groß genug sind, wodurch eine örtliche Härtung und eine erhöhte Zugfestigkeit erreicht werden, die sich durch Überschreiten der Fließgrenze ergeben. Diese Vorteile treten zu denjenigen hinzu, die dadurch erreicht werden, daß das Werkstück unterhalb der Fließgrenze beansprucht wird. Die Erfindung betrifft diese beiden Beanspruchungsarten, und der Ausdruck »Verformung des Metalls« bedeutet nicht notwendigerweise ein unelastisches, plastisches Fließen.

Durch Versuche wurde festgestellt, daß durch Anwendung der Erfindung die Lebensdauer in der Größenordnung von wenigstens 25% und oft bis zu 100% verbessert wurde, was z. B. bei Luftfahrzeugen einen beträchtlichen Vorteil darstellt. Eine typische Materialpaarung wird gebildet durch die Verwendung einer Titanlegierung für das Befestigungselement und

die Verwendung einer Aluminiumlegierung für das Werkstück. Hierdurch soll veranschaulicht werden, daß ein Kopf verwendet wird, der härter ist als das Werkstück.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anwendung eines metallischen Befestigungselements mit einem Schaft und einem starr mit dem Schaft verbundenen Kopf, der eine sich an die Oberfläche einer Senkbohrung in einem metallischen Werkstück mit einem Loch anlegende Senkfläche aufweist, wobei die beiden Senkflächen nicht kongruent zueinander sind, so daß beim Einsetzen des Schafts in das Loch die Senkfläche am Werkstück über die Druckfließgrenze hinaus verformt wird, um eine vollständige Flächenberührung zwischen den beiden Senkflächen zu erzielen, bei einem mit Preßsitz im Loch des Werkstückes gehaltenen Befestigungselement. '5

2. Befestigungselement für eine Anwendung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Senkfläche (31) am Kopf (30) des Befestigungselements (26) in Bezug auf die Senkfläche (24) im Werkstück (20) über ihre radiale Ausdehnung in an sich bekannter Weise konvex ausgebildet ist.