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Dokumentenidentifikation DE202004014071U1 09.03.2006
Titel Befestigungselement zur Reibschweißverbindung mit einem flächigen Bauteil
Anmelder EJOT GmbH & Co. KG, 57334 Bad Laasphe, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, 81679 München
DE-Aktenzeichen 202004014071
Date of advertisement in the Patentblatt (Patent Gazette) 09.03.2006
Registration date 02.02.2006
Application date from patent application 09.09.2004
IPC-Hauptklasse B23K 20/12(2006.01)A, F, I, ,  ,  ,   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungselement mit einer einen konzentrischen Ringwulst aufweisenden Stirnseite zur Reibschweißverbindung mit einem flächigen Bauteil durch auf das Befestigungselement wirkende Rotationskraft und Presskraft gegen das Bauteil.

Ein derartiges Befestigungselement ist in der DE 199 27 369 A1, g, dargestellt. Es handelt sich dabei um einen Bolzen mit einem an dem einen Ende des Bolzens angeordneten Flansch, der auf seiner dem Bolzen abgewandten Seite einen konzentrischen Ringwulst aufweist. Dieser Ringwulst bildet das radiale Ende des Flansches und umrundet eine zentrale Ausnehmung. Die Reibfläche des Ringwulstes ist eben ausgebildet, so dass sich an dem Bolzen eine ringförmige flache Reibfläche ergibt, die mit erheblichem Querschnitt an einem flächigen Bauteil durch Reibschweißen zu befestigen ist. Der bekannte Bolzen mit seiner relativ großen Reibfläche lässt zwar beim Reibschweißvorgang durch Rotieren des Befestigungselementes und Andrücken an ein Bauteil die notwendige Wärme für das Anschmelzen der Berührungsflächen entstehen, weist aber den Nachteil auf, dass bei einer Rotation des Befestigungselementes unter Andrücken radiale Schubkräfte auftreten, die dazu führen, dass neben der Rotation der Bolzen auch rhythmisch eine Auslenkung erfährt, die dem Reibschweißvorgang eine erhebliche Unruhe aufdrückt.

Es ist weiterhin in der US-PS 4,850,772 ein durch Reibschweißen an einen Bauteil zu befestigender Bolzen offenbart, der mit seiner Stirnseite die Fläche bildet, die durch Reibschweißen mit dem betreffenden Bauteil zu verbinden ist. Der Bolzen besitzt einen von der Stirnseite beabstandeten Flansch, der zur Übertragung der Rotationskraft und der Druckkraft gestaltet ist, und zwar derart, dass seine der Stirnseite des Bolzens abgewandte Seite leicht konisch ausgebildet und mit aufeinander folgenden Wellen versehen ist, die mit ihren Kämmen radial ausgerichtet sind. Diese derart gerichteten Wellen bilden zusammen den erwähnten Konus und sollen zur Aufnahme eines entsprechend geformten Futters dienen, das dann über die Wellen die Rotationskraft und über die radiale Erstreckung des Flansches die Druckkraft aufnehmen und diese über den Schaft des Bolzen auf dessen Stirnseite zum Reibschweißen übertragen. Da bei dem dem Bolzen zugrunde liegenden Reibschweißverfahren sowohl erhebliche Rotationskräfte als auch Druckkräfte aufgewendet werden müssen, kann die wellenförmige Gestaltung der genannten Fläche des Flansches dazu führen, dass die Abschrägungen der einzelnen Wellen dem Futter einer verwendeten Reibschweißvorrichtung die Tendenz geben, rhythmisch von dem Flansch weggedrängt zu werden, was zu einer vor allem in Axialrichtung verlaufenden Rüttelbewegung führen kann, die für den Reibschweißvorgang schädlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das oben genannte Befestigungselement bei Ausbildung als Bolzen so zu gestalten, dass es bei gleichmäßiger Führung die Tendenz besitzt, sich bei Rotation automatisch zu zentrieren, und dass es sich von einem Futter sicher zentrisch erfassen lässt. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass der Ringwulst im Bereich seiner größten Höhe eine konzentrische Berührungslinie gegenüber dem Bauteil aufweist und Bestandteil einen Flansches ist, der sowohl den Ringwulst als auch außerhalb des Ringwulstes eine konzentrische Rille mit einer äußeren Wandung zur Abweisung von beim Reibschweißen entstehenden Abriebs sowie eine zentrale Vertiefung zur Aufnahme des Abriebs aufweist, wobei der Flansch mit seiner dem Ringwulst abgewandten Seite eine Gegenfläche für die Presskraft gegen das Bauteil, mit seiner Außenfläche einen Mitnehmer für die Rotationskraft und die Basis für einen Bolzen bildet, dessen Gewindeschaft über einen an den Flansch anschließenden koaxialen, zylindrischen Hals mit gegenüber dem Gewindeschaft größeren Durchmesser in die Gegenfläche übergeht.

Aufgrund dieser Gestaltung des Ringsvorsprungs mit einer konzentrischen Berührungslinie ergibt sich bei der Rotation und dem Andrücken des Befestigungselementes an ein flächiges Bauteil sofort eine der Berührungslinie folgende Eindrucklinie in dem Bauteil, die sich mit fortschreitendem Reibschweißvorgang vertieft und damit automatisch zur Selbstzentrierung des Befestigungselementes bei dem Reibschweißvorgang führt. Dabei sorgt die den Ringwulst umgebende konzentrische Rille mit ihrer äußeren Wandung und der zentralen Vertiefung für die Abweisung bzw. Aufnahme von beim Reibschweißen entstehenden Abriebs, insbesondere Schmelzreste und Schmutzpartikel, die damit automatisch von dem eigentlichen Bereich des Reibschweißens weggeführt werden und damit den Reibschweißvorgang nicht stören können. Durch die Integration des Ringwulstes in den Flansch kann dieser vorteilhaft eine Mehrzahl von Aufgaben übernehmen, nämlich zusätzlich die Übertragung der Rotations- und der Presskraft, was eine entsprechend konzentrierte Gestaltung des erfindungsgemäßen Befestigungselementes ermöglicht. Der Flansch ist in der Lage, die notwendigen Andruckkräfte aufzunehmen, die beim Reibschweißen wirken müssen und von dem rotierenden Befestigungselement in die Reibschweißzone an den Bauteil übertragen werden. Der Flansch wird gleichzeitig als Mitnehmer ausgenutzt, insbesondere wenn er als Sechskant ausgebildet ist, was für das Mitnehmen des Befestigungselements durch ein rotierendes Futter eines entsprechenden Werkzeugs von Vorteil ist. Dabei bildet der Flansch mit seiner dem Ringwulst abgewandten Seite eine Gegenfläche für das Futter einer Reibschweißvorrichtung, das, wie vorstehend dargelegt, eine auf den Flansch ausgeübte Presskraft auf die Schweißstelle überträgt. Dabei wird der Übergang vom Gewindeschaft zu dem Flansch als Bereich zum Erfassen des Bolzens durch ein Futter ausgenutzt, der den koaxialen, zylindrischen Hals bildet, der bei Erfassen durch das Futter an eine genaue zentrische Rotation des Bolzens beim Anpressen an das Bauteil ermöglicht und auch hinsichtlich seines Druckmessers problemlos mit geringer Toleranz gefertigt werden kann.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 ein als Bolzen ausgebildetes Befestigungselement mit einem balligen Ringwulst in Seitensicht, teilweise im Schnitt;

2 den Bolzen in Draufsicht auf den Ringwulst;

3 das Futter mit von diesem aufgenommen und gegen ein Bauteil angedrückten Bolzen;

4 einen durch Reibschweißen mit einem beschichteten Bauteil verbunden Bolzen.

In der 1 ist ein das Befestigungselement bildender Bolzen 1 dargestellt, der auf seiner einen Seite den Gewindeschaft 2 und auf seiner anderen Seite den im Schnitt gezeichneten Ringwulst 3 als Bestandteil des Flansches 4 aufweist. Der Flansch 4 ist hinsichtlich seiner Außenfläche als Sechskant ausgebildet. Der Bolzen 1 wird zum Reibschweißen in ein entsprechend gestaltetes Futter einer Reibschweißvorrichtung eingespannt (siehe 3), für die der Sechskant des Flansches 4 als ein günstiger Mitnehmer zur Aufnahme der erforderlichen größeren Rotationskraft dient. Beim Reibschweißen wird von dem in 1 nicht dargestellten Futter auf die rückwärtige Fläche 5 des Flansches 4 gedrückt, die als Gegenfläche 5 für die Presskraft dient, womit dann der Ringwulst 3 gegen ein in der 1 nicht dargestelltes flächiges Bauteil mit der erforderlichen Presskraft gedrückt werden kann. Ein solches flächiges Bauteil ist in den 3 und 4 dargestellt. Beim Andrücken des Bolzens 1 gegen ein Bauteil berührt der Ringwulst 3 mit dem Bereich seiner größten Höhe 6 (in 2 strichpunktiert dargestellt). Dabei bildet sich eine sehr schmale konzentrische Berührungslinie aus, die dafür sorgt, dass sich beim Anpressen und bei der Rotation des Bolzens 1 automatisch eine Selbstzentrierung der Rotationsbewegung ergibt.

Zwischen dem Gewindebereich des Gewindeschafts 2 und dem Flansch 4 ist der Hals 10 vorgesehen, der zylindrisch ausgebildet ist und koaxial zum Bolzen 1 verläuft, so dass der Hals 10 den idealen Führungsbereich zum Ansetzen eines Futters bietet, das damit bei genau zentrischer Drehung dem Bolzen eine schlagfreie Rotation aufzwingt. Der Hals 10 ist bei der dargestellten Gestaltung relativ nahe an der Berührungslinie im Bereich der Höhe 6 vorgesehen, so dass sich auch hierdurch eine günstige Führung des für das Reibschweißen erforderlichen Bereichs mit dem Ringwulst 3 bietet. Der Übergang vom Gewindeschaft 2 zum Hals 10 wird durch die konische Abschrägung 11 gebildet, die ein Aufsetzen eines Futters erleichtert.

In der 2 ist der Bolzen 1 in Draufsicht auf die Seite des Bolzens mit dem Ringwulst 3 dargestellt. In der 2 ist, wie oben gesagt, die Berührungslinie 6 durch die dort strichpunktiert angegebene Linie 6 dargestellt.

Wie sich aus 1 weiterhin ergibt, wird der Ringwulst 3 einerseits von der konzentrischen Rille 7 und andererseits von der zentralen Vertiefung 8 begrenzt. Dabei bildet die äußere Wandung 25 eine Fläche zur Abweisung von Abrieb unter Ausnutzung der Fliehkraft und die Vertiefung 8 einen Aufnahmeraum für den Abrieb (Schmelzereste und Schmutzpartikel), der dann den eigentlichen Reibschweißvorgang nicht mehr beeinträchtigen kann.

In der 3 ist der Bolzen 1, erfasst von einem Futter in der Phase der Rotation des Bolzens und Andrücken gegen das Bauteil 12 dargestellt, das in 3 teilweise gezeigt ist und das Bauteil 12 durch den Niederhalter 19 gegen das Widerlager 15 drückt. Das Futter weist die Ringaufnahme 9 auf, die den mit einem Sechskantprofil ausgestalteten Flansch 4 satt umfasst und die von einem nichtdargestellten Drehantrieb beim Reibschweißen in Drehung versetzt wird. Dabei wird der Bolzen 1 in seinem Bereich mit dem zylindrischem Hals 10 von dem rohrartig gestalteten Druckstück 18 zentrisch erfasst, so dass bei der Drehung über den koaxialen, zylindrischen Hals 10 und das Druckstück 18 gewährleistet ist, dass der Ringwulst 3 des Bolzens ohne seitliches Ausweichen, also schlagfrei, rotiert. Auf Grund der Rotation und des Anpressens des Bolzens 1 mit seinem Ringwulst 3 tritt eine solche Erhitzung an der Berührungsstellen von Ringwulst 3 und Bauteil 12 ein, dass schließlich eine Reibschweißung in dem Bereich 14 mit dem Material des Bauteils 12 eintritt.

In der 4 ist der Bolzen 1 gemäß 1, angeschweißt an das flächige Bauteil 12 dargestellt. Das flächige Bauteil wird hier durch ein dünnes beschichtetes Blech gebildet, dessen Beschichtungen mit 13 bezeichnet sind. Wie ersichtlich ist ein Teil des ballig ausgebildeten Ringwulstes 3 in das Material des Bauteils 12 eingedrungen und hat sich in dem Bereich 14 mit dem Material des Bauteils 12 porenfrei verschweißt.


Anspruch[de]
  1. Befestigungselement mit einer einen konzentrischen Ringwulst (3) aufweisenden Stirnseite zur Reibschweißverbindung mit einem flächigen Bauteil (12) durch auf das Befestigungselement wirkende Rotationskraft und Presskraft gegen das Bauteil (12), dadurch gekennzeichnet, dass der Ringwulst (3) im Bereich seiner größten Höhe (6) eine konzentrische Berührungslinie gegenüber dem Bauteil (12) aufweist und Bestandteil eines Flansches (4) ist, der sowohl den Ringwulst (3) als auch außerhalb des Ringwulstes (3) eine konzentrische Rille (7) mit einer äußeren Wandung (25) zur Abweisung von beim Reibschweißen entstehenden Abriebs sowie eine zentrale Vertiefung (8) zur Aufnahme des Abriebs aufweist, wobei der Flansch (4) mit seiner dem Ringwulst (3) abgewandten Seite eine Gegenfläche (5) für die Presskraft gegen das Bauteil (12), mit seiner Außenfläche einen Mitnehmer für die Rotationskraft und die Basis für einen Bolzen (1) bildet, dessen Gewindeschaft (2) über einen an den Flansch (4) anschließenden koaxialen, zylindrischen Hals (10) mit gegenüber dem Gewindeschaft (2) größeren Durchmesser in die Gegenfläche (5) übergeht.
  2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringwulst (3) im Querschnitt ballig ausgebildet ist.
  3. Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer als Sechskant ausgebildet ist.
Es folgen 2 Blatt Zeichnungen






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