DE2000295A1 - Bolzen und Mutterverbindung und in dieser Verbindung anzuwendendes Element - Google Patents

Description

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Direktor, Dipl.-Ing. Eigil Brandt Harby, Klampenborg, Dänemark

Balzen- und Mutterverbindung und in dieser Verbindung anzuwendendes' Element.

Bolzen- und Mutterverbindungen zum Zusammenspannen von Maschinenteilen sollen, wie bekannt, nach Möglichkeit im Besitze einer gewissen Elastizität sein, damit man den Zusammenspanndruck in etwa nach Belieben abpassen und diesen Zusammenspanndruck aufrechterhalten kann. Es ist bekannt geworden, zu diesem Zweck die Muttern mit Federringen zu unterlegen, doch haben solche Federringe in der Regel nur eine sperrende Funktion, die die Muttern daran hindert, sich zu lösen, und tragen zur Elastizität der Verbindung nicht wesentlich bei. Der üblichste Ausweg bei Verbindungen, bei denen die Zusammenspannkräfte von erheblicher Grosse sein sollen und bei denen ziemlich grosse und unberechenbare Bewegungen auftreten können, z.B. ungleichmässiges Werfen oder durch Hitze verursachtes Ausdehnen der zusammengespannten Maschinenelemente und/ oder Nachgeben einer zwischen diesen befindlichen Dichtung, ist die Anwendung langer, schlanker Bolzen unter Ausnutzung der Elastizität des Bolzenschaftes. Bei vielen Konstruktionen ist es jedoch schwierig oder unmöglich, Platz für Bolzen abzusehen, die so lang sind, dass ihre Elastizität zu wirklichem Nutzen sein kann. In solchen Fällen ist es auch bekannt, sich Tellerfedern in der Form einer Reihe gewölbter, federnder Scheiben zu bedienen, die abwechselnd einander zugekehrt und voneinander abgekehrt sind, doch ist es ebenfalls schwierig, für eine solche Vorrichtung den notwendigen Platz abzusehen und sie richtig zu dimensionieren, so dass man die gewünschte Federungscharakteristik erhält.

Erfindungsgemäss kann nunmehr dadurch eine Bolzen- und Mutter'/erbindung zum elastischen Zusammenspannen von Maschinenelemente!! geschaffen werden, dass die Verbindung ein mit dem Eusammenspanndruck belastetes Element umfasst, das aus Sintermetall mit wesentlich grösserer Porösität und niedrigerem Elast!»itätsraodul ala kompaktes Material gleicher Zusammensetzung besteht.

Die Erfindung beruht mit anderen Worten auf der Erkenntnis, dass Sintermetalle mit Eigenschaften hergestellt werden können, die sie zur Anwendung als das prinzipale federnde Element in Bolzen- und Mutterverbindungen wie den hier besprochenen geeignet machen.

Unter Sintermetall versteht man, wie bekannt, einen Metallgegenstand, der dadurch hergestellt ist, dass ein Pulver aus feinen Metallpartikßln in eine Form gebrächt und in dieser gepresst wird, die dem anzufertigenden Gegenstand entspricht, woraufhin der in dieser Weise gebildete Körper bei geeignet hoher Temperatur gesintert wird. Es ist möglich, durch richtige Wahl der Kornverteilungskurve und Kornform des angewendeten Metallpulvers, des angewendeten Pressdruckes und der Sinterungsbedingungen Sintermetallkörper herzustellen, die ausgezeichnete Festigkeitseigenschaften und gleichzeitig eine Struktur mit einem beliebig hohen Porösitätsgrad sowie ein wohldefiniertes Elastizitätsmodul aufweisen, das sich fast nach Belieben festlegen lässt und wesentlich niedriger als das Elastizitätsmodul eines kompakten Metallkörpers gleicher Zusammensetzung ist. Dies ist darauf zurückzuführen, dass ein poröses Sintermetall eine Raumnetζstruktur hat, bei der die einzelnen Körner oder Partikeln in ihren Berührungspunkten fest miteinander verbunden sind, so dass die Elastizitätseigenschaften des Körpers ausser auf der Eigenelastizität der einzelnen Partikeln in überwiegendem Grad auf elastischer Deformation der Raumnetzstruktur beruht. Durch Zwischenlegen eines Sintermetallkörpers geeigneter Auslegungen und Elastizitätsmoduls ist es somit erfindungsgemäss möglich, der Verbindung auf äusserst einfache, sichere und billige Weise jeden beliebigen Elastizitätsgrad zu verleihen.

Speziell können Elastizität, Form und Ausdehnung des Sintermetallelements in der Kraftrichtung beim Zusammenspannen von Maschinenelementen mit zwischenliegender, nachgiebiger Dichtung erfindungsgemäss so gewählt werden, dass der Zusammenspanndruck durch Nachgeben der Dichtung und/oder durch Deformationen der Maschinenelemente durch die auf diese einwirkenden Kräfte und Tenperaturbeanspruchungen nur unwesentlich geändert wird. Dies gilt insbesondere für das Festspannen von Zylindtrköpfen, und swar sowohl für Zylinderblöcke als auch für Einaeliylinder, moderner Brennkraft rna schinen mit hohen Arbeltedrücken und -temperatüren.

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Die Erfindung umfasst auch in einer Bolzen- und Mutterverbindung der genannten Art anzuwendende Elemente, die dadurch gekennzeichnet sind, dass sie aus Sintermetall mit wesentlich grösserer Porösität und niedrigerem Elastizitätsmodul als kompaktes Material gleicher Zusammensetzung bestehen und als Buchse oder dicke Unterlegscheibe ausgebildet Bind. Ein solches" Element kann z.B. für sich allein hergestellt sein und ohne weiteres in eine übliche Bolzen- und Mutterverbindung als Zwischenglied zwischen der Mutter oder dem Bolzenkopf und dem Maschinenteil eingesetzt werden, gegen welches es festgespannt werden soll. Solche Buchsen oder Unterlegscheiben können für sich serienweise mit variierenden Dimensionen und/oder variierender Elastizität des Sintermetalls hergestellt werden, so dass für eine gegebene Konstruktion der am besten geeignete Typ gewählt werden kann.

Das elastische Element kann auch als trompetenförmige oder schwach sanduhrförmige Buchse ausgebildet sein, wodurch erreicht wird, dass die Federung ausser der reinen elastischen Kompression des Sintermetalls auch noch eine elastische Biegung desselben umfasst, so wie es aus dem Nachstehenden hervorgeht.

Sintermetallelemente wie die oben angegebenen können erfindungsgemäss auch einen Teil einer Mutter bilden, z.B. einen Teil ihres Gewindes, das dadurch selbstsperrend wird, oder aber einen nicht mit Gewinde versehenen Schaft, wodurch grössere Sicherheit dagegen geschaffen wird, dass das Sinterelement bei der Herstellung der Verbindung durch einen Fehler weggelassen oder ein verkehrtes Element gewählt wird.

Erfindungsgemässe Sintermetallelemente lassen sich aus jedem beliebigen, hierzu geeigneten Material herstellen. Für die meisten Anwendungszwecke sind Sintermetalle, die aus Stahl- oder Eisenpulver und eventuell pulverförmigen Legierungsmaterialien und/oder Zusätzen zum Bereichern des Stahl- oder Eisenpulvers mit Kohlenstoff bestehen, am besten geeignet. Die Porösität und damit die Elastizität wird, wie gesagt, durch richtige Wahl der Kornverteilungskurve und Korngrösse des.Metallpulvers festgelegt und kann auseerdem durch Variieren des Pressdruckes und der Sinterungsbedingungen beeinflusst werden, so dass die fertigen Sintermetall-

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körper je nach ihrer Struktur mit Elastizitätsmodulen hergestellt werden können, die von relativ hohen, in der Nähe der für kompaktes Material gleicher Zusammensetzung geltenden Werte liegenden Werten bis hinab zu ganz niedrigen Werten von ungefähr 200 kg/mm , die einem spezifischen Gewicht von nur ea. 30$ desjenigen des kompakten Materials entsprechen, variieren.

Die Erfindung ist auf der Zeichnung veranschaulicht» Es zeigt

Pig· X schematisch einen Schnitt durch einen Teil einer Bolzen*· und Mutterverbindung von zwei Maschinenteilen mit einer zwischen diesen befindlichen Dichtung,

Figι 2 in gröaserem Massstab teilweise im Schnitt eine zum Teil aus Sintermetall bestehende Mutter,

Fig. 3 teilweise im Schnitt eine Ausführungsform eines erfindungsgemässen Sintermetallelements und

Fig« 4 in grösserem Massstab einen Teil eines Bolzens mit einer erfindungsgemässen, selbstsperrenden Mutter.

In Fig. 1 bezeichnet 1 einen Teil eines nur schematisch gezeigten Motorblocks einer Brennkraftmaschine und 2 den entsprechenden Teil des zugehörigen Zylinderkopfes, der zusammen mit einer zwi<schenliegenden Dichtung 3 mit Hilfe einer Anzahl Bolzen, von denen nur ein einzelner Bolzen 4 gezeigt ist, gegen den Zylinderblock gespannt ist. Die Bolzen 4 sind auf übliche Weise in an der Oberseite des Motorblocks befindliche, mit Gewinde versehene Bohrungen eingeschraubt und mit geeignetem Spielraum durch Bohrungen 7 im Zylinderkopf zur Aufnahme einer Mutter 5 hindurchgeführt, die über eine Unterlegscheibe 6 gegen die Oberseite des Zylinderkopfes gespannt ist. In dem in Fig. 1 gezeigten Beispiel besteht die Unterlegscheibe 6 aus einer dicken Scheibe oder einer kurzen Buchse aus einem Sintermetall mit einem solchen Elastizitätsmodul, dass sie beim Festziehen der Mutter 5 auf den für die Konstruktion normalen Zusammenspanndruck genügend weit elastisch zusammengedrückt wird, damit sie Bewegungen, die der Zylinderblock 1 und · der Zylinderkopf 2 auf Grund des Nachgebens der Dichtung 3 an dieser Stelle relativ zueinander aueführen, unglelchmäseige Defor- aationen auf Grund der auftretenden Zusammenspannkräfte und Reak tionen sowie der vom Betrieb der Maschine herrührenden variieren den Drucke und Temperaturen kompensieren kann, so dasa eich die

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ORIGINAL INSPtCTED

Zusammenspannkraft, mit der der Bolzen und die Mutter zum Anpres- - sen des Zylinderkopfes gegen den Zylinderblock mitwirken, in der Hauptsache konstant hält.

Fig· 2 zeigt, wie gesagt»>eine zur Anwendung in einer solchen Ver» bindung speziell ausgeführte! kutter, die als Öanzfes betrachtet mit δ bezeichnet ist unti aui einem eigentlichen Mutterteil 9 üblicher Ausführung bestehtj der mit einem besonderen Schaft 10 aus Sintermetall mit den für den Ahwendühgszweck geeigneten Dimensionen und Eigenschaften vergehen ist.

Der Schaft 10 kann für⁴ sich hergestellt und durch Hartlöten an der Berührungsfläche 11 oder auf andere Weise an der Mutter 9 befestigt sein, doch ist auch denkbar, dass der Schaft 10 direkt auf der Mutter 9 geformt werden kann, und zwar dadurch, dass letztere als Begrenzungswand in der Form benutzt wird, in der das Metallpulver vor dem Sintern geformt und gepresst wird. Schliess-Iich besteht die Möglichkeit, dass die Mutter 9 ebenfalls als Sintermetallkörper hergestellt ist, z.B. dadurch, dass man einen Formhohlraum mit der Form der gesamten Mutter zuerst in demjenigen Teil, in dem die eigentliche Mutter geformt werden soll, mit einem Metallpulver füllt, das dazu geeignet ist, ein fast kompaktes Produkt zu bilden, und dann den Rest des Formhohlraumes mit einem Pulver füllt, das sich dazu eignet, ein Sintermetall mit den für den Schaft gewünschten Eigenschaften hervorzubringen, woraufhin dann das Ganze zusammen gepresst und gesintert wird.

In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass es an sich bekannt ist, Muttern pulvermetallurgiech anstatt durch spanabnehmendes Bearbeiten herzustellen.

In FIg« 3 ist eine besondere Ausführungeform dee Sintermetallkörpere gezeigt, in der er ale fast trompetenförmige Buchse 12 aus gebildet 1st. Es ist ersichtlich, dass axiales Belasten einer derartig geformten Buchse neben der reinen Kompression des Materials· der Buchse eine Deformation in Form eines verstärkten Biegung der Buchsenwand mit sich fuhrt, so dass der gewünscht· Federung·- grad alt einer kleineren axialen Länge der Buchee und/oder mit einem kompakteren Sintermaterial erreicht werden kann. Ein derar-

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ORIGINAL INSPECTED

2000295 rotig geformtes Sintermetallelement kann ein Separates Element sein oder einen Teil einer Mutter bilden, so wie es weiter vorn beschrieben worden ist*

Es ist einleuchtend, dass eine entsprechende Wirkung auch mit einem Element erzielt werden kann, das hauptsächlich die Form einer Sanduhr oder eine entsprechende, hyperboloidähnliche Form besitzt.

Die in Fig. 4 gezeigte Mutter 5 hat einen Schaft 10 mit der für das beschriebene automatische Nachziehen erforderlichen Elastizität. Der untere Teil 13 der Gewindepartie der Mutter besteht aus Sintermetall mit etwas höherem Elastizitätsmodul und entsprechend höherem spezifischen Gewicht, das z.B. 75% des spezifischen Gewichts des kompakten Materials beträgt, während der Rest 14 der Mutter aus Vollmaterial oder praktisch kompaktem Sintermetall besteht, dessen spezifisches Gewicht lOOJi so nahe wie möglich kommt. Das gesamte Gewinde der Mutter wird hierdurch selbstsperrend, da die unterschiedliche Elastizität der Teile 13 und 14 verschiedene axiale Deformationen dieser beiden Gewindepartien und damit ein automatisches Sperren der Mutter auf dem Bolzen durch Friktion bewirkt.

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Claims (5)

1. Bolzen- und Mutterverbindung zum elastischen Zusammenspannen von Maschinenelementen, dadurch gekennzeichnet. dass sie eine mit dem Zusammenspanndruck belastetes Element (6) umfasst, das aus Sintermetall mit wesentlich grösserer Porösität und niedrigerem Elastizitätsmodul als kompaktes Material gleicher Zusammensetzung besteht«
2. 2. Verbindung nach Anspruch 1 für Maschinenelemente mit zwischen diesen angebrachter, elastischer Dichtung, dadurch gekennzeichnet . dass Elastizität, Form und Ausdehnung des Sintermetallelements (6) in der Kraftrichtung so gewählt ist, dass der Zusammenspanndruck durch normales Nachgeben.der Achtung (3) und/ oder durch Deformation der Maschinerfelemente (1, 2) nur unwesent- W lieh geändert wird,
3. 3· Element zur Anwendung in einer Bolzen- und Mutterverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es aus Sintermetall mit wesentlich grösserer -Porösität und niedrigerem Elastizitätsmodul als kompaktes Material gleicher Zusammensetzung besteht und als Buchse oder dicke Unterlegscheibe ausgebildet ist.
4. 4· Element nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet. dass es als trompetenförmige oder schwach sanduhrförmige Buchse (12) ausgebildet ist.
5. 5. Element nach Anspruch 3 oder 4> dadurch gekennzeichnet, dass es einen Teil einer Mutter (5, Ö) bildet, z.B. einen Teil M (13) ihrer Gewindepartie und/oder einen nicht mit Gewinde versehenen Schaft (10).

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