Befestigungsvorrichtung für mehrere sich überlappende Elemente Die Erfindung betrifft eine Befestigungsvorrich tung für mehrere sich überlappende Elemente, in deren überlappendem Teil durchgehende kegelige konzentrische Bohrungen vorgesehen sind. Sie be zweckt, die sich überlappenden Elemente, z. B. Ble che oder Platten, sowohl zusammenzuspannen als auch ein relatives Gleiten derselben zu verhindern.
Die Erfindung ist gekennzeichnet durch eine Schraube mit einem über seine volle Länge kegeligen Schaft, wobei die Durchmesser der Wand des kegeligen Schaftes grösser sind als die anfänglichen entspre chenden Durchmesser der konzentrischen Bohrun gen, einen mit dem breiteren Ende des Schaftes aus einem Stück bestehenden Kopf und einen mit dem engeren Ende des Schaftes aus einem Stück be stehenden Befestigungsabschnitt, welch letzterer keine Abmessung aufweist, die grösser ist als der Durch messer des engeren Endes des Schaftes, und ein Befestigungsorgan, das mit dem Befestigungsabschnitt in Eingriff gebracht werden kann,
um die Schraube unter Spannung zu setzen und die erwähnten Ele mente zwischen dem Kopf und dem erwähnten Or gan nach dem Einsetzen des Schaftes durch die Bohrungen zusammenzuspannen, wobei der Kopf der Schraube zum Aufsitzen auf einer Aussenfläche des einen der erwähnten Elemente durch das Befesti gungsorgan gezogen werden kann und der Schaft eine gleichmässige Druckkraft gegen die Wände der konzentrischen Bohrungen über deren volle Länge ausübt und der Grad des gegen die Wände ausge übten Druckes durch das Aufsitzen des Kopfes gegen die erwähnte Aussenfläche des einen Elementes begrenzt ist, dass ferner die obere Grenze des Unter schiedes zwischen den erwähnten Durchmessern der art ist,
dass der Grad des durch den Schaft auf die Wände der konzentrischen Bohrungen ausgeübten Druckes, wenn der Kopf gegen eines der erwähnten Elemente aufsitzt, unterhalb der Elastizitätsgrenze des ganzen beanspruchten Materials der Wände liegt und die untere Grenze des Unterschiedes zwischen den erwähnten Durchmessern 0,0254 mm beträgt.
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird diese anhand der beiliegenden Zeichnung einer Aus führungsform des Erfindungsgegenstandes näher be schrieben, und zwar zeigen: Fig. 1 eine Ansicht im senkrechten Schnitt, wel che zwei Bleche oder Platten, die in der erfindungs gemässen Weise aneinander befestigt werden sollen, und den stufenweisen Zusammenbau der kegelig aus gebildeten Befestigungsvorrichtung zeigt, Fig. 2 eine Teilansicht in Draufsicht der mitein ander vereinigten Platten der Fig. 1 nach der Linie 2-2 in Fig. 1,
Fig. 3 eine Ansicht im senkrechten Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 2, welche eine kegelige Siche rungsschraube voll eingebaut zeigt, Fig.4 eine Endansicht nach der Linie 4-4 in Fig. 1, welche die verformte dreieckige Gestalt des einen Endes der Mutter vor dem vollen Aufschrauben auf die Schraube zeigt, Fig.5 eine Schnittansicht einer anderen Ver bindung, welche einen überstehenden Kopf auf der kegeligen Schraube zur Verwendung beim Einbau von einer Innenseite und die Art und Weise zeigt,
in welcher ein Anziehwerkzeug in enger Lage zu den Teilen der Verbindung benutzt werden kann, und Fig. 6 eine Seitenansicht, welche die Art und Weise zeigt, in welcher die Mutter sich Oberflächen anpasst, die zur normalen Mutterauflagefläche ver jüngt oder konkav sind.
Bei der in Fig. 1-4 gezeigten Ausführungsform ist die kegelige Befestigungsschraube 10 in verschiedenen Stufen zur Befestigung von zwei Platten 11 und 12 aneinander über eine Länge dieser Platten gezeigt. Die Befestigung der beiden Platten 11 und 12 stellt eine einfache Anwendungsform für die kegeligen Befestigungsbolzen dar. Es können natürlich auch weitere Platten oder zu verbindende Elemente in der gleicher. Weise aneinander befestigt werden.
Die kegelige Schraube 10 ist mit einem kegeligen Kopf 13 versehen, der von einer Aussenkung 14 der Platte 11 aufgenommen wird, wenn die Schraube voll eingesetzt ist, damit eine strömungsgünstig bündige Fläche für die Platte 11 erhalten wird. Der Kegel winkel am Kopf 13 beträgt vorzugsweise etwa 100 . Das andere Ende 15 der Schraube 10 weist einen geraden Gewindebereich 16 auf und trägt eine Si cherungsmutter 17. Die Seite 18 der Schraube 10 hat eine gleichmässige Verjüngung je Längeneinheit, wobei die Verjüngung zwischen den entgegengesetz ten Seiten der Schraube etwa 0,5080 mm je 25,4 mm beträgt. Diese Verjüngung kann unabhängig von der Länge oder Grösse der Schraube die gleiche bleiben.
Ferner ist die Verjüngung je Längeneinheit der Flä chen 19 und 20, die die Schraubenbohrung 21 in den Platten 11 und 12 bilden, die gleiche wie die Verjüngung der Schraube. Wenn die Schraube voll in die durch die Flächen 19 und 20 (siehe Fig. 3) gebildete Bohrung eingesetzt ist, besteht ein geringes Übermass zwischen der Schraubenoberfläche 18 und den Flächen 19 und 20.
Dieses übermass liegt vor zugsweise im Bereich von 0,0254 mm-0,1143 mm bei allen Durchmessern über die Länge der Schraube, wobei zu erwähnen ist, dass, je grösser das übermass ist, desto grösser die für das Einziehen der Schraube in die Schraubenbohrung 21 der Platten erforderliche Kraft ist. Die gerändelte Mutter 17 kann anfänglich ein kurzes Stück auf der Gewindefläche 16 ohne die Verwendung eines Anziehwerkzeuges aufgeschraubt werden.
Der obere Endteil 22 der Mutter 17 ist jedoch annähernd dreieckig verformt, um ein Fest klemmen des Gewindes der Mutter mit dem Ge winde der Gewindefläche 16 bei der weiteren Dre hung der Mutter zu bewirken. Diese Klemm- oder Sicherungswirkung ergibt sich aus der Verformung des oberen Teils der Mutter in die kreisförmige Gestalt der Gewindefläche 16 an der Schraube und wird dadurch ermöglicht, dass die Mutter auf einen geringfügig niedrigeren Spannungswert vergütet wor den ist als die Schraube. Hierbei ist zu erwähnen, dass vor dem Verformen des oberen Endteiles der Mutter der Durchmesser und die Steigung der Ge windegänge der Mutter denjenigen des Gewinde bereiches 16 entsprechen.
Ferner enthält der untere Teil 23 der Mutter eine Aussenkung 24, in welcher sich keine Muttergewindegänge befinden.
In Fig. 1 sind die kegeligen Schrauben und Si- cherungsmuttern in verschiedenen Stufen des Zu sammenbaus mit Bezug auf die verschiedenen Schrau benbohrungen 21 in den Platten 11 und 12, welche die Verbindung bilden, gezeigt. In der Stufe A ist die Schraube 10 fest in die Bohrung 21 eingepresst worden und erstreckt sich, wie ersichtlich, der Ge windebereich 16 von geringfügig verringertem Durch- messer durch die Bohrung 21 ohne Kontakt mit der Fläche 20.
In der Stufe A ,stehen ausreichend Ge windegänge für den Eingriff mit dem Gewinde der Mutter 17 an derem unteren Teil 23 zur Verfügung, und kann die Mutter von Hand festgezogen werden, bis der untere Teil 23 der Mutter an der Fläche der Platte 12 zur Anlage kommt. Hierauf kann jeder geeignete Drehmomentschlüssel bzw. ein kraftgetrie benes Werkzeug an der geriffelten Fläche 25 der Mutter angesetzt werden, und das auf die Mutter ausgeübte Drehmoment hat zur Folge, dass die Schraube 10 durch die Bohrung 21 gezogen wird.
In der Stufe B der Fig. 1 ist die Schraube teilweise durch die Bohrung gezogen gezeigt, während in der Stufe C eine ausreichende Drehung der Mutter aus geführt worden ist, um den Kopf 13 der Schraube 10 in die Aussenkung 14 zu ziehen. Wenn sich die Schraube in der Stufe C befindet, kann ein gegebener Drehmomentbetrag auf die Mutter 17 ausgeübt wer den, um die gewünschte Einspannwirkung zwischen den Platten 11 und 12 zu erzielen. In Fig. 3 sind der Bolzen 10 und die Mutter 17 in voll zusammenge bautem Zustand gezeigt.
Das endgültige Festziehen der Mutter hat zur Folge, dass das verformte obere Ende 22 derselben die kreisförmige Gestalt der Schraube einnimmt, so d'ass eine Reibungssicherung zwischen der Mutter und der Schraube erhalten wird. Wie ferner ersichtlich ist, erstreckt sich die kegelige Schaftfläche 18 der Schraube 10 vollständig durch die beiden Platten 11 und 12 und befindet sich ein Teil der Oberfläche 18 benachbart dem Gewinde bereich 16 innerhalb der Aussenkung 24 der Mutter.
Daher befinden sich keine Gewindegänge der Schraube in Anlage an den die Bohrung 21 bildenden Flächen 19 und 20, so dass eine gleichmässige Konus sicherung erhalten wird. Hierbei ist zu erwähnen, dass die Schrauben 10 in verschiedenen Längen für das Einsetzen in Verbindungen von verschiedener Dicke geliefert werden können und die Aussenkung 24 der Mutter 17 ermöglicht, dass die gewindefreie Fläche 18 an der Aussenfläche der Platte 12 endet oder sich über diese Aussenfläche um den Betrag der Aussenkung der Mutter hinaus erstreckt, wobei je doch eine volle kegelige Einspannlänge aufrechter halten bleibt.
Es kann daher eine einzige Schrauben länge bei Verbindungen verwendet werden, deren Dicke innerhalb eines besonderen Zuwachsbetrages liegt, und die Mutter 17 fest gegen die Fläche der Platte 12 angezogen werden, um eine Einspann wirkung zwischen den Platten zu erzielen.
Beim normalen Zusammenbau wird die Schraube in der Stufe A ausreichend weit in die Platten ein gepresst, um eine Drehung des Bolzens zu verhindern, wenn die Mutter 17 für das Einziehen der Schraube durch die Bohrung 21 festgezogen wird. An der Riffelung 25 der Mutter kann eine beliebige geeignete Art eines Drehmomentschlüssels oder kraftgetrie benen Werkzeuges angesetzt werden, um die Mutter mit einem Drehmoment bis zu einem bestimmten Wert festzuziehen, wobei das Enddrehmoment den Betrag der Einspannwirkung zwischen dem Kopf 13 und der Mutter 17 bestimmt.
Da die Schraube 10 die Neigung haben kann, sich beim Festziehen der Mutter bei dünnen Verbindungen zu drehen, ist im Ende 15 der Schraube 10 eine geriffelte Tasche 26 zur Aufnahme einer geeigneten Vorrichtung für das Festhalten der Schraube während der Drehung der Mutter vorgesehen. Ferner kann bei dünnen Platten mit einem kleinen Auflagebereich zwischen den kege- ligen Flächen die Neigung der Schraube, sich zu drehen, in manchen Fällen dadurch vermieden wer den, dass ein Reinigungsmittel zur Reinigung der kegeligen Flächen vor dem Einsetzen der Schraube verwendet wird, um hierdurch den Reibungseingriff zu erhöhen.
In den Fällen, in welchen die Schraube beim anfänglichen Einsetzen in die Verbindungen eine grosse Auflagefläche hat, besteht eine geringere Neigung der Schraube, sich beim Festziehen der Mutter 17 zu drehen.
Bei der in Fig. 5 gezeigten Verbindung hat die Schraube 10' einen überstehenden Kopf 13', welcher gegen die Fläche der den einen Teil der Verbindung bildenden Platte 11' aufliegt. Ein winkelig geformtes Element 12' bildet das andere Element der Ver bindung, und beide Elemente werden durch das Fest ziehen der Mutter 17 in der vorangehend beschrie benen Weise zusammengehalten. Das Werkzeug 27 ist ein Beispiel für die Art der Werkzeuge, die für das Festziehen der Mutter 17 verwendet werden können. Das dargestellte Werkzeug weist eine hohle Öffnung 28 mit Vorsprüngen 29 auf, welche mit der Riffelung 25 für das Festziehen der Mutter 17 in Eingriff stehen.
Ferner ist das Werkzeug mit einer Mittelöffnung 30 versehen, durch welche ein weiteres geeignetes Werkzeug, ähnlich einem Kreuzschlitz- schraubenzieher, für den Eingriff mit der geriffelten Tasche 26 eingesetzt und die Schraube während der Drehung der Mutter gehalten werden kann. Hierbei ist zu erwähnen, dass das Werkzeug 27 mit einem Kraftantrieb und einer Drehmomentanzeige- oder einer Drehmomentüberlastkupplungsvorrichtung ver sehen sein kann, um die gewünschte Einspannwirkung zwischen den Platten zu erzielen.
Wie in Fig. 5 ge zeigt, kann der überstehende Kopf 13' für kegelige Schrauben verwendet werden, wenn die Schrauben von innen festgezogen werden müssen und eine strömungsgünstige Bündigkeit nicht erforderlich ist. Ferner können, wie ersichtlich, solche Schrauben in engen Räumen und eng benachbart von abstehenden Teilen einer Verbindung angeordnet werden, ohne dass dadurch der Zusammenbau der Verbindung durch geeignete Werkzeuge beeinträchtigt wird.
Die Schrauben werden vorzugsweise aus einem ge eigneten hochfesten legierten Stahl oder Metall herge stellt, der auf einen Bereich zwischen 119,53 kg/mm2 und 133,59 kg/mm2 oder höher vergütet werden kann, und die Muttern 17 werden ebenfalls aus einem geeigneten hochfesten legierten Stahl oder Metall hergestellt, das auf einen Bereich zwischen 98,43 kg/mm2 und 112,50 kg/mm2 oder anteil- mässig höher vergütet worden ist. Der hochfeste le gierte Stahl wird im angelassenen oder normalisierten Zustand vor der Wärmebehandlung bearbeitet oder kaltgestaucht.
Ein solcher geeigneter Stahl ist der 4140-Chrom-Molybdän-Stahl, der unter der Bezeich nung MIL-S-5626 des National Aircraft Standards Committee geführt ist, jedoch können auch allge mein legierte Stähle, wie Chrom-Nickel-Molybdän- oder Chrom-Vanadium-Stähle verwendet werden. Wenn die Platten 11 und 12 aus Aluminium oder anderen weicheren Metallen hergestellt sind, wird der Bereich des Metalls um die Schraube herum ge quetscht bzw. geknetet, um eine sehr dichte und feste Anlage an der Schraube zu erzielen.
Die gleiche Knetwirkung wird erreicht, wenn die Elemente der Verbindung aus korrosionsbeständigem Stahl herge stellt sind, wenn auch eine gewisse Knetwirkung der Schraube selbst unter dieser Bedingung stattfinden kann. Infolge der Knetwirkung des Metalls werden die Schraubenbohrungen strömungsmitteldicht, so dass die Verbindung für Flüssigkeits- oder Gas speicherkammern verwendet werden können, ohne dass ein Lecken durch die Bohrungen zu befürch ten ist.
Da die Muttern 17 etwas weicher sind als die Schrauben 10, wird durch das Festziehen der Muttern in den Schrauben eher eine Spannung als eine Nei gung zur Verdrehung oder Verwendung erzeugt, wo bei je grösser die auf die Schraube ausgeübte Span nung ist, desto grösser die Einspannwirkung auf die Elemente der Verbindung ist. Da das Übermass vor handen sein muss, bevor die Mutter festgezogen wer den kann, während die Schraube festgehalten wird, ist es unmöglich, die Verschraubung zusammenzubauen, sofern nicht das Übermass tatsächlich besteht.
In den Fällen, in welchen mehrere Platten in einer Ein spannvorrichtung angeordnet sind und getrennt wer den, wenn die kegelige Bohrung 21 gebohrt wird, ent stehen kleinere Bohrungen während des Vorschubes des Bohrers. Diese geringfügig kleineren Bohrun gen beeinträchtigen jedoch nicht das Einsetzen der Schraube 10, da das Metall um die kleineren Boh rungen herum lediglich stärker gefedert ist und eine bessere Abdichtung bildet.
Ferner können, wenn Bohrungen in Platten gebohrt werden, die in Ein spannvorrichtungen gehalten werden, die Bohrungen in den verschiedenen Elementen infolge von Tem peraturveränderungen geringfügig zueinander versetzt werden, jedoch kann das schmälere mit einem Ge winde versehene Ende der Schraube 10 immer ein gesetzt werden und das darauf folgende Festziehen der Schraube hat zur Folge, d'ass sich die Elemente der Verbindung wieder ausfluchten.
Bei der Darstellung in Fig. 6 sind Platten 31 und 32 mit zwei kegeligen Schrauben 10 zusammenge baut gezeigt. Die Platte 32 weist eine kegelige Ober fläche 33 auf, auf der die Mutter 17' aufliegt, und eine konkave Oberfläche 34, gegen die die Mutter 17" anliegt. Diese Oberflächen haben einen Winkel zum unteren Teil der Mutter, wenn dieser untere Teil seine erste Berührung mit diesen Flächen hat. Beim weiteren Festziehen verformen sich jedoch der Körper und die Gewindegänge der Muttern, damit der untere Teil derselben sich den Flächen anpassen kann.
Bei sich verjüngenden Flächen, welche Winkel bis zu etwa 7 mit der zur Schraube senkrechten Ebene bilden, tritt praktisch keine Verformung des Materials der Platte selbst ein. Ferner erfolgt prak tisch keine Verformung der Platte, wenn die Mutter auf einer Viertelzoll-Schraube gegen eine konkave Fläche mit einem Halbmesser von etwa 25 mm festgezogen wird. Bei einer stärkeren Verjüngung oder einem kleinen Halbmesser der anliegenden Oberfläche der Platte ist ein Ansenken der Ober fläche vorzuziehen, um eine gleichmässige Anlage der Mutternfläche zu erzielen.
Durch die Erfindung wird eine sehr feste Ver bindung erhalten, da die konische Passung einen Schlupf verhindert, und eine gute Einspannwirkung wird zwischen den Platten durch die mit einem Ge winde versehene Sicherungsmutter zur Verbesserung der Festigkeit der Verbindung und Erhöhung der Dauerfestigkeit erzielt. Der Festsitz zwischen der Schraube und der Schraubenbohrung ergibt eine strömungsmitteldichte Fläche und die Verformung der Mutter ergibt eine Selbstsperrung, welche das Lockern der Mutter unter Schwingungen verhindert.
Hierbei ist zu erwähnen, dass jede geeignete Ver jüngung für die Schraube 10 und für den für die Schraubenbohrungen 21 benutzten Bohrer verwendet werden kann und dass im allgemeinen die Ver jüngung grösser sein kann, je dünner die Verbindung ist. Ferner können die Schrauben in verschiedenen Grössen hergestellt werden, um die erforderliche Festigkeit für Verbindungen von verschiedener Dicke zu erzielen.