DE60021730T2

DE60021730T2 - Hochfester Blindbolzen über einen erweiterten Greifbereich gleichmäßig hoher Klemmkraft

Info

Publication number: DE60021730T2
Application number: DE60021730T
Authority: DE
Inventors: Ernest Montserratt
Original assignee: Huck International Inc
Current assignee: Huck International Inc
Priority date: 1999-07-13
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: CA2379063C; ES2246868T3; JP4733887B2; KR20020042801A; AU760903B2; CA2379063A1; WO2001004499B1; KR100752102B1; CN1498313A; US6247883B1; TW459103B; EP1203163B1; EP1203163A2; WO2001004499A2; EP1203163A4; WO2001004499A3; JP2003504571A; ATE301250T1; DE60021730D1; AU5740900A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft mehrteilige Befestigungselemente und insbesondere einen hochfesten Blindbolzen des Gewinde-Dreh-Typs oder des Zug-Typs, welche eine geschmiedete Konstruktion verwenden und welche eine hohe endgültige Klemmlast auf zusammengehaltene Werkstücke liefern. Solche Blindbolzen können, obwohl von allgemeiner Nutzbarkeit, besonders nützlich sein bei Konstruktionen, die geschlossene Profile verwenden, wie beispielsweise Kastenträger oder -säulen, Brücken und dergleichen und insbesondere bei Anwendungen, wo die Zugänglichkeit auf einer Seite des Werkstücks blockiert oder beschränkt ist.
Das Befestigungselement der vorliegenden Erfindung betrifft allgemein auch mehrteilige Blindbolzen-Befestigungselemente, welche eine Haupthülse, eine dehnbare Hülse und einen Stift einschließen, wobei die ausdehnbare Hülse radial gedehnt wird, um einen Blindkopf zu bilden als Reaktion auf eine relative axiale Kraft, welche über den Stift angelegt wird. In dieser Hinsicht bezieht sich der Blindbolzen der vorliegenden Erfindung auf die US-Patente mit den Nummern 5603592, erteilt am 18. Februar 1997 für "High Strength Blind Bolt With Uniform High Clamp Range Over An Extended Grip Range" (hochfester Blindbolzen mit gleichmäßig hohem Klemmbereich über einen erweiterten Griffbereich) ("das Patent '592"), 5178502, erteilt am 12. Januar 1993 für "High Strength Blind Bolt" (hochfester Blindbolzen) ("das Patent '502"), und 5213460, erteilt am 25. Mai 1993 für "High Strength Blind Bolt With Uniform High Clamp Over An Extended Grip Range" (hochfester Blindbolzen mit gleichmäßig hoher Klemmkraft über einen erweiterten Griffbereich) ("das Patent '460"). In US-Patent Nr. 5603592 wird eine Blindbolzen-Anordnung offenbart, welche eine zugspannungsgeregelte Gewindemutter und eine Innenstiftanordnung verwendet. Ein Mutterteil befindet sich über das Gewinde in Eingriff mit dem Gewindeabschnitt des Stiftschafts. Ein mit Keilverzahnungen versehener Abschnitt befindet sich am Ende des Stiftschafts. Ein Montagewerkzeug mit einem mittigen Fassungsteil, welches zum Eingriff in den mit Keilverzahnungen versehenen Abschnitt ausgebildet ist und ein äußeres Schlüsselglied, welches zum Greifen der Mutter ausgebildet ist, wird verwendet, um ein Drehmoment zwischen dem inneren Bolzen oder Stift und der Mutter anzulegen, um für eine relative Drehung zu sorgen, durch welche die Mutter auf den Stift geschraubt wird, um die gewünschte Verklammerung zu erzielen. Ein Hülsenpaar, eine dehnbare Hülse und eine Haupthülse, welche sich auf dem Stift befinden, wirken zusammen, um in Reaktion auf das angelegte Drehmoment einen Blindkopf zu bilden.
Infolge des angelegten Drehmoments zwischen der Mutter und dem Stift überträgt die Mutter anfänglich eine axiale Kraft auf die Haupthülse über einen Griffregler. Gleichzeitig weist der Stift einen vergrößerten Kopf auf, welcher eine entgegengesetzte axiale Kraft auf die dehnbare Hülse überträgt. Während das Drehmoment und die resultierende relative axiale Kraft zunimmt, wird die dehnbare Hülse in Reaktion gegen die Haupthülse radial gedehnt, um einen Blindkopf zu bilden. Ein Blindkopf mit einheitlicher Form wird über den erweiterten Griffbereich des Befestigungselements bereitgestellt.
In diesem Stadium der Montage sind die Werkstücke noch keiner Klemmlast zwischen der Mutter und dem Griffregler und dem Blindkopf über den Stift unterworfen. Um den Blindkopf mit der nicht zugänglichen Seitenfläche in Eingriff zu bringen, ist der Griffregler mit einem zerbrechlichen, Widerstands- oder Scherteil versehen, welches einen Hohlraum blockiert. Die zerbrechliche Scher- oder Widerstandsstruktur ist ausgebildet, um bei einer vorbestimmten Größe einer relativen axialen Kraft zu brechen, wodurch der nicht mehr blockierte Hohlraum nun zugänglich ist und eine axiale Bewegung der Haupthülse weg von oder heraus aus der Lastbeziehung mit der dehnbaren Hülse gestattet; hierdurch kann der voll ausgebildete Blindkopf in Kontakt mit der nicht zugänglichen Seitenfläche der Werkstücke gebracht werden ohne axiale Beschränkung der Haupthülse, die sich im Wesentlichen frei aus dem Lasteingriff mit der dehnbaren Hülse herausbewegt hat. Die Werkstücke werden nun durch das weitere Anlegen des Drehmoments zusammengezogen, wobei die resultierende relative axiale Kraft im Wesentlichen ausschließlich zwischen dem Blindkopf durch den Stift und die Mutter wirkt. Die die Werkstücke zusammenklemmende Kraft nimmt weiter zu, bis eine Drehmomentgröße erreicht ist, bei welcher ein mit Keilverzahnungen versehener Abschnitt des Stiftendes des inneren Bolzens oder Stifts vom Stift abgebrochen wird. Diese Bruchlast bestimmt die endgültige Klemmlast auf den Werkstücken.
Diese Anordnung sorgt für eine weite Griffbereichsfähigkeit, bei welcher ein hochfester Blindkopf mit einer einheitlichen Struktur über diesen weiten Griffbereich gebildet wird. Der Blindkopf mit der einheitlichen Struktur weist auf der nicht zugänglichen Seite den gleichen Überstand über den Griffbereich auf. Zusätzlich stellt die Blindbolzenkonstruktion eine Struktur bereit, bei welcher hochfeste Materialien verwendet werden können, woraus ein hochfestes Befestigungselement resultiert, während gleichzeitig eine hohe, gleichmäßige Klemmkraft erzielt wird.
Das Befestigungselement benötigt jedoch zwei Hülsen, um zu funktionieren. Die dehnbare Wulsthülse besteht aus einem relativ weichen Stahl, welcher sich bei niedrigen Lasten wöl ben kann und sich auch um den Stiftkopf formen kann. Die Haupthülse besteht aus einem harten Stahl, welcher als Stanzer fungieren kann, um das Scherglied abzuscheren.
Das Patent '592 offenbart, dass eine einteilige Hülse verwendet werden kann (vgl. Spalte 10, Zeilen 40–42), beschreibt aber kein solches Ausführungsbeispiel. In ähnlicher Weise offenbart das Patent'460, dass eine einteilige Hülse verwendet werden kann (vgl. Spalte 16, Zeilen 13–15), beschreibt aber kein solches Ausführungsbeispiel. In Anbetracht der unterschiedlichen Anforderungen für die beiden Hülsen (die Haupthülse muss gehärtet sein, um das Scherteil abzuscheren, die dehnbare Hülse muss weich genug sein, um sich auszuwölben und einen Blindkopf zu bilden), offenbaren die beiden Patente daher die Herstellung der Haupthülse und der dehnbaren Hülse aus unterschiedlichen Stählen, wobei jeder eine unterschiedliche Härte aufweist. Weder das Patent '592 noch das Patent '460 offenbart, wie eine einteilige Hülse aus einem einzigen Stahltyp herzustellen ist, welche alle Anforderungen der beiden Arten von Hülsen erfüllt, die sie ersetzen würde.
Die vorliegende Erfindung ist eine Verbesserung gegenüber der Konstruktion des Befestigungselements, welches im Patent '592 offenbart wird. Eine Ausführungsform des Blind-Befestigungselements weist einen Stift mit einem vergrößerten Kopfabschnitt, einem Schaftabschnitt und einem greifenden Abschnitt auf. Eine einzige Hülse wird bereitgestellt zwischen dem vergrößerten Kopfabschnitt und dem zerbrechlichen Teil und der Mutter. Da nur eine einzige Hülse benützt wird, ist die einzige Hülse so optimiert, dass sie einen Abschnitt aufweist, welcher sich unter den gewünschten Parametern gut auswölbt, während er trotzdem noch eine ausreichende Festigkeit und Härte aufweist, um nach der Bildung des Wulstes das zerbrechliche Teil zu durchstoßen und das Zusammenklemmen der Werkstücke zu ermöglichen.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel wurde das Befestigungselement so konstruiert, dass es Festigkeitseigenschaften aufweist, welche bei oder über den Festigkeitseigenschaften des im Patent '592 offenbarten Befestigungselements liegen, obgleich es einen kleineren Gesamtdurchmesser des Befestigungselements und weniger Bestandteile aufweist. Die geringere Anzahl der Bestandteile, welche beim Befestigungselement der vorliegenden Erfindung verwendet werden, verringert die Kosten für die Herstellung und den Zusammenbau des Befestigungselements im Vergleich zum Befestigungselement des Patents '592.
In einer Form der Erfindung weist die einzige Hülse eine im Allgemeinen gerade, röhrenförmige Konstruktion mit im Allgemeinen einheitlichem Querschnitt auf, d. h. ohne eine wesentliche Änderung des Querschnitts entlang ihrer Länge, und der Blindkopf wird durch Säulenbelastung gebildet, indem ein Abschnitt der dehnbaren Hülse ausgewölbt wird, welcher sich jenseits der nicht zugänglichen Seite des Werkstücks befindet. Die Bildung des Blindkopfs an einer vorgewählten Stelle wird erleichtert, indem ein kreisförmiger Streifen auf der dehnbaren Hülse an der gewünschten Stelle weichgeglüht wird. Der wulstförmige Blindkopf stellt eine vergrößerte tragende Fläche zur Verfügung und ist daher besonders nützlich bei Anwendungen, bei welchen die Werkstücköffnungen wesentlich größer sind als der effektive Durchmesser des Befestigungselements.
Obgleich die Merkmale der vorliegenden Erfindung in Zusammenhang mit einem mit Gewinde versehenen Befestigungselement gezeigt werden, geht aus US-Patent Nr. 5213460 hervor, dass einige dieser Merkmale auch auf Befestigungselemente des Zug-Typs oder des geschmiedeten Typs angewendet werden können. Gleichzeitig können Merkmale der vorliegenden Erfindung bei Befestigungselementen genützt werden, bei welchen der Blindkopf gebildet wird durch radiale Ausdehnung einer dehnbaren Hülse durch einen sich verjüngenden vorspringenden Abschnitt auf einem Haupthülsenteil, siehe US-Patente Nr. 5178502 und 5213460.
Der hochfeste Blindbolzen der vorliegenden Erfindung ist somit ohne weiteres anpassbar für die Benutzung bei Anwendungen, bei welchen hochfeste Bolzen verwendet werden, wie beispielsweise diejenigen, welche die Spezifikation ASTM A325 oder die japanische Spezifikation F8T erfüllen. Der Einsatz ist außerdem dort wünschenswert, wo Blindverschweißungen, Schraubenmutterplatten und andere komplexe Konstruktions-Befestigungssysteme verwendet werden bei solchen Strukturelementen wie Kastenträgern, wo die Rückseite der Verbindung nicht zugänglich ist. In dieser Hinsicht ist das Blindbefestigungselement der vorliegenden Erfindung besonders geeignet für den Bau von Gebäuden, Brücken und ähnlichem, wo hohe Festigkeit und Haltbarkeit, zusammen mit der Fähigkeit, hohe Klemmlasten bereitzustellen, von erheblicher Bedeutung sind.
Wie man sehen wird, kann der Griffregler relativ einfach konstruiert sein und aus einem hochfesten Material hergestellt sein, wodurch die Festigkeit des zerbrechlichen Widerstands- oder Scherabschnitts auf ein hohes Niveau festgesetzt werden kann. In dieser Hinsicht erlaubt diese relativ einfache Konstruktion, dass die Last zum Abscheren des zerbrechlichen Widerstandsabschnitts gut auf ein Niveau festgesetzt werden kann, welches hoch genug ist, um die Bildung des Blindkopfs zu gewährleisten, und niedrig genug, um vor Erzielung der endgültigen Drehmomentlast für die endgültige Verklammerung und dem Zerbrechen des zerbrechlichen Halses zu zerbrechen.
Es ist daher erwünscht, eine einzigartige Blindbolzenkonstruktion bereitzustellen, welche die Verwendung von hochfesten Materialien erleichtert, was zu einem hochfesten Befestigungselement mit einem großen Griffbereich führt.
Es ist außerdem erwünscht, eine Blindbolzenkonstruktion bereitzustellen, welche einen einzigartigen Griffregler einschließt, um einen großen Griffbereich bereitzustellen.
Es ist weiterhin erwünscht, einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen mit einer Konstruktion bereitzustellen, welche einen hochfesten Blindkopf bildet, welcher eine einheitliche, erwünschte Anordnung über einen großen Griffbereich aufweist.
Es ist erwünscht, einen einzigartigen, hochfesten Blinzbolzen bereitzustellen, welcher eine hohe endgültige Klemmlast bereitstellt.
Es ist erwünscht, einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen bereitzustellen, für welchen eine mit Gewinde versehene Konstruktion des zugspannungsgeregelten Typs verwendet wird und welcher eine im Allgemeinen einheitliche endgültige Klemmlast über einen großen Griffbereich bereitstellt.
Es ist erwünscht, einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen bereitzustellen, welcher weniger Bestandteile aufweist als bekannte Konstruktionen.
Es ist erwünscht, einen einzigartigen hochfesten Blindbolzen bereitzustellen, welcher über den gesamten Bolzen einen verringerten Durchmesser aufweist, welcher die gleichen oder bessere Festigkeitseigenschaften aufweist als bekannte Konstruktionen.
Die vorliegende Erfindung stellt einen Blindbolzen nach Anspruch 1 bereit.
Die vorstehenden und andere Aufgaben, Eigenschaften, Merkmale und Vorzüge der vorliegenden Erfindung sowie die Betriebsweisen und Funktionen der zugehörigen Strukturelemente und die Kombination von Teilen und die Einsparungen bei der Herstellung werden ersichtlich aus der folgenden ausführlichen Beschreibung und den anhängigen Ansprüchen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, wovon alle einen Teil der Beschreibung bilden, wobei gleiche Bezugszeichen übereinstimmende Teile in den verschiedenen Figuren bezeichnen.
1 ist eine Seitenansicht des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung im Montage-Verhältnis mit aneinander zu befestigenden Werkstücken, wobei einige Abschnitte im Schnitt gezeigt werden,
2a–e zeigen einen Montagezyklus für das Befestigungselement der vorliegenden Erfindung, wobei einige Abschnitte im Schnitt und einige Abschnitte schematisch gezeigt werden,
3a ist eine Teilansicht des Kopfes eines Ausführungsbeispiels des Stiftes des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
3b ist eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen Abschnitts eines Teils des in 3a abgebildeten Befestigungselements nach Auswölbung der Hülse,
4a ist eine Teilansicht des Kopfes eines alternativen Ausführungsbeispiels des Stifts des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
4b ist eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen Abschnitts eines Teils des in 4a abgebildeten Befestigungselements nach Auswölbung der Hülse,
5a ist eine Teilansicht eines Kopfes eines alternativen Ausführungsbeispiels des Stiftes des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
5b ist eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen Abschnitts eines Teils des in 5a abgebildeten Befestigungselements nach Deformation der Hülse,
6a ist eine Teilansicht des Kopfes eines alternativen Ausführungsbeispiels des Stiftes des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
6b ist eine bildhafte Darstellung einer Photographie eines tatsächlichen Abschnitts eines Teils des in 6a abgebildeten Befestigungselements nach Auswölbung der Hülse,
7a ist eine Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels einer Hülse des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
7b ist ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Hülse des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
8a ist eine Teilansicht des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung, für welches die Hülse von 7a verwendet wird, nach Auswölbung der Hülse,
8b ist eine Teilansicht des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung, für welches die Hülse von 7b verwendet wird, nach Auswölbung der Hülse,
9a ist eine Ansicht des Endes eines Ausführungsbeispiels einer Scherscheibe des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
9b ist eine Schnittansicht der in 9a gezeigten Scherscheibe,
10a ist eine Ansicht des Endes eines alternativen Ausführungsbeispiels einer Scherscheibe des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung,
10b ist eine Schnittansicht der in 10a gezeigten Scherscheibe,
10c ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts von 10b aus dem Kreis 10c in 10b,
11 ist eine Seitenansicht eines alternativen Ausführungsbeispiels des Befestigungselements der vorliegenden Erfindung im Montage-Verhältnis mit aneinander zu befestigenden Werkstücken, wobei einige Abschnitte im Schnitt gezeigt werden, und
12 ist ein typisches Härteprofil für den weichgeglühten Streifen der Hülse der vorliegenden Erfindung.
Wie in 1 zu sehen ist, schließt ein Befestigungselement 10 einen inneren Bolzen oder Stift 12, eine ringförmige Mutter 14, eine dehnbare röhrenförmige Hülse 16 und eine Scherscheibe 18 ein. Der Stift 12 weist einen vergrößerten Kopf 20 auf, welcher eine Oberfläche 21 zum Eingriff in die Hülse aufweist und eine sich verjüngende Kante 23 zum einfachen Einstecken in eine Bohrung. Der Stift 12 weist außerdem einen verlängerten Schaft 22 auf, welcher einen glatten Schaftabschnitt 24 aufweist, einen mit Gewinde versehenen Abschnitt 26, eine Bruchrille 28 und einen Abschnitt 30 zum Greifen des Stiftendes zum Greifen durch ein Montagewerkzeug (siehe 2a). Die Bruchrille 28 weist einen verringerten Querschnittsbereich auf, welcher ausge bildet ist, um bei einer vorbestimmten Drehmomentlast beim Abschluss des Montagezyklus zu brechen. Der Abschnitt 30 zum Greifen des Stiftendes schließt eine Vielzahl von sich axial erstreckenden Keilverzahnungen 32 ein und schließt in einer Form der Erfindung einen im Allgemeinen herkömmlichen Aufbau mit zwölf Keilverzahnungen ein. Der Griffabschnitt 30 schließt auch ein darüber liegendes Gewinde der gleichen Größe wie der Gewindeabschnitt 26 zum Eingriff in die Mutter 14 ein, da die Mutter 14 auf den Stift 12 geschraubt wird.
Die dehnbare röhrenförmige Hülse 16 ist im Allgemeinen einheitlich röhrenförmig geformt und weist im Allgemeinen einheitliche Innen- und Außendurchmesser auf. Der Außendurchmesser ist im Wesentlichen der gleiche oder geringfügig kleiner als der Außendurchmesser des Stiftkopfes 20. Der Innendurchmesser der röhrenförmigen Hülse wird so gewählt, dass die röhrenförmige Hülse über den Stiftschaft 22 gleiten kann und eine erwünschte Toleranz zwischen der röhrenförmigen Hülse 16 und dem glatten Schaftabschnitt 24 bereitgestellt wird. Die röhrenförmige Hülse 16 schließt eine Endfläche 34 ein zum Eingriff in die Oberfläche 21 des Stiftkopfs 20 und eine Endfläche 36 zum Eingriff in die Scherscheibe 18. Die röhrenförmige Hülse 16 ist aus einem gehärteten Stahl konstruiert, schließt aber einen Abschnitt 35 ein, welcher weichgeglüht wurde, um die Auswölbung der Hülse 16 bei Montage des Befestigungselements 10 zu ermöglichen und zu erleichtern.
Beim derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel, das am besten in 1, 9a und 9b zu sehen ist, schließt die Scherscheibe 18 eine Gegenbohrung 38 ein, welche eine Endfläche 39 aufweist zum Eingriff in die Endfläche 36 der Hülse 16, eine Durchgangsbohrung 40, die den Durchgang des Stifts 12 gestattet, eine Endfläche 42 zum Eingriff in die zugängliche Oberfläche 44 des Werkstücks 46 und eine Endfläche 48 zum Eingriff in eine Endfläche 50 der Mutter 14. Ein zweites Werkstück 56 weist eine nicht zugängliche Oberfläche 58 und eine Bohrung 60 auf, welche mit einer Bohrung 62 im Werkstück 46 ausgerichtet ist.
Die Mutter 14 weist eine Außenoberfläche 51 auf mit einer herkömmlichen hexagonalen Form zum Eingriff in das Montagewerkzeug und schließt eine Gegenbohrung 52 ein, welche einen ausreichend großen Außendurchmesser aufweist, um einen Endabschnitt der röhrenförmigen Hülse 16 aufnehmen zu können, wenn die Scherscheibe 18 abgeschert wird. Die Wahl der Tiefe der Gegenbohrung 52 legt den effektiven Griffbereich des Befestigungselements fest. Die Mutter 14 schließt außerdem eine mit Gewinde versehene Bohrung 54 ein, um den Griffabschnitt 30 und den Gewindeabschnitts 26 des verlängerten Schafts 22 mittels Gewinde in Eingriff zu bringen. Die Mutter 14 kann, wie gewünscht, auch mit alternativen Außenformen versehen sein, um in alternative Montagewerkzeugantriebe einzugreifen.
Die Scherscheibe 18 weist eine vorgewählte Dicke unterhalb der Gegenbohrung 38 auf, um einen Scherabschnitt festzulegen, welcher so ausgelegt ist, dass er bei einer vorgewählten Scherlast relativ zum Umfang der Gegenbohrung 52 infolge der relativen axialen Kraft zwischen dem Stift 12, der Hülse 16 und der Mutter 14 bricht. Die relativ engen Toleranzen zwischen dem Stift 12, der Hülse 16, der Gegenbohrung 38 und der mit Gewinde versehenen Bohrung 54 der Mutter 14 halten die Bestandteile in einem im Allgemeinen koaxialen Verhältnis.
Beim Gebrauch des Befestigungselements 10 sind die Hülse 16 und der Stiftschaft 22 so ausgelegt, dass sie sich innerhalb der ausgerichteten Bohrungen 60 und 62 in den Werkstücken 56 bzw. 46 befinden und sich durch diese erstrecken, wobei die Oberfläche 42 der Scherscheibe 18 in die Oberfläche 44 des Werkstücks 46 eingreift. In dieser Hinsicht besitzt die Oberfläche 42 eine ausreichend große effektive lasttragende Fläche, um für eine gewünschte Verteilung der Montagelasten des Befestigungselements 10 auf der Oberfläche 44 des Werkstücks 46 sowie der Betriebslasten auf den Werkstücken 46 und 56 nach Montage des Befestigungselements 10 zu sorgen. Zusätzlich greift die gegenüberliegende lasttragende Fläche 48 der Scherscheibe 18 in die lasttragende Fläche 50 der Mutter 14 ein und stellt eine ausreichend große effektive lasttragende Fläche zur Verfügung, um die Montage- und Betriebslasten aufzunehmen. Die Außendurchmesser des Stiftkopfs 20 und der Hülse 16 sind so gewählt, dass sie in einem Sitz mit gewünschtem Spielraum durch die ausgerichteten Bohrungen 60 und 62 passen.
Das Befestigungselement 10 ist ausgelegt zur Fixierung durch ein Drehmoment, welches zwischen dem Stift 12 und der Mutter 14 angelegt wird über den Eingriff mittels des Gewindes der Mutter 14 auf den Gewindeabschnitt 26 des Stifts 12. 2a zeigt das Befestigungselement 10 in die Werkstücke 46 und 56 eingesteckt und im Eingriff durch ein Montagewerkzeug 70. Das Werkzeug 70 weist einen in der Fachwelt allgemein bekannten Aufbau auf, und es wird daher nur ein Teil des Werkzeugs 70 gezeigt und dessen konkrete Einzelheiten wurden zur Vereinfachung weggelassen. Die Außenoberfläche 51 der Mutter 14 ist so ausgelegt, dass sie von einem röhrenförmigen Fassungsteil 72 des Montagewerkzeugs 70 zum Antrieb erfasst werden kann, wobei das Fassungsteil so gestaltet ist, dass es die äußere Form der Mutter 14 passend erfassen kann. Das Montagewerkzeug 70 schließt ein inneres Fassungsteil 74 ein, welches so gestaltet ist, dass es den gezahnten Griffabschnitt 30 des Stifts 12 passend erfassen kann. Bei einer Form des Werkzeugs ist das innere Fassungsteil 74 federnd axial nach vorne vorgespannt, um für einen ausreichenden Eingriff in den Griffabschnitt 30 zu sorgen. Das äußere Fassungsteil 72 und das innere Fassungsteil 74 sind so ausgelegt, dass sie relativ zueinander gedreht werden können. Daher wird für die Montage des Befestigungselements 10 das Werkzeug 70 an das äußere Ende des Befestigungselements 10 angelegt, wobei sich das äußere Fassungsteil 72 in Eingriff mit der Mutter 14 befindet und das innere Fassungsteil 74 in Eingriff mit dem Griffabschnitt 30 des Stifts 12. Wenn das Werkzeug betätigt wird, wird das äußere Fassungsteil 74 relativ zum inneren Fassungsteil gedreht, wodurch die Mutter 14 weiter auf den Gewindeabschnitt 26 des Stifts 12 geschraubt wird.
Es gibt zwei herkömmliche Variationen des Montagewerkzeugs 70. Beim ersten Typ können sich sowohl die das innere Fassungsteil 74 als auch das äußere Fassungsteil 72 hinsichtlich des Montagewerkzeugs bewegen, lediglich abhängig vom relativen Drehmoment, welches erforderlich ist, um entweder den Stift oder die Mutter zu drehen. Bei diesem Werkzeugtyp kann sich zu Be ginn des Montagezyklus das innere Fassungsteil 74 drehen, während das äußere Fassungsteil 72 feststehend bleiben kann, wodurch der Stift 12 relativ zur feststehenden Mutter 14 gedreht wird. Wenn die Bestandteile des Befestigungselements 10 in ein gesteigertes Lastverhältnis mit den Werkstücken 46 und 56 gebracht werden, drehen sich gewöhnlich das äußere Fassungsteil und die Mutter 14, während das innere Fassungsteil 72 feststeht.
Beim anderen Typ des Montagewerkzeugs 70 wird das innere Fassungsteil 74 hinsichtlich des Werkzeugs immer feststehend gehalten, und nur das äußere Fassungsteil 72 dreht sich hinsichtlich des Montagewerkzeugs. Mit einem solchen Werkzeug wird der Stift 12 immer feststehend gehalten und die Mutter 14 wird gedreht.
In jedem Fall bewegt sich während dieses Vorgangs der Stift 12 axial relativ zur Mutter 14. Gleichzeitig erlaubt die federnde axiale Vorspannung auf das innere Fassungsteil 74, dass er axial rückwärts bewegt wird, um somit die zusätzliche axiale Bewegung des Stifts 12 relativ zum Werkzeug 70 aufzunehmen. Auf diese Weise wird eine relative axiale Kraft entwickelt zwischen dem Stift 12 und der Hülse 16 aufgrund des Drehmoments, welches vom Werkzeug 70 zwischen dem Stift 12 und der Mutter 14 angelegt wird.
Während der Stift 12 anfängt, sich aufgrund der relativen Drehung mit der Mutter 14 axial zu bewegen, steigert die angelegte relative axiale Kraft gleichzeitig die Säulenbelastung auf die Hülse 16, was dazu führt, dass diese sich am weichgeglühten Abschnitt 35 radial nach außen ausdehnt (oder wölbt), um einen wulstförmig gestalteten Blindkopf 80 an einer Stelle vollständig festzulegen, welche von der nicht zugänglichen Seitenfläche 58 des Werkstücks 56 beabstandet ist, siehe 2b. Beim derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel wird der Wulst bei ca. 50.000 bis 60.000 Pfund Axialkraft gebildet. Bei Zunahme der relativen axiale Kraft bricht die zerbrechliche Scherscheibe 18 in einem Scherabschnitt 82 an der Gegenbohrung unterhalb der Hülse 16, siehe 2c. Bei der derzeit bevorzugten Ausführungsform bricht die Scherscheibe bei ca. 57.000 – 61.000 Pfund Axialkraft. Dies erlaubt dem Scherabschnitt 82 und der Hülse 16, damit zu beginnen, in die Gegenbohrung 52 in der Mutter 14 einzutreten und entfernt jegliche substantielle axiale Last auf den Abschnitt der Hülse 16 unterhalb des wulstförmigen Blindkopfs 80. Der Scherabschnitt 82 der Scherscheibe 18 ist so gewählt, dass er eine ausreichende Festigkeit aufweist, um die Größe der relativen axialen Kraft aufzunehmen, welche erforderlich ist, um den wulstförmigen Blindkopf 80 vor der Abscherung im Wesentlichen vollständig zu bilden.
Die weitere Drehung der Mutter 14 relativ zum Stift 12 führt die axiale Bewegung des Stifts 12 und der Hülse 16 fort, wodurch der Blindkopf 80 in Kontakt mit der nicht zugänglichen Oberfläche 58 des Werkstücks 56 kommt und das Befestigungselement 10 hinsichtlich der Werkstücke 46 und 56 belastet wird, bis eine gewünschte Klemmlast erzielt wird. Die gewünschte Klemmlast wird festgelegt von der Kraft, bei welcher die Bruchrille 28 zu brechen bestimmt ist, wodurch das Anlegen jeglicher weiterer Montagekraft durch das Montagewerkzeug 70 auf das Befestigungselement 10 beschränkt wird. Das Anlegen der Klemmkraft kann vor dem Zerbrechen der Bruchrille 28 auch den wulstförmigen Blindkopf 80 geringförmig weiter ausdehnen. Siehe 2d und 2e, welche das Befestigungselement 10 in den Werkstücken montiert und bis zum Bruchpunkt der Bruchrille 28 belastet zeigen, was beim derzeit bevorzugten Ausführungsbeispiel bei ca. 66.000 – 71.000 Pfund Axialkraft auftritt. 2d zeigt allgemein die maximale Dicke von Werkstücken, für deren Befestigung das Befestigungselement 10, wie abgebildet, vorgesehen ist. 2e zeigt allgemein die minimale Dicke von Werkstücken, für deren Befestigung das Befestigungselement 10, wie abgebildet, vorgesehen ist.
Die Spanne zwischen der maximalen und minimalen Dicke der Werkstücke, welche das Befestigungselement aufnehmen kann, wird von der Tiefe der Gegenbohrung 52 festgelegt, in welche der Scherabschnitt 82 der Scherscheibe 18 und die Hülse 16 eintreten können, wenn der Scherabschnitt 82 abgeschert wird. Die axiale Tiefe der Gegenbohrung 52 wird größer gewählt als der Abstand L von einer freien Endfläche 83 des Blindkopfs 80 der dehnbaren Hülse 16 bis zur nicht zugänglichen Seitenfläche 58 des Werkstücks 56 nach der vollständigen Ausbildung des Blindkopfs 80, wie in 2b gezeigt. Der Abstand L kann variieren in Abhängigkeit von der Gesamtdicke der aneinander befestigten Werkstücke. In einem Minimalgriff-Zustand, d. h. bei einer minimalen Gesamtdicke der Werkstücke 46 und 56, wie in 2e zu sehen, ist der Abstand L maximal, und daher sollte die Tiefe der Gegenbohrung 52 zumindest geringfügig größer sein als dieser maximale Abstand L, um für alle Griffzustände innerhalb des Griffbereiches des Befestigungselements 10 zu gewährleisten, dass der Abschnitt der Hülse 16 unterhalb des Blindkopfs 80 aus dem Lasteingriff mit dem Stift 12 entfernt wird, bevor die freie Endfläche 83 des wulstförmigen Blindkopfs 80 in die nicht zugängliche Seitenfläche 58 eingreift. Dies gewährleistet, dass die Endfläche 83 des wulstförmigen Kopfes 80 frei in Eingriff mit der nicht zugänglichen Seitenfläche 58 des Werkstücks 56 bewegt werden kann, wie in 2d und 2e gezeigt wird. Somit wird die gesamte Größe der relativen axialen Kraft, welche sich aus dem Drehmoment zwischen der Mutter 14 und dem Stift 12 ergibt, an den Werkstücken 46 und 56 angelegt, und zwar im Wesentlichen allein zwischen der Mutter 14, der Scheibe 18 und dem Stift 12 über den Stiftkopf 20 und den wulstförmigen Kopf 80.
Die Anzahl der Gewindegänge der Mutter 14, welche mit dem Gewindeabschnitt 26 des Stiftschafts vollständig und endgültig in Eingriff stehen, wird so gewählt, dass sie ausreicht, um das gewünschte hohe Niveau der Verklammerung der Werkstücke 46 und 56 zur Verfügung zu stellen und um der maximal vorgesehenen Zuglast auf die resultierende Verbindung standzuhalten. Die Länge des Gewindeabschnitts 54 der Mutter 14 wird somit so gewählt, dass sie ausreicht, um die nötige Anzahl von Gewindegängen bereitzustellen, um diesen Lasten bei vollem Eingriff des Gewindes standzuhalten (siehe 2d). Gleichzeitig wird die Länge des Gewindeabschnitts 26 des Stiftschafts so gewählt, dass ein vollständiger Gewindeeingriff in die Gewindegänge der Mutter 14 über den gesamten Griffbereich des Befestigungselements 10 bereitgestellt wird, während für eine minimale überstehende Länge nach der Montage gesorgt wird. Auf diese Weise kann die Ge samtlänge des Befestigungselements 10 sowohl im montierten als auch im nicht montierten Zustand minimiert werden.
Um die Drehmomentlasten bei der Montage zu minimieren und somit das ordnungsgemäße Funktionieren der Bestandteile des Befestigungselements und die beständige ordnungsgemäße Montage des Befestigungselements zu unterstützen, hat sich ein qualitativ hochwertiges, aufgebranntes Trockenschmiermittel wie beispielsweise Molybdändisulphid auf dem Stift 12 und der Oberfläche 48 der Scheibe 18 als wünschenswert erwiesen, um die Reibung zwischen den sich bewegenden Teilen des Befestigungselements 10 zu verringern. In der Praxis ist es auch möglich, wenn auch nicht bevorzugt, dass sich Schmiermittel während des Aufbringvorgangs des Schmiermittels auf den anderen Oberflächen der Scheibe 18 ablagern kann. Dieses zusätzliche Schmiermittel kann dann alternativ von allen Oberflächen entfernt werden, ausgenommen die Oberfläche 48. Ein Molybdändisulphid-Schmiermittel wie beispielsweise Kalgard FA, welches von der Kalgard Corporation hergestellt wird, hat sich als zufriedenstellend erwiesen und wird nach einem Phosphatüberzug aufgebracht.
Eine korrosionsbeständige Galvanisierung mit Zink ist auf der Mutter 14 erwünscht, und ein wachsartiges Schmiermittel wie beispielsweise Paraffin ist auf der Oberfläche 50 der Mutter 14 bevorzugt. Die Hülse 16 ist nicht geschmiert bzw. beschichtet. Wenn die Scherscheibe 18 abschert und der wulstförmige Kopf 80 auf der Hülse 16 sich zur Oberfläche 58 des Werkstücks 56 bewegt, entsteht die Klemmlast zwischen den Werkstücken 46 und 56 durch Drehung der Mutter 14 relativ zum Stift 12 und gegen die feststehende Scheibe 18.
Bei manchen Anwendungen mag es zusätzlich zu der Beschichtung und/oder Galvanisierung, welcher der Stift 12, die Mutter 14 und die Scheibe 18 unterzogen werden, wünschenswert sein, ein Korrosionsschutzöl auf die Hülse 16 aufzutragen. Ein Typ von Korrosionsschutzöl kann ein Öl sein, welches unter dem Handelsnamen LANACOTE von Amrep, Inc. verkauft wird.
Die Wirkung des Winkels der Oberfläche 21 zum Stift 12 wird in 3 – 6 gezeigt. Bei Anordnungen des Standes der Technik, welche zwei Hülsen einsetzen, und bei welchen die sich auswölbende Hülse relativ weich ist, wurde die Oberfläche 21 in einem 12° Winkel über einer zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene platziert. Dies wurde vorgenommen, um das weiche, sich wölbende Hülsenmaterial um den Stiftkopf so zu führen, dass es einen tulpenförmigen Wulst bildet. Beim Befestigungselement der vorliegenden Erfindung wurde jedoch festgestellt, dass eine solche "Tulpenbildung" der Hülse die Festigkeit des Befestigungselements 10 verringert. Es ist daher wünschenswert zu verhindern, dass sich die relativ harte Hülse des vorliegenden Befestigungselements nach oben bewegt und sich um den Stiftkopf 20 formt. Es wurde ebenfalls festgestellt, dass unerwünschte Schwankungen der Klemmlast auftreten können, wenn die äußere umfängliche Ecke der Oberfläche 21 des Stiftkopfes 20 dauerhaft deformiert wird oder sogar abschert. Somit ist der Winkel der Oberfläche 21 kritischer, wenn er mit der härteren Hülse der vorliegenden Erfindung kombiniert wird, und wurde so konstruiert, dass die vorstehend erwähnten Mängel minimiert werden.
Als bevorzugter Winkel wurde 1° unterhalb einer zur Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene festgestellt, wie in 3a gezeigt. Anders ausgedrückt, ist dies ein Winkel von 89° zwischen der Oberfläche 21 und dem verlängerten Schaft 22. Es hat sich gezeigt, dass dieser Winkel der Tendenz der Hülse, über den Kopf 20 hoch zu rutschen, wiedersteht sowie das Anschwellen oder Abscheren der äußeren umfänglichen Ecke der Oberfläche 21 des Stiftkopfs 20 minimiert. Eine bildhafte Darstellung einer tatsächlichen Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements der vorliegenden Erfindung mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel ist in 3b gezeigt. Aus 3b ist ersichtlich, dass die Hülse nicht über den Stiftkopf 20 hochgerutscht ist und dass die äußere umfängliche Ecke der Oberfläche 21 nur sehr geringfügig angeschwollen ist. Es hat sich gezeigt, dass dieses Ausführungsbeispiel die Abweichungen der Klemmlast zwischen mehreren Befestigungselementen verbessert.
4a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Oberfläche 21 mit einem Winkel von 5° unter einer zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene versehen wurde. Wie jedoch aus 4b ersichtlich ist, einer bildhaften Darstellung einer tatsächlichen Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel, führte dieses Ausführungsbeispiel zu einer erheblichen dauerhaften Deformation der äußeren umfänglichen Ecke der Oberfläche 21 sowie zu erheblicher dauerhafter Deformation nach außen der Hülse 16 selbst, was ausreicht, um zu unerwünschten Abweichungen der Klemmlast zu führen.
5a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Oberfläche 21 mit einem Winkel von 5° über einer zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene versehen wurde. Wie jedoch aus 5b ersichtlich ist, einer tatsächlichen Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel, führte dieses Ausführungsbeispiel zu einem Hochrutschen der Hülse über den Stiftkopf 20, wodurch eine ordnungsgemäße Klemmlasterzeugung des Befestigungselements verhindert wurde.
6a zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei welchem die Oberfläche 21 mit einem Winkel von 12° unter einer zu einer Achse des Stifts 12 senkrechten Ebene versehen wurde. Wie jedoch aus 12b ersichtlich ist, einer tatsächlichen Photographie eines Abschnitts eines bereits montierten Befestigungselements mit einem Stiftkopf mit einem solchen Winkel, führte dieses Ausführungsbeispiel zu einer schweren dauerhaften Deformation und sogar zu einer Abscherung der äußeren umfänglichen Ecke der Oberfläche 21 sowie zu einer schweren dauerhaften Deformation nach außen der Hülse 16 selbst, und führte zu unerwünschten Abweichungen der Klemmlast. Dieses Ausführungsbeispiel ähnelt dem Ausführungsbeispiel des Stiftkopfes, welches im Patent '592 offenbart ist.
Es wurde ebenfalls festgestellt, dass die Festigkeit des Befestigungselements 10 variiert in Abhängigkeit von der Höhe des Abschnitts der Hülse 16 über dem Blindkopf 80 und unter der Oberfläche 21 des Stiftkopfs 12. Wie aus einem Vergleich der 7a und 7b ersichtlich ist, kann eine Höhe H eines Fußes 84 der Hülse 16 über dem Blindkopf 80 variiert werden in Abhängigkeit von der axialen Platzierung des weichgeglühten Abschnitts 35 auf der Hülse 16. Wenn der weichgeglühte Abschnitt höher auf der Hülse 16 platziert wird, bildet sich der Blindkopf 80 höher auf der Hülse und sorgt für einen Fuß 84 mit einer kleineren Höhe H, wie in 7a zu sehen ist. Diese Höhe H kann auch von der Breite des Streifens 28 beeinflusst werden. Wenn andererseits der weichgeglühte Abschnitt 35 niedriger auf der Hülse 16 platziert wird, bildet sich der Blindkopf 80 niedriger auf der Hülse 16 und sorgt für einen Fuß 84 mit einer größeren Höhe H.
8a und 8b zeigen vergrößerte Ansichten der auf Stift 12 montierten Hülse 16 von 7a bzw. 7b. Wie beim Vergleich von 8a und 8b zu sehen ist, stellt die Hülse 16 mit einem kurzen Fuß 84 tatsächlich eine längere Scherlinie zwischen dem Stiftkopf 20 und dem Werkstück 56 (nicht gezeigt) bereit als die Hülse 16 mit dem längeren Fuß 84. Dies ergibt sich aus der geringfügigen Schwellung nach außen der Hülse 16 am Fuß 84 bei Montage des Befestigungselements in der Weise, dass die Scherlinie sowohl die Länge des Blindkopfs 80 als auch die Länge des Fußes 84 einschließt. Siehe auch 3b.
Es gibt eine ähnliche Schwellung des oberen Abschnitts des Fußes 84 der Hülse, welche in 7b und 8b gezeigt ist, dergestalt dass der obere Abschnitt des Fußes 84 die Scherlinie überlappt. Da die Schwellung sich jedoch nicht über die gesamte Länge des Fußes 84 erstreckt, wird die Länge der Scherlinie in diesem Ausführungsbeispiel nicht so verlängert, dass sie die Länge des Fußes 84 einschließt, sondern sie erstreckt sich nur über die Länge des Blindkopfes 80. Die Länge der Scherlinie nimmt nur zu, wenn sich der Fuß auf eine solche Weise vergrößert, dass die Scherlinie kontinuierlich sowohl den Blindkopf 80 und einen Abschnitt des Fußes 84 überlappt, wie in 7a und 8a gezeigt wird. Wenn die Überlappung nicht kontinuierlich ist, wie in 7b und 8b gezeigt, nimmt die Länge der Scherlinie nicht zu. Die Festigkeit des Befestigungselements wird stattdessen nur auf der Länge der Scherlinie durch den Blindkopf basieren. Daher stellt das Ausführungsbeispiel von 7a und 8a aufgrund der längeren Scherlinie ein stärkeres Befestigungselement bereit und ist das bevorzugte Ausführungsbeispiel, während das Ausführungsbeispiel von 7b und 8b eher den Stand der Technik repräsentiert, wie in den Patenten '592 und '460 zu sehen ist.
Bei der Verwendung von Materialien mit hoher Festigkeit und hoher Härte ist es wünschenswert, die Belastungskonzentrationen zu verringern, wie beispielsweise jene an der Verbindung zwischen der inneren Oberfläche 21 des Stiftkopfs 20 und dem glatten Schaftabschnitt 24. Dies wird durch Runden der Verbindung erreicht. Zusätzlich werden Abschrägungen am Innendurchmesser auf den gegenüberliegenden Enden der Hülse bereitgestellt, um zu verhindern, dass die Hülse in die gerundete Verbindung einschneidet. Andere Verbindungen und Ecken können ähnlich gerundet und abgeschrägt werden.
Zusätzlich zu der Verringerung der erwähnten Belastungskonzentrationen ist es erwünscht, Belastungskonzentrationen zwischen Gewinde und Gegengewinde zu verringern. Die Gewindegänge des mit Gewinde versehenen Schaftabschnitts sind daher so geformt, dass sie im Allgemeinen eine geringe Tiefe aufweisen und einen Gewindegrund mit einer im Allgemeinen stromlinienförmigen Kontur aufweisen. Bei einem Ausführungsbeispiel könnten für die Gewindegänge daher die Rillenform und die Ideen von US-Patent Nr. 5090852, welches am 25. Februar 1992 für Dixon erteilt wurde, eingesetzt werden. Mit diesem Aufbau des Gewindegrunds wird die Belastungskonzentration an den Gewinden ebenfalls verringert.
Wie im Dixon Patent '852 erwähnt, können die Gewindegänge einen spiralförmigen Aufbau mit geringer Tiefe haben, mit einer im Allgemeinen stromlinienförmigen Form, wodurch ein hochfester Verbindungsaufbau mit einer erwünschten hohen Klemmlast erzielt werden kann. Bei der erwähnten Gewindestruktur mit geringer Tiefe ist eine enge Toleranzpassung mit den Gewindegängen der Mutter 14 erwünscht. Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden ähnliche Toleranzen benutzt wie bei einer Gewindepassung der Klasse 3.
Wie erwähnt, ist es wünschenswert, dass das hochfeste Befestigungselement der vorliegenden Erfindung an der Verbindungsstelle eine hohe endgültige Klemmlast liefert. Um dieses Ergebnis zu erzielen, sind hohe Montagelasten des Montagewerkzeugs 70 erforderlich, einschließlich der endgültigen Bruchlast des Stifts an der Bruchrille 28. Diese Lasten werden jedoch durch ein Drehmoment angelegt und werden daher im Allgemeinen vom Werkzeug 70 aufgenommen und im Wesentlichen nicht auf den Bediener übertragen, welcher das Montagewerkzeug 70 handhabt. Die hohe Last, die beim Bruch des Stifts an der Bruchrille 28 auftritt, wird daher durch das Anlegens des Drehmoments an das Befestigungselement 10 im Wesentlichen vom Werkzeug 70 aufgenommen. Die Größe des Montagedrehmoments, welches durch das Montagewerkzeug 70 aufgebracht werden muss, kann wesentlich reduziert werden durch die Verwendung der bereits erläuterten selektiven Schmierung, so dass die Drehgeschwindigkeit, die letztendlich vom Werkzeug 70 ausgegeben wird, erhöht werden kann, wodurch die zur Montage erforderliche Zeit erheblich reduziert werden kann.
Ein alternatives Ausführungsbeispiel der Scherscheibe ist in 10a–c zu sehen. Anstelle der Gegenbohrung 38 schließt die Scheibe des alternativen Ausführungsbeispiels, welches in 10a–c gezeigt ist, eine ringförmige Nut 90 auf jeder Oberfläche 42 und 48 ein, konzentrisch mit der Bohrung 40. Jede Nut weist vorzugsweise einen halbkreisförmigen Querschnitt auf, wie in der vergrößerten Ansicht von 10c zu sehen ist. Die Nut kann auch verschiedenen Formen aufweisen, einschließlich einer V-Form, und kann im Vergleich zueinander unterschiedliche Formen und Tiefen aufweisen. Die beiden Nuten 90 wirken als Belastungsverstärker auf die Scheibe 18, um einen zerbrechlichen Abschnitt dazwischen zu bilden, welcher bei Montage des Befestigungselements abschert. Alternativ kann auch nur eine einzelne Nut 90 auf einer Oberfläche der Scheibe vorgesehen sein. Die Kraft, bei welcher die Scherscheibe bricht und abschert, kann wie gewünscht variiert werden durch Veränderung der Dicke der Scheibe, des Materials, aus welchem die Scheibe aufgebaut ist und der Größe, Form und Platzierung der Strukturen, welche die Belastung verstärken.
Die verschiedenen Merkmale der unterschiedlichen offenbarten Scherscheiben können auch alternativ in verschiedenen Kombinationen kombiniert werden, um alternative Ausführungsbeispiele von Scherscheiben zu kreieren.
Bei vielen Anwendungen mit mit Gewinde versehenen Befestigungselementen ist es erwünscht, dass es nach der Montage möglich ist, das Befestigungselement zu entfernen, indem die Mutter vom Bolzen abgeschraubt wird, oder in manchen Fällen, die Verbindung wieder festzuziehen, indem ein zusätzliches Drehmoment zwischen der Mutter und dem Bolzen angelegt wird. Bei gewissen Anwendungen kann das anfängliche Lösungsdrehmoment zum Entfernen ziemlich hoch sein, dergestalt, dass beim Anwenden eines Schraubenschlüssels nur auf die Mutter (wie beispielsweise Mutter 14) zum Entfernen oder erneuten Festziehen sich sowohl die Mutter als auch der zugehörige Stift oder Bolzen zusammen drehen und ein Entfernen durch Abschrauben oder das Festziehen etwas schwierig oder sogar unmöglich machen. Beim alternativen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, welches in 11 gezeigt ist, wird ein Aufbau bereitgestellt, welcher ein separates Erfassen des Stifts und der Mutter nach der Montage des Befestigungselements zum Anlegen eines Drehmoments erlaubt, wodurch ein Entfernen oder erneutes Festziehen erleichtert wird.
Wie aus 11 ersichtlich ist, schließt der Gewindeabschnitt 26 innerhalb der Bruchrille 28 einen sekundären mit Keilverzahnungen/Gewinde versehenen Abschnitt 27 ein, ähnlich dem Griffabschnitt 30. Bei der endgültigen Montage und Entfernung des gezahnten Stiftendabschnitts (30) durch Brechen der Bruchrille 28 bleibt somit der sekundäre gezahnte Abschnitt 27 am freien Ende des Stifts 12. Die anderen Bestandteile dieses Ausführungsbeispiels des Befestigungselements sind die gleichen wie das in 1 gezeigte Ausführungsbeispiel.
Der sekundäre gezahnte Abschnitt 27 wird mit einer ausreichenden Länge gewählt, so dass er sich im maximalen Griffzustand weit genug über das äußere Ende der Mutter 14 erstreckt, um von einem mit Rillen versehenen Fassungsteil ordnungsgemäß erfasst zu werden (wie beispielsweise das innere Fassungsteil 74 am Werkzeug 70). Die Mutter 14 kann ebenfalls erfasst werden über ein sechseckiges Fassungsteil (wie beispielsweise das sechseckige Fassungsteil 72 am Werkzeug 70). Der Stift 12 wird daher relativ zur Mutter 14 festgehalten, so dass ein Drehmoment zum Entfernen oder Festziehen zwischen dem Stift 12 und der Mutter 14 angelegt werden kann (welcher Bestandteil sich dreht, hängt wie vorstehend erläutert von der Art des verwendeten Montagewerkzeugs ab). Der minimale Überstand des sekundären gezahnten Abschnitts 27 über das äußere Ende der Mutter 14 würde in einem maximalen Griffzustand auftreten, d. h. bei einer maximalen Gesamtdicke der Werkstücke 46 und 56 innerhalb des Griffbereichs des Befestigungselements 10. Gleichzeitig würde der maximale Überstand des sekundären gezahnten Abschnitts 27 über das äußere Ende der Mutter 14 beim minimalen Griffzustand auftreten, d. h. bei einer minimalen Gesamtdicke der Werkstücke 46 und 56 innerhalb des Griffbereichs des Befestigungselements 10. Es ist wünschenswert, den Überstand so kurz wie möglich zu halten. Dies wird durchgeführt, indem zunächst die Länge des sekundären gezahnten Abschnitts 27 festgestellt wird, welche erforderlich ist, um für einen ausreichenden Eingriff in das dazu passende Fassungsteil zu sorgen, um dem Drehmoment für das Entfernen in einem maximalen Griffzustand standzuhalten. Wenn dies so kurz als möglich festgelegt wurde, würde der maximale Überstand des sekundären gezahnten Abschnitts 27, im minimalen Griffzustand, eine Strecke sein entsprechend der Grifflänge plus der vorgewählten Länge des Überstands, welcher für den maximalen Griffzustand als ausreichend bestimmt wurde.
Beim bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Befestigungselement die folgenden Spezifikationen auf, wobei die angegebenen Abmessungen ungefähr sind und innerhalb von Toleranzparametern Abweichungen unterliegen. Der Stift 12 ist aus 4140 Stahl hergestellt und nach der Bearbeitung (oder dem Formen) auf R 36–38 gehärtet. Der Stiftkopf 20 hat einen Durchmesser von 2,799 cm (1,102 Zoll) und eine Länge von 1,207 cm (0,475 Zoll), der Schaft 22 hat eine Gesamtlänge von 16,289 cm (6,413 Zoll), der glatte Schaftabschnitt 24 hat einen Durchmesser von 2,2 cm (0,866 Zoll) und eine Länge von 7,112 cm (2,80 Zoll), der Gewindeabschnitt 26 hat einen Außendurchmesser von 2,2 cm (0,876 Zoll) und ist 7,366 cm (2,9 Zoll) lang und die Bruchrille 28 hat einen Fußdurchmesser von 1,549 cm (0,610 Zoll). Der Gewindeabschnitt 26 weist ein Gewinde mit einem Kerndurchmesser von 2,073 cm (0,816 Zoll), eine Bezugs-Schraubenspitze von 0,109 cm (0,429 Zoll) und eine Steigung von 0,318 cm (0,125 Zoll) auf, ebenso wie der Griffabschnitt 30, wobei der Griffabschnitt 30 auch zwölffache Keilverzahnungen zum Antrieb aufweist mit einem Außendurchmesser von 2,151 cm (0,857 Zoll).
Die röhrenförmige Hülse ist aus 4130 Stahl hergestellt und nach der Bearbeitung auf 46–49 RC gehärtet. Sie weist einen Außendurchmesser von 2,789 cm (1,098 Zoll), einen Innendurchmesser von 2,253 cm (0,887 Zoll) und eine Länge von 9,975 cm (3,927 Zoll) auf. Der weichgeglühte Streifen 35 ist bei ca. 1,524 cm (0,600 Zoll) von der Endfläche 34 zentriert und weist über seine axiale Breite ein typisches Härteprofil auf, wie in 12 gezeigt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weist der Blindkopf nach der Montage einen typischen Außendurchmesser von 4,191 cm (1,650 Zoll) und eine Höhe von 0,592 cm (0,233 Zoll) auf, und der Fuß 84 ist relativ kurz, um die in Zusammenhang mit 7a und 8a erläuterten Vorteile bereitzustellen, wobei er nach der Montage des Befestigungselements eine typische Länge von 0,299 – 0,330 cm (0,090 – 0,130 Zoll) aufweist. Der Außendurchmesser des Fußes 84 schwillt nach der Montage im Vergleich zum anfänglichen Außendurchmesser typischerweise um 0,51 – 0,27 cm (0,20 – 0,50 Zoll) an (oder um ca. 1,8 – 4,5 %). In dieser Hinsicht sollte die Schwellung zwischen 1,5 – 5,0 liegen. Mit dieser kurzen Konstruktion des Fußes 84, wie in 7a und 8a dargestellt, liegt die Versagenslast des Befestigungselements typischerweise bei über 93.000 Pfund. Im Vergleich dazu weist die Befestigungselementkonstruktion, welche in 7b und 8b gezeigt ist, typischerweise eine Versagenslast von ca. 83.000 Pfund auf. Die Konstruktion mit dem kurzen Fuß 84 stellt daher eine beträchtliche Erhöhung der Versagenslast des Befestigungselements bereit.
Alternativ kann die Hülse zur Korrosionsbeständigkeit aus einem geeigneten rostfreien Stahl hergestellt sein. Obgleich es nicht bevorzugt ist, kann der Streifenabschnitt 35 nicht durch Weichglühen eines Abschnitts der harten Hülse 16 bereitgestellt werden, sondern statt dessen, indem die anderen Abschnitte der Hülse hinsichtlich des Streifenabschnitts 35 gehärtet werden.
Die Scherscheibe 18 ist aus 4140 Stahl hergestellt und wird nach der Bearbeitung (oder dem Formen) auf 41 – 44 RC gehärtet. Sie weist eine Dicke von 0,584 cm (0,23 Zoll), einen Außendurchmesser von 4,648 cm (1,83 Zoll), einen Durchmesser der Gegenbohrung 38 von 2,870 cm (1,130 Zoll), einen Durchmesser der Durchgangsbohrung 40 von 2,228 cm (0,887 Zoll) und eine Dicke unterhalb der Durchgangsbohrung 38 (d. h., die Dicke des Scherabschnitts) von 0,366 (0,144 Zoll) auf.
Die Mutter 14 ist aus 4130 Stahl hergestellt und nach der Bearbeitung (oder dem Formen) auf 36–38 RC gehärtet. Zwischen gegenüberliegenden sechseckigen Stirnseiten weist sie eine Breite von 4,114 cm (1,62 Zoll) auf, eine Gesamthöhe von 3,81 cm (1,50 Zoll), eine Tiefe der Gegenbohrung 52 von 1,397 cm (0,55 Zoll) und einen Durchmesser von 2,858 cm (1,125 Zoll) und eine mit Gewinde versehende Bohrung 54 mit einem Gewinde mit einem Außendurchmesser von 2,270 cm (0,894 Zoll), einem Kerndurchmesser von 2,121 cm (0,835 Zoll) und ist so ausgelegt, dass sie ordnungsgemäß in den Gewindeabschnitt 26 des Stifts 12 eingreift.
Der Griffbereich des Befestigungselements liegt bei ± 1 mm. Es ist zur Verwendung bei herkömmlichen nominalen 27 mm Anwendungen vorgesehen, bei welchen die Bohrung gewöhnlich mit einem 30 mm-Bohrer gebohrt wird. Selbstverständlich kann das Befestigungselement in alternativen Größen und mit alternativen Griffbereichen zur Verfügung gestellt werden.
Es sollte zur Kenntnis genommen werden, dass verschiedene Merkmale von unterschiedlichen Ausführungsbeispielen untereinander ausgetauscht werden können, um unterschiedliche Ausführungsbeispiele bereitzustellen. Bei den gezeigten Ausführungsbeispielen ist zusätzlich ersichtlich, dass es für Befestigungselemente des gleichen Durchmessers zur Verwendung in unterschiedlichen Griffbereichen tatsächlich nur nötig ist, den Stift und die Hülse zu wechseln, um die erforderlichen Veränderungen bei der Länge der Befestigungselemente unterzubringen. Dieses Merkmal vereinfacht die Herstellung und die Anforderungen an den Lagerbestand der Befestigungselement-Bestandteile.
Obgleich diese Erfindung in Zusammenhang mit dem derzeit als praktischsten und als bevorzugt betrachteten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, sind selbstverständlich weitere Modifikation möglich, und sie sollte nicht auf das offenbarte Ausführungsbeispiel beschränkt wer den, und es ist vorgesehen, dass diese Anmeldung sämtliche Variationen, Verwendungen, äquivalente Anordnungen oder Adaptionen der Erfindung abdeckt, welche dem Rahmen der Erfindung folgen, wie sie in den anhängigen Ansprüchen festgelegt ist.

Claims

Blindbolzen (10) zum Befestigen einer Vielzahl von Werkstücken (46, 56) bei einer gewünschten Klemmlast, wobei die Werkstücke ausgerichtete Öffnungen (60, 62) aufweisen und eine zugängliche Seitenfläche (44) und eine nicht zugängliche Seitenfläche (58) aufweisen, und welcher ausgelegt ist zur Montage durch eine relative axiale Kraft, die von einem Montagewerkzeug von der zugänglichen Seitenfläche (44) der Werkstücke aufgebracht wird, wobei der Blindbolzen (10) umfasst: einen Stift (12) mit einem verlängerten Stiftschaft (22), der an einem Ende in einem vergrößerten Stiftkopf (20) endet, und am anderen Ende einen mit Gewinde versehenen Abschnitt (26) aufweist, wobei der Stiftkopf (20) auf einer Unterseite eine Oberfläche (21) zum Eingriff in die Hülse einschließt, wobei ein Winkel zwischen der Oberfläche (21) zum Eingriff in die Hülse und dem verlängerten Stiftschaft (22) zwischen ca. 88 bis 90° beträgt; eine allgemein verlängerte röhrenförmige Hülse (16), welche ausgelegt ist zur Aufnahme des Stiftschafts (22), wobei die röhrenförmige Hülse (16) einen ersten Hülsenschaftabschnitt einschließt, welcher ausgelegt ist zur Anordnung in den ausgerichteten Öffnungen (60, 62) in den Werkstücken (46, 56), und einen zweiten Hülsenschaftabschnitt (35), welcher auf dem Stiftschaft (22) angeordnet ist zwischen dem Stiftkopf (20) und dem ersten Hülsenschaftabschnitt, und welcher angeordnet ist zum Eingriff in die Oberfläche (21) des Stiftkopfs (20), die mit der Hülse in Eingriff tritt, wobei der zweite Hülsenschaftabschnitt (35) einen Bandabschnitt (35) einer vorbestimmten axialen Länge aufweist, wobei der Bandabschnitt 35 eine Härte aufweist, die geringer ist als die Härte des ersten Hülsenschaftabschnitts; eine mit Gewinde versehene Mutter (14) zum Eingriff in den mit Gewinde versehenen Abschnitt (26) des Stiftschafts und operativ verbunden mit der röhrenförmigen Hülse (16) und ausgelegt zum Eingriff durch das Montagewerkzeug, wodurch die relative axiale Kraft durch das Montagewerkzeug aufgebracht werden kann zwischen dem Stift (12) und der Mutter (14), um die Werkstücke (46, 56) mit einer relativen axialen Kraft einer ersten Größenordnung zusammenzuklemmen; wobei der zweite Hülsenschaftabschnitt ist am Bandabschnitt (35) zwischen dem Stiftkopf (20) und der nicht zugänglichen Oberfläche (58) der Werkstücke (46, 56) radial deformierbar in Reaktion auf die relative axiale Kraft einer zweiten Größenordnung, die geringer ist als die erste Größenordnung, um einen vergrößerten, wulstartigen Blindkopf (80) zu bilden, um auf die nicht zugängliche Seitenfläche (58) zu wirken und einen Hülsenfußabschnitt (84), welcher sich zwischen dem Blindkopf und der Oberfläche (21) zum Eingriff in die Hülse über eine vorgewählte Länge erstreckt; eine Scherscheibe (18), welche zwischen der Hülse (16) und der Mutter (14) auf der zugänglichen Seite (44) der Werkstücke platziert ist zur Übertragung der relativen axialen Kraft der zweiten Größenordnung auf den zweiten Hülsenschaftabschnitt (35) durch den ersten Hülsenschaftabschnitt und einen zerbrechlichen Scherabschnitt (82) aufweist, welcher in Reaktion auf eine dritte Größenordnung einer relativen axialen Kraft, welche geringer als die erste Größenordnung und größer als die zweite Größenordnung ist, schert und den ersten Hülsenschaftabschnitt aus einem Axiallast-tragenden Verhältnis mit dem Stiftkopf (20) heraus bewegt, wodurch der Blindkopf (80) mit der nicht zugänglichen Seitenfläche (58) so in Eingriff tritt, dass die erste Größenordnung der relativen axialen Kraft und die endgültige Klemmlast, welche auf die Werkstücke (46, 56) aufgebracht wird, im Wesentlichen zwischen dem Stift (12), dem Blindkopf (80) und der Mutter (14) auftritt; und wobei der Hülsenfußabschnitt (84) sich radial nach außen ausdehnt bei Aufbringung der relativen axialen Kräfte, wobei die vorgewählte Länge des Hülsenfußabschnitts (84) so ist, dass der Hülsenfußabschnitt (84) sich ausreichend ausdehnt, um die Länge einer Scherlinie durch den Blindkopf (80) zwischen den Werkstücken (46, 56) und dem Stiftkopf (20) zu vergrößern, um die vorgewählte Länge des Hülsenfußabschnitts (84) beständig einzuschließen.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei die Scherscheibe (18) eine Seite (42) umfasst, welche ausgelegt ist, um mit der zugänglichen Seitenfläche (44) der Werkstücke (46, 56) in einem lasttragenden Verhältnis zu stehen.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei der mit Gewinde versehene Abschnitt (26) des Stifts (12) durch eine spiralförmige Gewindeform festgelegt wird, wobei die Mutter (14) eine Gegengewindeform aufweist, die ausgelegt ist, um mit dem mit Gewinde versehenen Abschnitt (26) in Eingriff zu treten, wodurch die relative axiale Kraft zwischen dem Stift und der Mutter (14) durch das relative Drehmoment bereitgestellt wird, das zwischen dem Stift (12) und der Mutter (14) angelegt wird.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei der Stiftschaft (22) einen mit Keilverzahnungen versehenen Endabschnitt (30) einschließt, welcher ausgelegt ist für den Eingriff des Montagewerkzeugs, wodurch ein Drehmoment angelegt werden kann zwischen dem Stift (12) und der Mutter (14), wobei der mit Keilverzahnungen versehende Endabschnitt (30) eine Vielzahl von sich axial erstreckenden, spitz zulaufenden Keilverzahnungen (32) aufweist, welche von Rippen festgelegt werden, die sich radial von Füßen der Keilverzahnungen erstrecken, wobei die Keilverzahnungen (32) im Allgemeinen gleichmäßig um den Umfang verteilt sind, wobei eine Vielzahl von Keilverzahnungen (32) in jedem Quadranten um den Endabschnitt (30) platziert ist, wobei sich eine spiralförmige Gewindeform des mit Gewinde versehenen Abschnitts (26) des Stifts (12) über den mit Keilverzahnungen versehenen Endabschnitt (30) erstreckt, wobei die Außen- und Kerndurchmesser der Keilverzahnungsrippen und -füße im Wesentlichen die gleichen und kompatibel sind mit den Außen- und Kerndurchmessern der spiralförmigen Gewindeform des mit Gewinde versehenen Abschnitts, wodurch die Mutter (14) darüber geschraubt werden kann.
Blindbolzen nach Anspruch 1 oder 4, wobei der Winkel zwischen der Oberfläche, die mit der Hülse in Eingriff tritt, und dem verlängerten Stiftschaft (22) ca. 89 ° beträgt.
Blindbolzen nach Anspruch 5, wobei ein Abschnitt des Bandabschnitts (35) eine Härte zwischen 28 und 35 HRC aufweist.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei ein Abschnitt des Bandabschnitts (35) eine Härte zwischen 28 und 35 HRC aufweist.
Blindbolzen nach Anspruch 6 oder 7, wobei der erste Hülsenschaftabschnitt eine Härte zwischen 46 und 49 HRC aufweist.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei die Mutter (14) eine Senkung (52) einschließt, welche an die Scherscheibe (18) angrenzt, zur Aufnahme des zerbrechlichen Scherabschnitts (82), nachdem er von der Scherscheibe (18) abschert.
Blindbolzen nach Anspruch 9, wobei die Senkung (52) der Mutter eine Tiefe aufweist, die einen Greifhohlraum einer vorgewählten Länge festlegt, welche im Allgemeinen dem Greifbereich des Befestigungselements entspricht, wobei der Greifbereich festgelegt ist als die Differenz zwischen der minimalen und der maximalen Gesamtdicke der Werkstücke (46, 56), die ein einzelnes Befestigungselement aneinander befestigen kann.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei der Scherabschnitt (82) der Scherscheibe (18) einen Abschnitt mit einer verringerten Dicke der Scherscheibe einschließt, welcher durch eine Senkung (38) in der Scherscheibe (18) gebildet wird.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei der Scherabschnitt der Scherscheibe (18) einen Abschnitt mit einer verringerten Dicke der Scherscheibe einschließt, welcher durch zumindest eine kreisförmige Nut (90) auf einer Seite der Scherscheibe (18) gebildet wird.
Blindbolzen nach Anspruch 12, wobei der Scherabschnitt (82) der Scherscheibe (18) einen Abschnitt mit einer verringerten Dicke der Scherscheibe einschließt, welcher durch zumindest eine kreisförmige Nut (90) auf jeder Seite der Scherscheibe (18) gebildet wird.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei die radial nach außen gerichtete Erstreckung des Außendurchmessers des Hülsenfußabschnitts (84) zwischen 1,5 und 5,0 % beträgt.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei die radial nach außen gerichtete Erstreckung des Außendurchmessers des Hülsenfußabschnitts (84) zwischen 1,8 und 4,5 % beträgt.
Blindbolzen nach Anspruch 15, wobei die Länge des Hülsenfußabschnitts (84) über dem Blindkopf (80) zwischen 0,229 und 0,330 cm (0,090 bis 0,130 Zoll) beträgt.
Blindbolzen nach Anspruch 1, wobei die Länge des Hülsenfußabschnitts (84) nach der Bildung des vorstehend genannten Blindkopfs (80) zwischen 0,229 und 0,330 cm (0,090 bis 0,130 Zoll) beträgt.