DE2628154B2 - Selbstsicherndes Befestigungselement für eine Gewindeverbindung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein selbsvsicherndes Befestigungselement für eine Gewindeverbindung, beispielsweise eine Schraube, eine Mutter od. dgl, mit einem Körperteil, der ein mit einem Werkstück in Eingriff tretendes Ende und eine mittlere Achse aufweist, wobei an dem genannten Ende eine ringförmige Anordnung von vorragenden Zähnen gebildet ist, von denen jeder eine obere Anschlagfläche besitzt, und wobei die Anschlagflächen auf einer zur mittleren Achse des Befestigungselementes symmetrischen kegelstumpfmantelförmigen Fläche liegen.

Es sind selbstsichernde Befestigungselemente bekannt (US-PS 30 78 899,23 80 994,18 33 462), bei denen die Sicherungswirkung durch Zähne an der betreffenden Fläche des Befestigungselementes erhalten wird, wobei die Zähne im wesentlichen sägezahnartigen Querschnitt besitzen und sich über die gesamte betreffende Fläche des Befestigungselementes erstrekken, so daß nur die Zahnkanten im wesentlichen linienförmige Berührung mit der Gegenfläche des Werkstückes haben und sich umso tiefer in diese Gegenfläche eingraben, je stärker das Befestigungselement angezogen wird. Die Zahnkanten haben in Lösungsrichtung des Befestigungselementes steile Zahnflanken und in Anziehrichtung sanft ansteigende Zahnflanken. Bei diesen Befestigungselementen besteht der Nachteil, daß bei Auftreten von Schwingungen oder Vibrationen die Zähne sich weiter in das Material des Werkstückes eingraben, wodurch die Anpreßkraft oder Spannung des Befestigungselementes verringert wird, die durch das Anziehen des Befestigungselementes zwischen diesem und dem Werkstück hervorgerufen wird. Hierbei kann sich eine solche Verringerung der Spannung ergeben, daß das Befestigungselement sich von dem Werkstück abhebt, wobei dann ein selbsttätiges Lösen der Verbindung zwischen dem Befestigungs.-element und dem Werkstück möglich ist
Es ist versucht worden, die Tiefe des Eindringens der

ίο Zähne in die Gegenfläche des Werkstückes zu begrenzen, indem eine ringförmige tragende Fläche radial innerhalb oder radial außerhalb der Zähne vorgesehen wurde (z.B. US-PS 36 05 845). Diese ringförmigen tragenden Flächen sind gegenüber den Zahnkanten axial etwas zurückgesetzt mit der Absicht, daß nach einem vorbestimmten Eindringen der Zähne in das Werkstück die tragende Fläche zur Wirkung kommt und ein weiteres Eindringen der Zähne verhindert In der Praxis ist jedoch gefunden worden, daß die ringförmige tragende Fläche entweder zu weit oder nicht weit genug gegenüber den Kanten der Zähne axial zurückgesetzt ist Werden die Unterschiede des Anzugsdrehmomentes berücksichtigt, die sich ergeben, wenn die Befestigungselemente von Hand angezogen werden, so ergibt es sich, daß die Zähne entweder nicht tief genug in das Werkstück eindringen, um die tragende Fläche in Eingriff mit der Gegenfläche des Werkstückes zu bringen, oder daß die tragende Fläche zur Wirkung kommt bevor das an sich erforderliche Anzugsdrehmo-

3c ment erreicht ist In beiden Fällen kann das Befestigungselement sich von allein lösen.

Es ist auch ein Befestigungselement der einleitend genannten Art bekannt (GB-PS 13 94 027, Fig. 3). Bei diesem bekannten Befestigungselement haben die Anschlagflächen, die dazu dienen sollen, das Eindringen der Zähne in die Fläche des Werkstückes beim Anziehen des Befestigungselementes zu steuern, vergleichsweise schlanke viereckige Gestalt, was bedeutet, daß sie in Umfangsrichtung verhältnismäßig schmal sind. Auch bei diesen schlanken Anschlagflächen der Zähne besteht noch die Gefahr, daß bei Auftreten von Schwingungen oder Vibrationen die Zähne sich weiter in das Material des Werkstückes eingraben, so daß die Spannung des Befestigungselementes und damit der Widerstand gegen Lösen des Befestigungselementes verringert wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Befestigungselement so auszuführen, daß das Eindringen der Zähne in wirksamerer Weise gesteuert wird. Gelöst wird diese

so Aufgabe, ausgehend von einem selbstsichernden Befestigungselement der einleitend genannten Art gemäß der Erfindung dadurch, daß die Anschlagflache jedes Zahnes dreieckförmige Gestalt hat, deren Spitze in größerem Ausmaß als ihre Basis von dem genannten

Ende des Körpers vorragt.

Werden die Anschlagflächen der Zähne in der beschriebenen Weise dreieckförmig gestaltet, so ergibt sich bei zunehmendem Anziehen des Befestigungselementes ein sich schnell erhöhender Widerstand gegen das Eindringen der Zähne, weil die Größe der Anschlagflächen von ihrer Spitze aus in Richtung gegen die Basis sehr schnell zunimmt. Somit ist es durch Auswahl der besonderen dreieckförmigen Gestalt der Anschlagflächen der Zähne möglich, die Eindringtiefe der Zähne für verschiedene Materialien und für verschiedene Gebrauchsbedingungen wirksam zu steuern.
Weitere Merkmale der Erfindung sind in weiteren

Ansprüchen unter Schutz gestellt

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert

F i g. 1 ist eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, und zwar einer mit einem vorspringenden Rand versehenen Mutter.

F i g. 2 ist eine vergrößerte Ansicht 4er Mutter vom unten, in Richtung der Pfeile 2-2 gesehen.

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

Fig.3 ist eine perspektivische Ansicht des Gegenstandes der F i g. 2.

F i g. 4,5 und 6 sind Querschnitte nach den Linien 4-4, 5-5 bzw. 6-6 der F i g. 2.

F i g. 7 ist eine Teilansicht ähnlich der F i g. 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 od. dgl. Es versteht sich, daß die mit Zähnen versehenen Oberflächen der Befestigungselemente härter sind als die mit ihnen zusammenwirkenden Flächen der (in der Zeichnung nicht dargestellten) Werkstücke, mit denen sie in Druckberührung kommen.

Die mit einem vorspringenden Rand versehene Mutter 20 hat ein Körperteil 22 mit einer axialen Bohrung 24, die ein Gewinde 23 aufweist Die Mittelachse X-X (F i g. 4) erstreckt sich zwischen den Endflächen 25 und 26. Ebene Seitenflächen 27 dienes) zum Ansetzen eines Werkzeuges zum Anziehen odeir Lösen der Mutter, beispielsweise eines Schraubenschlüssels. An der Endfläche 25 befindet sich ein vorspringender Rand 28, der die Auflagefläche der Mutter vergrößert Bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Rand 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.

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

Die Zähne springen in Achsrichtung vor, d.h. in Richtung der Mittelachse X-X. Sie bilden einen Ring, der durch den inneren Kreis 36 und den äußeren Kreis 38 begrenzt wird. Jeder der Zähne hat eine Anschlagfläche 30. Die Flächen 30 sind Teile einer kegelstumpfför- migen Fläche 33 (F i g. 4), die um den Winkel »a« gegen, die Ebene A-A geneigt ist, welches normal zur Mittelachse X-X steht Die besten Ergebnisse wurden mit einem Winkel »arcvon 3° bis 15° erzielt.

Jeder der Zähne 31 hat eine steile Zahnflanke 46 sul der einen Seite und eine sanfte Flanke 48 auf der anderen Seite. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat jede Anschlagfläche 30 die Form eines Dreiecks, wie aus Fig.2 und 2A zu ersehen. Das Dreieck hat eine Basis 34 (F i g. 2A) entlang des äußeren Kreises 38, eine Seitenkante 42 entlang der Schnittlinie zwischen der AnschlaSfläche 30 und der steilen Zahnflanke 46, sowie eine Seitenkante 43 entlang der Schnittlinie zwischen dir Anschlagfläche 30 und der sanft ansteigenden Zahnflanke 48. Die Seitenkanten 42 und 43 treffen sich in der Spitze 40 an dem inneren Kreis 36.

Die Seitenkanten 42 und 43 der einzelnen dreieckför-

migen Anschlagflächen 30 verlaufen nicht radial zur Mittelachse X-X. Die Seitenkante 42 (und damit die steile Zahnflanke 46) ist eine Tangente an einen Kreis 50 (F i g. 2), der konzentrisch zur Mittelachse X-X verläuft Die Seitenkante 43 verbindet die Spitze 40 mit der Zahnwurzel 47 am unteren Ende dei¹ steilen Zahnflanke 46. Wie aus F i g. 3 und 4 zu ersehen, nimmt die Höhe der steilen Zahnflanke 46 (in Richtung parallel zur Achse Χ-Λ^νοΐη äußeren Kreis 38 zum inneren Kreis 36 zu, bis sie in der Spitze 40 endet

Die steile Zahnflanke 46 längs der Seitenkante 42 weist in die Löserichtung der Mutter. Die steile Zahnflanke 46 (und die Seitenkante 42) liegt auf einer Tangente an den Kreis 50 (F i g. 2). Stattdessen kann sie auch ein Stück einer Kreislinie 46a sein, die mit einem Radius 54 um einen Punkt 60 auf einer Kreislinie 58 geschlagen wird.

Die sanft ansteigende Zahnflanke 48 entlang der Seitenkante 43 weist in Anzugsrichtung der Mutter. Eine innere Begrenzungsfläche 52 (Fig.3 und 5) des Zahnes 31 folgt dem inneren Kreis 36 und trifft auf die sanft ansteigende Zahnflanke 48. Die Spitze 40 ist gegenüber dem äußeren Kreis 38 in Löserichtung der Mutter versetzt Dies bewirkt, daß Späne, die durch die steilen Zahnflanken 46 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.

Die Zähne 31 sind in einem ringförmigen Muster angeordnet, getrennt durch eine ringförmige Anordnung von Vertiefungen, die mit den sanft ansteigenden Zahnflanken 48 zusammenfallen. Ferner ist ersichtlich, daß die Spitzen 40 und alle anderen entsprechenden Teile der Anschlagflächen 30 außerhalb der Spitzen 40 gleichmäßig um die Mittelachse X-X verteilt sind, um gleichzeitig mit der Gegenfläche des Werkstückes in Eingriff zu kommen, wenn die Mutter angezogen wird.

Wie aus F i g. 2, 3, 5 und 6 zu ersehen, stellt jede der stellen Zahnflanken 46 im Endeffekt die schneidende oder sichernde Kante des Zahnes 31 dar, die entlang der Seitenkante 42 verläuft Die Zahnwurzel verläuft entlang der Ecke 47. Wie aus F i g. 4 zu ersehen, ist die Zahnwurzel 47 nach innen zu mehr und mehr vertieft, und zwar nach einem Winkel »b« (F i g. 4) gegenüber der Ebene A-A.

Im Betrieb wird die Mutter durch Drehung entgegen dem Uhrzeigersinn angezogen (siehe Pfeil der F i g. 2), und durch Drehung im Uhrzeigersinn gelöst. Da die Anschlagflächen 30 auf einer gedachten kegelstumpfförmigen Fläche liegen, bei der der innere Teil am Kreis 36 in Achsrichtung über den äußeren Kreis 38 herausragt, gelangen die Spitzen 40 der Zähne als erste mit dem Werkstück in Eingriff, wenn die Mutter angezogen wird. Wenn die Mutter weiter angezogen wird, schreitet die Berührung der Anschlagflächen mit dem Werkstück weiter nach außen in Richtung auf den äußeren Kreis 38 fort Die Vertiefungen neben den stellen Zahnflanken 46 ermöglichen ein Kaltfließen des verhältnismäßig weichen Werkstückmaterials in die Vertiefungen, wenn der Anpreßdruck die Zähne 31 in die Gegenfläche des Werkstückes eindrückt. Wenn das Anziehen beendet ist, ragt eine kleine Erhöhung des Werkstückmaterials in jede der Vertiefungen hinter den Zahnflanken 46 hinein, um die Mutter zu sichern.

Einer der wesentlichen Vorteile des Erfindungsgegenstandes ist, daß die Anschlagflächen 30 der einzelnen Zähne 31 in DruckberührunE mit der Gegenfläche des

Werkstückes kommen, um eine unzulässige Konzentration der Spannung und ein Einschneiden längs der Zahnkanten 42 zu vermeiden. Ferner wächst der in Berührung kommende Anteil der Flächen 30 in dem Maße, in welchem der Anpreßdruck steigt, da die Druckberührung von den Spitzen 40 am inneren Kreis 36 nach außen, zum äußeren Kreis 38 fortschreitet. Dadurch wird die Druckkonzentration in der Werkstückfläche automatisch begrenzt, obwohl das Drehmoment steigt, wenn die Mutter angezogen wird oder die Spannung des Bolzens unter Belastung steigt, da die Berührungsfläche der Anschlagflächen 30 sich von der verhältnismäßig schmalen Spitze 40 aus nach außen zu der verhältnismäßig breiten Basis 34 vergrößert.

Ein weitere wichtiger Vorteil des Erfindungsgegen-Standes liegt darin, daß der Grad des Eindringens der Zähne 31 der Mutter leicht geändert werden kann, indem die Größe der Anschlagflächen 30 im Verhältnis zur Größe der Ringfläche zwischen den Kreisen 38 und 36 geändert wird. In Fig.7 ist beispielsweise eine Seitenkante 43a gezeigt die der Seitenkante 43 entspricht bis auf die Tatsache, daß die Anschlagflächen 30a kleiner sind als die Anschlagflächen 30. Bei der Ausführungsform nach F i g. 7 werden daher bei jedem gegebenen Drehmoment die Zähne tiefer in das Werkstück eindringen. Bei einer weiteren Abänderung können die Anschlagflächen der Zähne noch weiter verkleinert werden, indem die Seitenkanten 43a noch weiter nach rechts verschoben werden, beispielsweise bis zu den strichpunktierten Linien 436 der F i g. 7.

Da die Anschlagflächen 30 bzw. 30a und die zwischen ihnen liegenden Vertiefungen die ganze Ringfläche zwischen den Kreisen 38 und 36 einnehmen, folgt notwendigerweise, daß eine Vergrößerung der von den Vertiefungen eingenommenen Fläche die Gesamtgröße der Anschlagflächen 30 (oder 30a) verkleinert und umgekehrt. Durch Verkleinerung der Gesamtgröße der Anschlagflächen 30 (bzw. 30a,} wird die Konzentration des Dpjckes auf die entsprechende Fläche des Werkstückes erhöht und damit das Eindringen der Zahnkanten und der Zahnspitzen entlang der Seitenkanten 42 vergrößert, wodurch das Verhältnis Lösemoment zu Anzugsmoment vergrößert wird. Wenn man umgekehrt die Gesamtgröße der Anschlagflächen erhöht, indem man die Gesamtfläche der Vertiefungen verringert, wird das genannte Verhältnis verkleinert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Selbstsicherndes Befestigungselement für eine Gewindeverbindung, beispielsweise eine Schraube, eine Mutter od. dgl, mit einem Körperteil, der ein mit einem Werkstück in Eingriff tretendes Ende und eine mittlere Achse aufweist, wobei an dem genannten Ende eine ringförmige Anordnung von vorragenden Zähnen gebildet ist, von denen jeder eine obere Anschlagfläche besitzt, und wobei die Anschlagflächen auf einer zur mittleren Achse des Befestigungselementes symmetrischen kegelstumpfmantelförmigen Fläche liegen, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagflache (30) jedes Zahnes (31) dreieckförmige Gestalt hat, deren Spitze (40) in größerem Ausmaß als ihre Basis (34) von dem genannten Ende des Körpers vorragt

2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (40) der dreieckförmigen Anschlagflächen (30) näher an der mittleren Achse (X-X) des Körperteiles des Befestigungselementes liegen als die Basen (34).

3. Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die in Löserichtung gerichtete Seitenkante (42) jeder dreieckförmigen Anschlagfläche (30) in einem Winkel zu einer zur Mittelachse (X-X) des Körperteiles des Befestigungselementes radial verlaufenden Linie liegen.

4. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Vertiefung (Zahnwurzel 47) zwischen benachbarten Zähnen (31) in Richtung von der Basis (34) zur Spitze (40) der dreieckförmigen Anschlagfläche (30) zunehmend größer wird.