DE2613192C2

DE2613192C2 - Schraubensicherung

Info

Publication number: DE2613192C2
Application number: DE19762613192
Authority: DE
Inventors: Des Erfinders Auf Nennung Verzicht
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1976-03-27
Filing date: 1976-03-27
Publication date: 1984-02-02
Also published as: DE2613192A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubensicherung für eine aus Schraubenbolzen und Mutter bestehende Befestigungseinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Aus FR-PS 14 65 585 ist eine Mutter mit einem als Verlängerung ausgebildeten Sicherungsring bekannt, dessen Höhe nicht größer als der Durchmesser des Gewindes ist und der auch infolge äußerer Schlüsselangriffsflächen steif ist. Beim Anziehen der Mutter wird der Übergangsbereich zwischen Sicherungsring und Mutter verformt, um einen stärkeren Eingriff der unteren Gewindegänge in das Gewinde des Bolzens zu bewirken. Nachteilig ist, daß ein zu starker Eingriff zu einer Beschädigung der Gewinde führen kann, eine bestimmte Vorspannung nur schwer zu erzeugen ist und eine Spannungskonzentration an den unteren Gewindegängen entsteht.

Ferner sind aus FR-PS 8 31 841 und FR-PS 12 57 688 Muttern bekannt, die von einem mantelförmigen, steifen Sicherungsring umgeben sind, der oben mit der Mutter verbunden ist. Auch hier soll eine Verformung des Übergangs einen festeren Gewindeeingriff bewirken. Diese Muttern besitzen den weiteren Nachteil, daß sie nur schwierig herzustellen sind.

In US-PS 24 76 56! ist ein Sicherungsring mit nach außen gewölbten Mantelflächen und abgeschrägten Kopf- und Bodenflächen beschrieben, die beim Anziehen der Schraube so weit zusammengedrückt werden, bis sich die schrägen Flächen in paralleler Stellung befinden. Dieser Sicherungsring ist unbefriedigend, da die Federkonstante der gewölbten Mantelfläche nicht linear ist und daher eine erwünschte Unabhängigkeit der Vorspannung im Bolzen vom Anziehdrehmoment nicht möglich ist.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Schraubensicherung zu schaffen, die eine im w esentlichen konstante Vorbelastung der Verbindung unabhängig vom Anziehdrehmoment gewährleistet, und die ferner infolge ungleichmäßiger Belastungsverteilung auftretende Ermüdungserscheinungen, insbesondere des Schraubenbolzens, ausgleicht oder absciiwächt

ίο Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst Zweckmäßige Ausgestaltungen sind Gegenstand der

Ansprüche 2 bis 6.

Wenn zwei Teile mit einem Bolzen verbunden werden, wirkt während des Zusammenbaus eine Voroder Anfangsbelastung, nämlich eine anfängliche Spannung des Bolzens, in dem aus Bolzen und Mutter bestehenden Befestigungssystem. Unter der Wirkung dieser Belastung verlängert sich der Bolzen, und die durch Bolzen verbundenen Teile werden zusammengedrückt, also verkürzt. Falls eine äuBere oder Arbeitsbelastung an der Bolzenverbindung angreift, verlängert sich der Bolzen weiter, und diese zusätzliche Auslängung ermöglicht eine gewisse Rückbildung der durch Bolzen verbundenen Teile und einen Abfall in der an diesen angreifenden Vorbelastung. Die sich ergebende Bolzenlast ist demnach die Summe der verringerten Vorbelastung und der Arbeitslast und ergibt eine Gesamtlast, die um eine zusätzliche Last höher als die ursprüngliche Anfangslast ist. Diese zusätzliche Last nimmt ab bei Erhöhung der Elastizität von Bolzen und Mutter oder mit größerer Starrheit der durch Bolzen verbundenen Teile. Falls die äußere Belastung schwankt, schwankt auch die zusätzliche Last. Diese Änderungen in der zusätzlichen Last sind die Ursache für die meisten Bolzenbrüche oder dergleichen.

Untersuchungen der Ermüdungsvorgänge haben gezeigt, daß Bolzen, die bis zu 80% ihrer Streckgrenze vorbelastet sind, unter gleichen Belastungsbedingungen ganz erheblich haltbarer sind als Bolzen mit geringerer Vorbelastung, z. B. etwa nur 10% der Streckgrenze.

Bei Schraubbefestigungen sind Ermüdungsbrüche die Hauptursache für mechanische Bolzenfehler. Beim Zusammenbau ergeben sich drei Faktoren, die den Ermüdungsverlauf der Befestigung beeinflussen können, nämlich

1. die Vorbelastung oder -spannung von Bolzen und

Mutter und die zusätzliche Belastung,
so 2. der Mangel an tatsächlicher Parallelausrichtung zwischen Muttergrundfläche und Werkstück, wenn die Gewindegänge von Mutter und Bolzen in Eingriff treten, und

3. Spannungskonzentrationen im Fuß der ersten Gewindegänge, die in der Mutter erfaßt werden.

Mit dem erfindungsgemäßen Verhältnis zwischen Länge und Wandstärke des Zylindermantelabschnittes, der zwischen den Enden des Sicherungsringes vorhanden ist, im Bereich von etwa 4,0 bis 5,0, mit der Länge als größeren Faktor, weist die Kurve für die Ausbiegung des Zylindermantels unter Belastung einen ausreichend horizontalen Abschnitt auf. Das bedeutet, daß die Mutter bis wenigstens eine V₄ Drehung über den Punkt

i>5 hinaus gedreht werden kann, an welchem die gewünschte Belastung erreicht ist, ohne daß dadurch die Spannung am Bolzen erhöht wird.

Mit der Erfindung wird demnach ein mit Spannung

arbeitendes Befestigungssystem geschaffen, bei dem der Zylindermantelabschnitt des Sicherungsrings radial verformt wird, um eine vorbestimmte Spannungsbelastung am Bolzen unabhängig von dem zum Festziehen der Mutter aufgewendeten Drehmoment zu erzeugen, wobei mit der maximalen Ausbiegung des Vorspannungselementes nicht mehr als 5% Änderung in der vorbestimmten Spannungsbelastung auftritt

Die Erfindung ermöglicht demnach, in einem bestimmten Bereich mit brauchbarer Genauigkeit eine m konstante Vorbelastung herzustellen, wobei diese Vorbelastung im wesentlichen konstant gehalten wird, unabhängig von dem Drehmoment das bei Herstellung der Befestigung angewendet wird.

Ausführungsbeispiele der Schraubensicherung werden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

F i g. 1 teilweise im Schnitt eine Mutter mit erfindungsgemäßer Sicherung auf einem Bolzen, wobei die Sicherungsvorrichtung in Berührung mit dem anschließenden Teil der durch den Bolzen verbundenen Gruppe steht

F i g. 2 eine der F i g. 1 ähnliche Darstellung, wobei die Sicherungsvorrichtung unter Vorbelastung zusammengedrückt und nach außen gewölbt ist

F i g. 3 eine der F i g. 2 ähnliche Darstellung einer Mutter und Sicherungsvorrichtung, die zu einem Teil vereinigt sind,

F i g. 4 ein Diagramm, das die Belastungsbedingungen während des Zusammenbaus bzw. Festziehung der aus Mutter und Sicherungsvorrichtung bestehenden Anord- jo nung auf dem Bolzen veranschaulicht,

F i g. 5 ein Spannungsdiagramm zur Veranschaulichung der Faktoren der Spannungskonzentration in den Grundabschnitten üblicher Mutter- und Bolzengewinde,

F i g. 6 vergrößert und teilweise im Schnitt eine Mutter mit Sicherungsvorrichtung,

Fig.7 vergrößert und teilweise im Schnitt eine einteilig mit der Mutter ausgebildete Sicherungsvorrichtung,

F i g. 8 eine Draufsicht auf die Mutter nach F i g. 7,

F i g. 9 einen Schnitt zur Veranschaulichung des Anfangsstadiums beim Zusammenbau von Mutter mit Sicherungsvorrichtung und Bolzen an einer geneigten Fläche einer durch Bolzen herzustellenden mehrteiligen Anordnung,

Fig. 10 eine der Fig.9 entsprechende Darstellung mit zusammengedrückter Sicherungsvorrichtung nach Festziehen der Mutter an der Anordnung nach F i g. 9,

Fig. 11 einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der Sicherungsvorrichtung,

Fig. 12 einen der Fig. 11 entsprechenden Schnitt durch die zusammengedrückte Sicherungsvorrichtung,

Fig. 13 einen Schnitt durch eine Mutter- und Sicherungsvorrichtung für Verwendungsfällt, bei denen die Bolzenermüdung unbedeutend ist,

Fig. 14 eine der Fig. 13 entsprechende Darstellung mit gesonderter Mutter und Sicherungsvorrichtung für den gleichen Zweck, und

Fig. 15 eine der Fig. 14 entsprechende Darstellung, jedoch mit kegelförmiger Berührungsfläche zwischen Mutter und Sicherungsvorrichtung und sechs Schlüsselflächen anstelle von zwölf Kontaktpunkten.

Das erfindungsgemäße Befestigungssystem, siehe insbesondere Fig. 1 und 2, weist einen üblichen Bolzen

1 und eine aus Mutter 4 und Sicherungsvorrichtung 2 b5 bestehende Anordnung auf. Die Sicherungsvorrichtung

2 besitzt einen zylindrischen Mantelabschnitt 3 und ist unter der Mutter 4 angeordnet.

In der in den F i g. i, 2 und 6 dargestellten Ausfuhrungsform weist, ein oberer oder nach außen liegender Flansch 5 an dem Mantelabschnitt 3 eine Anordnungsfläche 6 auf, die in Berührung mit einer Schulter 7 der Mutter 4 ist Diese Fläche 6 kann, um den Zusammenbau zu erleichtern, mit einem Klebemittel versehen sein. Ein Basisflansch 8 des Sicherungsringes 3 ist mit einer Basissitzfläche 9 ausgebildet die gegen die Sitzfläche 10 des anschließenden Teilet. 11 der durch den Bolzen zusammengehaltenen Anordnung gesetzt ist

Die Mutter 4 hat an ihrem oberen oder äußeren Ende einen Kranz 12 aus Winkelflächen 13, die durch einen Schlüssel oder dergleichen erfaßt werden können, um während des Befestigungsvorganges ein Drehmoment aufzubringen. Der untere Abschnitt 14 der Mutter springt in den zylindrischen Mantelabschnitt 3 vor, wobei jedoch die Bodenfläche 15 der Mutter mit Abstand zum Bodenfiansch 8 des Ringes 3 liegt Der Bodenabschnitt 14 ist an seiner Außenseite konisch und verjüngt sich zu seiner Bodenfläche 15.

Zur festen Zusammenfassung der Anordnung wird der Bolzen 1 durch eine Bohrung 16 in den zu verbindenden Teilen 11 hindurchgeführt und die Sicherungsvorrichtung 2 über den Bolzen 1 gesetzt, worauf die Mutter 4 aufgeschraubt wird. Die Sitzfläche 9 der Sicherungsvorrichtung wird dadurch gegen die Sitzfläche 10 des Werkstückes 11 gedrückt. Bei Anwendung eines weiteren Drehmomentes auf die Mutter wird eine Spannung im Bolzen und in dem Bodenabschnitt der Mutter innerhalb des Bereiches der Sicherungsvorrichtung erzeugt, wie durch die punktierte Linie Min F i g. 1 angedeutet ist. Eine zusammendrükkende Kraft wirkt in der Sicherungsvorrichtung und in dem außerhalb der Sicherungsvorrichtung liegenden Bereich der Mutter, siehe die. punktierte Linie N in Fig. 1. Bei einer vorbestimmten Belastung beginnt der Mantelabschnitt auszuknicken. Von diesem Beginn an variiert die das Ausknicken bewirkende Belastung sehr wenig, weniger als 4—6%, so daß sie in dem Diagramm der F i g. 4 als gleichförmig dargestellt werden kann. Die zusammendrückende Belastung des Mantelabschnitts ist etwa gleich der gewünschten Vorbelastung. Das an der Mutter 4 angreifende Drehmoment kann von Bolzen zu Bolzen verschieden sein, ohne die Erreichung der gewünschten Vorbelastung am Bolzen 1 merklich zu beeinflussen.

Die F i g. 9 und 10 veranschaulichen die Fähigkeit der erfindungsgemäßen Befestigungsanordnung, sich der Schrägstellung der Sitzfläche 10 mit Bezug auf die Achse von Mutter und Bolzen anzupassen bzw. diese Schrägstellung auszugleichen. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, beginnt das Ausknicken des Mantelabschnitts 19, 21 auf der Seite, auf der der Basisflansch 18 die geneigte Sitzfläche 10 berührt. Das Ausbeulen setzt sich allmählich rundherum fort, bis die gesamte Sitzfläche 9 der Sicherungsvorrichtung gegen die Sitzfläche 10 des angrenzenden Werkstückes gepreßt ist. Winkelabweichungen können verursacht sein durch Winkelabweichungen zwischen Boizengewinde und Bolzenschaft, Abweichungen der Achse des Muttergewindes oder der Bohrungsachse von der Normaleinrichtung, bezogen auf die Fläche 10.

Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Sicherungsvorrichtung 17 bei der der Basisflansch 18 nur nach innen vorspring!

Die Fig. 13. 14 und 15 zeigen weitere Einzelformen für verschiedene Verwendungszwecke, insbesondere dafür, daß die Ermüdung des Bolzens nicht wichtig ist,

etwa bei Sicherungsbelastung.

In allen Fällen kann leicht überprüft werden, ob die gewünschte Vorbelastung erreicht ist, indem eine über den nach außen gewölbten Mantelabschnitt 19 passende Meßlehre verwendet oder die Verkürzung der Sicherung oder der aus Mutter und Sicherung bestehenden Anordnung gemessen wird.

In der in Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform ist der Mantelabschnitt 21 einteilig mit dem Körper 22 der Mutter 23 ausgebildet. Der obere Teil des Mantelabschnittes 21 liegt über der Bodenfläche 15 der Mutter, so daß der konische Bodenabschnitt 14 der Mutter in den Mantelabschnitt 21 vorspringt.

Aufgrund der konischen Außenform des unteren Abschnittes 14 der Mutter ist diese nach ihrem unteren Ende hin zunehmend nachgiebiger, da die Wandstärke in gleicher Richtung abnimmt. Dadurch kann der untere Mutterabschnitt einen Teil der Bolzenlast als Dehnungsspannung tragen, während der obere Mutterabschnitt unter Druckbelastung bleibt. Dies führt zu einer gleichförmigeren Verteilung der Belastung über eine größere Anzahl von Windungen der Mutter und des Bolzens, so daß damit das Auftreten von Ermüdungsfehlern eingeschränkt wird.

Die erfindungsgemäße Befestigungsanordnung kann die gewünschte Vorbelastung am Bolzen innerhalb enger Grenzen aufbringen und aufrechterhalten, etwa mit ±6—8%, eine erträgliche Schwankung der Vorbelastung. Diese Genauigkeit beruht darauf, daß die Vorbelastung der Ausknickungsbelastung des Mantelabschnitts entspricht, die vom Beginn an konstant ist, bis er eine feste Sicherung wird. Sie hängt nicht ab von irgendeinem anderen Faktor, wie Oberflächeneigenschaft, Reibung oder Winkligkeit. Die Ausknickungsbelastung, d. h. auch die Vorbelastung, ist nicht abhängig von irgendeinem spezifischen Wert des zum Zusammensetzen von Mutter und Bolzen angewendeten Drehmoments. Nachdem die aus Sicherungsvorrichtung und Mutter bestehende Anordnung montiert worden ist, wird bei der ersten Anwendung der Arbeitsbelastung der Mantelabschnitt weiter zusammengedrückt, um die Änderung in der Dehnungsspannung am Bolzen und an den durch den Bolzen verbundenen Teilen, z. B. Platten, auszugleichen. Danach bleibt die Vorspannungsbedingung, die auf die maximale Arbeitsbelastung eingestellt worden ist, konstant.

Die während des Zusammenbaus konstante Ausknikkungslast der Sicherung wird durch bestimmte Eigenschaften des zylindrischen Mantelabschnittes 3, 19, 21 der Sicherung gewährleistet, hauptsächlich durch seinen Außendurchmesser, seine Wandstärke und seine Länge zwischen den Flanschen. Der äubere Durchmesser und die Wanddicke werden aufgrund der gewünschten Ausknickungslast, der Bolzengröße und dem für die Sicherungsvorrichtung verwendeten Material bestimmt. Die Länge zwischen den Flanschen wird so gewählt, daß eine im wesentlichen konstante Last vom Beginn bis zum Ende der Ausknickung des Mantelabschnitts erzielt wird. In den meisten Fällen, bei denen hochfestes Material verwendet wird, liegt diese Länge sehr nahe bei dem 4,4fachen der Wandstärke. Wenn mit Material geringerer Festigkeit gearbeitet wird, kann diese Länge im Bereich vom 4,8fachen der Wandstärke liegen. Im

ίο allgemeinen hat sich gezeigt, daß bei einem Verhältniswert von weniger als etwa 4,0 die Spannung während des Ausknickens zunehmen kann. Falls das Verhältnis 5,0 übersteigt, kann die Belastung während des Ausknickens abnehmen. Diese Erscheinungen sind unerwünscht. Deshalb wird das Verhältnis auf einen Bereich beschränkt, in welchem mit einer irr. wesentlichen konstanten Belastung vom Beginn bis zum Ende der Ausknickung gerechnet werden kann. Bei üblichen Materialien liegt dieser Bereich zwischen den Verhältniswerten 4,0 und 5,0. Zum Beispiel ergeben sich bei einer ³/₈"-Mutter für hohe Ermüdungsbelastung folgende Abmessungen: Außendurchmesser 0,575", Wanddikke 0,036", Länge zwischen den Flanschen 0,160". Das Verhältnis von Länge zu Dicke beträgt in diesem Fall 160/36 = 4,45. Die Querschnittsfläche beträgt 0,061 Quadratzoll, die eine Belastung von etwa 15 000 lbs. trägt, bevor der Mantelabschnitt in der angestrebten Weise ausknickt. Falls für das gleiche Material geringere Ausknickungslasten angestrebt werden, wird die Querschnittsfläche des Zylinders entsprechend bemessen. In jedem Fall bleibt das Verhältnis von Zylinderlänge zu Wandstärke in den vorstehend angegebenen Grenzen.

Bei der praktischen Verwendung wird der Mantelabschnitt stets in einem teilweise ausgeknickten Zustand gehalten und niemals vollständig zusammengedrückt, da dadurch eine der erwünschten Funktionen zerstört würde, nämlich sich selbsttätig unter maximalen Arbeitsbelastungen anzupassen.

Vergleichsversuche zeigen, daß bei der nach außen gerichteten Ausknickung einer Sicherungsvorrichtung der hier beschriebenen Art eine Mutter mit einer Drehung, die etwa ³A einer vollständigen Umdrehung beträgt, über die Drehungen hinaus angezogen werden kann, die nötig sind, um die vorbestimmte Belastung des Bolzens zu erzeugen, ohne daß dabei die Belastung am Bolzen von der eben erwähnten vorbestimmten Belastung mehr als 5% abweicht Die Abmessungsverhältnisse der erfindungsgemäßen Sicherungsvorrichtung sind demnach wesentlich, um die Elastizität der Sicherung aufrechtzuerhalten und gleichzeitig ein Festdrehen der Mutter zu ermöglichen, ohne daß for eine vorbestimmte Belastung die Drehungen genau bemessen werden müssen.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Schraubensicherung für eine aus Schraubbolzen und Mutter bestehende Befestigungsanordnung mit einer kraftschlüssig wirkenden, den Schraubbolzen koaxial umfassenden, im wesentlichen zylindrischen Sicherungsvorrichtung, die beim Anziehen der Mutter mit einem Bodenflansch gegen eine Fläche eines zu befestigenden, am Bolzenkopf abgestützten Teils drückbar und dabei im Bereich eines zwischen dem Bodenflansch und einem Kopfflansch sich erstreckenden Mantelabschnittes radial verformbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantelabschnitt (3, 19, 21) der Sicherungsvorrichtung (2, 23), dessen Länge zur Manteldicke ein Verhältnis im Bereich zwischen 4,0 und 5,0 hat, kreiszylindrisch ausgebildet und beim Anziehen der Befestignngsanordnung (1, 4) unter Vorbelastung nach außen gewölbt ist.

2. Schraubensicherung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter eine Schulter (7) aufweist, die in Reibungseingriff mit dem Kopfflansch (5,6) der Sicherungsvorrichtung (2) steht.

3. Schraubensicherung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sicherungsvorrichtung (21) in einem Stück mit dem Körper (22) der Mutter (23) hergestellt ist.

4. Schraubensicherung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (4, 22) einen in den Mantelabschnitt (3, 19, 21) hineinreichenden unteren Abschnitt (14) aufweist, dessen Außenform sich konisch nach unten verjüngt.