DE60312971T2

DE60312971T2 - Anstauchbares befestigungselement mit optimierten verriegelungsnuten und scheiteln und verfahren zur ausführung desselben

Info

Publication number: DE60312971T2
Application number: DE60312971T
Authority: DE
Inventors: Thomas E. Tucson HARBIN; Hai-Tao Tucson WANG; Michael U. Tucson MARCH
Original assignee: Huck International Inc
Current assignee: Huck International Inc
Priority date: 2002-04-05
Filing date: 2003-02-19
Publication date: 2007-12-13
Anticipated expiration: 2023-02-20
Also published as: CA2481053C; CA2754095A1; DE60312971D1; CN100347456C; AU2003211151A1; US20050079030A1; WO2003087593A1; US7195438B2; US20030190215A1; ES2286451T3; BR0309000A; EP1492961A1; CN1653276A; EP1492961B1; ATE358784T1; BRPI0309000B1; CA2754095C; JP2005522641A; CA2481053A1; JP4686130B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein zweiteiliges Verbindungselement des Stauchverformungstyps mit einem Bolzen und einem Bund, wobei der Bund zum Stauchverformen in die Rastnuten ausgelegt ist, und insbesondere Verbindungselemente des Stauchverformungstyps mit optimierter Rastnut und Spitze für eine Vielzahl von Anwendungen mit einer Vielzahl von Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlicher Festigkeit. Die optimierte Ausführung der Rastnut und Spitze kann in einer Vielzahl von Anwendungen zum Einsatz kommen, da die Rastnuten und Spitzen stauchverformtes Material von Bunden aufnehmen können, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und unterschiedliche Festigkeit aufweisen. Außerdem wird ein Verfahren zur Konstruktion eines Verbindungselements angegeben, das eine optimierte Rastnut- und Spitzengeometrie aufweist und als einheitliche Bauform für Einsatz in der Vielzahl von Anwendungen mit Bunden, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen und unterschiedliche Festigkeit aufweisen, geeignet ist.
Verbindungselemente des Stauchverformungstyps kommen in Zieh- oder Stummelausführung. Ein typisches Verbindungselement des Stauchverformungstyps weist einen Bolzen und einen Bund auf, wobei die Ziehausführung einen Bolzenschaft mit Rastabschnitt mit Rastnuten und Ziehabschnitt mit Ziehnuten aufweist. Die Ziehnuten werden von entsprechenden Zähnen im Spannfutter eines Montagewerkzeugs aufgegriffen, dessen Gesenkamboss mit dem Bund zum Eingriff kommt, wodurch eine relative Axialkraft zwischen Bolzen und Bund zur Wirkung kommen kann, um den Amboss über den Bund zu bringen und diesen in die Rastnuten zu stauchen
Bei Verbindungselementen des Stauchverformungstyps in Ziehausführung ist der Ziehabschnitt mit dem Rastnutenabschnitt über eine Bruchnut geringerer Festigkeit verbunden, die bei einer vorgegebenen axialen Zugkraft bricht, welche die zum Stauchverformen des Bundes erforderliche übersteigt, wobei der Ziehabschnitt oder die Pinne nach dem Stauchverformen vom Bolzenschaft abgetrennt und entfernt wird. Die Bruchnut ist stark genug, um den beim Stauchverformen auftretenden hohen Zugkräften standzuhalten, und die Ziehnuten müssen ebenfalls stark genug sein, um die relative axiale Zugkraft der Zähne des Spannfutters des Montagewerkzeugs aufzunehmen. Der Ziehabschnitt muss also gewöhnlich einen relativ großen Durchmesser haben und daher genug Material für die erforderliche Größe und Festigkeit der Bruchnut, wobei auch dafür zu sorgen ist, dass nicht anstelle der Bruchnut die Ziehnuten brechen.
Ein typisches Verbindungselement in Stummelausführung weist einen Bolzen und einen Bund auf, wobei der Bolzenschaft mit einem Rastabschnitt mit Rastnuten versehen ist. Der Unterschied zwischen der Ziehausführung und der Stummelausführung liegt darin, dass die letztere keinen Ziehabschnitt mit Ziehnuten aufweist. Außerdem kommt bei Verbindungssystemen in Stummelausführung ein Montagewerkzeug zur Anwendung, dessen Gesenkamboss zum Eingriff mit dem Bund ausgelegt ist, um eine relative Axialkraft zwischen Bolzen und Bund zur Wirkung zu bringen, die den Amboss über den Bund bringt, um diesen in die Rastnuten zu stauchen, wobei ein Gegenhalter für Eingriff mit dem Bolzenkopf sorgt.
US 6,325,582 , 6,233,802, 5,125,778, 5,090,852, 5,049,016, 4, 867,625, 4,813,834, 4,472,096, 4,221,152 und 4,208,943 wurden dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Erfindung oder einem Rechtsvorgänger desselben verliehen. Alle diese Patente betreffen diverse Verbindungselemente des Stauchverformungstyps und repräsentieren den Stand der Technik. Im Stand der Technik wurde im typischen Fall ein Verbindungselement für einen bestimmten Bund für eine spezifische Anwendung optimiert. Außerdem hatten die Verbindungselemente im Stand der Technik im typischen Fall einen einzigen Greifbereich. Das bedeutet, dass ein Verbindungselement Werkstücke mit Dickeunterschieden von 0,159 mm (1/16 Zoll) verbinden könnte.
Das Optimierverfahren nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich vom Stand der Technik, nach dem Verbindungselemente für einen bestimmten Bund für eine spezifische Anwendung optimiert wurden. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Rastnut- und Spitzengeometrie für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert, wobei die Rastnuten und Spitzen jeweils die größte Breite haben, die für eine spezifische Anwendung erforderlich ist, woraus sich ein Verbindungssystem mit ausreichender Spann- und Zugkraft und ausreichender Ausfallbeständigkeit in der Vielzahl der Anwendungen ergibt, wenn die Rastnuten mit verschiedenen Stoffen von verschiedenen Bunden unterschiedlicher Festigkeit gefüllt werden. Außerdem ermöglicht die einheitliche Rastnut- und Spitzengeometrie bei den meisten Anwendungen die Herstellung von Rastnuten und Spitzen für alle Bolzendurchmesser mittels Werkzeugen, die mit gemeinsamer Rastnut- und Spitzengeometrie arbeiten. Diese Lösung senkt die Werkzeugkosten.
EP 0,179,431 offenbart ein Verbindungssystem in der Form eines zweiteiligen Stauchverformungstyps mit Bolzen und Bund, wobei der Bolzen flache Rastnuten und der Bund eine Wandstärke aufweist, die ein Materialvolumen definiert, das zum Überfüllen der flachen Nuten ausreicht, woraus sich eine Spannkraft von rund 85% bis 95% der Streckgrenze des Bolzens ergibt.
Außerdem haben für eine jede Bolzengröße gewisse Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen ungefähr den selben Außendurchmesser, so dass zum Stauchverformen dieser unterschiedlichen Bunde in die Rastnuten zur Montage des Verbindungselements des Stauchverformungstyps an Werkstücken für Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- und zusammengesetzte Scher/Zuganwendung ein Montagewerkzeug mit einem Gesenkamboss einheitlicher Geometrie verwendet werden kann. Diese Lösung senkt die mit dem Wechseln des Gesenkambosses im verwendeten Werkzeug verbundenen Arbeitskosten.
Außerdem weist das Verbindungselement nach der vorliegenden Erfindung einen doppelten Greifbereich auf. Das bedeutet, dass es Werkzeuge mit Dickeunterschieden bis zu 0,318 mm (1/8 Zoll) verbinden kann. Diese Lösung steigert die Anpassungsfähigkeit des Verbindungselements.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verbindungselement des Stauchverformungstyps mit einem Bolzenelement mit einer Rastnut- und Spitzengeometrie zu schaffen, die dahingehend optimiert ist, dass Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit in die Rastnuten stauchverformt werden können, wobei die Rastnuten und Spitzen eine einheitliche Bauform für alle Bolzendurchmesser zur Verbindung mit Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit aufweisen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verbindungselements des Stauchverformungstyps mit einem Bolzenelement mit einer Rastnut- und Spitzengeometrie, die dahingehend optimiert ist, dass Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit in die Rastnuten stauchverformt werden können, wobei die unterschiedlichen Werkstoffe dem Verbindungselement unterschiedliche Spann- und Zugkräfte für eine Vielzahl von Anwendungen verleihen.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verbindungselements des Stauchverformungstyps mit einem Bolzenelement mit einer Rastnut- und Spitzengeometrie, die dahingehend optimiert ist, dass Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit in die Rastnuten stauchverformt werden können, wobei gewisse Bunde ungefähr den selben Außendurchmesser haben, so dass zum Stauchverformen dieser Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen zur Montage des Verbindungselements des Stauchverformungstyps an Werkstücken für Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- und zusammengesetzte Scher/Zuganwendung ein Montagewerkzeug mit einem Gesenkamboss mit einheitlichem Hohlraum verwendet werden kann.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verbindungselements des Stauchverformungstyps mit doppeltem Greifbereich.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens zur Konstruktion eines Verbindungselements des Stauchverformungstyps mit einer Rastnut- und Spitzengeometrie, die dahingehend optimiert ist, dass Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit in die Rastnuten stauchverformt werden können, wobei die unterschiedlichen Werkstoffe dem Verbindungselement unterschiedliche Spann- und Zugkräften für eine Vielzahl von Anwendungen verleihen.
Gewisse Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verbindungssystem mit einem Verbindungselement zum Verbinden einer Vielzahl von Werkstücken gelöst, das ein Bolzenelement mit optimierter Rastnut- und Spitzengeometrie aufweist. Die optimierte Rastnut- und Spitzengeometrie ist zur Aufnahme von stauchverformtem Material von einer Vielzahl von Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit zum Verbinden von Werkstücken in verschiedenen Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen ausgelegt, wobei die Rastnuten die größte Breite haben, die für Bunde geringerer Festigkeit in einer Anwendung oder höherer Festigkeit in einer zweiten Anwendung erforderlich ist, und die Spitzen die größte Breite haben, die für Bunde höherer Festigkeit in der zweiten Anwendung erforderlich ist, wodurch das Verbindungselement zufriedenstellende Spann- und Zugkräfte und Ausfallbeständigkeit erhält, wenn die Rastnuten mit Bundmaterial unterschiedlicher Festigkeit gefüllt werden. Das Ergebnis dieser Optimierung ist eine allgemeine Minimierung der Größe und des Gewichts der Verbindungselemente mit Rastnuten und Spitzen einer einheitlichen Bauform für Einsatz mit Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit. Die Rastnut- und Spitzengeometrie für das Bolzenelement hat eine einheitliche Bauform, die in der Vielzahl von Anwendungen mit einem oder mehreren Bolzenelement(en) eines gemeinsamen Durchmessers zum Einsatz kommt. Gewisse Bunde unterschiedlicher Festigkeit erhalten ungefähr den selben Außendurchmesser. Ein derartiger Aufbau ermöglicht die Anwendung eines gemeinsamen Montagewerkzeugs mit einem Gesenkamboss mit einheitlichem Hohlraum, das derartige Bunde unterschiedlicher Festigkeit zur Montage des Verbindungselements des Stauchverformungstyps an Werkstücken für Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- und zusammengesetzte Scher/Zuganwendung in die Rastnuten des Bolzenelements stauchverformt.
Andere Aufgaben der Erfindung werden durch ein Verfahren zur Konstruktion eines in einem Verbindungssystem zur Anwendung kommenden Verbindungselements gelöst. Das Verfahren umfasst die Ermittlung der Spann- und Zugkraftanforderungen für die Vielzahl von Anwendungen, die Optimierung der Rastnutgeometrie, indem die Rastnuten die größte Breite erhalten, die für Bunde geringerer Festigkeit in einer Anwendung oder höherer Festigkeit in einer zweiten Anwendung erforderlich ist, und die Optimierung der Spitzengeometrie, indem die Spitzen die größte Breite erhalten, die für Bunde höherer Festigkeit in der zweiten Anwendung erforderlich ist. Dieses Verfahren ermöglicht die Standardisierung der Rastnut- und Spitzengeometrie für das im Verbindungselement des Stauchverformungstyps zur Anwendung kommende Bolzenelement in einer Vielzahl von Anwendungen mit einem oder mehreren Bolzenelement(en) gemeinsamen Durchmessers. Außerdem erhalten gewisse Bunde aus Werkstoffen unterschiedlicher Festigkeit ungefähr den selben Außendurchmesser zum Stauchverformen in die Rastnuten, woraus sich zufriedenstellende Spann- und Zugkräfte und Ausfallbeständigkeit für Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- und zusammengesetzte Scher/Zuganwendung ergeben.
Verbindungselemente des Stauchverformungstyps finden in zahlreichen verschiedenen Anwendungen Einsatz, einschließlich des Verbindens von Werkstücken aus unterschiedlichen Werkstoffen mit vorgegebener Spann- und Zugkraft. In Flugzeugen können diese Werkstücke zum Beispiel aus einem Leichtmetall wie Aluminium oder einem Verbundstoff bestehen. Das Verbindungselement des Stauchverformungstyps nach der vorliegenden Erfindung ist besonders zweckmäßig, da es zum Verbinden von metallischen Werkstücken, Werkstücken aus Verbundstoffen oder einer Kombination derselben verwendet werden kann. An sich ist das Verbindungselement des Stauchverformungstyps nach der vorliegenden Erfindung besonders vorteilhaft, denn dank der Möglichkeit, die optimierten Rastnuten des Bolzenelements mit verschiedenen Materialien von verschiedenen Bunden zu füllen, kann es in zahlreichen verschiedenen Anwendungen Einsatz finden.
1 ist eine Längsansicht eines Verbindungselements nach der vorliegenden Erfindung im Montagezustand mit Schnittdarstellung gewisser Abschnitte und aufgebrochener Darstellung anderer Abschnitte, wobei ein Teil eines vor der Montage und zur Befestigung von Werkstücken an das Verbindungselement angesetzten Werkzeugs zu sehen ist;
2 ist eine ähnliche Ansicht wie 1, die das die Werkstücke befestigende Verbindungselement bei minimaler Klemmlänge des Werkzeugs und in der montierten Eingriffstellung des Gesenkambosses des Werkzeugs darstellt;
3 ist eine ähnliche Ansicht wie 2, die das die Werkstücke befestigende Verbindungselement bei maximaler Klemmlänge des Werkzeugs und in der montierten Eingriffstellung des Gesenkambosses des Werkzeugs darstellt;
4 ist eine vergrößerte Teilansicht der Rastnuten des Bolzens im umrandeten Bereich 4 aus 3;
5 ist eine vergrößerte Teilansicht einer der Rastnuten aus 4; und
6 ist eine Schnittansicht eines mit 1–3 gleichartigen Verbindungselements, das nicht in Ziehausführung sondern in Stummelausführung ausgelegt ist und zum Verbinden von Werkstücken einer maximalen Dicke für das betreffende Element dient.
1 und 2 zeigen ein Verbindungselement 10 mit einem Bolzenelement 12 und einem rohrförmigen Bund 14. Das Bolzenelement 12 hat einen länglichen Schaft 15, der sich durch fluchtende Öffnungen 16 und 17 in zwei Werkstücken 18 und 20 erstreckt, die miteinander verbunden werden sollen. Ein vergrößerter hervorstehender Kopf 22 an einem Ende des Schaftes 15 liegt an einer Seite des Werkstücks 18 an. Im Anschluss an den Kopf 22 hat der Schaft 15 einen geraden Abschnitt 24, der mit leichtem Spielraum oder Presspassung in den fluchtenden Bohrungen 16 und 17 aufgenommen wird. An den geraden Abschnitt 24 schließt sich eine Vielzahl von im Umfangsrichtung laufenden, ringförmigen Rastnuten 26 an. Ein Übergangsabschnitt 28 sorgt für einen glatten Übergang zwischen den Rastnuten 26 und dem geraden Schaftabschnitt 24.
Eine Bruchnut 40 neben den Rastnuten 26 definiert den schwächsten Abschnitt des Schaftes 15. Zwischen der Bruchnut 40 und einer Vielzahl von Ziehnuten 44 ist eine gerade Fase 42 vorgesehen. Die Fase 42 hat einen kleineren Durchmesser als der Schaftabschnitt 24, die Rastnuten 26 und die Ziehnuten 44. Die Ziehnuten 44 werden von einem Werkzeug 48 erfasst, das zur Montage des Verbindungselements 10 betätigt wird. Das Werkzeug 48 kann im Allgemeinen den dem Fachmann bekannten Aufbau haben und ist daher zur Vereinfachung nur teilweise dargestellt. Kurz gesagt besteht das Werkzeug 48 aus einer Vielzahl von Backen 50, die den Bolzen 12 an den Ziehnuten 44 erfassen. Die Backen 50 sind in einer Klemmhülse 52 untergebracht, die gleitend in einem Ambossgehäuse 54 abgestützt wird, das an einem Ende einen Gesenkambossabschnitt 56 aufweist.
Der symmetrische rohrförmige Bund 14 wird über dem Bolzenschaft 15 angebracht und fluchtet, wenn die Werkstücke 18, 20 zusammengezogen sind, radial mit einigen der Rastnuten 26. Bei Betätigung des Werkzeugs 48 kommt zwischen dem Bolzen 12 und dem Bund 14 eine relative Axialkraft zur Wirkung, so dass der Gesenkambossabschnitt 56 den Bund 14 in die Rastnuten 26 des Bolzens 12 stauchverformt. Nach dem Stauchverformen wird der Schaft 15 wie in 2 gezeigt an der Bruchnut 40 abgetrennt. Bei weiterer Betätigung des Werkzeugs 48 wird ein Bundausstoßelement 58 vorwärts getrieben, um den stauchverformten Bund 14 aus dem Ambossabschnitt 56 auszustoßen und auf diese Weise die Montage zu vervollständigen. 3 zeigt das Verbindungselement 10 in montierter Stellung bei maximalem Halt der Werkstücke 18 und 20, wobei die Werkstücke 18 und 20 die maximale Gesamtdicke des Verbindungselements 10 aufweisen. Die Dicke der Werkstücke 18 und 20 kann um 0,318 mm (1/8 Zoll) variieren, aber sie können dennoch mittels des Verbindungselements 10 nach der vorliegenden Erfindung aneinander befestigt werden, da das Verbindungselement 10 einen doppelten Greifbereich hat. Eine derartige Lösung steigert die Anpassungsfähigkeit des Verbindungselements 10 beim Zusammenfügen von Werkstücken 18 und 20 unterschiedlicher Dicke.
Wie 4 und 5 am besten veranschaulichen, haben die Rastnuten 26 und die ringförmigen Spitzen 60 eine einzigartige Konstruktion, die für ein Bolzenelement eines vorgegebenen Durchmessers für Einsatz in einer Vielzahl von Anwendungen mit Bunden 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen und mit unterschiedlicher Festigkeit optimiert wird. Das Optimierungsverfahren nach der vorliegenden Erfindung unterscheidet sich von der Optimierung eines Verbindungselements für einen bestimmten Bund für eine spezifische Anwendung nach dem Stand der Technik. Bei der vorliegenden Erfindung wird die Rastnut- und Spitzengeometrie für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert, wobei die Rastnuten 26 und Spitzen 60 jeweils die größte Breite erhalten, die für eine spezifische Anwendung erforderlich ist, um dem Verbindungssystem zufriedenstellende Spann- und Zugkräfte und Ausfallbeständigkeit zu verleihen, wenn die Rastnuten mit Bundmaterial unterschiedlicher Festigkeit gefüllt werden. Die optimierte Konstruktion kann bei allen Anwendungen mit dem betreffenden Bolzendurchmesser zum Einsatz kommen und ermöglicht die Herstellung der Rastnuten 26 und Spitzen 60 für den betreffenden Bolzendurchmesser mittels Werkzeugen, die mit gemeinsamer Rastnut- und Spitzengeometrie arbeiten. Dieser Lösungsweg senkt die Werkzeugkosten.
Die Rastnuten 26 können beim Stauchverformen Material unterschiedlicher Festigkeit von den Bunden 14 aufnehmen. Die von Spitzen 60 voneinander getrennten Rastnuten 26 werden von einem Grundabschnitt 62 definiert, an den sich an einem Ende ein vorderer Übergangsabschnitt 64 und am anderen Ende ein hinterer Übergangsabschnitt 66 anschließt. Zur Konstruktion eines Verbindungselements des Stauchverformungstyps mit Rastnuten 26 und Spitzen 60 einheitlicher Bauform für eine Vielzahl von Anwendungen werden die Länge der Rastnuten 26 und die Länge der Spitzen 60 jeweils mit Bezugnahme auf die Spann- und Belastungsanforderungen der betreffenden Anwendungen für jeden Bolzendurchmesser für Bunde 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen optimiert. Mit Hilfe von Tabelle 1 wurde zum Beispiel die Länge der Rastnuten 26 und Spitzen 60 für eine Vielzahl von Bolzendurchmessern zum Einsatz mit Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert.
Tabelle 1
Mechanische Mindestleistung von Bolzenelementen diverser Durchmesser im Verhältnis zu diversen Bunden für verschiedene Anwendungen
Mechanische Leistung N (Pfund)
Mechanische Leistung N (Pfund)
Bezüglich der nach Tabelle 1 für eine spezifische Anwendung erforderlichen Spann- und Zugkräfte wurden die Rastnuten 26 für eine gegebene Anwendung für jeden Bolzendurchmesser wie folgt optimiert.
Gleichung 1 definiert den verfügbaren Scherbereich für die Rastnuten 26: II DMAJOR N GW = Scherbereich (Gleichung 1)
Hierbei:

D_MAJOR ist der Außendurchmesser der Spitzen 60;
N ist die Mindestanzahl der Rastnuten 26 am Bolzenelement 12, die mit dem stauchverformten Material des Bundes 14 über den Greifbereich des Verbindungselements 10 zum Eingriff kommen; und
G_W ist die Breite der Rastnuten 26.

Gleichung 2 definiert das Ausmaß der Zugkraft, das die Rastnuten 26 aushalten können: T × Scherbereich = Zugkraft (Gleichung 2)
Hierbei:

T ist die Scherfestigkeit des Werkstoffs des Bundes 14; und Der Scherbereich ist der aus Gleichung 1 berechnete Wert.

Im Fall der vorliegenden Erfindung wird G_W der Rastnuten 26 dahingehend optimiert, dass die größte Nutenbreite für eine spezifische Anwendung angegeben wird, die bei allen Anwendungen für die Belastungsanforderungen eines spezifischen Bolzendurchmessers zum Einsatz kommen kann. Die für eine spezifische Anwendung für einen spezifischen Durchmesser erforderliche größte Nutenbreite wird dann zur Standardbreite für diesen Bolzendurchmesser. Bei gewissen Ausführungsformen wird G_W der Rastnuten 26 für die Aluminiumlegierung 2024T4 in Scheranwendungen optimiert. Bei anderen Ausführungsformen wird G_W der Rastnuten 26 für die Titanlegierung 3A1-2.5V in Zuganwendungen optimiert. Im Allgemeinen hat die Aluminiumlegierung 2024T4 eine geringere Festigkeit als die Edelstahllegierung 303 SE und die Titanlegierung 3A1-2.5V, und die Edelstahllegierung 303 SE hat nach allgemeinem Erachten ungefähr die selbe Festigkeit wie die Titanlegierung 3A1-2.5V. Ein Vergleich der Werkstoffeigenschaften ist in Tabelle 2 zu sehen. Im typischen Fall wird G_W der Rastnuten 26 so optimiert, dass das Verbindungssystem eine Festigkeit erhält, die mindestens einhundert und zehn Prozent (110%) der Anforderungen des Kunden für eine gegebene Anwendung beträgt.
Nach der Standardisierung der Nutenbreite für eine spezifische Anwendung für einen spezifischen Bolzendurchmesser wurden die Spitzen 60 für jeden Bolzendurchmesser wie folgt optimiert.
Gleichung 3 definiert den verfügbaren Scherbereich für die Spitzen 60: II CD N C'W = Scherbereich (Gleichung 3)
Hierbei:

C_D ist der wirksame Durchmesser der Spitzen 60, wobei C_D = ca. D_MAJOR – C_h;
N ist die Mindestanzahl der Rastnuten 26 am Bolzenelement 12, die mit dem stauchverformten Material des Bundes 14 über den Greifbereich des Verbindungselements 10 zum Eingriff kommen; und
C'_W ist die wirksame Nutenbreite bei ca. der halben Höhe C_h.

Gleichung 4 definiert das Ausmaß der Zugkraft, das die Spitzen 60 aushalten können: T × Scherbereich = Zugkraft (Gleichung 4)
Hierbei:

T ist die Scherfestigkeit des Werkstoffs des Bolzenelements 12; und Der Scherbereich ist der aus Gleichung 3 berechnete Wert.

C'_W der Spitzen 60 wird für jeden Bolzendurchmesser optimiert, um Ausfall zu verhindern, wenn die Rastnuten 26 mit einem Bund 14 aus einem relativ festeren Werkstoff, wie zum Beispiel aus der Titanlegierung 3A1-2.5V, in Zuganwendungen gefüllt werden. Im typischen Fall wird für die meisten Bolzendurchmesser des Bolzenelements 12 die G_W der Rastnuten 26 für die Aluminiumlegierung 2024 in Scheranwendungen und die C'_W der Spitzen 60 für die Titanlegierung 3A1-2.5V in Zuganwendungen optimiert. Man könnte zwar sagen, dass eine derartige Lösung die Rastnuten 26 und Spitzen 60 des Verbindungselements 10 nur teilweise optimiert, weil die Rastnuten 26 und Spitzen 60 für verschiedenartige Anwendungen optimiert werden, aber die Rastnuten 26 und Spitzen 60 werden dennoch für eine Vielzahl von Anwendungen optimiert, da das Verbindungselement 10 in der Vielzahl der Anwendungen, wenn die Rastnuten 26 mit Bunden 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen gefüllt werden, ausreichende Spann- und Zugkräfte und Ausfallbeständigkeit aufweist. In anderen Fällen, wo G_W der Rastnuten 26 und C'_W der Spitzen 60 für die Titanlegierung 3A1-2.5V in Zuganwendungen optimiert wird, beträgt G_W der Rastnuten 26 höchstens zehn Prozent (10%) der Breite der Rastnuten 26, wenn die Rastnuten 26 für die Aluminiumlegierung 2024T4 optimiert wurden. Man könnte zwar sagen, dass eine derartige Lösung die Rastnuten 26 und Spitzen 60 des Verbindungselements 10 völlig für Zuganwendung optimiert, weil Rastnuten 26 und Spitzen 60 für ein und dieselbe Anwendung optimiert werden, aber die Rastnuten 26 und die Spitzen 60 werden dennoch für zahlreiche verschiedene Anwendungen optimiert, da das Verbindungselement 10 in der Vielzahl der Anwendungen, wenn die Rastnuten 26 mit Bunden 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen gefüllt werden, ausreichende Spann- und Zugkräfte und Ausfallbeständigkeit aufweist.
Im typischen Fall wird C'_W der Spitzen 60 nach der vorliegenden Erfindung so optimiert, dass das Verbindungssystem eine Festigkeit erhält, die mindestens einhundert und zwanzig Prozent (120%) der Zuganforderungen des Kunden für eine gegebene Anwendung für einen gegebenen Bolzendurchmesser beträgt. In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird das Bolzenelement 12 aus der Titanlegierung 6A1-4V hergestellt, G_W der Rastnuten 26 hat den höchsten Wert, der für eine spezifische Anwendung erforderlich ist und bei allen Anwendungen für einen spezifischen Bolzendurchmesser zufriedenstellende Spann- und Zugkräfte ergibt, C'_W der Spitzen 60 wird zur Vermeidung von Ausfall optimiert, wenn die Rastnuten 26 mit der Titanlegierung 3A1-2.5V gefüllt werden, und der Bolzendurchmesser liegt im Bereich 5/32 bis ca. ½ Zoll.
Nach der Optimierung der Rastnuten 26 und Spitzen 60 für eine spezifische Anwendung in der Vielzahl der verschiedenen Bolzendurchmesser wird ein geeigneter Bund 14 aus einem ausgewählten Werkstoff und mit einem berechneten Außendurchmesser zum Stauchverformen in die Rastnuten 26 ausgewählt, um ein Verbindungssystem mit zufriedenstellender Spann- und Zugkraft für eine bestimmte Anwendung herzustellen. Im typischen Fall würde ein Bund 14 aus der Aluminiumlegierung 2024 in Scheranwendungen zum Einsatz kommen, ein Bund 14 aus der Edelstahllegierung 303 SE oder der Titanlegierung 3A1-2.5V in Scher/Zug- oder Zuganwendungen. Um die gewünschte Spann- und Zugkraft für die einzelnen Anwendungen zu erreichen, wird der berechnete Außendurchmesser des Bundes 14 durch Experimente modifiziert, während die Geometrie der Rastnuten 26 und Spitzen 60 und der Durchmesser des Halses (Da in 1) des Gesenkambossabschnitts 56 konstant bleiben. Experimentell variiert der Außendurchmesser der modifizierten Bunde 14 aus verschiedenen Werkstoffen nur so weit, dass der modifizierte Bund 14 mittels eines Gesenkambosses 56 mit einheitlichem Hohlraum für Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- und zusammengesetzte Scher/Zuganwendungen in die Rastnuten 26 stauchverformt werden kann. Es wurde festgestellt, dass ein Bund 14 mit ungefähr gleichem Außendurchmesser in Zug- und zusammengesetzten Zuganwendungen nicht gut funktioniert. Für Zug- und zusammengesetzte Zuganwendungen wird also ein Bund 14 mit größerem Außendurchmesser und ein anderer Gesenkamboss 56 verwendet.
Ein derartig einheitlicher Gesenkambossabschnitt 56 bietet dem Kunden den zusätzlichen Vorteil, dass er in zahlreichen Anwendungen Bunde 14 mit einem gemeinsamen Montagewerkzeug 48 für einen spezifischen Bolzendurchmesser montieren kann. Daraus ergibt sich ein Verbindungselement 10, wofür für einen spezifischen Bolzendurchmesser in Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzten Scher- und zusammengesetzten Scher/Zuganwendungen nur ein einziges Werkzeug mit einheitlichem Gesenkambossabschnitt 56 benötigt wird. Diese Lösung minimiert die Zeit, die der Bediener zum Wechseln des Gesenkambosses zum Einsatz in anderen Anwendungen für einen spezifischen Bolzendurchmesser braucht. Es versteht sich, dass eine derartige Lösung dem Endverbraucher erhebliche Arbeitskosten erspart.
Die Belastungsanforderungen aus Tabelle 1 für die Konstruktion eines Verbindungssystems nach der vorliegenden Erfindung wären durchwegs auch für die diversen Belastungsanforderungen für Scher-, Scher/Zug- und Zuganwendungen im Bereich Verkehrs- und Militärflugzeuge zweckmäßig, da beide Flugzeugtypen ähnlichen Belastungsanforderungen für Scher-, Scher/Zug- und Zuganwendungen unterliegen. Das Verbindungssystem nach der vorliegenden Erfindung wäre also außerdem auch für Einsatz in Verkehrs- und Militärflugzeugen vorteilhaft.
Wie Tabelle 1 deutlich zeigt, können für jeden Bolzendurchmesser in Scher-, Scher/Zug- und Zuganwendungen in Verbindung mit den optimierten Rastnuten 26 und Spitzen 60 Bunde aus verschiedenen Werkstoffen verwendet werden, woraus sich eine Vielzahl von Zug- und Spannkräften ergibt. Dazu ist zu sagen, dass für gewisse Anwendung mehr oder weniger Rastnuten 26 benötigt werden als für andere. Auf jeden Fall bleibt die Geometrie der Rastnuten 26 und Spitzen 60 für einen spezifischen Bolzendurchmesser konstant. Verbindungselemente in Ziehausführung würden außerdem in verschiedenen Anwendungen Buchnuten 40 erfordern, die bei verschiedenen axialen Zugkraftwerten auf der Basis der Belastungsanforderungen der jeweiligen Anwendung brechen. Bei Verbindungselementen in Stummelausführung entfällt andererseits die durch die Bruchnut bedingte Einschränkung, da keine Bruchnut vorhanden ist. Außerdem könnte bei einigen Anwendungen anstelle der abtrennbaren Pinne ein abnehmbarer Dorn, ein Werkzeug mit Außentrieb und/oder ein Gewindedorn für Innentrieb nach US 5,604,968 zum Einsatz kommen. Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können die für einen jeweiligen Bolzendurchmesser optimierten Rastnuten 26 Bunde 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen wie zum Beispiel Titan-, Stahl- und Aluminiumlegierungen für diverse Anwendungen aufnehmen. Es versteht sich, dass die Bunde 14 aus unterschiedlichen Werkstoffen eine Vielzahl von vorgegebenen Spann- und Zugkräften für die optimierten Rastnuten 26 und Spitzen 60 eines spezifischen Bolzendurchmessers ergeben.
Tabelle 1 bezieht sich auf die Verbindung von Werkstücken 18 und 20 aus Metall wie zum Beispiel Aluminium. Es versteht sich, dass für Anwendung mit Werkstücken 18 und 20 aus einem Verbundstoff eine ähnliche Tabelle geschrieben werden könnte. Während der Bund 14 nach 1–3 ein rohrförmiger Bund 14 zur Befestigung von Werkstücken 18 und 20 aus Metall ist, könnte zur Befestigung vom Werkstücken aus Verbundstoffen auch ein geflanschter Bund verwendet werden. Während sich Tabelle 1 auf Bunde aus der Aluminiumlegierung 2024T4, der Titanlegierung 3A1-2.5V und der Edelstahllegierung 303 SE konzentriert, ist es für den Fachmann selbstverständlich, dass für die Bunde 14 in Verbindung mit einem Bolzen 12 mit einheitlicher Geometrie der Rastnuten 26 und Spitzen 60 auch andere Aluminium-, Titan- oder Stahllegierungen sowie andere metallische Legierungen oder Werkstoffe verwendet werden könnten; diese würden andere Zug- und Spannkräfte für Scher-, Scher/Zug-, Zug- und sonstige Anwendungen aufweisen.
Die folgenden Beispiele veranschaulichen den Größenbereich der Scher- und Zugkräfte zwischen Scher-, Scher/Zug- und Zuganwendungen.
Beispiel 1 Größenbereich der minimalen Scherfestigkeit in kPa (ksi) und der minimalen Zuganforderungen in N (Pfund) für einen Bolzendurchmesser von 3,97 mm (5/32'')
Wie Beispiel 1 zu entnehmen ist, liegt das Verhältnis der Scherfestigkeit zwischen Scher- und Zuganwendungen bei rund 64% und das Verhältnis der Zugfestigkeit zwischen Scher- und Zuganwendungen bei rund 61 %
Beispiel 2 Größenbereich der minimalen Scherfestigkeit in kPa (ksi) und der minimalen Zuganforderungen in N (Pfund) für einen Bolzendurchmesser von 3,97 mm (7/16'')
Wie Beispiel 2 zu entnehmen ist, liegt das Verhältnis der Scherfestigkeit zwischen Scher- und Zuganwendungen bei rund 64% und das Verhältnis der Zugfestigkeit zwischen Scher- und Zuganwendungen bei rund 50%
Wie 5 zeigt, wird das Verbindungselement nach der vorliegenden Erfindung außerdem durch die folgenden Beziehungen definiert:

P ist gleich G_W + C_W
R_a ist gleich G_W
C_h ist gleich 4I
B_R ist gleich 0,005 Zoll für Bolzendurchmesser von 5/32 bis ½ Zoll

Das Verbindungselement nach der vorliegenden Erfindung wird außerdem durch die folgenden Beziehungen definiert:
Für Bolzendurchmesser von 9,52, 11,10 und 12,7 mm (3/8, 7/16 und ½ Zoll) ist C_h gleich D_s × 0,03125.
Für Bolzendurchmesser von 3,97, 4,76, 5,56 und 7,93 mm (5/32, 3/16, 1/4 und 5/16 Zoll) ist C_h gleich (D_s × 0,03125) + 0,002.
In der obigen Beziehung:

P = Teilung,
G_W = Breite der Rastnut 26,
C_W = Breite der Spitze 60,
R_R = Kernradius,
C_h = Höhe der Spitze 60,
I = Abstand zwischen einer horizontalen Tangente zum Kernradius und einer horizontalen Tangente zum Schnittpunkt des Grundabschnitts 62 und des hinteren Abschnitts 66,
D_s = Durchmesser des geraden Abschnitts 24, und
B_R = Übergangsradius.

In einer Ausführungsform der Erfindung erhielt der vordere Übergangsabschnitt 64 einen Winkel von 40 Grad mit ebener Transversale zur Achse des Bolzens 12, während der hintere Übergangsabschnitt 66 einen steileren Winkel von 20 Grad erhielt. Der Winkel des vorderen Abschnitts 64 fördert den Materialfluss des Bundes 14 beim Stauchverformen, während der steilere Winkel des hinteren Abschnitts 66 das stauchverformte Bundmaterial wie ein Pfeiler hält. Diese Pfeilerwirkung erleichtert das Einspannen der Werkstücke 18 und 20, während der Bund 14 beim Stauchverformen länger wird. Die Übergangsabschnitte 64 und 66 schneiden sich mit dem gerundeten Grundabschnitt 62, woraus sich ein glatter Übergang ergibt.
Bei dieser Bauform der Rastnuten 26 ist es wünschenswert, dem Bund 14 ein Volumen zu geben, das beim Stauchverformen in die Rastnuten 26 über das zum Füllen der Rastnuten 26 erforderliche Volumen hinaus einen Materialüberschuss zurücklässt. In einer Ausführungsform erhielt der Bund 14 ein Volumen, das „Überladen" ermöglicht, d.h. ein Volumen des Bundes 14, das den Bedarf an Material zum Füllen der Rastnuten 26 innerhalb der vom Hals 36 des Hohlraums des Ambosses 56 und dem gegenüberliegenden Abschnitt des Bolzens 12 (siehe 1) definierten Hüllkurve erheblich überschreitet. Im vorliegenden System erwies sich ein Volumen als vorteilhaft, das bei den diversen Werkstoffen des Bundes 14 einen Überschuss von ca. 17% bis 15% ergibt. Der Prozentwert des „Überfüllens" oder „Überladens" lässt sich im Allgemeinen für eine endliche Länge des wirksamen Stauchverformabschnitts des Halses 36 (siehe 1) aus der folgenden Beziehung ermitteln:
Hierbei:

Da ist der Durchmesser des Halses 36 des Ambosses 56;
Dc ist der Außendurchmesser des Bundes 14 vor dem Stauchverformen;
ID ist der Innendurchmesser des Bundes 14 vor dem Stauchverformen;
Dm ist der mittlere Durchmesser der Rastnuten 26; und
dl gilt als endliche Länge innerhalb des Stauchverformabschnitts des Halses 36.

Es ist auch wünschenswert, dass das Bolzenelement 12 im Verhältnis zum Bund 14 hart genug ist, um unter der Druckbelastung der diversen Bundwerkstoffe nicht zerdrückt zu werden oder unter Spannung stark nachzugeben. In einer bevorzugten Ausführungsform fand man, dass die in Tabelle 2 angegebenen Werkstoffeigenschaften des Bolzenelements 12 und des Bundes 14 die Anforderungen des Verbindungssystems nach der Erfindung erfüllen.
Tabelle 2 Werkstoffeigenschaften für Bolzenelement und Bund
Im Allgemeinen sind bei der vorliegenden Erfindung ein Bolzenelement 12 und ein Bund 14 zu empfehlen, die ein Verbindungssystem mit der gewünschten Spannkraft ergeben, wobei das Bolzenelement 12 hart genug sein sollte, um ohne sich zu stark zu strecken die erwünschte hohe Zugspannung und die beim Stauchverformen auf den Bunde 14 einwirkende Belastung auszuhalten. Zur Herstellung von hohen Spannkräften muss der Bund 14 eine Wandstärke und somit ein Volumen haben, das dafür sorgt, dass genug Bundmaterial axial verschoben wird. Zur gleichen Zeit ist es wünschenswert, dass der stauchverformte Bund eine ausreichende Wandstärke und somit eine ausreichende Festigkeit aufweist, um erheblichem Rückfedern aus den Rastnuten 26 zu widerstehen. Die Bundwand muss auch dick genug sein, um erheblicher radialer Ausdehnung unter Zugbelastung zu widerstehen, so dass die Spitzen 60 und die Schultern des Bundes im Wesentlichen in vollem Eingriff bleiben, wenn die bei der Konstruktion festgelegte Zugkraft auf die Verbindung einwirkt. Wenn die Wand keine ausreichende radiale Steifheit ergibt, könnte sich der Bund 14 unter Zugbelastung radial ausdehnen, wodurch die die Last tragende wirksame Scherebene reduziert würde. Das könnte vorzeitigen Ausfall unter Scherbelastung an den Spitzen 60 oder den Schultern des Bundes 14 zur Folge haben. In dieser Hinsicht nimmt die erforderliche Wandstärke des Bundes 14 als Funktion seines Durchmessers Dc zu. Die endgültige stauchverformte Wandstärke muss also ausreichen, um mindestens der bei der Konstruktion festgelegten Zugkraft standzuhalten, so dass Ausfall bei Scherbelastung im Allgemeinen über die maximale wirksame Scherebene des Bundes 14 erfolgt. Wenn die Bundwand zu dick ist, wird das Stauchverformen erschwert, und bei der Montage wird ein unzulässig starker Druck benötigt.
Die Wandstärke des Bundes wird also so gewählt, dass genug Material vorhanden ist, um das Stauchverformen in die Rastnuten 26 und das Fließen des Bolzenelements 12 bei Streckung zu fördern, woraus sich die gewünschte Spannkraft ergibt. Zur gleichen Zeit wird die Wandstärke des Bundes beim endgültigen Stauchverformen auch so gewählt, dass er genug radiale Steifheit oder Ringfestigkeit aufweist, um weder beim anfänglichen Stauchverformen noch unter späterer Zugbelastung aus den Rastnuten 26 zurück zu springen. Außerdem wird das Volumen des Bundes 14 und des Hohlraums 36 so gewählt, dass die Rastnuten 26 gut mit dem Werkstoff des Bundes 14 gefüllt werden. Bei der vorliegenden Erfindung ergab eine Überfüllung der Rastnuten 26 von ca. 17%–25% zufriedenstellende Ergebnisse. In dieser Hinsicht würde eine weit unter 17% liegende Überfüllung nicht die gewünschten Vorspannungen ergeben, während eine weit über 25% liegende Überfüllung zu unzulässig starken Drücken bei der Montage führen würde, die das Bolzenelement 12 beschädigen könnten.
Die Ausführungsformen nach 1–3 bilden Verbindungselemente in Ziehausführung, aber die Merkmale der vorliegenden Erfindung sind auch auf die in 6 gezeigte Stummelausführung anwendbar. Bei der Beschreibung der Ausführungsform nach 6 haben den Ausführungsformen nach 1–3 gleichende Bauteile die selben Kennzahlen mit dem Suffix „b" erhalten. Abgesehen vom Ziehabschnitt nach 1–3 sind die Elemente des in 1–3 dargestellten Verbindungselements 10 auch bei der Ausführungsform nach 6 vorgesehen, und um die Beschreibung bündig zu halten, wird 6 hier nur kurz behandelt, denn der normale Fachmann würde verstehen, dass das Verbindungselement 10b nach 6 in der Konstruktion und Wirkungsweise dem Verbindungselement 10 nach 1–3 gleicht.
6 zeigt ein Verbindungselement 10b mit einem Bolzenelement 12b und einem rohrförmigen Bund 14b. Das Bolzenelement 12b weist einen länglichen Schaft 15b auf, der sich durch fluchtende Öffnungen 16b und 17b in zwei Werkstücken 18b und 20b erstreckt, die miteinander verbunden werden sollen. Ein Kopf 22b an einem Ende des Schaftes 15b liegt an einer Seite des Werkstücks 18b an. Im Anschluss an den Kopf 22b hat der Schaft 15b einen geraden Abschnitt 24b, der mit leichtem Spielraum oder Presspassung in den fluchtenden Bohrungen 16b und 17b aufgenommen wird. An den geraden Abschnitt 24b schließt sich eine Vielzahl von im Umfangsrichtung laufenden, ringförmigen Rastnuten 26b an. Ein Übergangsabschnitt 28b sorgt für einen glatten Übergang zwischen den Rastnuten 26b und dem geraden Schaftabschnitt 24b.
Das Verbindungselement 10b ist für ein Presswerkzeug 48b ausgelegt, das im Allgemeinen einen dem Fachmann bekannten Aufbau hat und daher zur Vereinfachung nur zum Teil gezeigt wird. Das Werkzeug 48b besteht kurz gesagt aus einem Ambossgehäuse 54b, das an einem Ende einen Gesenkambossabschnitt 56b und einen Gegenhalter 49 aufweist.
Der symmetrische rohrförmige Bund 14b wird über dem Bolzenschaft 15b angebracht und fluchtet, wenn die Werkstücke 18b, 20b zusammengezogen sind, radial mit einigen der Rastnuten 26b. Bei Betätigung des Werkzeugs 48b wird der Gesenkambossabschnitt 56b gegen den Bund 14b geschoben, wobei der Gegenhalter 49 der aufgebrachten Axialkraft einen Widerstand entgegen setzt; durch die resultierende Schubkraft werden die Werkstücke 18b, 20b zusammen gedrückt. Bei zunehmender Relativkraft fährt der Gesenkambossabschnitt 56b über den Bund 14b, wodurch der Bund 14b in die Rastnuten 26b des Bolzens 12b stauchverformt wird. Bei weiterer Betätigung des Werkzeugs 48b wird der Gesenkambossabschnitt 56b vom stauchverformten Bund 14b abgezogen.
Bei der Stummelausführung nach 6 sorgt der Ambossabschnitt 56b für die selbe erwünschte Überfüllung der Rastnuten 26b durch den Bund 14b, woraus sich bei der Streckgrenze des Bolzens 12b eine wünschenswert hohe Vorspannung der Verbindung ergibt. 6 zeigt zwar einen rohrförmigen Bund 14b zum Verbinden von Werkstücken 18b und 20b aus Metall, aber beim Verbinden von Werkstücken aus Verbundstoffen würde ein geflanschter Bund zur Anwendung kommen.

Claims

Verbindungselement des Stauchverformungstyps (10, 10b) zur zureichenden Befestigung einer Vielzahl von Werkstücken (18, 20, 18b, 20b) aneinander in einer festen Verbindung in einer Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen, wobei das Verbindungselement (10, 10b) aus folgenden Teilen besteht: einem aus einer Vielzahl von Bolzenelementen unterschiedlichen Durchmessers ausgewählten Bolzen (12, 12b) mit einem länglichen Schaft, der in fluchtenden Öffnungen (16, 17, 16b, 17b) in den Werkstücken (18, 20, 18b, 20b) aufgenommen ist und an einem Ende einen vergrößerten Kopf (22, 22b) und am gegenüberliegenden Ende einen aus einer Vielzahl von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rastnuten (26, 26b) und Spitzen (60, 60b) bestehenden genuteten Abschnitt aufweist; einem aus einer Vielzahl von Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen ausgewählten rohrförmigen Bund (14, 14b), der in die Rastnuten (26, 26b) stauchverformt wird; dadurch gekennzeichnet, dass die Werkstücke (18, 20, 18b, 20b) in einer Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen zureichend aneinander befestigt werden, wobei der Bund (14, 14b) mit den Rastnuten (26, 26b) und Spitzen (60, 60b) ineinander greifende Nuten und Schultern aufweist und der Bolzen (12, 12b) und der Bund (14, 14b) aus unterschiedlichen Werkstoffen mit unterschiedlicher Scherfestigkeit mit einem derartigen Verhältnis zwischen Bolzen (12, 12b) und Bund (14, 14b) bestehen, dass das Zerdrücken des Bolzens (12, 12b) im Gesenk in der Vielzahl der Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen im Wesentlichen vermieden wird; wobei der Bolzen (12, 12b) bei jedem Durchmesser jeweils eine einheitliche Geometrie von Rastnuten (26, 26b) und Spitzen (60, 60b) aufweist, wobei die Rastnuten (26, 26b) die größte Breite haben, die für Bunde geringerer Festigkeit bei Anwendung von stärkeren Scherkräften für eine Zuganwendung erforderlich ist, und die Spitzen (60, 60b) die größte Breite haben, die für Bunde höherer Festigkeit für eine Zuganwendung erforderlich ist, wodurch das Verbindungselement (10, 10b) zufriedenstellende Spann- und Zugkräfte und Ausfallbeständigkeit erhält, um die feste Verbindung in der Vielzahl der Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen zu gewährleisten, wobei die Anwendungen aus der Gruppe Scher-, Scher/Zug-, Zug-, zusammengesetzte Scher-, zusammengesetzte Scher/Zug- und zusammengesetzte Zuganwendung ausgewählt werden; weiter dadurch gekennzeichnet, dass die einheitliche Geometrie von Rastnuten (26, 26b) und Spitzen (60, 60b) für den Bolzen (12, 12b) in der Vielzahl der Anwendungen mit einem oder mehreren Bolzen des ausgewählten Durchmessers zur zureichenden Befestigung der Vielzahl von Werkstücken aneinander in der Vielzahl der Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen dient; und dass der Unterschied in der Breite der Rastnuten (26, 26b) bei Zuganwendung höchstens zehn Prozent der Breite der Rastnuten (26, 26b) bei Scheranwendung beträgt; wobei die Vielzahl der Bunde aus Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen oder Stahllegierungen besteht.
Verbindungselement (10, 10b) nach Anspruch 1, wobei der Bund (14, 14b) geringerer Festigkeit eine Scherfestigkeit von rund 64% der Scherfestigkeit des Bundes (14, 14b) höherer Festigkeit aufweist.
Verbindungselement (10, 10b) nach Anspruch 1, wobei der Bund (14, 14b) geringerer Festigkeit aus einer Aluminiumlegierung und der Bund (14, 14b) höherer Festigkeit aus einer Titanlegierung besteht.
Verbindungselement (10, 10b) nach Anspruch 1, wobei die Rastnuten (26, 26b) im Bereich von 17% bis 25% überladen sind.
Verbindungselement (10, 10b) nach Anspruch 1, wobei die Werkstücke (18, 20, 18b, 20b) aus Metall, Verbundstoffen oder Kombinationen derselben bestehen.
Verbindungselement (10, 10b) nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl der Anwendungen Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- oder zusammengesetzte Scher/Zuganwendung umfasst und die Vielzahl der bei diesen Anwendungen zum Einsatz kommenden Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen ungefähr den selben Außendurchmesser hat und zum Stauchverformen in die Rastnuten (26, 26b) des Bolzens (12, 12b) mittels eines Montagewerkzeugs (48, 48b) mit einem Gesenkamboss (56, 56b) mit einheitlichen Hohlraum ausgelegt ist.
Verbindungselement (10, 10b) nach Anspruch 1, wobei das Verbindungselement (10, 10b) zur Befestigung von Werkstücken (18, 20, 18b, 20b) mit einer Dicke bis zu 0,3175 cm (1/8 Zoll) ausgelegt ist.
Verfahren zur Konstruktion und Herstellung eines Verbindungselements des Stauchverformungstyps (10, 10b) zur zureichenden Befestigung einer Vielzahl von Werkstücken (18, 20, 18b, 20b) aneinander in einer festen Verbindung in einer Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen, bestehend aus: der Ermittlung der Spann- und Zugkraftanforderungen für die Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen, wobei die Anwendungen aus der Gruppe Scher-, Scher/Zug-, Zug-, zusammengesetzte Scher-, zusammengesetzte Scher/Zug- und zusammengesetzte Zuganwendung ausgewählt werden; der Auswahl eines Bolzens (12, 12b) aus einer Vielzahl von Bolzenelementen unterschiedlichen Durchmessers mit einem länglichen Schaft und einem vergrößerten Kopf; gekennzeichnet durch Formen des Bolzenelements mit einem aus einer Vielzahl von sich in Umfangsrichtung erstreckenden Rastnuten (26, 26b) und Spitzen (60, 60b) bestehenden genuteten Abschnitt gemeinsamer Geometrie; durch die Auswahl eines rohrförmigen Bundes (14, 14b) aus einer Vielzahl von Bunden aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei der Bund (14, 14b) zum Einhämmern in die Rastnuten (26, 26b) ausgelegt ist, wobei für jeden Bolzendurchmesser eine gemeinsame Geometrie der Rastnuten (26, 26b) die größte Breite aufweist, die für Bunde geringerer Festigkeit für eine Scheranwendung und für Bunde höherer Festigkeit für eine Zuganwendung erforderlich ist; wobei die gemeinsame Geometrie der Spitzen (60, 60b) die größte Breite aufweist, die für Bunde höherer Festigkeit für eine Zuganwendung erforderlich ist; durch Einsatz der gebildeten Geometrie der Rastnuten (26, 26b) und der Spitzen (60, 60b) mit einem oder mehreren Bolzen des ausgewählten Durchmessers zur zureichenden Befestigung einer Vielzahl von Werkstücken (18, 20, 18b, 20b) aneinander in einer festen Verbindung in einer Vielzahl von Anwendungen mit unterschiedlichen Belastungsanforderungen; und wobei der Unterschied in der Breite der Rastnuten (26, 26b) bei Zuganwendung höchstens zehn Prozent der Breite der Rastnuten (26, 26b) bei Scheranwendung beträgt; und wobei die Vielzahl der Bunde aus Titanlegierungen, Aluminiumlegierungen oder Stahllegierungen besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Bund (14, 14b) geringerer Festigkeit eine Scherfestigkeit von rund 64% der Scherfestigkeit des Bundes (14, 14b) höherer Festigkeit aufweist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Bund (14, 14b) geringerer Festigkeit aus einer Aluminiumlegierung und der Bund (14, 14b) höherer Festigkeit aus einer Titanlegierung besteht.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Werkstücke (18, 20, 18b, 20b) aus Metall, Verbundstoffen oder Kombinationen derselben bestehen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die Vielzahl der Anwendungen Scher-, Scher/Zug-, zusammengesetzte Scher- oder zusammengesetzte Scher/Zuganwendung umfasst und die Vielzahl der bei diesen Anwendungen zum Einsatz kommenden Bunde aus unterschiedlichen Werkstoffen ungefähr den selben Außendurchmesser hat und zum Stauchverformen in die Rastnuten (26, 26b) des Bolzens (12, 12b) mittels eines Montagewerkzeugs (48, 48b) mit einem Gesenkamboss (56, 56b) mit einheitlichen Hohlraum ausgelegt ist.
Verbindungselement nach Anspruch 1, wobei die waagerecht über die Rastnuten gemessene Breite der Rastnuten dem Grundradius der Rastnuten gleich ist.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei die waagerecht über die Rastnuten gemessene Breite der Rastnuten dem Grundradius der Rastnuten gleich ist.