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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verschrauben zweier Metallteile
nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Bei
der Konstruktion eines aus einem Bodenteil und einem Schaftteil
bestehenden, zweiteiligen, geschraubten Kolbens wird häufig
darauf geachtet, dass Boden- und Schaftteil über Bereiche
miteinander verschraubt werden, die elastisch nachgiebig sind und
sich beim Verschrauben der beiden Teile verformen, sodass hierdurch
auf die Schraubverbindung eine Vorspannung ausgeübt wird,
die nicht unerheblich zur Festigkeit der Schraubverbindung beiträgt.
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Aus
der Offenlegungsschrift
DE 10 2005 060 548 A1 ist ein zweiteiliger,
geschraubter Kolben bekannt, dessen Bodenteil auf der dem Kolbenboden abgewandten
Seite einen koaxial zur Kolbenachse angeordneten Bolzen mit Außengewinde
aufweist. Das Schaftteil ist kolbenbodenseitig von einem elastisch
nachgiebigen Deckenbereich begrenzt, der eine mittig liegende Öffnung
aufweist, in die beim Verschrauben von Boden- und Schaftteil der
Bolzen eingeführt wird, bevor auf den Bolzen eine Mutter
geschraubt wird. Hierbei verformt sich der Deckenbereich, sodass
auf die Schraubverbindung zwischen Bolzen und Mutter eine Vorspannung
ausgeübt wird, die die Festigkeit der Schraubverbindung
verbessert.
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Nachteilig
ist hierbei, dass auf die Mutter ein großes Drehmoment
ausgeübt werden muss, um eine Verformung des Deckenbereiches
des Schaftteiles zu bewirken. Da hierbei die Mutter am Deckenbereich
anliegt, muss dieses Drehmoment auch dazu dienen, den bei der Relativbewegung
zwischen Mutter und Deckenbereich entstehenden Reibwiderstand zu überwinden.
Dieser Reibwiderstand ist abhängig von der Beschaffenheit
der Kontaktbereiche, über die die Mutter und der Deckenbereich
aneinander liegen, sodass bei einer ungünstigen Beschaffenheit
der Kontaktbereiche und damit einem zu großen Reibwiderstand
zwischen Mutter und Deckenbereich das bei der Verschraubung des
Kolbens aufzubringende Drehmoment falsch eingeschätzt wird,
sodass sich im Motorbetrieb die Schraubverbindung lösen und
ein Motordefekt bewirkt werden kann.
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Diese
Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden, ist Aufgabe der
Erfindung. Gelöst wird die Aufgabe mit den im Kennzeichen
des Hauptanspruches stehenden Merkmalen. Zweckmäßige
Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Dadurch
dass die miteinander zu verschraubenden Metall- beziehungsweise
Kolbenteile nahe dem Verschraubungselement elastisch nachgiebige Bereiche
aufweisen, die vor dem Verschrauben durch Aufbringen einer Kraft
verformt werden, um nach dem Verschrauben bedingt durch das Verschraubungselement
die Verformung beizubehalten, ist die Betätigung des Verschraubungselementes
mit geringem Drehmomentenaufwand möglich. Darüber hinaus
kann die Verformung der elastisch nachgiebigen Bereiche und damit
die Vorspannung, die auf die Verschraubung einwirkt und der Verschraubung
Festigkeit verleihen soll, durch geeignete Wahl der aufgebrachten
Kraft genau vorherbestimmt werden. Ferner verändert sich
die lagerseitig zugeordnete Position der beiden Teile während
des Verschraubens nicht, da kein Drehmoment aufgebracht werden muss.
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Einige
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im Folgenden
anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen
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1 zwei
plattenförmige Metallteile, die miteinander verschraubt
werden sollen und bis auf einen Bereich nahe einer Sechskantschraube,
wo sie einen Abstand voneinander aufweisen, aneinander anliegen,
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2 die
beiden Metallteile, nachdem im Bereich der Sechskantschraube von
einer Hydraulikvorrichtung auf eines der Metallteile ein Druck ausgeübt
und dieses Metallteil so weit verformt wurde, dass beide Metallteile
auch im Bereich der Sechskantschraube aneinander anliegen, wonach
die beiden Metallteile miteinander verschraubt wurden,
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3 einen
zweitteiligen, aus einem Bodenteil und einem Schaftteil bestehenden
Kolben, wobei das Schaftteil nahe einem Verschraubungselement einen
elastisch verformbaren Bereich aufweist, der vor dem Verschrauben
der beiden Kolbenteile verformt wird,
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4 einen
zweitteiligen, aus einem Bodenteil und einem Schaftteil bestehenden
Kolben, wobei das Bodenteil nahe einem Verschraubungselement einen
elastisch verformbaren Bereich aufweist, der vor dem Verschrauben
der beiden Kolbenteile verformt wird, und
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5 einen
zweitteiligen, aus einem Bodenteil und einem Schaftteil bestehenden
Kolben, wobei das Schaftteil und das Bodenteile nahe einem Verschraubungselement
je einen elastisch verformbaren Bereich aufweisen, die vor dem Verschrauben
der beiden Kolbenteile verformt werden.
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1 zeigt
zwei plattenförmige Metallteile 1 und 2 mit
unterschiedlichen Wandstärken, die aneinander anliegen,
wobei das Metallteil 1 mit der geringeren Wandstärke
im Bereich eines als Sechskantschraube 3 ausgebildeten
Verschraubungselementes 4 eine Aufbauchung 5 aufweist
und in diesem Bereich elastisch verformbar ist. Die Sechskantschraube 3 ist
durch in den beiden Metallteilen 1, 2 im Bereich
der Aufbauchung 5 eingebrachte Bohrungen 6 und 7 geführt.
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Ein
rohrförmiger Druckstempel 9 liegt den Kopf 8 der
Sechskantschraube 3 umgebend derart im Bereich der Aufbauchung 5 auf
dem Metallteil 1 an, dass zwischen dem Kopf 8 der
Sechskantschraube 3 und der Innenwand des Druckstempels 9 ausreichend
Platz für einen auf den Schraubenkopf 8 passenden
und in der Figur nicht dargestellten Steckschlüssel bleibt.
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Das
Metallteil 2 liegt auf einer Auflage 10, deren
Oberseite beidseitig der Aufbauchung 5 des Metallteiles 1 mit
je einer Hydraulikvorrichtung 11 und 12 verbunden
ist, die auf der der Auflage 10 abgewandten Seite mit einem
Balkenelement 13 verbunden sind. Das Balkenelement 13 steht
in Verbindung mit dem Druckstempel 9 und weist innerhalb
des Kontaktbereiches zwischen Balkenelement 13 und Druckstempel 9 eine
Bohrung 14 auf, deren Durchmesser gleich dem Innendurchmesser
des Druckstempels 9 ist.
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Wird Öl
unter Druck in Öffnungen 15 und 16 der
Hydraulikvorrichtungen 11 und 12 eingeleitet, werden
die darin angeordneten Kolben 17, 18 in Richtung
der Pfeile 19, 20 in Bewegung gesetzt, was bewirkt,
dass auf den Druckstempel 9 und damit auf das Metallteil 1 im
Bereich der Aufbauchung 5 eine Kraft in Richtung der Pfeile 21 und 22 ausgeübt
wird.
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Wie
in 2 dargestellt ist, gelangt damit das Metallteil 1 auch
im Bereich der Sechskantschraube 3 in Anlage an das Metallteil 2.
Um die beiden Metallteile 1, 2 miteinander zu
verschrauben, wird in diesem Verformungszustand des Metallteiles 1 auf
den Gewindebolzen 23 der Sechskantschraube 3 eine
Mutter 24 geschraubt. Danach wird der Druck des in den
Hydraulikvorrichtungen 11, 12 befindlichen Öls
soweit reduziert, dass das Balkenelement 13 und damit auch
der Druckstempel 9 von den Metallteilen 1, 2 abgehoben
und die nun unter Vorspannung miteinander verschraubten Metallteile 1, 2 von der
Auflage 10 genommen werden können.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Art, Metallteile
miteinander zu verschrauben, von denen mindestens ein Metallteil
elastisch verformbar ist und vor dem Verschrauben durch Aufbringen
einer äußeren Last elastisch verformt wird, besteht
darin, dass hierbei das Verschrauben der Metallteile mit sehr viel geringerem
Drehmomentaufwand möglich ist, als wenn das elastisch verformbare
Metallteil durch die beim Verschrauben entstehende Schraubenkraft
verformt werden muss. Außerdem verursacht das elastische
verformbare Metallteil auf die Schraubverbindung eine Vorspannung,
die eine erheblichen Verbesserung der Festigkeit der Schraubverbindung
bewirkt.
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In 3 ist
ein aus einem Schaftteil 25 und einem Bodenteil 26 bestehender
Kolben 27 für einen Verbrennungsmotor dargestellt,
der aus Stahl, Grauguss oder aus Leichtmetall bestehen kann. Das
Bodenteil 26 weist auf seiner kolbenbodenabgewandten Seite
einen koaxial zur Kolbenachse 30 und mittig angebrachten
Gewindebolzen 28 auf. Mittels eines als Hülse 29 ausgebildeten
Verschraubungselementes 4', die ein auf das Gewinde des
Gewindebolzens 28 passendes Innengewinde aufweist, sind
das Bodenteil 26 und das Schaftteil 25 miteinander
verbunden.
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Hierbei
weist der Kolben 27 in radialer Richtung betrachtet innerhalb
der Nabenabstützung 25', wo das Schaftteil 25 und
das Bodenteil 26 aneinander anliegen, einen Kühlölraum 31 auf,
der einerseits vom Kolbenboden 32 und schaftseitig von
einem elastisch nachgiebigen Wandbereich 33 des Schaftteiles 25 begrenzt
wird, der radial innen in eine koaxial zur Kolbenachse 30 liegende,
mittig angeordnete, röhrenförmige und in Richtung
des Kolbenbodens ausgerichtete Anformung 34 ausläuft.
Die Anformung 34 weist eine mittig liegende Bohrung 35 auf,
deren Durchmesser größer ist, als derjenige des
Gewindebolzens 28, und die einen nach radial innen gerichteten
Kragen 36 aufweist, der schaftseitig mit einer ringförmigen
Auflagefläche 37 versehen ist, an der die Hülse 29 anliegt.
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Um
Schaft- und Bodenteil 25, 26 des Kolbens 27 miteinander
zu verschrauben, werden Schaft- und Bodenteil 25, 26 aufeinander
gelegt und dabei der Gewindebolzen 28 durch die Bohrung 35 geführt.
Um auf leichtgängige Weise eine feste Schraubverbindung
zwischen dem Schaftteil 25 und dem Bodenteil 26 des
Kolbens 27 zu erhalten, wird das Bodenteil 26 auf
eine der Form der Brennkammer 38 des Bodenteils 36 angepasste
Auflage 10' gelegt, wonach mit Hilfe eines röhrenförmigen
Druckstempels 9' insoweit Druck in Richtung der Pfeile 40 und 40' auf
den Wandbereich 33 des Schaftteils 25 ausgeübt
wird, dass sich der Wandbereich 33 in Richtung Kolbenboden 32 verformt.
Mit Hilfe eines speziellen Schraubelementes 39, das auf
seiner dem Verschraubungselement 4' zugewandten Seite Bolzen 39' aufweist,
die in hierzu komplementär geformte Vertiefungen auf der
Schaftseite der Hülse 29 passen, wird die Hülse 29 so
weit auf den Gewindebolzen 28 geschraubt, bis deren kolbenbodenseitige Stirnseite
in Anlage an die schaftseitige Auflagefläche 37 des
Kragens 36 der Anformung 34 gelangt, ohne hierbei
ein größeres Drehmoment auf die Hülse 29 auszuüben.
Anschließend werden das Schraubelement 39 aus
der Hülse 29 und der Druckstempel 9' aus
dem Kolben gezogen, sodass die im Wandbereich 33 vom Druckstempel 9' bewirkte
Verformung erhalten bleibt und über die Auflagefläche 37 des Kragens 36 eine
Vorspannung auf die mit dem Gewindebolzen 28 verschraubte
Hülse 29 ausübt, die dieser Schraubverbindung
eine große Festigkeit verleiht.
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In 4 ist
ein aus einem Bodenteil 41 und einem Schaftteil 42 bestehender,
geschraubter Kolben 43 dargestellt, der aus Stahl, Grauguss
oder aus Leichtmetall be stehen kann, wobei das Bodenteil 41 nahe
einem Verschraubungselement 4'' einen elastisch verformbaren
Bodenbereich 44 aufweist. Über eine Nabenabstützung 45 liegen
das Bodenteil 41 und das Schaftteil 42 aneinander
an. In radialer Richtung betrachtet weist der Kolben 43 innerhalb
der Nabenabstützung 45 einen zur Kolbenachse 46 koaxial angeordneten,
inneren Kühlraum 47 auf, der kolbenbodenseitig
vom verformbaren Bodenbereich 44 und schaftseitig vom kolbenbodenseitigen
Deckenbereich 48 des Schaftteils 42 begrenzt wird.
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Mittig
weist der Deckenbereich 48 eine koaxial zur Kolbenachse 46 liegende
Durchgangsbohrung 49 auf. Schaftseitig ist in den Bodenbereich 44 eine
koaxial zur Kolbenachse 46 angeordnete Sacklochbohrung 50 mit
Innengewinde eingebracht. Mittels eines als Sechskantschraube 51 ausgebildeten Verschraubungselementes 4'',
das durch die Durchgangsbohrung 49 hindurchführbar
und in die Sacklochbohrung 50 einschraubbar ist, sind das
Bodenteil 41 und das Schaftteil 42 des Kolbens 43 miteinander verschraubbar.
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Um
das Bodenteil 41 mit dem Schaftteil 42 miteinander
zu verschrauben, werden das Bodenteil 41 und das Schaftteil 42 wie
in 4 dargestellt zusammengefügt und beide
Teile über die Bolzennabe 70 auf die Auflage 10 gelegt.
Anschließend wird mittels eines Balkenelements 13',
das, wie es in den 1 und 2 dargestellt
ist, über in 4 nicht dargestellte Hydraulikvorrichtungen
mit der Auflage 10 verbunden ist, über einen Druckstempel 53 ein Druck
in Richtung der Pfeile 52, 52' auf den Bodenbereich 44 des
Bodenteils 41 insoweit ausgeübt, dass hierdurch
der Bodenbereich 44 in Richtung Deckenbereich 48 verformt
wird. Während der Druck aufrechterhalten bleibt, wird die
Sechskantschraube 51 durch eine Öffnung 54 in
der Auflage 10 und durch die Durchgangsbohrung 49 im
Deckenbereich 48 des Schaftteils 42 geführt
und in die Sacklochbohrung 50 eingeschraubt, ohne hierbei
auf die Sechskantschraube 51 ein allzu großes
Drehmoment auszuüben. Im Anschluss daran wird der auf den
Bodenbereich 44 ausgeübte Druck reduziert und
das Balkenelement 13' und der Druckstempel 53 vom
Bodenteil 41 abgehoben, sodass der Kolben 43 von
der Auflage 10 genommen werden kann. Die von der Druckausübung
bewirkte Verformung des Bodenbereiches 44 des Bodenteils 41 bleibt
hierbei erhalten und übt auf die Schraubverbindung zwischen
Bodenteil 41 und Schaftteil 42 eine Vorspannung
aus, die dieser Schraubverbindung eine große Festigkeit
verleiht.
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5 zeigt
einen aus einem Bodenteil 55 und einem Schaftteil 56 bestehenden,
zweiteiligen, verschraubten Kolben 57, der aus Stahl, Grauguss oder
aus Leichtmetall bestehen kann, bei dem sowohl das Bodenteil 55 einen
elastisch nachgiebigen Bodenbereich 58 als auch das Schaftteil 56 einen elastisch
nachgiebigen Deckenbereich 59 aufweisen. Im Bereich der
Nabenabstützung 60 liegen das Bodenteil 55 und
das Schaftteil 56 aneinander an. In radialer Richtung betrachtet
weist der Kolben 57 innerhalb der Nabenabstützung 60 einen
koaxial zur Kolbenachse 62 angeordneten Kühlraum 61 auf,
der kolbenbodenseitig vom Bodenbereich 58 und schaftseitig
vom Deckenbereich 59 begrenzt wird.
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Mittig
und koaxial zur Kolbenachse 62 ist in den Deckenbereich 59 des
Schaftteils 56 eine Durchgangsbohrung 63 mit Innengewinde
eingebracht. Der Bodenbereich 58 des Bodenteils 55 weist
mittig und koaxial zur Kolbenachse 62 eine Durchgangsbohrung 64 auf,
die schaftseitig mit einem nach radial innen gerichteten Kragen 65 versehen
ist, der kolbenbodenseitig eine ringförmige Auflagefläche 66 aufweist.
Mittels eines als Innensechskantschraube 67 ausgebildeten
Verschraubungselementes 4''', dessen Außengewinde
in das Innengewinde der Durchgangsbohrung 63 passt, und
das kolbenbodenseitig eine pilzförmige Anformung 68 aufweist,
sind das Bodenteil 55 und das Schaftteil 56 miteinander
verschraubbar, wobei die Anformung 68 schaftseitig eine
ringförmige Auflagefläche 69 aufweist,
die hierbei auf der Auflagefläche 66 des Kragens 65 zur
Anlage gelangt.
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Verschraubt
werden das Bodenteil 55 und das Schaftteil 56 des
Kolbens 57 miteinander, indem zunächst das Bodenteil 55 und
das Schaftteil 56 wie in 5 dargestellt
zusammengefügt und so auf die Auflage 10 gelegt
werden, dass der Kolbenboden 71 hierauf zur Anlage gelangt.
Anschließend wird in die kolbenbodenabgewandte Seite des
Schaftteils 56 ein rohrförmiger Druckstempel 9'' eingeführt
und auf der kolbenbodenabgewandten Seite des elastisch nachgiebigen
Deckenbereiches 59 des Schaftteils 56 zur Anlage
gebracht. Mit dem Druckstempel 9'' wird ein oberes Balkenelement 72 verbunden.
Anschließend wird ein mit einem unteren Balkenele ment 73 verbundener,
rohrförmiger Druckstempel 9'' so durch die Öffnung 54 der
Auflage 10 geführt, dass die obere Stirnseite
des Druckstempels 9'' im Bereich des Brennraumes 79 auf
dem Kolbenboden 71 und damit auf dem elastisch nachgiebigen
Bodenbereich 58 zur Anlage gelangt.
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Entsprechend
den 1 und 2 werden das obere und das untere
Balkenelement 72 und 73 über in 5 nicht
dargestellte Hydraulikvorrichtungen verbunden, die bewirken, dass
auf das obere und auf das untere Balkenelement 72 und 73 Druck in
Richtung der Pfeile 74, 74' und 75, 75' ausgeübt wird. Über
die Druckstempel 9'' und 9''' wird dieser Druck
auf den Bodenbereich 58 und auf den Deckenbereich 59 weitergeleitet,
sodass sich diese beiden Bereiche 58, 59 verformen
und dabei aufeinander zu bewegen. Über eine mittige Öffnung 76 im
unteren Balkenelement 73 wird die Innensechskantschraube 67 durch
die Durchgangsbohrung 64 im Bodenbereich 58 geführt
und mittels eines in die Innensechskantöffnung 77 eingeführten
Sechskantschlüssels 78 in der Durchgangsbohrung 63 mit
Innengewinde festgeschraubt, ohne hierbei auf die Innensechskantschraube 67 ein
allzu großes Drehmoment auszuüben. Anschließend
wird der auf die Balkenelemente 72 und 73 ausgeübte
Druck reduziert, wird der Sechskantschlüssel 78 aus
der Innensechskantöffnung 77 und aus dem Druckstempel 9'' gezogen, werden
die Druckstempel 9'' und 9''' aus dem Kolben 57 entfernt,
und wird der Kolben 57 von der Auflage 10 genommen.
Bewirkt von der Innensechskantschraube 67 bleiben hierbei
die im Bodenbereich 58 und im Deckenbereich 59 erzeugten
Verformungen erhalten, wodurch auf die Schraubverbindung zwischen
Bodenteil 55 und Schaftteil 56 eine Vorspannung
ausgeübt wird, die dieser Schraubverbindung eine große
Festigkeit verleiht.
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- 1,
2
- Metallteil
- 2
- Bereich
- 3
- Sechskantschraube
- 4,
4', 4'', 4'''
- Verschraubungselement
- 5
- Aufbauchung,
Bereich
- 6,
7
- Bohrung
- 8
- Kopf
der Sechskantschraube 3, Schraubenkopf
- 9,
9', 9'', 9'''
- Druckstempel
- 10,
10'
- Auflage
- 11,
12
- Hydraulikvorrichtung
- 13,
13'
- Balkenelement
- 14
- Bohrung
- 15
- Öffnung
im Hydraulikelement 11
- 16
- Öffnung
im Hydraulikelement 12
- 17
- Kolben
des Hydraulikelementes 11
- 18
- Kolben
des Hydraulikelementes 12
- 19,
20, 21, 22
- Pfeil
- 23
- Gewindebolzen
- 24
- Mutter
- 25
- Schaftteil,
Metallteil
- 25'
- Nabenabstützung
- 26
- Bodenteil,
Metallteil
- 27
- Kolben
- 28
- Gewindebolzen
- 29
- Hülse
- 30
- Kolbenachse
- 31
- Kühlölraum
- 32
- Kolbenboden,
Bereich
- 33
- Wandbereich,
Bereich
- 34
- Anformung
- 35
- Bohrung
- 36
- Kragen
- 37
- Auflagefläche
- 38
- Brennkammer
- 39
- Schraubelement
- 39'
- Bolzen
- 40,
40'
- Pfeil
- 41
- Bodenteil,
Metallteil
- 42
- Schaftteil,
Metallteil
- 43
- Kolben
- 44
- Bodenbereich,
Bereich
- 45
- Nabenabstützung
- 46
- Kolbenachse
- 47
- Kühlraum
- 48
- Deckenbereich,
Bereich
- 49
- Durchgangsbohrung
- 50
- Sacklochbohrung
- 51
- Sechskantschraube
- 52,
52'
- Pfeil
- 53
- Druckstempel
- 54
- Öffnung
- 55
- Bodenteil,
Metallteil
- 56
- Schaftteil,
Metallteil
- 57
- Kolben
- 58
- Bodenbereich,
Bereich
- 59
- Deckenbereich,
Bereich
- 60
- Nabenabstützung
- 61
- Kühlraum
- 62
- Kolbenachse
- 63,
64
- Durchgangsbohrung
- 65
- Kragen
- 66
- Auflagefläche
- 67
- Innensechskantschraube
- 68
- Anformung
- 69
- Auflagefläche
- 70
- Bolzennabe
- 71
- Kolbenboden
- 72
- oberes
Balkenelement
- 73
- unteres
Balkenelement
- 74,
74', 75, 75'
- Pfeil
- 76
- Öffnung
- 77
- Innensechskantöffnung
- 78
- Sechskantschlüssel
- 79
- Brennraum
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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A1 [0003]