DE3213605C2

DE3213605C2 -

Info

Publication number: DE3213605C2
Application number: DE3213605A
Authority: DE
Inventors: John Howland Tustin Calif. Us Ruhl; Richard Daniel San Juan Capistrano Calif. Us Dixon
Original assignee: HUCK Manufacturing Co IRVINE CALIF US
Current assignee: Huck International Inc
Priority date: 1981-04-14
Filing date: 1982-04-13
Publication date: 1991-05-29
Also published as: GB2096724B; US4472096A; JPS57179411A; JPH0310805B2; DE3213605A1; CA1255127A; FR2503805B1; ES8600470A1; GB2096724A; ES511400A0; IT8248215A0; IT1189257B; NL8201541A; FR2503805A1; BE892797A

Description

Die Erfindung betrifft zweiteilige Befestiger zum Aneinanderbefestigen einer Vielzahl von Werkstücken, der eine vorgewählte erforderliche Größe der Nenn-Scherlast und eine erforderliche vorgewählte Größe der Nenn-Zuglast ergibt und optimiert ist, diese Nenn-Scher- und -Zuglastforderung bei minimalem Gewicht der verwendeten Werkstoffe zu erfüllen, mit einem Bolzenelement mit einem langgestreckten Schaft, der einen in fluchtenden Bohrungen in den Werkstücken befindlichen glatten Schaftabschnitt, der an einem Ende zu einem aufgeweiteten Kopf und an seinem anderen Ende zu einem genuteten Abschnitt mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung verlaufenden Bolzennuten und zugehörigen Schultern ausläuft, eine vorgewählte Länge relativ zu der Summendicke der Werkstücke derart, daß sein Nutenabschnitt außerhalb dieser fluchtenden Bohrungen liegt, und einen Durchmesser hat, der die erforderliche Scherfestigkeit zur Aufnahme der Nenn-Scherlast bietet, und mit einer rohrförmigen Hülse, die in die Nuten auf dem Bolzen unter Befestigung der Werkstücke aneinander eingedrückt werden kann, wobei die Hülse, wenn aufgedrückt, Nuten und Schultern hat, die mit den Nuten und Schultern des Bolzens versperrt sind, eine Mindestlänge aufweist, die ausreicht, um die Nuten auf dem Bolzen zu übergreifen und die Hülse in sie eindrücken zu können, und wobei die vorgewählte Länge des glatten Schaftabschnitts derart ist, daß der genutete Abschnitt um eine Mindestlänge über die fluchtenden Bohrungen hinaus vorsteht, um das Aufdrücken zuzulassen.

Ein bekannter derartiger Befestiger (DE-OS 24 40 353) wurde nicht mehr, wie zuvor üblich, nach den Kriterien der Festigkeit und der Kosten hergestellt, sondern gleichrangig nach den Kriterien der Festigkeit und der Gewichtsoptimierung gestaltet, denn mit zunehmender Beachung einer besseren Nutzung von Brennstoffen und den begleitenden Gesichtspunkten der Kosten und Verfügbarkeit von Leichtbauwerkstoffen sind das Gewicht und die wirksame Materialnutzung auch bei der Konstruktion von Befestigern - insbesondere in der Luft- und Raumfahrtindustrie - wesentliche Faktoren geworden.

Bekannt sind weiterhin ähnliche zweiteilige Befestiger nach den US-PSn 39 15 053 und 25 31 048 aus einem Bolzen und einer Hülse, die in Sperrnuten auf dem Bolzen eingedrückt werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen zweiteiligen Befestiger gemäß der eingangs erwähnten Art anzugeben, der unter der üblichen gleichrangigen Beachtung der Kriterien der Festigkeit und der Gewichtsoptimierung eine gesteigerte Einsparung an Größe und Gewicht möglich macht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Hülse eine minimale Wanddicke und damit ein minimales Gewicht aufweist derart, daß sie nach dem Aufdrücken unter Druck bei etwa der Nenn-Zuglast in einem Bereich zwischen den Werkstücken und der den Werkstücken am nächsten liegenden Bolzenschultern nachgeben kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen zweiteiligen Befestigers gehen aus den Patentansprüchen 2 bis 14 hervor.

Insbesondere erweist sich ein Befestiger der eingangs erwähnten Art, bei dem der Bolzen vor dem Aufdrücken einen mit dem Nutenabschnitt über eine Sollbruchnut verbundenen Endabschnitt aufweist, an dem ein Werkzeug angreifen kann, das bei Betätigung eine relative axiale Kraft zwischen dem Bolzen und der Hülse aufbringt, als vorteilhaft dadurch, daß die Sollbruchnut eine kombinierte Zug- und Biegelast aufnehmen kann und nach dem Aufdrücken bei einer vorgewählten Axialkraft bricht, und daß die Sollbruchnut einen Spannungskonzentrationsfaktor aufweist derart, daß der Bruch bei bzw. innerhalb etwa 12% der vorgewählten Axialkraft erfolgt, wenn der Befestiger in Werkstücke gesetzt wird, deren Hülsenanlagefläche unter einem Winkel von 7° quer zu der Achse des Bolzens (12a) verläuft, wobei der Spannungskonzentrationsfaktor (Kt) durch die Beziehung (d/D)=(Kt) ausgedrückt ist, in der (d) der minimale Durchmesser der Sollbruchnut und (D) der Durchmesser des Endabschnitts unmittelbar neben der Sollbruchnut ist, wobei die Beziehung einem Wert von etwa 1,6 für den Befestiger (10a) für fluchtende Öffnungen von etwa 4,76 mm Durchmesser und einem glatten Schaftabschnitt von etwa 4,80 mm entspricht.

Bekannt ist auch eine Befestigungsvorrichtung zum kraftschlüssigen Verbinden zweier Körper (CH 3 59 324), bei der das Verhältnis der Grenzscherspannungen von Bolzen und Hülse vergleichbar ist mit dem der vorteilhaften Weiterbildungen des erfindungsgemäßen zweiteiligen Befestigers nach den Patentansprüchen 2 bis 4.

Als Vorteile des erfindungsgemäßen zweiteiligen Befestigers zeigen sich u. a.:

1. Eine Verringerung der Gesamtgröße des Befestigers durch Wahl der Grenzscherspannung der Werkstoffe des Bolzens und der Hülse innerhalb eines vorgewählten Bereichs der Grenzscherspannung;
2. Eine verbesserte Ausfüllung des Raums zwischen der aufgedrückten Hülse und den Sperrnuten des Bolzens;
3. Eine kleinere Hülse für eine gewählte Zugbelastbarkeit des Befestigers, so daß der Bruch durch Scheren und/oder Druckbelastung der Hülse beginnen kann;
4. Die Ausführbarkeit mit einem vorgewählten Spannungskonzentrationsfaktor für einen Befestiger mit einem Zugbolzen mit Sollbruchnut, so daß der Befestiger sich auf einer Fläche mit einem Winkel bis mindestens 7° setzen läßt.

Bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen zweiteiligen Befestigers werden nun anhand der Zeichnungen erläutert. In dieser ist

Fig. 1 eine teilgeschnittene und teilweise weggebrochene Längsansicht einer Ausführungsform des zweiteiligen Befestigers und eines Setzwerkzeugs für diesen vor dem Setzen zum Aneinanderbefestigen von Werkstücken einer minimalen Dicke, wobei der Aufdrückamboß in der angesetzten Stellung gestrichelt gezeigt ist;

Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche Darstellung, die jedoch den Befestiger nach dem Setzen und mit noch angesetztem Werkzeug zeigt;

Fig. 3 eine der der Fig. 2 ähnliche Darstellung, die den Werkstücke maximaler Dicke aneinander befestigenden Befestiger bei abgenommenem Setzwerkzeug zeigt;

Fig. 4 eine der der Fig. 4 ähnliche Darstellung, die den Befestiger in einem unter Druck angestauchten Zustand zeigt;

Fig. 5 eine teilweise geschnittene und teilweise weggebrochene Längsansicht einer anderen Ausführungsform des Befestigers und eines Setzwerkzeugs vor dem Setzen zum Befestigen von Werkstücken der Nenndicke, wobei die Kontur des Andrückambosses des Werkzeugs im angelegten Zustand gestrichelt gezeigt ist;

Fig. 6 eine der Fig. 5 ähnliche Darstellung, die jedoch den Befestiger nach dem Setzen, aber vor dem Abreißen des Bolzens und bei noch angesetztem Werkzeug zeigt; und

Fig. 7 eine vergrößerte Teildarstellung ähnlich der der Fig. 5, die den Befestiger nach dem Setzen, aber vor dem Abreißen des Bolzens zum Befestigen von Werkstücken zeigt, deren Oberfläche unter einem Winkel von 7° verläuft.

Wie die Fig. 1 und 2 zeigen, weist ein Befestiger 10 einen Bolzen 12 sowie eine rohrförmige Hülse 14 auf. Der Bolzen 12 hat einen langgestreckten Schaft 15, der durch fluchtende Zahnungen 16, 17 in zwei Werkstücken 18 bzw. 20 verlaufen kann, die aneinander befestigt werden sollen. Die Öffnung 16 läuft zu einer Senkung aus, die einen aufgeweiteten Kegelkopf 22 an einem Ende des Schafts 15 aufnimmt. Am Kopf 22 hat der Schaft 15 einen glatten Teil 24, der in einer Ausführungsform eng eingepaßt von den Bohrungen 16, 17 aufgenommen wird (d. h., geringes Spiel bis Preßanpassung). Auf den glatten Teil 24 folgt eine Vielzahl von Sperrnuten 26a-e. Während die Sperrnuten 26a-e hier voneinander getrennt und ringförmig umlaufend gezeigt sind, kann es sich auch um eine durchgehende Wendelnut handeln. Die Nuten haben vorzugsweise eine kombinierte Ausdehnung von mehr als 360° in Umfangsrichtung, d. h., mehr als eine Nut oder einen Gewindegang. Ein Übergangsabschnitt 28 mit einem vorgewählten Radius R und der Neigung X (relativ zur Achse des Bolzens 12) läßt die Sperrnut 26a glatt und stetig in den geradlinigen Schaftteil 24 übergehen. Der Durchmesser Ds des geradlinigen Teils 24 ist geringfügig größer als der Durchmesser Dg der Spitzen der Sperrnuten 26a-e, wobei Dg mit Spiel zu den Bohrungen 16, 17 gewählt ist. Im Preßsitz bieten daher der gerundete Teil R und der Übergangsteil 28 eine Kontur zur Anlage an die Innenflächen der Bohrungen 16, 17, die den Schaft 15 aufnehmen, während dieser durch sie hindurchgezogen wird.

Der Befestiger 10 läßt sich mit einem Werkzeug 30 setzen, das einen Aufdrückamboß 32 und ein Widerlager 34 aufweist, die zum Setzen des Befestigers 10 gegeneinandergedrückt oder -geschlagen werden können. Das Werkzeug 30 kann dabei in einer herkömmlichen Ausführungsform vorliegen und ist daher nur teilweise gezeigt, um die Darstellung nicht zu überlasten.

Die symmetrisch ausgeführte, allgemein rohrförmige Hülse 14 läßt sich auf den Schaft 15 aufschieben und ist bei allgemein aufeinander festgehaltenen Werkstücken 18, 20 mit den Sperrnuten 26a-e radial ausgerichtet. Beim Betätigen des Werkzeugs 30 wird die Hülse 14 in die radial unter ihr liegenden der Sperrnuten 26a-e eingedrückt, während der Befestiger 10 gesetzt wird (Fig. 2). Die noch ungesetzte Hülse 14 (Fig. 1) hat eine allgemein gleichmäßige Wanddicke - mit Ausnahme der Schrägung an den beiden Enden. Diese Schräge kann dabei der Lehre der US-PS 41 98 895 entsprechen.

Die Sperrnuten 26a-e können dabei so aufgebaut sein, wie es in der US-PS 39 15 053 gezeigt ist, und eine Gestalt haben, die entsprechend dieser Patentschrift nach den relativen Scherfestigkeiten der Werkstoffe der Hülse 14 und des Bolzens 12 aufgeteilt ist.

Die Optimierung des Gewichts des Bolzens 12 und der Hülse 14 des Befestigers 10 erfolgt unter Berücksichtigung der von den Werkstücken 18, 20 her auf ihnen liegenden Lasten. Bei vielen luft- und raumfahrttechnischen Anwendungen müssen Festigkeitsbetrachtungen für Befestiger in zweierlei Hinsicht durchgeführt werden, und zwar einerseits hinsichtlich der Scherbelastung des Bolzens 12 und andererseits hinsichtlich der Zugbelastung des Bolzens 12 und der Hülse 14. Bei der Scherbelastung wird die Scherspannung (als Folge der entgegengesetzten parallelen Kraftkomponenten auf den Werkstücken 18, 20; vergl. Fig. 2) als in Durchmesserrichtung über den gradlinigen Teil 24 verlaufend angenommen.

Bei Zugbelastung wird der Bolzen 12 infolge der auf den Werkstücken 18, 20 lastenden entgegengesetzten axialen Kraftkomponenten, die sie auseinanderzuziehen suchen, zugbelastet; diese Kräfte verlaufen rechtwinklig zur Scherlast. Bei den Scherbefestigern für Luft und Raumfahrtanwendungen, ob Gewinde-Momenten- oder Andrückkonstruktionen, ist es jedoch üblich, daß der Bruch bei Zugbelastung durch die von den Nuten (oder Gewindegängen) gebildeten Schultern erfolgt. In diesem Fall erfolgt der Scherbruch an den Nuten- oder Gewindeschultern. Bei der Spannungsbelastung des Befestigers 10 werden also die Sperrnuten und -schultern zwischen dem Bolzen 12 (Sperrnuten 26a-e) und der aufgedrückten Hülse 14 scherbelastet.

Bei der Optimierung der Befestigerstruktur - beispielsweise des Befestigers 10 - ist der Ausgangspunkt für beliebige Anwendungen die Höhe der Scherbelastbarkeit des gradlinigen Abschnitts 24 des Bolzens 12 und die Höhe der Zugbelastbarkeit der Sperrnuten und -schultern des Bolzens 12 und der Hülse 14. Die Höhe der Scher- und der Zugbelastung werden je nach Konstruktion vorgewählt und sind dabei für eine gegebene Anwendung bekannt.

Die Bestimmung der Scherbelastbarkeit eines Elements wie des Bolzens 12 sowie dessen Auslegung auf diese erfolgen auf bekannt Weise. Nachdem man den Durchmesser des gradlinigen Schaftteils 24 so festgelegt hat, daß er die Nennscherlast aufnehmen kann, kann der Befestiger 10 auf geringstes Gewicht und geringste Größe optimiert werden, so daß er die Nennzuglast aufnimmt. Es ist möglich, daß dann die Nennzuglast einen größeren Durchmesser des Bolzens 12 erfordert; in diesem Fall muß natürlich der Schaftteil 24 größer ausgeführt werden als für die Nennscherlast erforderlich wäre (es ist ebenfalls möglich, daß der Befestiger erst brechen darf, nachdem die Werkstücke versagen, aber eine vorbestimmte Tragelast bietet und der Bruch in den Werkstücken erfolgt). In der Praxis der Luft- und Raumfahrtindustrie ist für Befestiger der erläuterten Art der wesentliche Lastfaktor die Nennscherlast; nach einer Optimierung auf diese Nennscherlast kann man dann den Befestiger auf die Nennzuglast optimieren. Nach der Optimierung auf die Nennscherlast bestimmt man daher die Nennzugbelastbarkeit des Befestigers (beispielsweise des Befestigers 10). Wie bereits erwähnt, führt man den Befestiger so aus, daß der Bruch bei der Nennzuglast durch Scherung über die Sperrschultern und -nuten erfolgt.

Bei einigen Anwendungen, für die geringes Gewicht gefordert ist, besteht der Bolzen 12 aus einem kostspieligen aber leichten Werkstoff wie Titan. Beispielsweise mit geeigneten Titanlegierungen erhält man bessere Scher- und Zugfestigkeitseigenschaften als mit Aluminium, gleichzeitig aber Gewichtsvorteile gegenüber Stahl. Die Grundgröße des Bolzens 12 wird daher von der Festigkeit des Bolzenwerkstoffs bestimmt, und diese Größe wird zunächst von der erforderlichen Fähigkeit des gradlinigen Teils 24, die Nennscherlast aufzunehmen, be- und auf diese abgestimmt.

Danach muß man den Rest des Schafts 15 mit den Sperrnuten 26a-e (und den zugehörigen Schultern) für die Zugbelastung minimieren, wobei das Kriterium ist, daß der Bruch bei Zugbelastung unter Scherung über die Sperrschultern und -nuten erfolgt. Die Tiefe der Nuten 26a-e wird also so eingestellt, daß der Bruch nicht unter Zug in Durchmesserrichtung über eine der Nuten erfolgt.

Bei luft- und raumfahrttechnischen Anwendungen ist es typisch, eine Hülse 14 aus Aluminium für einen Bolzen 12 aus Titan zu verwenden. Da Titan wesentlich teurer und nicht so leicht verfügbar ist wie Aluminium, ist es aus Gründen der Kosten und der Verfügbarkeit erwünscht, so wenig Titan wie möglich zu verwenden. Zunächst ermittelt man die erforderliche effektive Scherfläche für die von den Sperrnuten 26a-e gebildeten Schultern und dann die minimale erforderliche effektive Scherfläche der komplementären Schultern der aufgedrückten Hülse 14.

Um den Befestiger zu optimieren, ist es jedoch erwünscht, das Gesamtmaterialvolumen desjenigen Teils des Schafts 15 so gering wie möglich zu halten, der die Sperrnuten 26a-e trägt. Dies läßt sich erreichen, indem man die Scher- und Zugfestigkeiten des Materials der Hülse 14 (beispielsweise aus Aluminiumlegierung) genau auf die des Bolzens 12 (beispielsweise Titanlegierung) abstimmt. Ist jedoch bei Aufdrückanwendungen die Hülse 14 zu fest, kann beim Aufdrücken der Schaft 15 im Bereich der Sperrnuten 26a-e beschädigt werden, und zwar am häufigsten durch Quetschen und/oder Dehnen des Schafts 15 und/oder Schäden an den Spitzen der Schultern zwischen den Sperrnuten 26a-e. Es ist bekannt, daß man derartige Schäden so weit wie möglich vermeiden und/oder geringhalten sollte. Angestrebt wird daher, die Hülse 14 mit einer so hohen Streckgrenze auszuführen wie möglich, während man die oben erwähnten Schäden vermeidet. Zu diesem Zweck hat sich herausgestellt, daß die Streckgrenzen sich gleich den Grenzscherspannungen wählen lassen, und daß es erwünscht ist, einen Bolzen 12 aus einem Werkstoff mit einer Grenzscherspannung im Bereich von etwa 1,8 : 1 bis etwa 2,7 : 1 relativ zur Grenzscherspannung der Hülse 14 zu wählen. In einer Anwendung mit einem Bolzen 12 aus Titanlegierung 6A1-4V und einer Hülse 14 aus Al-Legierung 2024-T4(2) ergab sich ein erwünschtes Verhältnis von etwa 2,5 : 1. Ein Beispiel einer weiteren geeigneten Kombination unterschiedlicher Werkstoffe mit dem erwünschten Verhältnis ist ein Bolzen 12 aus Al-Legierung 7178-T6 und eine Hülse 14 aus Al-Legierung 6061-T4; eine dritte mögliche Kombination wäre ein Bolzen 12 aus wärmebehandelter Stahllegierung 8740 und eine Hülse 14 aus Aluminium 7175-T73 oder 7050-T73. Indem man die Festigkeit der Hülse 14 so hoch ansetzt, daß beim Andrücken der Bolzen 12 gerade noch nicht beschädigt wird, läßt die Anzahl und/oder Gesamtlänge der Sperrnuten 26a-e, die erforderlich sind, um die bei Zugbelastung auftretende Scherspannung aufzunehmen, sich gering halten; ein solches niedriges Verhältnis ist erwünscht. Desgleichen ist erwünscht, wie erwähnt, die Breite der Nuten 26a-e und der von ihnen gebildeten Schultern derart auf die Scherfestigkeit der Werkstoffe des Bolzens 12 und der Hülse 14 abzustimmen, daß sowohl die von den Nuten 26a-e des Bolzens 12 als auch die von den Nuten in der aufgedrückten Hülse 14 gebildeten Schultern bei der vorgewählten maximalen Nenn-Zuglast auf den Werkstücken 18 und 20 unter Scherung zu versagen beginnen oder gleichzeitig versagen. In der Praxis wird man vorzugsweise so konstruieren, daß die von den Nuten in der Hülse 14 gebildeten Schultern von denen zwischen den Sperrnuten 26a-e des Bolzens 12 versagen, d. h., die Schultern des Bolzens 12 versagen unter Scherung bei etwa 110% der Zuglast, bei denen die Schultern in der Hülse 14 versagen.

Wie oben erwähnt, können die Sperrnuten 26a-e und die von ihnen gebildeten Schultern weiterhin mit aufgeteilter Schersteife nach der US-PS 39 15 053 aufgebaut werden, so daß der Bruch im wesentlichen gleichzeitig an sämtlichen effektiven Sperrnuten 26a-e oder den Schultern der aufgedrückten Hülse 14 erfolgt.

Mit diesen Kriterien läßt sich das Volumen des Schaftabschnitts 15 des Bolzens 12 (einschließlich des Volumens der Sperrnuten 26a-e) minimieren. Wie oben beschrieben, minimiert man also das Gesamtvolumen und damit das Gewicht des Bolzens 12.

Danach ist es erwünscht, das Volumen und damit das Gewicht der Hülse 14 zu minimieren. Die Hülse 14 muß genug Volumen aufweisen, um die Sperrnuten 26a-e ausreichend zu füllen, sowie ein ausreichendes äußeres Volumen, um die Integrität und/oder die Lastübertragungseigenschaften der aufgedrückten Hülse 14 zu gewährleisten. Bei den Versuchen zur Minimierung des Hülsenvolumens hat sich herausgestellt, daß ein wesentlicher Faktor eine ausreichende radiale Wanddicke ist, um der Nennzuglast des Befestigers 10 über die Werkstücke 18, 20 ohne Druckversagen der Hülse 14 (vergl. Fig. 4) zu widerstehen.

Die folgenden unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 angegebenen empirischen Bestimmungsgleichungen erlauben es, die Abmessungen der Hülse zu bestimmen derart, daß man ein minimales Volumen erhält, das ausreicht, um die Sperrnuten 26a-e zu füllen und doch extern genug Material zu behalten, um ein Versagen unter Druck mit einem minimalen vorgewählten Sicherheitsbereich zu vermeiden.

mit
ID = Innendurchmesser der Hülse 14 vor dem Aufdrücken,
Dc = Außendurchmesser der Hülse 14 vor dem Aufdrücken,
Dr = mittlerer Durchmesser des verfügbaren Volumens zwischen den Wurzeln und Spitzen der Sperrnuten 26a-e,
p = Poissonsches Verhältnis,
Ptu = gewünschte Zug-Tragelast der Werkstücke 18, 20,
Da = mittlerer Durchmesser der Aufnahmeöffnung des Andrückambosses 32,
fcy = minimale Druckfestigkeit (psi) des Werkstoffes der Hülse 14,
K = Korrekturfaktor,
Dx = mittlerer Durchmesser im Gebiet der minimalen Wanddicke der aufgedrückten Hülse 14 unter Drucklast, und
FS = multiplikativer Faktor, der gewährleisten soll, daß die Hülse gerade nicht druckversagt.

Die Abmessung Dr stellt dabei denjenigen Durchmesser für den Schnitt durch die Sperrnuten 26a-e dar, bei dem ein glatter gradliniger Schaft entsteht, wenn man mit dem Material der Schulter die Sperrnuten 26a-e auffüllen würde. Hätten beispielsweise die Sperrnuten 26a-e und die zugehörigen Schultern das gleiche Volumen, wäre Dr der Mittelwert aus dem Spitzendurchmesser Dg und dem Wurzeldurchmesser der Nuten 26a-e. Bei einem Gewindesystem mit gleichmäßiger Steigung wäre Dr der Teilkreisdurchmesser. Unterscheidet sich das Volumen der Nuten 26a-e von dem der Schultern, würde man Dr entsprechend bestimmen.

Der Durchmesser Dx läßt sich leicht bestimmen als der Mittelwert der Hülse 14 im aufgedrückten Teil nahe den Sperrnuten 26a-e, d. h., der mittlere Durchmesser zwischen Dg und der effektiven aufgedrückten Außenfläche der Hülse 14. Nimmt man an, daß in diesem Bereich die Wanddicke Dx der Hülse 14 minimal ist, könnte man Dx in den Beziehungen (1) und (2) ohne weitere Einschränkungen benutzen.

Wie jedoch bereits ausgeführt, liegt der größte Durchmesser Ds des Schafts 15 am Übergangsteil 28 und ist normalerweise geringfügig größer als der Spitzendurchmesser Dg; unter einigen Griffbedingungen wird die Hülse 14 teilweise auf den Übergangsabschnitt 28 aufgedrückt und nimmt daher in diesem Bereich seine minimale Wanddicke Tx an.

Die minimale Wanddicke Tx der Hülse 14 kann somit bei einem mittleren Durchmesser Dx′ auftreten und kleiner als die minimale Wanddicke beim Durchmesser Dx sein. Zur gleichen Zeit können die Parameter Tx, Dx und Dx′ sich unter Lastbedingungen verändern. Alle diese Einflüsse lassen sich mit einem Korrekturfaktor K kompensieren, den man empirisch bestimmen kann. Der Korrekturfaktor setzt also voraus, daß die Wanddicke beim Durchmesser Dx′ der schwächste Teil der aufgedrückten Hülse 14 unter Drucklast ist und die höchste Druckspannung erfährt. Der Wert K kann für unterschiedliche große Befestiger und unterschiedliche Durchmesser bei Dx, d. h., für Bolzen 12 unterschiedlicher Durchmesser, bestimmt werden; Werte für K sind wie folgt ermittelt worden:

K 2,25, 2,40, 2,55, 2,70, 2,84;
Dx 0,164, 0,190, 0,250, 0,3125, 0,375.

Diese Werte für den Faktor K wurden ermittelt für gleiche Griffschritte für Bolzen unterschiedlicher Durchmesser. Ändert man die Griffschritte entsprechend den Durchmessern, erhält man konstantere Werte des Faktors K. Wegen der unter Last auftretenden Schwankungen kann die endgültige Optimierung mit Tests am tatsächlichen Objekt bestätigt werden.

Der Multiplikationsfaktor FS wurde in einer Anwendung zu 110% gewählt. Die Zuglast, bei der die Hülse 14 druckversagt, ist als 10% höher als die Nennzuglast, an der die zwischen den Nuten der aufgedrückten Hülse 14 gebildeten Schultern unter Scherung versagen. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß zunächst ein Versagen unter Scherung erfolgt, während das Volumen und Gewicht der Hülse 14 so gering wie möglich bleiben.

Die Aufnahmeöffnung 36 ist geringfügig verjüngt ausgeführt, um das Freigeben des Ambosses 32 nach dem Aufdrücken zu erleichtern; D_a ist daher als der mittlere Durchmesser der Aufnahmeöffnung 36 entlang des wirksamen Andrückbereichs dargestellt. Der Durchmesser Da der Aufnahme des Ambosses 32 relativ zum Volumen der Hülse 14 wird so gewählt, daß man die Sperrnuten 26a-e mit dem Material der aufgedrückten Hülse 14 so dicht, fest und vollständig wie möglich ausfüllt. In einer Ausführungsform wurde das Volumen der Hülse 14 so gewählt, daß sich eine Überfüllung ergab, d. h., daß die Hülse 14 ein größeres Volumen hatte als die Sperrnuten 26a-e normalerweise innerhalb des Andrückraums zwischen dem Amboß 30 und dem diesem zugewandten Teil des Bolzens aufnehmen würden. In dem vorliegenden System hat es sich als zweckmäßig herausgestellt, ein Übervolumen des Hülsenmaterials von mindestens etwa 20% vorzusehen. Ein größeres Übervolumen kann den Bolzen 12 durch Eindrücken oder übermäßige Dehnung beschädigen; diese Resultate lassen sich ebenfalls empirisch bestimmen.

In den bekannten (nicht optimierten) Systemen wurde ein Übervolumen der Hülse von etwa 13% angewendet, um die Sperrnuten gut zu füllen. Um aber in der Fertigung die erheblichen Vorteile des vorliegend vorgeschlagenen optimierten Systems realisieren zu können, sollte man eine Überfüllung von mindestens etwa 20% ansetzen. Das Material der Hülse 14 und des Bolzens 12 reagieren so, daß der Volumenüberschuß aufgenommen werden kann, d. h., durch Dehnung der Hülse usw. Auf diese Weise gewährleistet man jedoch, daß man nach dem Aufdrücken einen Füllgrad von nahe 100% erhält. Wenn man mindestens etwa die angegebene 20%ige Überfüllung verwendet und den angegebenen Füllgrad erreicht hat, ergibt sich eine erhebliche Erhöhung der Scherbelastbarkeit (und daher der Zugbelastbarkeit) in sowohl den Schultern zwischen den Sperrnuten 26a-e des Bolzens 12 als auch von den Nuten der aufgedrückten Hülse 14 gebildeten Schultern.

Diese Ergebnisse scheinen auf die anhaltende Druckvorbelastung zwischen den Flanken der Schultern zwischen den Sperrnuten 26a-e des Bolzens 12 und den an ihnen anliegenden Flanken der Schultern zwischen den Nuten in der aufgedrückten Hülse 14 zurückführbar zu sein. Erhält man eine solche Vorbelastung aufrecht, nimmt vermutlich die Endscherfestigkeit des Materials zu, d. h., kann höheren Scherlasten widerstehen im Vergleich zu den gleichen Werkstoffen, die nicht oder nur wenig vorbelastet sind.

Es scheint infolge dieser Überfüllung die Entscherspannung des Materials um mindestens etwa 10% bis etwa 28% zuzunehmen. Die Überfüllung wird jedoch durch die Druckfestigkeitsgrenze des Materials des Bolzens 12 begrenzt. Anders gesehen kann man durch ausreichende Überfüllung, wie erläutert, eine Zunahme der Zugfestigkeit des gesetzten Befestigers von mindestens etwa 10% bis etwa 28% infolge der sich ergebenden Zunahme der Schulterscherfestigkeit erreichen. Diese erhebliche Zunahme der Scherbelastbarkeit steht im Vergleich zu der derzeitigen Konstruktion, bei der man einen Volumenüberschuß von etwa 13% wie in der Vergangenheit (in nicht optimierten Systemen) verwendet.

Damit der Befestiger 10 die Nennzugbelastung für die unten angegebenen Bereiche von Griffbedingungen und die ebenfalls unten erläuterten 7°-Anwendungen (vergl. Fig. 7) erreicht, hat sich als vorteilhaft herausgestellt, eine Überfüllung bis zur Festigkeitsgrenze des Bolzens 12 vorzusehen, so daß man ein Quetschen, Strecken, eine Dehnung oder andere Beeinträchtigung des Schaftteils 24 und/oder der Sperrnuten 26a-e des Bolzens 12 vermeidet. In einer Ausführungsform des Befestigers 10 wurde die Hülse 14 auf eine Überfüllung innerhalb etwa 10% desjenigen Volumens ausgelegt, bei dem diese Beeinträchtigungen aufzutreten begannen.

Indem man das Volumen der Hülse 14 bis zu der gewünschten Überfüllung vergrößert, gleicht auf jeden Fall die resultierende Zunahme der Scherfestigkeit und/oder Zugbelastbarkeit das zusätzliche Volumen mehr als aus, so daß man eine Verringerung der Größe für gleiche Nennzugbelastungen (ohne Überfüllung) und damit auch des Gewichts erreicht. Gleichzeitig läßt sich das Volumen des Bolzens 12 verringern, so daß sich Einsparungen an dessen Material realisieren lassen.

Weiterhin erhält man durch die Minimierung der Anzahl der Sperrnuten 26a-e und die Minimierung der Gesamtlänge der Nuten in Kombination mit der Überfüllung eine gute Scherlastübertragung (über die Schultern zwischen den Nuten) bei Zugbelastung. Die prozentuale Überfüllung läßt sich für eine endliche Länge dl (vergl. Fig. 1) beim Durchmesser Da des wirksamen Aufdrückabschnitts der Aufnahmeöffnung 36 nach der folgenden Beziehung bestimmten

"dl" stellt dabei eine endliche Länge innerhalb des Aufdrückteils der Aufnahmeöffnung 36 dar und der Bolzen 12 wird im Abschnitt mit den Sperrnuten 26a-e als glatt durchgehender Schaft mit dem mittleren Durchmesser Dr betrachtet.

Es ist erwünscht, daß ein Befestiger einer gegebenen Größe Werkstücke mit unterschiedlicher Summendicke aneinander befestigen kann. Der Befestiger 10 der Fig. 1 und 2 hat diese Fähigkeit. Die Fig. 1 und 2 zeigen also den Befestiger 10 mit Werkstücken 18, 20 einer Mindest-Gesamtdicke ist eine Sperrnut 26e des Befestigers 10 nur teilsweise, die Sperrnuten 26a-26d aber vollständig ausgefüllt sind und übernehmen wirksam die Zuglast (vergl. Fig. 2).

In der Fig. 3 bilden die Werkstücke 18′, die maximale Summendicke, die mittels des Befestigers 10′ zu halten ist. In diesem Fall ist die Sperrnut 26a′ teilweise gefüllt, während die Sperrnuten 26b′-26e′ vollständig ausgefüllt sind und die Zuglast übertragen. In der Ausführungsform der Fig. 3 ist der Befestiger 10′ identisch mit dem Befestiger 10 der Fig. 1 und 2, aus Gründen der Vereinfachung werden daher die gleichen Teile nicht beschrieben.

Damit der Befestiger 10 (10′) über den dargestellten Griffbereich eingesetzt werden kann, muß eine Sperrnut mehr vorgesehen sein als für gleiche Zugbelastung erforderlich wäre, falls der Befestiger 10 (10′) nur unter einer Nenngriffbedingung eingesetzt würde, d. h., bei einer Summendicke der Werkstücke, die zwischen der der Werkstücke 18, 20 und der der Werkstücke 18′, 20′ liegt. Diese eine zusätzliche Sperrnut erlaubt einen wirksamen Griffbereich für den Befestiger bei Werkstücken, deren Gesamtdickenvariation mindestens etwa der doppelten Breite einer einzigen Sperrnut entspricht. Indem der Griffbereich so begrenzt ist, erhält man eine minimale Größe des Befestigers 10, während dennoch ein breiter praktisch nutzbarer Griffbereich verbleibt. Eine weitere Optimierung wäre möglich, wenn man die letzte (26e) der Sperrnuten 26a-26e eliminiert und den Befestiger 10 nur für die Verwendung im Nenngriffbereich auslegt.

Wie bereits erwähnt, wird die Hülse 14 optimiert, indem man die minimale Wanddicke vorsieht, bei der ein beginnender oder gleichzeitiger Bruch bei der Nenn-Zuglast entweder durch Versagen unter Druck (beispielsweise Stauchung) oder durch Scherung der Schultern zwischen den Nuten der Hülse 14 mit den Schultern zwischen den Nuten 26a-26e des Bolzens 12 erfolgt. Ein solcher Fall einer Quetschung ist in Fig. 4 dargestellt, in der die denen der Fig. 1-3 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen, aber um einen doppelten Hochstrich ergänzt, gekennzeichnet sind. Die Stauchung ist dabei bei 38 gezeigt.

Die dargelegten Grundsätze sind gleichermaßen anwendbar auf durch Zugkraft zu setzende Befestiger entsprechend den Ausführungsformen der Fig. 5 und 6, in denen die der Fig. 1 und 2 entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen, aber um den Zusatz "a" ergänzt gekennzeichnet sind.

Der Befestiger 10a weist daher einen Bolzen 12 und eine rohrförmige Hülse 14a auf. Der Bolzen 12a hat einen langgestreckten Schaft 15a, der durch fluchtende Bohrungen 16a, 17a in zwei Werkstücke 18a, 20a verläuft, die aneinander festgelegt werden sollen. Die Bohrung 16a läuft zu einer Senkbohrung aus, die den Kegelkopf 22a an einem Ende des Schafts 15a aufnehmen kann. Am Kopf 22a hat der Schaft 15a einen geradlinigen Abschnitt 24a, der von den Bohrungen 16a, 17a mit geringem Spiel oder im Preßsitz aufgenommen werden kann. Auf den gradlinigen Abschnitt 24a folgt eine Vielzahl von Sperrnuten 26aa-ee. Der Übergangsabschnitt 28a verbindet die Sperrnut 26aa stetig mit dem gradlinigen Schaftteil 24a.

Eine Sollbruchnut 40 ist an den Sperrnuten 26aa-ee vorgesehen und bildet den schwächsten Teil des Schafts 15a. Ein gradliniger Absatz 42 liegt zwischen der Sollbruchnut 40 und einer Vielzahl von Zugnuten 44. Dieser Absatz 42 kann mit verringertem Durchmesser entsprechend der US-PS 42 21 152 ausgeführt sein. An den Zugnuten 44 kann ein Werkzeug 48 angreifen, mit dem der Befestiger 10a gesetzt wird. Das Werkzeug 48 kann allgemein auf herkömmlich aufgebaut sein und ist daher zur Vereinfachung nur zum Teil gezeigt. Es weist eine Vielzahl von Backen 50 auf, die den Bolzen 12a an den Zugnuten 44 ergreifen können. Die Backen 50 sitzen in einer rohrförmigen Spannzangenanordnung 52, die gleitend verschiebbar in einem Amboßgehäuse 54 gelagert ist, das an einem Ende zu einem Aufdrückamboß 56 ausläuft.

Die symmetrisch gestaltete rohrförmige Hülse 14a läßt sich auf den Schaft 15a aufschieben und ist bei aufeinandergezogenen Werkstücke 18a, 20a radial mit den Sperrnuten 26aa-ee ausgerichtet. Die Summendicke der Werkstücke 18a, 20a definiert dabei den Nenngriffbereich des Befestigers 10a, d. h., zwischen der Dicke der Werkstücke 18, 20 der Fig. 1 und der der Werkstücke 18′, 20′ der Fig. 3, so daß die Hülse 14a mit sämtlichen Sperrnuten 26aa-ae ausgerichtet ist und in sie eingedrückt wird (vergl. Fig. 6). Bei der Betätigung des Werkzeugs 48 wird eine Axialkraft zwischen Bolzen 12a und Hülse 14a aufgebracht, so daß die Hülse 14a in die Sperrnuten 26aa-26ae auf dem Bolzen 12a eingedrückt wird (Fig. 6). Am Ende des Eindrückvorgangs bricht der Schaft 15a an der Sollbruchnut 40 ab. Bei weiterer Betätigung der Schaft 15a an der Sollbruchnut 40 ab. Bei weiterer Betätigung des Werkzeugs 48 rückt ein Auswerfelement 58 nach vorn und stößt die aufgedrückte Hülse 14a aus dem Amboß 56 heraus.

Die abmessungsmäßigen Zusammenhänge zwischen dem Bolzen 12a, der Hülse 14a und dem Durchmesser der Aufnahmeöffnung 36a des Aufdrückambosses 56 entsprechen den oben unter Bezug auf die Fig. 1 und 2 erläuterten und sind in den Fig. 5 und 6 gezeigt. Es wird darauf verwiesen, daß der Amboß 56 mit einer effektiven Hüllkontur ausgeführt ist, die den oben diskutierten Überfüllungseffekt ergibt.

Es ist erwünscht, einen Befestiger 10a in Werkstücke setzen zu können, bei denen diejenige Oberfläche des vorderen Werkstücks, an die die Hülse sich anlegt, unter einem Winkel (Xl) von 0° bis 7° zu einer zur Achse des Befestigers rechtwinkligen Ebene verläuft. Ein solcher Fall ist in Fig. 7 gezeigt, in der die denen der Fig. 5 und 6 entsprechenden Teile mit den gleichen Bezugszeichen, aber um einen Hochstrich ergänzt gezeigt sind; zur Vereinfachung sind diese Teile nicht noch einmal erläutert. Der Befestiger 10a′ legt also die Werkstücke 18a′, 20a′ aufeinander fest, wobei die vordere Oberfläche 51 des Werkstücks 20a′ unter einem Winkel (Xl) von 7° zur Ebene X2 liegt, die rechtwinklig zur Achse X3 des Bolzens 12a′ verläuft.

Indem man den Befestiger 10a′ auf die oben beschriebene Weise optimiert, wird der Sperrnutenabschnitt des Befestigers 10a′ steifer als bei herkömmlichen Befestigern, da die Länge der Sperrnuten 26aa′-ee′ minimal ist, während gleichzeitig auch die Länge der Hülse 14a′ minimal geworden ist; das Resultat ist eine höhere Biegespannung an der Sollbruchnut 40′. Diese höhere Biegespannung - kombiniert mit der beim Setzen des Befestigers 10a aufgebrachten Zugspannung - kann zu einem verfrühten Bruch führen, d. h., bevor die Hülse 14a′ vollständig aufgedrückt worden ist. Um eine Anwendung im Fall einer Schräge von 7° zu erlauben, könnte man mit einem größeren Durchmesser (d) an der Sollbruchnut 30a′ die resultierende Biegespannung verringern. Damit aber die Sollbruchnut 40′ auch bei der gewünschten Zuglast bricht, wenn im wesentlichen nur Zugspannungen vorliegen, d. h., der Winkel X1 gleich null ist, steigert der größere Durchmesser (d) die erforderliche Zuglast auf unerwünscht hohe Werte. Dieser Effekt läßt sich jedoch ausgleichen, indem man den Spannungskonzentrationsfaktor (Kt) für die Ermüdung in der Sollbruchnut 40 verkleinert. Diese Maßnahme wurde nach den Prinzipien des Neuber-Verfahrens durchgeführt, wie es im Kapitel 2, "Notches and Grooves", des Buchs "Stress Concentration Factors" von R. E. Peterson (1974), John Wiley, Inc., erläutert ist (vergl. auch Fig. 7). Auf der Grundlage dieses Zusammenhangs wird der Kt-Wert für die Sollbruchnut 40′ so gewählt, daß man einen gewünschten effektiven Durchmesser (d) der Sollbruchnut 40′ erhält, bei dem bei der gewünschten reinen Zuglast ein Zugspannungsbruch erfolgt, während man dennoch den Befestiger 10a′ bei dem erwähnten 7°-Winkel setzen kann.

Der Durchmesser (d) der Sollbruchnut 40′ wird so angesetzt, daß infolge der kombinierten Biege- und Zugspannung beim Setzen des Befestigers 10′ mit einem Winkel von 7° der Befestiger nicht verfrüht abreißt. Danach bestimmt man unter Benutzung des Zusammenhangs d/D ein gewünschtes r/D-Verhältnis, aus dem sich der gewünschte Spannungskonzentrationsfaktor Kt für einen Bruch bei der gewünschten reinen Zuglast ergibt. Beispielsweise erhält man ein (d/D) (Kt) von 1,6 für einen Befestiger der Größe Nr. 10 (für ein Loch mit einem Nenndurchmesser von 4,763 mm bzw. von 1,7 für einen Befestiger mit Nenn-Lochdurchmesser von 6,35 mm). Mit dem gewünschten Kt-Wert erhält man den Bruch an der Sollbruchnut 40′ für eine reine Zugbelastung und für die 7°-Anwendung innerhalb etwa 12% voneinander.

Ein optimierter Befestiger 10 (10a) der Normgröße Nr. 10 kann somit folgende Eigenschaften haben:

A. Bolzen 12 (12a)
- 1. Material: Titanlegierung 6A1-4V,
- 2. Ds = 4,801 mm,
- 3. Dg = 4,623 mm,
- 4. Dr = 4,394 mm, Nuten (a-e),
- 5. Dr = 4,394 mm, Nuten (a-d),
- 6. R = 2,159 mm,
- 7. X = 50°,
- 8a. Länge des Abschnitts des Schafts 15 von den Werkstücken 18, 20 bis zur Wurzel der letzten Nut (26e) für kombinierte Nenn-Griffweite (Bolzen mit Nuten 26a-e) = 4,039 mm - vergl. 15p in Fig. 6;
- 8b. Griffbereich für Dickenunterschiede der Werkstücke 18, 20 (Bolzen mit Nuten 26a-e) = 2,388 mm;
- 9a. Länge des Teils des Schafts 15 von den Werkstücken 18, 20 bis zur Wurzel der letzten Nut (26d) für Nenn-Summendicke (eine (26e) der Nuten 26a-e entfällt) = 3,480 mm
  (vergl. 15ap in Fig. 6);
- 9b. Griffbereich (Bolzen nur mit Nuten 26a-d) = 0
- 10. Sollbruchstelle des Bolzens 12a
  - 1. d = 2,769 mm
  - 2. D = 2,988 mm
  - 3. t = 0,610 mm
  - 4. r = 0,508 mm
  - 5. Kt = 2,3
  - 6. (d/D) (Kt) = 1,6
B. Hülse 14 (14a)
- 1. Material: Aluminiumlegierung 2024-T4(2)
- 2. Innendurchmesser = 4,826 mm
- 3. Dc = 6,858 mm
- 4a. Nenn-Hülsenlänge zur Verwendung mit einem Bolzen mit allen Nuten 26a-e = 5,715
- 4b. Griffbereich der Nuten 26a-e = 2,388 mm
- 5a. Nenn-Hülsenlänge zur Verwendung beim Wegfall einer (26e) der Nuten = 5,131 mm
- 5b. Griffbereich der Nuten 26a-d = 0
C. Amboß 30
- 1. Da = 6,248 mm
D. Grenzscherfestigkeitsverhältnis von Bolzen 12 (12a) und Hülse 14 (14a)
- 1. Verhältnis = 2,5 : 1
E. Multiplikationsfaktor
- 1. FS = 1,10
F. Korrekturfaktor
- 1. K = 2,40
G. Überfüllung
- 1. Entsprechend Gl. (3) bestimmt:
  Überfüllung = 21,2%
H. Scherlastfestigkeit
- 1. Verhältnis der Scherlastfestigkeit der Schultern und Nuten des Bolzens 12 (12a) zu der der Schultern und Nuten der aufgedrückten Hülse 14 (14a) = 1,10 : 1.

Die gleichen Zusammenhänge lassen sich leicht für einen Befestiger 10 (10a) mit Nenn-Lochdurchmesser von 6,35 mm bestimmen, der unter Nennbedingungen folgende Eigenschaften haben kann:

A. Bolzen 12 (12a)
- 1. Material: Titanlegierung 6A1-4V,
- 2. Ds = 6,325 mm,
- 3. Dg = 6,147 mm,
- 4. Dr = 5,817 mm, Nuten a-e,
- 5. Dr = 5,817 mm, Nuten a-d,
- 6. R = 3,099 mm,
- 7. X = 50°,
- 8a. Länge des Teils des Schafts 15 von den Werkstücken 18, 20 bis zur Wurzel der letzten Nut (26a) für die Nenn-Summendicke (Bolzen mit Nuten 26a-e) = 5,309 mm - vergl. 15p in Fig. 6;
- 8b. Griffbereich für unterschiedliche Dicken der Werkstücke 18, 20 (Bolzen mit Nuten 26a-e) = 2,300 mm;
- 9a. Länge des Teils des Schafts 15 von den Werkstücken 18, 20 bis zur Wurzel der letzten Nut (26d) für Nenn-Summendicke (Bolzen ohne eine (26e) der Nuten 26a-e) = 4,496 mm - vergl. 15ap in Fig. 6 -;
- 9b. Griffbereich für Bolzen mit nur den Nuten 26a-d = 0
- 10. Sollbruchstelle des Bolzens 12a
  - 1. d = 3,378 mm
  - 2. D = 5,258 mm
  - 3. t = 0,940 mm
  - 4. r = 0,508 mm
  - 5. Kt = 2,6
  - 6. (d/D) (Kt) = 1,7
B. Hülse 14 (14a)
- 1. Material: Aluminiumlegierung 2024-T4(2)
- 2. Innendurchmesser = 6,35 mm
- 3. Dc = 9,042 mm
- 4a. Nenn-Hülsenlänge zur Verwendung mit sämtlichen Nuten 26a-e = 7,188 mm
- 4b. Griffbereich der Nuten 26a-e = 2,388 mm
- 5a. Nenn-Hülsenlänge bei Wegfall einer (26e) der Nuten = 6,375 mm
- 5b. Griffbereich der Nuten 26a-d = 0
C. Amboß 30
- 1. Da = 8,255 mm
D. Verhältnis der Grenzscherfestigkeiten des Bolzens 12 (12a) und Hülse 14 (14a)
- 1. Verhältnis = 2,5 : 1
E. Multiplikationsfaktor
- 1. FS = 1,10
F. Korrekturfaktor
- 1. K = 2,55
G. Überfüllung
- 1. Entsprechend Gl. (3):
  Überfüllung = 21,4%
H. Scherlastfestigkeit
- 1. Verhältnis der Scherlastfestigkeit der Schultern und Nuten des Bolzens 12 (12a) zu der der Schultern und Nuten der aufgedrückten Hülse 14 (14a) = 1,10 : 1.

Bei Anwendung der obigen Erkenntnisse und bei Abstimmung des Gewichts auf die Festigkeit der Befestigerteile lassen sich erhebliche Einsparungen an Größe und Gewicht realisieren, während man die konstruktiven Forderungen dennoch voll erfüllen kann.

Claims

1. Zweiteiliger Befestiger zum Aneinanderbefestigen einer Vielzahl von Werkstücken, der eine vorgewählte erforderliche Größe der Nenn-Scherlast und eine erforderliche vorgewählte Größe der Nenn-Zuglast ergibt und optimiert ist, diese Nenn- Scher- und -Zuglastforderung bei minimalem Gewicht der verwendeten Werkstoffe zu erfüllen, mit einem Bolzenelement mit einem langgestreckten Schaft, der einen in fluchtenden Bohrungen in den Werkstücken befindlichen glatten Schaftabschnitt, der an einem Ende zu einem aufgeweiteten Kopf und an seinem anderen Ende zu einem genuteten Abschnitt mit einer Vielzahl in Umfangsrichtung verlaufenden Bolzennuten und zugehörigen Schultern ausläuft, eine vorgewählte Länge relativ zu der Summendicke der Werkstücke derart, daß sein Nutenabschnitt außerhalb dieser fluchtenden Bohrungen liegt, und einen Durchmesser hat, der die erforderliche Scherfestigkeit zur Aufnahme der Nenn-Scherlast bietet, und mit einer rohrförmigen Hülse, die in die Nuten auf dem Bolzen unter Befestigung der Werkstücke aneinander eingedrückt werden kann, wobei die Hülse, wenn aufgedrückt, Nuten und Schultern hat, die mit den Nuten und Schultern des Bolzens versperrt sind, eine Mindestlänge aufweist, die ausreicht, um die Nuten auf dem Bolzen zu übergreifen und die Hülse in sie eindrücken zu können, und wobei die vorgewählte Länge des glatten Schaftabschnitts derart ist, daß der genutete Abschnitt um eine Mindestlänge über die fluchtenden Bohrungen hinaus vorsteht, um das Aufdrücken zuzulassen, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14; 14a; 14a′) eine minimale Wanddicke und damit ein minimales Gewicht aufweist derart, daß sie nach dem Aufdrücken unter Druck bei etwa der Nenn-Zuglast in einem Bereich zwischen den Werkstücken (18, 20; 18′, 20′; 18a; 20a, 18a′, 20a′) und der den Werkstücken (18, 20; 18′, 20′; 18a, 20a; 18a′, 20a′) am nächsten liegenden Bolzenschultern nachgeben kann.

2. Befestiger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (12; 12a) und die Hülse (14; 14a) aus unterschiedlichen Werkstoffen mit Grenzscherspannungen unterschiedlicher Größe bestehen, wobei das Verhältnis der Scherspannung des Bolzens (12; 12a) zu der der Hülse (14; 14a) derart ist, daß beim Aufdrücken der Bolzen (12) im wesentlichen nicht gequetscht wird.

3. Befestiger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (12) eine höhere Grenzscherspannung als die Hülse (14) hat, wobei die Grenzscherfestigkeit der Hülse (14) allgemein so hoch wie möglich gewählt ist, ohne jedoch den Bolzen (12) beim Aufdrücken zu quetschen.

4. Befestiger nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Grenzscherfestigkeit des Bolzens (12) zu der der Hülse (14) im Bereich von etwa 1,8 bis etwa 2,7 liegt.

5. Befestiger nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Breiten der Nuten (26a-e) und Schultern auf dem Bolzen (12) und der Nuten und Schultern in der Hülse (14) entsprechend der relativen Scherfestigkeiten der unterschiedlichen Materialien gewählt sind, so daß die Schultern des Bolzens (12) und der Hülse (14) allgemein bei der zwischen Bolzen (12) und Hülse (14) aufgebrachten Nenn-Zuglast versagen können.

6. Befestiger nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die axialen Breiten den Schultern des Bolzens (12) erlauben, bei einer Zuglast unmittelbar über der Nenn-Zuglast zu versagen, so daß die Schultern in der Hülse (14) im allgemeinen vor den Schultern auf dem Bolzen (12) versagen.

7. Befestiger nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Schultern auf dem Bolzen (12) bei etwa 110% der Nenn-Zuglast zwischen dem Bolzen (12) und der Hülse (14) versagen können.

8. Befestiger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Wanddicke der Hülse (14) so gewählt ist, daß sie unter Druck bei Zuglasten unmittelbar unter den Nenn-Zuglasten nachgibt, so daß die Schultern des Bolzens (12) oder der Hülse (14) in Scherung nachgeben, bevor die Hülse (14) unter Druck versagt.

9. Befestiger nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) eine minimale Wanddicke und somit minimales Gewicht aufweist derart, daß sie nach dem Aufdrücken bei allgemein etwa 110% der Nenn-Zuglast unter Druck nachgeben kann.

10. Befestiger nach einem der vorgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) in die Bolzennuten mit einem Aufdrückamboß (32) mit einem wirksamen Aufdrückabschnitt in der Aufnahmeöffnung (36) aufgedrückt werden kann, und daß die Hülse (14) ein vorgegebenes Materialvolumen hat, das wesentlich größer als das Volumen ist, das von dem wirksamen Aufdrückabschnitt der Aufnahmeöffnung (36) und dem dieser gegenüberliegenden Teil des Bolzens (17) einschließlich der Sperrnuten (26a-e) auf diesem begrenzt ist, in die die Hülse (14) eingedrückt wird, um die Scherfestigkeit der Bolzen- und der Hülsenschultern wesentlich zu erhöhen, wobei das vorbestimmte Volumen etwa eine Größe hat, bei der der Bolzen (12) durch das Aufdrücken der Hülse (14) beeinträchtigt zu werden beginnt.

11. Befestiger nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das vorbestimmte Materialvolumen etwa 10% geringer als das Volumen ist, bei der die Beeinträchtigung auftritt.

12. Befestiger nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülse (14) ein vorbestimmtes Materialvolumen hat, das allgemein mindestens etwa 20% größer als das verfügbare Volumen zwischen dem wirksamen Aufdrückabschnitt der Aufnahmeöffnung (36) und dem dieser zugewandten Teil der Bolzennuten ist, in die die Hülse (14) eingedrückt wird.

13. Befestiger nach einem der vorgehenden Ansprüche, bei dem der Bolzen vor dem Aufdrücken einen mit dem Nutenabschnitt über eine Sollbruchnut verbundenen Endabschnitt aufweist, an dem ein Werkzeug angreifen kann, das bei Betätigung eine relative axiale Kraft zwischen dem Bolzen und der Hülse aufbringt, dadurch gekennzeichnet, daß die Sollbruchnut eine kombinierte Zug- und Biegelast aufnehmen nehmen kann und nach dem Aufdrücken bei einer vorgewählten Axialkraft bricht, und daß die Sollbruchnut einen Spannungskonzentrationsfaktor aufweist derart, daß der Bruch bei bzw. innerhalb etwa 12% der vorgewählten Axialkraft erfolgt, wenn der Befestiger (10a) in Werkstücke (18; 20a) gesetzt wird, deren Hülsenanlagefläche unter einem Winkel von 7° quer zu der Achse des Bolzens (12a) verläuft, wobei der Spannungskonzentrationsfaktor (Kt) durch die Beziehung (d/D)=(Kt) ausgedrückt ist, in der (d) der minimale Durchmesser der Sollbruchnut und (D) der Durchmesser des Endabschnitts unmittelbar neben der Sollbruchnut ist, wobei die Beziehung einem Wert von etwa 1,6 für den Befestiger (10a) für fluchtende Öffnungen von etwa 4,76 mm Durchmesser und einem glatten Schaftabschnitt von etwa 4,80 mm entspricht.

14. Befestiger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestiger (10a) Werkstücke (18a, 20a) einer vorgewählten Gesamtdicke aufeinander befestigen kann und gerade genug Nuten auf dem Bolzen (12a) vorliegen, um die Nenn-Zuglast aufzunehmen.

15. Befestiger nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Befestiger (19a) Werkstücke (18a, 20a) innerhalb eines Griffbereichs festlegen kann, der mindestens etwa das Doppelte der Breite einer Bolzennut umfaßt, wobei die Bolzennuten in einer Anzahl vorliegen, die um eins größer als die zur Aufnahme der Nenn-Zuglast erforderlich ist, und daß die Hülse (14a) mindestens so lang ist, daß sie in alle oder alle bis auf eine Bolzennut eingedrückt werden kann, wenn der Befestiger (10a) an Werkstücke (18a, 20a) angesetzt wird, deren Summendicke innerhalb des Griffbereichs liegt.