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Patent Searching and Data


Title:
CONNECTING ELEMENT
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2007/059744
Kind Code:
A1
Abstract:
The invention relates to a connecting element that is anchored in a workpiece by a joining and pressing process. Said connecting element has at least one anchoring portion that is held in the workpiece after the anchoring process and at least one outer connecting element portion that is located outside the workpiece after said anchoring process. A profiled edge is formed on a surface that is held in the workpiece after the anchoring process, or on a surface lying adjacent to the workpiece, in a shaping process, involving for example the milling of an outer edge region of the outer connecting element portion, said profiled edge, once anchored, meshing with the material of the workpiece to absorb torque.

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Inventors:
SCHMIDT HEIKO (DE)
Application Number:
PCT/DE2006/002048
Publication Date:
May 31, 2007
Filing Date:
November 21, 2006
Export Citation:
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Assignee:
SCHMIDT HEIKO (DE)
International Classes:
F16B35/06; F16B37/06
Foreign References:
DE3102939A11982-09-02
DE2434486A11975-02-13
DE20113853U12001-11-15
DE1400934A11969-03-20
US3079970A1963-03-05
Attorney, Agent or Firm:
GRAF, Helmut et al. (Regensburg, DE)
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Claims:

Patentansprüche

1. Verbindungselement zum Verankern in einem Werkstück (10) aus einem bleibend verformbaren Material, vorzugsweise aus einem bleibend verformbaren Flachmaterial, durch Fügen und Verpressen, mit wenigstens einem nach dem Verankern im Werkstück (10) aufgenommenen Verankerungsabschnitt (11.3, 17.3, 18.3, 20) sowie mit wenigstens einem nach dem Verankern außerhalb des Werkstücks (10) angeordneten äußeren Verbindungselementabschnitt (11.1, 17.1, 18.1), dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Verformungsprozess, beispielsweise durch Rändeln, eines äußeren Randbereichs des äußeren Verbindungselementabschnitts (11.1, 17.1 , 18.1, 20) an einer nach dem Verankern im Werkstück aufgenommenen oder dem Werkstück benachbarten Fläche (11.2, 17.2, 18.3) eine resultierenden Profilierung (13, 21) gebildet ist, die nach dem Verankern in das Material des Werkstückes (10) für eine Drehmomentaufnahme eingreift.

2. Verbindungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierenden Profilierung (13, 21) durch einen bezogen auf die Achse (MA) des Rand- oder Umfangsbereichs schrägen Verformungsprozess erfolgt ist.

3. Verbindungselement zum Verankern in einem Werkstück (10) aus einem bleibend verformbaren Material, vorzugsweise aus einem bleibend verformbaren Flachmaterial, durch Fügen und Verpressen, mit wenigstens einem nach dem Verankern im Werkstück (10) aufgenommenen Verankerungsabschnitt (11.3, 17.3, 18.3, 20) sowie mit wenigstens einem nach dem Verankern außerhalb des Werkstücks (10) angeordneten äußeren Verbindungselementabschnitt (11.1 , 17.1, 18.1), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselementes (11, 17, 18) an mindestens einem Rand- oder

Umfangsbereichs durch einen bezogen auf eine Achse (MA) dieses Rand- oder

Umfangsbereichs oder des Verbindungselementes (1 1 , 17, 18) schrägen Verformungsprozess, beispielsweise durch eine schräge Rändelung, zur Erzeugung einer resultierenden Profilierung (13, 21) an einer an den Rand- oder Umfangsbereich anschließenden Fläche profiliert ist.

4. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die resultierende Profilierung von einer Vielzahl von Vorsprüngen (13, 22) und dazwischen liegenden Ausnehmungen oder Lücken gebildet ist.

5. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (11, 17, 18) wenigstens eine Hinterschneid u ng (12, 22) bildet, die nach dem Verpressen von dem Material des Werkstückes (10) hintergriffen ist.

6. Verbindungselement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hinterschneidung (12, 22) und die durch die Rändelung erzeugte resultierenden Profilierung (13, 21) bezogen auf die Achse (MA) des Verbindungselementes radial versetzt vorgesehen sind.

7. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wenigstens eine Hinterschneidung an dem Verankerungsabschnitt (11.3, 17.3) vorgesehen ist.

8. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Verbindungselementes als Mutter (11 , 18) der Verformprozess oder die Rändelung an einem Randbereich zwischen der Umfangsfläche eines Mutterkörpers (1 1.1) und einer Stirnfläche (1 1.2) des Mutterkörpers erfolgt sind, an die (Stirnfläche) sich der Verankerungsabschnitt (1 1.3) anschließt.

9. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbildung des Verbindungselementes als Bolzen der die resultierenden Profilierung erzeugende Verform prozess oder die Rändelung an einem Bolzenkopf (17.1) erfolgt sind, und zwar an einem Rand- oder Umfangsbereich zwischen der Umfangsfläche des Bolzenkopfes (17.1) und einer Stirnfläche (17.2) des Bolzenkopfes, an die sich ein Bolzenschaft (17.3) anschließt.

10. Verbindungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement an einer dem Verankerungsabschnitt (18.3) zugewandten Stirnseite (18.2) seines äußeren Abschnitts (18.1) einen ringförmigen Vorsprung (20) aufweist, und dass der die resultierenden Profilierung (21) erzeugende Verformprozess oder die Rändelung am freien Rand dieses Vorsprungs (20) außen liegend erfolgt sind.

11. Verbindungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung (20) durch den Verformprozess oder die Rändelung kegel ringartig bleibend verformt ist, und zwar zur Bildung einer Hinterschneidung (22) an der Innenfläche des ringartigen Vorsprungs.

Description:

Verbindungselement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verbindungselement gemäß Oberbegriff Patentanspruch 1 oder 3.

Verbindungselemente beispielsweise in Form von Muttern (z.B. Press- oder Stanzmuttern) oder Bolzen zum Einbringen und Befestigen in Werkstücken aus einem verformbaren Material, insbesondere aus Metall und dabei speziell zum Einbringen und Verankern in Werkstücken aus einem metallischen Flachmaterial durch Fügen und Verpressen sind bekannt. Gefordert wird für die Verankerung des jeweiligen Verbindungselementes im Werkstück eine ausreichend hohe Ausreißfestigkeit sowie auch eine ausreichend hohe Verdrehsicherheit des verankerten Verbindungselementes (nachstehend Drehmomentaufnahme). Bei üblichen Verbindungselementen wird dies dadurch erreicht, dass derjenige Verankerungsabschnitt des Verbindungselementes, der nach dem Fügen und Verpressen im Werkstück aufgenommen bzw. verpresst ist, wenigstens eine von dem Material des Werkstückes hintergriffene Hinterschneidung, die insbesondere die Ausreißfestigkeit gewährleistet, sowie eine Profilierung bildet, die die Drehmomentaufnahme gewährleistet.

Bekannte Verbindungselemente haben u. a. den Nachteil, dass sie für Werkstücke mit geringer Dicke, d. h. insbesondere für Werkstücke aus dünnem Blech nicht oder nur unzureichend geeignet sind, und zwar insbesondere dann nicht, wenn bei einer preiswerten Fertigung eine hohe Ausreißfestigkeit und Drehmomentaufnahme des Verbindungselementes im Werkstück gefordert werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verbindungselement aufzuzeigen, welches bei der Möglichkeit einer preiswerten Fertigung nach dem Verankern in einem Werkstück im Vergleich zu bekannten Verbindungselementen eine verbesserte Ausreißfestigkeit und/oder Drehmomentaufnahme gewährleistet. Zur Lösung dieser Aufgabe ist ein Verbindungselement entsprechend dem Patentanspruch 1 oder 3 ausgebildet.

Das erfindungsgemäße Verbindungselement, welches beispielsweise eine Pressmutter, eine Stanzmutter, ein Bolzen oder dgl. Verbindungselement ist, zeichnet sich insbesondere auch durch eine hohe Drehmomentaufnahme nach dem Verankern im Werkstück aus. Das erfindungsgemäße Verbindungselement eignet sich u.a. speziell auch zur Verwendung in Werkstücken geringer Dicke, d.h. zur Verwendung in Werkstücken aus einem dünnen, bleibend verformbaren Flachmaterial, insbesondere Metallblech.

Die Drehmomentaufnahme wird durch eine in das Werkstück eingreifende sekundäre bzw. resultierende Profilierung erreicht, die durch eine primäre Profilierung bzw. durch einen Verform ungsprozess, beispielsweise Rändelung an einem benachbarten Bereich des Verbindungselementes und der hierbei auftretenden Materialverdrängung erzeugt ist.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche. Die Erfindung wird im Folgenden anhand der Figuren an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein Verbindungselement in Form einer Einpressmutter herkömmlicher Ausbildung, zusammen mit einem aus einem metallischen Flachmaterial hergestellten Werkstück und den Werkzeugteilen zum Fügen und Verpressen der Mutter im Werkstück;

Fig. 2 eine Darstellung wie Figur 1 bei einem als Mutter ausgebildeten Verbindungselement gemäß der Erfindung;

Fig. 3 in vergrößerter Darstellung ein Detail des Verbindungselementes der Figur 2 bzw. der Verbindung zwischen diesem Element und dem Werkstück;

Fig. 4 eine vereinfachte Darstellung zur Erläuterung der Herstellung des Verbindungselementes der Figuren 2 und 3;

Fig. 5 ein als Bolzen ausgebildetes Verbindungselement gemäß der Erfindung;

Fig. 6 und 7 eine als Stanzmutter ausgebildetes Verbindungselement gemäß der Erfindung.

In den Figuren sind 1 ein Werkstück aus einem metallischen Flachmaterial bzw. aus Metallblech und 2 eine Einpressmutter bekannter Ausführung, die durch Fügen und Verpressen im Werkstück 1 befestigt ist. Die Mutter 2 besteht hierbei aus einem Mutterkörper 2.1 , die an einer Stirnseite 2.2 einen im Wesentlichen kreiszylinderförmigen Bund 2.3 bildet, der einen im Vergleich zum Mutterkörper 2.1 reduzierten Querschnitt aufweist und an dem eine die Achse MA der Mutter 2 umschließende ringförmige Hinterschneidung 3 gebildet ist, in die nach dem Fügen der Mutter 2 bzw. nach dem Einführen des Bundes 2.3 in eine im Werkstück 1 vorbereitete öffnung 4 durch Verpressen bzw. bleibende Verformung des Werkstückes 1 in seinem die öffnung 4 umschließenden Bereich Material dieses Werkstückes hineingedrückt und dadurch die Mutter 2 im Werkstück 1 durch Verpressen verankert wird. Das Verpressen erfolgt mit einem geeigneten, dem Fachmann bekannten Werkzeug, welches u.a. den auf die Oberseite der Mutter 2 einwirkenden Stempel 5 sowie die Matrize 6 aufweist, auf der sich das Werkstück 1 mit seiner Unterseite im Bereich der öffnung 4 abstützt. Um die erforderliche Drehmomentaufnahme zu erreichen, ist zusätzlich zu der Hinterschneidung 3 am Bund 2.3 eine Rändelung 7 vorgesehen, die eine Vielzahl von sich jeweils in Achsrichtung der Mutter 2 erstreckenden zahnartigen Vorsprüngen und dazwischen liegenden Vertiefungen aufweist.

Nachteilig ist hierbei u.a., dass die Hinterschneidung 3 und die Rändelung 7 bezogen auf die Achse der Mutter 2 axial aufeinander folgend vorgesehen sind, so dass insbesondere dann, wenn eine hohe Ausreißfestigkeit und eine hohe Drehmomentaufnahme für die verankerte Mutter 2 angestrebt werden, der Bund 2.3 eine nicht unerhebliche axiale Höhe aufweisen muss. Dieser entspricht dann auch die Dicke des für das Werkstück 1 verwendeten metallischen Flachmaterials (Metallblech), d.h. die bekannte Mutter 2 ist bereits aus diesem Grunde für die Verwendung bei Werkstücken 1 aus einem Flachmaterial geringer Dicke nicht geeignet. Dieselben

Probleme ergeben sich auch bei bekannten Befestigungselementen anderer Art, beispielsweise bei Bolzen.

Die Figur 2 zeigt in einer Darstellung wie Figur 1 das aus Blech gefertigte Werkstück 10 zusammen mit einem in diesem Werkstück durch Fügen und Verpressen verankerten Verbindungselement gemäß der Erfindung in Form der Mutter 11. Diese besteht wiederum aus dem Mutterkörper 1 1.1, der scheibenförmig bzw. als flacher Kreiszylinder ausgebildet ist sowie aus dem an einer Stirnseite 1 1.2 einstückig mit dem Mutterkörper 11.1 hergestellte Vorsprung bzw. Bund 11.3 mit ebenfalls kreisförmigen, aber gegenüber dem Mutterkörper 11.1 etwas reduziertem Querschnitt. An der Außenfläche des Bundes ist die ringförmige, die Mutterachse MA konzentrisch umschließende Hinterschneidung 12 gebildet, die unmittelbar an die den Bund 11.3 aufweisende Stirnfläche 1 1.2 der Mutter 1 1 anschließt.

Für die Drehmomentaufnahme weist die Mutter 1 1 an der Stirnfläche 1 1.2 außen, d.h. dort, wo diese Stirnfläche die Umfangsfläche des Mutterkörpers 11.1 übergeht, eine Vielzahl von über diese Stirnfläche 1 1.2 vorstehenden Vorsprüngen 13 (resultierende Profilierung) auf, die einen ring- oder kranzartigen, die Mutterachse MA konzentrisch umschließenden Bereich bilden, an dem die Vorsprünge 13 und dazwischen liegende Lücke jeweils in Umfangsrichtung der Mutter 1 1 aufeinander folgen. Mit 14 ist in der Figur 2 noch die Muttergewindeöffnung bezeichnet, die achsgleich mit der Mutterachse MA ausgebildet und an der oberen Stirnseite des Mutterkörpers 1 1.1 sowie am Bund 11.3 offen ist.

Das Befestigen der Mutter 11 ist Werkstück 10 erfolgt wiederum durch Fügen, d.h. durch Einsetzen des Bundes 1 1.3 in eine im Werkstück 10 vorbereitete öffnung 14 und durch anschließendes Verpressen mit dem Stempel 5 und der Matrize 6, wobei bei diesem Verpressen wiederum das Material des Werkstückes 10 in die Hinterschneidung 12 fließt und dadurch die Mutter 1 1 gegen Ausreißen im Blech bzw. Werkstück 10 verankert ist. Beim Verpressen werden zugleich die Vorsprünge 13, die bezogen auf die Mutterachse MA gegenüber der Hinterschneidung 12 radial

nach außen versetzt bzw. von der Hinterschneidung 12 radial beabstandet sind, an der Oberseite des Werkstückes 10 in dieses eingedrückt, wodurch sich eine extrem hohe Drehmomentaufnahme ergibt. Wie insbesondere aus der Figur 2 ersichtlich ist, kann durch die beschriebene Ausbildung die Blechdicke des Werkstückes 10 wesentlich kleiner gehalten werden als bei der bekannten Mutter 2.

Die Vorsprünge 13 sind entsprechend der Figur 4 in besonders einfacher Weise durch schräges Rändeln des übergangs bzw. des Randes 1 1.4 zwischen der Umfangsfläche des Mutterkörpers 11.1 und der Stirnfläche 1 1.3 und durch die dabei erfolgte Materialverdrängung erzeugt, und zwar mit einem gegen diesen Randbereich 11.4 anliegenden Räπdelwerkzeug 15. Das Rändelwerkzeug 15 ist in einem geeigneten Werkzeugträger 16 um eine Werkzeugachse WA drehbar gelagert und für den Rändelvorgang derart positioniert und zugestellt, dass die Achsen MA und WA in einer gemeinsamen Ebene liegen und der jeweils gegen den Randbereich 11.4 anliegende Umfangsbereich des Rändelwerkzeugs 15 bzw. die Mantellinie ML der Umfangsfläche des Rändelwerkzeugs 15 im gegen den Randbereich 11.4 anliegenden Umfangsbereich des Rändelwerkzeuges 15 mit der Mutterachse MA einen Winkel α kleiner als 90° einschließt, der sich zu der oberen, den Bund 11.3 nicht aufweisenden Stirnseite des Mutterkörpers 11.1 hin öffnet.

Bei der dargestellten Ausführungsform ist das Rändel Werkzeug 15 kreisscheibenförmig bzw. kreiszylinderförmig ausgeführt, so dass auch die Werkzeugachse WA mit der Mutterachse MA dem Winkel α einschließt. Bei der dargestellten Ausführungsform beträgt der Winkel α etwa 75°.

Die Mutter 11 kann preiswert, beispielsweise als Drehteil auf Fertigungsautomaten gefertigt werden, wobei insbesondere auch die Erzeugung der Vorsprünge 13 bzw. die resultierende Profilierung mit diesen Vorsprüngen 13 durch die schräge Rändelung unproblematisch ist und ohne großen werkzeugtechnischen Aufweist durchgeführt werden kann.

Die Figur 4 zeigt in Einzeldarstellung ein Verbindungselement in Form eines Bolzens 17 bestehend aus einem flachen, kreisscheibenförmigen Bolzenkopf 17.1 und einem an einer Stirnseite 17.2 vorgesehenen Schaft 17.3, der beispielsweise zumindest auf einer Teillänge mit einem nicht dargestellten Außengewinde versehen ist. Der Bolzenkopf 17.1 ist an dem äußeren Randbereich der dem Bolzenschaft 17.3 zugewandten Stirnseite 17.2 wiederum mit den durch eine schräge Rändelung erzeugten, über diese Stirnseite wegstehenden Vorsprüngen 13 versehen. Weiterhin weist der Bolzenschaft unmittelbar an den Bolzenkopf 17.1 anschließend die ringförmige Hinterschneidung 12 auf. Ebenso wie die Mutter 1 1 ist auch der Bolzen 17 für die Verwendung in sehr dünnen Blechen bzw. Werkstücken 10 geeignet und ermöglicht eine Verankerung mit hoher Ausreißkraft und mit hoher Drehmomentaufnahme.

Die Figuren 6 und 7 zeigen als weitere mögliche Ausführungsform der Erfindung ein Verbindungselement in Form einer so genannten Stanzmutter 18. Diese besteht wiederum aus dem Mutterkörper 18.1, der an seinem Umfang kreiszylinderförmig ausgebildet ist und an einer Stirnseite 18.2 einen Bund oder Vorsprung 18.3 besitzt, und zwar mit einer ebenfalls kreiszylinderförmigen Umfangsfläche aber mit einem gegenüber dem Mutterkörper 18.1 reduzierten Durchmesser. Mit 19 ist die achsgleich mit der Mutterachse MA ausgebildete Muttergewindeöffnung bezeichnet.

An der Stirnseite 18.2 ist der Mutterkörper 18.1 außen mit einem über die Stirnseite 18.2 axial vorstehenden, die Achse MA konzentrisch umschließenden ringförmigen Vorsprung 20 ausgebildet, und zwar mit einer außen liegenden Fläche 20.1, die in die Umfangsfläche des Mutterkörpers 18.1 übergeht, mit einer innen liegenden Fläche 20.2 sowie mit einer Stirnfläche 20.3.

Durch schräges Rändeln des außen liegenden, zwischen der Außenfläche 20.1 und der Stirnfläche 20.3 gebildeten Randbereichs 20.4 sind durch die dabei erfolgte Materialverdrängung über die Stirnfläche 20.3 vorstehende Vorsprünge 21 gebildet, die von ihrer allgemeinen Funktion her den Vorsprüngen 13 entsprechen und

wiederum Teil eines Verankerungsbereichs sind, der die Achse MA kreisringförmig umschließt und in welchem die Vorsprünge 21 und dazwischen liegende Vertiefungen bzw. Lücken aufeinander folgen. Bei dieser Ausführungsform ist die schräge Rändelung derart erfolgt, dass auch der Vorsprung 20 insgesamt leicht nach innen gedrückt ist, so dass der Vorsprung 20 mit seiner Innenseite 20.1 eine Hinterschneidung 22 bildet, in die beim Verpressen der Mutter 18 im Werkstück 10 das Material dieses Werkstückes hineinfließt und dadurch die Mutter 18 im Werkstück 10 verankert, wie dies in der Figur 7 dargestellt ist. Durch die Ausbildung der Mutter 18 als Stanzmutter erfolgt das Fügen dieser Mutter im Werkstück 10 in der Weise, dass sie mit ihrem Abschnitt bzw. Bund 18.3 durch Stanzen die öffnung im Werkstück bzw. Blech selbst bildet.

Selbstverständlich können bei dieser Ausführung zusätzlich zu der Hinterschneidung 22 noch weitere Hinterschneidungen, beispielsweise die in der Figur 6 mit unterbrochenen Linien angedeutete Hinterschneidung 23 am Bund bzw. Vorsprung 18.3 vorgesehen sein. Weiterhin ist es bei dieser Ausführung auch möglich, zusätzlich zu der von den Vorsprüngen 21 gebildeten Drehmomentaufnahme noch weitere Profilierungen, beispielsweise Rändelungen zur Besserung der Drehmomentaufnahme vorzusehen, beispielsweise eine Rändelung an der Innenfläche 20.2 des Vorsprungs 20, wie dies in der Figur 6 mit der unterbrochenen Linie 24 angedeutet ist.

Die Erfindung wurde voranstehend an verschiedenen Ausführungsbeispielen beschrieben. Es versteht sich, dass weitere änderungen sowie Abwandlungen möglich sind, ohne das dadurch der der Erfindung zugrunde liegende Erfindungsgedanke verlassen wird.

Bezugszeichenliste

1 Blech bzw. Werkstück

2 Pressmutter bekannter Ausführung

.1 Mutterkörper

.2 Stirnfläche

.3 Vorsprung bzw. Bund

3 Hinterschneidung

Fügeöffnung

5 Stempel

6 Matrize

7 Rändelung oder Profilierung

10 Werkstück oder Blech

11 Pressmutter

11.1 Mutterkörper

11.2 Stirnfläche

11.3 Vorsprung oder Bund

1 1.4 Randbereich

12 Hinterschneidung

13 Vorsprung

14 Muttergewindebohrung

15 Rändelwerkzeug

16 Werkzeugträger

17 Bolzen

17.1 Bolzenkopf

17.2 Bolzenschaft

18 Stanzmutter

18.1 Mutterkörper

18.2 Stirnfläche

18.3 Vorsprung oder Bund

19 Muttergewindeöffnung

20 ringartiger Vorsprung

20.1 Außenseite

20.2 Innenseite

20.3 Stirnfläche

21 Vorsprung

22 Hinterschneidung

23 Hinterschneidung

24 Rändelung

MA Mutterachse

WA Werkzeugachse

ML Mantellinien

α Winkel zwischen Mantellinie ML und Mutterachse MA