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DE3430914A1 - Vorrichtung und verfahren zum reduzieren von einbaukraeften beim einbau konischer bolzen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum reduzieren von einbaukraeften beim einbau konischer bolzen

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Publication number
DE3430914A1
DE3430914A1 DE19843430914 DE3430914A DE3430914A1 DE 3430914 A1 DE3430914 A1 DE 3430914A1 DE 19843430914 DE19843430914 DE 19843430914 DE 3430914 A DE3430914 A DE 3430914A DE 3430914 A1 DE3430914 A1 DE 3430914A1
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DE
Germany
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conical
bore
bolt
cone
screw bolt
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Application number
DE19843430914
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English (en)
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Inventor
Larry Rancho Palos Verdes Calif. Salter
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Individual
Original Assignee
Individual
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    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
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    • F16B2200/50—Flanged connections
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Description

Rancho Palos Verdes, Calif. 90274 / USA
und
Paul R. BRILES 454 West Fairview, Inglewood, Calif. 90320 / USA
"Vorrichtung und Verfahren zum Reduzieren von Einbaukräften beim Einbau konischer Bolzen"
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Reduzieren von Einbaukräften beim Einbau konischer Bolzen in einer Schichtanordnung gleichen oder ungleichen Materials oder Kompositmaterials, mit einer konischen Bohrung und einem konischen Bolzen/ insbesondere bezieht sie sich auf Vorrichtungen, allgemein bekannt als Hülsenbefestigungssystem und als Bolzenbefestigungssystem zum Befestigen relativ dünner Lagen oder Schichten gleichen oder verschiedenen Metalls oder auch Nicht-Metalls miteinander bekannt sind.
Aus dem Stand der Technik ist der Gebrauch einer konischen Bohrung mit einem konischen Schraubenbolzen zum Vorspannen einer Befestigung in einer geschichteten Anordnung von Material bekannt und in dem US-Patent 32 70 410 von Salter, bekanntgemacht am 6.September 1966, beschrieben. Dieser bekannte Stand der Technik ist allgemein als Konusschraubenbolzenpatent bekannt und offenbart die Anwendungstechnik bei einer geschichteten Anordnung unterschiedlicher
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Metallagen/wobei ein Schraubenbolzen verwendet wird, der den gleichen Konus aufweist wie die konische Bohrung in dieser Schichtanordnung. Das Patent beschreibt eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Vorspannen der konischen Bohrung,um eine gleichmäßigere Befestigung der Materialschichten zu erreichen.
Die in diesem Salter-Patent offenbarte Technik ist bekannt und heute in Gebrauch, um einen Freßpassitz zwischen einem konischen Schraubenbolzen und einer konischen Bohrung zu erzielen, in welchem der konische Schraubenbolzen den gleichen Konus besitzt wie die Bohrung.
Es wurden auch bereits verschiedene Verbesserungen der Befestigung vorgeschlagen, wie beispielsweise in US-PS 4 048 898 von Salter. In diesem Patent wurde das Einsetzen der Befestigungsvorrichtung in die geschichtete Anordnung dadurch vereinfacht, daß eine Hülse hergestellt wird, die einen äußeren konstanten Durchmesser hat und eine innere Konusbphrung aufweist, welche so ausgelegt ist, daß sie der konischen Ausbildung eines Schraubenbolzens entspricht, der in die konische Hülse eingesetzt wird. Die Installation der Befestigung wurde dadurch vereinfacht, daß lediglich eine Bohrung mit einem vorgegebenen konstanten Durchmesser in die geschichtete Anordnung gebohrt wurde, und daß die komplette Anordnung der Hülse und des Bolzens in die geschichtete Anordnung eingesetzt wurde, wobei der konische Bolzen, der die Vorspannung in der konischen Bohrung durch Ausdehnung der Hülse bewirkt, dies dann herbeiführt, wenn
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er in seiner Endposition befestigt ist.
Die Montage wurde dadurch wesentlich präziser, da die Hülse und der Bolzen mit genauen Toleranzen mit entsprechenden Herstelltoleranzen fabrikseitig hergestellt werden konnten, während die Endinstallation der vollständigen Anordnung draußen in der Praxis in die geschichtete Anordnung lediglich das Bohren eines geraden Loches erfoderte. Dieses Konzept vermied das Erfordernis, im Montagebetrieb ein konisches Loch zu bohren, was zugestandenermaßen teuer,schwierig,zeitraubend und wenig produktiv ist. Dieses Patent ist ebenfalls weitverbreitet und in der mechanischen Praxis allgemein als Hülsebolzenpatent bekannt.
Es gibt im Stand der Technik noch weitere Befestigungsvorrichtungen, die von einer konischen Bohrung und einem konischen Schraubenbolzen Gebrauch machen; hier seien lediglich die US-Patente 2 525 117 von Campbell, 3 034 611 von Zenzic und 3 271 058 von Anderson genannt. Bei all diesem Stand der Technik, der eine konische Bohrung und einen konischen Schraubenbolzen verwendet, sah das Konzept stets eine konstante Konusausführung vor, um eine vorgeschriebene Wechselwirkung zu erzielen, die über die gesamte Länge des Schraubenbolzens vom größten Durchmesser bis hin zum kleinsten Durchmesser konstant bleibt. Mit anderen Worten, der Stand der Technik sah die Verwendung einer konischen Bohrung vor, die mit einem konischen Schraubenbolzen zusammenwirkte, bei der der konische Schraubenbolzen den gleichen Konus besaß wie die konische Bohrung. Das Konzept der Verwendung eines
vorgegebenen Konusverhältnisses, gemessen in inches, ohne den Durchmesser zu berücksichtigen,ergibt eine vorgegebene Wechselwirkung zwischen der konischen Bohrung und dem konischen Schraubenbolzen ohne Berücksichtigung der Materialelastizität bzw. des Zurückschnellens des Materials.
Die Installation des konischen Schraubenbolzens erfordert Einbaukräfte, welche die Wechselwirkung zwischen dem gesamten Schaft des konischen Schraubenbolzens und der gesamten Oberfläche der konischen Bohrung, welche sich in direktem Kontakt befinden, überwinden müssen. Bei einem gegebenen Bolzendurchmesser wird die Einbaukraft durch das verwendete Befestigungsverfahren, wie beispielsweise der Schraubverbindung an dem unteren Abschnitt des Schraubenbolzens bestimmt und begrenzt. Der Grenzfaktor wird von dem Durchmesser des verwendeten Schraubenbolzens bestimmt. Dies begrenzt die Wechselwirkung zwischen dem konischen Schraubenbolzen und der konischen Bohrung auf einen Minimumwert von ca. 0,001 lOOOstel Übermaß , was eine nominale Ausbildung ist, wenn ein Übermaß zwischen 0,008 - 0,01 inches verwendet werden sollte. Mit anderen Worten, abhängig von dem Durchmesser in einer inch per inch Durchmeseerbohrung verhindert eine exzessive Einbaukraft die Verteilung variabler Überlagerungsausmaße an speziellen Punkten, und gefährdet somit das Befestigungsmittel, das für die Mehrfachmetallschichtung verwendet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile
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zu beheben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Einbaukräfte bei der Verwendung einer konischen Bohrung und eines konischen Schraubenbolzens in einer geschichteten Anordnung reduziert werden, unabhängig davon, ob ein Hülsenbolzensystem oder ein Konus-Verriegelungssystem vorliegt.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird die Einbaukraft dadurch reduziert, daß an dem Schraubenbolzen ein Konus verwendet wird, der unterschiedlich ist von dem Konus der Bohrung in der geschichteten Anordnung. Da somit der Kontakt zwischen dem konischen Schraubenbolzen und der konischen Bohrung nur entlang eines vorgegebenen Durchmessers stattfindet und nicht entlang der vollständigen Oberfläche der Bohrung, sind die Einbaukräfte geringer und es ist daher möglich, eine größere Überlagerungspassung zu erzielen wobei der Auflagerkontakt annähert 100 % beim Einbau zwischen dem konischen Bolzen und der konischen Bohrung trägt, ohne daß höhere Einbaukräfte verwendet werden, wie z.B. beim Stand der Technik beschrieben.
Die Vorteile werden bei der vorliegenden Erfindung dadurch erzielt, daß eine zusätzliche expansive Kraft auf die konische Bohrung aufgebracht wird, was geringere Einbaukräfte erfordert, als wenn versucht wird, eine expansive Kraft entlang des gesamten Schafts des Schraubenbolzens in der Auflagerung mit der konischen Bohrung aufzubringen.
In der Anwendung des in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Verfahrens wird eine konische Bohrung durch Materiallagen hindurchgebohrt, welche miteinander befestigt werden sollen. In dem bevorzugten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei den Lagen üblicherweise um eine mehrfach geschichtete Anordnung verschiedener Metallschichten, beispielsweise als Aluminium und Titanium oder Nicht-Metallen,wie beispielsweise Komposite.
Auf die Materiallagen oder Lamellen wird eine zusätzliche Kraft im wesentlichen durch die gesamte Tiefe der Bohrung
aufgebracht, bis eine dauerhafte Verformung der konischen Bohrung stattgefunden hat. In dieser neuen Erfindung wird die Deformation dadurch erzielt, daß ein konischer Bolzen einen Konus aufweist, der unterschiedlich ist zu dem Knous der Bohrung in dieser geschichteten Anordnung. Praktisch ist in der neuen Erfindung der Konus generell größer oder kleiner als der Konus in der konischen Bohrung in der geschichteten Anordnung.
Ein konischer Bolzen oder Stift mit einer konischen Ausbildung die größer ist als die konische Bohrung wird verwendet, wenn immer es wünschenswert ist, die Ausdehung des größten Durchmessers der konischen Bohrung in der geschichteten Anordnung zu vergrößern.
Ein konischer Bolzen oder Stift mit einer konischen Ausbildung, die geringer ist als der Konus der konischen Bohrung wird stets dann verwendet, wenn es wünschenswert ist, die Ausdehung des geringsten Durchmessers der konischen Bohrung in der geschichteten Anordnung zu ver-
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grossern.
Der konische Bolzen oder Stift wird in die konische Bohrung eingesetzt,um eine Press-Passung zwischen dem Bolzen und der Bohrung herbeizuführen, damit wahlweise die Materiallagen entlang des gewünschten Punkts in dem Loch in der geschichteten Anordnung vorgespannt werden. Auch kann dieser Unterschied im Konus aufgebracht werden, um ein sehr hohes Maß an Tragfläche über die gesamte Länge der Bohrung zu erzielen, wobei kostspieliges Bohrlochpräparieren entfällt.
Weitere Vorteile und Ziele der Erfindung gehen im übrigen aus der Beschreibung hervor.
Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 einen vertikalen Längsschnitt durch zwei miteinander zu befestigende Lagen unterschiedlichen Materials mit einer darin ausgeführten konischen Bohrung,
Figur 2 eine Darstellung mit in der konischen Bohrung aus Figur 1 teilweise eingesetztem konischen Schraubenbolzen,
Figur 3 eine zylindrische Bohrung durch zwei miteinander zu befestigende/unterschiedliche Lagen,
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Figur 4 eine Kombination aus konischer Hülse und konischem Schraubenbolzen, welche Kombination in die zylindrische Bohrung in Figur 1 einsetzbar ist,
Figur 5 eine Darstellung der Komibination Hülse-Schraubenbolzen, eingesetzt in die zylindrische Bohrung in Figur 3,
Figur 6 einen Schraubenbolzen mit einem Konus/ der größer ist als der Konus der Bohrung,
Figur 7 einen Schraubenbolzen mit einem Konus, der geringer ist als derjenige der Bohrung,
Figur 8 eine Darstellung einer Kombination konischer Schraubenbolzen - konische Hülse, wobei der Konus des Schraubenbolzens größer ist als derjenige der Hülse, und
Figur 9 eine Darstellung einer Kombination konischer Schraubenbolzen - konische Hülse, wobei der Konus des Bolzens geringer ist als derjenige der Hülse.
Auf dem Gebiet der Befestigungstechnik mehrerer Metallschichten in ermüdungskritischen Flugzeugstrukturen verwendet die Industrie üblicherweise Befestigungen des Typs, wie sie als Konusbolzen-Befestigung oder Hülsen-Bolzen-Befestigung in Verbindung mit dem oben bezeichneten US-PS 32 70 410 und 4 048 898 von SALTER beschrieben worden sind.
Die Konusbolzen-Befestigung verwendet eine konische Bohrung in einer geschichteten Anordnung bestehend aus einer Vielzahl von Materiallagen zusammen mit einem konischen Bolzen, der den gleichen Konus hat wie die konische Bohrung. In der Hülsen-Bolzen-Installation wird eine zylindrische Bohrung in die geschichtete Anordnung einer Vielzahl von Materiallagen hineingebohrt, wobei ein kombinierter Hülsen -Bolzen mit einer zylindrisch geradlinigen äußeren Abmessung und einer inneren konischen Abmessung verwendet wird, welche innere konische Abmessung mit einem konischen Bolzen zusammenwirkt, und die gesamte Kombination in die zylindrische Bohrung eingesetzt und zusammengebaut wird.
Beide erwähnten Verfahren sind auf dem Gebiet der Befestigungstechnik weit verbreitet und sind auf die Tatsache begründet, daß eine Presspassung (Interferrenzpassung) zwischen dem konischen Stift und der diesen aufnehmenden Bohrung hergestellt wird, unabhängig davon, ob es sich dabei um eine Hülse oder eine konische Bohrung handelt.
Der Begriff "Interferrenz" wurde gewählt, um deutlich zu machen, daß die Hülse oder die Bohrung zu einem Außendurchmesser ausgedehnt wurde, der größer ist als der ursprüngliche Durchmesser der Bohrung oder des Lochs, wobei das Loch seitlich nach außen gedrängt wird um den Schraubenbolzen in dem Loch zu verankern. Der Begriff "Interferren2passung" (Presspassung) wird üblicherweise bei Bolzen,Nuten und anderen Bauanordnungen gebraucht, wo
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vergleichbare Aktionen stattfinden.
Die erforderlichen Kräfte zum Einsetzen des konischen Schraubenbolzens, gleichgültig ob in eine konische Bohrung oder in die konische Hülse, ist eine Funktion des inch-pro-Durchmesserinch- Übermaß, das zwischen der konischen Bohrung und dem konischen Bolzen existiert.
Die Einbaukräfte, die im Hinblick auf die gewünschte Übermaßpassung erforderlich sind, die Reibung zwischen dem konischen Bolzen und der Bohrung zu überwinden, sind durch den Durchmesser des Bolzens und die Klemmmittel begrenzt, welche letzteren am Endabschnitt des Bolzens angeordnet sind, und auf welche eingewirkt wird, damit durch die Klemmvorrichtung der Bolzen in seine Sitzposition hineingezogen wird.
Die üblicherweise in der Schichtung einer Luftfahrzeugstruktur verwendeten Metalle enthalten oft Titan und Aluminium wie auch Komposite unterschiedlicher Dicke, und die unterschiedliche erforderliche Interferrenz zur Entwicklung der notwendigen Radialkräfte für einen vorgespannten Zustand zum Bereitstellen einer ordnungsgemäßen Befestigung des Materials ist oft nicht erzielbar wegen der hohen aufgebrachten Installationskräfte, wodurch ein wenig zufriedenstellender vorgespannter Zustand des Bolzens, des Stifts,der Niete oder des Befestigungssystems resultiert.
Ein einfaches Erhöhen des Übermaßes, um den vorgespannten Zustand herbeizuführen, löst das Problem nicht, da die
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Klemmittel der Befestigung während des Einbaus wegen der erforderlichen hohen Kräfte zu Bruch gehen würden. Dieses Problem wurde als Grund für Ermüdungsbrüche von vielen anscheinend ordnungsgemäß vorgespannten Befestigungen diagnostiziert, als bei einer Analyse erkannt wurde, daß die vorschriftsmäßige radiale Spannung für eine richtige Vorspannung der Befestigung nicht erzeugt oder richtig verteilt worden war, weshalb Ermüdungs- oder Spannungskorrosionsbrüche der Verbindung entstanden, die andererseits eine ordnungsgemäße Verbindung zu sein schienen.
Die vorliegende Erfindung betrifft hauptsächlich das Reduzieren der Einbaukräfte bei einer Hülsen-Bolzen-oder Konus-Bolzen-Befestigung sowie das Erzielen eines höheren Maßes an Auflagerkontakt zwischen dem Befestigungsbolzen und dem Loch während der Herstellung, wodurch eine geringere Einbauzeit erzielt wird.
In Figur 1 sind zwei miteinander zu befestigende übereinanderliegenden Lagen oder Materialplatten 10 und 12 dargestellt. Durch die Lagen 10 und 12 ist eine konische Bohrung 14 gebohrt; das Ende der konischen Bohrung 14 mit dem größeren Durchmesser ist mit der Bezugsziffer 16, daß mit dem kleineren Durchmesser mit der Bezugsziffer 18 bezeichnet. Der Konus der Bohrung 14 ist von dem Ende 16 zu dem Ende 18 gleichförmig gerade ausgebildet. In Figur 2 ist ein gleichförmig gerade ausgebildeter konischer Schraubenbolzen 20 mit einem Bolzenkopf 22 an einem Ende und einem Gewindeabschnitt 2 4 an dem anderen
Ende dargestellt, der in die konische Bohrung 14 in den Lagen 10 und 12 eingesetzt ist. Der Konus des Schraubenbolzens 20 ist der gleiche wie derjenige der Bohrung 14. Die Endmontage des Schraubenbolzens 20 in der Bohrung 14 wird üblicherweise mittels einer auf das Gewinde 24 aufgeschraubten Mutter 25 bewerkstelligt, die eine erforderliche Einbaukraft zum Hineinziehen in den Schraubenbolzen in das Loch bewirkt, damit die Endsitzposition erzielt wird.
In üblichen Fällen wird der Konus des Schraubenbolzens und der Bohrung ausgedrückt in ca. 2/1000 eines inches nominal für alle Durchmesser, was bedeutet, daß ein Übermaß von 2/1000 eines inches (Ca.O,05o8 mm) an jedem Durchmesser vorhanden ist.
Ein Blick auf die Geometrie in Figur 1 zeigt, daß die radiale Spannung, die an dem größeren Ende 16 einer Lage 10 erzeugt wird, geringer sein wird als die Spannung, die an dem kleineren Ende 18 der Lage 12 erzeugt wird.
Mit anderen Worten, eine Analyse zeigt, daß die Interferrenz in inch-pro-Durchmesser-inch oder die Spannung in pounds-per-inch, erzeugt bei dem großen Durchmesser eine geringere pounds-pro-inch-Spannung erzeugt als an der Stelle des geringeren Durchmessers, und zwar stets, wenn eine gleiche Überlappung oder Interferrenz von inch-pro-Durchmesser-inch verwendet wird. Einfach ausgedrückt bedeutet dies,daß das Erzeugen einer vorgegebenen Kraft über eine große Fläche die Spannung pro
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square inch reduziert. Die Spannung, die bei dem großen Durchmesser 16 des Konus erzeugt wird, kann oder kann auch nicht ausreichend sein, um das Material vorzuspannen und um eine ordnungsgemäße Verbindung zu bewirken; diese unbekannte Größe wurde als der Grund für die Fehlerrate bei bestimmten Befestigungsverbindungen mit hoher Spannung erkannt.
Die offensichtliche Lösung solch eines Problems liegt darin, die Interferrenz oder das Übermaß von ca.2 auf 4 oder gar 5/1000 pro inch zu erhöhen, um auf diese Weise die notwendige Spannung an dem größeren Durchmesser zu erzeugen, damit eine ordnungsgemäße Vorspannung der Verbindung erzielt wird.
Unglücklicherweise reduziert der Gesamtdurchmessers des Schraubenbolzens und des Gewindes am unteren Abschnitt bei 24 am Bolzen 20 den Gesamtbetrag der Kräfte,die verfügbar sind,um den Bolzen zu installieren.
Die Lösung dieses Problems mit hohen Kräften erforderte die Verwendung von Schraubenbolzen mit einer höheren
Zugfestigkeit als erforderlich, um die erforderliche Befestigungskapazität zu erzielen; diese höhere Zugfestigkeit ist jedoch notwendig, um die höheren Einbaukräfte zu erzeugen. Die Verwendung von Schraubenbolzen mit einer höheren Zugfestigkeit als erforderlich, ist offensichtlich ein Nachteil bei der Wiederbefestigung von Luftfahrzeugausrüstugen/ wenn man die hohen Kosten der Befestigungsbolzen und die Gesamtzahl der bei einem
solchen Luftfahrzeug verwendeten Befestiger in Betracht zieht.
Das gleiche Problem stellt sich bei der Hülsen-Bolzen-Befestigung gemäß den Figuren 3,4 und 5.
In Figur 3 sind die Lagen 10 und 12 in einer geschichteten Anordnung dargestellt, jedoch ist diesmal eine zylindrische Bohrung 30 ohne Konus vorgesehen. Mit anderen Worten, der Durchmesser des oberen Endes ist der gleiche wie derjenige des unteren Endes.
In Figur 4 ist eine Kombination einer Hülse 34 und eines Schraubenbolzens 36 dargestellt, wobei der Außendurchmesser 38 der Hülse konstant ist, während der Innendurchmesser der Hülse 40 einen Konus aufweist.Üblicherweise ist der Konus des Schraubenbolzens 36 und der Innenkonus der Hülse 40 der gleiche. Zum Zwecke des Einbaus weist der Bolzen einen Bolzenkopf 42 an einem Ende und ein Gewinde 44 an dem anderen Ende auf.
In Figur 5 ist dargestellt, wie die Kombination Hülse 34 und Schraubenbolzen 36 in die Bohrung 30 eingesetzt ist. Auf den Gewindeabschnitt 44 des Schraubenbolzens 36 wird eine Befestigungsmutter aufgeschraubt, damit der Bolzen in seine Position gezogen werden kann.Die erzeugten Einbaukräfte sind das Ergebnis des Drucks der Mutter gegen das Gewinde 44 an dem Bolzen 36 wodurch der Bolzen in die Hülse 34 gezogen wird.
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Die erzeugte Spannung ist das Ergebnis des Übermaßes oder der Wechselwirkung zwischen dem Konus des Schraubbolzens 36 und des Innenkonus in der Hülse 34. Das gleiche Problem, das in Verbindung mit der Konusverriegelung gemäß den Figuren 1 und 2 beschrieben worden ist, existiert auch beim Einbau mit der konischen Hülse.
Die Spannung, die am größeren Durchmesser des Schraubenbolzens erzeugt wird, wird stets geringer sein als die an dem kleineren Durchmesser erzeugte, und dies für jede Installation mit einem konstanten Übermaß gemessen in inch-pro-Durchmesser-inch. Der Stand der Technik hat keine andere Lösung dieses Problems als die Anwendung des oben erwähnten höheren Kraftsystems, was bedeutet, Befestigungsvorrichtungen mit höherer Zugfestigkeit als erforderlich ist, die Befestigung hinsichtlich des Erfordernisses eines Hersteilens einer hohen Spannung beim großen Duchmesser des Schraubenbolzens um die Bohrung ordnungsgemäß vorzuspannen und Ermüdungsbrüche zu vermeiden.
Die vorliegende Erfindung löst dieses Problem des Stands der Technik durch Erhöhung der Spannung in ausgewählten Bereichen der Befestigung dort, wo höhere Spannung erforderlich ist, wobei gleichzeitig die Installationsoder Einbaukräfte sowie die erforderliche Zeit reduziert werden,um die Befestigung herzustellen und um jeweils die erforderlichen Spannungen und Auflagerungen zu erzeugen.
In der vorliegenden Erfindung ist der Konus an dem Einbau-
bolzen zweckmäßigerweise unterschiedlich zu demjenigen der Bohrung in dem beschichteten Material.
In den Figuren 6 und 7 ist die Erfindung hinsichtlich
der Anordnung beschrieben, die als Konusverriegelungsinstallation bezeichnet wird, während die Figuren 8 und
9 die Erfindung bezüglich einer Hülsen-Bolzeninstallation darstellen.
In Figur 6 ist eine geschichtete Anordnung von Lagen
10 und 12 mit einer konischen Bohrung 16 dargestellt.In als der konischen Bohrung 16 ist ein Schraubenbolzen mit einem Konus 62 eingesetzt, welcher letztere Konus
größer ist als die konische Bohrung 16. Der Schraubenbolzen ist hinsichtlich aller Merkmale ein üblicher
Schraubenbolzen und weist einen Bolzenkopf 64 an einem Ende und ein Gewinde 66 am anderen Ende auf.
Der größere Durchmesser der konischen Bohrung ist in
der Lage 10 bei 70 vorgesehen, während der kleinere
Durchmesserabschnitt der konischen Bohrung 62 am entgegengesetzten Ende in der Lage 12 angeordnet ist.
Der konische Schraubenbolzen 60 mit dem größeren Konus derjenige in der Bohrung 16 tritt mit dem größeren Durchmesser 70 in der Lage 10 in Kontakt, bevor irgendein anderer Abschnitt der Bohrung einen Kontakt herstellt; daher erfährt die größere Durchmesseröffnung 16 der
konischen Bohrung die Druckkräfte und Spannungen vor
jedem anderen Abschnitt der konischen Bohrung.
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Der Berührkontakt des konischen Schraubenbolzens mit der konischen Bohrung wird daher zunehmend in den Maßen fortgefahren wie die Einbaumutter angezogen wird; als Ergebnis zeigt sich eine verminderte Einbaukraft aufgrund des zunehmenden Kontakts zwischen den konischen Schraubenbolzen und der konischen Bohrung, anstatt einen kompletten Oberflächenkontakt zwischen dem konischen Bolzen und der konischen Bohrung, wie es üblicherweise bei den konventionellen Einbaumethoden gemäß den Figuren 1 und 2 vorkommt.
Als ein Ergebnis der Verwendung eines konischen Schraubenbolzens mit einem Konus, der größer ist als derjenige der Bohrung ist es nun möglich, die Spannung in der konischen Bohrung an der Stelle mit dem größeren Durchmesser zu vergrößern, während gleichzeitig die erforderliche Einbaukraft verringert wird, um die erforderlichen radialen Druckkräfte für einen ordnungsgemäßen Sitz und eine richtige Verbindung zu reduzieren, es kann dabei ein Senkbefestiger üblichen Industriestandards verwendet werden (nicht dargestellt).
Als ein Alternative ist es nun möglich, daß Übermaß zwischen dem Befestigungsbolzen und dem konischen Loch und auf diese Weise die Spannung an der Stelle des größeren Durchmessers der konischen Bohrung zu vergrößern, während die gleichen Installations- oder Einbaukräfte erzeugt werden, wie bei dem Stand der Technik. Es sollte stets in Erinnerung gerufen werden, daß die Zugkräfte am Gewindeabschnitt oder an den Kiemmitteln des Einbaubolzens der kritische Faktor für die Erzeugung der erforderlichen
Kraft zwischen dem Schraubenbolzen und der konischen Bohrung sind.
Ein kurzer Überblick über die Verwendung der Konusverriegelung und der Hülsenbolzen ist angebracht, da es vom Durchschnittsfachmann geschätzt wird, daß die üblichen heute in der Luftfahrttechnik verwendeten Metalle Titan und Aluminium sind und daß unveränderliche Befestigungsmittel verwendet werden, um zwei aneinander verschiedene Metalle miteinander zu befestigen, von denen das eine eine höhere Spannungsgrenze aufweist als das andere. In jedem Fall weiß der Monteur, ob das stärkere Metall oben oder unten ist; damit ist ein weiteres Merkmal für den Monteur verfügbar, wodurch ihm eine Auswahl konischer Bolzen mit einem Konus gegeben ist, der größer oder kleiner als derjenige der Bohrung ist.
In Figur 6 kann beispielsweise angenommen werden, daß die Lage 10 aus Aluminium und die Lage 12 aus Titan besteht, und es ist bekannt, daß die Titanlage eine Spannung im Bereich von 100.000 p.s.i, und die Aluminiumlage 10 eine Spannung im Bereich von 50.000 p.s.i. aufnehmen kann.
In einem solchen Fall wird der Monteur, da er weiß, daß die Titanlage 12 am Boden bzw. unten und die Aluminiumlage 10 oben angeordnet ist,einen konischen Bolzen 60 mit einem größeren Konus als derjenige der konischen Bohrung verwenden. Der größere Durchmesser des Konusbolzens wird den größeren Durchmesser 70 der Bohrung
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berühren; unter dem Druck der Mutter steigert sich die erzeugte Kraft in dem Maß, wie die Oberfläche des Schraubenbolzens zunehmend in Kontakt mit der Oberfläche der Bohrung tritt. Zusätzlich kann beobachtet werden, daß das Aluminium an der Stelle des größten Durchmesserbereichs zuerst komprimiert wird, bevor der Bereich der Titanlage 12 in Kontakt tritt. Auf diese Weise wird der größere Durchmesser der Bohrung zusätzlich aufgeweitet; da das Metall mit der geringeren Zugfestigkeit eher ausgedehnt wird als das Metall mit der höheren Zugfestigkeit,sind darüber hinaus verminderte Einbaukräfte erforderlich.
Es wird nun Bezug auf Figur 7 genommen, in welcher eine Lagenanordnung 10 und 11 dargestellt ist, in der die Titanlage 12 über der Aluminiumlage 10 angeordnet ist. Die geschichtete Anordnung in Figur 7 weist eine konische Bohrung 14 auf, wobei ein Schraubenbolzen 80 mit einem Bolzenkopf 82 und einem Gewindeabschnitt 84 am gegenüberliegenden Ende in die konische Bohrung 14 eingesetzt ist. In diesem Fall weist der konische Bolzen 80 einen geringeren Konus auf als die konische Bohrung 14 der geschichteten Anordnung.
Der Monteur, der weiß, daß die Titanlage 12 oben angeordnet ist, wird daher einen Schraubenbolzen mit einem Konus verwenden, der geringer ist als der Konus in der geschichteten Anordnung, um sicherzustellen, daß der Kontakt zwischen dem Bolzen und dem geringsten Durchmesser zuerst bei 72 hergestellt wird. Unter der Wirkung der Mutter, die an dem Gewinde 84 angreift, wird
der Bolzen in seinen Sitz gezogen, wobei er zusätzlich eine Druckkraft zunächst bei 72 und dann zusätzlich entlang der Kontaktfläche zwischen der Oberfläche des Bolzens und der Oberfläche der konischen Bohrung 14 ausübt, bis der Schraubenbolzen gesetzt ist.
Wie in Verbindung mit Figur 6 beschrieben, werden die Druckkräfte zunächst in der gewünschten Position zwischen dem Schraubenbolzen und der Aluminiumlage hergestellt, ehe der Kontakt zwischen dem Schraubenbolzen und der Titanlage herbeigeführt wird, wodurch eine verringerte Einbaukraft bewirkt wird, bevor die Titanlage in geeigne terweise ausgedehnt und zusammengedrückt wird.
Ein Rückblick auf die Figuren 6 und 7 zeigt, daß es nicht stets erforderlich oder notwendig ist, daß der größte Durchmesser der konischen Bohrung zunächst expandiert wird sondern daß diejenige Metallage zuerst gedehnt wird,
welche die geringste Zugfestigkeitstoleranz in der geschichteten Anordnung aufweist, und daß auf diese Weise die Gesamteinbaukraft herabgesetzt wird, während der Tragkontakt zwischen dem Schraubenbolzen und der konischen Bohrung zunehmend im Verlaufe des Einbauvorgangs hergestellt wird.
In Figur 8 ist eine geschichtete Anordnung mit den Lagen 10 und 12 und einem Hülsenbolzen 90 dargestellt. Per Definition weist der Hülsenbolzen eine innere konische Bohrung 92 auf und besitzt einen Schraubenbolzen 96 mit einem Bolzenkopf 98 an einem Ende und an einem Gewinde-
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abschnitt 100 an dem anderen. Der Konus des Schraubenbolzens 96 ist größer als die konische Bohrung 92 in dem Hülsenbolzen 90; im übrigen gelten die ähnlichen Verhältnisse wie in Figur 6.
Es wird in Figur 8 angencnmen, daß der Monteur weiß, daß die Lage 10 aus Aluminium und die Lage 12 aus Titan besteht; daher wird er einen konischen Bolzen mit einem größeren Konus als derjenige der konischen Bohrung 82 verwenden*
In Figur 9 ist eine Hülse 90 in einer geschichteten Anordnung eingesetzt, wobei in diesem Fall jedoch die Aluminiumlage 10 unten und die Titanlage 12 oben angeordnet sind. Die Hülse 90 weist innen einen Konus 92 auf undnirrmt in der dargestellten Zeichnung einen konischen Bolzen 104 mit einem Bolzenkopf 106 an einem Ende und einem Gewindeabschnitt 108 am anderen Ende auf.
In diesem Fall weiß der Monteur daß die Titanlage oben angeordnet ist und wird einen Bolzen 104 mit einem Konus verwenden, der geringer ist als der Konus 92 der Hülse 40, um sicherzustellen, daß der Kontakt mit der Hülse zunächst in dem Bereich der Aluminiumlage 10 mit der Hülse stattfindet.
Die beschriebene Vorrichtung und das beschriebene Verfahren des Auswählens eines konischen Bolzens mit einem Konus, der unterschiedlich ist von demjenigen der konischen Bohrung ist anwendbar sowohl direkt bei konischen Bohrungen in geschichten Anordnungen als auch bei
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konischen Bohrungen in Hülsen, die in die geschichtete Anordnung eingesetzt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren bietet dem Monteur die Gelegenheit, einen geeigneten Konus eines konischen Bolzens zu verwenden, um die erforderlichen Einbaukräfte zu reduzieren und um sicherzustellen, daß das kritischere Material eher ausgedehnt wird, wobei die Erfindung ein Mittel darstellt zum Reduzieren der Gesamteinbaukräfte und zum Sicherstellen, daß die kritische Wechselwirkung und die kritische Auflagerung erzielt wird.
Dem Durchschnittsfachmann ist es klar, daß es das Verhältnis zwischen dem Konus des Schraubenbolzens und dem Konus in der Bohrung ist, welches das Reduzieren der Einbaukräfte steuert. Es ist daher möglich, den Konus der Bohrung hinsichtlich des Konuses des Bolzens zu wechseln und die gleichen Ergebnisse zu erzielen. Bei dem bevorzugten Ausführungsbeispiel wird jedoch in der Regel die konische Bohrung in allen Fällen die gleiche sein, wobei der Monteur verschiedene konische Bolzen verwenden wird, um die gewünschten Resultate zu erzielen.
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Claims (10)

PATENTANSPRÜCHE
1) Verfahren zum Vermindern der Einbaukräfte in einer vorgespannten Befestigung von Materiallagen, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
Erstellen einer konischen Bohrung durch die miteinander zu befestigenden Materiallagen,
Aufbringen einer zusätzlichen expansiven Kraft auf die MateriaHagen durch im wesentlichen die gesamte Tiefe der Bohrung, bis eine dauerhafte Verformung der Oberfläche der konischen Bohrung stattgefunden hat, und
Erstellen eines Übermaßpassitzes zwischen einem konisch ausgebildeten Befestigungsteil, z.B. ein Schraubenbolzen und der konischen Bohrung, so daß die Materiallagen unter Druck in dem Bereich um die konische Bohrung herum vorgespannt werden.
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2) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das konische Befestigungsteil, z.B. ein Schraubenbolzen, einen Konus aufweist, der unterschiedlich ist zu dem Konus der Bohrung, wodurch eine zusätzliche expansive Kraft aufgebracht wird.
3) Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische Befestigungsteil, z.B. ein Schraubenbolzen einen größeren Durchmesser hat als die konische Bohrung, und daß eine Übermaßpassung gewählt wird, die durch das Verhältnis inch-pro- Durchmesser-inch des konischen Befestigungsteils, z.B. ein Schraubenbolzen, bestimmt wird, wodurch die gleiche Spannung sowohl beim großen als auch beim kleinen Durchmesser erhalten wird.
4) Verfahren zum Vermindern von Einbaukräften in einer geschichteten Anordnung von Lagen unterschiedlichen Materials mit einer konischen Bohrung, gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:
- Einsetzen eines konischen Befestigungsteils, z.B. Schraubenbolzen mit einem Konus, der unterschiedlich ist zum Konus der Bohrung in der geschichteten Anordnung, und
- Einsetzen des konischen Bolzens in die konische Bohrung bis ein Punktkontakt zwischen dem konischen Bolzen und der konischen Bohrung eine zusätzliche Deformation der Bohrung und somit geringere Einbaukräfte ergibt.
5) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Punktkontakt des ausgesuchten konischen Bolzens am größten Durchmesser der konischen Bohrung stattfindet und dabei ein korrektes Tragen in der Bohrung hinsichtlich des verwendeten Materials herbeiführt.
6) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der resultierende Punktkontakt des ausgewählten Befestigungsteils am kleinsten Durchmesser der konischen Bohrung stattfindet.
7) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Zugfestigkeit der Schicht der geschichteten Anordnung bestimmt wird, und daß ein konisches Befestigungsteil z.B. ein Schraubenbolzen, für den Fall mit einem geringeren Konus als derjenige der Bohrung gewählt wird, bei dem der größte Durchmesser der geschichteten Anordnung eine geringere pounds-per-square-inch-Belastung aufweist als die anderen Lagen des geschichteten Materials.
8) Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bestimmt wird, ob das Oberflächenmaterial mit dem größeren Durchmesser in der geschichteten Anordnung eine Zugfestigkeit aufweist, die geringer ist als diejenige des übrigen Materials der geschichteten Anordnung, und daß ein konisches Befestigungsteil, z.B. ein Schraubenbolzen, gewählt wird, dessen Konus geringer ist als der Konus in der
konischen Bohrung, wodurch eine verminderte Einbaukraft erzielt wird.
9) Befestigungssystem zum Reduzieren von Einbaukräften in einer geschichteten Anordnung, gekennzeichnet durch eine Vielzahl von unterschiedlichen Oberflächenmaterialien mit einer konischen Bohrung, einem konischen in der Bohrung eingesetzten Bolzen, wobei der Konus des Bolzens unterschiedlich ist zu demjenigen der Bohrung, und wobei der konische Bolzen in der konischen Bohrung so angeordnet wird, daß er eine Ubermaßpassung bildet, wobei unterschiedliche radiale Spannungen erzeugt werden, die von dem größeren Ende der konischen Bohrung hin zu dem kleineren Ende variieren.
10) Befestigungsvorrichtung, gekennzeichnet durch eine geschichtete Materialanordnung mit unterschiedlicher Grenzzugfestigkeit, durch eine konische Bohrung in der Anordnung, und durch einen konischen Schraubenbolzen, der in der konischen Bohrung angeordnet ist, wobei der Konus des konischen Bolzens unterschiedlich ist zu dem Konus der konischen Bohrung, wodurch sich am größeren Durchmesser der konischen Bohrung eine zum kleineren Durchmesser der konischen Bohrung unterschiedliche Spannungskonzentration ergibt.
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