DE102015209828A1

DE102015209828A1 - Schraubverbindung und Verfahren

Info

Publication number: DE102015209828A1
Application number: DE102015209828.1A
Authority: DE
Inventors: Andrej Dronnik
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2015-05-28
Filing date: 2015-05-28
Publication date: 2016-12-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung. Die Schraubverbindung umfasst ein Gewindeelement und eine Schraubeneinheit. Das Gewindeelement umfasst einen ersten Gewindeabschnitt mit einem um eine Gewindeachse verlaufenden ersten Außengewinde. Das Gewindeelement umfasst einen zweiten Gewindeabschnitt mit einem um die Gewindeachse verlaufenden zweiten Außengewinde und einen sich in radialer Richtung zu der Gewindeachse erstreckenden Befestigungsabschnitt, der mit den Gewindeabschnitten verbunden ist. Der erste Gewindeabschnitt ist axial versetzt zu dem zweiten Gewindeabschnitt angeordnet. Die Schraubeneinheit weist wenigstens ein zum ersten und zweiten Außengewinde korrespondierend ausgebildetes Innengewinde auf. Das erste Außengewinde greift in einem ersten Eingriffsabschnitt in das Innengewinde und das zweite Außengewinde in einem zweiten Eingriffsabschnitt in das Innengewinde ein. Das zweite Außengewinde und das Innengewinde sind im zweiten Eingriffsabschnitt derart aufeinander abgestimmt, ein zwischen dem Befestigungsabschnitt und der Schraubeneinheit angeordnetes Bauteil zu verspannen und das Bauteil mit der Schraubeneinheit zu verbinden. Über das Bauteil wird eine Abstützkraft in die Schraubverbindung eingeleitet. Das zweite Außengewinde und das Innengewinde sind im zweiten Eingriffsabschnitt derart aufeinander abgestimmt, um bei einem Überschreiten einer vordefinierten maximalen Abstützkraft plastisch verformt zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung gemäß Patentanspruch 1 und ein Verfahren zur Montage der Schraubverbindung gemäß Patentanspruch 12.
Es sind Schrauben mit einem Außengewinde und einem Befestigungsabschnitt bekannt. Auf das Außengewinde wird eine Mutter mit einem Innengewinde aufgeschraubt. Zwischen der Mutter und dem Befestigungsabschnitt wird ein Bauteil angeordnet, wobei das Bauteil kraftschlüssig mit der Schraube verbunden wird.
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Schraubverbindung und ein verbessertes Verfahren zur Montage einer Schraubverbindung bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird mittels einer Schraubverbindung gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Es wurde erkannt, dass eine verbesserte Schraubverbindung dadurch bereitgestellt werden kann, dass die Schraubverbindung ein Gewindeelement und eine Schraubeneinheit umfasst. Das Gewindeelement umfasst einen ersten Gewindeabschnitt mit einem um eine Gewindeachse verlaufenden ersten Außengewinde. Ferner umfasst das Gewindeelement einen zweiten Gewindeabschnitt mit einem um die Gewindeachse verlaufenden zweiten Außengewinde. Das Gewindeelement umfasst einen sich in radialer Richtung zu der Gewindeachse erstreckenden Befestigungsabschnitt, der mit den Gewindeabschnitten verbunden ist. Die Schraubeneinheit weist wenigstens ein zum ersten und zweiten Außengewinde korrespondierend ausgebildetes Innengewinde auf. Das erste Außengewinde greift in einem ersten Eingriffsabschnitt in das Innengewinde und das zweite Außengewinde in einem zweiten Eingriffsabschnitt in das Innengewinde ein. Das zweite Außengewinde und das Innengewinde sind im zweiten Eingriffsabschnitt derart aufeinander abgestimmt, wenigstens ein zwischen dem Befestigungsabschnitt und der Schraubeneinheit anordenbares Bauteil zu verspannen und das Bauteil mit der Schraubeneinheit (beispielsweise kraftschlüssig) zu verbinden. Über das Bauteil wird eine Abstützkraft in die Schraubverbindung eingeleitet. Das zweite Außengewinde und das Innengewinde sind im zweiten Eingriffsabschnitt derart aufeinander abgestimmt, um bei einem Überschreiten einer vordefinierten maximalen Abstützkraft plastisch verformt zu werden. Das erste Außengewinde und das Innengewinde sind im ersten Eingriffsabschnitt derart aufeinander abgestimmt, nach Überschreiten einer maximalen Abstützkraft das Bauteil zu halten.
Auf diese Weise kann eine vorgespannte Schraubverbindung bereitgestellt werden, die kraftschlüssig das Bauteil mit der Schraubeneinheit, oder, sollten mehrere Bauteile vorgesehen sein, diese kraftschlüssig miteinander verbindet. Bei Überschreiten der Maximalkraft wird die Schraubverbindung in eine nicht vorgespannte Schraubverbindung umgewandelt, sodass eine Auftrennung der Schraubverbindung vermieden wird und die Abstützkraft trotzdem weiter zuverlässig abgestützt werden kann. Ferner wird ein Auftrennen der Schraubverbindung vermieden.
In einer weiteren Ausführungsform weist das erste Außengewinde einen ersten Außendurchmesser und das zweite Außengewinde einen zweiten Außendurchmesser auf. Der erste Außendurchmesser ist kleiner oder gleich dem zweiten Außendurchmesser.
In einer weiteren Ausführungsform weist der erste Eingriffsabschnitt in axialer Richtung eine erste Eingriffslänge auf. Der zweite Eingriffsabschnitt weist in axialer Richtung eine zweite Eingriffslänge auf. Die erste Eingriffslänge ist unterschiedlich zur zweiten Eingriffslänge.
In einer weiteren Ausführungsform weisen das erste Außengewinde und das zweite Außengewinde unterschiedliche Werkstoffeigenschaften auf, wobei insbesondere eine Zugfestigkeit eines Werkstoffs des ersten Außengewindes unterschiedlich zu einer Zugfestigkeit eines Werkstoffs des zweiten Außengewindes ist.
Dadurch kann zum einen die zuverlässige Abstützung der Abstützkraft über das erste Außengewinde sichergestellt werden, während gleichzeitig bei Überschreiten der maximalen Abstützkraft eine zuverlässige plastische Verformung der zweiten Außengewinde sichergestellt ist.
In einer weiteren Ausführungsform weist das Gewindeelement axial zwischen dem ersten Gewindeabschnitt und dem zweiten Gewindeabschnitt einen Schaftabschnitt auf. Der Schaftabschnitt ist in axialer Richtung um einen Stauchweg gestaucht, sodass der erste Gewindeabschnitt gegen den zweiten Gewindeabschnitt axial mit einer Vorspannkraft verspannt ist.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Stauchweg des Schaftabschnitts größer als ein axialer Vorspannweg des Gewindeelements zwischen dem Befestigungsabschnitt und einem dem Befestigungsabschnitt zugewandten Ende des zweiten Eingriffsabschnitts. Dadurch kann bei Überschreiten der maximalen Abstützkraft ein zuverlässigeres vollständiges Aufheben der Vorspannung der Schraubverbindung sichergestellt werden.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Schaftabschnitt einen Durchmesser auf, der geringer ist als ein Kerndurchmesser des ersten Außengewindes und/oder des zweiten Außengewindes. Auf diese Weise wird eine sichere Montierbarkeit des Gewindeelements auf der Schraubeneinheit sichergestellt.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Schraubeneinheit z.B. ein Bauteil oder ein Karosserieteil eines Kraftfahrzeugs oder ein Anlagenteil einer Anlage, insbesondere einer Fertigungsanlage und/oder einer Anlage mit erhöhten Sicherheitsanforderungen. Zusätzlich oder alternativ ist das Bauteil z.B. eine Wischereinrichtung oder ein Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs oder ein weiteres Karosserieteil des Kraftfahrzeugs. In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Schraubeneinheit ein erstes Schraubenelement und ein zweites Schraubenelement. Das Bauteil ist axial zwischen dem zweiten Schraubenelement und dem Betätigungsabschnitt verspannt angeordnet. Das erste Schraubenelement ist auf einer zum Befestigungsabschnitt axial gegenüberliegenden Seite des zweiten Schraubenelements angeordnet. Axial zwischen dem ersten Schraubenelement und dem zweiten Schraubenelement ist ein Spalt angeordnet.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Spalt eine axiale Breite auf, die größer ist als ein Vorspannweg des Gewindeelements zum Verspannen des Bauteils.
Die Aufgabe wird aber auch durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 12 gelöst.
Es wurde erkannt, dass ein verbessertes Verfahren zur Montage einer Schraubverbindung, die wie oben beschrieben ausgebildet ist, dadurch bereitgestellt werden kann, dass das erste Außengewinde in das Innengewinde eingeschraubt wird, wobei der Schaftabschnitt mit einer in axialer Richtung wirkenden Vorspannkraft gestaucht wird, wobei zeitlich nach dem Stauchen das zweite Außengewinde in das Innengewinde eingeschraubt wird, wobei die Vorspannkraft den ersten Gewindeabschnitt gegen den zweiten Gewindeabschnitt axial verspannt.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden, wobei
1 einen Längsschnitt durch ein Gewindeelement einer Schraubverbindung;
2 einen Längsschnitt durch eine Schraubeneinheit der Schraubverbindung;
3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Montage der Schraubverbindung;
4 einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung nach einem zweiten Verfahrensschritt;
5 einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung nach einem dritten Verfahrensschritt;
6 einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung nach einem vierten Verfahrensschritt;
7 einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung nach einem fünften Verfahrensschritt;
8 einen Längsschnitt durch das Gewindeelement einer Weiterbildung der Schraubverbindung;
9 einen Längsschnitt durch die Schraubeneinheit der Weiterbildung der Schraubverbindung;
10 einen Längsschnitt durch eine weitere Weiterbildung der Schraubeneinheit;
11 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Montage der in 10 gezeigten Schraubverbindung darstellt.
1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Gewindeelement 10 einer Schraubverbindung 15.
Das Gewindeelement 10 ist in der Ausführungsform beispielhaft als Schraube ausgebildet und umfasst einen ersten Gewindeabschnitt 20, einen Schaftabschnitt 25, einen zweiten Gewindeabschnitt 30 und einen Befestigungsabschnitt 35.
Der erste Gewindeabschnitt 20 ist axial angrenzend an den Schaftabschnitt 25 angeordnet. Auf einer zum ersten Gewindeabschnitt 20 gegenüberliegenden Seite ist axial angrenzend an den Schaftabschnitt 25 der zweite Gewindeabschnitt 30 angeordnet, sodass der Schaftabschnitt axial zwischen dem ersten und zweiten Gewindeabschnitt 20, 30 angeordnet ist. Axial angrenzend an den zweiten Gewindeabschnitt 30 auf einer zum Schaftabschnitt 25 gegenüberliegenden Seite ist der Befestigungsabschnitt 35 angeordnet. Der erste Gewindeabschnitt 20 und der zweite Gewindeabschnitt 30 weisen eine gemeinsame Gewindeachse 40 auf. Der Befestigungsabschnitt 35, der zweite Gewindeabschnitt 30, der Schaftabschnitt 25 und der erste Gewindeabschnitt 20 sind miteinander verbunden. In der Ausführungsform sind der Befestigungsabschnitt 35 sowie die Gewindeabschnitte 20, 30 und der Schaftabschnitt 25 einstückig und materialeinheitlich ausgebildet. In einer alternativen Ausführungsform kann der Befestigungsabschnitt 35 Teil eines Karosserieteils einer Karosserie eines Kraftfahrzeugs oder Teil einer Anlage sein, der mit dem zweiten Gewindeabschnitt 30 form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Der erste Gewindeabschnitt 20 weist ein erstes Außengewinde 45 auf. Das erste Außengewinde 45 weist einen um die Gewindeachse 40 schraubenförmig verlaufenden ersten Gewindegang 50 auf. Das erste Außengewinde 45 weist einen ersten Außendurchmesser d_A1 und einen ersten Kerndurchmesser d_K1 auf. In axialer Richtung, also in Richtung der Gewindeachse 40, weist der erste Gewindeabschnitt 20 eine erste Außengewindelänge l_A1 auf.
Der zweite Gewindeabschnitt 30 weist ein zweites Außengewinde 55 auf. Das zweite Außengewinde 55 verläuft um die Gewindeachse 40 und weist einen schraubenförmig um die Gewindeachse 40 verlaufenden zweiten Gewindegang 60 auf. Das zweite Außengewinde 55 weist einen zweiten Außendurchmesser d_A2 und einen zweiten Kerndurchmesser d_K2 auf. Das zweite Außengewinde 55 weist in axialer Richtung eine zweite Außengewindelänge l_A2 auf.
In der Ausführungsform ist beispielhaft das zweite Außengewinde 55 identisch zum ersten Außengewinde 45 ausgebildet, sodass der erste Außendurchmesser d_A1 gleich dem zweiten Außendurchmesser d_A2 ist. Ferner sind auch die Gewindegänge 50, 60 der beiden Außengewinde 45, 55 identisch ausgebildet, sodass der zweite Kerndurchmesser d_K2 gleich dem ersten Kerndurchmesser d_K1 ist. Auch kann das zweite Außengewinde 55 unterschiedlich zum ersten Außengewinde 45 ausgebildet sein.
Der Schaftabschnitt 25 ist zylindrisch ausgebildet. Der Schaftabschnitt 25 weist einen Schaftdurchmesser d_S auf. Der Schaftabschnitt 25 weist in axialer Richtung eine Schaftlänge l_S auf. Der Schaftdurchmesser d_S ist kleiner als der erste und der zweite Außendurchmesser d_A1, d_A2 sowie kleiner als der erste Kerndurchmesser d_K1 und der zweite Kerndurchmesser d_k2.
In der Ausführungsform ist die zweite Außengewindelänge l_A2 größer als die Schaftlänge l_S und die erste Außengewindelänge l_A1. Die erste Außengewindelänge l_A1 ist größer als die Schaftlänge l_S. Auch kann die erste Außengewindelänge l_A1 größer als die zweite Außengewindelänge l_A2 sein. Auch kann die Schaftlänge l_S länger als die erste Außengewindelänge l_A1 und/oder als die zweite Außengewindelänge l_A2 sein.
Der Befestigungsabschnitt 35 erstreckt sich im Wesentlichen in radialer Richtung bezogen auf die Gewindeachse 40. Dabei weist der Befestigungsabschnitt 35 auf einer den Gewindeabschnitten 20, 30 zugewandten Stirnseite eine Anlagefläche 65 auf. Die Anlagefläche 65 erstreckt sich in der Ausführungsform im Wesentlichen senkrecht zu der Gewindeachse 40. Auch kann die Anlagefläche 65 schräg zu der Gewindeachse 40 ausgerichtet sein. Insbesondere ist hierbei denkbar, dass die Anlagefläche 65 kegelförmig ausgebildet ist.
Das zweite Außengewinde 55 erstreckt sich im Wesentlichen axial bis an die Anlagefläche 65 heran. Dabei kann zusätzlich am Übergang zwischen der Anlagefläche 65 und dem zweiten Außengewinde 55 ein Freistich vorgesehen sein. Die Anlagefläche 65 ragt über den zweiten Außendurchmesser d_A2 des zweiten Außengewindes 55 heraus. Somit ist der Befestigungsabschnitt 35 in radialer Richtung breiter als die Gewindeabschnitte 20, 30 und der Schaftabschnitt 25 ausgebildet.
2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Schraubeneinheit 70 der Schraubverbindung 15.
Die Schraubeneinheit 70 kann dabei Teil eines Karosserieteils eines Kraftfahrzeugs oder ein Teil einer Anlage, insbesondere einer Fertigungsanlage und/oder Anlagen mit erhöhten Sicherheitsanforderungen, sein. Auch kann die Schraubeneinheit 70 mutternartig ausgebildet sein, sodass an einer äußeren Umfangsfläche 75 der Schraubeneinheit 70 ein Mitnahmeprofil, beispielsweise in Form eines Sechskants, vorgesehen ist.
Die Schraubeneinheit 70 weist ein Innengewinde 80 auf. Das Innengewinde 80 weist einen dritten Gewindegang 90 auf, der schraubenförmig um die Gewindeachse 40 geführt ist.
Das Innengewinde 80 ist korrespondierend zum ersten und zweiten Außengewinde 45, 55 ausgebildet. Das Innengewinde 80 weist eine Innengewindelänge l_I1 in axialer Richtung auf. Dabei ist das Innengewinde 80 vollständig durch die Schraubeneinheit 70 geführt. Auch wäre denkbar, dass das Innengewinde 80 sacklochartig ausgebildet ist.
3 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Montage der Schraubverbindung 15. 4 zeigt einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung 15 nach einem zweiten Verfahrensschritt 305. 5 zeigt einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung 15 nach einem dritten Verfahrensschritt 310. 6 zeigt einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung 15 nach einem vierten Verfahrensschritt 315. 7 zeigt einen Längsschnitt durch die Schraubverbindung 15 nach einem fünften Verfahrensschritt 320.
Die Schraubverbindung 15 dient dazu, ein oder mehrere Bauteile 100 zu befestigen. Das Bauteil 100 kann dabei als weiteres Karosserieelement der Karosserie des Kraftfahrzeugs oder als weiteres Anlagenteil der Anlage ausgebildet sein. Auch kann zu dem Bauteil 100 ein weiteres an dem Bauteil 100 zu fixierendes weiteres Bauteil vorgesehen sein, das angrenzend an das Bauteil 100 angeordnet ist.
Das Bauteil 100 (vgl. 4) weist eine Aussparung 105 auf. Die Aussparung 105 ist in der Ausführungsform beispielhaft als Durchgangsbohrung ausgebildet.
Im ersten Verfahrensschritt 300 wird das Gewindeelement 10 durch die Aussparung 105 geführt.
In einem zweiten Verfahrensschritt 305 wird das erste Außengewinde 45 in das Innengewinde 80 der Schraubeneinheit 70 eingeschraubt. Nachdem das erste Außengewinde 45 im Wesentlichen vollständig in das Innengewinde 80 der Schraubeneinheit 70 eingreift, wird mit einem dritten Verfahrensschritt 310 fortgefahren.
Im dritten Verfahrensschritt 310 wird eine erste Vorspannkraft F_S1 bereitgestellt, die in axialer Richtung vom Befestigungsabschnitt 35 gegen die Schraubeneinheit 70 gerichtet ist. Mittels der ersten Vorspannkraft F_S1 wird der Schaftabschnitt 25 auf Druck belastet. Dadurch reduziert sich die Schaftlänge l_S vom unbelasteten Zustand, wie in 1 gezeigt, um einen Stauchweg Δl_S auf eine Schaftlänge l_SV im vorgespannten Zustand (vgl. 5). Dabei ist der Stauchweg Δl_S derart gewählt, dass der zweite Gewindeabschnitt 30 in das Innengewinde 80 eingeschraubt werden kann.
Nach dem dritten Verfahrensschritt 310 wird mit einem vierten Verfahrensschritt 315 fortgefahren. Im vierten Verfahrensschritt 315 wird unter Aufrechterhaltung der ersten Vorspannkraft F_S1 das zweite Außengewinde 55 in das Innengewinde 80 der Schraubeneinheit 70 eingeschraubt (vgl. 6). Dabei ist die erste Vorspannkraft FS1 derart gewählt, dass das Einschrauben des zweiten Außengewindes 55 in das Innengewinde 80 möglich ist. Dadurch ist der erste Gewindeabschnitt 20 gegen den zweiten Gewindeabschnitt 30 mit der ersten Vorspannkraft F_S1 vorgespannt.
In einem fünften Verfahrensschritt 320 werden das Gewindeelement 10 und die Schraubeneinheit 70 weiter relativ zueinander verdreht, sodass das Bauteil 100 spaltlos zwischen dem Befestigungsabschnitt 35 und der Schraubeneinheit 70 in axialer Richtung angeordnet ist (vgl. 7). In diesem Zustand greift das erste Außengewinde 45 über einen ersten Eingriffsabschnitt 115 in das Innengewinde 80 ein. Der erste Eingriffsabschnitt 115 weist eine erste Eingriffslänge lE1 auf. Das zweite Außengewinde 55 greift über einen zweiten Eingriffsabschnitt 120 in das Innengewinde 80 ein. Der zweite Eingriffsabschnitt 120 weist eine zweite Eingriffslänge lE2 auf. Die erste Eingriffslänge lE1 ist beispielhaft unterschiedlich zur zweiten Eingriffslänge lE2.
Durch ein weiteres Eindrehen des Gewindeelements 10 in die Schraubeneinheit 70 wird unter Bereitstellung eines Anzugsdrehmoments eine zweite Vorspannkraft F_S2 zum Verspannen des Bauteils 100 zwischen dem Gewindeelement 10 und der Schraubeneinheit 70 erzeugt. Die zweite Vorspannkraft F_S2 bewirkt im Wesentlichen zwischen einem dem Bauteil 100 zugewandten Ende des zweiten Eingriffsabschnitts und dem Befestigungsabschnitt 35 eine Längung des Gewindeelements 10 um einen Vorspannweg Δl_V.
Mittels der zweiten Vorspannkraft F_S2 wird das Bauteil 100 kraftschlüssig mit der Schraubeneinheit 70 verbunden. Die zweite Vorspannkraft F_S2 entspricht vorteilhafterweise etwa 90 Prozent einer Streckgrenze des Gewindeelements 10 im Bereich des zweiten Außengewindes 55 und/oder des Innengewindes 80. Dadurch kann die Schraubverbindung 15 besonders kompakt und leicht ausgebildet sein.
Über das Bauteil 100 wird im regulären Betrieb des Fahrzeugs oder der Anlage eine Abstützkraft F_A mit einem ersten Wert in die Schraubverbindung 15 eingeleitet. Die Abstützkraft F_A wird im normalen Betrieb durch die Schraubverbindung 15 ohne eine plastische Verformung der Schraubverbindung 15 abgestützt.
Im Falle eines Unfalls, beispielsweise wenn ein Fußgänger auf eine mit der Schraubverbindung 15 befestigte Wischereinrichtung prallt, schwillt die über das Bauteil 100 in die Schraubverbindung 15 eingeleitete Abstützkraft F_A von dem ersten Wert auf einen zweiten Wert an. Die Abstützkraft F_A ist in diesem Fall weg von dem Befestigungsabschnitt 35 in eine zum Schraubenelement 70 abgewandte Richtung gerichtet. Der Anstieg der Abstützkraft F_A vom ersten Wert auf den zweiten Wert erfolgt üblicherweise in einem Zeitintervall von 3 bis 6 Millisekunden.
Während die Abstützkraft vom ersten Wert auf den zweiten Wert ansteigt, überschreitet die Abstützkraft FA in Verbindung mit der zweiten Vorspannkraft FS2, mittels des zweiten Eingriffsabschnitts 120 die maximal übertragbare Abstützkraft F_AMAX. Dabei ist die maximal übertragbare Abstützkraft F_AMAX derart gewählt, dass sie größer ist als der erste Wert der Abstützkraft F_A und kleiner ist als der zweite Wert der Abstützkraft F_A.
Bei Überschreiten der maximal übertragbaren Abstützkraft F_AMAX wird das zweite Außengewinde 55 und/oder das Innengewinde 80 im zweiten Eingriffsabschnitt 120 plastisch verformt. Die plastische Verformung kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass das zweite Außengewinde 55 und/oder das Innengewinde 80 im zweiten Eingriffsabschnitt 120 in axialer Richtung abgeschert werden. Dabei wird unter einer plastischen Verformung eine irreversible Verformung verstanden, einschließlich eines Bruchs, insbesondere eines Sprödbruchs, oder eines Abscherens.
Die plastische Verformung des zweiten Außengewindes 55 und/oder des Innengewindes 80 im zweiten Eingriffsabschnitt 120 bewirkt, dass die erste Vorspannkraft F_S1 nicht mehr durch den zweiten Eingriffsabschnitt 120 abgestützt werden kann. Dadurch entspannt sich der Schaftabschnitt 25 axial in Richtung des Befestigungsabschnitts 35. Dabei drückt der Schaftabschnitt 25 den zweiten Gewindeabschnitt 30 sowie den Befestigungsabschnitt 35 vom ersten Gewindeabschnitt 20 in axialer Richtung weg und reduziert die zweite Vorspannkraft F_S2. Die Entspannung erfolgt dabei mit Schallgeschwindigkeit des Materials des Gewindeelements 10. Dadurch kann die zweite Vorspannkraft F_S2 schneller reduziert werden als im Falle des Unfalls die Abstützkraft F_A den zweiten Wert erreicht. Insbesondere wird Vorspannkraft F_S2 in einem Zeitintervall reduziert, wobei das Zeitintervall einen Wert aufweist, der kleiner 6 ms, vorzugsweise kleiner 4 ms, insbesondere kleiner 3 ms, besonders vorteilhafterweise kleiner 1 ms, ist.
Ist vorteilhafterweise der Stauchweg Δl_S größer als der Vorspannweg Δl_V, wird in diesem Fall die zweite Vorspannkraft F_S2 durch die Entspannung des Schaftabschnitts 25 vollständig aufgehoben.
Die Abstützkraft F_A wird dann über den ersten Eingriffsabschnitt 115 und somit über das erste Außengewinde 45 und das Innengewinde 80 abgestützt. Da die zweite Vorspannkraft F_S2 aufgehoben ist, kann der erste Eingriffsabschnitt 115 die Abstützkraft F_A auch mit dem zweiten Wert abstützen. Sollte der zweite Wert der Abstützkraft F_A besonders hoch sein, kann zwar eine plastische Verformung im ersten Eingriffsabschnitt 115 auftreten, jedoch wird sichergestellt, dass das Bauteil 100 mit der Schraubeneinheit 70 nach wie vor gekoppelt ist. Dadurch wird eine vollständige Trennung des Bauteils 100 von der Schraubeneinheit 70 vermieden.
Die maximale Abstützkraft F_AMAX kann konstruktiv durch mehrere Faktoren in Verbindung mit der gewählten zweiten Vorspannkraft F_S2 festgelegt werden. Dabei ist die zweite Vorspannkraft F_S2 kleiner als eine maximale Tragfähigkeit des zweiten Eingriffsabschnitts 120. Einer der Faktoren ist eine Wahl des Außendurchmessers d_A1, d_A2 und des Kerndurchmessers d_K1, d_K2 und eine entsprechende geometrische Anpassung des Innengewindes 80 an das Außengewinde 45, 55 und/oder eine Wahl der Länge der Eingriffsabschnitte 115, 120.
Ein weiterer Faktor ist eine Wahl eines Materials des ersten Gewindeabschnitts 20. In der Ausführungsform weist der erste Gewindeabschnitt 20 und der zweite Gewindeabschnitt 30 jeweils das gleiche Material und eine identische Ausgestaltung der Gewindegänge 50, 60 auf. Dadurch weisen der erste Gewindeabschnitt 20 und der zweite Gewindeabschnitt 30 jeweils eine gleiche Festigkeit auf.
Auch können der erste Gewindeabschnitt 20, insbesondere das erste Außengewinde 45, und der zweite Gewindeabschnitt 30, insbesondere das zweite Außengewinde 55, unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen. Insbesondere ist eine Zugfestigkeit der ersten Außengewinde 45 unterschiedlich zu einer Zugfestigkeit des zweiten Außengewindes 55. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das zweite Außengewinde 55 gehärtet ist, während das erste Außengewinde 45 ungehärtet ist. Dies führt bei Überschreiten der maximalen Abstützkraft F_AMAX zu einem Sprödbruch und/oder einem Gewindeabscheren an dem zweiten Außengewinde 55, sodass eine zuverlässige Entspannung der Schraubverbindung 15 bei Überschreiten der maximalen Abstützkraft F_AMAX erzielt werden kann. Auch ist mittels des Härteverfahrens die Zugfestigkeit des zweiten Außengewindes 55 gezielt und exakt einstellbar. Auch kann das erste Außengewinde 45 mit dem Innengewinde 80 eine erste Tragfähigkeit und das zweite Außengewinde 55 mit dem Innengewinde 80 eine zweite Tragfähigkeit aufweisen, wobei die erste Tragfähigkeit unterschiedlich zur zweiten Tragfähigkeit ist.
Abweichend von der Zugfestigkeit können auch andere Werkstoffeigenschaften, wie etwa ein Verformungsverhalten, unterschiedlich sein.
8 zeigt einen Längsschnitt durch eine Variante des in 1 gezeigten Gewindeelements 10.
Das Gewindeelement 10 ist im Wesentlichen identisch zu dem in 1 gezeigten Gewindeelement 10 ausgebildet. Abweichend dazu ist der zweite Außendurchmesser d_A2 des zweiten Außengewindes 55 des zweiten Gewindeabschnitts 30 größer als der Schaftdurchmesser d_S und größer als der erste Außendurchmesser d_A1 des ersten Außengewindes 45 des ersten Gewindeabschnitts 20.
9 zeigt einen Längsschnitt durch eine Variante der in 2 gezeigten Schraubeneinheit 70.
Die Schraubeneinheit 70 ist im Wesentlichen identisch zu der in 2 gezeigten Schraubeneinheit 70 ausgebildet. Abweichend dazu ist die in 8 gezeigte Schraubeneinheit 70 an das in 7 gezeigte Gewindeelement 10 angepasst. Die Schraubeneinheit 70 weist ein erstes Innengewinde 80 und ein zweites Innengewinde 85 auf. Das erste Innengewinde 80 entspricht dem in 2 gezeigten Innengewinde 80, ist jedoch in axialer Richtung kürzer ausgebildet. Das erste Innengewinde 80 ist korrespondierend zum ersten Außengewinde 45 ausgebildet. Das zweite Innengewinde 85 ist korrespondierend zum zweiten Außengewinde 55 ausgebildet. Das erste Innengewinde 80 ist in axialer Richtung beabstandet zum zweiten Innengewinde 85 angeordnet. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass das erste Innengewinde 80 in axialer Richtung direkt angrenzend an das zweite Innengewinde 85 angeordnet ist.
Das erste Innengewinde 80 weist eine erste Innengewindelänge l_I1 und das zweite Innengewinde 85 eine zweite Innengewindelänge l_I2 auf. Die zweite Innengewindelänge l_I2 ist in der Ausführungsform beispielhaft größer als die erste Innengewindelänge l_I1. Die erste Innengewindelänge l_I1 kann dabei im Wesentlichen der ersten Außengewindelänge l_A1 entsprechen. Die zweite Innengewindelänge l_I2 kann dabei der zweiten Außengewindelänge l_A2 entsprechen. Die erste und/oder zweite Innengewindelänge l_I1, l_I2 können unterschiedlich zu den Außengewindelängen l_A1, l_A2 ausgebildet sein.
10 zeigt eine Weiterbildung der in den 1 bis 9 gezeigten Schraubverbindung 15.
Die Schraubverbindung 15 ist ähnlich zu der in 1 bis 9 gezeigten Schraubverbindung 15 ausgebildet. Abweichend dazu weist die Schraubeneinheit 70 ein erstes Schraubenelement 400 und ein zweites Schraubenelement 405 auf. Das erste Schraubenelement 400 weist das erste Innengewinde 80 und das zweite Schraubenelement 405 weist das zweite Innengewinde 85 auf. Das zweite Schraubenelement 405 kann dabei Teil eines weiteren Karosserieelements sein. Auch ist denkbar, dass das zweite Schraubenelement 405 Teil eines weiteren Anlagenteils ist.
Das Bauteil 100 ist axial zwischen dem zweiten Schraubenelement 405 und dem Befestigungsabschnitt 35 mittels einer Vorspannkraft F_S2 verspannt (Diese Vorspannkraft F_S2 wird in den 1 bis 9 als zweite Vorspannkraft F_S2 bezeichnet). Das erste Schraubenelement 400 ist auf einer zum Befestigungsabschnitt 35 axial gegenüberliegenden Seite des zweiten Schraubenelements 405 angeordnet. Axial zwischen dem ersten Schraubenelement 400 und dem zweiten Schraubenelement 405 ist ein Spalt 410 angeordnet. Der Spalt 410 weist eine axiale Breite b auf, die größer ist als der Vorspannweg Δl_V des Gewindeelements 10 bei Bereitstellung der zweiten Vorspannkraft F_S2. Ferner kann ein Füllelement 415 (strichliert dargestellt) im Spalt 410 vorgesehen sein, das einen elastischen, weichen Werkstoff aufweist. Das Füllelement 415 dient dazu, eine Schmutzanlagerung im Spalt 410 und eine Lockerung des ersten Schraubenelements 400 zu verhindern. Auf Grund der beabstandeten Anordnung der Schraubenelemente 400, 405 wird gegenüber der in den 1 bis 9 gezeigten Schraubverbindung auf die in den 1 bis 9 bezeichnete erste Vorspannkraft F_S1 verzichtet.
11 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Montage der in 10 gezeigten Schraubverbindung 15.
In einem ersten Verfahrensschritt 500 wird das Gewindeelement 10 durch die Aussparung 105 des Bauteils 100 geführt.
In einem zweiten Verfahrensschritt 505, der auf den ersten Verfahrensschritt 500 folgt, wird das zweite Außengewinde 55 in das zweite Innengewinde 85 eingeschraubt und das Bauteil 100 axial zwischen dem zweiten Schraubenelement 405 und dem Befestigungsabschnitt 35 fixiert. Dabei wird die Vorspannkraft F_S2 über den zweiten Eingriffsabschnitt 120 abgestützt.
In einem dritten Verfahrensschritt 510 wird das erste Außengewinde 45 in das erste Innengewinde 80 derart eingeschraubt, dass der Spalt 410 zwischen dem ersten Schraubenelement 400 und dem zweiten Schraubenelement 405 ausgebildet wird.
Selbstverständlich ist auch denkbar, dass in einem zusätzlichen Verfahrensschritt, vorteilhafterweise vor dem dritten Verfahrensschritt 510, das Füllelement 415 (strichliert in 10 dargestellt) auf das Gewindeelement 10 aufgesteckt wird, sodass nach Montage des ersten Schraubenelements 400 der Spalt 410 verfüllt ist. Dadurch kann sichergestellt werden, dass eine Schmutzanlagerung im Spalt 410/Lockerung des Schraubenelements 400 vermieden wird. Auch können andere Verfahren zur Fixierung des ersten Schraubenelements 400 angewandt werden. Insbesondere ist hierbei denkbar, das erste Schraubenelement 400 mit dem Gewindeelement 10 zu verschweißen.
Wird über das Bauteil 100 im Falle eines Unfalls die vom ersten Wert zum zweiten Wert anschwellende Abstützkraft F_A in das Bauteil 100 eingeleitet, so bewirkt die anschwellende Abstützkraft F_A in Verbindung mit der zweiten Vorspannkraft F_S2 bei hinreichender Stärke der Abstützkraft F_A das Überschreiten der maximal mit dem zweiten Innengewinde 80 und dem zweiten Außengewinde 55 übertragbaren maximalen Abstützkraft F_AMAX. Bei Überschreiten der maximalen Abstützkraft F_AMAX durch die Abstützkraft F_A wird das zweite Innengewinde 85 und/oder das zweite Außengewinde 55 im Bereich des zweiten Eingriffsabschnitts 120 plastisch verformt. Die plastische Verformung kann dabei derart erfolgen, dass das zweite Innengewinde 85 und/oder das zweite Außengewinde 55 im Bereich des zweiten Eingriffsabschnitts 120 in axialer Richtung abgeschert werden.
Nach der plastischen Verformung vermag das zweite Innengewinde 85 in Verbindung mit dem zweiten Außengewinde 55 die Vorspannkraft F_S2 und Abstützkraft F_A nicht mehr abzustützen, sodass das zweite Schraubenelement 405 abrupt in axialer Richtung nachgibt und in 10 nach links in Richtung des ersten Schraubenelements 400 durch die Vorspannkraft F_S2 in den Spalt 410 hinein verschoben wird. Dabei wird die Vorspannkraft F_S2 reduziert oder aufgehoben. Das Verfüllelement 410 gibt dabei elastisch nach. Die Abstützkraft F_A wird dann durch das erste Schraubenelement 400 und somit über das erste Innengewinde 80 und das erste Außengewinde 45 abgestützt, auch wenn die Anstützkraft den zweiten Wert erreicht hat. Dadurch wird sichergestellt, dass das Bauteil 100 mit dem zweiten Schraubenelement 405 verbunden ist.
Die in den 1 bis 11 beschriebenen Ausgestaltungen der Schraubverbindung 15 haben den Vorteil, dass eine vorgespannte Schraubverbindung 15 für den regulären Betriebsfall, also wenn die Abstützkraft F_A den ersten Wert aufweist, bereitgestellt werden kann.
Im Falle eines Unfalls kann innerhalb kürzester Zeit, insbesondere in einem Zeitbereich von 3 bis 6 Millisekunden, die zweite Vorspannkraft F_S2 zumindest reduziert, vorteilhafterweise aufgehoben, und somit die Schraubverbindung 15 von einer vorgespannten Schraubverbindung 15 in eine nicht vorgespannte Schraubverbindung 15 überführt werden. Dies hat den Vorteil, dass die Schraubverbindung 15 über einen gesamten Belastungsbereich ausgenutzt werden kann. Dadurch kann die Schraubverbindung 15 besonders kostengünstig ausgebildet werden.
Auch ist ein Bauraumbedarf der Schraubverbindung 15 gegenüber herkömmlichen Schraubverbindungen reduziert, da die Schraubverbindung 15 exakt an die maximal übertragbare Abstützkraft F_AMAX durch das Material des Gewindeelements 10 im zweiten Gewindeabschnitt 30 und/oder eine geometrische Anpassung des zweiten Gewindeabschnitts anpassbar ist.
Ferner ist eine Sicherheit der Schraubverbindung 15 durch eine größere Energieabsorption in elastischen und plastischen Verformungsbereichen der Schraubverbindung 15 erhöht.
Des Weiteren ist nach einem Unfall, also nach Überschreiten der maximal übertragbaren maximalen Abstützkraft F_AMAX, nur die Schraubverbindung 15 zu ersetzen und nicht das Bauteil 100. Dadurch ist ein Aufwand zur Wiederherstellung des Fahrzeugs oder der Anlage reduziert. Das Bauteil 100 kann gegebenenfalls weiterverwendet werden.
Obwohl die Erfindung im Detail durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Schraubverbindung (15) mit einem Gewindeelement (10) und einer Schraubeneinheit (70), wobei das Gewindeelement (10) einen ersten Gewindeabschnitt (20) mit einem um eine Gewindeachse (40) verlaufenden ersten Außengewinde (45), einen zweiten Gewindeabschnitt (30) mit einem um die Gewindeachse (40) verlaufenden zweiten Außengewinde (55) und einen sich in radialer Richtung zur Gewindeachse (40) erstreckenden Befestigungsabschnitt (35) umfasst, der mit den Gewindeabschnitten (20, 30) verbunden ist, wobei die Schraubeneinheit (70) wenigstens ein zum ersten und zweiten Außengewinde (45, 50) korrespondierend ausgebildetes Innengewinde (80, 85) umfasst, wobei das erste Außengewinde (45, 55) in das Innengewinde (80, 85) in einem ersten Eingriffsabschnitt (115) und das zweite Außengewinde (55) in das zweite Innengewinde (85) in einem zweiten Eingriffsabschnitt (120) in das Innengewinde (80, 85) eingreifen, wobei das zweite Außengewinde (55) und das Innengewinde (80, 85) im zweiten Eingriffsabschnitt (120) derart aufeinander abgestimmt sind, um wenigstens ein zwischen dem Befestigungsabschnitt (35) und der Schraubeneinheit (70) anordenbares Bauteil (100) zu verspannen und das Bauteil (100) mit der Schraubeneinheit (70) zu verbinden, wobei über das Bauteil (100) eine Abstützkraft (F_A) in die Schraubverbindung (15) eingeleitet wird, wobei das zweite Außengewinde (55) und das Innengewinde (80, 85) im zweiten Eingriffsabschnitt (120) derart aufeinander abgestimmt sind, um bei Überschreiten einer vordefinierten maximalen Abstützkraft (F_AMAX) plastisch verformt zu werden, wobei das erste Außengewinde (55) und das Innengewinde (80, 85) im ersten Eingriffsabschnitt (115) derart aufeinander abgestimmt sind, nach Überschreiten der maximalen Abstützkraft (F_AMAX) das Bauteil (110) zu halten.
Schraubverbindung (15) nach Anspruch 1, wobei das erste Außengewinde (45) einen ersten Außendurchmesser (d₁) und das zweite Außengewinde (55) einen zweiten Außendurchmesser (d₂) aufweist, wobei der erste Außendurchmesser (d₁) kleiner als der zweite Außendurchmesser (d₂) ist.
Schraubverbindung (15) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der erste Eingriffsabschnitt (115) in axialer Richtung eine erste Eingriffslänge (l_E1) aufweist, wobei der zweite Eingriffsabschnitt (120) in axialer Richtung eine zweite Eingriffslänge (l_E2) aufweist, wobei die erste Eingriffslänge (l_F1) unterschiedlich zu der zweiten Eingriffslänge (l_F2) ist.
Schraubverbindung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das erste Außengewinde (45) und das zweite Außengewinde (55) unterschiedliche Werkstoffeigenschaften aufweisen, wobei insbesondere eine Zugfestigkeit eines Werkstoffs des ersten Außengewindes (45) unterschiedlich zu einer Zugfestigkeit eines Werkstoffs des zweiten Außengewindes (55) ist.
Schraubverbindung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei axial zwischen dem ersten Gewindeabschnitt (20) und dem zweiten Gewindeabschnitt (30) das Gewindeelement (10) einen Schaftabschnitt (25) umfasst, wobei der Schaftabschnitt (25) in axialer Richtung um einen Stauchweg (Δl_S) gestaucht ist, sodass der erste Gewindeabschnitt (20) gegen den zweiten Gewindeabschnitt (30) axial mit einer Vorspannkraft (F_S1) verspannt ist.
Schraubverbindung (15) nach Anspruch 5, wobei der Stauchweg (Δ_lS) des Schaftabschnitts (25) größer ist als ein axialer Vorspannweg (Δl_V) des Gewindeelements (10) zwischen dem Befestigungsabschnitt (35) und einem dem Befestigungsabschnitt (35) zugewandten Ende (110) des zweiten Eingriffsabschnitts (120).
Schraubverbindung (15) nach Anspruch 5 oder 6, wobei der Schaftabschnitt (25) einen Durchmesser (d_S) aufweist, der geringer ist als ein Kerndurchmesser (d_K1, d_K2) des ersten Außengewindes (45) und/oder des zweiten Außengewindes (55).
Schraubverbindung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Schraubeneinheit (70) ein Bauteil oder ein Karosserieteil eines Kraftfahrzeugs oder ein Anlagenteil einer Anlage, insbesondere einer Fertigungsanlage und/oder einer Anlage mit erhöhten Sicherheitsanforderungen, ist und/oder wobei das Bauteil (100) eine Wischereinrichtung oder ein Antriebsmotor des Kraftfahrzeugs oder ein weiteres Karosserieteil des Kraftfahrzeugs ist.
Schraubverbindung (15) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Schraubeneinheit (70) einen erstes Schraubenelement (400) und ein zweites Schraubenelement (405) umfasst, wobei das Bauteil (100) axial zwischen dem zweiten Schraubenelement (405) und dem Befestigungsabschnitt (35) verspannt wird, wobei das erste Schraubenelement (400) auf einer zum Befestigungsabschnitt (35) axial gegenüberliegenden Seite des zweiten Schraubenelements (405) angeordnet ist, wobei axial zwischen dem ersten Schraubenelement (400) und dem zweiten Schraubenelement (405) ein Spalt (410) angeordnet ist.
Schraubverbindung (15) nach Anspruch 9, wobei der Spalt (410) eine axiale Breite (b) aufweist, die größer ist als ein Vorspannweg (Δl_V) des Gewindeelements (10) zum Verspannen des Bauteils (100).
Verfahren zur Montage einer Schraubverbindung (15) nach einem der Ansprüche 4 bis 10, wobei das erste Außengewinde (45) in das erste Innengewinde (80) eingeschraubt wird, wobei der Schaftabschnitt (25) mit einer in axialer Richtung wirkenden Vorspannkraft (F_S1) gestaucht wird, wobei zeitlich nach dem Stauchen das zweite Außengewinde (55) in das Innengewinde (80, 85) eingeschraubt wird, wobei die Vorspannkraft (F_S1) den ersten Gewindeabschnitt (20) gegen den zweiten Gewindeabschnitt (30) axial verspannt.