DE1575314A1 - Selbstsicherndes Befestigungselement und Verfahren zur Herstellung desselben - Google Patents

Description

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8034 Ünferpfcfienhofen b. München 1575314

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Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma UNITED SHOE MACHINERY CORPORATION in Flemington, New Jersey, und Boston, Massachusetts, V,St.v,Amerika

betreffend: -'"...

Selbstsicherndes Befestigungselement und Verfahren zur Herstellung desselben

Priorität: 20. April 1966 - V.St.v.Amerika

Diese Erfindung betrifft ein selbstsicherndes Befestigungselement, bestehend aus einem mit Gewinde versehenen Schaft mit einer länglichen Ausnehmung einschliesslich eines darin eingelassenen Streifens aus federnd nachgiebigem Material, Des weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Befestigungselementes. '

Befestigungselemente dieser Art sind an sich bekannt und kommen in der Industrie weit verbreitet zur Anwendung. Unter anderem ist eine Schraube bekannt, deren Sicherung durch ein KunststoffktcgeIonen geschieht, welches in einer Bohrung in der. Seite des Gewindeteiles ruht. Des weiteren ist eine Schraube bekannt, in die quer zu ihrem Gewinde eine Rille eingefra'st ist, die einen

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Streifen aus geeignetem Kunststoff im Pressit2 halt. Schliesslich ist noch eine Schraube bekannt, in die die Kille zur Aufnahme des Sicherungsstreifens nicht eingefra*st, sondern mittels eines rechteckigen Prä'gestempeis eingeprägt ist.

Diesen selbstsichernden oder selbstsperrenden Befestigungselementen haften indessen Nachteile an, die ihre Verwendung in vielen Fa*llen ausschliessen. Zum Beispiel werden Zug-, Torsions- und Schwingungsfestigkeit des mit dem Ktfgelchen versehenen Befestigungselementes durch die radiale Bohrung für die Aufnahme des Kügelcnens sehr stark vermindert* Zudem muss das Kügelchen so auf dem Schaft liegen, dass es nach dem Setzen der Schraube von dem Muttergewinde erfasst wird. Diese Befestigungsmittel sind also nicht ohne weiteres einsetzbar.

Das Problem der richtigen Lage des Sicherungselementes bezüglich eines Muttergewindes besteht zwar nicht bei Befestigungselementen mit streifenformigen Sicherungseinsatzen, jedoch wird durch Herausfrasen des Metalls aus dem Gewindeschaft dieser noch mehr geschwächt als ein Schaft mit Radialbohrung für die Aufnahme eines kugelförmigen Befestigungselementes. Ausserdem ist Fräsen ein verhaitnismassig teures und zeitraubendes Verfahren und dürfte deshalb eine Massenfabrikation der Befestigungselemente von vornherein ausschliessen.

Eine nach dem bekannten Pra*geverfahren in den Schaft geformte Ausnehmung erlaubt wohl eine geschwinde Herstellung und ist mit

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weit geringeren Kosten verbunden als beispielsweise Schrauben , mit gefrästen Ausnehmungen, doch wird der Gewindeschaft durch das Prägen stark entstellt» Um ein Endprodukt von normaler Grosse zu bekommen, müssen Gewindeschäfte mit üntergrössen verwendet werden. Diese wiederum müssen speziell angefertigt werden, so dass die Produktion von Sicherungsschrauben mit geprägten Ausnehmungen auf grosse Mengen beschrankt sein muss, um die Herstellungskosten erträglich zu halten. Die zwei beschriebenen selbstsichernden Befestigungselemente mit streifenförmigen Sicherungseinsatz sind noch in anderer Beziehung nachteilig: Z.B. kann ein Arbeiter die Eins atze leicht entfernen,· um die Schrauben leichter setzen zu können. Ausserdem neigen die Einsätze dazu, sicn beim Einschrauben in ein Muttergewinde innerhalb ihrer Ausnenmung in '.Achsenrichtung.des Schaftes zu verlagern.

Der Erfindung liegt die Aufgaoe zugrunde, ein selbstsicherndes Befestigungselement zu schaffen, das die angefahrten Nachteile überkommt, das nach einem Prägeverfanren hergestellt werden kann, ohne den Schaft zu verformen oder zu schwächen und dessen Sicherungseinsatz nur mit grossen Schwierigkeiten entfernt werden kann und sich beim Einschrauben in ein Muttergewinde nicht verlagert.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die. Ausnehmung von einer Mehrzahl von Kerben in nebeneinanderliegenden Gewindegähgen geoildet und durch gegeneinandergerichtete,'nach innen geneigte, unterhalb der Gewindespitzen liegende Enden der

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Gewindegange begrenzt ist und mit nach innen geneigten, gegen- . einandergerxchteten Heftzapfen zum Eingreifen in mittlere Teile des federnd nachgiebigen Streifens versehen ist.

Die Heftzapfen liegen dabei zwischen dem Aussendurchmesser und dem Kerndurchmesser des Befestigungselementes und entsprechen in ihrer Breite der Breite der in sie übergehenden Gewindegänge.

Dieses Befestigungsmittel wird nach einem erf indungsgema'ssen Verfahren nergestellt, demzufolge in den Gewindeteil des Schaftes eine mehrere Gewindegänge schneidende Ausnehmung eingelassen wird, die Enden der Gewindegähge entlang der Ausnehmung einwärts und abwärts unter die Gewindespitzen verformt werden und in die Ausnehmung ein Streifen aus federnd nachgiebigem Material eingelassen wird.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden naher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 ein erfindungsgemSfsses Befestigungselement in perspektivischer Sicht;

Fig. 2 einen Schnitt entlang Linie H-II in Fig. 3; Fig. 3 einen Schnitt entlang Linie HI-III in Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt mit weggebrochenen Teilen des Befesti-

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gungsmittels einschliesslich eines Prägestempels; Fig. 5 einen Schnitt entlang Linie V-V in Fig. 4;

Fig. 6 einen Querschnitt mit weggebrochen Teilen des Befestigungsmittels einschliesslich eines Prägestempels;

Fig. 7 eine Sicht im Schnitt entlang Linie VII-VII in Fig. 6;

Fig. 8 einen Lähgsschnitt durch einen Teil der Gewindegä*nge einschliesslich eines Werkzeuges zum Wiederherstellen der Gewindegänge;

Fig. 9 einen Querschnitt, der den ersten Arbeitsschritt für das Einfuhren eines Sicherungsstreifens in die Ausnehmung veranschaulicht;

Fig. 10 eine Seitenansicht der Schraube, teilweise im Schnitt, die einen zweiten Arbeitsschritt nach dem Einsetzen des SicherungSstreifens in die Ausnehmung veranschaulicht.

In der Zeichnung ist eine Schraube 10 dargestellt, die aus einem Kopf 12 nebst einem Schaft 14 mit darin eingeschnittenen Gewindegähgen 16 besteht. In einer quer zu den Gewindegangen verlaufenden Ausnehmung wird ein Streifen oder Einsatz 20 aus federnd nachgiebigem Kunststoff gehalten. Der Streifen 20 dient

dazu, die Schraube 10 in einem Muttergewinde zu sichern. Die Ausnehmung liegt in den Gewindegängen und dringt nicht in den eigentlichen Schaft 14 ein. Somit wird die Ausnehmung von nebeneinanderliegenden, die GewindegSnge 16 unterbrechenden Kerben oder Spalten vorherbestimmter Form gebildet. Jede Kerbe weist einen unteren Teil 22 auf, der von einer etwas Oberhalb der Gewindewurzel liegenden Bodenfläsche 24 und einem Paar unterhalb der Gewindespitzen in widerhakenförmige Heftzapfen 28 übergehende Seitenwinde 26 begrenzt wird. über dem unteren Teil der Kerbe liegt ein oberer Teil 30, der weiter ist als der untere Tei .

Der Streifen 20, der anfänglich-rund ist, wird beim Einsetzen in die Ausnehmung in seiner Form entstellt, so dass er sowohl den unteren 22 wie auch den oberen 30 Teil der Kerben ausfüllt und sich ausserdem quer über die anliegenden Teile der Gewindegänge legt. Nach dem Einsetzen in die Ausnehmung wird der Streifen noch weiter in seiner Form verändert, so dass er sich der Form der Gewindegahge anpasst, über die er sich legt.

Wahrend die Schraube 10 beispielsweise von (nicht gezeigten) Gewindewalzbacken gehalten wird, wird die Ausnehmung mit einem Prägestempel 32 (Fig. 4 und 5) in die Gewindegange 16, nicht aber in den Kern des Schraubenschaftes 14 eingeprägt. Auf diese Weise wird das Schraubenmaterial unterhalb des Prägestempels in Achsenrichtung der Schraube 10 verteilt. Die Bodenfläche der auf diese Art gebildeten Ausnehmung ist deshalb im wesentlichen flach und liegt etwas über dem Kerndurchmesser der Schraube 10

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(Fig. 5),

Durch das Prägen werden gegen die Ausnehmung anliegende Teile 34 der Gewindegänge 16 unter dem Einfluss der auf diese Stellen wirkenden Kraft des Prägestempels 32 geringfügig entstellt und nehmen eine ausgebauchte Form an (siehe FIG. 5).

In dem in Fig 6 und 7 veranschaulichten Arbeitsgang wird ein zweiter Prägestempel 36 mittig über der vom Prägestempel 32 gebildeten Ausnehmung ausgerichtet und gegen die Schraube 10 gepresst, so dass die Kanten des Stempels 36 die Spitzen der an die Ausnehmung anliegenden Gewindeteile nach unten verformen. Der Prägestempel 36 entspricht in seiner Länge dem Stempel 32, jedoch ist er - wie hier gezeigt, etwa zweimal - breiter als Stempel 32. Der Prägestempel 36 wird bis zu einem Punkt unterhalb des Aussendurchmessers, jedoch überhalb des Kerndurchmessers der Schraube 10 und überhalb der Bodenfläche 24 der von dem Prägestempel 32 gebildeten Ausnehmung in die Gewindegänge eingepresst, Wobei 4as Metall der Gewindegänge sich nach innen verlagert und unterhalb der Gewindespitzen aufeinander zugeneigte Heftzapfen bildet. Bei diesem Prägevorgang werden auch die Seitenwände 26 aufeinander zugeneigt, wodurch der Sicherungsstreifen 20 noch besser in der Ausnehmung festgehalten werden kann.

Durch das zweimalige Prägen werden die Teile 34 der Gewindefänge 16 so stark verformt, dass die Schraube 10 nicht mehr ohne Schwierigkeiten in ein Muttergewinde eingeschraubt werden kann. Aus

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diesem Grunde wird das Gewinde der Schraube 10 mit einem Werk-» zeug 40 wiederhergestellt, dessen untere Fläche Form und Grosse der ursprünglichen Gewinde 16 entspricht. Das Werkzeug 40 wird gegen den Teil der Schraube 10 gepresst, in den die Ausnehmung geprägt worden ist, und zwar mit genügend Kraft, um die Gewindegänge 16 in ihre ursprüngliche Form zurückzubringen und auch um in die Bodenfläche 24 der Ausnehmung eine Reihe querliegender Vertiefungen 44 zu bilden, so dass die Gewindespitzen eines Muttergewindes ohne Hinderung durch die Ausnehmung verlaufen können. Ausserdem werden mit dem Werkzeug 40 irgendwelche beim Prägen an den Enden der Gewinde gebildeten Zacken oder dergleichen entfernt.

Um den Sicherungsstreifen oder -einsatz 20 in die Ausnehmung einzusetzen, wird eine zunächst runde Stange 46 aus nachgiebig verformbarem Kunststoff über der Ausnehmung gehalten, von geeigneten Klemmbacken 48 zusammengedrückt und mit einem Stftssel in die Ausnehmung hineingepresst (Fig. 9).

Das eingesetzte Sicherungselement 20 wird mit einem weiteren Werkzeug 52 weiter verformt. Die untere Fläche 54 des Werkzeugs 52 entspricht der Gewindeform, so dass, wenn das Werkzeug 52 mit ausreichender Kraft gegen den Kunststoffstreifen 20 gepresst wird, dieser sich verformt, die Kerben in den Gewindeg&ngen 16 ausfüllt und sich quer über die anliegenden Teile der Gewindegänge 16 zu beiden Seiten der Ausnehmung legt. Dabei nimmt die

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aus der Ausnehmung hervorstehende Fläche des Streifens 20 die Form der unteren Fläche des Werkzeugs 52 an.

Das Sicherungselement 20 besteht also aus einer relativ dünnen Lage 56 Kunststoff, die zu beiden Seiten der Ausnehmung 18 über Teilen der Gewindegänge liegt und die von einem mittlern Teil 58 in der Ausnehmung in ihrer Lage gehalten wird. Der mittlere Teil 58 wird durch die Heftzapfen 28 und die nach innen geneigten Gewindeenden gegen unbefugtes Herausnehmen und Verlagerungen gesichert.

Die Oberflächenkontur des mittleren Teiles 58 ist die gleiche wie die der anliegenden über dem Gewinde liegenden Teile.

Je nach der Härte des Schraubenmaterials werden durch die den Sicherungsstreifen 20 in den unteren Teil 22 der Ausnehmung einzwängende' Kraft die Enden der Heftzapfen 28 mehr oder weniger stark nach unten gebogen. Da die Heftzapfen 28 sich in den Streifen 20 eingraben, tragen die widerhakenähnlichen Enden dazu bei, den Sicherungseinsatz 20 zu verankern.

Die nach dem erfindungagemässen Verfahren hergestellten selbstsichernden Befestigungsmittel weisen gegenüber bekannten Sicherungsschrauben beträchtliche Vorteile auf. Nicht nur können die erfindungsgemässen Befestigungsmittel bei hohen Produktionsgeschwindigkeiten nach einem Prägeverfahren, das den Schraubenschaft nicht schwächt, hergestellt werden, sondern sie sind im

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-lögrossen und ganzen nicht in ihrer Form entstellt. Zum Beispiel konnte in einer Serie nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellter Schrauben mit einem Durchmesser von 1/2 engl Zoll und einer Rockwell-Härte von 33 (C Skala) überhaupt keine Veränderung des Kerndurchmessers gemessen werden, während die grösste Veränderung des Aussendurchmessers, gemessen an dem senkrecht zu der Prägerichtung laufenden Durchmesser, nur 0,05 mm betrug..

Ausserdem sind die Befestigungsmittel gemäss der Erfindung bezüglich bekannter mit Kunststoffsicherungselementen versehener Schrauben insofern vorteilhaft, als dass Schwingungs- und Zugfestigkeit nicht vermindert werden, da der Schaft weder abgeschwächt noch verformt wird.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäss hergestellten Schrauben ist darin zu sehen, dass das Drehmoment beim ersten Einschrauben nicht wesentlich grosser ist als das statische Drehmoment beim ersten Herausschrauben. Nach dem fünften Herausschrauben ist das statische Dremoment nur um 30% schwächer als beim ersten Herausschrauben. Gemäss handelsüblicher Anforderungen darf das Drehmoment beim ersten Einschrauben bei Halbzoll-Schrauben ' (mit 13 Gewindegängen pro Zoll) nicht über 129 cm/kp liegen, während das statische Drehmoment beim ersten Herausschrauben mindestens 25 cm/kp und beim fünften Herausschrauben mindestens 17 cm/kp betragen muss.

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ORIGINAL INSPECTED

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-Die erwähnten Halbzoll-Schrauben sind auf diese Werte geprüft worden, wobei folgende Ergebnisse erzielt wurden: Bei durchschnittlich acht geprüften Schrauben betrug das Drehmoment beim ersten Einschrauben 92 cm/kp., beim ersten Herausschrauben 94 cm/kp und beim fünften Herausschrauben 67 cm/kp.

Das verhältnismässig niedrige Drehmoment beim ersten Einschrauben, verglichen mit dem statischen Drehmoment beim ersten Herausschrauben, ist besonders von Vorteil, wo die Befestigungsmittel bei Fliessbandarbeiten verwendet werden, da es sich erwiesen hat, dass Fliessbandarbeiter, um sich das Einschrauben zu erleichtern, die Sicherungsstreifen mitunter aus den Schrauben herausnehmen. Wegen der Verankerung des Sicherungsstreifens an den Heftzapfen wird ein Herausnehmen des Streifens ungemein erschwert und ohne ein Werkzeug, das in die Ausnehmung unter den Streifen eindringen kann, ist es fast unmöglich. Ein weiterer unerwarteter Vorteil des erfindungsgemässen Befestigungsmittels ist darin zu sehen, dass sein statisches Drehmoment selbst dann noch den Anforderungen gerecht wird, wenn die Schraube in eine nicht ausgekehlte Öffnung eingeschraubt wird.

Andere Arten von selbstsichernden Befestigungselementen mit Kunststoffeinsätzen erfordern fast ohne Ausnahme, dass Muttergewinde mit ausgekehlten Öffnungen verwendet werden, um zu verhindern, dass Teile des Einsatzes beim Eintreten in das Muttergewinde abgeschert oder aus der Ausnehmung verlagert werden.

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Demgegenüber besteht beim Einschrauben erfindungsgemässer Befestigungsmittel in nicht ausgekehlte Muttergewinde nicht die Gefahr, dass die Sicherungsstreifen verlagert oder Teile derselben abgeschert werden.

Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemässen Befestigungsmittels ist der, dass seine Sicherungswirkung im wesentlichen erhalten bleibt, selbst wenn es und sein entsprechendes Muttergewinde hohen Zugbelastungen ausgesetzt werden.

Es ist möglich, dass das beschriebene Verfahren bei extrem harten Materialien nicht anwendbar ist. In solchen Fällen kann der erste Prägevorgang durch Fräsen ersetzt werden, an das sich die übrigen Verfahrensschritte geraäss der Beschreibung anschliessen. Somit ist das Verfahren auch geeignet, selbstsperrende Schrauben aus extrem harten Werkstoffen herzustellen, ohne dass diese für den Prägevorgang durch Erwärmen erweicht werden müssen.

Da in dem erfindungsgemässen Verfahren gewisse Vorgänge abgeändert werden können, dient die vorgehende Beschreibung lediglich dazu, die Erfindung zu erläutern, nicht um sie zu beschränken.

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Claims (7)

1. ■ 1. Selbstsicherndes Befestigungselement, bestehend aus einem Gewindeschaft mit einer länglichen Ausnehmung einschliesslich eines darin eingelassenen Streifens aus federnd nachgiebigem Material, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (18) von einer Mehrzahl von Kerben (22, 30) in nebeneinander liegenden Gewindegängen (16) gebildet und durch gegeneinander gerichtete, nach innen geneigte, unterhalb der Gewindespitzen liegende Enden der Gewindegänge begrenzt ist und mit nach innen geneigten, gegeneinander gerichteten Heftzapfen (28) zum Eingreifen in mittlere Teile (58) des federnd nachgiebigen Streifens (20) versehen ist.
2. 2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Heftzapfen (28) zwischen dem Aussendurchmesser und dem Kerndurchmesser des Befestigungselements liegen.
3. 3. Befestigungselement nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der Heftzapfen (28) der Breite der in sie überlaufenden Gewindegänge (16) entspricht.
4. 4. Befestigungselement nach Anspruch 1 bis 3, dadurch, gekennzeichnet, dass der federnd nachgiebige Streifen (20) mit Querrillen, die sich der Lage der Gewindeflanken anpassen, versehen ist.

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5. 5. Befestigungselement nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (24) der Ausnehmung (18) überhalb des Kerndurchmessers liegt.
6. 6. Befestigungselement nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich Teile des Streifens (20) zu beiden Seiten der Ausnehmung (18) quer über die Gewindegänge (16) legen.
7. 7. Verfahren zum Herstellen eines in Anspruch 1 bis 6 beschriebenen Befestigungsmittels, dadurch gekennzeichnet, dass in den Gewindeteil des Schaftes (14) eine mehrere Gewindegänge (16) schneidende Ausnehmung eingelassen wird, die Enden (34) der Gewindegänge (16) entlang der Ausnehmung einwärts und abwärts unter die Gewindespitzen verformt verden und in die Ausnehmung ein Streifen aus federnd nachgiebigem Material eingelassen wird.

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