DE102009002078A1

DE102009002078A1 - Verbindungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102009002078A1
Application number: DE200910002078
Authority: DE
Inventors: Stefan Schirra; Joachim Baer
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2009-04-01
Filing date: 2009-04-01
Publication date: 2010-10-07
Also published as: CN101858379A; CN101858379B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung für dünnwandige Körper oder Bleche, insbesondere für eine Verbindung eines Stahlblechs mit einem Hohlprofil, mit zwei Öffnungen, einer ersten Öffnung in einem ersten Blech und einer zweiten Öffnung in einem zweiten Blech, die in Verbindungsposition zumindest etwa fluchtend und axial beabstandet zueinander angeordnet sind, indem das zweite Blech eine sich von der ersten Öffnung wegwölbende Absenkung aufweist, in der die zweite Öffnung angeordnet ist, und mit einer Schraubenkopf und Schraubenschaft mit Außengewinde aufweisenden Schraube, die mit dem Schraubenschaft in einer Einführrichtung durch die erste Öffnung des ersten Blechs geführt ist, unter kraftwirksamer Verbindung in die zweite Öffnung des zweiten Bleches eingreift und mit ihrem Schraubenkopf gegen eine gegen Einführrichtung weisende Außenseite des ersten Bleches widergelagert ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Reparaturset für die Verbindungsvorrichtung. Zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung, insbesondere der Dauerfestigkeit, wird vorgeschlagen, dass die zweite Öffnung ein Innengewinde aufweist, das mittels des Außengewindes der Schraube beim Eindrehen derselben in die zweite Öffnung in einer im Wesentlichen vollständigen oder vollständigen spanlosen Umformung und unter Verdrängung des die zweite Öffnung begrenzenden Materials in die zweite Öffnung eingebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verbindungsvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Beispielsweise beim Karosseriebau eines Fahrzeuges besteht das Problem, zwei dünnwandige Bauteile, wie zwei Karosseriebleche oder ein Karosserieblech und ein Hohlprofil, miteinander zu verbinden. Ein typisches Verbindungsbeispiel ist die Verbindung eines Autokarosseriebleches, wie eines Kotflügels, mit einem Tür- oder Längsholm.
In der Patentschrift US 4 659 246 B wird eine Verbindungsvorrichtung der eingangs genannten Art beschrieben, wobei sich das zweite Blech mit dem Öffnungsrand seiner zweiten Öffnung in einem Schraubengang eines Außensägegewindes abstützt. Diese aufwendige Verbindung kann sich leicht lockern.
Die EP 1 398 514 A1 offenbart eine Verbindung zweier Bleche, die zumindest im Bereich ihrer Öffnungen flach aneinander anliegen. Um einer Gefahr eines Einbeulens des zweiten Bleches in die erste Öffnung zu begegnen, ist der Öffnungsrand der zweiten Öffnung aufwendig verstärkt.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Verbindungsvorrichtung der eingangs genannten Art mit einer verbesserten Festigkeit, insbesondere einer verbesserten Dauerfestigkeit oder Dauerschwingfestigkeit, zu konzipieren.
Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, eine weniger aufwendige Verbindungsvorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen.
Die gestellte Aufgabe wird durch eine Verbindungsvorrichtung mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 und insbesondere dadurch gelöst, dass die zweite Öffnung ein Innengewinde aufweist, das mittels des Außengewindes der Schraube beim Eindrehen derselben in die zweite Öffnung in einer spanlosen Umformung unter Verdrängung des die zweite Öffnung begrenzenden Materials in die zweite Öffnung eingebracht ist.
Unter einem Innengewinde wird ein vollständiges Innengewinde mit mehr als einem Gewindegang verstanden. Vorzugsweise ist die Ganghöhe des Außengewindes der Schraube gleich oder kleiner als die halbe Blechstärke des zweiten Bleches. Somit kann ein Innengewinde mit zumindest zwei Schraubengängen eingebracht werden.
Bei dem spanlosen Einbringen des Innengewindes mittels des Außengewindes handelt es sich insbesondere um ein Eingraben, Einrollen oder Einfurchen, bei dem der das Innengewinde bildende Werkstoff mittels des Außengewindes verdrängt oder weggedrückt wird. Mit dem Eingraben, Einrollen oder Einfurchen wird das Material von der Innenwandung der zweiten Öffnung in die Gewindegänge der Schraube gepresst bzw. kann, u. a. auch abhängig von der Werkstoffpaarung, unter den lokal erhöhten Drücken zwischen Innenwandung und Schraube in die Gewindegänge des Außengewindes fließen. Dadurch können die Gewindegänge im Bereich der zweiten Öffnung nahezu vollständig oder vollständig ausgefüllt werden. Unter Umständen können erhöhte Temperatur und/oder erhöhte Drücke zu lokalen Verschweißungen zwischen Außengewinde und Innengewinde führen. Es kann somit über die axiale Länge der zweiten Öffnung eine form- und kraftschlüssige und zugleich spielfreie Verbindung zwischen dem Schraubenschaft und dem zweiten Blech hergestellt werden und somit kann die Festigkeit, insbesondere die Dauerschwingfestigkeit, der Verbindung erhöht werden.
Durch das Einrollen oder Einfurchen des Innengewindes wird das Werkstoffgefüge vorteilhaft weniger als vergleichsweise bei einem Einschneiden eines Gewindes zerstört, wodurch insbesondere eine Dauerschwingfestigkeit der Verbindung gesteigert werden kann. Bei einem möglicherweise auftretenden Fließen des Werkstoffes bei der Umformung wird das Werkstoffgefüge vorteilhaft minimal gestört.
Hierbei können auch beim Außengewinde spanlose Umformvorgänge auftreten, welches jedoch unter anderem von einer gewählten Werkstoffpaarung Außengewinde-Innengewinde abhängt. Es ist vorteilhaft, für insbesondere das zweite Blech einen Werkstoff mit einer im Verhältnis zu der des Schraubenwerkstoffes geringeren Fließgrenze zu wählen.
Mit einsetzender Widerlagerung ihres Schraubenkopfes während des Verbindungsvorganges kann sich das Außengewinde mit Anziehen der Schraube, in das bereits eingerollte oder eingefurchte Innengewinde weiter eingraben und sich mit demselben weiter verklammern. Es kann somit die sehr enge oder spiellose Anlage des Innengewindes der zweiten Öffnung an das Außengewinde der Schraube verstärkt werden. Es können lokale Temperaturerhöhungen an dem Übergang infolge erhöhter Reibungskräfte insbesondere dann auftreten, wenn Innengewinde und Außengewinde dicht aneinander anliegen, wodurch ein Fließvorgang der Werkstoffe, insbesondere des Werkstoffes des zweiten Bleches, erleichtert werden kann. Beispielsweise infolge lokaler hoher Drücke am Übergang zwischen Außengewinde und Innengewinde kann auch schon bei geringen lokalen Temperaturen am Übergang ein Fließen insbesondere des Werkstoffes des zweiten Bleches an diesem Übergang auftreten, wodurch das bereits sehr enge Anliegen oder Ineinander-Verklammern von Innengewinde und Außengewinde an diesen Stellen entsprechend verstärkt werden kann. Das Außengewinde des Schraubenschaftes ist vorzugsweise gehärtet. Damit kann ein Fließen zum spanlosen Einbringen des Innengewindes zumindest überwiegend in den Werkstoff verlagert werden, der die zweite Öffnung begrenzt.
Um eine dauerhafte Verbindung herzustellen, muss lediglich eine entsprechend zum spanlosen Einbringen des Innengewindes geeignete Schraube durch die erste Öffnung geführt und in die zweite Öffnung eingedreht werden. Daher ist diese Verbindungsvorrichtung auch sehr gut zur Verbindung eines Bleches an einem Hohlprofil geeignet.
Die Schraube kann in der Verbindungsposition mit dem Schraubenkopf mittelbar, beispielsweise über eine Unterlegscheibe oder einen Federring, oder unmittelbar mit der in Einführungsrichtung weisenden Unterseite des Schraubenkopfes an der gegen Einführrichtung weisenden Außenseite des ersten Bleches anliegen.
Die Absenkung kann vorzugsweise gewölbeartige Formen aufweisen. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die zweite Öffnung durch eine Wandung begrenzt wird, die einen Winkel größer Null zur Ebene des zweiten Bleches aufweist, da hierdurch Kräfte momentfreier übertragen werden können. Bei einer möglichen kuppelartigen Gewölbeform der Absenkung mit der zweiten Öffnung im Gewölbezenit läuft die die zweite Öffnung begrenzende Wandung wenig vorteilhaft parallel zur Ebene des zweiten Bleches zum Gewölbezenit. Gegenteilig läuft die Wandung bei einer abgestumpften rotationshyperbolidischen Gewölbeform in einem Winkel von bis zu 90° zum Gewölbezenit, wobei diese Form jedoch schwer zusammen mit dem Tiefziehen des zweiten Bleches erzeugt werden kann. Als einfach zu erzeugende und daher bevorzugte Form der Absenkung wird eine hohlkegelstumpfartige Form mit parallelen oder im Wesentlichen parallelen Grundflächen, einer großen Grundfläche und einer kleinen Grundfläche, angesehen. Diese verjüngt sich in Verbindungsposition in Einführrichtung zu der kleinen Grundfläche hin. Die kleine Grundfläche kann hierbei durch die zweite Öffnung gebildet werden.
Dies kann zu einer mechanischen Stabilisierung der Verbindung führen, da von dem Schraubenschaft übertragenen Kräfte unmittelbar über und durch die Wandung der hohlkegelstumpfartigen Absenkung in Richtung zum ersten Blech hin weitergeleitet werden können, wobei hierdurch, abhängig von den Kegelgeometrien, die Wandung nur geringfügig mit zusätzlichen Biegemomenten senkrecht zur Einführrichtung belastet wird. Somit besteht kaum Gefahr eines Ausbeulens der Wandung. Ferner werden die Kräfte auf einen radial weiter außen liegenden Umkreis des zweiten Bleches, d. h. zum Rand der größeren Grundfläche der Absenkung hin weitergeleitet, wodurch die an diesem Rand erzeugte Biegespannung entsprechend verringert werden kann. Somit können die Kräfte auf einen größeren Flächenbereich des zweiten Bleches übertragen werden bzw. sich die Schraube auf einem größeren Bereich des zweiten Bleches abstützen und diesen mit geringerem Druck belasten. Vorteilhaft dient die Absenkung zugleich allgemein als Verstärkungsprofil. Somit kann auch durch die hohlkegelstumpfartige Ausbildung der Absenkung die gestellte Aufgabe vollständig gelöst werden.
Vorzugsweise ist der Steigungswinkel des Außengewindes größer oder gleich dem Winkel, den der Mantel der hohlkegelstumpfartigen Absenkung mit der größeren Grundfläche derselben einschließt. Dadurch stützt sich das Innengewinde vornehmlich auf die zu der ersten Öffnung hin weisenden Flanke des Außengewindes der Schraube ab, so dass die Kraftübertragung bereits an dieser Stelle zumindest mit einer größeren Komponente in Richtung der Erstreckung des Mantels erfolgen kann und zusätzliche Biegemomente vermieden werden können. Ferner wird ein Materialfluss beim Einbringen des Innengewindes gegen die in Einführrichtung weisende Flanke erleichtert.
Wegen der achsensymmetrischen Anordnung der zweiten Öffnung in der bezüglich der Einführrichtung bzw. bezüglich einer Öffnungsachse der zweiten Öffnung symmetrischen Vertiefung kann eine optimale symmetrische Kraftverteilung über die Querschnittsebene der Vertiefung erfolgen, welches wiederum die Festigkeit, insbesondere eine Dauerfestigkeit der Verbindung steigert.
Der maximale Durchmesser der muldenartigen oder gewölbeartigen Absenkung in Höhe der Ebene des zweiten Bleches kann größer oder gleich dem doppelten minimalen Durchmesser der zweiten Öffnung sein. Ferner kann die maximale Tiefe der Absenkung kleiner oder gleich ihrem halben maximalen Durchmesser sein.
Beide Öffnungen können einen kreisrund ausgebildet sein. Sie können in der Verbindungsposition fluchtend zueinander angeordnet sein. Die erste Öffnung kann auch nicht kreisrund, sondern beispielsweise als Langloch ausgeführt sein, dessen kleinerer Durchmesser vorzugsweise etwa dem Außendurchmesser des Schraubenschaftes entspricht, so können die beiden Öffnungen in der Verbindungsposition bezüglich der Lochbreite der ersten Öffnung an dem kleineren Durchmesser fluchtend zueinander angeordnet sein. Mit einem Langloch als erste Öffnung kann bei der Montage eine entsprechende Lagekorrektur der dünnwandigen Bauteile relativ zueinander erfolgen.
Es kann vorgesehen sein, dass sich die Geometrien des Außengewindes durch das Einrollen oder Einfurchen des Innengewinde nicht oder nur geringfügig ändern.
Dadurch kann die Flanke des Außengewindes nicht oder nur geringfügig verkleinert werden, welches hinsichtlich beispielsweise der Kraftübertragung auf die Flanke vorteilhaft ist. Dies kann allgemein dadurch erzielt werden, dass die Fließgrenze des Werkstoffes zumindest des Außengewindes größer als die der die zweite Öffnung begrenzenden Wandung ist. Auch in diesem Zusammenhang ist ein oben erwähntes gehärtetes Außengewindes vorteilhaft. Es kann auch ein Werkstoff für das zweite Blech mit einer entsprechend geringen Fließgrenze ausgewählt werden. Es kann an der Innenwandung der zweiten Öffnung ein Werkstoff mit erniedrigter Fließgrenze vorgesehen sein.
Als Werkstoffe für die dünnwandigen Bauteile, insbesondere für die Bleche, kommen zum Beispiel mikrolegierte Stähle, wie ZSTE220 bis ZSTE420 mit unterschiedlichen, Festigkeit steigernden Phasen, wie DP450 bis DP800 mit Ferrit und Martensit oder anderen Qualitäten, in Betracht. Dies ermöglicht beispielsweise einen Einsatz von zum Eingraben, Einrollen oder Einfurchen von Innengewinden geeigneten M5- oder M6-Schrauben mit vorzugsweise gehärtetem Gewinde, welches die Verbindungsvorrichtung kostengünstig macht.
Der Durchmesser der großen Grundfläche der Absenkung ist vorzugsweise größer als der Durchmesser der ersten Öffnung und kleiner als ein Durchmesser eines Anlagebereich ist, in dem sich die Schraube mittelbar oder unmittelbar auf der gegen Einführrichtung weisenden Außenseite des ersten Bleches abstützt. Dadurch kann ein Kraftfluss von der zum ersten Blech hin laufenden Wandung der Absenkung über die die erste Öffnung begrenzende Wandung des ersten Bleches in den Schraubenkopf erfolgen, ohne dass das erste Blech mit zusätzlichen Biegemomenten belastet wird. Diese Maßnahme kann verhindern, dass die die erste Öffnung begrenzende Wandung des ersten Bleches auf Scherung belastet werden kann. Die die erste Öffnung begrenzende Wandung kann ohne diese Maßnahme bei dieser Belastung unter Ausbildung einer unerwünschten Mulde zur Absenkung hin gebogen werden. Diese Scherbelastung kann auftreten, wenn sich der Schraubenkopf in Einführrichtung und die zum ersten Blech hin laufenden Wandung der Absenkung bezüglich der ersten Öffnung radial nach außen beabstandet zum Schraubenkopf gegen Einführrichtung auf die die erste Öffnung begrenzende Wandung des ersten Bleches abstützt. Zur Vergrößerung des Anlagebereiches, in dem der Schraubenkopf in der Verbindungsposition an der Außenseite des ersten Bleches anliegt, kann eine Unterlegscheibe zwischen Schraubenkopf und Außenseite vorgesehen sein und/oder kann der Schraubenkopf in bekannter Weise zum Schraubenschaft hin einen Flansch, beispielsweise in Form einer angeschweißten Unterlegscheibe, aufweisen.
Ein besonderer Vorteil wird darin gesehen, dass unter Einwirkung des spanlosen Einformens des Innengewindes, wie Eingrabens, Einrollens oder Einfurchens des Innengewindes, an der die zweite Öffnung begrenzende Wandung in und/oder gegen Einführrichtung jeweils ein zumindest teilumfänglichen Wulst ausgebildet wird, in den sich das Innengewinde in bzw. gegen Einführrichtung zumindest teilweise hinein erstreckt. Mittels der spanlosen Umformung kann somit unter Fließen oder Verdrängen des Werkstoffes eine Wulstbildung in und/oder gegen Einführrichtung auftreten, mittels derer die Wandstärke des zweiten Bleches in unmittelbarer Nähe der zweiten Öffnung und damit die axiale Länge des Innengewindes vergrößert werden kann. Somit kann die Festigkeit der Verbindung weiter gesteigert werden.
Das spanlose Einformen des Innengewindes in die Wandung der zweiten Öffnung mittels des Außengewindes kann soweit zu einer spiellosen Ineinandergreifen von Innengewinde und Außengewinde führen, dass sich die Schraube in der zweite Öffnung festsetzen kann und es unter Umständen schwierig werden kann, die Schraube mittels eines Werkzeuges wieder zu lösen. Die oben beschriebene Wulstbildung verstärkt diesen Prozess des Festsetzens.
Das Außengewinde kann selbsthemmend ausgelegt sein. Diese vorgeschlagene Maßnahme kann die Dauerschwingfestigkeit der Verbindung weiter erhöhen. Diese Maßnahme kann ebenfalls ein Festsetzen der Schraube begünstigen. Bekanntermaßen ist zur Selbsthemmung die Ganghöhe eines Gewindes im Vergleich zu einer Ganghöhe eines Gewindes einer nicht selbsthemmenden Schraube kleiner ausgelegt. Die geringere Ganghöhe des Gewindes ermöglicht ferner eine größere Anzahl von Gewindegängen des Innengewindes bei gleicher Blechstärke, wodurch wiederum die Festigkeit der Verbindung erhöht werden kann.
Die zweite Öffnung ist vorzugsweise in Einführrichtung konisch erweitert. Somit kann die zweite Öffnung eine in Einführrichtung vordere Kante oder Kantenbereich, an der oder in dem die zweite Öffnung in die gegen Einführrichtung weisende Seitenfläche des zweiten Bleches einmündet, und zugleich einen minimalen Innendurchmesser aufweisen. Dadurch kann die Schraube mit dem Außengewinde zuerst an einer in Einführrichtung vorderen Kante der zweiten Öffnung angreifen und unter relativ geringem Kraftaufwand einen in Einführrichtung vorderen ersten Gewindegang in die zweite Öffnung spanlos einformen, d. h. eingraben, einrollen oder einfurchen.
Allgemein kann der Schraubenschaft eine Form aufweisen, die üblicherweise zum spanlosen Einbringen, insbesondere zum Einrollen oder Einfurchen, eines Innengewindes geeignet ist, wobei hier bei Gewindeschneidern übliche Nuten zum Abtransport der Späne aus dem Gewindeschneiden überflüssig sind. Der Schraubenschaft kann ein sich konisch verjüngendes freies Ende mit zwei in Einführrichtung aufeinander folgenden Abschnitten, einen in Einführrichtung hinteren Abschnitt zum Einführen des freien Endes in die zweite Öffnung und einen in Einführrichtung vorderen Abschnitt mit dem Außengewinde aufweisen.
In einer weiteren Ausführung ist der Schaft über den gesamten Bereich seines Außengewindes zum freien Ende hin konisch zulaufend ausgebildet. Hierdurch kann die Schraube zum Beispiel im Falle einer Lockerung weiter unter Erweiterung des Innengewindes eingeschraubt und erneut festgesetzt werden.
Das Außengewinde kann in den hinteren Abschnitt des freien Endes weitergeführt sein. Hierdurch kann das Einführen des freien Endes Weiter erleichtert werden, wenn beispielsweise die Schraube nicht ganz exakt in Einführungsrichtung in die zweite Öffnung eingeführt wird und über das Außengewinde dann zentriert und mit einem Kraftimpuls in Einführrichtung beschleunigt werden kann.
Das Außengewinde kann zwei in Einführrichtung aufeinander folgende Abschnitte, einen in Einführrichtung vorderen ersten Abschnitt zum Fertigrollen des Innengewindes der zweiten Öffnung und einen in Einführrichtung hieran anschließenden zweiten Abschnitt zum Vorrollen des Innengewindes der zweiten Öffnung umfassen. Das Außengewinde kann einen in Einführrichtung hinteren dritten Abschnitt mit einem Spitzgewinde zu seinem anfänglichen Eingreifen in die Seitenwände der zweiten Öffnung aufweisen. Somit kann sich das Außengewinde mit dem Spitzgewinde in seinem dritten Abschnitt in die Innenwandung eingraben und hierdurch eine Führung ausbilden, die gewährleistet, dass das Außengewinde das Innengewinde weiter ordnungsgemäß in die zweite Öffnung einrollt oder einfurcht.
Es kann der zweite Abschnitt ein trapezförmiges Gewinde aufweisen, mittels dessen der oder die durch den dritten Abschnitt geformten Gewindegänge im Wesentlichen verbreitert werden. Hierbei kann zugleich auch eine Vertiefung des Innengewindes erfolgen. Der erste Abschnitt kann wiederum ein Spitzgewinde zur fertigen Ausformung des Innengewindes umfassen. Verfahrensbedingt kann der minimale Durchmesser des Spitzgewindes des ersten Abschnittes kleiner als der maximale Durchmesser des Spitzgewindes des dritten Abschnittes sein.
In einer Weiterbildung der Verbindungsvorrichtung können die beiden Bleche in der Verbindungsposition zumindest im Bereich ihrer Öffnungen beabstandet zueinander angeordnet sind. Hierdurch kann beispielsweise eine Durchlüftung zwischen den Blechen ermöglicht werden.
Das erste Blech kann in der Verbindungsposition beabstandet zu der Bleckebene des zweiten Bleches an demselben festgelegt angeordnet sein. hierzu kann das zweite Blech an seiner in der Verbindungsposition dem ersten Blech zugewandten Seitenfläche nahe oder an dem Öffnungsrand seiner zweiten Öffnung mindestens einen sich entgegen der Einführrichtung erstreckenden Vorsprung aufweisen. Dieser kann zumindest teilumfänglich um die zweite Öffnung erstrecken.
Mittels des Vorsprunges kann eine vorteilhafte Versteifung des zweiten Bleches im Bereich der zweiten Öffnung erzielt werden. Vorgesehen ist, dass der Öffnungsrand der zweiten Öffnung nur um einen geringen Betrag von dem Vorsprung entfernt ist. Der Öffnungsrand kann auch in den Vorsprung vorzugsweise so integriert sein, dass sich der Öffnungsrand in einem oberen, vorzugsweise im obersten Bereich des Vorsprunges befindet, mit dem der Vorsprung das zweite Blech überragt. Der Vorsprung kann ein Querschnittsprofil mit gerundeten Formen, d. h. ohne Spitzen und Kanten, aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann das erste Blech an seiner in der Verbindungsposition dem zweiten Blech zugewandten Seitenfläche nahe oder an dem Öffnungsrand seiner ersten Öffnung mindestens einen sich entgegen der Einführrichtung erstreckenden Vorsprung aufweist, der zumindest teilumfänglich um die erste Öffnung angeordnet ist. Sind an beiden Blechen solche Vorsprünge vorgesehen, so können diese in der Verbindungsposition beispielsweise zahnartig ineinandergreifen oder ineinander gesteckt sein. Hierdurch kann eine Verdrehfestigkeit der Verbindung bezüglich der Längsachse der Schraube erzielt werden.
Vorteilhafterweise sind mehrere Vorsprünge vorgesehen, die bezüglich einer Öffnungsachse der zweiten Öffnung auf einem Umfangskreis und auf demselben hintereinander angeordnet sind. Die Vorsprünge können umfänglich gleich voneinander beabstandet sein. Vorzugsweise sind die umfänglichen Abstände zwischen Vorsprüngen kleiner als deren umfängliche Erstreckung.
Es können drei, vorzugsweise in einem Drehwinkel bezüglich der Einführrichtung von 120° zueinander angeordnete oder vier, vorzugsweise in einem Drehwinkel bezüglich der Einführrichtung von 90° zueinander angeordnete Vorsprünge vorgesehen sein.
Bei einer weiteren Ausbildungsform der Verbindungsvorrichtung kann ein Einsatzstück vorgesehen sein, das die zweite Öffnung aufweist und das in Verbindungsposition in oder an einer vorgesehenen, an das Einsatzstück angepassten Ausnehmung des zweiten Bleches festlegbar ist. Somit kann das Einsatzstück an gewünschter Stelle in der Ausnehmung des zweiten Bleches festgelegt werden. Das Einsatzstück kann bevorratet und beispielsweise nachträglich in das zweite Blech eingefügt werden, in welches die Ausnehmung beispielsweise auch nachträglich eingebracht wurde. Somit kann die Verbindungsvorrichtung auch im Reparaturfalle, zum Beispiel als Ersatz für eine versagte Punktschweißung, installiert werden. Hierzu kann die Punktschweißung aufgebohrt werden und kann das Einsatzstück in Einführrichtung hinter das zweite Blech angeordnet und mit Anziehen der Schraube gegen das zweite Blech festgelegt werden. Vorzugsweise wird das Einsatzstück in überlappenden Randbereichen von Einsatzstück und Ausnehmung mittels vorzugsweise Punktschweißens mit dem zweiten Blech verbunden. Das Einsatzstück kann den Vorsprung oder die Vorsprünge aufweisen. Vorzugsweise ist die Blechstärke des Einsatzstückes gegenüber der übrigen Blechstärke oder Wandstärke des zweiten Bleches bzw. des dünnwandigen Körpers vergrößert. In dem Einsatzstück können auch andere, ebenfalls versteifend wirkende Elemente ähnlich der Absenkung und/oder dem Vorsprung oder den Vorsprünge nahe der zweiten Öffnung vorgesehen sein.
Die erfindungsgemäße Verbindungsvorrichtung ermöglicht, wie oben ausgeführt, eine besonders feste Verbindung zweier dünnwandiger Körper, in der sich die Schraube in der ersten Öffnung sogar soweit festsetzen kann, dass beim Lösen der Schraube mittels eines Werkzeuges das Innengewinde und/oder das Außengewinde zumindest partiell soweit verletzt oder zerstört werden können, dass ein erneutes Verschrauben nur unzureichende Verbindungsfestigkeiten erbringen können. Von daher kann ein Reparaturset zur Ausbesserung der Verbindungsvorrichtung gemäß einer der vorhergehenden Ausführungsformen vorgesehen sein. Dieses Reparaturset kann ein Bauteil mit einer an die zweite Öffnung angepassten und das Innengewinde aufweisende Ausnehmung und eine in Einbaulage in die Verbindungsvorrichtung in Einführrichtung vordere Seitenfläche aufweisen, die der in Einführrichtung hinteren Seitenfläche des zweiten Bleches in Umgebung der zweiten Öffnung angepasst und an dieselbe zur Verbindung mit der Schraube der Verbindungsvorrichtung anlegbar ist. Das Bauteil kann gegen Einführrichtung mit seiner hinteren Seitenfläche gegen die Ausnehmung geführt werden und dort vorzugsweise anliegen. Hierzu kann die hinteren Seitenfläche wie die Ausnehmung ausgeformt sein, so dass sich das Bauteil in der Verbindungsposition vorzugsweise auch oder allein an der in Einführrichtung weisenden Seitenfläche des ersten Bleches bzw. des ersten dünnwandigen Bauteiles abstützt. Das Bauteil kann als Bundmutter mit einem scheibenförmigen Rand ausgebildet sein, wobei der Rand die vordere Seitenfläche des Bauteiles aufweist. Das Bauteil kann auch eine Schraubenmutter mit angeschweißtem Rand sein.
Zusätzlich kann das Reparaturset eine Schraube mit einem Schraubenschaft enthalten, dessen Länge so ausgelegt ist, dass der Schraubenschaft ordnungsgemäß mit dem Bauteil verschraubbar ist. Diese Schraube kann ein übliches vorzugsweise selbsthemmendes Außengewinde aufweisen.
Insbesondere für eine Befestigung des ersten Bleches an ein Hohlprofil kann das Reparaturset eine Schraube mit selbsteinrollenden oder selbstfurchenden Außengewinde umfassen, deren Außendurchmesser vorzugsweise um eine Normgröße größer als die in der Verbindungsvorrichtung zuvor eingesetzte und aus der Verbindung gelösten Schraube ist. Mittels der größeren Schraube kann, ähnlich wie oben detailliert beschrieben, spanlos ein dann neues Innengewinde in die zweite Öffnung eingebracht werden.
Die vorliegende Erfindung wird im Folgenden anhand mehrerer in einer Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:
1a bis 1c Längsschnittansichten einer ersten Ausführungsform einer Verbindungsvorrichtung in drei Schritten eines Verbindungsvorganges,
2 eine Längsschnittansicht einer zweiten Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung,
3a eine Draufsicht auf ein in ein Blech eingefügtes Einsatzstück als Teil einer dritten Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung und
3b eine Schnittansicht des in das Blech eingefügten Einsatzstückes gemäß 3a.
In den 1 und 2 wird jeweils eine Ausführungsform einer Verbindungsvorrichtung 1 für dünnwandige Körper oder Bleche 2, 3 gezeigt. Die Verbindungsvorrichtung 1 umfasst zwei Öffnungen, eine erste Öffnung 4 in einem ersten Blech 2 und eine zweite Öffnung 5 in einem zweiten Blech 3, die in Verbindungsposition zumindest fluchtend und axial beabstandet zueinander angeordnet sind. Das zweite Blech 3 weist eine sich von der ersten Öffnung 4 wegwölbende Absenkung 6 mit einer als Hohlkegelstumpf 7 ausgebildeten Form auf, wobei diese zwei parallele Grundflächen, eine große Grundfläche 8 und eine kleine Grundfläche 9, umfasst und sich in Verbindungsposition in Einführrichtung v zu der kleinen Grundfläche 9 hin verjüngt. Die zweite Öffnung 5 bildet die kleine Grundfläche 9. Eine Schraube 10 mit einem ein Außengewinde 11 aufweisenden Schraubenschaft 12 und einem Schraubenkopf 13 ist mit dem Schraubenschaft 12 in Einführrichtung v durch beide Öffnungen 4, 5 geführt, wobei die Schraube mit ihrem Eindrehen in die zweite Öffnung 5 mittels ihres Außengewindes 11 unter spanloser Umformung ein Innengewinde 14 in die Wandung der zweiten Öffnung 5 einbringt. In der in 1c und 2 gezeigten Verbindungsposition liegt die Schraube 10 mit ihrem Schraubenkopf 13 an der gegen Einführrichtung weisenden Außenseite 15 des ersten Bleches 2 an. Die zweite Öffnung 5 ist in Einführrichtung v konisch erweitert.
Das Außengewinde 11 der Schraube 10 ist hier gehärtet. Die Bleche 2, 3 sind aus ZSTE220, einem mikrolegierte Stahl.
In 1a bis 1c ist der Verbindungsvorgang insbesondere unter dem Aspekt des Einbringens des Innengewindes 14 in die Wandung der zweite Öffnung 5 mittels des Außengewindes 11 der Schraube 10 gezeigt, die in die zweite Öffnung 5 eingedreht wird. Deutlich den 1a und 1b entnehmbar ist, dass sich das freie Ende 16 des Schraubenschaftes 12 in Einführrichtung v hier nichtlinear verjüngt. Ähnlich verkleinert sich der Kerndurchmesser d₁ des Schraubenschaftes 12, wobei in 1 der Kerndurchmesser d₁ mit seiner maximalen Ausdehnung eingezeichnet ist. In 1a ist die Schraube 10 bereits mit dem Schraubenschaft 12 soweit durch die beiden Öffnungen 4, 5 geführt, dass ihr Außengewinde 11 mit einem in Einführrichtung v vorderen Abschnitt 17 beginnt, zum spanlosen Einbringen des Innengewindes 14 in die Wandung der zweiten Öffnung 5 einzugreifen, wobei die Verjüngung des freien Endes 16 in einem in Einführrichtung v hinterem Abschnitt 18 zuvor als Einführhilfe in die zweite Öffnung 5 fungiert hat. Bei der hier gezeigten Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung 1 erstreckt sich das Außengewinde zum erleichterten Einführen über das gesamte freie Ende 16.
Der vordere Abschnitt 17 weist hier mit drei in Einführrichtung aufeinander folgende Abschnitte 19–21 auf, in denen unter Verdrängung des die zweite Öffnung 5 begrenzenden Materials das Innengewinde in die Wandung eingerollt oder eingefurcht wird. In einem dritten Abschnitt 19, in dem das Außengewinde 11 als Spitzgewinde ausgeführt ist, wird ein erster Gewindegang 22 eingegraben, der zugleich als Führung dient. Da sich die zweite Öffnung 5 konisch öffnet, wird von dem Außengewinde 15 in dem dritten Abschnitt lediglich ein Kantenbereich am Öffnungsrand vom Außengewinde ergriffen, welches bereits unter geringeren Verformungskräften weggefurcht werden kann (1a).
In 1b ist das Eingraben des Innengewindes 14 bereits weiter fortgeschritten, indem die Gewindegänge 22 in einem zweiten Abschnitt 20 des Außengewindes 11 stumpf abgetieft und verbreitert werden. Das Außengewinde 11 ist hierzu trapezartig ausgebildet. Da sich zugleich der Kerndurchmesser d₁ des Schraubenschaftes 12 vergrößert, wird ebenfalls der Durchmesser d₂ der zweiten Öffnung 5 erweitert. Somit bauen sich durch das Eingraben Drücke an der Innenwandung der zweiten Öffnung 5 auf, durch die das Material zu fließen beginnt und unter Wegschieben oder Wegdrücken eng Anlage an dem Außengewinde 11 anliegt und Wülste 23 zu beiden Seiten der zweiten Öffnung 5 hin ausbildet. Wie in 1b deutlich erkennbar, setzt sich das Innengewinde 14 in die Wülste 23 fort und vergrößert sich. Mit den Wülsten 23 wird somit zugleich die Blechstärke des zweiten Bleches 3 im Bereich der zweiten Öffnung 5 vergrößert. Die zweite Öffnung 5 stützt sich elefantenfußartig an dem Außengewinde 11 ab. Somit werden unter Verdrängung und Fließen des die zweite Öffnung 5 begrenzenden Materials ein sehr enges, spielloses Ineinandergreifen von Innengewinde 14 und Außengewinde 11 und eine axiale Verlängerung des Innengewindes 14 in die Wülste 23 erzielt.
In 1c befinden sich Schraube 10 und Bleche 2, 3 ist der Verbindungsposition 1, in der der Schraubenkopf 13 mit einem scheibenförmigen Rand 24 an der Außenseite 15 des ersten Bleches 2 anliegt. Das spanlose Einformen des Innengewindes 14 ist abgeschlossen. Das Innengewinde 14 krallt sich mit Anziehen der Schraube 10 weiter in das Außengewinde 11, wobei es sich, dank der hohlkegelstumpfartigen Form der Absenkung 6, vornehmlich auf der ersten Öffnung 4 zugewandten Flanke 24 des Außengewindes abstützt. Hierzu ist der Steigungswinkel β des Außengewindes 11 ist größer als der Winkel α, den der Mantel 25 der Absenkung 6 und die große Grundfläche 8 bzw. das erste Blech 2 einschließen. In 1c sind qualitativ Kräfteverhältnisse wiedergegeben, nach dem eine Schraubenkraft K_s durch Anziehen der Schraube 10 auf das Innengewinde 14 und entsprechend des Winkels α auf die Mantel 25 wirkt, so dass die Schraubenkraft K_s mittels des Mantels 25 als Kraft K_m spitzgewölbeartig abgeleitet wird, welches die Verbindung stabilisiert. Zu beachten ist, dass hier der Mantel 25 als Schnitt wiedergegeben ist, die Kräfteverteilung aber entsprechend der Hohlkegelstumpfform räumlich erfolgt.
Der bezüglich der Anlage an die Außenseite 15 wirksame Durchmesser d₃ des Randes 24 größer als der Durchmesser d₄ der großen Grundfläche 8 der Absenkung 6, d. h. der Durchmesser d₃ des Rand 24 ist größer als der Durchmesser d₄ der großen Grundfläche 8 der Absenkung 6 und dieser wiederum größer als der Durchmesser d₅ der ersten Öffnung 4. Somit tritt vom Rand der großen Grundfläche 8 über die Wandung des ersten Bleches 2 an dieser Stelle ein unmittelbarer Kraftübergang zum Schraubenkopf 13 hin auf, ohne dass zusätzliche Kraftmomente erzeugt werden, die beispielsweise bewirken können, dass der Öffnungsrand der ersten Öffnung 4 in die Absenkung 6 hineingezogen wird.
Da sich die Schraube 10 mit dem Außengewinde 11 unter spanloser Einformung des Innengewindes 14 und Ausbildung der Wülste 23 in der zweite Öffnung nahezu festsetzt, kann die Schraube unter Umständen nur unter zumindest teilweiser Zerstörung des Innengewindes mittels eines Werkzeuges, wie Schraubendrehers, wieder gelöst werden. Von daher ist in dieser Ausführungsform der Durchmesser d₅ der ersten Öffnung 4 so groß gewählt, dass zur Erneuerung der Verbindung eine andere größere, zum Einrollen oder Einfurchen eines Innengewindes ausgelegte Schraube eingedreht werden kann, die dann ein neues Innengewinde in die zweite Öffnung spanlos einformt. Von daher kann ein entsprechendes Reparaturset bereitgestellt werden, welches in der Zeichnung nicht dargestellt ist.
In 2 wird eine zweite Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung 1 gezeigt, die sich von der in 1 gezeigten insbesondere dadurch unterscheidet, dass die beiden Bleche 2, 3 in der hier gezeigten Verbindungsposition beabstandet zueinander abgeordnet sind. Hierzu sind hier in das zweite Blech 3 eingebrachte vier Vorsprünge 26 vorgesehen, die in gleichen Abständen voneinander umfänglich um die Absenkung 6 angeordnet sind, wobei sich das erste Blech 2 oberseitig auf den Vorsprüngen 26 abstützt.
3 gibt eine weitere Ausführungsform der Verbindungsvorrichtung 1 wieder, wobei lediglich ein zweites Blech 3 mit einer Ausnehmung 27 wiedergegeben ist, an die überlappend ein Einsatzstück 28 per Punktschweißungen 29 lagefixiert ist. Das Einsatzstück 28 weist die Absenkung 6 mit der zweiten Öffnung 5 auf. Auf die Darstellung des ersten Bleches ist hier der Klarheit halber verzichtet worden.

1: Verbindungsvorrichtung
2: erstes Blech
3: zweites Blech
4: erste Öffnung
5: zweite Öffnung
6: Absenkung
7: Hohlkegelstumpf
8: große Grundfläche
9: kleine Grundfläche
10: Schraube
11: Außengewinde
12: Schraubenschaft
13: Schraubenkopf
14: Innengewinde
15: Außenseite
16: freies Ende
17: vorderer Abschnitt
18: hinterer Abschnitt
19: erster Abschnitt
20: zweiter Abschnitt
21: dritter Abschnitt
22: Gewindegang
23: Wulst
24: Rand
25: Mantel
26: Vorsprung
27: Ausnehmung
28: Einsatzstück
29: Punktschweißung
α: Winkel
β: Steigungswinkel
d₁: Kerndurchmesser
d₂: Durchmesser zweite Öffnung
d₃: Durchmesser Rand
d₄: Durchmesser große Grundfläche
d₅: Durchmesser erste Öffnung
K_s: Schraubenkraft
K_m: Kraft
v: Einführrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- US 4659246 B [0003]
- EP 1398514 A1 [0004]

Claims

Verbindungsvorrichtung für dünnwandige Körper oder Bleche, insbesondere für eine Verbindung eines ersten Bleches (2) mit einem zweiten Blech (3), mit einer Schraube (10), die einen Schraubenkopf (13) und einen Schraubenschaft (12) mit Außengewinde (11) aufweist und einem zweiten Blech (2), das eine Absenkung (6) aufweist, in der eine zweite Öffnung (5) angeordnet ist, wobei die Schraube (10) mit dem Außengewinde (11) kraftwirksam in die zweite Öffnung (5) des zweiten Bleches (3) eingreift und der Schraubenkopf (13) gegen die Richtung der Absenkung (6) orientiert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (5) ein Innengewinde (14) aufweist, das mittels des Außengewindes (11) der Schraube (10) beim Eindrehen derselben in die zweite Öffnung (5) in einer spanlosen Umformung unter Verdrängung des die zweite Öffnung (5) begrenzenden Materials in die zweite Öffnung (5) eingebracht ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Absenkung (6) als Hohlkegelstumpf (7) ausgeformt ist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Steigungswinkel (13) des Außengewindes (11) größer oder gleich dem Winkel (α) ist, den der Mantel (25) des hohlkegelstumpfartigen Absenkung (6) mit ihrer größeren Grundfläche (8) einschließt.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (d₄) der großen Grundfläche (8) der Absenkung (6) größer als der Durchmesser (d₅) der ersten Öffnung (4) und kleiner als ein Durchmesser (d₃) eines Anlagebereich ist, in dem sich die Schraube (10) mittelbar oder unmittelbar auf der gegen Einführrichtung (v) weisenden Außenseite (15) des ersten Bleches (2) abstützt.
Verbindungsvorrichtung nach einem der einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unter Einwirkung des spanlosen Einbringens oder Eingrabens des Innengewindes (14) an der die zweite Öffnung (5) begrenzende Wandung in und/oder gegen Einführrichtung (v) jeweils ein zumindest teilumfänglichen Wulst (23) ausgebildet wird, in den sich das Innengewinde (14) in bzw. gegen Einführrichtung (v) zumindest teilweise hinein erstreckt.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Öffnung (5) in Einführrichtung (v) konisch erweitert ist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenschaft (12) ein sich konisch verjüngendes freies Ende (16) mit ein in Einführrichtung (v) aufeinander folgende Abschnitte, einen in Einführrichtung (v) hinteren Abschnitt (18) zum Einführen des freien Endes (16) in die zweite Öffnung (5) und einen in Einführrichtung (v) vorderen Abschnitt (17) mit dem Außengewinde (11) aufweist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (11) zwei in Einführrichtung (v) aufeinander folgende Abschnitte, einen in Einführrichtung (v) vorderen ersten Abschnitt (19) zum Fertigeingraben des Innengewindes (14) in die zweite Öffnung (5) mit einem Spitzgewinde und einen in Einführrichtung (v) hieran anschließenden zweiten Abschnitt (20) zum Voreingraben des Innengewindes (14) in die Wandung der zweiten Öffnung (5) mit einem Trapezgewinde oder einem Rundgewinde aufweist.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (11) einen in Einführrichtung (v) hinteren dritten Abschnitt (21) mit einem Spitzgewinde zu seinem ersten Eingreifen in die Wandung der zweiten Öffnung (5) aufweist.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das die beiden Bleche (2, 3) in der Verbindungsposition beabstandet zueinander angeordnet sind.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Blech (3) an seiner in der Verbindungsposition dem ersten Blech (2) zugewandten Seitenfläche nahe oder an dem Öffnungsrand der zweiten Öffnung (5) mindestens einen sich entgegen der Einführrichtung (v) erstreckenden Vorsprung (26) aufweist, der sich zumindest teilumfänglich um die zweite Öffnung (5) erstreckt.
Verbindungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Vorsprünge (26) vorgesehen sind, die auf einem Umfangskreis und auf demselben hintereinander um die zweite Öffnung (5) angeordnet sind.
Verbindungsvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einsatzstück (28) mit der zweiten Öffnung (5) vorgesehen ist, das in oder an einer vorgesehenen, an das Einsatzstuck (28) angepassten Ausnehmung (27) des zweiten Bleches (3) festlegbar ist.
Reparaturset zur Ausbesserung einer Verbindungsvorrichtung (1) gemäß einer der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Verbindungsvorrichtung (1) in einem zweiten Blech (3) eine zweite Öffnung (5) mit einem Innengewinde (14) aufweist, das im Reparaturfall defekt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Bauteil mit einer an die zweite Öffnung (5) angepassten Öffnung mit dem Innengewinde (14) und eine in Einbaulage in die Verbindungsvorrichtung (1) in Einführrichtung (v) vordere Seitenfläche aufweist, die der in Einführrichtung (v) hinteren Seitenfläche des zweiten Bleches (3) in Umgebung der zweiten Öffnung (5) angepasst und an dieselbe zur Verbindung mit der Schraube der Verbindungsvorrichtung (1) anlegbar ist, und/oder eine Schraube mit selbsteingrabenden, selbsteinrollenden oder selbsteinfurchenden Außengewinde aufweist, deren Außendurchmesser um eine Normgröße größer als die in der Verbindungsvorrichtung (1) zuvor verwandte ist.
Reparaturset nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil als Bundmutter mit einem scheibenförmigen Rand ausgebildet ist, wobei der Rand die vordere Seitenfläche aufweist.