DE2649077A1

DE2649077A1 - Konische federnde unterlagscheibe

Info

Publication number: DE2649077A1
Application number: DE19762649077
Authority: DE
Inventors: Michio Abe
Original assignee: KINOSHITA SEIKI KK
Current assignee: KINOSHITA SEIKI KK
Priority date: 1975-10-28
Filing date: 1976-10-28
Publication date: 1977-05-12
Also published as: AU513190B2; CA1048914A; JPS5267450A; AU1903376A; DE2649077C2; FR2329888A1; US4103725A; FR2329888B1; GB1539230A

Description

Lied!. Noih, Zeitler

Patentanwälte

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B 8045

KINOSHITA SEIKI KABUSHIKI KAISHA

No. 541, Kata-machi, Sujikaibashi, Fukakusa, Fushimi-ku,

Kyoto-shi, Kyoto-fu / JAPAN

Konische federnde Unterlagscheibe

Die Erfindung betrifft eine konische federnde Unterlagscheibe, insbesondere zum Festziehen einer Schraube oder Mutter an einem zu befestigenden Gegenstand.

n/g 709819/0283

Als Beilagscheiben für Schrauben oder Muttern gibt es eine große Anzahl von Ausführungsformen. Es gibt flach ausgebildete Beilagscheiben, federnde Beilagscheiben, gewellte, gezahnte und konische Beilagscheiben. Die bekannten Beilagscheiben sind jedoch in vieler Hinsicht in der Praxis nicht ausreichend und relativ teuer.

Das hat seinen Grund darin, daß bei der Herstellung von bekannten Beilagscheiben bzw. Unterlagscheiben die unbedingt notwendige Klemmkraft und die Auflagespannung zu wenig berücksichtigt werden. Dies sind jedoch wesentliche Parameter beim Gebrauch von Befestigungsmitteln. Auch hat man das Drehmoment, welches beim Festziehen zur Erzielung einer ausreichenden Klemmkraft und einer ausreichenden Auflagespannung notwendig ist,sowie die Vereinfachung der Steuerungsmöglichkeit des Festziehens technologisch zuwenig untersucht.

Herkömmliche Schrauben und Muttern erfüllen ihre Funktionen als Befestigungsmittel dann, wenn sie in entsprechend gesteuerter Weise festgezogen werden. Bei den herkömmlichen Festziehverfahren ist jedoch die Überwachung bzw. das Steuern des Festziehens der Schrauben und Muttern ziemlich kompliziert, da das notwendige Drehmoment für die Schrauben bzw. die Muttern sich ziemlich stark ändern kann. Dies hängt im wesentlichen vom Material und auch von der Wärmebehandlung, welcher der zu befestigende Gegenstand unterworfen ist, ab. Auch spielen die Berührungsflächen an den Schrauben bzw. Muttern und an dem zu befestigenden Gegenstand eine Rolle. Darüber hinaus ist noch das Mitdrehen der Unterlagscheibe beim Festziehen der Schrauben bzw. Mutter in Betracht zu ziehen.

Schrauben und Muttern sollen als Befestigungsmittel in der Regel in der Weise wirken, daß ein unbeabsichtigtes Lösen derselben unter allen Umständen vermieden wird.

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Bei Befestigungsmitteln, wie Schrauben oder Muttern, ist es noch wichtig, daß bei Schwingungsbelastungen oder Erschütterungen neben der notwendigen Klemmkraft sie im Bereich ihrer Berührungsflächen mit dem zu befestigenden Gegenstand keine anhaltende Beanspruchung erfahren.

Um die Gefahr einer derartigen andauernden Beanspruchung zu vermeiden, ist der Bereich der Auflagefläche des Schraubenbolzenkopfes oder der Mutter entsprechend ausgebildet und kann den verschiedenen zu befestigenden Gegenständen angepaßt sein.

Aus dem vorstehenden Grund ist eine Unterlagscheibe erforderlich, welche einen konstanten Reibungswiderstand zwischen der Auflagefläche des Schraubenkopfes oder der Mutter und der oberen Berührungsfläche der Unterlagscheibe und zwischen der unteren Berührungsfläche der Unterlagscheibe und der Berührungsfläche des zu befestigenden Gegenstandes aufrecht erhält. Diese Reibungskraft ist unabhängig vom Material des zu befestigenden Gegenstandes. Die Unterlagsscheibe weist eine bestimmte Fläche und Dicke auf, so daß sie eine geeignete Auflagedruckbeanspruchung ohne Schlupf zwischen der unteren Berührungsfläche der Unterlagsscheibe und der Berührungsfläche des zu befestigenden Gegenstandes aufweist, wobei verschiedene notwendige Klemmkräfte jeweils berücksichtigt werden. Es ist auch möglich, eine Unterlagsscheibe als Blockiermittel zu verwenden, wobei in der Löserichtung der Schraube bzw.der Mutter ein hoher Reibungswiderstand besteht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine konische federnde Unterlagescheibe zu schaffen, welche relativ wirtschaftlich herstellbar ist und eine äußerst einfache Konstruktion aufweist, wobei von ihr die im vorstehenden aufgezählten Anforderungen erfüllt werden.

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Zur Lösung dieser Aufgabe zeigt die Erfindung eine konische federnde Unter lags scheibe zum Festziehen einer Schraube oder Mutter an einem zu befestigenden Gegenstand mit einem konischen Federkörper mit oberen und unteren Berührungsflächen, welche dadurch gekennzeichnet ist, daß an der unteren Berührungsfläche des Federkörpers mehrere Feststellklauen nach unten abstehen, von denen jede in Festziehrichtung der Schraube bzw. Mutter eine flach ansteigende Flanke und in Löserichtung der Schraube bzw. Mutter eine steil abfallende Flanke aufweist.

Vorteile der Erfindung sind darin zu sehen, daß die sogenannte Rotationswinkelmethode, welche ein spezielles Steuerverfahren zum Anziehen einer Schraube bzw. Mutter ist, sich einfach anwenden läßt.

Die an der unteren Berührungsfläche des konischen Federkörpers angeordneten Klauen können sich in der benachbarten Fläche des zu befestigenden Gegenstandes verankern, so daß eine Drehbewegung zwischen der Unterlagsscheibe und dem zu befestigenden Gegenstand verhindert wird. Darüber hinaus wird die Befestigungskraft, welche von der Schraube oder Mutter ausgeübt wird, nicht gelockert. Dies gilt selbst dann, wenn eine geringe Lockerung zwischen dem zu befestigenden Element und dem Schraubenkopf bzw. der Auflagefläche der Mutter stattfindet.

In den beiliegenden Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Anhand dieser Figuren soll die Erfindung noch näher erläutert werden. Es zeigen:

Fig. 1 einen Rohling für eine konische federnde Unterlagscheibe,

welcher aus einem dünnen Blechmaterial gestanzt ist;

Fig. 2 ein Ausführungsbeispiel einer konischen federnden Unter

lagscheibe gemäß der Erfindung, welche aus dem in der Fig. 1 dargestellten Rohling gefertigt ist;

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Fig. 3 einen Querschnitt entlang der Schnittlinie 3-3 der Fig.

Fig. 4 einen Teilschnitt entlang der Linie 4-4 in der Fig. 2;

Fig. 5 eine perspektivische Ansicht eines Teiles der unteren

Berührungsfläche der Unterlagscheibe, wobei eine der Klauen dargestellt ist;

Fig. 6 eine ähnliche Ansicht wie in Fig. 5, jedoch mit einer

anders gestalteten Klaue;

Fig. 7 und 8 Unterlagscheiben in verschiedenen Betriebsstellungen, wobei die Fig. 7 eine Stellung vor dem Festziehen zeigt und die Fig. 8 eine Stellung nach dem Festziehen;

Fig. 9 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit von Drehmo

ment und Spannung für die Unterlagscheibe zeigt und

Fig. 10 ein Diagramm, welches die Abhängigkeit von. Drehmo

ment und Spannung für eine herkömmliche, mit einem Flansch versehene Schraube zeigt.

Das in den Fig. 1 bis 5 dargestellte Ausführungsbeispiel einer konischen federnden Unterlagscheibe 10 gemäß der Erfindung ist durch Bearbeiten eines Rohlings in einer Transferpresse hergestellt. In dieser Transferpresse wird zunächst ein Rohling 11 (Fig. 1) aus einem dünnen Blechmaterial mit Hilfe eines Stanzwerkzeuges ausgestanzt. Dieser Rohling besitzt einen mittleren Schraubenlochkreis 12 und wird tellerähnlich verformt. Der so verformte Rohling wird an einer Seitenfläche, insbesondere auf der oberen Flanke 13, mit sechs im gleichen Abstand voneinander angeordneten dreieckigen Ausnehmungen 18 versehen. Wie aus den

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- W-

Fig. 2 bis 5 zu ersehen ist, sind diese Ausnehmungen sowohl in der Draufsicht als auch im Querschnitt dreieckig ausgebildet. Dadurch, daß die dreieckigen Ausnehmungen 18 in die obere Berührungsfläche 13 eingeformt werden, ergeben sich den Ausnehmungen 18 entsprechende Krallen bzw. Klauen 15 in der gleichen Anzahl. Diese sind in die untere Berührungsfläche 14 eingeformt.

Danach wird der so geformte Rohling wärmebehandelt und der Herstellungsvorgang der konischen federnden Unterlagscheibe 10 ist beendet.

Die dreieckigen Befestigungsklauen 15 auf der unteren Berührungsfläche besitzen jeweils eine leicht ansteigende Flanke 16, deren Neigungswinkel innerhalb eines Winkelbereiches von 10° bis 45° sein kann. Diese flach ansteigende Flanke erstreckt sich in Festziehrichtung der Mutter bzw. des Schraubenkopfes. Ferner besitzt jede Klaue eine steil abfallende Flanke 17, deren Neigungswinkel innerhalb eines Bereiches von 60 bis 90 liegen kann. Diese Flanke erstreckt sich in der Löserichtung der Mutter bzw. des Schraubenkopfes.

Jede Klaue 15 besitzt eine Spitze 19, welche der äußeren Umfangsfläche der Unterlagscheibe 10 näher liegt als der inneren Umfangsfläche bzw. dem Schraubenlochkreis, wie aus der Fig. 5 zu ersehen ist. Die Spitzen 19 der Klauen 15 sind in rechten Winkeln zu der unteren Berührungsfläche 14 der Unterlagscheibe ausgerichtet, wie es die Fig. 5 darstellt. Sie können auch in rechten Winkeln zu der Bezugsebene der Unterlagscheibe ausgerichtet sein. Die Festziehrichtung der Mutter bzw. des Schraübenbolzens ist durch einen Pfeil A in der Fig. 5 angezeigt.

Die dreieckigen Klauen 15 in den Fig. 2 bis 5 können eine etwas andere Form noch besitzen. Eine modifiziert ausgebildete Klaue 20 ist in der

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Fig. 6 dargestellt. Jede dieser modifzierten Klauen 20 auf der unteren Berührungsfläche 14 besitzt eine flach und allmählich ansteigende Flanke 21 und eine steil abfallende Flanke 22. Die Richtungen dieser Flanken sind die gleichen wie bei der vorbeschriebenen Klaue 15. Die Festziehrichtung der Mutter bzw. der Schraube ist in der Fig. 6 durch den Pfeil A angegeben.

Das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel einer Unterlagscheibe 10 ist in einer Transferpresse hergestellt. Die Unterlagscheibe kann jedoch auch mit Hilfe eines Formwerkzeuges in irgendeiner anderen Weise hergestellt werden.

Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Unterlagscheibe 10 soll im folgenden anhand der Fig. 7 bis 10 erläutert werden.

In den Fig. 7 und 8 ist ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Unterlagscheibe 10 zwischen einem mit einem Flansch versehenen Schraubenbolzen 30 und einem zu befestigenden Gegenstand 32 angeordnet. Die Spitzen 19 der dreieckigen Klauen 15 auf der unteren Berührungsfläche 14 erstrecken sich über die Bezugsebene der Unterlagscheibe hinaus. Die Spitzen ragen dabei mit einem Abstand t. über die Bezugsebene der Unterlagscheibe hinaus. Beim allmählichen Anziehen des Schraubenbolzens 30 in Richtung auf den zu befestigenden Gegenstand 32 zu graben sich die Spitzen 19 der Feststellklauen 15 in den zu befestigenden Gegenstand 32 ein, wobei sie elastisch verformt werden. Nach Beendigung des Anziehvorganges beträgt der Abstand der Spitzen der Klauen von der Bezugsebene der Unterlagscheibe t„, welcher geringer ist als der Abstand vor dem Anziehvorgang.

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Die Ausnehmungen 18 auf der oberen Berührungsfläche 13 der Unterlagscheibe 10 treten bei der Drehung des Schraubenbolzens 30 nicht mit der Auflagefläche des Schraubenbolzens während des Festziehens des Schraubenbolzens in Wechselwirkung. Die Ausnehmungen 18 wirken jedoch in der Weise, daß die Bereiche 13a auf der oberen Berührungsfläche 13 der Unterlagscheibe, welche unmittelbar neben den steilen Flächen bzw. Flanken der Ausnehmungen 18 liegen, elastisch nach oben gedrückt werden. Dieser Verformungsabstand beträgt t„, wenn das Anziehen der Schraube beendet ist. Auf diese Weise wird verhindert, daß der Schraubenbolzen 30 in die Löserichtung sich verdreht.

Die Klemmwirkung des Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Unterlagscheibe 10 soll im folgenden noch näher erläutert werden.

Die Beziehung zwischen der notwendigen Klemmkraft P (bzw. Axialkraft) beim Anziehen einer Schraube und das Anziehdrehmoment T (im folgenden als Drehmoment T bezeichnet), welches zur Erzielung der notwendigen Klemmkraft P dient, kann wie folgt wiedergegeben werden:

T = K-D-P (1)

K den Drehmomentskoeffizienten, P die notwendige Klemmkraft,
D den Schraubendurchmesser

bedeuten.

In der Gleichung (1) ist der Drehmomentskoeffizient Keine Funktion des Reibungskoeffizienten zwischen der Schraube und der benachbarten Fläche des zu befestigenden Gegenstandes sowie abhängig vom Koeffizienten, der durch die Steigung und die halben Winkel des Gewindes festgelegt ist. Es kann hierfür folgende Beziehung aufgestellt werden:

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ΊΟ

:_Q (2)

Hierbei bedeuten

Kj die Reibungskonstante zwischen den Auflageflächen,
K- die Reibungskonstante zwischen den ineinandergreifenden Gewinden,

K₃ eine Konstante, welche die axiale Kraft, welche für
verschiedene Schraubengewinde aufzuwenden ist, berücksichtigt.

Im allgemeinen weisen diese Koeffizienten zueinander folgende Relativwerte auf:

K₁: 50%
K₂: 40%
K₃: 10%

Aus dem vorstehenden ergibt sich, daß der Faktor, welcher am meisten das notwendige Drehmoment T zur Erzielung einer ausreichenden Klemmkraft P beeinflußt, der Faktor K₁ ist. Dieser hängt vom Reibungswiderstand im Berührungsbereich der festzuziehenden Auflageflächen ab. Der Grad der Rauheit, die Härte des Materials, die Art der Gewinde und die Ausbildung der Berührungsflächen, welche aufeinander zu liegen kommen, spielen hierbei eine Rolle. Die Zusammenhänge sind, insbesondere wenn sie mikroskopisch betrachtet werden, äußerst kompliziert. Der Wert des Drehmomentskoeffizienten K kann daher innerhalb eines breiten Bereiches liegen, welcher sich von 0,1 - 0,35 erstreckt. Dies gilt im wesentlichen für den Fall, daß eine Unterlagscheibe zusammen mit einer
Schraube verwendet wird.

In den Fig. 7 und 8 ist die Verwendung eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Unterlagscheibe 10 zur Befestigung eines Gegenstandes mittels eines mit einem Flansch versehenen Schraubenbolzens gezeigt.

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Λλ

Der Bolzen 30 besitzt einen Schaftdurchmesser von 10 mm. Die notwendige Klemmkraft beträgt 4.000 kg (die Bolzenfestigkeit beträgt 110 kg/mm²). Der Flanschdurchmesser beträgt 20 mm. Die Unterlagscheibe besteht aus gehärtetem Stahl mit 0,6 % Kohlenstoff anteil und hat einen Durchmesser von 22 mm. Die Dicke der Unterlage ehe ibe beträgt 1 mm und die Höhe t^ beträgt 0,3 mm (dies ist der Abstand der Spitzen 19 der Klauen 15 von der Bezugsebene der Unterlagscheibe). Die zu befestigenden Gegenstände 32 bestehen aus unlegiertem Stahl, Gußeisen, Aluminiumguß (T_ß-behandelt) und Duraluminiumguß. Die Ergebnisse dieser Beispiele für die Anwendung der Unterlagscheibe 10, wie sie in den Fig. 7 und 8 dargestellt ist, sind in den Diagrammen der Fig. 9 und 10 wiedergegeben, wobei die Spannung (axiale Kraft) gegenüber dem Drehmoment aufgetragen ist. In den Fig. 9 und 10 bedeuten P die Klemmkraft (Tonnen), T, das Festziehdrehmoment (kg-m) und T₁ die Lösekraft (kg-m).

Aus Fig. 9 ist zu ersehen, daß bei Verwendung der Unterlagscheibe 10 bei der Befestigung von Gegenständen 32 aus unterschiedlichen.Materialien der Koeffizient des Festziehdrehmomente K in allen Fällen ist:

Koeffizient des Festziehdrehmomentes K, = 0,242 - 0,255.

Wenn man andererseits Gegenstände aus unterschiedlichen Materialien wie beispielsweise Gußeisen, Stahl, Gußaluminium (T„-behandelt) und Duraluminiumguß lediglich unter Verwendung eines mit einem Flansch versehenen Schraubenbolzens ohne Unterlagscheibe gemäß der Erfindung befestigt, ergeben sich die in der Fig. 10 angegebenen Beziehungen zwischen dem Drehmoment und der Spannung (axiale Kraft). Die Koeffizienten der Festziehdrehmomente K hierfür sind:

K. für Gegenstände aus Gußeisen und Stahl = 0,180 - 0,215

K für Gegenstände aus Gußaluminium (T_ß-behandelt) = 0,200 - 0,266

K. für Gegenstände aus Duraluminiumguß = 0,180 - 0,350

(eine Befestigung war nicht möglich)

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Wenn weiterhin herkömmliche flache Unterlagscheiben und herkömmliche konische federnde Unterlagscheiben mit dem gleichen Durchmesser wie die federnde Unterlagscheibe 10 gemäß der Erfindung, jedoch ohne Klauen 15 verwendet worden sind, ergab sich häufig ein sogenannter "Schlupf" zwischen den Berührungsflächen der herkömmlichen Unterlagscheiben und den zu befestigenden Gegenständen. Die Werte für die Koeffizienten der Festziehdrehmomente waren in einigen Fällen unter den im vorstehenden angegebenen Bereichen.

Es hat sich herausgestellt, daß das Verhältnis von Lösedrehmoment zu Festziehdrehmoment T .,/T, etwa 70 - 80 % für konische federnde Unterlagscheiben 10 gemäß der Erfindung beträgt und 50 - 60 % für herkömmliche Unterlagscheiben. Hieraus wird deutlich, daß die konische Unterlagscheibe 10 gemäß der Erfindung eine hohe Widerstandskraft gegenüber Lösen der Schraube bzw. Mutter aufweist.

Die konische federnde Unterlagscheibe 10 gemäß der Erfindung kann auch durch einen einfachen Preßvorgang aus einem dünnen Blechmaterial oder aus Duraluminium für Federn oder aus einer Kupferlegierung aus rostfreiem Stahl und dgl. hergestellt werden. Die Abmessungen der konischen federnden Unterlagscheibe gemäß der Erfindung hängt von den Abmessungen,von der Stärke, von der notwendigen Klemmkraft, dem notwendigen Auflagedruck des Schraubenbolzens ab, und die konische federnde Unterlagscheibe kann dementsprechend bemessen werden.

Die Klauen 15 der konischen federnden Unterlagscheibe 10 befinden sich auf der unteren Berührungsfläche 14. Sie weisen zueinander gleiche Abstände auf. Es können beispielsweise vier bis neun Klauen vorgesehen sein. Die Klauen 15 können als wirkungsvolle Markierungen bei der Steuerung bzw. Überwachung des Anziehens von Schrauben bzw. Muttern dienen, da sie bei der Anwendung der sogenannten Drehwinkelmethode

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vorteilhaft sind. Wenn man beispielsweise sechs Klauen 15 an der unteren Berührungsfläche 14 im gleichen Abstand voneinander vorsieht, beträgt der Winkelabstand zwischen benachbarten Klauen 15 60 . Wenn die Klauen 15 in unterschiedlichen Winkelabständen, wie beispielsweise 30 , 60°, 90 und 120 angeordnet sind, eignen sie sich vorzüglich zur Bestimmung des Rotationswinkels.

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Claims

Pate ntansprüche

J.. / Konische federnde Unterlagscheibe zum Festziehen einer Schraube oder Mutter an einem zu befestigenden Gegenstand mit einem konischen Federkörper mit oberen und unteren Berührungsflächen, dadurch ge kennzeichnet, daß von der unteren Berührungsfläche (14) des konischen Federkörpers mehrere Klauen (15, 20) abstehen, von denen jede in Festziehrichtung der Schraube bzw. Mutter eine flach ansteigende Flanke (16, 21) und in Löserichtung der Schraube bzw. Mutter eine steile Flanke (17, 22) aufweist.
2. Unterlagscheibe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Klauen (15, 20) auf der unteren Berührungsfläche (14) in gleichen Winkelabständen voneinander angeordnet sind.
3. Unterlagscheibe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Spitzen (19) der Klauen (15, 20) näher zum Außenumfang der Scheibe liegen.
4. Unterlagscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge ke nnze ichnet, daß die Klauen (15, 20) mit unterschiedlichen Winkelabständen voneinander auf der unteren Berührungsfläche (14) angeordnet sind.
5. Unterlagscheibe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge ke nnze ichnet, daß die flach ansteigende Flanke (16, 21) einer jeden Klaue (15, 20) einen Neigungswinkel von etwa 10 bis 45 und die steil abfallende Flanke (17, 22) einen Winkel von etwa 60° bis 90° aufweist.

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