DE102005052014B4

DE102005052014B4 - Kegelbolzenverbindung sowie Verwendung einer Kegelbolzenverbindung

Info

Publication number: DE102005052014B4
Application number: DE102005052014A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dipl.-Ing. Stecher; Wilhelm Dipl.-Ing. Rombs
Original assignee: Airbus Operations GmbH
Current assignee: Airbus Operations GmbH
Priority date: 2005-11-02
Filing date: 2005-11-02
Publication date: 2008-03-20
Anticipated expiration: 2025-11-03
Also published as: US20090285654A1; BRPI0618191A2; RU2406886C2; WO2007051802A1; RU2008115797A; EP1943425A1; US8920086B2; DE102005052014A1; JP2009515104A; CN101300426A; CA2624530A1

Abstract

Kegelbolzenverbindung mit einem in einer Kegelbuchse (1) aufgenommenen Kegelbolzen (8) und einer Befestigungsmutter sowie einer Unterlegscheibe (16), wobei die Kegelbuchse (1) einen durchgehenden Längsschlitz (5) aufweist und die Kegelbuchse (1) mittels einer auf den Kegelbolzen (8) aufschraubbaren Befestigungsmutter gleichmäßig in radialer Richtung aufspreizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelbolzen (8) eine Beschichtung (13) aufweist, wobei eine Kegelbuchsenkeilfläche (3) in etwa eine Längenausdehnung (4) aufweist, die in etwa einer Längenausdehnung (10) einer Kegelbolzenkeilfläche (9) des Kegelbolzens (8) entspricht und die Beschichtung (13) des Kegelbolzens (8) mindestens drei gleichmäßig zueinander beabstandet um den Umfang des Kegelbolzens (8) angeordnete, sich jeweils im Wesentlichen über die gesamte Längenausdehnung (10) der Kegelbolzenkeilfläche (9) erstreckende Streifen aus Polytetrafluorethylen aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Kegelbolzenverbindung mit einem in einer Kegelbuchse aufgenommenen Kegelbolzen und einer Befestigungsmutter sowie einer Unterlegscheibe, wobei die Kegelbuchse einen durchgehenden Längsschlitz aufweist und die Kegelbuchse mittels einer auf den Kegelbolzen aufschraubbaren Befestigungsmutter gleichmäßig in radialer Richtung aufspreizbar ist.
Weiterhin betrifft die Erfindung die Verwendung einer Kegelbolzenverbindung zur Befestigung eines Seitenleitwerks an einer Tragkonstruktion einer Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs.
Bekannte Ausführungsformen von Kegelbolzenverbindungen weisen im Keilflächenbereich teilweise Bronzebeschichtungen auf, die erforderlichenfalls zusätzlich eingefettet werden.
Infolge der relativ weichen und dicken Bronzeschicht und der Fettschicht werden jedoch bei wechselnden Belastungen tribochemische Reaktionen zwischen den Kontaktflächen hervorgerufen. Dadurch sind bei der Demontage derartiger Verbindungen häufig sehr hohe Kräfte, die bis in den 400 kN-Bereich reichen können, erforderlich.
In der WO 98/37333 ist eine Bolzenverbindung zwischen zwei Bauteilen offenbart. In eine die beiden Bauteile durchsetzende Bohrung ist eine erste (äußere) radial spreizbare konische Hülse eingesetzt, die eine zweite (innere) radial spreizbare konische Hülse koaxial umschließt. Durch die zweite Hülse verläuft ein Gewindebolzen mit einer Gewindemutter. Durch das Festziehen der Gewindemutter auf dem Gewindebolzen wird die zweite (innere) Hülse in radialer Richtung aufgespreizt und presst die erste (äußere) Hülse fest an die Bohrungsinnenwand an, wobei die erste (äußere) Hülse aufgrund der auftretenden hohen Radialkräfte plastisch verformt wird. Infolge der plastischen Verformung der ersten (äußeren) Hülse liegt diese nahezu vollflächig tragend an der Bohrungsinnenwand an. Hierdurch erfolgt ein Ausgleich von etwaigen Unebenheiten der Bohrungsinnenwand, wodurch eine maximale Kraftüberleitung zwischen den beiden Bauteilen erreicht wird. Eine Teflonbeschichtung der Hülsen ist nicht offenbart, so dass die auftretenden tribochemische Reaktionen die Demontage erheblich erschweren.
Aus der DE 71 47 013 U ist ein weiterer Befestigungskörper bekannt, der zum Verbinden von zwei Bauteilen dient.
Der Befestigungskörper umfasst eine längsgeschlitzte konische Hülse aus einem federnden Material sowie einen in die Hülse einbringbaren zylindrischen Bolzen zum Aufspreizen der Hülse. Die Hülse weist an ihren Enden jeweils einen umgebördelten Flansch auf. Im Bereich des Hülsenendes mit dem im Vergleich zum anderen Ende kleineren Durchmesser weist die Hülse zusätzlich einen nach innen weisenden Bördelrand auf. An einem Führungsende des Bolzens ist eine umlaufende Nut vorgesehen, die mit dem Bördelrand zur Sicherung verrastet, wenn der Bolzen vollständig in die Hülse eingetrieben ist. Die Hülse ist bevorzugt mit einem elastischen Federstahl gefertigt. In einer Ausführungsvariante ist die Hülse aus Polytetrafluorethylen gebildet, um eine gelenkige, drehbare Verbindung zwischen den Bauteilen zu schaffen. Bei dieser Ausführungsform weist der Bolzen im Bereich des Führungsendes mehrere Umfangsnuten auf, die mit im Bereich der Innenseite der Hülse umfangsseitig angeordneten Rippen der Hülse beim Eintreiben des Bolzens verkämmen. Das Lösen des Bolzens aus der Hülse zu Demontagezwecken ist nicht vorgesehen und wegen der Verkämmung auch nicht zerstörungsfrei möglich. Die Hülse aus Polytetrafluorethylen dient lediglich zur Reduzierung des Reibungswiderstandes im Falle von (Dreh-)Bewegungen zwischen den Bauteilen.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Kegelbolzenverbindung zu schaffen, die sich ohne das Erfordernis der Aufbringung hoher Zugkräfte leicht wieder lösen lässt, sodass sich die Wartung bzw. Montage von derartigen Kegelbolzenverbindungen vereinfacht.
Diese Aufgabe wird durch eine Kegelbolzenverbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Dadurch, dass der Kegelbolzen eine Beschichtung aufweist, wobei eine Kegelbuchsenkeilfläche in etwa eine Längenausdehnung aufweist, die in etwa einer Längenausdehnung einer Kegelbolzenkeilfläche des Kegelbolzens entspricht und die Beschichtung des Kegelbolzens mindestens drei gleichmäßig zueinander beabstandet um den Umfang des Kegelbolzens angeordnete, sich jeweils im Wesentlichen über die gesamte Längenausdehnung der Kegelbolzenkeilfläche erstreckende Streifen aus Polytetrafluorethylen aufweist,
ergibt sich auch nach einer längeren Verbindungsdauer zwischen dem Kegelbolzen und der Kegelbuchse eine überraschend leichte Lösbarkeit der erfindungsgemäßen Kegelbolzenverbindung, da tribochemische Reaktionen zwischen den Kontaktflächen weitgehend vermieden werden. Darüber hinaus weist die teflonhaltige Beschichtung im Vergleich zu der gefetteten Bronzebeschichtung des Kegelbolzens einen signifikant verringerten Reibungskoeffizienten auf, so dass auch die Montage erleichtert und beschleunigt wird.
Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Kegelbolzenverbindung sieht vor, dass die Kegelbolzenkeilfläche und die Kegelbuchsenkeilfläche eine Neigung von jeweils 0,01 bis 0,1 aufweisen.
Hierdurch können bei der axialen Verspannung der Kegelbolzenverbindung mittels der Befestigungsmutter sehr hohe radiale Spannkräfte zur Befestigung erzeugt werden.
Nach Maßgabe einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Beschichtung aus Polytetrafluorethylen eine Dicke von 0,01 mm bis 0,5 mm, bevorzugt eine Dicke von 0,15 mm, aufweist.
Diese Bereiche von Beschichtungsdicken gewährleisten eine wirksame Unterbindung von tribochemischen Reaktionen und damit eine erleichterte Demontage der Verbindung, ermöglichen aber dennoch ein passgenaues Zusammenfügen von Kegelbolzen und Kegelbuchse.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Anordnung sind in den weiteren Patentansprüchen dargelegt.
Weiterhin wird die erfindungsgemäße Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 6 gelöst. Nach Maßgabe des Patentanspruchs 7 wird die erfindungsgemäße Kegelbolzenverbindung zur Befestigung eines Seitenleitwerks an einer Tragkonstruktion einer Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs verwendet,
so dass sich das Seitenleitenwerk wegen der Vermeidung von tribochemischen Reaktionen zwischen dem Kegelbolzen und der Kegelbuchse im Bedarfsfall leicht von der Tragkonstruktion einer Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs demontieren lässt.
In der Zeichnung zeigt:
1 Eine Seitenansicht und eine Draufsicht durch die Kegelbuchse der Kegelbolzenverbindung,
2 eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf den Kegelbolzen der Kegelbolzenverbindung,
3 eine Seitenansicht der Befestigungsmutter,
4 eine Draufsicht auf die Unterlegscheibe und
5 eine Querschnittsdarstellung durch die montierte Kegelbolzenverbindung.
Die 1 zeigt eine Seitenansicht und eine Draufsicht auf eine Kegelbuchse 1 der erfindungsgemäßen Kegelbolzenverbindung. Die Kegelbuchse 1 weist eine durchgehende Kegelbohrung 2 mit einer Kegelbuchsenkeilfläche 3 zur Aufnahme eines Kegelbolzens auf. Die Kegelbuchsenkeilfläche 3 mit einer Längenausdehnung 4 weist im gezeigten Ausführungsbeispiel eine nur geringe Neigung in Bezug auf die Horizontale auf, die in etwa einem Verhältnis von 1:20 entspricht. Über die gesamte Länge der Kegelbuchse 1 hinweg erstreckt sich in axialer Richtung weiterhin ein durchgehender Längsschlitz 5, sodass die Kegelbuchse 1 durch Einbringung eines korrespondierend ausgebildeten Kegels bzw. eines Kegelbolzens über ihre gesamte Länge hinweg gleichmäßig in radialer Richtung aufgespreizt werden kann. Die Kegelbuchse 1 weist ferner an einem Ende einen Flansch 6 und an einem hiervon weggerichteten Ende eine Außenkante 7 auf.
Die 2 zeigt eine Seitenansicht sowie eine Draufsicht auf einen Kegelbolzen 8 der Kegelverbindung. Entsprechend zur oben beschriebenen Neigung der Kegelbuchsenkeilfläche 3 weist eine Kegelbolzenkeilfläche 9 ebenfalls eine Neigung in Bezug auf die Horizontale auf, die in etwa einem Verhältnis von 1:20 entspricht. Eine Längenausdehnung 10 der Kegelbolzenkeilfläche 9 entspricht wiederum in etwa der Längenausdehnung 4 der Kegelbuchsenkeilfläche 3. Sowohl die Kegelbuchsenkeilfläche 3 als auch die Kegelbolzenkeilfläche 9 können, in Abhängigkeit von den jeweiligen konstruktiven Anforderungen, jeweils Neigungsverhältnisse von 1:100 bis zu 1:10 in Bezug auf die Horizontale aufweisen. Entscheidend ist, dass abgesehen von etwaigen Fertigungstoleranzen, die Neigung der Kegelbuchsenkeilfläche 3 und die Neigung der Kegelbolzenkeilfläche 9 in etwa gleich gewählt sind, damit beim Verspannen der Kegelbolzenverbindung der Kegelbolzen 8 nicht zu weit durch die Kegelbolzenverbindung gezogen wird. Der genannte Neigungsbereich gewährleistet die Möglichkeit der Erzeugung sehr hoher radialer Verspannkräfte durch das Aufspreizen der Kegelbuchse 1 mittels des Kegelbolzens 8 und damit einen außerordentlich festen Sitz der Verbindung in einer Befestigungsbohrung oder dergleichen. Die Längenausdehnungen 4, 10 werden bevorzugt in etwa gleich dimensioniert, können erforderlichenfalls aber auch voneinander abweichende Werte aufweisen.
An einem Ende des Kegelbolzens 8 ist ein Gewindeabschnitt 11 angeordnet, der vorzugsweise mit einem Feingewinde versehen ist. Im Bereich des Gewindeabschnittes 11 ist weiterhin eine Bohrung 12 angeordnet, in die ein geeignetes Sicherungsmittel, beispielsweise ein nicht näher dargestellter Sicherungssplint einbring bar ist, um ein ungewolltes Verdrehen des Kegelbolzens 8 um dessen Längsachse zu vermeiden.
Erfindungsgemäß ist die Kegelbolzenkeilfläche 9 zumindest bereichsweise mit einer mindestens teflonhaltigen Beschichtung 13 versehen. Die teflonhaltige Beschichtung 13 ist vorzugsweise vollflächig auf die Kegelbolzenkeilfläche 9 aufgebracht und weist in einer besonders bevorzugten Ausführungsform eine Dicke von etwa 0,15 mm auf. Abweichend hiervon kann die Materialstärke der teflonhaltigen Beschichtung jeden Betrag zwischen 0,01 mm und 0,5 mm aufweisen. Die teflonhaltige Beschichtung enthält neben dem reinen Teflon bzw. dem Polytetrafluorethylen (PTFE) weitere Hilfskomponenten, die beispielsweise zur Haftungsverbesserung oder dergleichen dienen. Die Beschichtung 13 kann auch ausschließlich aus Teflon, das heißt aus reinem Polytetrafluorethylen gebildet sein.
In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist es gleichfalls möglich, die teflonhaltige Beschichtung nur bereichsweise auf die Kegelbolzenkeilfläche 9 aufzubringen. Beispielsweise kann die teflonhaltige Beschichtung durch drei, vier oder mehrere Streifen gebildet werden, die jeweils aus einem teflonhaltigen Material bestehen, und die gleichmäßig zueinander beabstandet um den Umfang des Kegelbolzens 8 herum angeordnet sind. Zwischen den Streifen befinden sich dann jeweils nicht mit einer teflonhaltigen Beschichtung versehene Flächen. Vorzugsweise erstreckt sich die Länge der Streifen über die gesamte Längenausdehnung 10 der Kegelbolzenkeilfläche 9.
Weiterhin ist es in einer alternativen Ausführungsvariante der Erfindung möglich, zusätzlich auch die Kegelbuchsenkeilfläche 3 mit einer zumindest teflonhaltigen Beschichtung zu versehen. In einer weiteren Alternative kann auch lediglich die Kegelbuchsenkeilfläche 3 mit einer teflonhaltigen Beschichtung versehen werden, während die Kegelbolzenkeilfläche 9 keine teflonhaltige Beschichtung aufweist.
Sowohl die Kegelbuchse 1 als auch der Kegelbolzen 8 sind aus demselben hochfesten Material, beispielsweise aus Titan, Edelstahl oder dergleichen, gebildet, um mechanische Spannungen infolge von Temperaturschwankungen zu vermeiden.
Alternativ können sowohl die Kegelbuchse 1 als auch der Kegelbolzen 8 aus Titanlegierungen oder Edelstahllegierungen gebildet sein.
Die 3 zeigt eine Seitenansicht einer Kronenmutter 14, die zum Verspannen des Kegelbolzens 8 mit der Kegelbuchse 1 auf den Gewindeabschnitt 11 des Kegelbolzens 8 aufgeschraubt wird. Die Kronenmutter 14 weist mindestens zwei Ausnehmungen 15 auf, in denen ein nicht näher dargestellter Sicherungssplint aufgenommen ist, um ein unbeabsichtigtes Lösen der Kronenmutter 14 vom Gewindeabschnitt 11 zu verhindern.
Die 4 zeigt die Draufsicht auf eine Unterlegscheibe 16, die vorzugsweise zwischen der Kronenmutter 14 und der Außenkante 7 der Kegelbuchse 1 angeordnet wird, um unter anderem ein gleichmäßiges Anziehen der Kronenmutter 14 zu gewährleisten.
Die Kegelbolzenverbindung verbindet in dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel ein Seitenleitwerk 17 mit einer Gabel 18, die mit einer Tragkonstruktion einer nicht näher dargestellten Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs fest verbunden ist. Im Seitenleitwerk 17, das vorzugsweise mit einem faserverstärkten Kunststoffmaterial wie zum Beispiel mit CFK gebildet ist, ist eine Hülse 19 angeordnet. Die Gabel 18 weist zwei Bohrungen 20, 21 auf.
Die Kegelbuchse 1 ist in der Hülse 19 und den beiden Bohrungen 20, 21 aufgenommen. Der Kegelbolzen 8 ist in die Kegelbuchse 1 eingeführt und ist mittels der Kronenmutter 14 mit dieser verspannt. Zwischen der Kronenmutter 14 und der Kegelbuchse 1 befindet sich noch die Unterlegscheibe 16. Durch das Verspannen des Kegelbolzens 8 mit der Kegelbuchse 1 spreizt sich diese gleichmäßig in radialer Richtung nach außen hin auf, so dass das Seitenleitwerk 17 nach dem Anziehen der Kronenmutter 14 fest mit der Gabel 18 verspannt ist. Bei diesem Vorgang wird der Kegelbolzen 8 um einen Betrag von höchstens 10 mm in die Kegelbuchse 1 hinein gezogen. Infolge des Aufspreizvorgangs der Kegelbuchse 1 erhöht sich deren Außendurchmesser, so dass sich im Ergebnis ein Presssitz der Kegelbolzenverbindung in den Bohrungen 20, 21 bzw. in der Hülse 19 des Seitenleitwerks 17 ergibt, wodurch sich eine auch gegenüber stark wechselnden mechanischen Bean spruchungen (insbesondere hohe Scherkräfte) haltbare Verbindung zwischen dem Seitenleitwerk 17 und der mit der Tragkonstruktion der Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs verbundenen Gabel 18 ergibt.
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Kegelbolzenverbindung ermöglicht während des Montagevorgangs zugleich einen Toleranzausgleich zwischen dem Seitenleitwerk 17 und der mit der Tragkonstruktion der Rumpfzelle fest verbundenen Gabel 18.
Im Betrieb wird die im Wesentlichen mit der Kegelbuchse 1, dem Kegelbolzen 8, der Unterlegscheibe 16, der Kronenmutter 14 sowie dem nicht näher dargestellten Sicherungssplint gebildete Kegelbolzenverbindung im Wesentlichen mit hohen mechanischen Scherkräften beansprucht.

1: Kegelbuchse
2: Kegelbohrung
3: Kegelbuchsenkeilfläche
4: Längenausdehnung
5: Längsschlitz
6: Flansch
7: Außenkante
8: Kegelbolzen
9: Kegelbolzenkeilfläche
10: Längenausdehnung
11: Gewindeabschnitt
12: Bohrung
13: teflonhaltige Beschichtung
14: Kronenmutter
15: Ausnehmung
16: Unterlegscheibe
17: Seitenleitwerk
18: Gabel
19: Hülse
20: Bohrung
21: Bohrung

Claims

Kegelbolzenverbindung mit einem in einer Kegelbuchse (1) aufgenommenen Kegelbolzen (8) und einer Befestigungsmutter sowie einer Unterlegscheibe (16), wobei die Kegelbuchse (1) einen durchgehenden Längsschlitz (5) aufweist und die Kegelbuchse (1) mittels einer auf den Kegelbolzen (8) aufschraubbaren Befestigungsmutter gleichmäßig in radialer Richtung aufspreizbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelbolzen (8) eine Beschichtung (13) aufweist, wobei eine Kegelbuchsenkeilfläche (3) in etwa eine Längenausdehnung (4) aufweist, die in etwa einer Längenausdehnung (10) einer Kegelbolzenkeilfläche (9) des Kegelbolzens (8) entspricht und die Beschichtung (13) des Kegelbolzens (8) mindestens drei gleichmäßig zueinander beabstandet um den Umfang des Kegelbolzens (8) angeordnete, sich jeweils im Wesentlichen über die gesamte Längenausdehnung (10) der Kegelbolzenkeilfläche (9) erstreckende Streifen aus Polytetrafluorethylen aufweist.
Kegelbolzenverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelbolzenkeilfläche (9) und die Kegelbuchsenkeilfläche (3) eine Neigung von jeweils einem Verhältnis von 0,01 bis 0,1 aufweisen.
Kegelbolzenverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung (13) aus Polytetrafluorethylen eine Dicke von 0,01 mm bis 0,5 mm, bevorzugt eine Dicke von etwa 0,15 mm, aufweist.
Kegelbolzenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kegelbuchse (1) und der Kegelbolzen (8) aus Titan oder aus Edelstahl gebildet sind.
Kegelbolzenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Befestigungsmutter und dem Kegelbolzen (8) eine Unterlegscheibe (16) angeordnet ist.
Kegelbolzenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungsmutter als eine Kronenmutter (14) ausgebildet ist, die mittels eines Sicherungssplints gegen unbeabsichtigtes Lösen gesichert ist.
Verwendung einer Kegelbolzenverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 zur Befestigung eines Seitenleitwerks (17) an einer Tragkonstruktion einer Rumpfzelle eines Luftfahrzeugs.