DE2628154A1

DE2628154A1 - Verriegelndes befestigungsmittel, insbesondere schraubenmutter

Info

Publication number: DE2628154A1
Application number: DE19762628154
Authority: DE
Inventors: Emil J Hlinsky
Original assignee: MacLean Fogg Lock Nut Co
Current assignee: MacLean Fogg Lock Nut Co
Priority date: 1975-06-23
Filing date: 1976-06-23
Publication date: 1977-01-20
Also published as: US4094352A; GB1520054A; AU1505376A; FR2315628B1; CA1038738A; MX143242A; AU506002B2; DE2628154C3; ES449181A1; BR7604029A; DE2628154B2; FR2315628A1; JPS523965A

Description

München, 23. Juni 19?6

Mein Zeichen: Hlinsky Gase 11

MacLean-Fogg Lock Nut Company Mundelein, Illinois, VoSt.A.

Verriegelndes Befestigungsmittel, insbesondere Schraubenmutter

Die Erfindung betrifft ein verriegelndes Befestigungsmittel, insbesondere eine Schraubenmutter, Unterlegscheibe od.dgl., das an seiner Eingriffsfläche mit Vorsprüngen oder Zähnen versehen ist, um ein unbeabsichtigtes Losdrehen des Befestigungsmittels zu verhindern, nachdem es durch Drehen des Befestigungsmittels, oder im Falle einer Unterlegscheibe, durch Drehen des anliegenden Teiles, in festen Eingriff mit einer Werkstückfläche gebracht worden ist. Anstelle des Wortes "Befestigungsmittel" soll im folgenden der Anschaulichkeit halber meist von einer "Schraubenmutter" gesprochen werden.

Die bekannten selbst-arretierenden Muttern od.dgl«, erhalten ihre Verriegelungswirkung durch Zähne, die an der Berührungsfläche der Mutter angeordnet sindo Diese Zähne haben im wesentlichen einen sägezahnartigen Querschnitt und können sich über die ganze Andrückfläche

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der Kutter erstrecken, so dass nur die Zahnkanten einen mehr oder weniger linienförmigen Kontakt mit der Gegenfläche des Werkstückes haben und sich umso tiefer in dieselbe eingraben, je stärker die Mutter angezogen wird. Diese Zahnkanten haben steile Zahnflanken in Lösungsrichtung der Mutter und sanft ansteigende Zahnflanken in Gegenrichtung. Dies ermöglicht ein Anziehen der Mutter mit einem gewünschten Drehmoment und verhindert ein Lockern der Mutter. Derartige Anordnungen sind in den U.S.-Patentschriften 3 078 899, 2 380 99^ und 1 833 beschrieben. Man versuchte, die Sindringtiefe der Zahnkanten dadurch zu begrenzen, dass man eine ringförmige, tragende Fläche innerhalb oder ausserhalb der Zähne vorsah. Ein Beispiel hierfür findet sich in der U.S.-Patentschrift 3 605 8^5.

Diese ringförmigen Anschlagflächen sind in axialer Richtung gegenüber den Zahnkanten etwas zurückgesetzt mit der Absicht, dass nach einem vorherbestimmten Bindringen der Zähne in das Werkstück die Anschlagflächen zum Eingriff kommen und ein weiteres Eindringen der Zahnkanten verhindern. In der Praxis arbeiten sie jedoch nicht so. Die ringförmige tragende Fläche oder Anschlagfläche ist entweder zu stark oder nicht stark genug gegenüber den Kanten der Zähne zurückgesetzt. Berücksichtigt man die Unterschiede des Anzugsdrehmoments beim Anziehen der Muttern von Hand, so ergibt sich,

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dass die Zähne entweder nicht tief genug in das Werkstück eindringen, um den Anschlagring in Eingriff mit dem Werkstück zu "bringen, oder dass der Anschlagring zum Eingriff kommt, bevor das erforderliche Anzugsdrehmoment erreicht ist. In beiden Fällen kann die Mutter sich lösen,,

Um solche Kuttern od.dgl. vor dem unerwünschten Losdrehen zu bewahren, haben Fachleute es lange Zeit für erforderlich gehalten, dass das zum Lösen der Mutter erforderliche Drehmoment (im folgenden Lösedrehmoment genannt) mindestens 100$ des zum Pestziehen der Mutter erforderlichen Drehmoments (im folgenden Pestzieh—Drehmoment genannt) beträgt. Einige dieser Muttern haben einen Wert Lösedrehmoment zu Pestziehdrehmoment von wesentlich mehr als 100^₀ Solche hohen Verhältniszahlen sind mitunter notwendig, wenn die Werte der einzelnen I'uttern streuen, um sicher zu sein, dass die Muttern, deren Werte am unteren Ende der Skala liegen, mindestens lOO/ö haben,, Hohe Verhältniszahlen werden auch von einigen Konstrukteuren bevorzugt, welche glauben, dass sie eine grössere Sicherheit bieten.

Das an eine Gewindeverbindung angelegte Drehmoment ist ein bequemes, wenn auch nur angenähertes, Mass für die Beanspruchung des Bolzens, welche die Andrückungskraft bestimmte Es ist von grösster Wichtigkeit, dass eine erwünschte Andrückungskraft, nachdem

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sie einmal angelegt ist, aufrechterhalten bleibt. Ein Faktor, der bisher übersehen oder im Bemühen um eir> hohes Verhältnis Löse-Drehmoment zu Festzieh-Drehmoment nicht ausreichend berücksichtigt wurde, ist die Tatsache, dass die Andrückungskraft auch ohne eine'Zurückdrehung der Kutter verschwinden kann., Es wurde gefunden, dass, wenn eine Gewindeverbindung mit einer gezahnten Mutter Vibrationen oder einer periodisch wechselnden Belastung ausgesetzt wird, die Konzentration der Beanspruchung unter den Zahnkanten bewirkt, dass diese Zahnkanten sich nach und nach tiefer in die relativ weiche Werkstoffläche eingraben und so die Spannung des Bolzens verringern. Wenn dies lange genug andauert, wird die Spannung auf einen Wert sinken, bei der der Bolzen oder die Mutter, oder beide, sich voneinander abheben und die Verbindung gelöst wird.

Um eine Gewindeverbindung fest zu-erhalten, ist es daher ebenso wichtig, eine übermässige Spannungskonzentration unter den Zähnen zu vermeiden und dadurch ein unerwünschtes Eindringen der Zähne in das Werkstück zu verhindern, als ein günstiges Verhältnis Löse-Drehmoment zu Festzieh-Drehmoment zu erzielen,,

Das Problem der Erfindung besteht darin, eine verbesserte, selbst-arretierende Gewindeverbindung, vorzugsweise eine Schraubenmutter, zu schaffen, bei der die Konzentration der Beanspruchung oder Spannung in

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der Werkstofflache unter den Zähnen begrenzt ist, um ein Losdrehen der Mutter infolge eines übermässig grossen Sindringens der Zahnkanten in das Werkstück zu verhindern.

Sin wesentliches Merkmal der Erfindung besteht darin, dass jeder Zahn für sich eine tragende Fläche hat, die seine Eindringung in das Werkstück begrenzt, um ein Losdrehen der Gewindeverbindung zu verhindern, was bisher leicht geschehen konnte, sei es infolge ungenügender Anpressungskraft, wenn eine Anschlagfläche nicht weit genug hinter die Zahnspitzen zurückgesetzt ist, um eine ausreichende fiindringtiefe der Zahnkanten in das Werkstück zu erzielen, oder infolge unzureichender Anpressungskraft, wenn die Anschlagfläche zu weit hinter die Zahnspitzen zurückgesetzt ist, so dass die Beanspruchung an den Zahnkanten den Verformungswiderstand eines oder beider Materialien übersteigt.

Ein anderes wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, dass die tragenden Flächen der einzelnen Zähne in einer im wesentlichen konischen, konzentrisch zur Mittelachse angeordneten Fläche liegen, die beim Anziehen der Mutter nach und nach mit dem Werkstück in Eingriff kommt_o Hierdurch wird erreicht, dass die Grosse der tragenden Flächen, die mit dem Werkstück in Eingriff kommen, sich in dem Masse erhöht, in dem die Anpressungskraft steigt, so dass die Spannungs-

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konzentration und die Eindringtiefe der Zähne während des Anziehens der Mutter automatisch "begrenzt wird»

Das Wesen der Erfindung geht aus der folgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung und den Ansprüchen hervor»

Figo 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und zwar einer mit einem vorspringenden Hand versehenen Mutter;

Figo 2 ist eine vergrosserte Ansicht der Mutter von unten, in Richtung der Pfeile 2-2 gesehen;

Fig. 2A ist eine Teilansicht der Figo 2, die einen einzelnen Zahn zeigt;

Figo 3 ist eine perspektivische Ansicht des Gegenstandes der Figo 2;

Fig. 4, 5 und 6 sind Querschnitte nach den Linien 4-4, 5-5 bezwo 6-6 der Figo 2;

Figo 7 ist eine Teilansicht, ähnlich der Figo 2, zweier abgeänderter· Ausführungsformen der Erfindung-

Obwohl die Erfindung in Anwendung auf eine Schraubenmutter dargestellt ist, versteht sich, dass sie auch auf andere Arten einer Gewindeverbindung angewendet werden kann, beispielsweise auf Bolzen, Unterlegscheiben, Schrauben ododglo Es versteht sich, dass die mit Zähnen versehenen Oberflächen der Befestigungsmittel härter sind als die mit ihnen zusammenwirkenden Flächen

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der (in der Zeichnung nicht dargestellten) Werkstücke, mit denen sie in Druckkontakt kommen»

Die mit einem vorspringenden Rand versehene Mutter 20 hat ein Hauptteil 22 mit einer axialen Bohrung 2k-_t die ein Gewinde 23 aufweist« Die Mittelachse X-X (Fig. 4) erstreckt sich zwischen den Endflächen 25 und 26. Flache Seitenflächen 27 dienen dem Eingriff eines Werkzeuges zum Anziehen oder Lösen der Kutter, beispielsweise eines Schraubenschlüssels» An der Endfläche 25 befindet sich ein vorspringender Rand 28, der die Auflagefläche der Mutter vergrössert. Bei dem gezeigten Ausfühcungsbeispiel ist der Hand 28 kreisförmig ausgebildet«

Wie es bei der Massenherstellung von Muttern dieser Art üblich ist, befindet sich zwischen dem Gewinde 23 und der ringförmigen Fläche 19 (Fig. 2) eine Abschrägung 29 ο

Die Endfläche 25 trägt ausserhalb der ringförmigen Fläche 19 Zähne 31 (Fig. 2A) in ringförmiger Anordnung, wie weiter unten näher beschriebene

Die Zähne springen in Achsrichtung vor, d»h_o in Richtung der Mittelachse X-Xo Sie bilden einen Ring, der durch den inneren Kreis 36 und den ausseren Kreis 38 begrenzt wird. Jeder der Zähne hat eine tragende Fläche 30. Die Flächen 30 sind Teile einer kegeistumpfförmigen Fläche 33 (Figo 4), die um den Winkel"a" gegen die Ebene A-A geneigt ist, welche normal zur Mittelachse X-X steht» Die besten Ergebnisse wurden mit einem Winkel "a" von 3° bis 15°

Jeder der Zähne 31 hat eine steile Zahnflanke 46 auf der einen Seite, und eine sanfte Planke 48 auf der anderen Seite_o Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat jede der tragenden Flächen 30 die Form eines Dreiecks, wie aus Figo 2 und 2A zu ersehen. Das Dreieck hat eine Basis 3^ (Fig« 2A) entlang des äusseren Kreises 38, eine Seite oder Handlinie 42 entlang der Schnittlinie zwischen der tragenden Fläche 30 und der steilen Zahnflanke 46, sowie eine Seite oder Randlinie 43 entlang der Schnittlinie zwischen der tragenden Fläche 30 und der sanft ansteigenden Zahnflanke 48« Die Seiten 42 und 43 treffen sich in der Spitze oder dem Gipfel 40 an dem inneren Kreis 360

Die Seiten oder Randlinien 42 und 43 der einzelnen dreieckigen tragenden Flächen 30 verlaufen nicht radial zur Mittelachse X-Xo Die Seite 42 (und damit die steile Zahnflanke 46) ist eine Tangente zu einem Kreis 50 (Fig» 2), der konzentrisch zur Mittelachse X-X verläuft. Die Seite 43 verbindet die Spitze 40 des Zahnes mit der Zahnwurzel 4? am unteren Ende der steilen Zahnflanke 46. Wie aus Fig. 3 und 4 zu· ersehen, nimmt die Höhe der steilen Zahnflanke 46 (in Richtung parallel zur Achse X-X) vom äusseren Kreis 38 zum inneren Kreis 36 zu, bis sie in der Spitze 40 endetο

Wie gesagt, hat jeder Zahn 31 eine steile Zahnflanke 46 längs der Seite oder Randlinie 42, die in die

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Löse-Drehrichtung-der Mutter weist« Die steile Zahnflanke 46 (und die Handlinie 42) liegt auf einer Tangente zu dem Kreis 50 (Pig» Z)₀ Statt dessen kann sie auch ein Stück einer Kreislinie 46a sein, die mit einem Radius um einen Punkt 6o auf einer Kreislinie 58 geschlagen wird, wie im einzelnen im UeS ο-Patent 3 078 899 der Anmelderin ■beschrieben. Weiter hat jeder Zahn eine sanft ansteigende Zahnflanke 48 entlang der Seite oder Handlinie 43 in Pestspannrichtung der Mutter« Eine innere Begrenzungsflache 52 (Fig. 3 und 5) ö.es Zahnes folgt dem inneren Kreis 36 und trifft auf die sanft ansteigende Zahnflanke 48« Die Spitze oder der Gipfel 40 ist gegenüber dem äusseren Kreis 38 in Löserichtung der Mutter versetzt» Dies bewirkt, dass Späne, die durch die steilen Zahnflanken abgerissen werden, beim Lösen der Mutter nach aussen befördert werden« Eine andere Möglichkeit wäre, die Zähne in der anderen Richtung schrägzustellen, so dass die Späne nach innen in die ringförmige Fläche 19 befördert werden«

Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass die Zähne 31 in einem ringförmigen Muster angeordnet sind, getrennt durch eine ringförmige Anordnung von Vertiefungen, die mit den sanften Zahnflanken 48 zusammenfallen. Ferner ist ersichtlich, dass die Spitzen oder Gipfel 40 und alle anderen entsprechenden Teile der tragenden Flächen 30 ausserhalb der Spitzen gleichmässig um die Mittelachse

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X-X verteilt sind, um gleichzeitig mit der Gegenfläche des Werkstückes in Eingriff zu kommen, wenn die Mutter angezogen wird.

Wie aus Fig„ 2, 3, 5 und 6 zu ersehen, stellt jede der steilen Zahnflanken 46 im Endeffekt die schneidende oder verriegelnde Kante des Zahnes dar,, Die Kante des Zahnes verläuft entlang der Handlinie 42» Die Zahnwurzel verläuft entlang der Ecke 47» Wie aus Fig. 4 zu ersehen, ist die Zahnwurzel 47 nach innen zu mehr und mehr vertieft, und zwar nach einem Winkel "b" (Figo 4) gegenüber der Ebene A-A <.

Im Betrieb wird die Mutter durch Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn angezogen (siehe Pfeil der Figo 2), und durch Drehung im Uhrzeigersinn gelöst„ Da die tragenden Flächen 30 auf einer gedachten kegeistumpfförmigen Fläche liegen, bei der der innere Teil am Kreis 36 in Achsrichtung über den äusseren Kreis 38 herausragt, werden die Spitzen 4-0 der Zähne als erstes mit dem Werkstück in Eingriff kommen, wenn die Mutter angezogen wirdo Nach und nach, wenn die Mutter weiter angezogen wird, wird der Kontakt der Flächen 30 sich nach aussen, in Sichtung auf den äusseren Kreis 38, vorschieben« Die Vertiefungen neben den steilen Zahnflanken 46 ermöglichen ein Kaltfliessen des verhaltnismassig weichen Werkstückmaterials in die Vertiefungen, wenn der Anpressdruck die Zähne in die Gegenfläche des Werkstückes eindrückte

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e« Wenn das Anziehen beendet ist, ragt eine kleine Erhöhung des Werkstückmaterials in jede der Vertiefungen hinter den Zahnflanken k6 hinein, um die Futter zu arretierenο

Einer der wesentlichen Vorteile des Erfindungsgegenstandes ist, dass die tragenden Flächen 30 der einzelnen Zähne in Druckeingriff mit der zusammenwirkenden (nicht dargestellten) Fläche des Werkstückes kommen, um eine unzulässige Konzentration der Spannung und ein Einschneiden längs der Zahnkanten 42 zu vermeiden«, Ferner, in dem Masse, in welchem der Anpressdruck steigt, wächst der Anteil der in Singriff kommenden Flächen, da der Druckkontakt sich von den Spitzen 40 am inneren Kreis 36 nach aussen, zum äusseren Kreis 38 vorschiebt» Dadurch wird die Druckkonzentration in der Werkstückfläche automatisch begrenzt, obwohl das Drehmoment steigt, wenn die butter angezogen wird oder die Beanspruchung des Bolzens unter Belastung steigt, da der Eingriff der tragenden Flächen sich nach aussen, von der verhältnismässig schmalen Spitze ^O aus, nach innen , zu der verhältnismässig breiten Basis 3^ erweitert»

Ein weiterer wichtiger Vorteil des Erfindungsgegenstandes liegt darin, dass der Grad der Eindrückung der Vorsprünge der Kutter leicht geändert werden kann, indem man die Grosse der tragenden Flächen im Verhältnis zur Grosse der Hingfläche zwischen den Kreisen 38

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und 36 änderte In Figo 7 ist beispielsweise eine Sandlinie 43a gezeigt, die der beschriebenen Handlinie ^3 entspricht, bis auf die Tatsache, dass die tragenden Flächen 30a kleiner sind als die Flächen 30. Bei der Ausführungsform nach Figo 7 werden daher bei jedem gegebnen Drehmoment die Zähne tiefer in das Werkstück eindringen» Bei einer weiteren Abänderung können die tragenden Flächen der Zähne noch weiter verkleinert werden, indem die Randlinien k-^a. noch weiter nach rechts verschoben werden, beispielsweise bis zu den strichpunktierten Linien ^3t> der Figo 7°

Da die tragenden Flächen 30 bezw. 30a und die zwischen ihnen liegenden Vertiefungen die ganze-iiingfläche zwischen den Kreisen 38 und 36 einnehmen,, folgt notwendigerweise, dass eine Vergrösserung der von.den Vertiefungen eingenommenen Fläche die Gesamtgrösse der tragenden Flächen 30 (oder 30a) verringert und umgekehrt. Durch Verringerung der Gesamtgrösse der tragenden Flächen 30 (bezw. 30a) wird die Konzentration des Druckes auf die entsprechende Fläche des Werkstückes erhöht, und damit die Sindrückung der Zahnkanten und der Zahnspitzen entlang der Handlinien 42 vergrössert, wodurch das Verhältnis Löse-Drehmoment zu Festzieh-Drehmoment vergrössert wird* Wenn man umgekehrt die Gesamtgrösse der tragenden Flächen erhöht, indem man die Gesamtfläche der Vertiefungen verringert, wird das genannte Verhältnis verkleinerte

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Die Beschreibung und die Zeichnung erwähnten lediglich drei verschiedene Ausführungsbeispiele von vielen möglichen Variationen des Erfindungsgegenstandes„ Eine Reihe von strukturellen Änderungen hinsichtlich der Anzahl, der Form und der Anordnung der Zähne, der Schrägflächen und der Form der Zahnflächen, sowie der Art des Eingriffes der Zahnflächen in die Fläche des Werkstükkes haben einen bestimmenden Einfluss auf die Erzielung eines optimalen Verhältnisses Löse-Drehmoment zu Festzieh-Drehmoment und der Verriegelungskraft für ein gegebenes Drehmoment»

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Claims

Patentansprüche

I.) 7erriegelnd.es Befestigungsmittel, insbesondere Schraubenmutter 0d_odgl„, für eine Gewinde-Verbindung mit einem Werkstück, enthaltend ein Hauptteil mit einer Kittelachse und einer ringförmigen Anordnung von Zähnen, die die Mittelachse umgeben, um in das Werkstück einzudringen und die Mutter zu arretieren, wobei jeder der Zähne an seiner Kante eine tragende Fläche hat, die in entgegengesetzten Umfangsrichtungen durch Seitenflächen flankiert wird, welche Vertiefungen zwischen den Zähnen bilden,

dadurch gekennzeichnet, dass jede der tragenden Flächen (30) im wesentlichen die Gestalt eines Dreiecks hat, wobei die Basis (3^) und die Spitze (4-0) des Dreiecks gegenüber der Mittelachse (X-X) radial gegeneinander versetzt sind und die tragenden Flächen (30) im wesentlichen auf einer Kegelstumpffläche (Winkel "a" der Fig- *Ο liegen, die zur Kittelachse konzentrisch ist, und wobei die tragende Fläche (30) in der Nähe der Spitze {bO) weiter in Richtung der Mittelachse (X-X) hervorragt als die Basis (3*0» um beim Anziehen der Mutter od.dglο den Anfangskontakt mit der Werkstückfläche zu bilden.

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2. Befestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen (A-O) näher an der Mittelachse (X-X) liegen als die Basen (34)»
3. Befestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spitzen (A-O) und die Basen (3*0 auf konzentrischen Kreisen (36 und 38) liegen, die die Kittelachse (X-X) umgeben»
4_e Befestigungsmittel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Seitenflächen (die sanft ansteigende Zahnflanke 4-8) gegenüber der Mittelachse (X-X) geneigt ist«
5. Befestigungsmittel nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die andere Seitenfläche (die steile Zahnflanke 46) in einer Ebene liegt, die etwa parallel zur Mittelachse (X-X) angeordnet isto
6. Befestigungsmittel nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass bei gewünschter Erhöhung des Verhältnisses Löse-Drehmoment zu Festzieh-Drehmoment die tragenden Flächen (30a in Fig. 7) durch Vorschieben der Randlinien (43) verkleinert werden (Linie 43b).

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