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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Sicherungsvorrichtung einer Schraubverbindung einer Mutter auf einer Welle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Schraubverbindungen von Muttern auf Wellen werden insbesondere verwendet, um ein auf der Welle angeordnetes Bauteil, z.B. eine Nabe axial zu sichern. Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise bekannt, zur axialen Sicherung einer Welle-Nabe Verbindung auf ein Außengewinde der Welle eine Mutter aufzuschrauben. Hierbei wird eine Schulter bzw. ein Bund der Mutter gegen die Nabe verspannt, wodurch die Welle-Nabe-Verbindung axial spielfrei gesichert wird. Um ein durch wechselnde Belastungen bedingtes Lösen der Mutter zu vermeiden, muss diese gesichert werden, wobei zu diesem Zweck nach der Montage ein Fortsatz der Mutter in eine in der Welle befindliche Nut verstemmt wird.
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Diese Vorgehensweise resultiert jedoch in nachteiliger Weise in der Notwendigkeit eines weiteren Arbeitsganges nach der Montage, um eine formschlüssige Sicherung der Mutter zu gewährleisten. Ferner lässt sich dieser Arbeitsgang bzw. Verstemmprozess aufgrund der nicht optimalen Zugänglichkeit nur teilweise automatisieren. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass bedingt durch wechselnde Toleranzlagen und den zumindest teilweise händisch durchgeführten Verstemmprozess Prozessschwankungen entstehen, deren Überwachung aufwendig ist und immer wieder zur Nacharbeit führt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsvorrichtung einer Schraubverbindung einer Mutter auf einer Welle anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Weitere erfindungsgemäße Ausgestaltungen und Vorteile gehen aus den Unteransprüchen hervor.
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Demnach wird eine Sicherungsvorrichtung einer Schraubverbindung einer Mutter mit einem Innengewinde auf einer Welle mit einem Außengewinde vorgeschlagen, umfassend auf der Welle oder auf der Mutter gleichmäßig umfangsverteilt angeordnete Rastelemente, in die im montierten Zustand mehrere auf der Mutter bzw. auf der Welle vorzugsweise gleichmäßig umgangsverteilt angeordnete, radial und optional in Umfangsrichtung federnd ausgeführte und sich axial erstreckende Laschen eingreifen, welche mit der Mutter bzw. der Welle einstückig ausgeführt sind oder mit der Mutter bzw. der Welle drehfest verbunden sind. Bei der Montage werden die Laschen in radialer und optional in Umfangsrichtung elastisch und optional teilweise plastisch verformt.
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Gemäß der Erfindung sind die Rastelemente als sich axial erstreckende Nuten ausgeführt, welche in Umfangsrichtung ein Sägezahnprofil aufweisen, das in Anzugsrichtung der Mutter mit einer flachen Flanke und in der Gegenrichtung mit einer steilen Flanke ausgeführt sind.
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Vorzugsweise sind die Laschen axial konisch zulaufend ausgeführt und in Umfangsrichtung derart verschränkt, dass der Innendurchmesser der in Anzugsrichtung wirkenden Flanke größer ist als der Innendurchmesser ihrer Gegenflanke, sodass die Laschen beim Aufschrauben der Muttern entlang des Sägezahnprofiles der Rastelemente gleiten. Sobald ein Zahn des Sägezahnprofils überschritten wird, fällt eine Lasche in das nächstliegende Rastelement.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist ein separates ringförmiges Bauteil vorgesehen, welches die gleichmäßig umgangsverteilt angeordnete, radial und optional in Umfangsrichtung federnd ausgeführte und sich axial erstreckende Laschen aufweist, wobei dieses Bauteil mit der Mutter bzw. der Welle drehfest verbunden und zumindest radial fixiert ist.
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Gemäß der Erfindung muss die Anzahl der Laschen nicht der Anzahl der Nuten entsprechen und kann kleiner sein. Durch die Anzahl und Teilung der Laschen wird bestimmt ob der Verdrehwinkel bis zum Einfallen einer Lasche in das nächste Rastelement vergleichsweise klein ist, oder ob mehrere bzw. alle Laschen gleichzeitig in korrespondierende Rastelemente einfallen.
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Je mehr Laschen gleichzeitig in die Rastelemente einfallen, desto robuster ist die Sicherung der Schraubverbindung. Andererseits wird durch einen kleinen Verdrehwinkel eine sehr feine Einstellung des Anzugswinkels der Schraubverbindung ermöglicht.
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Die erfindungsgemäße Sicherung einer Schraubverbindung kann bei einer Welle-Nabe-Verbindung axial betrachtet zwischen der Mutter und der Welle oder zwischen der Mutter und der Nabe vorgesehen sein. Vorzugsweise sind die Laschen im montierten Zustand an einer leicht zugänglichen Stelle angebracht, wodurch ein zerstörungsfreies Lösen der Schraubverbindung mithilfe eines Lösewerkzeuges ermöglicht wird.
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Hierbei kann ein zerstörungsfreies Lösen der Schraubverbindung durch die geometrische Gestaltung der Winkel zwischen den Rastelementen und den Laschen optimiert werden, wobei das Lösemoment deutlich höher als das Anzugsmoment gewählt wird.
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Gemäß weiterer Ausgestaltungen können die Laschen derart ausgeführt sein, dass die sich bei einem beabsichtigten Öffnen mit hohem Lösemoment deformieren, vorab bewusst deformiert werden oder abbrechen. In diesem Fall muss, wenn die Laschen mit der Mutter oder der Welle einstückig ausgeführt sind, die Mutter bzw. die Welle ausgetauscht werden. Folglich weist die Variante, bei der ein separates ringförmiges Bauteil vorgesehen ist, welches die gleichmäßig umgangsverteilt angeordnete, radial und optional in Umfangsrichtung federnd ausgeführte und sich axial erstreckende Laschen aufweist den Vorteil auf, dass lediglich das Bauteil ausgetauscht werden muss, wodurch Mutter und Welle weiterhin verwendet werden können. In diesem Fall wird kein spezielles Lösewerkzeug für die Laschen benötigt.
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Durch die erfindungsgemäße Konzeption wird in vorteilhafter Weise kein separater Arbeitsgang zur formschlüssigen Sicherung einer Schraubverbindung einer Mutter auf einer Welle benötigt. Ferner erweisen sich die erfindungsgemäße Vorrichtung sowie deren Montage als kostengünstig, da einfache Teile bzw. Fertigungsverfahren benötigt werden.
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Beispielsweise sind die als Längsnuten ausgeführten Rastelemente auf steckverzahnten Wellen günstig umzusetzen, da diese Teile die notwendigen Fertigungsverfahren zur Erzeugung der Steckverzahnung ohnehin durchlaufen, wobei zusätzliche Konturen an umgeformten Muttern wie Freimachungen, Mitnahmen und Laschen im Zuge der Fertigung in vorhandenen Fertigungsverfahren umsetzbar sind. Für den Fall, dass ein separates ringförmiges Bauteil umfassend die Laschen vorgesehen ist, kann dieses als einfache Scheibe im Stanz-Biegeverfahren hergestellt werden.
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Gemäß der Erfindung können, wenn die Rastelemente auf der Welle vorgesehen sind, das Außengewinde der Welle und die Rastelemente axial voneinander getrennt sein. Ferner können sich das Außengewinde und die Rastelemente überlagern, wodurch in vorteilhafter Weise bei langen Gewinden eine Sicherung an jeder Stelle ermöglicht wird.
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Für den Fall, dass die Laschen mit der Mutter einstückig ausgeführt sind, kann zu diesem Zweck die Mutter gemäß aus dem Stand der Technik bekannter Verfahren umgeformt werden.
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Erfindungsgemäß kann die Aufweitung der einzelnen Laschen durch einen Biegebalken mit fester Einspannung berechnet werden. Hierbei berechnet sich die zur Auslenkung einer Lasche notwendige Normalkraft F aus der notwendigen Auslenkung y, der Länge der Lasche L, dem Elastizitätsmodul des Werkstoffes E der Laschen und dem Flächenträgheitsmoment bedingt durch den Querschnitt der Lasche I wie folgt: F = y × 3 × E × l / L^3.
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Die Normalkraft ergibt sich aus dem Anzugs- bzw. Lösemoment und der Geometrie des Systems, wobei erfindungsgemäß die Normalkraft F in Anzugsrichtung aufgrund des flachen Flankenwinkels der Sägezahnverzahnung in Anzugsrichtung durch ein sehr geringes Anzugsmoment erreicht wird und wobei sich aufgrund des steilen Flankenwinkels der Sägezahnverzahnung in Löserichtung das notwendige Drehmoment signifikant erhöht.
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Flankenwinkel in Löserichtung der Mutter, die einen vorgegebenen Wert überschreiten führen dazu, dass aufgrund der Reibung zwischen Laschen und Rastelementen eine Selbsthemmung erzielt wird, so dass die Schraubverbindung durch Drehen der Mutter nicht mehr zerstörungsfrei gelöst werden kann. Diese Situation entsteht, wenn der Tangens des Winkels zwischen der Normalkraftrichtung und der steilen Flanke eines Rastelementes kleiner als der Reibkoeffizient zwischen der Lasche und dem Rastelement wird. Für den Fall, dass Laschen und Rastelemente aus Stahl hergestellt sind, entsteht bei einem Reibkoeffizient von 0,1 zwischen Lasche und Rastelement und bei einem Flankenwinkel < 5,7° zur Normalkraftrichtung Selbsthemmung.
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Bei sehr flachen Flankenwinkeln, wie diese erfindungsgemäß beim Sägezahnprofil in Anzugsrichtung der Mutter vorgesehen sind, beträgt die Reibung annähernd dem Produkt aus Normalkraft und Reibkoeffizienten. Die Reibung erhöht demnach in diesem Fall die Normalkraft nur um ca. 10% und hat daher einen geringen Einfluss auf das erforderliche Drehmoment.
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Je nach Anzahl der Laschen und Rastelemente können entweder alle Laschen gleichzeitig, jede Lasche einzeln oder eine bestimmte Anzahl von Laschen gleichzeitig in Rastelemente eingreifen. Bei über den Umfang gleichmäßiger Verteilung der Laschen und der Rastelemente ergibt sich dies durch Primzahlfaktorzerlegung der Anzahl an Laschen und Rastelementen. Gleiche Faktoren führen zu gleichzeitigem Rasten, unterschiedliche Faktoren zu einem versetzten Rasten.
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Bei einer Welle mit fünfzehn Rastelementen und einer Mutter mit zwölf Laschen sind immer drei Laschen gleichzeitig im Eingriff, da sowohl die Anzahl der Rastelemente als auch die Anzahl der Laschen den Faktor 3 beinhalten. Bei der Berechnung der möglichen Raststellungen kürzt sich dieser Faktor 3 daher wieder einmalig aus der Rechnung. Bei diesem Beispiel gibt es also 3x5x2x2x3 =60 verschiedene Raststellungen pro 360° Drehung. Dies bedeutet, dass pro 6° Drehung eine Raststellung vorgesehen ist, an der jeweils drei Laschen gleichzeitig eingreifen.
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Erfindungsgemäß kann, wenn die Laschen und Rastelemente axial versetzt zum Gewinde angebracht sind, in vorteilhafter Weise eine sehr feine Rastierung realisiert werden, bei der je nach Anforderung gleichzeitig mehrere Laschen eingreifen.
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Wenn ein mit der Mutter drehfest verbundenes separates ringförmiges Bauteil umfassend die Laschen vorgesehen ist, erhöht sich die federnde Länge der Laschen, wenn die Laschen durch die Mutter durchgeführt werden, wodurch der Querschnitt der Laschen angehoben werden kann. Dadurch können die Laschen in Löserichtung sehr hohe Kräfte bzw. Momente aufnehmen. Hierbei kann die Teilung aufgrund der erzielten höheren Tragfähigkeit der Laschen derart gewählt werden, dass nur eine oder wenige Laschen gleichzeitig eingreifen. Dies erhöht auch die Tragfähigkeit des unterbrochenen Mutterngewindes.
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Bei Sechs-Kant-Muttern sind aus geometrischen Gründen zwei oder sechs mit der Mutter einstückig ausgeführte oder mit der Mutter drehfest verbundene Laschen vorteilhaft. Bei einer Welle mit zwanzig Rastelementen und einer Mutter mit sechs Laschen ergeben sich beispielsweise 60 Raststellungen pro 360°Drehung mit jeweils 2 eingreifenden Laschen.
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Werden die Rastelemente in Längsrichtung direkt auf ein Gewinde geschnitten, ist die Anzahl der Rastelemente derart gewählt, dass die Tragfähigkeit des Gewindes sichergestellt wird. In Abhängigkeit vom Durchmesser des Gewindes können beispielsweise 8,10,12,14 oder 16 Rastelemente vorgesehen sein. Bei einer Welle mit zehn Rastelementen und einer Mutter mit drei Laschen ergeben sich 30 Raststellungen pro 360° Drehung mit jeweils einer eingreifende Lasche.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figuren anhand von Ausführungsbeispielen, bei denen die Rastelemente auf der Welle vorgesehen sind, beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
- 1: Eine schematische perspektivische Darstellung einer gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ausgeführten Mutter;
- 2: Eine schematische perspektivische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung, bei der ein mit der Mutter drehfest verbundenes separates ringförmiges Bauteil umfassend Laschen vorgesehen ist;
- 3: Eine schematische perspektivische Darstellung des ringförmiges Bauteils aus 2;
- 4: Eine schematische Draufsicht des ringförmiges Bauteils aus 2;
- 5: Eine schematische perspektivische Darstellung der in 2 gezeigten Mutter im montierten Zustand;
- 6: Eine schematische perspektivische Darstellung einer Welle, bei der das Außengewinde und die Rastelemente axial voneinander getrennt sind; und
- 7: Eine schematische perspektivische Darstellung einer Welle, bei der sich das Außengewinde und die Rastelemente überlagern.
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Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf die beigefügte Figuren umfasst eine Sicherungsvorrichtung einer Schraubverbindung einer Mutter 1 mit einem Innengewinde 2 auf einer Welle 3 mit einem Außengewinde 4, auf der Welle 3 gleichmäßig umfangsverteilt angeordnete Rastelemente 5, in die im montierten Zustand mehrere auf der Mutter 1 gleichmäßig umgangsverteilt angeordnete, radial und optional in Umfangsrichtung federnd ausgeführte und sich axial erstreckende Laschen 6 eingreifen.
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Die Laschen 6 können mit der Mutter 1 einstückig ausgeführt sein, wie anhand 1 veranschaulicht. Alternativ und bezugnehmend auf 2, 3 und 4 umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung ein separates ringförmiges Bauteil 7, welches gleichmäßig umgangsverteilt angeordnete, radial und optional in Umfangsrichtung federnd ausgeführte und sich axial erstreckende Laschen 6 aufweist, wobei das ringförmige Bauteil 7 mit der Mutter 1 drehfest verbunden und zumindest radial fixiert ist, wie anhand 2 gezeigt. In vorteilhafter Weise kann das ringförmige Bauteil 7 als einfache Scheibe im Stanz-Biegeverfahren hergestellt werden.
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Bei der Ausgestaltung nach 2, 3 und 4 sind die Laschen 6 axial betrachtet durch die Mutter 1 durchgeführt, wodurch sich die federnde Länge der Laschen 6 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 erhöht wird. Da die federnde Länge der Laschen hoch ist, kann der Querschnitt der Laschen 6 angehoben werden, wodurch die Laschen 6 in Löserichtung sehr hohe Kräfte bzw. Momente aufnehmen können.
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Gegenstand der 5 ist eine erfindungsgemäße Schraubverbindung einer Mutter 1 mit einem ringförmigen Bauteil 7 nach 2, 3 und 4 auf einer Welle 3 dargestellt. Die Welle 3 weist gleichmäßig umfangsverteilt angeordnete Rastelemente 5 auf, die als sich axial erstreckende Nuten ausgeführt sind, welche in Umfangsrichtung ein Sägezahnprofil bzw. eine Sägezahnverzahnung aufweisen, das in Anzugsrichtung der Mutter 1 mit einer flachen Flanke 8 und in der Gegenrichtung, d.h. in Löserichtung der Mutter 1 mit einer steilen Flanke 9 ausgeführt sind.
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Die Laschen 6 sind vorzugsweise axial konisch zulaufend ausgeführt und in Umfangsrichtung derart verschränkt, dass der Innendurchmesser der in Anzugsrichtung der Mutter 1 wirkenden Flanke 10 der Laschen 6 größer ist als der Innendurchmesser ihrer Gegenflanke. Dadurch gleiten die Laschen 6 beim Aufschrauben der Muttern 1 entlang des Sägezahnprofiles der Rastelemente 5. Sobald ein Zahn des Sägezahnprofils überschritten wird, fällt eine Lasche 6 in das nächstliegende Rastelement 5 auf der Welle 3.
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Durch den flachen Flankenwinkel der Sägezahnverzahnung in Anzugsrichtung der Mutter 1 wird ein geringes Anzugsmoment benötigt, wobei sich aufgrund des steilen Flankenwinkels der Sägezahnverzahnung in Löserichtung der Mutter 1 das notwendige Drehmoment signifikant erhöht wird bzw. eine Selbsthemmung in Löserichtung der Mutter erzielt wird.
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Gemäß der Erfindung und bezugnehmend auf 6 können auf einer Welle 3 das Außengewinde 4 und die Rastelemente 5 axial betrachtet voneinander getrennt sein. Alternativ können sich das Außengewinde 4 der Welle 3 und die Rastelemente 5 überlagern, wodurch bei langen Außengewinden 4 eine Sicherung an jeder Stelle der Welle 3 ermöglicht wird. Eine derartig ausgeführte Welle 3 wird in 5 und 7 dargestellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Mutter
- 2
- Innengewinde
- 3
- Welle
- 4
- Außengewinde
- 5
- Rastelement
- 6
- Lasche
- 7
- Ringförmiges Bauteil
- 8
- flache Flanke
- 9
- steile Flanke
- 10
- in Anzugsrichtung wirkende Flanke der Lasche 6
