Die Erfindung betrifft eine Federkopfschraubenanordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Stand der Technik, beispielsweise aus der DE 10 2016 100446 A1, sind Federkopfschrauben bekannt, die ausgehend vom Kopf eine konische Schürze in der Art einer Tellerfeder aufweisen, wobei sich die Schürze in Richtung des freien Endes der Federkopfschraube aufweitet. Die Innenfläche der konischen Schürze geht mit einem Radius in einen gewindetragenden Schaft über. Die Schürze weist an ihrem dem freien Schraubenende zugewandten Ende einen Anlagebereich auf, der insbesondere eine Auflageebene bildet, die insbesondere orthogonal zur Schraubenachse liegt. Die Innenfläche der konischen Schürze schließt mit der Auflageebene einen Aufstandswinkel a ein.

Solche Schrauben werden verwendet, um Klemmteile an Unterkonstruktionen zu befestigen, die über die Zeit einer Verminderung ihrer Bauteildicke unterliegen, wobei durch den Federkopf die Vorspannung aufrechterhalten wird.

Insbesondere unter verändertem Temperatureinfluss kommt es bei manchen Werkstoffen zu einer signifikanten Kriechverformung unter der jeweils anliegenden Vorspannkraft.

Nach dem Stand der Technik haben die bekannten Ausführungen den Nachteil, dass ungünstige Schraubfälle eintreten können, bei welchen sich eine Unterlegscheibe mit der Schraube verhakt, wodurch bei längerer Temperatureinwirkung von beispielsweise Temperaturen über 80°C bis etwa 160°C im eingeschraubten Zustand die Vorspannkraft über die Zeit so weit abnimmt, dass sie unter einem zulässigen Mindestwert liegt.

Der Erfindung liegt unter anderem die Erkenntnis zu Grunde, dass die Kriechverformung besonders im Bereich einer hohen Flächenpressung des Klemmteils vorliegt. Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Federkopfschraubenanordnung mit einem verbesserten Vorspannkrafterhalt unter dem Einfluss höherer Temperaturen und eine Erhöhung der Montagesicherheit zu erreichen.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst.

Die Unteransprüche bilden vorteilhafte Weiterentwicklungen der Erfindung.

In bekannter Weise umfasst eine Federkopfschraubenanordnung eine Federkopfschraube, die ausgehend vom Kopf eine konische Schürze in der Art einer Tellerfeder aufweist, wobei sich die Schürze in Richtung des freien Endes der Federkopfschraube aufweitet. Die Innenfläche der konischen Schürze geht mit einem Radius in einen gewindetragenden Schaft über. Die Schürze weist an ihrem dem freien Schraubenende zugewandten Ende einen Anlagebereich auf, der insbesondere eine Auflageebene bildet, die insbesondere orthogonal zur Schraubenachse liegt. Die Innenfläche der konischen Schürze schließt mit der Auflageebene einen Aufstandswinkel a ein.

Erfindungsgemäß liegt zwischen dem gewindetragenden Teil des Schafts und der Schürze der Federkopfschraube eine Unterlegscheibe, die von dem Schaft durchsetzt ist, so dass die Unterlegscheibe im verbauten Zustand zwischen dem gehaltenen Bauteil und der Schürze liegt.

Die Unterlegscheibe reduziert die von der Schürze ausgeübte Flächenpressung auf das Bauteil, wodurch der absolute Betrag der Kriechverformung des Klemmteils bei gleicher Vorspannkraft reduziert werden kann.

Die Unterlegscheibe ist, bevorzugt unverlierbar, in einem gewindefreien Teil des Schafts gehalten, wobei der gewindefreie Teil des Schafts zwischen dem Kopf und einem gewindetragenden Teil des Schafts liegt und einen Bolzendurchmesser aufweist. Der Innendurchmesser der Unterlegscheibe liegt bevorzugt zwischen dem Außendurchmesser des Schraubengewindes und dem Bolzendurchmesser.

Die erfindungsgemäße Schraube ist derart ausgebildet, dass der Schaft zwischen der Auflageebene und dem Radius im Schaftübergang zur Schürze einen zylindrischen Bereich aufweist, der in seinem Durchmesser insbesondere dem Bolzendurchmesser entspricht. Die dem Kopf zugewandte Fläche der Unterlegscheibe liegt in der Auflageebene, wenn die Unterlegscheibe die Schürze gerade berührt.

Durch das Vorliegen des zylindrischen Bereichs zwischen der Auflageebene und dem Schaftübergang kann die Wahrscheinlichkeit reduziert werden, dass beim Eindrehen der Federkopfschraube der einen Radius aufweisende Schaftübergang zwischen Schaft und Schürze an der Unterlegscheibe in Anlage kommt, obwohl die gewünschte Vorspannung der Schürze noch nicht erreicht ist, was dann zu einem prozessbegrenzenden Anstieg des Einschraubmoments führen kann.

Erfindungsgemäß kann so durch den zylindrischen Bereich zwischen der Auflageebene und dem Schaftübergang die Schraube über einen größeren Einschraubwinkel angezogen werden, ohne dass der Schaftübergang an der Unterlegscheibe anliegt. So kann der elastische Federweg der Schürze zuverlässiger ausgenutzt werden.

So kann beispielsweise ein im Vergleich zum Schaftdurchmesser nur sehr geringfügig größerer Innendurchmesser der Unterlegscheibe, wie er für eine aufgewalzte, unverlierbare Unterlegscheibe notwendig ist, ermöglicht werden, ohne dass sich dies negativ auf den Einschraubwinkel auswirkt. Auch für den Fall, bei dem die Unterlegscheibe einen gegenüber dem Schaftdurchmesser großzügig tolerierten Innendurchmesser aufweist, wird die Wahrscheinlichkeit, dass es bei einer exzentrischen Lage der Unterlegscheibe zu einer Blockade zwischen Schaftübergang und Unterlegscheibe kommt, erheblich reduziert.

Durch die erfindungsgemäße Maßnahme kann dann der Federbereich des Kopfes der Federkopfschraube erhöht werden, was dann zu einem verbesserten Vorspannkrafterhalt unter dem Einfluss höherer Temperaturen führt.

Bevorzugt kann der Übergang vom Radius zum Schaft und zur Schürze tangential verlaufen. Dies hat den Vorteil, dass eine homogene Spannungsverteilung in der Schürze sowie eine verminderte Kerbwirkung für eine höhere dynamische Sicherheit erreicht werden.

Die Schürze bildet in der Auflageebene eine Ringfläche mit einem Auflageinnendurchmesser DKA. Der gewindefreie Teil des Schafts besitzt den Bolzendurchmesser do. Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann der Radius im Übergang vom Schaft zur Innenfläche der Schürze kleiner sein als tan (a) * Faktor * (DKA-do)/2, wobei der Faktor kleiner als 0,5 ist und bevorzugt zwischen 0,2 und 0,4 liegt.

Der Radius im Schaftübergang genügt also der Formel:

Ru < tan (a) * Faktor * (ÜKA-do)/2 | Faktor < 0,5

Bevorzugt beträgt der Innendurchmesser der Unterlegscheibe weniger als das 1,07-fache des Schaftdurchmessers im gewindefreien Teil zwischen dem Kopf und dem gewindetragenden Teil des Schafts.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung liegt der Aufstandswinkel a zwischen 20° und 40°, insbesondere zwischen 28° und 32°. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass bei der angestrebten Vorspannkraft ein ausreichendes Drehwinkelfenster zur Montage zur Verfügung steht.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung beträgt die Stärke der Schürze etwa 5% bis 15% des Auflageinnendurchmessers. Über die Stärke der Schürze kann der Bereich der erzeugbaren Vorspannkraft eingestellt werden.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur automatischen Verschraubung einer erfindungsgemäßen Federkopfschraube angegeben. Gemäß dem Verfahren wird die Federkopfschraube so lange angezogen, bis ein vordefiniertes Drehmoment erreicht ist, und ab der Detektion des Drehmoments wird die Federkopfschraube über einen vordefinierten Drehwinkel weiter eingeschraubt.

Der vordefinierte Winkel liegt bei wenigstens 180° und das vordefinierte Drehmoment liegt bevorzugt oberhalb eines für die Anwendung definierten Einschraubmoments und unterhalb eines Drehmoments, das aufgewendet werden muss, um die Schürze plastisch zu verformen.

Der Bereich der plastischen Verformung kann für jeden Anwendungsfall gut ermittelt werden, da in dem Bereich der beginnenden plastischen Verformung der Drehmomentanstieg merklich abflacht und sich ein Plateau in der Einschraubwinkel-Drehmomentkurve ergibt, bis die Schürze vollständig plastisch verformt ist und das Drehmoment bei zunehmendem Einschraubwinkel wieder steil ansteigt. Das vordefinierte Drehmoment liegt bevorzugt in der Mitte zwischen dem zur plastischen Verformung notwendigen Drehmoment und dem für die Anwendung definierten Einschraubmoment.

Gemäß dem Verfahren zur Verschraubung einer vorbeschriebenen Federkopfschraube wird ein zu befestigendes Klemmteil, das aus einem Werkstoff besteht, der unter entsprechendem Temperatureinfluss unter der jeweils anliegenden Vorspannkraft einer signifikanten Kriechverformung unterliegt, durch die Federkopfschraube mit einer Unterkonstruktion, in die die Federkopfschraube eingeschraubt wird, verspannt.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung betrifft diese eine solche Bauteilverbindung umfassend eine vorbeschriebene Federkopfschraubenanordnung umfassend eine Federkopfschraube und eine Unterlegscheibe, eine Unterkonstruktion, in die die Federkopfschraube eingeschraubt ist, wobei zwischen der Unterlegscheibe und der Unterkonstruktion ein Klemmteil liegt, das zwischen der Unterlegscheibe und der unteren Bauteillage unter Vorspannung gehalten wird.

Dadurch, dass die Schürze mit ihrem Randbereich auf der Unterlegscheibe aufliegt, wird der lokale Spannungseintrag durch die Schürze auf das Klemmteil deutlich reduziert, wodurch das Kriechen des Klemmteilwerkstoffs und damit die Kriechverformung des Klemmteils signifikant reduziert werden.

Dennoch kommt es bei Verwendung der Bauteilverbindung in einem für den Einsatzzweck der Bauteilverbindung zulässigen Temperaturbereich durch die Kriechverformung zu einer Reduzierung der Stärke des Klemmteils um eine maximale Kriechstrecke unter der von dem Federkopf aufgebrachten Vorspannung.

Entsprechend ist die Federkopfschraubenanordnung, insbesondere die Federkopfschraube, derart dimensioniert, dass der in der elastischen Verformung des Federkopfs gespeicherte Federweg und die in der Längung des Schafts gespeicherte Längung der Schraube einen Gesamtweg bilden, der größer ist als die maximale Kriechstrecke im zulässigen Temperaturbereich.

So verbleibt ein gespeicherter Federweg, durch den auch unter Kriechen des Klemmteils zuverlässig eine Vorspannung auf dasselbe aufgebracht werden kann. Somit übersteigt der Gesamtweg die Längung eines konventionellen Schraubenschaftes bei gleicher Vorspannung und Schraubendurchmesser. Bevorzugt entspricht die Differenz aus dem Gesamtweg und der maximalen Kriechstrecke über eine bestimmte Zeit einem Federweg, bei dem eine Mindestvorspannung auf das Bauteil ausgeübt wird. Dies wird über die Dimensionierung der Unterlegscheibe und der Schürze erreicht.

Die Mindestvorspannung ist anwendungsbezogen und in Bezug auf die Bauteilverbindung vordefiniert.

Die Federkopfschraube und die Unterlegscheibe sind beispielsweise aus einem Stahl gefertigt, wobei das Klemmteil bevorzugt ein Kupferteil ist.

Beispielsweise wird die Federkopfschraubenanordnung dazu verwendet, ein einen lösbaren elektrischen Kontakt herstellendes Klemmteil mit einem zweiten Bauteil des elektrischen Kontakts zu verbinden. Durch Aufrechterhaltung der Vorspannung kann so auch über einen großen Temperaturbereich eine zuverlässige Kontaktierung bereitgestellt werden. Das zweite Bauteil kann durch die Unterkonstruktion oder ein weiteres Klemmteil gebildet sein.

Das vorgeschlagene Verfahren in Kombination mit der erfindungsgemäßen Federkopfschraubenanordnung erlaubt die zuverlässige Herstellung einer erfindungsgemäßen Bauteilverbindung mit einem sehr guten Vorspannkrafterhalt unter Temperatureinfluss.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.

In der Zeichnung bedeutet:

Fig. 1 eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Federkopfschraubenanordnung, und

Fig. 2 eine erfindungsgemäße Bauteilverbindung aus einer Federkopfschraubenanordnung, einem Klemmteil und einer Unterkonstruktion

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Federkopfschraubenanordnung 8 umfassend eine Federkopfschraube 10 mit einem Kopf 12, der eine konisch verlaufende Schürze 14 in der Art einer Tellerfeder aufweist. Die Schürze 14 bildet eine Auflageebene EA, die dem freien Ende der Federkopfschraube 10 zugewandt ist und sich im Wesentlichen orthogonal zur Schraubenachse A erstreckt.

Die konische Schürze 14 bildet in der Auflageebene EA einen Innendurchmesser, der als Auflageinnendurchmesser DKA bezeichnet ist.

Die Federkopfschraube 10 umfasst zudem einen Schaft 16, der an seinem dem Kopf 12 zugewandten Ende einen gewindefreien Teil 18 mit einem als Bolzendurchmesser do bezeichneten Durchmesser aufweist. In Richtung des freien Endes der Schraube 10, das dem Kopf 12 gegenüberliegt, weist der Schaft 16 einen gewindetragenden Bereich 20 mit einem Außendurchmesser dA auf, der größer als der Bolzendurchmesser do ist, und mit einem Kerndurchmesser dK, der in der Regel kleiner als der Bolzendurchmesser do ist.

Ferner umfasst die erfindungsgemäße Federkopfschraubenanordnung 8 eine Unterlegscheibe 30, die auf den Schaft 16 der Federkopfschraube 10 unverlierbar aufgewalzt ist. Die Unterlegscheibe 30 weist damit einen Innendurchmesser Di auf, der geringer ist als der Außendurchmesser dA des gewindetragenden Teils 20 des Schafts 16, aber größer als der Bolzendurchmesser do.

Gemäß der erfindungsgemäßen Federkopfschraube 10 geht der gewindefreie Teil 18 des Schafts 16 über einen Radius Ru in die Schürze 14 über, wobei zwischen der Auflageebene EA und dem Radius Ru noch ein gewindefreier Teil 18 des Schafts 16 liegt, der den Bolzendurchmesser do aufweist.

Dies hat den Vorteil, dass bei der Federkopfschraube 10 während des Anziehvorgangs, bei dem sich der Schwerpunkt des Kopfes aufgrund der einfedernden Schürze 14 in Richtung der Unterlegscheibe 30 bewegt, ein Anliegen der Unterlegscheibe 30 mit dem sich verbreiternden Schaftübergang im Übergang vom Schaft 16 zur Schürze 14 über einen in Axialrichtung längeren zylindrischen Bereich vermieden wird. Auf diese Weise kann der Bereich, in dem die Federkopfschraube 10 mit der Unterlegscheibe 30 im elastischen Bereich genutzt werden kann, vergrößert werden.

In der vorliegenden Gestaltung liegt der Aufstandswinkel a, der den Winkel zwischen der Innenfläche 22 der Schürze 14 und der Auflageebene EA abbildet, bei 30°.

Der Radius Ru für die Unterkopfkontur ergibt sich zu (ÜKA-do) / 2 * tan (a =30°) * Faktor, wobei der Faktor in dem vorliegenden Beispiel bei etwa 0,3 liegt. Der Radius Ru geht sowohl in den Schaft 16 als auch in die Schürze 14 tangential über.

Dies sorgt dafür, dass eine axiale Verschiebung des Schwerpunktes des Kopfes 12 in Einschraubrichtung nicht vorzeitig zu einer Anlage des Übergangs von Schaft zu Kopf an der Unterlegscheibe 30 führt, was einen prozessbegrenzenden Momentanstieg nach sich ziehen würde.

Auf diese Weise kann dem Kriechen, insbesondere des Klemmteils, unter Vorspannung verbessert Rechnung getragen und der Vorspannkrafterhalt verbessert werden.

Fig. 2 zeigt eine Bauteilverbindung 40, umfassend eine erfindungsgemäße Federkopfschraube 10 mit einer Unterlegscheibe 30, sowie eine Unterkonstruktion 44, in welche die Federkopfschraube 10 eingeschraubt ist, wobei zwischen der Unterlegscheibe 30 und der Unterkonstruktion 44 ein Klemmteil 42 eingeklemmt ist, wobei die Schürze 14 der Federkopfschraube 10 eine Vorspannkraft auf das Klemmteil 42 ausübt. Im vorliegenden Beispiel zeigt das Klemmteil 42 unter Temperatureinfluss ein stärkeres Kriechverhalten als die Unterkonstruktion 44. Es können auch mehrere Klemmteile zwischen Unterlegscheibe 30 und U nte rko nstr u kti o n44 geklemmt sein.

In der Auslegung der Bauteilverbindung 40 sind die Komponenten so aufeinander abgestimmt, dass unter den vorgesehenen Einsatzbedingungen, nämlich Vorspannung, Temperaturverlauf und Zeit, die Federkopfschraube ein Kriechen des Klemmteils so weit ausgleicht, dass immer noch ein Federweg erhalten bleibt. Dadurch wird eine Mindestvorspannkraft von der Federkopfschraube auf das Klemmteil 42 ausgeübt.

Beispielsweise bildet das Klemmteil 42 einen elektrischen Kontakt mit der Unterkonstruktion 44.

Beispielsweise bestehen die Federkopfschraube 10 und die Unterlegscheibe 30 aus Stahl und das Klemmteil 42 aus Kupfer.

Die Unterlegscheibe 30 ist unverlierbar an der Federkopfschraube 10 gehalten, so dass sie auf einfache Weise montierbar ist.