DE2610747C3 - Sperrzahnschraubelement - Google Patents

Description

/Im· = 2,3 As

lh

I) I)₁

■ lan phi,

wobei

As der Spannungsquerschnitt,

D der Zahnkranzaußendurchmesser,

D\ der Zahnkranzinnendurchmesser,

di Gewindeflankendurchmesser und

phi der Gewindesteigungswinkel

ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet.

2. Sperrzahnschraubelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die sägezahnförmigen Vorsprünge (15) in an sich bekannter Weise abgeflacht sind.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sperrzahnschraubelement, wie Kopfschraube bzw. Mutter, das an einer gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter einen Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung erstreckender, sägezahnförmiger Vorsprünge aufweist, die beim Anziehen des Schraubelementes sich in Abhängigkeit von dessen axialer Spannung der wirksam werdenden Auflageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eindrücken, bis die beim Eindrücken größer werdenden Auflageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teilbereiche der in Anzugsdrehrichtung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame Auflagefläche des Schraubelementes bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter verlaufen und mit ihrem in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes bilden.

Bei bekannten Sperrzahnschraubelementen dieser Art sind die gegen das Losdrehmoment wirkenden rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge, wie nunmehr erkannt, unnötig groß ausgebildet. Bei einem durch Norm oder durch Erfahrung der Praxis vorgegebenen Auflagedurchmesser ist die Größe der wirksamen Ringschulter des Schraubelementes vorbestimmt. Die auch hier durch sägezahnförmige Vorsprünge zu verwirklichenden Sperrflächengrößen sind somit durch die Anzahl der Zähne und die Zahntiefe bestimmt Eine über das Erforderliche hinaus gehende Zähnezahl oder zu große Zahntiefe führt selbständig, krasser noch in Verbindung, zu unnötig steilen Zahnwinkeln, d. h. zu einem spitzen Zahnprofil. Die nach dem Anziehen, zusätzlich zur Vorspannkraft zur Wirkung kommende Betriebskraft ändert das sich vorher eingestellte Gleichgewicht zwischen Vorspannkraft und Flächenpressung der verspannten Teile. Die unter Betriebslast sich einstellende Schraubenkraft bildet eine neue, größere Auflagefläche durch sogenanntes Setzen. Die Größe der Setzbeträge, eine konstante Differenz zwischen Vorspann- und Schraubenkraft vorausgesetzt, wird durch die pro Setzeinheit erreichbare Auflagenvergrößerung bestimmt, d. h. bei spitzem Zahnprofil größerer Setzbetrag, bei flachem Zahnprofil geringerer Setzbetrag mit der Größe der Setzoeträge entsprechendem Klemmkraftverlust. Dieser bei bekannten Sperrzahnschraubelementen verhältnismäßig große Setzbetrag ist bei schwingender Belastung als Amplitude anzusehen, so daß in verhältnismäßig kurzer Zeit der Dauerbruch eintritt.

Um dieses zu verhindern, sind daher schon an den Ringschultern der Sperrzahnschraubelemente zusätzliche glatte Anlageflächen vorgesehen worden, die nach dem Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge in das Bauteil gegen die Oberfläche des Bauteiles zur Anlage kommen. Bei diesen Sperrzahnschraubelementen müssen jedoch die sägezahnförmigen Vorsprünge und die Lage und Gestalt der glatten Anlagefläche der Festigkaitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil angepaßt werden, da sonst bei einer zu großen Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil die gegen die rückwärtigen Flächen der rippenförmigen Vorsprünge zur Anlage kommenden Teile des Bauteiles nicht mehr groß genug sind, um das innere Losdrehmoment ohne Verformung aufzunehmen, während bei einer zu kleinen Festigkeitsdifferenz zwischen dem Schraubelement und dem Bauteil die glatte Anlagefläche überhaupt nicht zur Anlage kommt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sperrzahnschraubelement der eingangs erläuterten Art zu schaffen, bei dem die axiale Schraubenkraft und das Losdrehmoment allein von den sägezahnförmigen Vorsprüngen übertragen wird, wobei die Größe des Setzbetrages so gering wie möglich ist und das innere Losdrehmoment des Schraubelementes von den mit den rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge zusammenwirkenden Teilen des Bauteiles ohne Verformung desselben aufgenommen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gesamtsperrfläche /Wsich berechnet nach der Formel

lh I) - D₁

• lan phi ,

wobei

As der Spannungsquerschnitt,

D der Zahnkranzaußendurchmesser,

D\ der Zahnkranzinnendurchmesser,

<h der Gewindeflankendurchmesser und

phi der Gewindesteigungswinkel

ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet

Es wird dabei ausgegangen von der Erkenntnis, daß gleich gnße Schraubenkräfte bei gleicher Schraubelementgeometrie ein der Schraubenkraft proportionales, berechenbares Losdrehmoment erzeugen und sowohl die Auflagefiächen als auch die Sperrflächen einer dem Tragvermögen der verspannten Teile (Grenzflächenpressung) angepaßte Größe benötigen. Nach der Erfindung ausgelegte Schraubelemente haben in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine Auflagengröße vom 2,3fachen des Spannungsquerschnittes und eine entsprechend große, dem inneren Losdrehmoment angepaßte Sperrfläche. Die Mindestfestigkeit der verspannten Teile kann somit bis zum 1 :2,3fachen unter der Festigkeit des Schraubelementes liegen, ohne daß die Grenzflächenpressung überschritten wird. Bei im Rahmen dieser Grenzen liegenden Festigkeitsdifferenzen senkt sich die sägezahnförmige Auflage unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der Verzahnungsebene des Last-Widerstandgleichgewichtes die der Grenzflächenpressung entsprechende Auflage- und Sperrflächengröße einstellt. Die in dieser Weise hergestellten Sperrsahnschraubelemente benötigen für die gleiche Verspannkraft ein geringeres Anziehdrehmoment, weisen einen geringeren Setzbetrag auf, so daß der Vorspannkraftverlust geringer wird, und die Dauerhaltbarkeit sich erhöht. Weiterhin wird eine stabilere Zahnform erzielt, da die sägezahnförmigen Vorsprünge einen flachen Rückenwinkel aufweisen.

Diese Erkenntnisse verbinden erstmalig Anforderungen an die Größe der Auflagefiächen unter Ausnutzung der bewährten Relationen von genormten Sechskantschrauben mit der bisher unabhängig davon behandelten Gestaltung der Zahnform <im die sichere Aufnahme des nur durch das Gewinde bestimmten inneren Losdrehmoments sicher zu verwirklichen. Durch diese bisher unbekannte wechselseitige Bestimmung und Optimierung auf die unterschiedlichen Aufgaben der Sperrzahnschrauben gerichtete Gewährleistung der erforderlichen Vorspannkraft, der ausreichenden Auflagefläche auf den verspannten Teilen, der geringsten Setzbeträge und der sicheren Aufnahme des inneren Losdrehmomentes wird in Auswertung der genormten Abmessungen die kleinstmögliche, trotzdem höher als bisher wirksame Sperrzahnschraube entwickelt.

Die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes beträgt mindestens das 1,4fache und vorzugsweise das 2,3fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes. Sperrzahnschraubelemente müssen aus einem Material gefertigt sein, dessen Oberflächenfestigkeit um mindestens 30% größer ist als die Oberflächenfestigkeit des Bauteiles, damit die sägezahnförmigen Vorsprünge sich in das Bauteil einarbeiten und nicht von dem Bauteil eingeebnet werden. Daraus ergibt sich, daß die Flächengröuc des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes mindestens das l,4fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes betragen muß. Dies bedingt jedoch, daß für jedes Bauteil besondere Schraubelemente entsprechend der 30%igen Festigkeitsdifferenz erforderlich wären. Zur Anpassung an die üblichen Gewinde- und Schraubennormen ist es daher vorteilhaft, die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes um das 2,3fache größer auszubilden als der Spannungsquerschnitt des Schraubelementes. Die Festigkeit des Schraubelementes kann somit um mehr als 30% größer sein als die Festigkeit des Bauteiles. -,

Die erforderlichen Sperrflächen sind gegenüber den erforderlichen Auflageflächen relativ klein. Um die bei dünnen Flächen wie auch bei weichen Werkstoffen, bei Spitzzähnen erforderlichen und sich selbständig einstellenden großen Setzbeträgen ohne Veränderung der Gesamtwirkung zu verringern, ist es deshalb vorteilhaft, den oberen Teil des Spitzzahnes in an sich bekannter Weise abzuflachen, so daß der Zahnrücken direkt mit einer ebenen Fläche zur Anlage kommt und der über dieser ebenen Fläche liegende Zahn und damit der entsprechende Setzbetrag entfallen. Die Größe einer solchen Abflachung ergibt sich aus dem mindestens erforderlichen Setzbetrag zum Erzeugen einer ausreichend großen Sperrfläche.

In der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Sperrzahnschraube in Seitenansicht, teilweise weggebrochen und vergrößertem Maßstab,

Fig. 2 eine Ansicht gegen die Unterseite des Kopfes gesehen,

F i g. 3 ein Profil der sägezahnförmigen Vorsprünge am äußeren Rand des Bundes und

Fig.4 ein anderes Profil der sägezahnförmigen Vorsprünge am äußeren Rand des Bundes.

In der Zeichnung ist eine Kopfschraube M 10 im vergrößerten Maßstab dargestellt. Der Gewindebolzen 10 weist dabei einen Nenndurchmesser von d = 10 mm auf. Der Gewindebolzen 10 weist an seinem einen Ende einen Sechskant-Kopf 11 auf. Die dem nicht näher dargestellten Bauteil zugekehrte Seite des Kopfes 11 ist dabei mit einem Bund 12 verbreitert. An der gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter 13 ist ein Kranz 14 mit im wesentlichen quer zur Drehrichtung verlaufender sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 vorgesehen. Beim Anziehen der Kopfschraube drücken diese sich in Abhängigkeit von dessen axialer Schraubenkraft, der wirksam werdenden Anlageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen der Kopfschraube und dem Bauteil in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles ein, bis die beim Eindrücken größer werdenden Anlageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teile der schwach geneigt zur Ringschulter 13 und in Anzugsdrehrichtung ansteigend verlaufenden Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 die in Spannrichtung wirksame Anlagefläche der Kopfschraube biiden. Die rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter 13 und bilden mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes.

Wie insbesondere aus der F i g. 2 ersichtlich, verlaufen die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 beim dargestell-

ten Ausffjhrungsbeispiel schwach bogenförmig und unter einen Winkel von 25° zur radialen Ebene. Natürlich können die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 auch geradlinig und genau radial verlaufen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Zahnrükkenwinkel 7°, und zwar annähernd über die gesamte Länge eines jeden s-ägezahnförmigen Vorsprunges 15, so daß die Zahntiefe am äußeren Rand größer ist als am Innendurchmesser des Zahnkranzes 14.

Sperrzahnschraubelemente müssen eine um 30% größere Festigkeit aufweisen als das zu verspannende Baute'l. Dadurch ist gewährleistet, daß beim Ansiehen des Sperrzahnschraubelementes die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich in das Bauteil eindrücken und nicht das Bauteil die sägezahnförmigen Vorsprünee 15 einebnet. Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes muß somit mindestens das l,4fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes betragen. Bei Muttern und Kopfschrauben mit glatter Auflagefläche beträgt die Anlagefläche das l,65fache des Spannungsquerschnittes As. Dies ist erforderlich, damit die Schraubelemente einen größeren Bereich Festigkeitsdifferenzen zwischen Schraubelement und Bauteil erfassen können. Damit die erfindungsgemäßen Sperrzahnschraubelemente in etwa einen gleichen Bereich erfassen können, wird der Faktor 1,65 ebenfalls benutzt. Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes beträgt somit vorzugsweise das 2,3fache des Spannungsquerschnitts des Schraubelementes. Bei der dargestellten Kopfschraube M 10 beträgt der Spannungsquerschnitt As, entsprechend den Normblättern, 58 mm². Entsprechend dem Faktor 2,3 beträgt die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15/U = 132 mm².

Damit der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 immer vollständig gegen d^:e Oberfläche des Bauteiles zur Anlage kommt, weist der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 einen sich aus dem maximalen genormten Lochdurchmesser und der Differenz zwischen dem maximalen genormten Lochdurchmesser und dem Nenndurchmesser des Gewindes sich ergebenden Inndendurchmesser D1 auf. Bei der dargestellten M 10-Schraube beträgt der Durchmesser des maximalen genormten Durchgangsloches 11 mm. Der Zahnkranzinnendurchmesser Di beträgt somit 12 mm. Aus der Fläche des Zahnkranzes 14 und dem Innendurchmesser des Zahnkranzes ergibt sich der Außendurchmesser des Zahnkranzes 14 mit der Größe von 19 mm.

Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 ist dabei derart ausgebildet, daß die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich bis zum Zahngrund in das Bauteil einarbeiten, sofern die Festigkeit des Schraubelementes um das 23fache größer ist, als die Festigkeit des Bauteiles. Falls die Festigkeitsdifferenz geringer ist, arbeiten sich die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 entsprechend der vorgegebenen Schraubenkraft weniger tief in das Bauteil ein, so daß von den Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 nur Teile zur Anlage kommen. Sofern die Festigkeit des Schraubelementes gegenüber der Festigkeit des Bauteiles größer ist als das 23fache, dann ist ein Schraubelement geringerer Güte zu nehmen.

Beim Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge

15 in die Oberfläche des Bauteiles werden, wie bereit: erwähnt, unterschiedlich große Teile der Seitenflächer

16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 als Anlagefiächen wirksam. Das Eindringen ist dabei abhängig vor der axialen Schraubenkraft, der wirksam werdender Anlageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischer Schraubelement und Bauteil. Das Einarbeiten erfolgi dabei so lange, bis die beim Eindrücken größei werdenden Anlageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen. Je größer die Teile dei Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge Ii als Anlageflächen werden, um so größer werden aucr die Teile der rückwärtigen Seitenflächen 17 dei sägezahnförmigen Vorsprünge 15, die zur Aufnahm« des inneren Losdrehmomentes vorgesehen sind. Erfin dungsgemäß weisen die rückwärtigen Seitenflächen 1/ der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 lediglich ein« solche Gesamtgröße auf, daß die beim Eindringen dei sägezahnförmigen Vorsprünge 15 in das Bauteil ah Sperrflächen wirksam werdenden Teile der rückwärti gen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprung* 15 auf die entsprechenden Gegenflächen des Bauteile: durch das innere Losdrehmoment eine solchen Flächen pressung ausüben, die die Festigkeit des Bauteiles s< weit wie möglich ausnutzend von den Gegenflächei ohne Verformung aufgenommen werden.

Nach PaI and lassen sich die »Inneren-Losdrehmo mente« berechnen. Seine Veröffentlichung »Sicherhei der Schrauben-Muttern-Verbindung bei dynamische Axialbeanspruchung« mündet für das größte »Innere Losdrehmoment« in der Formel

M₁ = - Fs

² · tan phi

für das Sicherungsmoment in der Formel
M_s, — Fs " ,² ' tan phi .

Die das innere Losdrehmoment bzw. Sicherungsmo ment bestimmende Schraubenkraft F_s ist eine von Spannungsquerschnitt des Gewindes As und von dei Schraubenstreckgrenze (Schraubengüte) abhängig« Größe, der nach den vorangestellten Erläuterungen ein« — die mögliche Festigkeitsdifferenz zwischen Schraub element und verspannten Bauteil berücksichtigende Auflagefläche von Ak — 2,3 As zugeordnet ist Ersetz man Fsdurch die ihr adäquate Flächengröße 2ß /4sführ die bisherige Sicherungsmomentenformel zu dem gegen das Losdrehmoment zu richtenden — Wider Standsmoment.

M₁₁ = 2,3 As

lan phi .

Nach dem Einsetzen der Hebellänge über die diese: Widerstandsmoment wirken kann, kommt man zu de Formel für die erforderliche Sperrflächengröße.

A_sl. = 2,3 As ■ -=r ²~=- ■ tan phi.

U-U₁

As ist der Spannungsquerschnitt, D der Zahnkranzaußendurchmesser, D\ der Zahnkranzinnendurchmesser
di der Gewindeflankendurchmesser und phi der GewindesteigungswinkeL

Bei der dargestellten M 10-Schraube beträgt dii Größe der maximal erforderlichen Sperrflächi

12,8 mm². Da die Länge der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Zahnkranzes 14 festliegt, und bei der dargestellten M 10-Schraube 2,5 mm beträgt, ergibt sich für sämtliche sägeiühnförmigen Vorsprünge ■> 15 eine Gesamthöhe von 5,12 mm. Die Anzahl der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 kann nun frei gewählt werden. Die Anzahl der Zähne sollte jedoch möglichst groß sein, da durch die Vergrößerung der Anzahl der Zähne der Setzbetrag und damit der Vorspannkraftver- ι ο lust verringert wird. Wie bereits erläutert, bildet der Setzbetrag die Amplitude für schwingende Belastungen. Diese Amplitude sollte so klein wie möglich gehalten werden, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen. Die Zahnhöhe sollte jedoch auch den Wert von 0,1 mm nicht unterschreiten, da solche Zähne mit den üblichen Fertigungsmethoden noch unwirtschaftlich gefertigt werden können. Bei der dargestellten M 10-Schraube wurde die Anzahl der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 mit 52 gewählt Die Höhe des einzelnen Zahnes beträgt dabei 0,1 mm. Der Zahnrückenwinkel beträgt am Außendurchmesser des Zahnkranzes 7°. Diese geringe Zahnrückenneigung gewährleistet für die Spitze der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 die erforderliche Festigkeit Durch die geringe Zahnrückenneigung ist zur Erzielung der vorgegebenen Schraubenkraft des Schraubelementes ein geringes Anziehdrehmoment erforderlich, da das Anziehdrehmoment mit dem Größerwerden des Winkels der Zahnrückenneigung ansteigt.

Die erforderlichen Sperrflächen sind gegenüber den erforderlichen Auflageflächen relativ klein. Um die bei dünnen Blechen wie auch bei weichen Werkstoffen bei Spitzzähnen erforderlichen und sich selbständig einstellenden großen Setzbeträge ohne Veränderung der Gesamtwirkung zu verringern, kann der obere Teil des Spitzzahnes 15, wie aus der F i g. 4 ersichtlich, abgeflacht werden, so daß der Zahnrücken 16 direkt mit einer ebenen Fläche 18 zur Anlage kommt und der über dieser ebenen Fläche liegende Zahnteil und damit der entsprechende Setzbetrag entfallen. Die Größe einer solchen Abflachung ergibt sich aus dem mindest erforderlichen Setzbetrag zum Erzeugen einer ausreichend großen Sperrfläche.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

Patentansprüche:

1. Sperrzahnschraubelement, wie Kopfschraube bzw. Mutter, das an einer gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter einen Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung erstreckender sägezahnförmiger Vorsprünge aufweist, die beim Anziehen des Schraubelementes sich in Abhängigkeit von dessen axialer Spannung, der wirksam werdenden Auflageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eindrücken, bis die beim Eindrücken größer werdenden Auflageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teilbereiche der in Anzugsdrehrichtung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame Auflagefläche des Schraubelerr.entes bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter verlaufen und mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtsperrfläche /4s/>sich berechnet nach der Formel