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Stand der Technik:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Schraubverbindungen von Kurbelwellen-
und Getriebegehäusebauteilen.
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Eine
solche Schraubverbindung ist im Deutschen Patent mit der Nummer
DE 103 14 948 offenbart,
1 und
2 zeigen
Details der dortigen Lehre:
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1 zeigt
einen Ausschnitt einer Schraubverbindung mit einer Befestigungsschraube
im Schnitt vor ihrem Eindrehen. Zur Vereinfachung ist nur eine Befestigungsschraube 1 mit
den zugehörigen Abschnitten der Gehäusebauteile 6, 7 abgebildet.
Tatsächlich besteht die Schraubverbindung aus einer Mehrzahl
von Befestigungsschrauben 1, beispielsweise aus einer ringfömigen
Anordnung zur Bildung einer Flanschverbindung für ein Getriebegehäuse
eines Kraftfahrzeuges. Die Befestigungsschraube 1 besteht
aus einem Schraubenkopf 3 mit einer Schraubenkopfauflagefläche 9,
einem Schraubenschaft 4 und einem Schraubengewinde 5.
Zwischen dem Schraubenschaft 4 und dem Schraubenkopf 3 ist
ein Dichtansatz 2, vorteilhaft als Dichtkonus ausgebildet,
angeordnet. Die Gehäusebauteile 6, 7 weisen
zur Aufnahme der Befestigungsschraube 1 eine Schraubenbohrung 8 auf,
wobei der Fortsatz der Bohrung 8 in dem Gehäuseunterteil 7 mit
einem Innengewinde 12 versehen ist.
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2 zeigt
die Schraube in eingedrehtem Zustand, schematisch. Bei einem Eindrehen
der Schraube 1 kommt der Dichtkonus 2 zunächst
mit einem äußeren Rand der Verbindungsbohrung 8 des
ersten (in der Zeichnung oberen) Gehäuseteiles 6 in
Kontakt und wird mit dem weiteren Eindrehen der Schraube 1 in
einen äußeren Bereich der Bohrungsrundung eingedrückt
(rechte Bildhälfte). Somit wird durch eine plastische Verformung
eine Gegendichtfläche 11, d. h. ein Gegenkonus
ausgebildet, der in Verbindung mit dem Dichtkonus 2 der
Schraube 1 eine Dichtverbindung bildet. Dabei kommt die
Schraubenkopfauflagefläche 9 mit einer benachbarten
Gehäuseoberteilauflagefläche 10 des Gehäuseoberteils 6 zum
Anliegen. Infolge der Ausbildung der Dichtverbindung können
flüssige Betriebsmittel, wie z. B. Getriebe- oder Hydrauliköl,
die sich innerhalb des Gehäuses befinden und z. B. über
undichte Flanschdichtungen und Gehäuserisse in der Schraubenbohrung 8 des
Gehäuseoberteils 6 gelangen können, nicht
nach außen entweichen.
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Die
darin offenbarte Schraubverbindung soll bei den oben genannten Gehäusebauteilen
vielfach, jeweils im Flanschbereich solcher Gehäusebauteile,
eingesetzt werden. Da solche Gehäuse durchweg gegossen
werden, ergeben sich oft Materialunebenheiten an den Gehäuseoberflächen,
die insbesondere im Bereich der Schraubenlöcher sehr störend
sein können. Die im Stand der Technik bekannte Schraube
wird dabei durch ein sogenanntes Durchgangsloch des einen Gehäusebauteils
hindurchgesteckt und in ein sogenanntes Sackloch des anderen Gehäusebauteils
geführt, das mit einem passenden Innengewinde versehen
ist, so daß die Schraube darin festgezogen werden kann.
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Diese
im obigen Patent gezeigte Schraube erfüllt in technischer
Hinsicht eine Doppelfunktion: Zum einen dichtet sie das Durchgangsloch
aufgrund ihres Konusbereichs zwischen Schraubenschaft und Schraubenkopf
ab, wodurch sie ohne teure Beilagscheibe oder Dichtungsring und
unabhängig von den Unebenheiten auf der Oberfläche
des Gehäuseteils eingesetzt werden kann, so daß keine
Flüssigkeit, wie etwa Getriebeöl, aus dem Inneren
des fertigen Gehäuses während des Betriebes nach
außen dringen kann. Der Konus der Schraube verformt dabei,
wenn die Schraube festgezogen wird, den äußeren
Bereich des Durchgangslochs, wodurch sich eine Dichtfläche
bildet, die ausreichend gut ist, um für die Dichtfunktion
zu sorgen. Damit wird eine kostenintensive Innenbeschichtung der
Gehäuseteile eingespart.
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Zum
zweiten muß die Schraube bei einem gegebenen Anzugsdrehmoment
dafür sorgen, daß die beiden Gehäusebauteile
mit einer Gehäusespannung zusammengepreßt werden,
die groß genug ist, um die Dichtigkeit zwischen den beiden
angrenzenden Gehäuseflächen zu schaffen, und gleichzeitig
muß die Reibung zwischen Schraubenkopf und der Oberfläche
des Gehäusebauteils so groß sein, daß sich
die Schraube nicht von selbst wieder löst, beispielsweise
aufgrund von Vibrationen, Kalt-/Warmzyklen und ähnlichen äußeren
Einflüssen.
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Für
sehr hohe Anforderungen an das vorerwähnte Losdrehmoment
für die Schraube und die Gehäusespannung ist es
nun wünschenswert, diese Schraube bzw. Schraubverbindung
noch weiter zu verbessern.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannte
Schraubverbindung für Getriebegehäuse und Kurbelwellengehäuse
dahingehend zu verbessern, daß bei gegebenem Anzugsmoment
der Schraube eine größere Gehäusespannung
erzeugt werden kann, damit die Gehäusebauteile noch fester
aneinandergepreßt werden und eine größere
Reibung am Schraubenkopf möglich ist.
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Vorteile der Erfindung
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Mit
den Maßnahmen der unabhängigen Ansprüche
wird diese Aufgabe gelöst.
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In
den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen Weiterbildungen
und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.
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Es
wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Schraube
zu schaffen, die im Übergangsbereich zwischen Schraubenschaft
und Schraubenkopf einen sich langsam aufweitenden Bereich aufweist,
bevorzugt einen Konusbereich, der dann seinerseits in seinem Übergangsbereich
zum Schraubenkopf im Schraubenkopf selbst eine Ausnehmung bildet,
die umlaufend kreissymmetrisch ausgebildet ist und von ihrem Volumen
her groß genug ist, um Material des Gehäuseteils,
das beim Eindrehen der Schraube und beim Einpressen des Konusbereichs
gegen die Innenwandung des Durchgangslochs in Richtung des Schraubenkopfs
verschoben wird, aufzunehmen. Dieses Material ist meist ein Grat,
der ringförmig am Lochrand besteht und eine Erhebung gegenüber
der Gehäuseoberfläche darstellt.
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Die
radial weiter außen als die Ausnehmung liegenden Auflagebereiche
des Schraubenkopfs liegen dann – keine größeren
Unebenheiten der Oberfläche vorausgesetzt – besser
an der Oberfläche des Randbereichs des Durchgangslochs
an, wodurch sich eine größere Auflagefläche
ergibt, die ihrerseits für mehr Reibung zwischen Kopf und
Gehäuseteil und damit für ein erhöhtes
Losdrehmoment der Schraube sorgt. Da gleichzeitig das hochgeschobene
Material in das Innere der Ausnehmung ausweichen kann, bietet es
weniger Widerstand beim Eindrehen der Schraube, wodurch bei gleichem
Anzugsmoment wie im Stand der Technik eine deutlich größere
Gehäusespan nung zwischen den zu verbindenden Gehäusebauteilen
geschaffen werden kann.
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Zeichnungen
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Anhand
der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung
erläutert.
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1 ist
eine Abbildung aus dem Stand der Technik gemäß der
oben zitierten Patenschrift, die eine Schraube vom Stand der Technik
zeigt, wie sie in Durchgangsloch und Sackloch befindlich steckt
und zwei Gehäusehälften miteinander verbinden
soll, wobei der angedeutete Konusbereich der Schraube für
Dichtigkeit sorgen soll zum Zeitpunkt, kurz bevor die Schraube ganz
eingedreht ist;
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2 zeigt
eine Abbildung gemäß 1, nachdem
die Schraube vollständig eingedreht wurde, zur Veranschaulichung,
daß das durch die Verformung des Lochrandes aufgeworfene
und nach oben gewölbte Material in Form eines Wulstes oder
Grates bestehen bleibt und nicht vom Schraubenkopf beim Eindrehen ausreichend
platt gedrückt werden kann;
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3 zeigt
eine Übersichtsdarstellung für eine Schraube gemäß einem
Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4, 5, 6 und 7 zeigen
verschiedene Varianten der Kontur einer Schraube, wie sie in 3 im Überblick
dargestellt ist; und
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8 zeigt
eine Darstellung gemäß 2 nach dem
vollständigen Eindrehen in das Sackloch, wobei die Figur
der Einfachheit halber auf die rechte Hälfte des Durchgangslochs
reduziert ist.
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Beschreibung von Ausführungsbeispielen
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In
den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche
Komponenten.
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Die
in 3 gezeigte Befestigungsschraube weist im Bereich
ihres Kopfes 30, genauer im gestrichelt gezeichneten Bereich 34 eine
Besonderheit auf, die die im Stand der Technik als nachteilig geschilderten
Effekte beseitigt. Sie ist aus einem Material, das härter
ist als das der zu verbindenden Gehäuseteile. Bevorzugt werden
Stahlschrauben für Aluminiumgussgehäuse.
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Genauer
verläuft der Schaft 4 zunächst zylindrisch
von unten nach oben, mündet dann in einen Konusbereich 2,
wie er im Stand der Technik ebenfalls bekannt ist, und verläuft
dann jedoch nicht nach Art einer Rundung, wie im Stand der Technik,
direkt in den waagerechten Teil des Schraubenkopfes, genauer der Schraubenkopfunterseite,
sondern die Kontur verläuft weiter nach oben in das Material
des Schraubenkopfes hinein, wo sie eine Ausnehmung 36,
quasi eine Hohlkehle bildet, um dann wieder nach unten zurück
verlaufend in den waagerechten Teil des Kopfes auszulaufen. Diese
Ausnehmung 36 ist so groß dimensioniert, daß sie
die Materialaufwerfung 72 aus 2 komplett
aufnimmt. Wie im einleitenden Teil beschrieben, entsteht die Aufwerfung 72 beim
Einpressen des Dichtkonus 2 in das Durchgangsloch des einen
Gehäusebauteils (in der Zeichnung das obere).
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Die
Ausnehmung 36 ist kreissymmetrisch und läuft um
längs des gesamten Umfangs des Schraubenschafts. Sie sollte
also groß genug sein, um das nach oben drängende
Material aufzunehmen. Da die Materialaufwerfung ähnlich
ist wie ein ringförmiger Grat, muß diese umlaufende
Ausnehmung 36 im allgemeinen nicht besonders groß sein
im Vergleich zum Volumen des Schraubenkopfes.
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Als
Beispiel sei eine M8-Schraube genannt, bei der das Durchgangsloch 8 eines
Getriebegehäuseteils 6 beispielsweise einen Durchmesser
von 8,6 mm hat. Ein beispielhafter Wert für die Breite
der Ausnehmung im Bereich der verlängerten Linie der Schraubenkopfauflagefläche
wäre etwa 0,5 mm. Die Höhe sollte großzügig
gewählt werden, damit sie auch einen höheren Grat
aufnehmen kann. Ein beispielhafter Wert liegt bei 0,3 mm. Solange
die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Schraubenkopf
und Schraubenschaft nicht gefährdet ist, kann jedoch die
Höhe dieser Ausnehmung 36 auch durchaus höher
gewählt werden, um einen Sicherheitspuffer zu schaffen.
Auch die Breite der Ausnehmung 36 kann sicherheitshalber
variiert werden, solange ein Rest an Schraubenkopfauflagefläche 9 zur
Verfügung steht, der ausreichend groß ist, um
eine ausreichende Kopfreibung zu gewährleisten. Bei einem
Schraubenkopfdurchmesser von 16 mm und einem Schaftdurchmesser von
8 mm (M8er Schraube) deckt der Konusbereich 2 beispielsweise
auf jeder Seite 2 mm ab. Wenn dann die Ausnehmung eine Breite besitzt
von ebenfalls 2 mm, bleiben als Ringbreite für die Auflagefläche 9 des
Schraubenkopfes immer noch 4 mm. Der Fachmann erkennt, daß je
nach Anforderungen an die Kopfreibung und nach Ausprägung,
also Höhe und Breite des aufgeworfenen Materials, der Materialaufwerfung 72 des
Gehäuseteils, je nach Härteunterschied der Materialien
für Schraube und Gehäuseteil die Breite der umlaufenden
Ausnehmung 36 überlegt eingestellt und mit dem
Durchmesser des Schraubenkopfes abgestimmt werden sollte.
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Da
die erfindungsgemäße Gewindeschraube für
Kurbelwellengehäuse und Getriebegehäuse mit ihrem
Konusbereich 2 die Dichtfunktion ausüben soll,
und überdies aber auch die beiden Gehäuseteile
ausreichend stark aneinander anpressen können muß,
muß ge währleistet sein, daß die erfindungsgemäße
Schraube ausreichend weit in das Durchgangsloch einge dreht werden
kann, damit zwischen dem unteren Gewindebereich im Sackloch des
zweiten Gehäuseteils und dem Schraubenkopf eine mechanische
Spannung aufgebaut werden kann, die groß genug ist, um
die beiden Gehäuseteile miteinander ausreichend stark zu
befestigen. Da gleichzeitig noch die Anforderung erfüllt
sein muß, daß das Losdrehmoment für den
Schraubenkopf groß genug ist, damit er sich nicht von selbst
löst aufgrund von Vibrationen, alterungsbedingten Materialermüdungserscheinungen
und Kalt/Warmvolumenveränderungen, sollte im fest eingedrehten
Zustand sowohl der Konus pressend am Rand des Durchgangsloches anliegen,
und gleichzeitig die Unterseite des Schraubenkopfes in Preßkontakt
mit dem Gehäuseteil stehen. Daher müssen Konuswinkel,
Konusaufweitung, Länge des Konusbereichs, Durchmesser des
Schraubenschaftes, Innendurchmesser des Durchgangsloches 8a (1) aufeinander
abgestimmt dimensioniert sein. Zu diesem Zweck zeigen 4, 5, 6 und 7 einige Variationsmöglichkeiten
für die Ausgestaltung des Übergangsbereichs vom
zylindrischen Schaft in den Konusbereich und in den Ausnehmungsbereich
der Gewindeschraube, für einige verschiedene Ausführungsbeispiele.
Der Öffnungswinkel zwischen beiden Konusflanken (in 4 bis 7 ist
jeweils nur eine Konusflanke eingezeichnet, um die bildlichen Darstellungen
einfach und verständlich zu halten) ist mit α bezeichnet.
In 4 ist α/2 eingezeichnet.
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4 zeigt
einen Öffnungswinkel des Konus von α/2 = 10° oder α =
20°. Bei einem solchen, relativ schlanken Konus 2 ist
beim Eindrehen der Schraube sichergestellt, daß sich die
Gegendichtfläche 11 im Gehäusebauteil
zuverlässig aufbaut. Je geringer die Toleranzen bezüglich
der Koaxialität zwischen Durchgangsloch 8a und
Sackloch 8b sind und je geringer der Unterschied zwischen
dem Durchmesser des zylindrischen Schaftbereichs der Schraube und
dem Innendurchmesser des Durchgangsloches ist, desto kürzer
kann die Länge L des Konusbereichs sein, weil dann relativ
frühzeitig beim Eindrehen der Schraube gewährleistet
ist, daß der Konusbereich 2 den Gehäuserand
nach außen drückt und die Dichtfläche
ausgebildet wird.
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Der
Konusdurchmesser DKo an dessen breitester
Stelle ist ebenfalls eingezeichnet. Er sollte so gewählt
sein, dass er 0,2 mm bis etwa 2 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 1 mm größer
ist als der Durchmesser des Durchgangslochs, wenn Toleranzen im
Durchgangsloch von etwa 0,3 mm vorhanden sind. Die Konuslänge
L ergibt sich dann aus Konusdurchmesser KD und
dem Konuswinkel.
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Die
folgende Tabelle zeigt einige brauchbare Werte, die die oben genannten
Einstellparameter für eine M8er Schraubverbindung im Zusammenhang
aufführt. Sämtliche Längenmaße
sind in mm angegeben, der Winkel in Dezimalgrad.
| S
= ½ × (D1 – D2) [mm] | α Dezimalgrad | DKo [mm] | Bemerkung |
| (8,6 – 8,0)/2
= 0,3 | 40 | 9,2 | |
| (8,6 – 8,0)/2
= 0,3 | 35 | 9,1 | |
| (8,6 – 8,0)/2
= 0,3 | 30 | 9,0 | |
| (8,8 – 8,0)/2
= 0,4 | 40 | 9,1 | Weites
Durchgangsloch |
| (8,5 – 8,0)/2
= 0,25 | 35 | 9,2 | Enges
Durchgangsloch |
| (8,8 – 8,0)/2
= 0,4 | 60 | 9,1 | Weites
Durchgangsloch, großer Winkel |
| (8,5 – 8,0)/2
= 0,25 | 80 | 9,2 | Enges
Durchgangsloch, großer Winkel |
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Parameter:
Spaltbreite
S zwischen Durchgangsloch 8a und zylindrischen Schaftbereich 4 der
Schraube, mit D1 als Durchmesser des Durchgangsloch, D2 als Durchmesser
des zylindrischen Teils des Schraubenschafts: S = (D1 – D2)/2
Konuswinkel α
Konusdurchmesser
DKo
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Bei
einer maximalen radialen Verformung von 0,3 mm (9,2 mm – 8,6
mm)/2), die hier als erstes Beispiel in der obigen Tabelle angenommen
wird, preßt sich der Dichtkonus jeweils noch um ein gewisses
Stück weiter nach unten (im Bild), wenn die Schraube mit
dem Konus das Material des Durchgangslochs verpreßt und
die Dichtfläche bildet. Der Durchmesser DKo sollte
immer groß genug gewählt sein, damit Material
da ist, um den Randbereich des Lochs aufzuweiten, er sollte aber
auch klein genug sein, damit gewährleistet ist, dass der
Schraubenkopf mit seiner Auflagefläche mit der vorgegebenen
Kopfreibung am Gehäuse anliegt, wenn das Durchgangsloch
ausreichend aufgeweitet ist. Größere Konuswinkel
im Bereich zwischen 60° und 90° stellen hierbei
eine größere Toleranz zur Verfügung.
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Wenn
die Dichtfläche auf diese Art und Weise gebildet ist, sollte
der Schraubenkopf mit seinem horizontalen Teil an der Gehäuseoberfläche
anliegen. Wird nun die Schraube nach den Vorschriften fest eingedreht,
so ist gewährleistet, daß einerseits die Dichtfunktion
erfüllt ist und andererseits auch die Spannung auf die
beiden Gehäuseteile sowie das Losdrehmoment groß genug
ist.
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Der
Fachmann sollte bei der Einstellung der oben genannten Parameter
darauf achten, daß, wenn der Konuswinkel relativ groß gewählt
wird, schon bereits ein relativ großer Teil der Gesamtgehäusespannung
beim Eindrehen des Konusbereichs erfolgt, und nur noch ein gewisser
Rest an Gehäusespannung erzeugt wird, wenn der Schraubenkopf
in Kontakt mit der waagerechten Oberfläche des Gehäusebauteils
verpreßt wird. Umgekehrt, bei geringerem Konuswinkel, verschieben
sich diese Anteile zugunsten des Anteils der Gehäusespannung,
die durch das Festdrehen des Schraubenkopfes selbst erfolgt.
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5 zeigt
eine Schraubenkontur mit Konusbereich und Ausnehmung 36,
die etwas in die Länge gezogen ist, also einen relativ
geringen Wert hat für den Konuswinkel α und einen
großen Wert für die Konuslänge, wogegen 6 ein
Beispiel zeigt mit relativ geringer Konuslänge L und relativ
zu 5 bereits deutlich vergrößertem
Konuswinkel. 7 ist ein Beispiel, das diese
Tendenz noch weiter verstärkt.
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8 zeigt,
wie die Schraube in fest eingedrehtem Zustand mit ihrer Ausnehmung 36 die
Materialaufwerfung 72 praktisch vollständig in
sich aufnimmt. Dadurch kommt der Rest des Schraubenkopfes in innigen Kontakt
mit dem waagerechten Teil der Gehäuseoberfläche,
wodurch eine ausreichend gute Gehäusespannung zwischen
den beiden Gehäusebauteilen sowie eine ausreichend große
Kopfreibung erzielt werden kann, wodurch auch ein Losdrehen der
Schraube durch die vorgenannten Gründe wie Vibration, etc.
zuverlässig vermieden werden kann.
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Unter
Berücksichtigung der oben aufgeführten Randbedingungen
kommen folgende Bereiche für den Winkel α bevorzugt
in Frage:
Bereich 1: 20° bis 80°, das heißt α/2
10° bis 40°;
Bevorzugter ist jedoch der Bereich
2 für α zwischen 30° und 60°,
also α/2 zwischen 15° und 30°.
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Die
vorgenannten Überlegungen sind für ein Beispiel
einer M8-Schraubenverbindung gedacht, bei der der Grad an Nichtkoaxialität
zwischen Durchgangsloch und Sackloch relativ gering ist und zwischen
3/100 und 5/100 mm liegt.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt,
sondern auf vielfältige Weise modifizierbar.
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Beispielsweise
kann die Schraubverbindung auch für andere Schraubendurchmesser
(z. B. M6, M10, M12, etc.) verwendet werden.
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Die
Unterseite des Schraubenkopfs kann auch eine scheibenförmige
Gestalt aufweisen, die nicht das Seckseck des Kopfes zeigt.
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Schließlich
können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen
frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen
vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie
unabhängig voneinander sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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