BESCHREIBUNG

Verbesserte Schraubverbindung für Getriebegehäuse und Kurbelwellengehäuse

Stand der Technik:

Die vorliegende Erfindung betrifft Schraubverbindungen von Kurbelwellen- und Getriebegehäusebauteilen.

Eine solche Schraubverbindung ist im Deutschen Patent mit der Nummer DE 103 14 948 offenbart, Figur 1 und 2 zeigen Details der dortigen Lehre:

Figur 1 zeigt einen Ausschnitt einer Schraubverbindung mit einer Befestigungsschraube im Schnitt vor ihrem Eindrehen. Zur Vereinfachung ist nur eine Befestigungsschraube 1 mit den zugehörigen Abschnitten der Gehäusebauteile 6, 7 abgebildet. Tatsächlich besteht die Schraubverbindung aus einer Mehrzahl von Befestigungsschrauben 1, beispielsweise aus einer ringförmigen Anordnung zur Bildung einer Flansch- Verbindung für ein Getriebegehäuse eines Kraftfahrzeuges. Die Befestigungsschraube 1 besteht aus einem Schraubenkopf 3 mit einer Schraubenkopfauflagefläche 9, einem Schraubenschaft 4 und einem Schraubengewinde 5. Zwischen dem Schraubenschaft 4 und dem Schraubenkopf 3 ist ein Dichtansatz 2, vorteilhaft als Dichtkonus ausgebildet, angeordnet. Die

Gehäusebauteile 6, 7 weisen zur Aufnahme der Befestigungsschraube 1 eine Schraubenbohrung 8 auf, wobei der Fortsatz der Bohrung 8 in dem Gehäuseunterteil 7 mit einem Innengewinde 12 versehen ist.

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Figur 2 zeigt die Schraube in eingedrehtem Zustand, schematisch. Bei einem Eindrehen der Schraube 1 kommt der Dichtkonus 2 zunächst mit einem äußeren Rand der Verbindungsbohrung 8 des ersten (in der Zeichnung oberen) Gehäusetei- les 6 in Kontakt und wird mit dem weiteren Eindrehen der Schraube 1 in einen äußeren Bereich der Bohrungsrundung eingedrückt (rechte Bildhälfte) . Somit wird durch eine plastische Verformung eine Gegendichtflache 11, d.h. ein Gegenkonus ausgebildet, der in Verbindung mit dem Dichtko- nus 2 der Schraube 1 eine Dichtverbindung bildet. Dabei kommt die Schraubenkopfauflagefläche 9 mit einer benachbarten Gehäuseoberteilauflagefläche 10 des Gehäuseoberteils 6 zum Anliegen. Infolge der Ausbildung der Dichtverbindung können flüssige Betriebsmittel, wie z.B. Getriebe- oder Hydrauliköl, die sich innerhalb des Gehäuses befinden und z.B. über undichte Flanschdichtungen und Gehäuserisse in der Schraubenbohrung 8 des Gehäuseoberteils 6 gelangen können, nicht nach außen entweichen.

Die darin offenbarte Schraubverbindung soll bei den oben genannten Gehäusebauteilen vielfach, jeweils im Flanschbereich solcher Gehäusebauteile, eingesetzt werden. Da solche Gehäuse durchweg gegossen werden, ergeben sich oft Materialunebenheiten an den Gehäuseoberflächen, die insbesondere im Bereich der Schraubenlöcher sehr störend sein können.

Die im Stand der Technik bekannte Schraube wird dabei durch ein sogenanntes Durchgangsloch des einen Gehäusebauteils hindurchgesteckt und in ein sogenanntes Sackloch des anderen Gehäusebauteils geführt, das mit einem passenden Innen- gewinde versehen ist, so daß die Schraube darin festgezogen werden kann.

Diese im obigen Patent gezeigte Schraube erfüllt in technischer Hinsicht eine Doppelfunktion:

Zum einen dichtet sie das Durchgangsloch aufgrund ihres Konusbereichs zwischen Schraubenschaft und Schraubenkopf ab, wodurch sie ohne teure Beilagscheibe oder Dichtungsring und unabhängig von den Unebenheiten auf der Oberfläche des Ge- häuseteils eingesetzt werden kann, so daß keine Flüssigkeit, wie etwa Getriebeöl, aus dem Inneren des fertigen Gehäuses während des Betriebes nach außen dringen kann. Der Konus der Schraube verformt dabei, wenn die Schraube festgezogen wird, den äußeren Bereich des Durchgangslochs, wo- durch sich eine Dichtfläche bildet, die ausreichend gut ist, um für die Dichtfunktion zu sorgen. Damit wird eine kostenintensive Innenbeschichtung der Gehäuseteile eingespart .

Zum zweiten muß die Schraube bei einem gegebenen Anzugsdrehmoment dafür sorgen, daß die beiden Gehäusebauteile mit einer Gehäusespannung zusammengepreßt werden, die groß genug ist, um die Dichtigkeit zwischen den beiden angrenzenden Gehäuseflächen zu schaffen, und gleichzeitig muß die Reibung zwischen Schraubenkopf und der Oberfläche des Gehäusebauteils so groß sein, daß sich die Schraube nicht von selbst wieder löst, beispielsweise aufgrund von Vibrationen, Kalt-/Warmzyklen und ähnlichen äußeren Einflüssen.

Für sehr hohe Anforderungen an das vorerwähnte Losdrehmoment für die Schraube und die Gehäusespannung ist es nun wünschenswert, diese Schraube bzw. Schraubverbindung noch weiter zu verbessern.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die oben genannte Schraubverbindung für Getriebegehäuse und Kurbelwellengehäuse dahingehend zu verbessern, daß bei gegebenem Anzugsmoment der Schraube eine größere Gehäusespannung erzeugt werden kann, damit die Gehäusebauteile noch fester aneinandergepreßt werden und eine größere Reibung am Schraubenkopf möglich ist.

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Vorteile der Erfindung

Mit den Maßnahmen der unabhängigen Ansprüche wird diese Aufgabe gelöst.

In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Gegenstandes der Erfindung angegeben.

Es wird nun erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Schraube zu schaffen, die im übergangsbereich zwischen Schraubenschaft und Schraubenkopf einen sich langsam aufweitenden Bereich aufweist, bevorzugt einen Konusbereich, der dann seiner- seits in seinem übergangsbereich zum Schraubenkopf im

Schraubenkopf selbst eine Ausnehmung bildet, die umlaufend kreissymmetrisch ausgebildet ist und von ihrem Volumen her groß genug ist, um Material des Gehäuseteils, das beim Eindrehen der Schraube und beim Einpressen des Konusbereichs gegen die Innenwandung des Durchgangslochs in Richtung des Schraubenkopfs verschoben wird, aufzunehmen. Dieses Material ist meist ein Grat, der ringförmig am Lochrand besteht und eine Erhebung gegenüber der Gehäuseoberfläche darstellt. Die radial weiter außen als die Ausnehmung liegenden Auflagebereiche des Schraubenkopfs liegen dann - keine größeren Unebenheiten der Oberfläche vorausgesetzt - besser an der Oberfläche des Randbereichs des Durchgangslochs an, wodurch sich eine größere Auflagefläche ergibt, die ihrerseits für mehr Reibung zwischen Kopf und Gehäuseteil und damit für ein erhöhtes Losdrehmoment der Schraube sorgt. Da gleichzeitig das hochgeschobene Material in das Innere der Ausnehmung ausweichen kann, bietet es weniger Widerstand beim Eindrehen der Schraube, wodurch bei gleichem Anzugsmoment wie im Stand der Technik eine deutlich größere Gehäusespan-

nung zwischen den zu verbindenden Gehäusebauteilen geschaffen werden kann.

Zeichnungen

Anhand der Zeichnungen werden Ausführungsbeispiele der Erfindung erläutert.

Figur 1 ist eine Abbildung aus dem Stand der Technik gemäß der oben zitierten Patenschrift, die eine Schraube vom Stand der Technik zeigt, wie sie in Durchgangsloch und Sackloch befindlich steckt und zwei Gehäusehälften miteinander verbinden soll, wobei der angedeutete Konusbereich der Schraube für Dichtigkeit sorgen soll zum Zeitpunkt, kurz bevor die Schraube ganz eingedreht ist;

Figur 2 zeigt eine Abbildung gemäß Figur 1, nachdem die Schraube vollständig eingedreht wurde, zur Veranschaulichung, daß das durch die Verformung des Lochrandes aufge- worfene und nach oben gewölbte Material in Form eines Wulstes oder Grates bestehen bleibt und nicht vom Schraubenkopf beim Eindrehen ausreichend platt gedrückt werden kann;

Figur 3 zeigt eine übersichtsdarstellung für eine Schraube gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Figur 4, 5, 6 und 7 zeigen verschiedene Varianten der Kontur einer Schraube, wie sie in Figur 3 im überblick dargestellt ist; und

Figur 8 zeigt eine Darstellung gemäß Figur 2 nach dem vollständigen Eindrehen in das Sackloch, wobei die Figur der Einfachheit halber auf die rechte Hälfte des Durchgangslochs reduziert ist.

Beschreibung von Ausführungsbeispielen

In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche o- der funktionsgleiche Komponenten.

Die in Figur 3 gezeigte Befestigungsschraube weist im Bereich ihres Kopfes 30, genauer im gestrichelt gezeichneten Bereich 34 eine Besonderheit auf, die die im Stand der Technik als nachteilig geschilderten Effekte beseitigt. Sie ist aus einem Material, das härter ist als das der zu verbindenden Gehäuseteile. Bevorzugt werden Stahlschrauben für Aluminiumgussgehäuse .

Genauer verläuft der Schaft 4 zunächst zylindrisch von un- ten nach oben, mündet dann in einen Konusbereich 2, wie er im Stand der Technik ebenfalls bekannt ist, und verläuft dann jedoch nicht nach Art einer Rundung, wie im Stand der Technik, direkt in den waagerechten Teil des Schraubenkopfes, genauer der Schraubenkopfunterseite, sondern die Kon- tur verläuft weiter nach oben in das Material des Schraubenkopfes hinein, wo sie eine Ausnehmung 36, quasi eine Hohlkehle bildet, um dann wieder nach unten zurück verlaufend in den waagerechten Teil des Kopfes auszulaufen. Diese Ausnehmung 36 ist so groß dimensioniert, daß sie die Mate- rialaufwerfung 72 aus Figur 2 komplett aufnimmt. Wie im einleitenden Teil beschrieben, entsteht die Aufwerfung 72 beim Einpressen des Dichtkonus 2 in das Durchgangsloch des einen Gehäusebauteils (in der Zeichnung das obere) .

Die Ausnehmung 36 ist kreissymmetrisch und läuft um längs des gesamten Umfangs des Schraubenschafts. Sie sollte also groß genug sein, um das nach oben drängende Material aufzunehmen. Da die Materialaufwerfung ähnlich ist wie ein ringförmiger Grat, muß diese umlaufende Ausnehmung 36 im allge- meinen nicht besonders groß sein im Vergleich zum Volumen des Schraubenkopfes.

Als Beispiel sei eine M8-Schraube genannt, bei der das Durchgangsloch 8 eines Getriebegehäuseteils 6 beispielsweise einen Durchmesser von 8,6 mm hat. Ein beispielhafter Wert für die Breite der Ausnehmung im Bereich der verlängerten Linie der Schraubenkopfauflagefläche wäre etwa 0,5 mm. Die Höhe sollte großzügig gewählt werden, damit sie auch einen höheren Grat aufnehmen kann. Ein beispielhafter Wert liegt bei 0,3 mm. Solange die mechanische Stabilität der Verbindung zwischen Schraubenkopf und Schraubenschaft nicht gefährdet ist, kann jedoch die Höhe dieser Ausnehmung 36 auch durchaus höher gewählt werden, um einen Sicherheitspuffer zu schaffen. Auch die Breite der Ausnehmung 36 kann sicherheitshalber variiert werden, solange ein Rest an Schraubenkopfauflagefläche 9 zur Verfügung steht, der ausreichend groß ist, um eine ausreichende Kopfreibung zu gewährleisten. Bei einem Schraubenkopfdurchmesser von 16 mm und einem Schaftdurchmesser von 8 mm (M8er Schraube) deckt der Konusbereich 2 beispielsweise auf jeder Seite 2 mm ab. Wenn dann die Ausnehmung eine Breite besitzt von ebenfalls 2 mm, bleiben als Ringbreite für die Auflagefläche 9 des Schraubenkopfes immer noch 4 mm. Der Fachmann erkennt, daß je nach Anforderungen an die Kopfreibung und nach Ausprägung, also Höhe und Breite des aufgeworfenen Materials, der Materialaufwerfung 72 des Gehäuseteils, je nach Härteunterschied der Materialien für Schraube und Gehäuseteil die Breite der umlaufenden Ausnehmung 36 überlegt eingestellt und mit dem Durchmesser des Schraubenkopfes abgestimmt werden sollte.

Da die erfindungsgemäße Gewindeschraube für Kurbelwellengehäuse und Getriebegehäuse mit ihrem Konusbereich 2 die Dichtfunktion ausüben soll, und überdies aber auch die beiden Gehäuseteile ausreichend stark aneinander anpressen können muß, muß gewährleistet sein, daß die erfindungsgemäße Schraube ausreichend weit in das Durchgangsloch einge-

dreht werden kann, damit zwischen dem unteren Gewindebereich im Sackloch des zweiten Gehäuseteils und dem Schraubenkopf eine mechanische Spannung aufgebaut werden kann, die groß genug ist, um die beiden Gehäuseteile miteinander ausreichend stark zu befestigen. Da gleichzeitig noch die Anforderung erfüllt sein muß, daß das Losdrehmoment für den Schraubenkopf groß genug ist, damit er sich nicht von selbst löst aufgrund von Vibrationen, alterungsbedingten Materialermüdungserscheinungen und KaIt- /Warmvolumenveränderungen, sollte im fest eingedrehten Zustand sowohl der Konus pressend am Rand des Durchgangsloches anliegen, und gleichzeitig die Unterseite des Schraubenkopfes in Preßkontakt mit dem Gehäuseteil stehen. Daher müssen Konuswinkel, Konusaufweitung, Länge des Konusbe- reichs, Durchmesser des Schraubenschaftes, Innendurchmesser des Durchgangsloches 8a (Figur 1) aufeinander abgestimmt dimensioniert sein. Zu diesem Zweck zeigen Figur 4, 5, 6 und 7 einige Variationsmöglichkeiten für die Ausgestaltung des übergangsbereichs vom zylindrischen Schaft in den Ko- nusbereich und in den Ausnehmungsbereich der Gewindeschraube, für einige verschiedene Ausführungsbeispiele. Der öffnungswinkel zwischen beiden Konusflanken (in Figur 4 bis 7 ist jeweils nur eine Konusflanke eingezeichnet, um die bildlichen Darstellungen einfach und verständlich zu hal- ten) ist mit α bezeichnet. In Figur 4 ist α/2 eingezeichnet .

Figur 4 zeigt einen öffnungswinkel des Konus von α/2 = 10° oder α = 20°. Bei einem solchen, relativ schlanken Konus 2 ist beim Eindrehen der Schraube sichergestellt, daß sich die Gegendichtflache 11 im Gehäusebauteil zuverlässig aufbaut. Je geringer die Toleranzen bezüglich der Koaxialität zwischen Durchgangsloch 8a und Sackloch 8b sind und je geringer der Unterschied zwischen dem Durchmesser des zylind- rischen Schaftbereichs der Schraube und dem Innendurchmesser des Durchgangsloches ist, desto kürzer kann die Länge L

des Konusbereichs sein, weil dann relativ frühzeitig beim

Eindrehen der Schraube gewährleistet ist, daß der Konusbereich 2 den Gehäuserand nach außen drückt und die Dichtfläche ausgebildet wird.

Der Konusdurchmesser D _Ko an dessen breitester Stelle ist ebenfalls eingezeichnet. Er sollte so gewählt sein, dass er 0,2 mm bis etwa 2 mm, bevorzugt 0,2 mm bis 1 mm größer ist als der Durchmesser des Durchgangslochs, wenn Toleranzen im Durchgangsloch von etwa 0,3 mm vorhanden sind. Die Konuslänge L ergibt sich dann aus Konusdurchmesser K _D und dem Konuswinkel .

Die folgende Tabelle zeigt einige brauchbare Werte, die die oben genannten Einstellparameter für eine M8er Schraubverbindung im Zusammenhang aufführt. Sämtliche Längenmaße sind in mm angegeben, der Winkel in Dezimalgrad.

Parameter:

Spaltbreite S zwischen Durchgangsloch 8a und zylindrischen Schaftbereich 4 der Schraube, mit Dl als Durchmesser des Durchgangsloch, D2 als Durchmesser des zylindrischen Teils des Schraubenschafts: S= (Dl - D2)/2 Konuswinkel α Konusdurchmesser D _Ko

Bei einer maximalen radialen Verformung von 0,3mm (9,2mm - 8, 6mm) /2), die hier als erstes Beispiel in der obigen Tabelle angenommen wird, preßt sich der Dichtkonus jeweils noch um ein gewisses Stück weiter nach unten (im Bild) , wenn die Schraube mit dem Konus das Material des Durch- gangslochs verpreßt und die Dichtfläche bildet. Der Durchmesser Dκ _o sollte immer groß genug gewählt sein, damit Material da ist, um den Randbereich des Lochs aufzuweiten, er sollte aber auch klein genug sein, damit gewährleistet ist, dass der Schraubenkopf mit seiner Auflagefläche mit der vorgegebenen Kopfreibung am Gehäuse anliegt, wenn das

Durchgangsloch ausreichend aufgeweitet ist. Größere Konuswinkel im Bereich zwischen 60° und 90° stellen hierbei eine größere Toleranz zur Verfügung.

Wenn die Dichtfläche auf diese Art und Weise gebildet ist, sollte der Schraubenkopf mit seinem horizontalen Teil an der Gehäuseoberfläche anliegen. Wird nun die Schraube nach den Vorschriften fest eingedreht, so ist gewährleistet, daß einerseits die Dichtfunktion erfüllt ist und andererseits auch die Spannung auf die beiden Gehäuseteile sowie das Losdrehmoment groß genug ist.

Der Fachmann sollte bei der Einstellung der oben genannten Parameter darauf achten, daß, wenn der Konuswinkel relativ groß gewählt wird, schon bereits ein relativ großer Teil der Gesamtgehäusespannung beim Eindrehen des Konusbereichs

erfolgt, und nur noch ein gewisser Rest an Gehäusespannung erzeugt wird, wenn der Schraubenkopf in Kontakt mit der waagerechten Oberfläche des Gehäusebauteils verpreßt wird. Umgekehrt, bei geringerem Konuswinkel, verschieben sich diese Anteile zugunsten des Anteils der Gehäusespannung, die durch das Festdrehen des Schraubenkopfes selbst erfolgt.

Figur 5 zeigt eine Schraubenkontur mit Konusbereich und Ausnehmung 36, die etwas in die Länge gezogen ist, also einen relativ geringen Wert hat für den Konuswinkel α und einen großen Wert für die Konuslänge, wogegen Figur 6 ein Beispiel zeigt mit relativ geringer Konuslänge L und relativ zu Figur 5 bereits deutlich vergrößertem Konuswinkel. Figur 7 ist ein Beispiel, das diese Tendenz noch weiter verstärkt .

Figur 8 zeigt, wie die Schraube in fest eingedrehtem Zustand mit ihrer Ausnehmung 36 die Materialaufwerfung 72 praktisch vollständig in sich aufnimmt. Dadurch kommt der Rest des Schraubenkopfes in innigen Kontakt mit dem waagerechten Teil der Gehäuseoberfläche, wodurch eine ausreichend gute Gehäusespannung zwischen den beiden Gehäusebauteilen sowie eine ausreichend große Kopfreibung erzielt werden kann, wodurch auch ein Losdrehen der Schraube durch die vorgenannten Gründe wie Vibration, etc. zuverlässig vermieden werden kann.

Unter Berücksichtigung der oben aufgeführten Randbedingun- gen kommen folgende Bereiche für den Winkel α bevorzugt in Frage:

Bereich 1: 20° bis 80°, das heißt α/2 10° bis 40°;

Bevorzugter ist jedoch der Bereich 2 für α zwischen 30° und 60°, also α/2 zwischen 15° und 30°.

Die vorgenannten überlegungen sind für ein Beispiel einer M8-Schraubenverbindung gedacht, bei der der Grad an Nicht- koaxialität zwischen Durchgangsloch und Sackloch relativ gering ist und zwischen 3/100 und 5/100 mm liegt.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels vorstehend beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Weise mo- difizierbar.

Beispielsweise kann die Schraubverbindung auch für andere Schraubendurchmesser (z.B. M6, MIO, M12, etc.) verwendet werden .

Die Unterseite des Schraubenkopfs kann auch eine scheibenförmige Gestalt aufweisen, die nicht das Seckseck des Kopfes zeigt.

Schließlich können die Merkmale der Unteransprüche im wesentlichen frei miteinander und nicht durch die in den Ansprüchen vorliegende Reihenfolge miteinander kombiniert werden, sofern sie unabhängig voneinander sind.