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Selbstsicherndes Schraubelement (2. Zusatzanmeldung zu der Hauptanmeldung
P 20 42 680.6) Die Erfindung betrifft ein selbstsicherndes Schraubelement mit einer
zu seiner Längsachse unsymmetrisch angeordneten Auflagefläche, die an der Unterseite
eines Ringflansches vorgesehen ist. Unter derartigen Schraubelementen werden beispielsweise
Kopfschrauben, Mutten, Sondergewindeteile und dgl. verstanden.
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Die in dem Patent ......oo..... (Az. P 20 42 680.6) niedergelegte
Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß die Au9-lagerfläche ein einziges ausgeprägtes
Maximum zur Erzielung eines örtlich besonders großen Einzelreibmomentes aufweist,
Damit wird ein exzentrischer Momentenansatz an dem Schraubelement erreicht, der
das Losdrehmoment im Vergleich zum Anzugsdrehmoment erhöht. Hierdurch entsteht die
Sicherungswirkung. Die Maximierung des örtlichen Einzelreibmomentes über dem Umfang
kann damit einerseits durch die Größenverteilung der Fläche und andererseits die
abstandsmäßige Anordnung zur rngsachse des Schraubelementes beeinflußt werden.
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Die Ausbildung hochwtk.samer selbstsichernder Schraubelemente ist
äußerst kompliziert, weil eine ganze Reihe von Einflußfaktoren, wie Vorspannungsabfall,
Temperatureinfluß, Einfluß von Schmiermitteln, Oberflächenhärte, Oberflächenverletzung,
Dauerfestigkeit, Wiederverwendbarkeit und dgl., Berücksichtigung finden müssen.
Für verschiedene Anwendungsfälle können die Einflußfaktoren durchaus unterschiedliches
Gewicht bekommen, so daß unterschiedliche Lösungen entstehen.
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Eine selbstsichernde Schraube, die allen spezifischen Anwendungsfällen
und sämtlichen vorkommenden Belastungen gerecht wird, ist schlechthin unmöglich.
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Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, bei einem selbstsichernden
Schraubelement der eingangs beschriebenen Art den Sicherungseffekt bei Beanspruchungen
zu erhöhen, die eine Querbelastungskomponente aufweisen, Von besonderem Einfluß
ist hier eine Dauerbelastung unter einer gleichbleibenden oder sich ändernden Schwingung.
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Auf jeden Fall muß eine Zerstörung des Werkstückes durch das Schraubelement
ausgeschlossen sein. Beeinträchtigungen der Werkstücksoberfläche können und müssen
bis zu einem gewissen Grade in Kauf genommen werden.
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Das Patent ...o........ (Az P 20 42 680.6) beinhaltet bereits den
Gedanken, ein selbstsicherndes Schraubelement durch exzentrischen Kraftangriff gegen
ein Losdrehen zu sichern. Die vorliegende Erfindung betrifft eine Weiterbildung.
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Das selbstsichernde Schraubelement kennzeichnet sich erfindungsgemäß
dadurch, daß die unsymmetrisch angeordnete Auflage fläche in einem Winkel zur Normalebene
der Längsachse des Schraubelementes schrägstehend angeordnet ist. Durch diese Schrägstellung
wird erreicht, daß sich die Auflagefläche des Schraubelementes beim Anziehen zuerst
auf eine
Seite bzw. in einem bestimmten Bereich. des Umfanges auf
die Werkstückoberfläche aufsetzt. Beim weiteren Anziehen des Schraubelementes vergrößern
sich die Bereiche, in denen eine Anlage stattfindet. Durch die Schrägstellung werden
im Bereich der Anlagefläche unterschiedliche Flächenpressungen erreicht, wodurch
auch ein nicht konstanter Momentenverlauf über den Umfang erfolgt. Hierdurch ist
sichergestellt, daß ein einziges, örtlich besonders großes Einzelreibmoment exzentrisch
zur VerfUgung steht, welches für die Sicherungswirkung verantwortlich ist. Die Schrägstellung
ist damit in Verbindung mit der unsymmetrisch angeordneten Auflagefläche zu verstehen.
Es versteht sich, daß auch die Schrägstellung selbst als eine unsymmetrische Anordnung
angesehen werden kann, so daß bei Nichtbeachtung der Schrägstellung eine an sich
symmetrisch ausgebildete Auflage fläche vom Erfindungsgedanken mit eingeschlossen
wird.
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Eine besonders gute Sicherungswirkung wird dann erdreich; wenn die
schrägstehende Auflage fläche an der Stelle, die beim Anziehen zuerst zur Anlage
am Werkstück kommt, das ausgeprägte Maximum zur Erzielung des örtlich besonders
großen Einzelreibmomentes aufweist. Bei dieser Ausbildungsform kommt zuerst ein
relativ großer Flächenteil zur Anlage, während der weitere Anziehvorgang das Hinzutreten
relativ kleinerer Flächenteile verursacht. Durch diese Maßnahme läßt sich das bereits
ausgeprägte Maximum gegenüber den sonstigen Einzelreibmomenten auf dem Umfang nochmals
sprunghaft erhöhen.
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In einer weiteren Ausbildungsform ist es möglich, daß die Auflagefläche
zusätzlich eingezogen ausgebildet ist. Unter einer solchen Einziehung wird eine
- im Querschnitt über den Radius der Auflagefläche betrachtet - schräge Anordnung
der Auflagefläche verstanden0 Die Einziehung an sich kann beispielsweise symmetrisch
ausgebildet sein und
im übrigen die Gestalt eines Kegelstumpfes
aufweisen, der von außen nach innen beim Anzugsvorgang des Schraubelementes zur
Anlage kommt0 Es versteht sich, daß die Einziehung auch durch eine gewölbte Fläche
realisiert werden kann.
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Von besonderem Einfluß ist der Winkel der Schrägstellung der Auflagefläche.
Dieser beträgt etwa 15 bis 30 , vorzugsweise 20'. Ermittlungen der Anmelderin haben
ergeben, daß ein Maximum der Sicherungswirkung dann zu erzielen ist, wenn bei querbeanspruchten
Schrauben der Winkel der Schrägstellung etwa 20' beträgt. Dieser Winkel kann in
Abhängigkeit von der Duktilität und der Elastizität des Werkstoffs des Schraubelementes
und/oder des Werkstoffes des zu verspannenden Werkstückes variieren.
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Es versteht sich, daß die beschriebene Auflagefläche entweder allein
oder in Verbindung mit weiteren Auflageflächen an einem Schraubelement angeordnet
sein kann. In einer Ausführungsform ist deshalb eine weitere Auflagefläche vorgesehen,
die gegenüber der ersten Auflagefläche entgegengesetzt zur Anzugs richtung des Schraubelementes
axial versetzt angeordnet ist. Auch durch diese axiale Versetzung wird auf den Verlauf
des Einzelreibmomentes über den Umfang des Schraubelementes Einfluß genommen.
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Der Erfindungsgedanke, der verschiedene Ausführungsformen und Anwendungen
an den verschiedensten Schraube3ementen zuläßt, ist in den beiliegenden Zeichnungen
an bevorzugten Ausführungsbeispielen erläutert, und zwar zeigen: Fig. 1 die Ansicht
einer Kopfschraube, teilweise geschnitten, mit einer exzentrischen Auflagefläche,
Fig. 2 eine Draufsicht auf die Unterseite des Schraubenkopfes gemäß Fig. 1,
Fig.
3 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, jedoch mit schräggestellter, exzentrischer
Auflagefläche, Fig. 4 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 1, Jedoch mit exzentrischer,
symmetrisch eingezogener Auflage fläche, Fig. 5 eine ähnliche Darstellung einer
Kopfschraube wie Fig. 1, jedoch mit exzentrischer, eingezogener und schräggestellter
Auflage fläche und Fig. 6 - 8 Diagramme zum Verlauf des prozentualen Vorspannungsabfalles
über der Lastwechselzahl bei Kopfschrauben mit verschiedener Schwingungsamplitude
und verschiedenen Winkeln-der Schrägstellung der Auflagefläche.
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In Fig. 1 ist im wesentlichen der Schraubenkopf 1 einer Kopfschraube
dargestellt. Diese besitzt in an sich üblicher Weise einen Ringflansch 2 und einen
Schraubenschaft 3, der mit entsprechendem Gewinde versehen ist. Auf der Unterseite
weist der Ringflansch 2 eine unsymmetrisch zur Längsachse der Schraube angeordnete
Auflagefläche 4 auf.
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Es ist eine weitere Auflagefläche 5 vorgesehen, die symmetrisch zur
Längsachse der Schraube ausgebildet sein kann und gegenüber der Auflagefläche 4
rückversetzt ist.
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Die Auflagefläche 5 kann aber auch ganz fehlen0 Im gezeigten Ausführungsbeispiel
erstreckt sich zwischen den Auflageflächen 4 und 5 die wechselnden Querschnitt aufweisende
Ringnut 6.
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Die Auflage fläche 4 der in Fig. 1 dargestellten Kopfschraube ist
in der Normalebene zu der Längsachse der Schraube angeordnet. Die Normalebene steht
senkrecht auf der Längsachse.
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In Fig. 2 ist eine Draufsicht auf die Unterseite der Kopfschraube
gemäß Fig. 1 dargestellte Hieraus ist ersichtlich, daß an einer Stelle - über den
Umfang gesehen -die Fläche der Auflagefläche 4 ein Maximum aufweist. Durch diese
Flächengestaltung wird auch das örtliche Einzelreibmoment an der Stelle maximal
ausgebildet. Damit wird die Schraube exzentrisch festgehalten, wenn sie sich in
entsprechend angezogener Stellung befindet. Diese Sicherungswirkung ist besonders
gegen solche Belastungen wirksam, die eine Querkraftkomponente aufweisen.
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Die Figuren 1 und 2 stellen die Gegenstände früherer Anmeldungen dar.
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In Fig. 3 ist der Schraubenkopf einer Kopfschraube dargestellt, die
ebenso wie das Beispiel gemäß Figuren 1 und 2 eine exzentrisch angeordnete Auflageflgehe
4 aufweist, die Jedoch zusätzlich nooh um den Winkel schräggestellt ist. Unter einer
solchen Schrägstellung wird eine Verschwenkung der Auflage fläche 4 aus der Normalebene
heraus verstanden.
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Fig. 4 zeigt weiterhin eine Kopfschraube mit einer exzentrischen Auflage
fläche 4, die Jedoch nicht schräggestellt, sondern lediglich eingezogen ausgebildet
ist. Unter einer solchen Einziehung kann beispielsweise eine Anordnung verstanden
werden, bei der die Auflagefläche 4 kegelstumpfförmig ausgebildet ist, wobei die
Achse des Kegelstumpfs mit der Längsachse der Schraube zusammenfällt. Die Einziehung
kann auch so ausgebildet sein, daß die Auflagefläche 4 nicht als Ebene, sondern
als gekrümmte Fläche erscheint. Auch die Drehachse der Einziehung kann außerhalb
der Achse des Schraubelementes angeordnet sein. In gewissem Sinne wird auch eine
solche Einziehung als Schrägstellung anzusprechen sein, wenn die Schraube einmal
über
den Durchmesser und zum anderen über den Radius betrachtet
wird0 Fig. 5 zeigt schließlich einen Schraubenkopf einer Schraube, bei dem die exzentrisch
ausgebildete Auflagefläche 4 zusätzlich eingezogen und darüber hinaus noch schräggestellt
ist0 In den Figuren 6 bis 8 sind Diagramme der dimensionslosen Vorspannkraft über
der Lastwechselzahl aufgetragen. Es wurden Schrauben der angegebenen Größe unter
einer schwingenden Querbelastung untersucht. Der Winkel der Schrägstellung der exzentrischen
Auflagefläche 4 wurde, wie angegeben, varriiert. Dabei konnte die Anmelderin in
überraschender Weise feststellen, daß sich eine Schrägstellung von etwa 20' besonders
günstig auswirkt, Bei diesem angegebenen Winkel ist ein Maximum zu verzeichnen,
in dem die Vorspannkraft unter Lastwechsel besonders wenig abfällt. Daher ist bei
einer derartigen Ausgestaltung eine erhöhte Sicherungswirkung gegeben.
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Zur Offenbarung im einzelnen wird ausdrücklich auf die Figuren 6 bis
8 hingewiesen.