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Federnde Unterlegscheibe für Verschraubungen Die Erfindung betrifft
eine federnde Unterlegscheibe für Verschraubungen, bestehend aus einem radial geschlitzten,
kegelstumpfförmig hohlgewölbten einstückigen Ring aus federndem Material.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Unterlegscheibe dieser
Art in dem Sinne zu verbessern, daß sich Verschraubungen mit einer wirkungsvolleren
Sicherung gegen unbeabsichtigtes Lösen ergeben, wobei außerdem zum Festziehen des
Befestigungselementes, beispielsweise in Gestalt eines Schraubenbolzens, gegen eine
Auflagefläche ein geringeres Drehmoment erforderlich ist und die Unterlegscheibe
beim Lösen der Verschraubung einen günstigeren wirksamen Biegebereich aufweist.
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Zu diesem Zwecke ist die Unterlegscheibe gemäß der Erfindung dadurch
gekennzeichnet, daß sie eine trapezoidförmige Querschnittsgestalt aufweist, bei
der die in Achsrichtung sich erstreckende innere und äußere Umfangsfläche der Unterlegscheibe
im wesentlichen parallel zueinander verlaufen, die innere Umfangsfläche eine größere
axiale ilöhe als die äußere Umfangs fläche aufweist und die untere und die obere
Ringfläche von der inneren Umfangafläche aus radial
nach außen konvergieren,
und daß die Kronenhöhe im entspannten Zustand zwischen 4 z und 10 % des Außendurchmessers
beträgt und die obere Ringfläche bei im wesentlichen flachgedrückter Unterlegscheibe
einen spitzen Winkel mit der zugeordneten Druckfläche eines die Unterlegscheibe
gegen eine Auflagefläche andrückenden Befestigungselementes einschließt.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des gegenstarades der
Erfindung dargestellt. Es zeigen: Fig. 1 eine Schraubverbindung mit einer Unterlegscheibe
gemäß der Erfindung in einer Seitenansicht unter Veranschaulichung der im axialen
Schnitt darqe stellten Unterlegscheibe im entspannten Zustand, Fig. 2 die Schraubverbindung
nach Fig. 1 in einer entsprechenden Darstellung unter Veranschaulichung der Unterlegscheibe
im voll zusarninengepressten Zustand, Fig. 3 die Unterlegscheibe der Schraubverbindung
nach Fig.
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1 in der Draufsicht, Fig. 4 die Unterlegscheibe nach Fig. 3, geschnitten
längs der Linie 4-4 der Fig. 3 in einer Seitenansicht, im entspannten Zustand, Fig.
5 eine Schraubverbindung mit einer Unterlegscheibe gemäß der Erfindung im axialen
Schnitt in einer Seitenansicht unter Veranschaulichung der Unterlegscheibe im zusammengepressten
Zustand, Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung des Anzugsdrehmornentes für eine Schraubverbindung
nach Fig. 1 oder 5, wie es erforderlich ist um: a) eine übliche konische Unterlegscheibe
mit rechteckiger Querschnittsfläche gegen eine Auflagefläche eines Werkstückes anzupressen
und b) um die erfindungsgemäße geschlitzte konische Unterlegscheibe gegen eine Auflagefläche
eines WerkstUckes anzupressen,
Fig. 7 ein Diagramm zur Veranschaulichung
einer erfindungsgemäßen Unterlegscheibe mit einigen bekannten Unterlegscheiben,
wobei die Belastung in kg in Ahhdngigkeit von dem Widerstandsdrehmomentbereich während
des Lösens einer Schraubverbindung verglichen werden und Fig. 8 eine Abwandlung
einer Unterlegscheibe gemäß der Erfindung im axialen Schnitt in einer Seitenansicht.
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In den Fig. 1 bis 4 ist bei 1 eine Schraubverbindung angedeutet, die
eine massive kegelstumpfförmige Unterlegscheibe 2 aus einem geeigneten Federmaterial
mit einem radialen Schlitz 4 aufweist. Der Schlitz 4 gestattet es der Unterlegscheibe,beim
Festziehen der Schraubverbindung sich etwas aufzuspreizen, um dadurch den Reibwiderstand
zwischen der Druckfläche 6 und der dieser zugewandten Oberfläche der geschlitzten
kegelstumpfförmigen Unterlegscheibe 2 zu verringern. Durch die Anordnung des Schlitzes
4 in der kegelstumpfförmigen Unterlegscheibe wird der zur Wirkung kommende Biegebereich
der Unterlegscheibe während des Lösens der Schraubverbindung um etwa 10 % vergrößert,
wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist und im einzelnen noch erläutert wird. Der
Schlitz 4 gestattet es somit, beim Lösen der Verbindung eine größere zur Wirkung
kommende Verbiegung zu erzielen als dies bisher für möglich gehalten wurde oder
erreicht worden ist. Die freien Stirnflächen 18 der Unterlegscheibe 2 sind, wie
aus Fig. 3 zu entnehmen, einander im wesentlichen parallel im Abstand gegenüberstehend
ausge' bildet. Unter gewissen Bedingungen können die Stirnflächen 8, 10 auch unmittelbar
aneinanderliegend ausgebildet sein.
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Die kegelstumpfförmige Unterlegscheibe 2 , wie sie Gegenstand der
vorliegenden Erfindung ist, besteht aus einem Kreissegment
von etwa
3800, welches aus einem Material größerer härte als die zugeordnete Schraube, Schraubenmutter
bzw. der Stehbolzen etc. hergestellt ist. Die Unterlegscheibe verfügt über eine
äußere Umfangs fläche 14 und eine innere Umfangsfläche 12, die von der oberen Ringfläche
16 und der unteren Ringfläche 18 geschnitten werden, so daß ein Trapezoid ausgebildet
wird. Die Umfangsflächen 12, 14 sind im wesentlichen parallel zueinander. Die innenliegende
Umfangsfläche 12 weist im allgemeinen eine größer axiale Höhe oder Erstreckung in
dieser Richtung als die äußere Umfangsfläche 14 auf. Die Schnittkante der inneren
Umfangsfläche 12 und der oberen Ringfläche 16 bildet einen ersten inneren Lagerteil
20, der die Druckfläche 6 eines Befestigungselementes berührtdnd hierbei eine im
wesentlichen kreisförmige minimale Berührungsfläche erzeugt.
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Die untere Ringfläche 18 schneidet die äußere Umfangsfläche 14 und
bildet hierbei einen zweiten äußeren Lagerteil 22 aus, welcher in einer im wesentlichen
kreisförmigen minimalen Berührungfläche auf der Auflage-fläche "W.S." aufliegt.
Beim Anziehen der Schraubverbindung wird somit anfänglich gleichzeitig jeweils eine
minimale Berührungsfläche zwischen der Druckfläche 6 und der Unterlegscheibe 2 sowie
zwischen der Auflagefläche "W.S." und der Unterlegscheibe 2 aufrechterhalten. Während
der letzten Umdrehung oder während eines Teiles dieser letzten Umdrehung des Schraubenbolzens
bzw. der Schraubenmutter vor der endgültigen Befestigung an der Auflagefläche "W.S."
wird die untere Ringfläche 18 langsam in enge Berührung mit der Auflagefläche "W.S.
gepresst. Da die obere Ringfläche 16 stets in einem spitzen Winkel bezüglich der
Druckfläche 6 geneigt ist, hält der innere Lagerteil 20 während der anfänglichen
und der endgültigen Befestigung der Schraubenmutter bzw. des Schraubenbolzens an
der Auflagefläche nW,S," eine minimale Berflhrungsflächo auf der Druckfläche 6 aufrecht.
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Ilierdurch wird der Reibwiderstand wesentlich herabgesetzt, womit
mehr Drehmoment und damit eine höhere Vorspannung zugelassen werden können. Außerdem
tragen der obere innere und der äußere untere Umfangsbereich 20 bzw. 22 dazu bei,
eine Einkerbung der Druckfläche 6 und der Auflagefläche AW.S." zu verhüten, so daß
die Unterlegscheibe 2 unbehinderter zusammengepresst werden kann und sich auch ungehinderter
wieder entspannen kann.
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Der innere Umfangsbereich 20bildet während des ganzen Festziehens
der Schraubvcrbindung praktisch eine minimale Ucrührungsfläche mit der Druckfläche
6 aus. Da der Querschnitt der Unterlegscheibe 2 derart gewählt ist, daß die Unterlegscheibe
in den Bercich zwischen 60 und 78 % der Nennbeanspruchung des Befestigungselementes,
d. h. der Schraubenmutter oder des Schraubenbolzens, flachgedrückt wird, führt ein
zusätzliches darüber hinausgehendes Festziehdrehmoment, das auf das Befestigungselement
ausgeübt wird, zu einer nach oben gerichteten axialen Verlagerung des die Druckfläche
6 bildenden Materiales, wodurch eine bleibende Aushöhlung erzeugt wird, die jede
Radialbewegung der Unterlegscheibe 2 verzögert. Die Ausbildung dieser Höhlung in
der Druckfläche 6 ist für die Erfindung nicht unbedingt notwendig; sie ergibt sich
nur, wenn es zweckmäßig ist, die Verbindung über 78 % der Nennbeanspruchung vorzuspannen.
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Der Zweck und die Wirkung der trapezoidförmigen Gestaltung ergeben
sich einfach aus der Darstellung nach Fig. 1. In dieser Darstellung wird ein Schraubenbolzen
gegen die Auflagefläche "W.S." angezogen, wobei die Unterlegscheibe, die sich in
Abhängigkeit der auf sie ausgeübten Druckkraft deformiert, praktisch während des
ganzen Festziehens der Schraubverbindung nicht unterstützt, d. h. freistehend gehalten
wird.
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Dadurch daß die Unterlegscheibe während des Festziehens in dieser
Stellung gehalten wird, ergibt sich eine obere innere kreisförmige minimale Berührungsfläche,
die während des Festziehens freistehend gehalten wird. Demgemäß wird praktisch das
gesamte, auf das Befestigungselement ausgeübte Festziehdrehmoment in Vorspannung
des Befestigungselementes umgesetzt. Es wird somit bei einer Unterlegscheibe mit
trapezoidförmiger Gestaltung in dem Befestigungselement pro Einheit des Festziehdrehmomentes
mehr Vorspannung erzeugt, als dies bei Unterlegscheiben rechteckiger Querschnittsgestalt
der Fall ist, wie sie üblicherweise bei solchen Schraubverbindungen Verwendung finden.
Da der äußere Lagerteil 22 eine größere Umfangsberührung mit der Auflagefläche "W.S."
hat, wird der Widerstand gegen Rückdrehen oder Lösen des Befestigungselementes wesentlich
vergrößert; Die trapezoidförmige konische Sicherungsscheibe, als was die vorliegende
Unterlegscheibe betrachtet werden kann, ist so gestaltet, daß praktisch die ganze
Belastung von dem inneren Lagerteil 20 zu dem äußeren Lagerteil 22 übertragen wird,
der am unteren äußeren Umfangs- oder Randbereich der Unterletscheibc angeordnet
ist. Der Lagerteil 22 liegt somit in einem größeren radialen Abstand als der obere
innere Lagerteil 20 von der Achse der Unterlegscheibe, womit eben der erhöhte, bereits
erwähnte Widerstand gegen Lösen des Befestigungselementes erzielt wird.
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In Fig. 2 ist die Schraubverbindung der Fig. 1 in dem Zustand veranschaulicht,
in dem sie gegen die Auflagefläche "W.S." festgezogen ist. Dte trapezoidförmige
Unterlegscheibe 2 ist so weit verformt, daß ihre untere Ringfläche 18 vollständig
auf der Auflagefläche "W.S." aufliegt und im wesentlichen parallel zu dieser verläuft.
Die obere Eckkante
20 der Unterlegscheibe 2 stützt sich gegen die
Druckfläche 6 ab und überträgt die auf sie durch die Druckfläche 6 ausge-Ubte Belastung
auf die sich auf die Auflagefläche "W.S." abstützende Eckkante 22. Die obere Ringfläche
16 der Unterlegscheibe 2 schließt einen minimalen spitzen Winkel von 1° mit der
Druckfläche 6 ein. Die Druckfläche 6 selbst liegt im allgemeinen in einer Normalebene
zur geometrischen Achse der Schraubverbindung. Der Zweck, der darin liegt, einen
spitzen Winkel zwischen der Druckfläche 6 und der oberen Ringfläche 16 der Unterlegscheibe
2 aufrechtzuerhalten, ergibt sich ohne weiteres aus Fig. 6, wo ein Diagramm gezeichnet
ist, in dem das Festziehdrehmoment über der Vorspannung aufgetragen ist, und zwar
sowohl für eine übliche geschlitzte konische Sicherungsscheibe mit rechteckiger
Querschnittsgestalt (Kurve a) als auch für die erfindungsgemäße Unterlegscheibe
(Kurve b), die eine trapezoidförmige Querschnittsgestalt aufweist. Aus Fig. 6 ist
abzulesen, daß sich im Vergleich zu einer bekannten kegelstumpfförmigen Unterlegscheibe
mit -rechteckiger Querschnittsgestalt praktisch über den gesamten Festziehbereich
eine wesentliche Verringerung des Festziehdrehmomentes ergibt.
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Diese Verringerung des Festziehdrehmomentes, wie es zur endgültigen
Feststellung eines Befestigungselementes, beispielsweise eines Schraubenbolzens
oder einer Schraubenmutter, bezüglich einer Auflagefläche erforderlich ist, ist
äußerst wichtig. Außerdem ergibt sich eine Zunahme der auf die Druckfläche 6 des
Befestigungselementes entsprechend der Kurve wb" (Fig. 6) wirkenden Kraft, wodurch
eine entsprechende Verringerung des Festziehdrehmomentes bedingt ist. In Fig. 7
ist ein Diagramm veranschaullcht, in dem die auf die Druckfläche 6 wirkende Kraft
mit der axialen Verbiegung der Unterlegscheibe während des Lösens einer Schraubverbindung
verglichen wird. Die Kurve Zxw atellt die Verbiegung, d. h.
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den wirksa>n Biegeereic)1 einer erfindungigemälen Unterleg-Scheibe
mit trapiotdf*wuLtge Querschnittsgestalt der, während
die Kurve
"y" den wirksamen Biegebereich für eine übliche massive kegelstumpfförmige Sicherungsscheibe
veranschaulicht und die Kurze "z" den Biegebereich eines üblichen geschlitzten schraubenförmigen
Sprengringes zeigt.
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Die in Fig. 4 dargestellte kegelstumpfförmige erfindungsgemäße Unterlegscheibe
weist eine Kronenhöhe 24 auf, die zwischen einem Minimalwert von 4 % und einem Maximalwert
von 10 z des Außendurchmessers 26 der Unterlegscheibe liegt.
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Wird die Unterlegscheibe zusammen mit einem Schraubenbolzen, einem
Stehbolzen oder einer Schraube, wie in Fig. 1 veranschaulicht, verwendet, so beträgt
die Kronenhöhe 24 6,5 % des Außendurchmessers 26 weniger 1/4 % pro 0,4 mm (1/64')
Unterlegscheibenwandstärke T. Zum Beispiel sei angemommen, die Stärke der Unterlegscheibe
betrage 0,8 mm. Die Kronenhöhe dieser Unterlegscheibe würde dann, wenn sie mit einem
Schraubenbolzen, einem Stehbolzen oder einer Schraube verwendet wird, 6 % des Außendurchmessers
26 betragen. Wird die kegelstumpfförmige Unterlegscheibe zusammen mit einer Schraubenmutter
verwendet, wie dies in Fig, 5 veranschaulicht ist, so beträgt die Kronenhöhe 24
6,5 % des Außendurchmessers 26 weniger 1/2 % für jede 0,4 mm (1/64') Unterlegscheibenwandstärke
T. Durch Verwendung einer kegelstumpfförmigen Unterlegscheibe mit trapezoidförmiger
Querschnittsgestalt, bei der die innere Umfangsfläche 12 eine größere axiale Höhe
als die äußere Umfangsfläche 14 aufweist, lassen sich somit die folgenden Vorteile
erzielen: 1. Die Lastverteilung ist ausgezeichnet, weil die Last durch die Unterlegscheibe
über einen. großen Flächenbereich der Arbeitsfläche verteilt wird, 2. es ergibt
sich eine gute Drehmomenthaltung, 3. es sind keine drehmomentverzehrenden Zähne
weder an der die Arbeitsfläche brtihrenden Fläche der Unterlegscheibe nooh
an
der Druckfläche des Befestigungselementes berührenden Fläche der Unterlegscheibe
vorhanden, 4. sowohl die Belastungscharakteristik wie auch die Lösecharakteristik
weisen einen sehr günstigen Verlauf auf, wobei die erfindungsgemäße, geschlitzte
kegelstumpfförmige Unterlegscheibe über die beste Lösecharakteristik aller bisher
bekannten vergleichbaren Elemente verfügt und 5. der Widerstand gegen Rüttelbewegungen
und Vibrationen ausgezeichnet ist.
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Fig. 8 veranschaulicht eine kegelstumpfförmige Unterlegscheibe 2 mit
einer keilsteinförmigen Querschnittsgestalt.
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Bei dieser Ausführungsform konvergieren die obere und die untere Ringfläche
16, 18 von der inneren Umfangsfläche 12 ausgehend, radial nach außen mit konstanter
Neigung. Die beiden Flächen 16, 18 sind bezüglich einer senkrecht oder normal zur
inneren Umfangfläche 12 verlaufenden Ebene um einen spitzen Winkel von mindestens
1/20 geneigt. Die innere Umfangsfläche 12 und die äußere Umfangsfläche 14 verlaufen
im wesentlichen parallel zueinander, wobei die innere Umfangsfläche 12 eine größere
axiale Höhe als die äußere Umfangsfläche 14 aufweist.
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Die beschriebene Unterlegscheibe ist derart ausgelegt, daß sie in
einem Bereich von 60 bis 78 % der elastischen Nennbeanspruchung des Befestigungselementes
flachgedrückt wird, so daß das Befestigungselement weiter ausnutzbar ist als die
im Augenblick auf dem Markt befindlichen Befestigungselemente.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind selbstverständlich einer
Reihe von Abwandlungen fähig; sie sollen keine Beschränkung des Erfindungigedankens
bedeuten.