EP3259093A1 - Befestigungselement - Google Patents

Befestigungselement

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Publication number
EP3259093A1
EP3259093A1 EP16705054.1A EP16705054A EP3259093A1 EP 3259093 A1 EP3259093 A1 EP 3259093A1 EP 16705054 A EP16705054 A EP 16705054A EP 3259093 A1 EP3259093 A1 EP 3259093A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
fastening element
flange
guide
shaft
region
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16705054.1A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Dieter Mauer
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Ejot GmbH and Co KG
Original Assignee
Ejot GmbH and Co KG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Ejot GmbH and Co KG filed Critical Ejot GmbH and Co KG
Publication of EP3259093A1 publication Critical patent/EP3259093A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/122—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding using a non-consumable tool, e.g. friction stir welding
    • B23K20/127—Friction stir welding involving a mechanical connection
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K20/00—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating
    • B23K20/12—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding
    • B23K20/129—Non-electric welding by applying impact or other pressure, with or without the application of heat, e.g. cladding or plating the heat being generated by friction; Friction welding specially adapted for particular articles or work
    • B23K20/1295—Welding studs
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K35/00—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting
    • B23K35/02—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape
    • B23K35/0255—Rods, electrodes, materials, or media, for use in soldering, welding, or cutting characterised by mechanical features, e.g. shape for use in welding
    • B23K35/0288—Welding studs
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/04—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates
    • F16B37/06—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting
    • F16B37/061—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of welding
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
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    • F16B37/065—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of riveting by deforming the material of the nut
    • F16B37/067—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of riveting by deforming the material of the nut the material of the nut being deformed by a threaded member generating axial movement of the threaded part of the nut, e.g. blind rivet type

Definitions

  • the invention relates to a fastening element having a shank according to the preamble of claim 1 and to a tool for setting such a fastening element according to the preamble of claim 1.
  • Fixing element on the side facing away from the connecting portion of the flange on a shaft In order to connect the fastening element to a component, it is provided that a drive tool with a tubular pressure piece, which is pushed over the shaft region, applies an axial force to the flange surface. About a recording, the fastener is fixed in rotation rectification and can be welded by rotation of the drive tool with the device.
  • the pressure piece ensures that the bolt rotates without impact and thus uniformly rotates about its axis of rotation, which lies on the shaft axis.
  • This arrangement has the disadvantage that a very accurate vote of the inner diameter of the pressure piece on the shaft diameter is necessary to ensure the intended function.
  • An insertion aid in the form of a conical bevel facilitates in this design the fitting of the precisely fitting workpiece. So for each shaft diameter a tool adapted to this is needed.
  • this design is subject to wear, since due to the requirement for accuracy of fit only a slight Materiaiabtrag can be tolerated.
  • a fastening element for connection to a component comprises a flange which carries drive structures, wherein on the flange, a connection region is formed, under the melting of which the fastening element can be fastened by friction welding to the component. Furthermore, the fastening element has a shank, which at the connecting region
  • the fastening element has a guide region which comprises a guide surface which comprises at least one segment of a lateral surface which is assigned to a cone widening in the direction of the connecting region.
  • the invention is characterized in that an axial pressure surface is provided on the guide region at its end facing the shaft, wherein the extent of the axial pressure surface in a radial direction is greater than the diameter of the shank, since the axial pressure forces necessary for mounting over the particular plane , orthogonal to the shaft axis lying plane surface can be transmitted, the guide area must only take over a centering function. As a result, the wear in the tool is significantly minimized. A non-circular rotational movement can be avoided in this way.
  • the Axiaiyak the Axiaiyak the Axiaiyak the Axiaiyak the annular surface is designed in the form of an annular surface which is offset from the flange or the shaft. At this annular surface, which merges into the lateral guide surface, an annular surface and a conical recess exhibiting pressure piece for transmitting the contact pressure and the centered guide engage during operation.
  • the area within the ring surface can thus be made largely free, regardless of Zentri mecanicsauf interconnection.
  • a drive tool which comprises a pressure piece, which has an annular surface whose recess is larger than that
  • Shank diameter is and in its outer dimension corresponds approximately to the extent of the plane surface.
  • the pressure piece can be designed so that the annular surface forms the upper surface of a truncated cone, which expands conically in the fastening direction. In this way one forms Such lateral surface a contact area with the guide surfaces of the guide portion, at the same time the annular surface presses on the Axial réelle repertoire.
  • the rotating fastener can be kept centered during the attachment process. Due to the lateral conical guidance of the fastener in the
  • the shaft can be designed independently of centering requirements. So it is possible that with only one drive tool fasteners with different
  • Shank diameters which are smaller than the diameter of the recess, can be processed.
  • a unified management area can meet this need.
  • the guide region is arranged between the shaft and the flange.
  • the flange with its drive means can be designed independently of centering requirements.
  • the guide portion is located radially within the drive means. So a smoother guidance can be guaranteed.
  • this shape is particularly suitable for Kaltumformischen production,
  • the guide area can be discontinued from the flange in the aforementioned embodiment. This allows a good separation of pressure range and guidance range and drive range.
  • the flange may comprise the guide region. This means that the guide region merges without offset into the flange carrying the drive structures in the direction of the connection region.
  • the guide surface is as a completely circumferential
  • This embodiment has a particularly rotationally symmetrical design and thus avoids imbalances about the shaft axis.
  • the cone of the guide portion may include an angle of 35 ° to 65 ° with the axis of the fastener. In this angle range results in a particularly good
  • Pressure piece of the drive tool can be transferred to the fastener
  • the extent of the pressure surface is essentially dependent on the material of the component and on the material of the fastening element.
  • a dimension sufficient for transmitting the contact pressure can be present if the extension of the plane surface facing the shaft is at least 10% larger than the diameter of the shaft.
  • a sufficient pressure surface for the fastening element can be provided. For example, with a common shaft diameter of 6 mm, a diameter of the plane surface of at least 7 mm makes sense.
  • a further preferred embodiment results when the outer diameter of the flat surface is 7 mm and that of the shaft 6 mm or 5 mm or 4 mm.
  • the shaft is thread-bearing, wherein the diameter of the shaft the
  • Outer diameter of the thread corresponds.
  • the plane surface is preferably normal to the shaft axis and thereby receives a particularly rotationally symmetrical shape, which greatly improves the centering during the setting process.
  • the fastening element may preferably have a connection region whose end is designed such that it defines a footprint.
  • the fastening element may be configured such that the contact surface defined by the connection region is plane-parallel to the plane surface, preferably both are orthogonal to the shaft axis. Due to the parallelism of the
  • the invention relates to a fastening system
  • a fastening system comprising a fastening element for connection to a component, wherein the fastening element has a flange with drive structures, wherein on the flange, a connecting portion is formed, under the melting of which Fastening element can be fastened by friction welding to the component, wherein the fastening element has a shank, which is arranged on the side opposite the Verbtndungs Scheme of the flange.
  • the attachment element between the joint and the connection region has a guide region in the axial direction, which comprises a guide surface which comprises at least one segment of a lateral surface which projects in the direction of the
  • Connection area is associated with widening cone.
  • the fastening system further comprises a tool for fastening a prescribed fastening element, wherein the tool has a drive receptacle for transmitting a
  • a pressure piece comprises, which is partially hollow, and which has at the end facing the fastening element has a frusto-conical recess which forms a tool-side guide surface.
  • the pressure piece and the Axialdruck requirements are coordinated so that the necessary for the setting pressure force is transmitted, and the tool-side guide surface and the fastening element side guide area are coordinated such that a juxtaposition of the pressure piece and the Plantik Chemistry is possible, and the guide area and the Guide surface can be brought into abutment by an eccentric position of the fastener used.
  • the small distance may preferably be between 10 ⁇ and 1 mm.
  • the fastening element can preferably be designed as described above.
  • FIG. 1 shows a friction element, which can be connected via a rotational movement with application of an axial force with a component.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a friction element according to the invention
  • Fig. 3a is a sectional view of a fastener of FIG. 1;
  • 3b shows the representation after complete reception of the fastening element in the drive tool
  • FIG. 4 shows an embodiment in which a drive tool is provided, which comprises a pressure piece, which is provided radially outside of the drive means;
  • Fig. 5a shows a fastening system in a sectional view before complete reception of a
  • FIG. 5b shows a fastening system in a sectional view after complete reception of a
  • the fastener 10 includes a flange 14 on which drive means are provided to provide a rotational
  • the drive means are in the form of an external hex drive.
  • To the flange 14 includes in the direction of the shaft 16, a guide portion 18 at.
  • the guide portion 18 is frustoconical and offset from the flange 14. At its end facing the shaft has the
  • Connecting portion 22 with the component 12 form a friction joint.
  • a centering of the fastener 10 takes place at corresponding Guide surfaces of a driving tool (not shown) during the fastening operation., This ensures a uniform rotation of the fastener 10 about its axis and prevents a so-called hitting the fastener 10 during the friction welding process.
  • FIG. 2 shows a further embodiment of a fastening element 30 according to the invention.
  • the guide region 32 passes over into the flange 24 without any offset.
  • Fastener has on one side of the flange 34 has a connecting portion 36 and on the opposite side of the connecting portion a shaft 38.
  • the drive means are designed in the form of a toothing 35.
  • the fastening element 30 is described in more detail in a sectional view of this embodiment in Fig. 3a and 3b.
  • the necessary contact forces are transmitted via the plane, annular Axialdruck phenomenon 37.
  • FIG. 3a shows a sectional view of a fastening element 30 according to FIG.
  • Fastening element 30 has drive means 35, which are introduced in the form of recesses in the flange 34.
  • drive tool 50 On the drive tool 50 corresponding corresponding drive means 52 are formed for transmitting the rotational movement.
  • the drive tool 50 has a pressure piece 54.
  • the pressure piece 54 is responsible for the transmission of the contact pressure on the fastening element 30.
  • This has for this purpose an annular thrust surface 58, which merges into a conical guide surface 58.
  • the fastening element 30 is first encompassed by the drive means 35 during the feed process and then inserted with its guide region 32 into a corresponding receptacle of the pressure piece 54.
  • the Axial réelle structure 37 which is formed as an annular surface around the shaft, pressed by the annular Axial réelle Structure 56 in the mounting direction.
  • the fastener 30 is centered over the guide surfaces 34 and the corresponding tapered guide surface 58 of the drive tool 50. This ensures a smooth running of the fastening element 30, without resulting in wear due to the high contact pressures, since no contact force on the conical guide surface 58 of the
  • FIG. 3b shows the illustration after complete reception of the fastener in
  • Axialdruck resonance 56 of the pressure piece 54 results in a distance of the drive means 52 of the
  • the fastening element 80 has a guide region 82 which is arranged between the flange 84 carrying the drive means 84 and the connection region 88.
  • Embodiment already pre-assembled elements such as here a fastener 80, are mounted with a nut 92 on a component, which still a smooth-running stable attachment is possible.
  • FIG. 5a shows a fastening system 100 comprising a fastening element 102 and a tool 104 for fastening the fastening element 102.
  • the fastening element has a flange 106 with drive structures 108.
  • On the flange 106 is a
  • the fastening element 102 has a guide region with a guide surface 114 between its shaft 112 and the connection region 110. Femer points the fastening element 102 has an axial pressure surface 116. This cooperates with an axial pressure surface 118 of the tool 104 in order to transmit the contact pressure from the tool to the fastening element 102.
  • the guide surface 114 of the fastener 102 is parallel to
  • Fastener 102 is formed corresponding to the guide surface 120 of the tool as a conical recess.
  • Fastening element 102 is shown, the pressure force on the Axialdruck vom 1 16, 118 transferred to lie one above the other, wherein between the guide surfaces 120. 114 remains a small distance, which does not affect the Axial réelleübertragung, but a tilting of the fastener 102 from his Keeping rotation axis out within tight limits. This allows a particularly efficient and high-quality attachment can be achieved.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement (10) zur Verbindung mit einem Bauteil (12), wobei das Befestigungselement (10) einen Flansch mit. Antriebsstrukturen aufweist, wobei an dem Flansch ein Verbindungsbereich angeformt ist, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement (10) durch Reibschweißen an dem Bauteil (12) befestigbar ist, wobei das Befestigungselement (10) einen Schaft aufweist, der an der dem Verbindungsbereich gegenüberliegenden Seite des Flansches angeordnet ist; ferner weist das Befestigungselement (10) zwischen Schaft und Verbindungsbereich in axialer Richtung einen Führungsbereich auf, der eine Führungsfläche umfasst, die wenigstens ein Segment einer Mantelfläche umfasst, das einem sich in Richtung des Verbindungsbereichs aufweitenden Konus zugeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass der Führungsbereich an seinem dem Schaft zugewandten Ende eine Planfläche aufweist, wobei die Erstreckung der Planfläche in einer radialen Richtung größer ist als der Durchmesser des Schaftes.

Description

Befestigungselement
Die Erfindung betrifft ein einen Schaft aufweisendes Befestigungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Werkzeug zum Setzen eines solchen Befestigungselements gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die DE 20 2004 014 071 U1 betrifft ein gattungsgemäßes Befestigungselement, das einen Flansch mit einem Verbindungsbereich zur Befestigung an einem Bauteil umfasst. Ferner weist das
Befestigungselement an der von dem Verbindungsbereich abgewandten Seite des Flansches einen Schaft auf. Um das Befestigungselement mit einem Bauteil zu verbinden, ist vorgesehen, dass ein Antriebswerkzeug mit einem rohrförmigen Druckstück, das über den Schaftbereich geschoben wird, auf die Flanschfläche eine Axialkraft aufbringt. Über eine Aufnahme wird das Befestigungselement in Dreh chtung festgelegt und kann so durch Rotation des Antriebswerkzeugs mit dem Bauelement verschweißt werden.
Das Druckstück gewährleistet dabei, dass der Bolzen schlagfrei rotiert und sich somit um seine Drehachse, die auf der Schaftachse liegt, gleichmäßig rotiert.
Diese Anordnung hat den Nachteil, dass eine sehr genaue Abstimmung des Innendurchmessers des Druckstücks auf den Schaftdurchmesser notwendig ist, um die vorgesehene Funktion sicherzustellen. Eine Einführhilfe in Form einer konischen Abschrägung erleichtert in dieser Gestaltung das Aufstecken des passgenauen Werkstücks. So ist für jeden Schaftdurchmesser ein auf diesen angepasstes Werkzeug von Nöten. Zudem ist diese Gestaltung verschleißbehaftet, da aufgrund der Anforderung an die Passgenauigkeit nur ein geringfügiger Materiaiabtrag toleriert werden kann.
Es ist Aufgabe der Erfindung oben genannte Nachteile zu beseitigen. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.
Die Unteransprüche bilden eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung,
In bekannter Weise umfasst ein Befestigungselement zur Verbindung mit einem Bauteil einen Flansch, der Antriebsstrukturen trägt, wobei an dem Flansch ein Verbindungsbereich angeformt ist, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement durch Reibschweißen an dem Bauteil befestigbar ist. Ferner weist das Befestigungselement einen Schaft auf, der an der dem Verbindungsbereich
gegenüberliegenden Seite des Flansches angeordnet ist. Zudem weist das Befestigungselement im Übergang von Schaft zu Verbindungsbereich in axialer Richtung einen Führungsbereich auf, der eine Führungsfläche umfasst, die wenigstens ein Segment einer Mantelfläche umfasst, das einem sich in Richtung des Verbindungsbereichs aufweitenden Konus zugeordnet ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass an den Führungsbereich an seinem dem Schaft zugewandten Ende eine Axialdruckfläche vorgesehen ist, wobei die Erstreckung der Axialdruckfläche in einer radialen Richtung größer ist als der Durchmesser des Schaftes, Da die zur Montage notwendigen axialen Druckkräfte über die insbesondere plane, orthogonal zur Schaftachse liegende Planfläche übertragen werden können, muss der Führungsbereich lediglich eine Zentrierfunktion übernehmen. Dadurch wird der Verschleiß im Werkzeug erheblich minimiert. Eine unrunde Drehbewegung kann auf diese Weise vermieden werden.
Insbesondere ist die Axiaidruckfläche in Form einer Ringfläche ausgeführt, die gegenüber dem Flansch oder dem Schaft abgesetzt ist. An dieser Ringfläche, die in die seitliche Führungsfläche übergeht, kann ein eine Ringfläche und eine konische Ausnehmung aufweisendes Druckstück zur Übertragung der Anpresskraft und der zentrierten Führung während des Betriebs eingreifen. Der Bereich innerhalb der Ringfläche kann so, unabhängig von Zentrierungsaufgaben, weitgehend frei gestaltet werden.
So kann zum Antrieb eines solchen Befestigungselements ein Antriebswerkzeug vorgesehen sein, das ein Druckstück umfasst, das eine Ringfläche aufweist, deren Ausnehmung größer als der
Schaftdurchmesser ist und in seiner Außenabmessung etwa der Ausdehnung der Planfläche entspricht. Darüber hinaus kann das Druckstück so gestaltet sein, dass die Ringfläche die obere Fläche eines Kegelstumpfes bildet, der sich in Befestigungsrichtung konisch aufweitet. Auf diese Weise bildet eine solche Mantelfläche einen Anlagebereich mit den Führungsflächen des Führungsbereichs, wobei gleichzeitig die Ringfläche auf die Axialdruckfläche drückt.
Auf diese Weise kann das rotierende Befestigungselement während des Befestigungsvorgangs zentriert gehalten werden. Aufgrund der seitlichen konischen Führung des Befestigungselements im
Führungsbereich kann der Schaft unabhängig von Zentrieranforderungen gestaltet werden. So wird es möglich, dass mit nur einem Antriebswerkzeug Befestigungselemente mit unterschiedlichen
Schaftdurchmessern, die kleiner sind als der Durchmesser der Ausnehmung, verarbeitet werden können. Ein einheitlicher Führungsbereich kann diesem Bedürfnis Rechnung tragen.
In besonders vorteilhafter Weise ergibt es sich, dass der Führungsbereich zwischen dem Schaft und dem Flansch angeordnet ist. Dadurch kann auch der Flansch mit seinen Antriebsmitteln unabhängig von Zentrieranforderungen gestaltet werden. Bei einer solchen Anordnung liegt der Führungsbereich radial innerhalb der Antriebsmittel. So kann eine laufruhigere Führung gewährleistet werden. Zudem eignet sich diese Formgebung in besonderer Weise zur kaltumformtechnischen Herstellung,
Der Führungsbereich kann in der vorgenannten Ausgestaltung vom Flansch abgesetzt sein. Dies erlaubt eine gute Trennung von Druckbereich und Führungsbereich und Antriebsbereich. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann der Flansch den Führungsbereich umfassen. Dies bedeutet, dass der Führungsbereich in Richtung des Verbindungsbereichs absatzlos in den die Antriebsstrukturen tragenden Flansch übergeht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Führungsfläche als eine vollständig umlaufende
Mantelfläche des zugeordneten Konus ausgebildet. Diese Ausgestaltung weist eine besonders rotationsymmetrische Gestaltung auf und vermeidet so Unwuchten um die Schaftachse.
Vorzugsweise kann der Konus des Führungsbereichs einen Winkel von 35° bis 65° mit der Achse des Befestigungselements einschließen. In diesem Winkelbereich ergibt sich eine besonders gute
Zentrierung während der Rotation.
Die Ausdehnung der insbesondere ringförmigen Druckfläche ist so gewählt, dass die für den
Setzvorgang des Befestigungselements benötigten Anpresskräfte über diese Druckfläche vom
Druckstück des Antriebswerkzeugs auf das Befestigungselement übertragen werden können Die Ausdehnung der Druckfläche ist im Wesentlichen abhängig vom Material des Bauteils und vom Material des Befestigungselements. Eine zur Übertragung der Anpresskraft ausreichende Abmessung kann vorliegen, wenn die dem Schaft zugewandte Erstreckung der Planfläche um wenigstens 10% größer ist als der Durchmesser des Schafts. Dadurch kann eine ausreichende Druckfläche für das Befestigungselement bereitgestellt werden. So ist beispielsweise bei einem gängigen Schaftdurchmesser von 6 mm ein Durchmesser der Planfläche von wenigstens 7 mm sinnvoll.
Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ergibt sich, wenn der äußere Durchmesser der Planfläche 7 mm und der des Schafts 6 mm oder 5 mm oder 4 mm beträgt, So können mit einer einzigen Gestaltung des Antriebswerkzeugs aufgrund der Gestaltung aus Führungsbereich und Flansch eine Vielzahl von unterschiedlichen Norm-Schaftdurchmessern ohne Tausch des Antriebswerkzeugs zuverlässig befestigt werden.
Insbesondere ist der Schaft gewindetragend, wobei der Durchmesser des Schafts dem
Außendurchmesser des Gewindes entspricht. Die Planfläche liegt vorzugsweise normal zur Schaftachse und erhält dadurch eine besonders rotationssymmetrische Gestalt, was die Zentrierung während des Setzvorgangs sehr verbessert.
Das Befestigungselement kann vorzugsweise einen Verbindungsbereich aufweisen, dessen Ende so gestaltet ist, dass dieses eine Aufstandsfläche festlegt.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung kann das Befestigungselement derart ausgestaltet sein, dass die durch den Verbindungsbereich festgelegte Aufstandsfläche planparallel zur Planfläche liegt, vorzugsweise liegen beide orthogonal zur Schaftachse. Aufgrund der Planparallelität der
Aufstandsfläche und der Planfläche kann ein besonders runder Lauf des Befestigungselements während der Drehung gewährleistet werden.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Befestigungssystem umfassend ein Befestigungselement zur Verbindung mit einem Bauteil, wobei das Befestigungselement einen Flansch mit Antriebsstrukturen aufweist, wobei an dem Flansch ein Verbindungsbereich angeformt ist, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement durch Reibschweißen an dem Bauteil befestigbar ist, wobei das Befestigungselement einen Schaft aufweist, der an der dem Verbtndungsbereich gegenüberliegenden Seite des Flansches angeordnet ist. Ferner weist das Befestigungselement zwischen Schaff und Verbindungsbereich in axialer Richtung einen Führungsbereich auf, der eine Führungsfläche umfasst, die wenigstens ein Segment einer Mantelfläche umfasst, das einem sich in Richtung des
Verbindungsbereichs aufweitenden Konus zugeordnet ist.
Das Befestigungssystem umfasst weiter ein Werkzeug zum Befestigen eines vorbeschriebenen Befestigungselements, wobei das Werkzeug eine Antriebsaufnahme zur Übertragung einer
Drehbewegung aufweist, und ein Druckstück umfasst, das teilweise hohl ausgebildet ist, und welches an dem dem Befestigungselement zugewandten Ende eine kegelstumpfförmige Ausnehmung aufweist, die eine werkzeugseitige Führungsfläche bildet.
Erfindungsgemäß sind das Druckstück und die Axialdruckfläche so aufeinander abgestimmt, dass die für den Setzvorgang notwendige Druckkraft übertragen wird, und die werkzeugseitige Führungsfläche und der befestigungselementseitige Führungsbereich derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Aneinanderliegen des Druckstücks und der Plandruckfläche ermöglicht ist, und der Führungsbereich und die Führungsfläche durch eine außermittige Lage des eingesetzten Befestigungselements in Anlage bringbar sind.
Insbesondere weisen die Führungsflächen des Werkzeugs und die Führungsflächen des
Befestigungselements den gleichen Winkel auf. Die Führungsflächen liegen bei Kontakt der
Axialdruckflächen des Werkzeugs und des zentral eingesetzten Befestigungselements in einem geringen Abstand parallel zueinander. Der geringe Abstand kann vorzugsweise zwischen 10 μιτι und 1 mm betragen.
Das Befestigungselement kann vorzugsweise wie vorangehend beschrieben ausgebildet sein.
Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen. In der Beschreibung, in den Ansprüchen und in der Zeichnung werden die in der unten aufgeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet. In der Zeichnung bedeutet:
Fig. 1 ein Reibelement, welches über eine Drehbewegung unter Aufbringung einer Axialkraft mit einem Bauteil verbunden werden kann;
Fig. 2 eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Reibelements; Fig. 3a eine Schnittansicht eines Befestigungselements gemäß Fig. 1 ;
Fig. 3b die Darstellung nach vollständiger Aufnahme des Befestigungselements im Antriebswerkzeug;
Fig. 4 eine Ausgestaltung, bei der ein Antriebswerkzeug vorgesehen ist, welches ein Druckstück umfasst, das radial außerhalb der Antriebsmittel vorgesehen ist;
Fig. 5a ein Befestigungssystem in einer Schnittansicht vor vollständiger Aufnahme eines
Befestigungselements in ein Werkzeug, und Fig. 5b ein Befestigungssystem in einer Schnittansicht nach vollständiger Aufnahme eines
Befestigungselements in ein Werkzeug.
Fig. 1 zeigt ein erfindungsgemäßes Befestigungselement 10, welches über eine Drehbewegung unter Aufbringung einer Axialkraft F mit einem Bauteil 12 verbunden werden kann. Das Befestigungselement 10 umfasst einen Flansch 14, an welchem Antriebsmittel vorgesehen sind, um eine rotatorische
Bewegung von einem Werkzeug auf das Befestigungselement 10 zu übertragen. Die Antriebsmittel sind in Form eines Außensechskantantriebs ausgebildet. An den Flansch 14 schließt in Richtung des Schafts 16 ein Führungsbereich 18 an. Der Führungsbereich 18 ist kegelstumpfartig ausgebildet und gegenüber dem Flansch 14 abgesetzt. An seinem dem Schaft zugewandten Ende weist der
Kegelstumpf eine Planfläche 20 auf, die eine Ringfläche darstellt. Von der Planfläche 20 wird der Anpressdruck, der für die Reibschweißverbindung notwendig ist, auf das Befestigungselement 10 übertragen. Auf diese Weise kann das Befestigungselement 10 unter Aufschmelzen eines
Verbindungsbereichs 22 mit dem Bauteil 12 eine Reibverbindung eingehen. Durch die konische Führungsfläche 24 erfolgt eine Zentrierung des Befestigungselements 10 an korrespondierenden Führungsflächen eines Antriebswerkzeugs (nicht dargestellt} während des Befestigungsvorgangs. Dadurch wird eine gleichmäßige Drehung des Befestigungselements 10 um seine Achse gewährleistet und ein sogenanntes Schlagen des Befestigungselements 10 während des Reibschweißvorgangs verhindert.
Das Zusammenwirken des Befestigungselements 10 mit dem Werkzeug ist in den folgenden Figuren näher beschrieben.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführung eines erfindungsgemäßen Befestigungselements 30. In dieser Ausführungsform geht der Führungsbereich 32 absatzlos in den Flansch 24 über. Das
Befestigungselement weist an der einen Seite des Flansches 34 einen Verbindungsbereich 36 auf und auf der dem Verbindungsbereich gegenüberliegenden Seite einen Schaft 38. Die Antriebs mittel sind in Form einer Verzahnung 35 ausgeführt. Das Befestigungselement 30 ist in einer Schnittdarstellung zu dieser Ausgestaltung in Fig. 3a und 3b näher beschrieben. Die notwendigen Anpresskräfte werden über die plane, ringförmige Axialdruckfläche 37 übertragen.
Fig. 3a zeigt eine Schnittansicht eines Befestigungselements 30 gemäß Fig. 1. Das
Befestigungselement 30 weist Antriebsmittel 35 auf, die in Form von Ausnehmungen in den Flansch 34 eingebracht sind. Am Antriebswerkzeug 50 sind entsprechende korrespondierende Antriebsmittel 52 zur Übertragung der Drehbewegung angeformt. Zudem weist das Antriebswerkzeug 50 ein Druckstück 54 auf.
Das Druckstück 54 ist für die Übertragung der Anpresskraft auf das Befestigungselement 30 zuständig. Dieses weist dafür eine ringförmige Axialdruckfläche 58 auf, welche in eine kegelige Führungsfläche 58 übergeht. Das Befestigungselement 30 wird beim Zuführvorgang zuerst von dem Antriebsmittel 35 umfasst und anschließend mit seinem Führungsbereich 32 in eine korrespondierende Aufnahme des Druckstücks 54 eingesetzt. Auf diese Weise wird die Axialdruckfläche 37, die als Ringfläche um den Schaft herum gebildet ist, von der ringförmigen Axialdruckfläche 56 in Befestigungsrichtung gedrückt. Während der Drehung wird das Befestigungselement 30 über die Führungsflächen 34 und die korrespondierende kegelige Führungsfläche 58 des Antriebswerkzeugs 50 zentriert. Dadurch wird ein ruhiger Lauf des Befestigungselements 30 gewährleistet, ohne dass sich ein Verschleiß aufgrund der hohen Anpressdrücke ergibt, da keine Anpresskraft auf die konische Führungsfläche 58 des
Antriebswerkzeugs 50 ausgeübt wird. So erfährt das Befestigungselement 30 zuerst eine Führung durch den Antriebsteil des
Antriebswerkzeugs 50« wonach das Befestigungselement 30 mit seiner Axialdruckfläche 37 mit der ringförmigen Axialdruckfläche 56 des Druckstücks 54 in Anlage gebracht wird. Fig., 3b zeigt die Darstellung nach vollständiger Aufnahme des Befestigungselements im
Antriebswerkzeug 50. Bei Anlage der Axialdruckflächen 37 des Befestigungselements an die
Axialdruckfläche 56 des Druckstücks 54 ergibt sich ein Abstand der Antriebsmittel 52 von den
Antriebsmitteln 35 des Befestigungselements. Dadurch führt ein Ausgleich bzw. eine Zentrierung des Befestigungselements 30 durch das Druckstück 54 nicht zu einem Verklemmen des
Befestigungselements 30 mit dem Antriebsmittel 52. Die korrespondierenden Führungsflächen 34, 58 sind derart spielbehaftet, so dass bei idealer zentrischer und gerader Lage keine Axialkräfte auf die Führungsfläche 34 des Befestigungselements 30 wirken.
Durch die korrespondierenden Axialdruckflächen 37 des Befestigungselements 30 und der
Axialdruckfläche 56 des Antriebswerkzeugs 50 wird die für den Reibschweißvorgang notwendige
Axialkraft F zuverlässig übertragen, wobei die Führungsfläche 58 des Antriebswerkzeugs 50 zusammen mit der korrespondierenden Führungsfläche 34 für eine stabile Lage beim Eindrehen sorgt.
Fig, 4 zeigt eine Ausgestaltung, bei welcher die Axialdruckfläche 90 radial außerhalb der Antriebsmittel 84 vorgesehen ist. Das Befestigungselement 80 weist einen Führungsbereich 82 auf, der zwischen dem die Antriebsmittel 84 tragenden Flansch 86 und dem Verbindungsbereich 88 angeordnet ist.
Aufgrund dieser Ausgestaltung kann der gesamte Bereich, der radial innerhalb der ringförmigen Axialdruckfläche 90 des Zentrierelements 82 liegt, frei gestaltet werden, ohne dass auf die
Stabilisierung des Elements geachtet werden muss. So können insbesondere bei einer solchen
Ausgestaltung bereits vormontierte Elemente, wie hier ein Befestigungselement 80, mit einer Mutter 92 an einem Bauteil angebracht werden, wodurch dennoch eine laufruhige stabile Befestigung möglich ist.
Fig. 5a zeigt ein Befestigungssystem 100 umfassend ein Befestigungselement 102 sowie ein Werkzeug 104 zur Befestigung des Befestigungselements 102. Das Befestigungselement weist wie zuvor beschrieben einen Flansch 106 mit Antriebsstrukturen 108 auf. An dem Flansch 106 ist ein
Verbindungsbereich 110 angeformt, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement 102 mit seiner Oberfläche verbindbar ist. Das Befestigungselement 102 weist zwischen seinem Schaft 112 und dem Verbindungsbereich 110 einen Führungsbereich mit einer Führungsfläche 114 auf. Femer weist das Befestigungselement 102 eine Axialdruckfläche 116 auf. Diese wirkt mit einer Axialdruckfläche 118 des Werkzeugs 104 zusammen, um den Anpressdruck vom Werkzeug auf das Befestigungselement 102 zu übertragen. Die Führungsfläche 114 des Befestigungselements 102 ist parallel zur
Führungsfläche 120 des Werkzeugs angeordnet. Zu der konischen Führungsfläche 114 des
Befestigungselements 102 ist korrespondierend die Führungsfläche 120 des Werkzeugs als konische Ausnehmung ausgebildet.
Wie Fig. 5b zu entnehmen ist, in der die Schnittansicht bei vollständig eingesetztem
Befestigungselement 102 dargestellt ist, wird die Druckkraft über die Axialdruckflächen 1 16, 118 übertragen, die übereinander zu Liegen kommen, wobei zwischen den Führungsflächen 120. 114 ein geringer Abstand bestehen bleibt, der die Axialdruckübertragung nicht beeinflusst, jedoch ein Verkippen des Befestigungselements 102 aus seiner Drehachse heraus in engen Grenzen hält. Dadurch kann eine besonders effiziente und qualitativ hochwertige Befestigung erreicht werden.

Claims

P a t e n t a n s r ü c h e
Befestigungselement (10, 30, 80, 102) zur Verbindung mit einem Bauteil (12), wobei das Befestigungselement (10, 30, 80, 102) einen Flansch (14, 24, 34, 86, 106} mit
Antriebsstrukturen aufweist, wobei an dem Flansch (14, 24, 34, 86, 106) ein
Verbindungsbereich (22) angeformt ist, unter dessen Aufschmelzen das Befestigungselement (10, 30, 80, 102) durch Reibschweißen an dem Bauteil (12) befestigbar ist, wobei das Befestigungselement (10, 30, 80, 102) einen Schaft (16, 38) aufweist, der an der dem Verbindungsbereich (22, 36, 88, 110) gegenüberliegenden Seite des Flansches (14, 24, 34, 86, 106) angeordnet ist: femer weist das Befestigungselement (10, 30, 80, 102) zwischen Schaft (16, 38) und Verbindungsbereich (22, 36, 88, 1 10) in axialer Richtung einen
Führungsbereich (18, 32. 82) auf, der eine Führungsfläche (24, 34, 58, 1 14, 120) umfasst, die wenigstens ein Segment einer Mantelfläche umfasst, das einem sich in Richtung des Verbindungsbereichs (22, 36, 88, 110) aufweitenden Konus zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsbereich (18, 32, 82) an seinem dem Schaft (16, 38) zugewandten Ende eine Axialdruckfläche (37, 56, 90, 116, 1 18) aufweist, wobei die
Erstreckung der Axialdruckfläche (37, 56, 90. 116, 118) in einer radialen Richtung größer ist als der Durchmesser des Schaftes (16, 38).
Befestigungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsbereich (18, 32, 82) zwischen dem Schaft (16, 38) und dem Flansch (14, 24, 34, 86, 106) angeordnet ist.
Befestigungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Flansch (14, 24, 34, 86, 106) den Fuhrungsbereich (18, 32, 82) umfasst. Befestigungselement nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsbereich
(18, 32, 82) zwischen Verbindungsbereich (22, 36, 88, 1 10} und Flansch (14, 24, 34, 88, 106} liegt.
Befestigungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Führungsfiäche (24, 34, 58, 114, 120) eine vollständig umlaufende Mantelfläche des zugeordneten Konus umfasst.
Befestigungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Konus einen Winkel von mehr als 35°, insbesondere zwischen 35°bis 65°, mit der Achse des Befestigungselements einschließt.
Befestigungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Plandruckfläche (20) normal zur Schaftachse liegt.
Befestigungselement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbindungsbereich (22, 36, 88, 110) derart gestaltet ist. dass dieser eine
Aufstandsfläche definiert.
Befestigungselement nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufstandsfläche p!anparallei zur Axialdruckfläche (37, 56, 90, 118, 118) liegt.
Werkzeug zum Befestigen eines Befestigungselements nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Werkzeug eine Antriebsaufnahme zur Übertragung einer
Drehbewegung aufweist, und ein Druckstück umfasst, das teilweise hohl ausgebildet ist und welches an dem dem Befestigungselement zugewandten Ende eine kegelsturnpfförmige Ausnehmung aufweist, die eine werkzeugseitige Führungsfläche bildet.
Werkzeug nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstück im inneren Bereich der kegelstumpfförmigen Ausnehmung eine ringförmige Axialdruckfläche (37, 56, 90, 1 16, 118) aufweist. , Befestigungssystem umfassend ein Befestigungselement nach dem Oberbegriff des
Anspruchs 1 und ein Werkzeug nach einem der Ansprüche 10 und 11 , dadurch gekennzeichnet, dass das Druckstuck und die Axialdruckfläche (37, 58, 90, 1 16, 118) so aufeinander abgestimmt sind, dass die für den Setzvorgang notwendige Druckkraft übertragen wird, und die werkzeugseitige Führungsfläche (24, 34, 58, 114, 120) und der
befestigungselementseitige Führungsbereich (18, 32, 82) derart aufeinander abgestimmt sind, dass ein Aneinanderliegen des Druckstücks und der Plandruckfläche (20) ermöglicht ist und der Führungsbereich (18, 32, 82) und die Führungsfläche (24, 34, 58, 114, 120) durch eine außermittige Lage des eingesetzten Befestigungselements in Anlage bringbar sind.
Befestigungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das
Befestigungselement nach dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 und/oder gemäß den Ansprüchen 2 bis 9 ausgebildet ist.
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