在第一部件和至少另一部件间建立螺钉连接的装置和方法

摘要

本发明涉及一种用于借助于一个固定螺钉(12)或一个固定螺母(50、55)和一个相关联的固定元件(16、73)在一个第一部件(14、60)和至少一个另外的部件(15、70)之间建立螺钉连接的装置(10、30)，其中，该装置(10、30)具有一个可转动地被支承的工具(11、31)，固定螺钉(12)或固定螺母(50、55)不可转动地并且轴向上位置固定地固定在该工具中，在该工具中，固定螺钉(12)的头部(20)或固定螺母(50、55)相对于第一部件(14、60)这样长时间地保持一个间距S，直至这两个部件(14、60；15、70)接合到一起。根据本发明提出，在该工具(11、31)和第一部件(14、60)之间设置有至少一个蓄能器(18、48)。通过所述至少一个蓄能器(18、48)能至少预先确定结合力，但至多能预先确定完成后的螺钉连接的所期望的总夹紧力。一个用于本发明装置或本发明方法的固定螺母(50、55)也是本发明的主题。

说明书

技术领域

本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于在一个第一部件和至少一个另外的部件之间建立螺钉连接的装置，以及一种如权利要求18的前序部分所述的用于制造这种连接的方法。

背景技术

在传统的方法中，待连接的部件是在部件和固定螺钉或固定螺母相互靠触的情况下被接合到一起并夹紧的。这意味着，由所施加的转矩而产生的夹紧力会降低，降低的部分为相互接合时出现的摩擦力(一方面为螺纹摩擦，另一方面为螺钉头部摩擦)。这些摩擦力的大小不能被精确定量。此外，在接合时已经出现的头部摩擦会引起部件表面的改变，该改变能导致损坏发生。由此，螺钉连接的摩擦值不可控制地改变。因此，所产生的夹紧力便不能被精确测定，而只能被估算。

所以，出于安全的原因，螺钉连接在有疑问的情况下其尺寸必须定为大于实际需要的尺寸，以确保达到所必需的夹紧力。因此这些螺钉连接也比所需的情况更重，其中，重量缺点是不利的。

未公开的德国专利103 55 684.2中介绍了一种同类的装置及方法。这种同类方法规定：为了使两个部件通过螺钉连接而相互接合所施加的接合力和为了使部件夹紧而施加的夹紧力在时间上前后相继起作用。在施加接合力时，固定螺钉或固定螺母不靠触在所述部件上，从而消除了头部摩擦，而部件表面也不会在相互接合的过程中受到损伤或完全破损。由此而可以更好地控制摩擦值，在理想情况下它还能基本上保持不变。所以，在实际的夹紧时便可以更好地估算夹紧力的大小。

这种同类装置的特征是，它具有一个可转动地被设置的工具，固定螺母或固定螺钉不可转动地并且在这些部件相互接合时与一个第一部件有间隔地固定在该工具中。只有当两个部件彼此靠触时，螺钉连接才被夹紧。

因为夹紧力的大小仍然只能进行估算，因此在此例情况中同样存在不安全因素。而且部件接合过程的结束也不能被精确确定。当接合完毕时，转矩虽然提高了，但这个点很难被识别出来。此外，由于实际的旋拧过程必须中断一次，因此用此类工具建立螺钉连接的过程不能实现自动化。

发明内容

本发明的任务在于，提供一种上述类型的方法及装置，它至少应可进一步降低这种不安全因素并且实现旋拧过程的自动化。

解决方案在于具有权利要求1的特征的装置及具有权利要求18的特征的方法。根据本发明提出：在工具和第一部件之间设置有一个蓄能器。本发明方法的特征是，至少固定螺母或固定螺钉和第一部件之间的接合力可通过一个蓄能器被预先确定。此外，具有权利要求23的特征的用于本发明装置或方法的固定螺母也是本发明的主题。

在通过固定螺母的转动而使部件相互接合时，相关联的固定元件被拉入螺母中。同样，在固定螺钉转动时，相关联的固定元件被上紧到固定螺钉上。每种情况下，固定螺母或固定螺钉相对于工具和部件都不会发生轴向运动。固定螺母或固定螺钉的头部可以与第一部件保持一个间距，这个间距基本上是恒定不变的，当然在部件接合时也可能有所波动，例如在受到外部冲击、或由于受到蓄能器结构上的影响的时候；但这个间距不会缩减为零。间距的大小取决于本发明装置以及待接合部件的尺寸。示范性值约为0.2至1.5mm。

工具和一个第一部件之间的蓄能器的主要作用是保持该间距。蓄能器被这样调节或确定尺寸，使得至少这样长时间地保持该间距，直到两个部件接合为止，而蓄能器的储存力不会被超过。相反，使部件相互接合所需要的储存力至少与接合力相等。接合之后，继续转动固定螺母或固定螺钉时，所施加的力要大于储存力。随后，蓄能器被压缩，直至固定螺母或固定螺钉的头部靠触在第一部件上。接着，螺钉连接被夹紧。随后，固定螺母或固定螺钉之间为一方或与工具之间为另一方的连接被解除。

换句话说，至少螺钉连接的所需接合力可通过蓄能器适合的尺寸设置或调节而预先确定。所以，螺钉连接的在接下来的夹紧时所施加的夹紧力，也可以被更好地被估算。在此之前这一点是不可能实现的。通过预先调节接合力，还避免了需要识别接合过程结束的问题，因为这个结束通过预先调节接合力被预先确定。最后，实际的旋拧过程可不中断地进行，直到螺钉连接夹紧为止。因此，本发明中的方法可以实现自动化。

另一个优点在于，通过使固定螺母或固定螺钉与第一部件在部件接合时保持间距，从而不再会产生平滑效应。换句话说，松开力矩被提高了，甚至可以通过对第一部件和/或固定螺母或固定螺钉头部的表面的加工(例如打毛或安装一个带肋条的接触面)而有目的地提高该力矩，这样便可以防止螺钉连接出现意外松脱。

根据本发明的具有一个外多边结构和一个与该外多边结构相邻的夹紧肩的固定螺母较为易于制造，例如通过一个环形槽的压制或车削，并且能承受本发明装置中所出现的应力。

具有优点的进一步构型由从属权利要求中得出。

所述至少一个蓄能器最好被构造为可在这些部件的接合方向上与力相关地压缩和膨胀所述间距S的装置。即，这样的蓄能器其长度是可以改变的。该长度改变在这样的方向上进行，在该方向上待接合的部件彼此相向运动。该至少一个蓄能器可以被构造为机械式、液压或气动地工作的装置。机械式工作的装置的例子是弹簧-或摩擦蓄能器，其中弹簧蓄能器最好具有至少一个弹簧元件，例如至少一个压簧。当然也可以考虑不同蓄能器的组合。

通过蓄能器的构型和设计，至少可以预先确定完成后的螺钉连接的接合力，最多可以确定所需要的总夹紧力。在后一种情况中，在蓄能器中储存的力将作为夹紧力传递到完成后的螺钉连接上。

尤其是夹紧力的预先确定允许根据需要来确定螺钉连接的尺寸，同时还能可靠地满足所有的安全要求。不再需要螺钉连接的出于安全因素的过盈尺寸。

当所述至少一个蓄能器被构造为液压或气动地工作的装置时，本发明中的装置也可被用于作为测力装置。在此，通过压力来测量所施加的力。这是一种外部测量，也就是说，在螺钉连接的内部不需要测力计。通过这种方式可以避免的测量值的错误。

附图说明

以下将结合附图对本发明的实施例做进一步描述。图中示出：

图1：本发明装置的第一实施例的示意性剖视图，图中并未严格遵照实际比例，

图2至图6：本发明装置的另一实施例在本发明方法中不同阶段的剖面图，

图7：图2至图6中蓄能器的放大的细节视图，

图8：图2至图6中工具内的固定螺母的放大的细节视图，

图9a：一个固定螺母的第一实施例的透视图，

图9b：图9a中固定螺母的俯视图，

图9c：图9a中固定螺母的局部剖面图，

图10：固定螺母的另一实施例的局部剖面图。

具体实施方式

图1以原理图示出本发明的装置10的第一实施例。装置10包括一个工具11，在该工具中，一个固定螺钉12(或一个固定螺母，图中未示出)不可转动且轴向上位置固定地被固定在一个固定区域23中。这可以通过任意适合的方式例如通过夹紧(夹紧体、夹钳等)、通过液压或气动地起作用的装置或例如通过磁铁来实现。为了将转矩传递到工具11上，设置了一个多边结构13。为此当然也可设置其他适合的装置、例如液压或气动地起作用的装置。固定螺钉12(或固定螺母)用于在一个第一部件14和一个第二部件15之间产生一个螺钉连接。为此设置了一个相关联的固定元件，如图中所示的螺母16或一个任意的具有内螺纹的固定元件。在该实施例中，工具11通过一个推力轴承17、一个轴承法兰22、一个蓄能器18和一个支撑法兰21支撑在所述第一部件14上。轴承法兰22通过一个轴承24支承在工具11上。蓄能器18被作为弹簧、即作为机械式蓄能器示出。当然，任意其他适合的、例如液压或气动地起作用的蓄能器也是合适的。

借助于固定螺钉12和螺母16产生的螺钉连接应以一个确定的夹紧力将这两个部件14、15固定在一起。

在通过工具11的转动以及由此引起的固定螺钉12的转动而使部件14、15连接在一起时，相应的螺母16被上紧到螺纹杆19上。在此，固定螺钉12非但不会发生轴向移动，而且固定螺钉12的头部20相对于第一部件14保持恒定的间距S。位于工具11和第一部件14之间的蓄能器18的主要作用是使这个间距S保持不变。在此，通过转动工具11建立一个由蓄能器18接收的夹紧力。由蓄能器18接收的力的大小可以被预先调节。通过这种方式，可以预先确定完成后的螺钉连接的所期望的夹紧力。

间距S将被一直保持到蓄能器中产生最终夹紧力为止。当位于工具11中的固定螺钉12被继续转动时，蓄能器18会被压缩，因为其储存力被超过。由此，固定螺钉12的头部20便与第一部件14靠触。随后，固定螺钉12与工具11之间的连接被解除。由此，在蓄能器18中储存的力便被作为夹紧力传递到已完成的螺钉连接上。

图2至图8示出本发明装置30的另一实施例。在该实施例中，轮毂60应与机动车的图中未示出的驱动轴的关节球罩壳70(图中仅概略示出)相连接。轮毂60用一个轮毂轴环61配合在车轮轴承62中。轮毂轴环61具有一个带轴向内齿结构66的孔65。此外，轮毂60还具有一个带多个轴向孔64的轮毂法兰63。关节球罩壳70设有一个带轴向外齿结构72的销71。在销71的轴向延长部分上连接着一个螺纹栓73。带有螺纹栓73的销71不可转动地配合在轮毂轴环61的孔65中。只有螺纹栓73的自由端从孔65中伸出。这种结构安排是一种压配合，也就是说，要拉入螺纹栓就必须施加一个接合力。

为了在轮毂60和关节球罩壳70之间产生一个牢固的连接，必须在两个部件60、70之间形成一个螺钉连接，具体的方式是：将固定螺母55拧到螺纹栓73上并且夹紧在轮毂(70)上。为此将使用本发明的装置30。

本发明的装置30具有一个工具31，该工具由一个套筒扳手32、一个球夹紧套33和一个锁止螺母34组成。锁止螺母34设有手柄34a并且借助于螺钉与球夹紧套33固定地连接，并且可以在基本上圆柱形的套筒扳手上轴向地运动，在该实施例中是通过一个梯形螺纹36而实现此运动的。球夹紧套33的这种轴向运动也可以例如通过液压或气动途径来实现。因此，随着锁止螺母的轴向运动，球夹紧套33也通过一个推力滑动轴承35相对于套筒扳手32轴向运动。套筒扳手32在其露出的端部上具有一个外多边结构32a。

在套筒扳手32的自由端上设有一个轴向的凹部37，在该凹部中设有一个用于接收固定螺母55的凹槽38。该凹槽38被构造为相应于固定螺母55的外多边结构56的内多边结构。固定螺母55由此被不可转动地固定在套筒扳手中。

为了防止固定螺母55从套筒扳手32中脱落出来，设置了一个带夹紧体、在此情况下为夹紧球40的夹紧装置39。夹紧装置39由套筒扳手32的自由端和球夹紧套33的自由端构成。球夹紧套的自由端具有一个横截面大约为1/4环形的车削槽41(参见图8)。

图9a至图9c中作为单独部件示出固定螺母55的实施例。该螺母设有一个外多边结构56、一个夹紧肩59、一个接触法兰(Auflageflansch)57和一个在此之间构成的环形槽58。当固定螺母55被置入套筒扳手自由端上的凹槽38中时，夹紧球40便嵌入环形槽58中并且支撑在夹紧肩59上，此时，球夹紧套33的自由端将球覆盖。通过这种方式，固定螺母55被夹紧地并且从而轴向不可运动地固定在套筒扳手32中。夹紧装置39的操作也可通过固定螺母55的置入自动引发。

图10示出固定螺母50的一个第二实施例，该固定螺母同样具有一个外部多边结构51和一个夹紧肩52。在夹紧肩52上在该夹紧肩52的轴向延长部分上连接有一个延长的轴环53，因此得到的不是环形槽，而是一个侧凹。现在，夹紧元件便可以从后部嵌入夹紧肩。这种固定螺母50的优点是：它可以通过简单的方式通过压制(Pressen)来制造。取消了环形槽的车削。

代替用夹紧球或其他夹紧体例如夹爪进行的机械夹紧地，也可以通过其他合适的装置、例如用磁铁来固定螺母50、55。因为固定螺母50、55的夹持结构可以任意地设计，所以固定螺母50、55的形状要适配于当时的夹持结构，因此固定螺母50、55便可以被设计为多种多样的形式。固定螺母50、55的背离外多边结构51、56的区域的形状也要适配于具体情况下使用的部件的构造(在该实施例中作为接触法兰57和环套53)。

一个轴承法兰42借助于一个深沟球轴承43支承在球夹紧套33上。在轴承法兰42的向着轮毂60的端部上固定有一些沿轴向定向的导向销44，这些导向销插在轮毂法兰63的这些孔64中，并且将整个装置30以可被卸取的方式固定在轮毂60上。球夹紧套33则通过一个推力轴承45支撑在轴承法兰42上。

一个支撑法兰46被设置在轴承法兰42和轮毂60之间，可在导向销44上轴向运动。在轴承法兰42中固定地拧装有一些支承销47。支撑法兰46可在支承销47上轴向移动。在支撑法兰46和轴承法兰42之间设置有一些在该实施例中作为压簧构成的的蓄能器48，这些压簧环形地包围支承销47。当然，所述蓄能器也可以被构造为液压或气动式蓄能器。在支撑法兰47中，在向着轮毂60的面上在中心设置了一个间隔环49作为间隔保持件(参见图7)。

现在结合图2至图6详细说明本发明方法的流程。

在图2所示的一个第一步骤中，固定螺母55被置入套筒扳手32自由端上的凹槽38中。

通过锁止螺母34的转动，球夹紧套33沿着套筒扳手32轴向移动。在打开状态中，夹紧球40进入车削槽41中并且因此具有用于径向运动的间隙。现在，固定螺母55可被置入凹槽38中。在球夹紧套33向着轮毂60的方向移动时，球夹紧套的内壁便将夹紧球40从车削槽41中压出并将其压入固定螺母的环形槽58内。现在，固定螺母55便被不可转动并且轴向不可运动地固定。

在根据图3的第二步骤中，本发明的装置30被插在轮毂法兰63上。在此，轴承法兰42的导向销44插进轮毂法兰63的孔64中。在此，固定螺母55则与关节球罩壳70的销71的螺纹栓73的从孔65中伸出的自由端相接近，直至该固定螺母与螺纹栓73的自由端相接触并且咬合。当设置在支撑法兰46上的间隔环49固定地支承在轮毂法兰63上时，该插接过程结束。在此，在固定螺母55和轮毂60之间始终保持一个间距，也就是说，固定螺母55没有被放置在轮毂60上。

根据图4的第三步骤以拉入过程的导入为开始。通过转动套筒扳手32(在外多边结构32a上的工具的手柄)使工具31转动。也就是说，套筒扳手32、球夹紧套33和锁止螺母34以相同的角速度转动。固定螺母55也随之转动，而不靠触在轮毂60上。由此，关节球罩壳70的销71便被拉入到轮毂60中，直至关节球罩壳70支撑在车轮轴承62上。在该实施例中，间距S约为0.5mm。

工具31的转动也可以例如通过液压或气动的机构来实现。

一旦关节球罩壳70被完全拉入并且靠触在车轮轴承62上，则接合过程结束，如图5所示。现在可无中断地继续转动套筒扳手32，其中，转矩与夹紧力上升。一旦夹紧力大于蓄能器48的储存力(在该实施例中为40kN)，那么固定螺母55就会通过蓄能器48的压缩而靠触在轮毂60上。间隙S(在该实施例中约为1/2mm)被封闭。蓄能器48的储存力因此便大于接合力并且在极端情况下等于完成的螺钉连接的所期望的夹紧力(参见图1)。

到这个时刻为止，摩擦损失只以固定螺母55和螺纹栓73之间的螺纹摩擦的形式出现。固定螺母55与轮毂60不靠触，因此不会出现头部摩擦。接触区域上轮毂60的表面不会被损坏。难以控制的摩擦值的改变得以避免。

现在，关节球罩壳70靠触在车轮轴承62上，并且固定螺母55靠触在轮毂60上。这就是说，在该连接中不再具有用于轴向运动的自由路径。关节球罩壳70的拉入过程完毕，但固定螺母55的实际的夹紧还未开始。拉入过程和夹紧过程是两个分开的过程，由此使进入系统内的力导入得以控制，也就是说，没有头部摩擦的影响。

现在，开始实际的夹紧过程，其方式是继续转动套筒扳手32，尽管不再存在用于轴向运动的自由路径。通常，套筒扳手32不再进行完整的圆周旋转。在该实施例中，固定螺母55还能在轮毂60的表面上转动一个小的角度范围。现在仅在这个小的角度范围上出现头部摩擦，因此在该范围内轮毂60的表面实际上保持不受损伤。这个角度范围的大小取决于具体情况中的尺寸，但典型的是在100°到220°之间。

在根据图6最后一个步骤中，固定螺母55的夹紧连接被解除，其方式是：通过转动锁止螺母34来拉回球夹紧套33。夹紧装置49也随之被松开。固定螺母55被从工具31上释放。现在，工具被取下。装配过程结束。

当然可以通过测量技术手段对本发明方法中所出现的力和力矩进行检测、评估和储存。因此它们可个别地用于每个装配过程。

根据本发明的装置及根据本发明的方法允许向螺钉连接上施加至少一个预先确定的接合力，最大程度上还可施加所期望的总夹紧力。在此，从第一步到最后一步的转动过程便可以不中断地进行，因此该方法原则上可以自动化。当所期望的总夹紧力被无摩擦地施加时(参见图1)，头部摩擦完全取消。这意味着，至少对于这些部件的接合(在按照图1的实施例中也对于夹紧)而言，实际的螺钉工具可以更小地确定尺寸，因为所须施加的转矩比原先的要更小。

当然，根据本发明的装置及根据本发明的方法不仅仅适于机动车的轴装配，它们更可以用于部件的所有螺钉连接，例如用于风力设备或化工领域内的环形接合法兰管。