DE3213605C2 - - Google Patents
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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.
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.
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; Da 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%
- 1. Entsprechend Gl. (3) bestimmt:
- 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%
- 1. Entsprechend Gl. (3):
- 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 (15)
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.
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