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Mittel und Verfahren zur Erhöhung der Haftung sich berührender Flächen von gegeneinander
Es ist bekannt, den Gleitwiderstand zwischen ruhenden und beweglichen Flächen, d. h. zwischen den Berührungsflächen eines ruhenden und eines bewegten Körpers, dadurch zu erhöhen, dass man
Stoffe in mehr oder minder fein verteilter Form zwischen diese Flächen bringt, die deren unmittelbare
Berührung verhindern, und deren Reibungskoeffizient (Beiwert) zu jeder dieser Flächen oder wenigstens zu einer derselben grösser ist als derjenige zwischen den beiden ursprünglich sich berührenden Flächen.
Auf diesem Prinzip beruht beispielsweise die Anwendung von Streumitteln zwischen Rad und Schiene beim Anfahren oder Bremsen, besonders wenn durch Witterungseinflüsse die Schiene gegenüber dem
Rad zu,, glatt" geworden ist, oder die Sicherung der Fussgänger gegen Ausgleiten durch Sandstreuen vereister Strassenteile. Immer handelt es sich in allen solchen Fällen um die Erhöhung des Reibungsbeiwertes zwischen zwei relativ zueinander sieh bewegenden Systemen bzw. zwei Systemen, von denen wenigstens das eine in Bewegung ist.
Eine ähnliche Erhöhung der Reibung wird in der Praxis häufig da angewandt, wo bei Bearbeitung oder beim Zusammenbau von Maschinenteilen die letzteren durch Greifwerkzeuge, wie Zangen,
Schraubzwingen, Schraubstöcke u. dgl., festgehalten werden müssen. Die Reibung zwischen Werkzeug und Maschinenteil ist für die Festhaltung oft ungenügend, insbesondere dann, wenn durch die Natur des Maschinenteils allzu grosse Drücke nicht ausgeübt werden dürfen. In solchen Fällen hilft man sich häufig durch Zwischenlegen rauher Mittel, wie Papier, Schmirgelleinen u. dgl., wodurch die Reibung erhöht wird.
Sollen zwei oder mehrere Maschinen-und Konstruktionsteile ohne besondere Befestigungsmittel fest aufeinander sitzen, d. h. soll eine gegenseitige Verschiebung der sich berührenden Flächen- elemente dieser Teile nach ihrem Zusammenbringen (Zusammenbau) nicht mehr eintreten, so wurde dies bisher durchwegs dadurch erreicht, dass man die Reibung zwischen den Berührungsflächen durch Erzeugung hoher Druckkräfte beim Zusammenfügen nach Möglichkeit erhöhte. Die Grenze der Gesamthaftung zwischen den sich berührenden Flächen ergab sich dann aus der Höhe der angewandten Kräfte beim Zusammenbau der zusammenwirkenden Teile und dem Reibungskoeffizienten ihrer Baustoffe.
Im Gegensatz zu den vorstehenden Anwendungen, von welchen es in gleicher grundsätzlicher Art noch eine Reihe geben mag und die alle bezwecken, die Reibungsstützung entweder zwischen einem ruhenden und einem bewegten System oder zwischen zwei ruhenden Systemen vorübergehend zu erhöhen, soll gemäss der Erfindung die Bewegung sich umschliessender oder fest aufeinander sitzender (gegeneinander dauernd unverschieblicher) Maschinen-und Konstruktionsteile gänzlich vermieden werden, u. zw. ganz allgemein dadurch, dass entweder durch Elementarkeilwirkung (d. h. Wirkung kleinster Keile) ein hoher, die Haftung der sich berührenden Flächen erhöhender Spannungszustand erreicht wird oder dass durch Eindringen harter und fester Körperehen in beide sich berührenden Flächen deren gegenseitige Verschiebung unter der Einwirkung äusserer Kräfte verhindert wird.
Der Höchstwert der Haftung zweier Flächen, wie er bisher erreichbar war, wird nun planmässig dadurch weit überschritten, dass je nach Art der zu erwartenden Kräfte, die das Aufeinandergleiten der Flächen bewirken, und je nach dem zwischen diesen Flächen vorhandenen Zwischenraum (Spiel) ein Haftmittel, welches kleinere oder grössere Körperchen, fein verteilt, in körniger, splitteriger, kantiger oder runder Form aufweist, z. B. als Pulver oder Staub, eingebracht wird, zweckmässig meist unter Zuhilfenahme eines zähflüssigen oder pasteförmigen Bindemittels.
Diese die Haftungserhöhung bewirkenden Körperchen, fernerhin kurz"Haftkörner"genannt, füllen den immer vorhandenen, wenn auch manchmal
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noch so kleinen, leeren Raum zwischen den sich berührenden Flächen ganz oder teilweise aus, setzen sich hier fest-besonders wenn sie unter Einwirkung mehr oder weniger hoher Kräfte beim Zusammenfügen der sich berührenden Flächen stehen-und vermehren dadurch die Reibung zwischen den Berührungsflächen. Je nach den besonderen technischen Verhältnissen, unter welchen diese Flächen aufeinander sitzen oder zusammenwirken sollen, werden Grösse, Form, Menge und Stoff sowohl der Haftkörner wie des zusammenhaltenden Bindemittels bestimmt.
So kann es zweckmässig sein, die Haftkörner aus einem Stoff herzustellen, der eine grössere Festigkeit hat als die sich berührenden Teile oder eine grössere Härte als diese, oder beides zusammen. Es kann für bestimmte Verhältnisse wichtig sein, dass die Haftkörner einen höheren Glüh-und Schmelzpunkt haben als die sich berührenden Teile und dass sie aus einem Material bestehen, welches chemisch möglichst indifferent ist und keine schädlichen Einflüsse ausübt.
Das vorgenannte"Festsitzen"der Haftkörner zwischen den sich berührenden Flächen beruht, wie bereits angedeutet, im wesentlichen auf zwei Wirkungen. Bei splitteriger Gestalt der Haftkörner kommt, sobald die aufeinandergleitenden Flächen unter Anwendung von schiebenden oder drehenden Kräften zusammengebracht werden, die bekannte Keilwirkung zustande. Stellt man sich nämlich
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spiel dadurch eingeleitet, dass eine Kante dieses Keils sich wenigstens etwas in eine der beiden Be- rührungsflächen eingedrückt hat, so treten im Verlauf der Weiterbewegung der Flächen aufeinander ausserordentlich hohe, im wesentlichen senkrecht auf diese Flächen wirkende Kräfte auf ; es tritt Selbsthemmung"ein, d. h. die Flächen könnten nur unter Zerstörung des Keils wieder zurückgleiten.
Da nach dem Erfindungsgedanken immer eine grosse Anzahl solcher Teile (Splitter) auf die sich berührenden Flächen aufgebracht wird, ist nach den Gesetzen der Wahrscheinlichkeit fest zu erwarten, dass sieh auch eine grosse Anzahl dieser als Keile wirkenden Splitter in der günstigsten Arbeitslage befindet, eine andere Anzahl wenigstens zur Teilwirkung gelangt. Die Summe dieser Einzelwirkungen ergibt die gewünschte Gesamtreibung zwischen diesen Berührungsflächen. Grundsätzlich anders ist die Wirkung bei sich umschliessenden Maschinen-oder Konstruktionsteilen, deren Zusammenpassung durch Wärmewirkung geschieht, wie dies beispielsweise beim Aufschrumpfen eines Bundes auf einen Bolzen der Fall ist.
Durch die Erhitzung des Bundes entsteht ein bestimmtes Spiel, das beim Erkalten verschwindet ; die Zusammenziehung des Bundes bewirkt seine Haftung auf dem Bolzen. Werden nun an die Schrumpfstelle vor dem Aufschrumpfen Haftkörner, diesmal beispielsweise solche von runder oder prismatischer Gestalt gebracht, so drücken sich diese, besonders wenn ihr Glühpunkt höher liegt als der des Bundes, beim Erkalten zunächst in diesen, im weiteren Verlauf der Erstarrung unter der Wirkung der zusammenziehenden Kräfte auch in die Oberfläche des Bolzens ein.
Zur Lösung der Schrumpfverbindung ist nun nicht nur Überwindung der Reibung zwischen den sich berührenden glatten Flächen von Bund und Bolzen erforderlich, sondern es müssten auch die in beide Berührungflächen eingedrungenen Haftkörner aus ihren Vertiefungen gleichsam herausgequetscht oder abgeschert werden, wodurch die Haftung beider Konstruktionsteile aneinander erhöht wird. Natürlich ist auch eine vereinigte Wirkung beider dargestellter Grundformen der Reibungserhöhung zwischen den sieh berührenden Flächen denkbar, ja sie ist in den meisten Fällen sogar zu erwarten.
Gegenüber der vorbesehriebenen Art der Erhöhung der Haftung zwischen zwei oder mehreren ruhend aufeinandersitzenden Konstruktionsteilen hat man sich bisher gescheut, systematisch zwischen ihre Berührungsflächen Fremdkörper einzubringen, wohl aus dem Gefühl heraus, dass dadurch der auf ein Minimum zu beschränkende Spielraum in schädlicher Weise vergrössert werden könnte. Wie aber Versuche und Beobachtungen zeigten, ist diese Befürchtung nicht nur hinfällig, sondern die oben dargestellten Wirkungen gemäss dem Erfindungsgedanken traten tatsächlich ein, womit für die Technik ein einfaches Hilfsmittel zur Erhöhung der Haftung sich berührender und umschliessender Konstruktionsteile gegeben ist.
Nach dem bisher Gesagten ergeben sich als zweckmässige Baustoffe für die Haftkörner vornehmlich feine Splitter oder Körner aus Eisen, als bessere aber die bekannten Formen des sehr harten Stahlsandes", Stahlkieses"oder Stahlschrotes", Handelsbezeichnungen für Stahl in mehr oder weniger fein verteiltem Zustand. Hier ist die oben genannte Zweckmässigkeit der grösseren Festigkeit und der grösseren Härte gegenüber derjenigen der aufeinander gepassten Flächen meist ohne weiteres vorhanden. Es können aber auch in pulver-oder staubförmiger Form die bekannten Hartstoffe, wie beispielsweise die Karbide des Bors, Aluminiums und Siliziums, dann diejenigen des Titans, Vanadiums, Molybdäns, Wolframs usw., verwendet werden. Von diesen Hartstoffen kommen bei Anwendung der Temperaturzusammenpassung (z. B.
Schrumpfen) hauptsächlich diejenigen in Betracht, die auch bei hohen Temperaturen weder ihre Festigkeit noch ihre Härte verlieren, so dass die beabsichtigte Wirkung ihres Eindringens in die sich berührenden Flächen unbedingt gewährleistet bleibt.
Je nachdem das Verfahren bei gewöhnlicher oder erhöhter Temperatur durchgeführt bzw. das Haftmittel angewandt wird, ergeben sich für die Beschaffenheit des Bindemittels bestimmte Forderungen.
In beiden Fällen ist es zweckmässig, das Bindemittel so zusammenzusetzen, dass die darin möglichst gleichmässig verteilten Körperchen des Haftmittels, die Haftkörner, keinerlei chemische Veränderung erfahren und auch vor der Einwirkung der Luft geschützt bleiben. Das Bindemittel soll ferner in einem
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dauernd fettigen oder pasteartigen Zustand verbleiben, der das Verstreichen desselben mittels Pinsels, Bürste, Spatel od. dgl. oder das Auspressen aus Tuben ermöglicht. Des weiteren wird das Bindemittel zweckmässig eine möglichst grosse Adhäsion an Metallflächen haben müssen ; es soll ferner von einer Beschaffenheit sein, die gar keine oder keine wesentliche chemische Veränderung der aufeinandersitzenden Flächen herbeiführen kann.
Bei Anwendung hoher Temperaturen soll das Bindemittel aus Stoffen hoher Wärmebeständigkeit bestehen oder mit solchen in einem Verhältnis gemischt sein, dass einmal die Haftung des Bindemittels an der Fläche des kalten Teiles gewahrt bleibt, zum andern die Haftkörner sich nicht aus dem Bindemittel herauslösen ; auch sollen die Haftkörner vor der Einwirkung der Glühhitze möglichst durch die Beschaffenheit des Bindemittels geschützt werden.
Die vorgenannten Bedingungen werden erfüllt durch Verwendung von fetten Ölen, z. B. Standöl, Leinöl, Voltolöl, oder von hoch siedenden Fraktionen von Teerprodukten, auch Maschinen-bzw. Schmier- ölen oder durch konsistente Fette etwa nach Art des Staufferfetts oder auch durch Mischung von solchen Fetten und Ölen. Auch künstliche und natürliche Harze nach Art der Polyvinylester, Kautschukarten usw. kommen hiefür in Betracht. Um die Entmischung von Bindemittel und Haftkörnern zu verhüten, kann es zweckmässig sein, dem Gemisch Verdickungsmittel, wie Asphalt, Kreide, Schwerspat, Graphit oder einige von den vorgenannten Ölen, Fetten und Harzen od. dgl., zuzusetzen. Bei dem Heissverfahren (Aufschrumpfen) kann es ausserdem zweckmässig sein, fein verteilte, feuerfeste oder die Wärme schlecht leitende Stoffe dem Bindemittel beizumengen, z. B. Kieselgur, Asbest u. dgl.
Selbstverständlich ist das Verfahren bzw. das Haftmittel in bestimmten Fällen auch ohne jedes Bindemittel, also nur mit den Haftkörnern allein, anwendbar, die während des Aufeinanderpassens oder Zusammenbringens der sich umschliessenden oder aufeinandergleitenden Flächen eingestreut oder eingeblasen werden können oder etwa durch Magnetisierung auf der einen oder andern Fläche haften.
Das Verfahren und das Haftmittel gemäss der Erfindung werden zweckmässig überall da angewendet, wo Maschinen-oder Konstruktionsteile unlöslich oder sehr selten löslich miteinander verbunden werden müssen. Beispiele dafür sind : Aufziehen von Bunden über Bolzen, wo durch Anwendung des Verfahrens eine gröbere und daher leichter herzustellende "Passung" gewählt werden kann ; wenn
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von ringförmigen Teilen über zylindrische, kalte Flächen wird durch das erfindungsgemässe Verfahren die Haftung so erhöht, dass grössere Kräfte durch die Verbindung übertragen werden und die sonst notwendige Sicherung der Verbindung durch Stifte, Keile, Sprengringe, Schrauben usw. ganz in Wegfall kommen kann.
Der Gleitwiderstand von Blechen und Stäben bei Nietverbindungen kann durch das Verfahren bedeutend erhöht werden, ebenso die Haftung zwischen den Aussenflächen von Rohren und den Lochlaibungen, in die sie eingewalzt werden, und beim Aufwalzen von Flanschen und Ringen auf Rohren. Ein sehr wichtiges, weiteres Anwendungsgebiet der Erfindung besteht in der Möglichkeit, dadurch Keile und Schraubenverbindungen gegen selbsttätige Lösungen zu sichern, insbesondere bei solchen Verbindungen dieser Art, die, einmal hergestellt, nie mehr oder nur selten gelöst zu werden brauchen. Bei Schraubenverbindungen kann z.
B. das Haftmittel mit oder ohne Bindemittelgehalt in die Gewindegänge eingebracht werden, oder es kann in manchen Fällen auch genügen, es nur zwischen Sitzfläche der Mutter und deren entsprechende Auflage einzubringen, da auch dadurch allein das zur Lösung der Mutter erforderliche Zurückdrehen derselben verhindert wird. Sogenannte Stangenschlösser und andere Keilverbindungen, die an und für sich schon "selbsthemmend" sind, die aber unter der Einwirkung von Erschütterungen, wie solche beispielsweise bei Brücken immer auftreten, zur selbsttätigen Lösung neigen, werden durch das Verfahren bzw. das Haftmittel ebenfalls sicher in ihrer Lage gehalten.
PATENT-ANSPRÜCHE :
1. Mittel zur Erhöhung der Haftung sich berührender Flächen von gegeneinander dauernd unverschieblichen Maschinen-und Konstruktionsteilen, dadurch gekennzeichnet, dass dasselbe fein verteilte Haftkörner splittriger, kantiger oder runder Form aufweist.