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Scheibenförmige Schrauben- oder Die Erfindung bezieht sich auf eine
scheibenför- Mutternsicherung mige Schrauben- oder Mutternsicherung, deren einem
Schraubenkopf oder einer Mutter zugeordnete Fläche am Innenrand mit ringförmigen
Keilflächen versehen ist, deren Steigung untereinander gleich, aber etwas größer
als die Steigung des Gewindes der zu sichernden Schraube oder Mutter ist, und die
mit entsprechenden Keilflächen an der Unterseite des Schraubenkopfes oder der Mutter
derart zusammenarbeiten, daß beim Drehen der Schraube oder Mutter in Löserichtung
die Keilflächen aufeinander aufgleiten.
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Es sind Schraubensicherungen bekannt, die mit Gegenmuttern arbeiten,
bei denen die Unterseite der oberen Mutter eine Steigung aufweist, die größer als
die des Schraubengewindes ist, und bei der zwischen den beiden Muttern ein keilförmiges
Klemmstück eingelegt ist, das beim Zurückdrehen der einen Mutter zwischen den beiden
Muttern festgeklemmt wird, und bei der das Keilstück wie auch die oberste Seite
der unteren Mutter verzahnt sein kann.
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Ferner sind Mutternsicherungen bekannt, die an den aneinanderliegenden
Stirnflächen von Mutter und Gegenmutter sogenannte Schraubenflächen aufweisen, deren
Ganghöhe größer als das 1,3fache und kleiner als das 1,8fache der Ganghöhe des Mutterngewindes
ist und bei der Mutter und Gegenmutter aus Material verschiedener Festigkeit bestehen
können.
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Darüber hinaus sind Schrauben- und Mutternsicherungen mit zwei aufeinanderliegenden
Scheiben bekannt, bei denen sich die Scheiben mit Schraubenflächen gegeneinander
abstützen, während ihre abgekehrten Endflächen mit Sperrzähnen versehen sind, und
die im gleichen Steigungssinn wie das Schraubengewinde, aber mit größerer Steigung
als letzteres verlaufenden Abstützschraubenflächen in Richtung des Umfangs so weit
unterteilt sind, daß die bei Rückdrehung aufeinanderklemmenden Scheiben die Schraubenverbindung
unter zunehmendem Widerstand spannen, aber vor Erreichung der Elastizitätsgrenze
abgleiten, und bei denen die Abstützschraubenfläche in mindestens drei gleiche,
über den Umfang verteilte Schraubenflächen unterteilt ist, wobei die Steigung jeder
dieser Teilschraubenflächen, bezogen auf die Bogenlänge einer Teilschraubenfläche,
um 0,25 bis 0,5 mm größer ist als die Steigung des Schraubengewindes selbst.
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Alle diese Anwendungen bergen aber die Gefahr des Setzens in sich,
denn wenn die Auflageflächen auf ihrer Unterseite verzahnt sind und auf diese Verzahnung
die für die feste Verbindung notwendige Vorspannung aufgebracht ist und die ganze
Verbindung im Betrieb auftretenden Wechselbeanspruchungen ausgesetzt ist, müssen
sich die Zähne in ihre Gegenlage eingraben und die Verbindung um diesen Längenbetrag
des Eingrabens lose werden, d. h., die Funktion der Keile, die ein Drehen der Mutter
durch die Schraubenflächen verhindern sollen, ist nicht mehr gegeben. Bei allen
bekanntgewordenen Sicherungen ist weiter von Nachteil, daß bei denselben keine Möglichkeit
vorgesehen ist, dieses Setzen oder Eindringen in die Gegenfläche am Werkstück in
irgendeiner Form auszugleichen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine scheibenförmige Schrauben-
oder Mutternsicherung der hier in Frage stehenden Art so auszubilden, daß einerseits
die Auflagefläche an der unteren Seite der vorgesehenen Sicherungsscheibe ausreichend
groß genug ist, ihr Setzen in die Gegenfläche soweit wie möglich zu verhindern und
gleichzeitig bei einer Lösebewegung so lange zu halten, daß andererseits auf der
an ihrer Oberseite ausgebildeten Keilflächen eine Aufgleitbewegung der diesen Keilflächen
zugeordneten Gegenkeilflächen des Schraubenkopfes oder der Mutter zur Erhaltung
der Vorspannkraft der Verbindung möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß am Außenrand
der dem Werkstück zugewandten Fläche der Sicherungsscheibe eine an sich bekannte
glatte kreisringförmige Auflagefläche vorgesehen ist, deren Reibmoment beim Lösen
der Schraube oder Mutter größer ist als das an den Keilflächen entstehende Reibmoment
und dem sich aus der an den Keilflächen wirkenden Tangentialkraft ergebenden Moment
und deren Größe eine durch die Vorspannkraft der Verbindung erzeugte Flächenpressung
zwischen der Kreisringfläche und dem Werkstück ergibt, die kleiner ist als die ein
Eindringen dieser Kreisringfläche in die Gegenfläche des Werkstückes bewirkende
Flächenpressung.
Durch diese Ausbildung wird erreicht, daß die Sicherungsscheibe
- wie üblich mit den Kanten der Keilflächen zusammen mit dem Schraubenkopf oder
der Mutter gedreht - beim Anziehen der Verbindung mit dem vorgesehenen Anziehdrehmoment
bis zum Erreichen der aufzubringenden Vorspannkraft der Verbindung angezogen werden
kann, sie diese Vorspannkraft aber sicher hält, da jede Längung der Schraube oder
jedes Bewegungsspiel der Verbindung in Richtung der Schraubenachse durch die Elastizität
der Scheibe und durch das Aufgleiten der Keilflächen über einen bestimmten Lösewinkel
ausgeglichen wird.
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Nachstehend ist die Erfindung an Hand einer Zeichnung näher erläutert.
So zeigt F i g. 1 die Anwendung einer Sicherungsscheibe in Verbindung mit einem
Schraubenbolzen, F i g. 2 die Sicherungsscheibe mit ihren keilförmigen Aufgleitflächen,
F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie AB in der F i g. l , wobei der Schnitt
AA die Blickrichtung nach oben unter den Schraubenkopf (Kopfunterseite) und
der Schnitt BB die Draufsicht auf die Sicherungsscheibe (Oberseite der Sicherungsscheibe)
darstellt, F i g. 4 das Kräftespiel an einem Aufgleitkeil der Sicherungsscheibe.
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Auf einer Sicherungsscheibe 1. sind an der dem Schraubenkopf
oder der Mutter zugewandten Seite drei Keilflächen 2, die um 120° versetzt sind,
angeordnet. Die Steigung dieser Keilflächen ist gleich oder größer als die Gewindesteigung
der zu sichernden Schraube. In derselben Drehrichtung der Steigung dieser Keilflächen
sind beispielsweise unter dem Schraubenkopf 4 diesen Keilflächen zugeordnete Keilnuten
3 - ebenfalls ringförmig - um den Schaft 5 der Schraube eingearbeitet bzw. eingepreßt.
Die Sicherungsscheibe 1 ist auf der der Gegenlage zugewandten Seite zur Erhöhung
des Reibradius RK so ausgebildet, daß der äußere Kreisring 6 die tragende Kreisringfläche
darstellt.
Dabei bedeutet DUA = äußerer Durchmesser der Kreisringfläche, Du, = innerer Durchmesser
der Kreisringfläche. Beim Anziehen einer Kopfschraube oder Mutter stellen sich bei
gleicher Vorspannkraft zwei Reibmomente ein, und zwar 1. das Reibmoment ML aus der
Berührungsfläche Kopf-Sicherungsscheibe, 2. das Reibmoment Muw an der Berührungsfläche
Sicherungsscheibe-Werkstück. Die Größe dieser Reibmomente kann durch besonders untereinander
abgestimmte Oberflächenbehandlung, z. B. verschiedenartige galvanische Überzüge,
und durch Veränderung der Schmierstoffe beeinflußt werden. Aber auch schon allein
durch die unterschiedlichen Reibradien ist bei gleichen Reibungskoeffizienten an
den Berührungsflächen Kopf-Sicherungsscheibe uKij und Sicherungsscheibe-Werkstück
uuW eine gute Funktion der Sicherung nach der Erfindung gegeben.
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#t KU C @iuW. .
Beim Anziehen einer Schraube wird durch die
stufenartigen Absätze der Keilflächen 2 die Sicherungsscheibe 1 mitgedreht, und
es entsteht an der Berührungsfläche Sicherungsscheibe-Werkstück ein 'Reibmoment
Muw = 0,25 E@ Pv - (D,,.4 -;- DU,) [mkp) wobei Pv die Vorspannkraft
der Schraube ist.
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Nach Beendigung des Anziehvorganges liegt ein Flächenkontakt der Keilflächen
2 auf der einen Seite und der Ringfläche 6 auf der anderen Seite der Sicherungsscheibe
1 vor, die in ihrer Dimensionierung so ausgelegt sind, daß, wenn entweder nur die
Keilflächen 2 oder nur die Ringfläche 6 die ganze aufgebrachte Vorspannkraft aufnehmen
müssen, die zulässige Flächenpressung an beiden nicht überschritten wird und somit
ein Setzen der Verbindung nicht stattfindet.
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Wird die Schraube oder Mutter in Löserichtung bewegt, so gleitet der
Kopf der Schraube bzw. die Mutter - nach Drehung um den Schlupfwinkel q5 - auf den
vorhandenen Gleitflächen auf. Die Sicherungsscheibe bleibt stehen, da nur der Kontakt
an den Keilflächen sich löst und das Reibmoment Sieherungsscheibe-Kopf (oder Mutter)
kleiner ist als das Reibmoment der Gegenseite Sicherungsscheibe-Werkstück. Dieses
Lösedrehmoment ML wird, wenn aK der Steigungswinkel der Keile ist (s. F i g. 4),
ML - MK e MT, wobei Mg das Moment der Kopfreibung und MT das Moment
der Tangentialkräfte gegen die Keile ist. Mit einer beim Aufgleiten der Keile auftretenden
Tangentialkraft PT und einer Vorspannkraft Pv PT - tg (ZK* Pv ergibt sich
für einen mittleren Halbmesser rR des Keilkreises, dem Radius der Keilflächen, ML
- rK.tgaK.Pv@--rx.u.Pv = rr, . Pv (tg aK @` fit) < Muw (Lösedrehmoment
kleiner als Reibmoment an der Berührungsfläche Sicherungsscheibe - Werkstück). Eine
Schraube, z. B. eine Dehnschraube, erfährt durch das Anziehen aus den Rückhalt-
bzw. Tangentialkräften der Reibung und der Aufgleitkraft eine Torsionsbeanspruchung.
Der Schlupf zwischen der Sicherungsscheibe und dem Kopf (oder der Mutter) darf einen
bestimmten Wert, der sich aus dem Verdrehwinkel ergibt, nicht überschreiten.
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Die Größe des Verdrehwinkels setzt sich aus dem Anzugs- und dem Lösungswinkel
zusammen. Bekanntlich wird beim Lösen einer Schraubenverbindung zunächst die vom
Anziehen der Verbindung herrührende Torsion abgebaut, die nach einem bestimmten
Drehwinkel Null wird und sich dann weiter bis zum Einsetzen der Lösebewegung in
entgegengesetzter Richtung wieder aufbaut. Diesem Torsionswinkel (p1 überlagert
sich noch zusätzlich eine Winkelverdrehung 9,1 aus der Längenänderung der
Schraube in Abhängigkeit von der Steigung des Gewindes. Beide Winkel zusammengefaßt
ergeben an den Keilen den zulässigen Schlupfwinkel 7". Aus der
Torsionsbeanspruchung
ist somit
wobei M,4 das Anziehdrehmoment, G der Gleitmodul und 1I, das polare Widerstandsmoment
im Gewinde ist.
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Aus der Längenänderung der Schraube ergibt sich
mit h = Steigung und 4h = Längenänderung der Schraube pro Steigung
oder Gang. Mit ML =MR + Mt, dem Lösedrehmoment gleich dem Moment der Reibung
plus dem Moment der Torsion, und mit 1= der Schaftlänge der verspannten Schraube
wird also der Schlupfwinkel
Die Gestalt der Keile 2 auf der Sicherungsscheibe 1 und ihre Gegenform, die Keilnuten
3 im Schraubenkopf 4 (oder in der Mutter) kann eine rechteckige, dreieckige oder
runde Querschnittsform aufweisen und ist maßgebend von der Frage der Herstellung
beeinflußt, wobei sich die runde Form für die spanlose Herstellung als die günstigste
erweist. Gleiche überlegungen ergeben sich für die Ausbildung des Steilabfalles
am Ende einer Keilfläche im übergang zum Beginn des Anstieges einer neuen Keilfläche.
Der Keilwinkel selbst kann zwischen dem 1,2- bis 3fachen der Gewindesteigung liegen.
Er kann durch die Reibungszahl zwischen der Sicherungsscheibe und dem Schraubenkopf
(oder der Mutter) und durch die Dimensionierung der Sicherungsscheibe sowie durch
eine Behandlung der Schrauben- oder Mutterauflagefläche mit beispielsweise Molybdändisulfid
oder auch durch Verkadmen der ganzen Schraube beeinflußt werden. Wesentlich ist
dabei, daß bezüglich des Reibwertes die Oberflächenbehandlung der Schraube und der
Mutter günstiger sein muß als die der Sicherungsscheibe. Die Sicherungsscheibe soll
den größeren Reibwert aufweisen. Zweckmäßigerweise soll weiterhin die Festigkeit
der Sicherungsscheibe gleich oder größer als die der Schraube (oder Mutter) sein.
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Ist der Kopf der Schraube als elastischer Kopf ausgebildet und weist
z. B. auf seiner Oberseite zur Erzielung federnder Eigenschaften eine Einsenkung
auf, so können die Keile der Sicherungsscheibe, wie Kippkanten wirkend, die Federung
des Schraubenkopfes wirksam unterstützen.
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Um die Sicherungsscheiben wiederholt verwenden zu können, ist es zweckmäßig,
zu vermeiden, die Schraube so weit in Löserichtung zu drehen, daß sie ganz auf den
Keilen der Sicherungsscheibe aufgleitet und dann überspringt. Um dies zu verhindern,
kann die Sicherungsscheibe beim Lösen mit in Drehrichtung des Kopfes oder der Mutter
gedreht werden. Hierzu sind am Umfang der Sicherungsscheibe eine oder mehrere Eingriffstellen
7 für einen Ringschlüssel od. dgl. vorgesehen.