DE2739714A1

DE2739714A1 - Mutter mit eigener drehmomentbegrenzung

Info

Publication number: DE2739714A1
Application number: DE19772739714
Authority: DE
Inventors: Josef F Volkmann
Original assignee: Hi Shear Corp
Current assignee: Hi Shear Corp
Priority date: 1976-09-02
Filing date: 1977-09-02
Publication date: 1978-03-09
Also published as: FR2363723B1; JPS5331056A; JPS6025646B2; CA1057541A; DE2739714C2; FR2363723A1; US4068555A; GB1588895A

Description

PATENTANWÄLTE <J r-j ^ Q rj Λ /

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. _ tr ^. DIPL.-INC.

HI-SHEAR CORPORATION an-hi-23

1. September 1977 Se/stg

Mutter mit eigener Drehmomentbegrenzung

Die Erfindung betrifft eine Mutter mit eigener Drehmomentbegrenzung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Muttern mit eigener Drehmomentbegrenzung sind aus dem Stande der Technik bekannt, z.B. die verbreitete HI-LOK-Mutter de3 US-Patents 2 94o 495 (Wing). Andere Patente dieser allgemeinen Gattung: US-PS 3 285 119 (Dean), US-PS 3 ¹O¹J 379 (Wing), US-PS 3 449 998 (Wing).

Außerdem gibt es drehmomentbegrenzende Verbindungen, bei denen das Drehmoment mittels relativ zueinander drehbarer Reibflächen begrenzt wird. Hierzu gehören kanadisches Patent 6 6o 63o, US-Patente.755 8o4, 2 458 391, 3 369 441 und DT-AS 1 165 292.

Auch gibt es Lösungen mit gegenseitigem mechanischen Eingriff, z.B. GB-PS 3 245 81 und US PS 3 425 314.

Darüber hinaus gibt es Anordnungen, bei denen ein Antriebsring und eine Mutter mittels eines Scherstifts verbunden sind, der bei einer vorbestimmten Belastung abschert. Ein Beispiel hierfür gibt das US-Patent 3 191 486 (Gibbens).

Alle Lösungen aus dem bekannten Stand der Technik sind in irgendeiner Weise nachteilhaft. Einrichtungen, die aus einem Stück gefertigt sind, erfordern, daß ein Antriebsabschnitt weggeworfen

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-707 SCHWÄBISCH CMÜND GEMEINSAME KONTEN D-β MÜNCHEN 70

Ti-If fön: (07 171/ 56 90 Dtutidic Bjnk München 70/37 369 ( ÜLZ 700 700 1 O ) Telefon : (C 89) 77 «9 St SCHROETER Telegramme: Schroepit Sch»jbisth Gmund 02/00 535 ( BLZ 6 I 3 700 86 ) K.LEHMANN Telegnmm:: Schroepit

jfiut 49 Telei: 7241161 pagdd PoMidieckkonto München 1679 41-804 LipowiiyKraße 10 Telex: 5 212 248 pave d

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wird, der aus einem Material der gleichen Art und ebeneo teuer wie das der Mutter selbst ist, z.B. aus Titan. Es wäre ein wirtschaftlicher Vorteil, den tragenden Teil aus einem hochfesten und den Wegwerfteil aus einem bedeutend weniger teueren, auch weniger festen Material, z.B. aus Kunststoff zu fertigen. Darüber hinaus würde sich auch die Möglichkeit eröffnen, die Fertigung selbst zu vereinfachen, wenn man eine selbst drehmomentbegrenzende Einrichtung aus zwei verschiedenen statt aus einem einheitlichen Material herstellen würde, wodurch der Drehmomentgrenzwert durch Parameter bestimmbar ist, die weniger schwer einzuhalten sind, als die des Materials des Mutternabschnitts selbst.

Ebenso ist es vorteilhaft, sich auf andere al3 Reibungskräfte für die Drehmomentbegrenzung zu verlassen, und ebenso, die Verminderung der Mutternfestigkeit durch gebohrte Löcher zur Aufnahme von Scherstiften zu vermeiden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Mutter mit eigener Drehmomentbegrenzung zu schaffen, die bei einfacher Herstellbarkeit einen hohen Grad der Zuverlässigkeit der Drehmomentbegrenzung erreicht.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe in erster Linie durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Diese Ausbildung hat den Vorteil, daß für eine Mutter mit eigener Drehmomentbegrenzung das Material des Mutternkörpere frei wählbar ist, während das Material des Antriebsrings aus einem anderen Material, vorzugsweise Kunststoff bestehen kann, der bei einem vorbestimmten Drehmoment bricht und den Mutternkörper an seiner Stelle beläßt, so daß er keiner weiteren Drehmomentanwendung unterliegt.

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Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß es möglich ist, eine Mutter mit eigener Drehmomentbegrenzung an beliebige gewünschte einzuhaltende Drehmomentwerte anzupassen.

In der nachfolgenden Beschreibung sind zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen Fig. 1 einen Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie 2-2 der Fig. 1 Fig. 3 den Zustand nach der Anwendung eines vorbestimmten

Drehmoments auf den Antriebsring, Fig. 4 einen Teilschnitt durch eine andere Aus führujjgs form der Erfindung.

In Fig. 1 ist eine Verbindungsstelle Io zweier Werkstücke 11 und 12 mit zueinander ausgerichteten öffnungen 13, I¹J gezeigt. Durch die ausgerichteten öffnungen geht der Schaft 15 eines Befestigungselements l6, z.B. eines mit einem Kopf 17 versehenen Schraubbolzens, wobei der Schaft über das Werkstück 11 vorsteht und der Kopf 17 am Werlstück 12 anliegt. Der Schaft 15 hat am Außenumfang ein Gewinde 18, das sich relativ zur Mittenachse axial erstreckt.

Die Verbindung wird durch eine Mutter 25 ergänzt, die von sich aus drehmomentbegrenzende Eigenschaften hat. In Fig. 1 und 2 ist sie in dem Zustand dargestellt, bevor das vorbestimmte Drehmoment auf sie ausgeübt wurde. Diese Mutter 25 weist einen Mutternkörper 26 koaxial zur Mittenachse 19 auf. Außerdem hat sie eine sich axial erstreckende, den Schaft aufnehmende, innere öffnung 27, in der sich ein Gewinde 28 zum Eingriff mit dem Gewinde 18 des Schaftes befindet. Der Mutternkörper 26 ist mit einer Anlagefläche 29 versehen, mittels der der Mutternkörper sich gegen ein Bauteil legen kann, wie es durch das Werkstück . 11 veranschaulicht ist.

Mittels der erfindungsgemäßen Einrichtung sollen die Werkstücke durch Anwendung eines vorbestimmten Drehmoments auf den Mutternkörper zusammengespannt werden, wobei vermieden werden soll , daß der Mutternkörper ein darüber hinaus gehendes Drehmoment

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erhält. Der Mutternkörper hat an seiner Außenseite Eingriffsmittel 3o, die sich in Umfangsrichtung um die Mittenachse erstrecken. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung bestehen diese Mittel aus einer Gruppe von in der Außenfläche geformten Einschnitten oder Kerben 31 und daran anschließenden , nach außen gerichtetenZähne 32. Die Zähne 32 haben vorzugsweise ebene Seitenflächen 33, 34 und eine Kopffläche 35> die vorzugsweise gekrümmt ist. Die Kopfflächen 35 liegen auf oder nahe einer theoretischen zylindrischen Scheroberfläche, die eine Rotationsfläche 36 ist, die durch Drehung um die Mittenach3e erzeugbar ist. Kanten 37, 38 sind an den Kopfflächen 35 ausgebildet, so daß eine saubere Schertrennung begünstigt wird, wie noch später beschrieben wird. Es ist vorteilhaft, eine sich verjüngende Einleitoberfläche 39 vorzusehen, so daß ein Antriebsring, der später noch zu beschreiben ist, bei einer möglichen Art des Zusammenbaus über den Mutternkörper gezogen wird.

Ein Antriebsring 45 steht mit dem Mutternkörper 26 im Eingriff, um auf ihn ein Drehmoment auszuüben. Der Antriebsring ^l5 hat außen drehmomentaufnehmende Oberflächen 46, z.B. eine sechseckige Anordnung von Oberflächen zur Erfassung eines Schraubenschlüssels oder irgendeine andere geeignete Art einer drehmomentaufnehmenden Oberfläche. Der Antriebsring 45 ist ferner mit Eingriffsmitteln 47 versehen, die als Einschnitte oder Kerben 48 an seiner Innenfläche ausgebildet sind und Zähne 32 der Mutter 25 aufnehmen können. Zähne 49 zwischen den Einschnitten oder Kerben 48 des Antriebsrings 45 greifen in Einschnitte oder Kerben 31 der Mutter 25 ein. Vorzugsweise besteht eine Berührung zwischen den vollständigen sich gegenüber liegenden Flächen der Einschnitte und der Zähne an Mutter und Antriebsring. Die Eingriffsmittel 47 können dadurch hergestellt sein, daß der Antriebsring 45 auf den Mutternkörper 26 aufgezogen wird, wobei die Einleitungsoberflächen 39 behilflich sind, so daß die Kerben 48 durch diesen Aufziehvorgang eingeschnitten werden. Es kann aber auch der Antriebsring 45 um die Mutter gegossen werden oder auch ohne Verbindung mit der Mutter gegoseen und über diese gezogen werden.

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Alle di<?se Techniken erzeugen im wesentlichen die gleiche Bauform.

Die Ausdrücke "Kerbe" und "Einschnitt" sind gegenseitig austauschbar gebraucht. Sie bedeuten nutenähnliche Ausnehmungen mit Seitenwänden, die zueinander parallel oder auch geneigt sein können. Der Grund der Nut kann die beiden Seitenwände getrennt halten, in welchem Fall der Ausdruck "Einschnitt" eher zutreffend wäre. Die Seitenwände der Nut können sich jedoch auch unter Bildung einer scharfen Bodenkante treffen (besonders dann, wenn Einschnitte am Mutternkörper vorzusehen sind), in welchem Fall der Ausdruck '.'Kerbe" eher zutreffend wäre. Kombinationen von diesen Formen können ebenfalls Anwendung finden, z.B. eine mit einem scharfen Grund ausgebildete Ausnehmung am Mutternkörper und eine mit einer gekrümmten Bodenfläche ausgebildete Ausnehmung im Antriebsring. Indessen soll im folgenden immer dann, wenn der Ausdruck "Einschnitt" gebraucht wird, auch die Bedeutung für den Ausdruck "Kerbe" mit eingeschlossen sein, ebenso im umgekehrten Fall. In jedem Fall gibt es einen Zahn, der zwischen zwei benachbarten Kerben oder Einschnitten sowohl im Antriebesring als auch im Mutternkörper gebildet wird. Wenn sie aneinander liegen, kann man davon sprechen, daß die Einschnitte und Zähne des Antriebsrings und des Mutternkörpers pausend zueinander sind.

Der Antriebsring enthält von sich aus drehmomentbegrenzende Mittel. Diese bestehen beim Beispiel der Figuren 1 bis 3 aus einem Bereich, in dem eine Abscherung stattfinden soll, damit der Antriebsring sich vom Mutternkörper als Folge der Anwendung des verbestimmten Drehmoments lösen kann. Zu diesem Zweck ist im Beispiel der Fig. 1 der Antriebsring aus einem Msterial gemacht, das eine geringere Scherfestigkeit als das Material des Mutternkörpers selbst hat. Z.B. kann das Material des Antriebsrings aus Poly.ven.tlchlorid, Azetalhomopolymer usw. bestehen, wenn der Mutternkörper aus Stahl oder Titan oder anderem festeren Material besteht. Die Scherwirkung wird an der theoretischen Rotationsfläche 36 eintreten, die durch Drehung einer Erzeugenden um die Mittenachse erzeugbar ist.

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Die Rotationsfläche 36 wird durch die Kopfflächen 35 der Zähne erzeugt, wenn diese sich bewegen, genauer gesagt, durch deren vorauslaufende Kanten 38. Die Seiten sollten nicht so zusammenlaufen, daß sie eine Messerschneide bilden, da eine Abscherung gegenüber einer Abschneidung bevorzugt wird. Deshalb sollte der innere Flächenwinkel zwischen der Seitenfläche 33 oder 34 und der Seitenfläche 35 nicht weniger als etwa 9o° betragen. Daraus ist ersichtlich, daß das Drehmoment, bei dem der Antriebsring sich vom Mutternkörper losschert, durch die Scherfestigkeit der Scherabschnitte bestimmt ist. Diese können ohne weiteres bei Kenntnis ihrer Querschnittsflächen und der Stärke des Materials entworfen werden. Die Flächen können so entworfen werden, daß das Erzeugnis die dadurch gegebenen Eigenschaften von sich aus hat, während die Scherfestigkeit ziemlich genau dadurch eingehalten werden kann, daß die Scherfestigkeit des Materials sorgfältig kontrolliert oder gewählt wird, aus dem der Antriebsring sebst hergestellt wird. Es ist auch ersichtlich, daß der Mutternkörper aus einem hochfesten (gewöhnlich teuren Material) und der Antriebsring aus einem weniger festen (gewöhnlich billigeren) Material bestehen kann, was einen wichtigen wirtschaftlichen Vorteil bedeutet.

Die Fig. M zeigt ein anderes AusfUhrungsbeispiel eines Antriebsrings 55> der zusammen mit dem schon beschriebenen Mutternkörper verwendet werden kann. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind Einschnitte 56 und Zähne 57 gezeigt, die im wesentlichen die gleichen sind, wie sie schon in Fig. 1 bis 3 gezeigt wurden. Indessen besteht bei diesem Beispiel die drehmomentaufnhemende Oberfläche 58 aus einer Fläche an einem Vorsprung oder Finger 59> der eine Trennkraft wie auch eine drehmomentausübende Kraft erzeugt. Die von sich aus drehmomentbegrenzenden Mittel bestehenaus einem Abschnitt 60 einer kleinsten, Zugspannung widerstehenden Fläche, die durch eine Kerbe 6l im äußeren Umfang des Antriebsrings definiert ist. Sie wird durch überschreiten der Zugspannung ausfallen, wenn ein vorbestimmtes Drehmoment auf die Oberfläche 53

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ausgeübt wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel tritt der Ausfall des Antriebsrings durch Beanspruchung in Zugspannung statt in Scherspannung auf.

Die Arbeitsweise der beiden Ausführungsbeispiele sollte aus den vorhergehenden Beschreibungen ersichtlich sein. Die Mutter wird auf den Schraubenschaft gedreht und darufhin ein Drehmoment auf die drehmoment-aufnehmenden Oberflächen 46 oder 58 ausgeübt. Die Rekation der Anordnung gemäß Fig. 1 ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Zunächst, bevor das vorbestimmte Drehmoment erreicht wird, wird das auf die Oberflächen 46 ausgeübte Drehmoment direkt auf den Mutternkörper übertragen und die Anlagefläche 29 gegen das Werkstück 11 zur Anlage gebracht. Wenn sich dae Drehmoment weiter aufbaut, wird schlißlich der Zustand gemäß Fig. 3 erreicht, bei dem die Zähne 49 des Antriebsrings 45 abgeschert und in den Einschnitten 31 der Eingriffsmittel des Mutternkörpers fortgeführt werden. Bruchstücke 62 sind in Fig. dargestellt. Nun ist der Antriebsring 45 lose und kann kein weiteres Drehmoment mehr auf den Mutternkörper ausüben. Dieser ist deshalb beim vorbestimmten Drehmoment angezogen. Dieser Zustand wird durch die Entfernung des Antriebsrings sichtbar gemacht.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig. 4 ist die Rekation im wesentlichen die gleiche mit der Ausnahme, daß beim Erreichen des vorbestimmten Drehmoments der Ausfall im Abschnitt 6o aufgrund der Zugsapnnung anstelle der Scherspannung auftritt. Der Antriebsring 55 kann infolgedessen nicht mehr angetrieben werden.

Die Erfindung hat den zusätzlichen Vorteil, daß nach Beseitigung des Antriebsrings das in den Einschnitten oder Kerben des Mutternringsverbliebene Material entfernt werden kann. Hierauf können die Einschnitte oder Kerben im Mutternkörper durch ein Drehmoment ausübendes Werkzeug zur Entfernung des Mutternkörpers erfaßt werden.

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Durch die Erfindung wird eine verläßliche und billig herstell- und anwendbare Einrichtung zur übertragung eines Drehmoments bis zu einem vorbestimmten Maximalwert geschaffen, bei dem dieser Anordnung selbst zu eigene Begrenzungsmittel nachgeben, um den Antriebring unfähig zu machen, eine weitere anziehende Bewegung auf den Mutternkörper zu übertragen.

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Claims

ι "Mi r-AKwAnt O 7 T Q 7 1 /

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

Dl fL -PH YS ΠΙ PL -INC.

HI-SHEAR CORPORATION an-hi-23

Se/slz

1. September 1977

Patentansprüche

Mutter mit eigener Drehmomentbegrenzunc aus einem Mutternkörper nit einer Mittenachse und einer sich axial erstreckenden öffnung zur Aufnahme eines Schraubenachafts , einem Innengewinde in der genannten öffnung zum Eingriff mit einem dazu passenden Gewinde am Schraubenschaft, einer Anlagefläche an der Mutter zur Anlage gegen eine benachbarte Einrichtung, gegen die die Mutter festziehbar ist, and Eingriffsmitteln, die sich peripher um die Außenseite des Mutternkörpers erstrecken, dadurch gekennzeichnet , daß ein Antriebsring (45; 55) den Mutternkörper (26) umgibt, daß auf dem Antriebsring (45; 55) Eingri f f smitt.el (47) vorgesehen sind, die in die Eingriffsmittel (3o) am Mutternkörper (26) eingreifen, um den Antriebsring (45; 55) und den Mutternkörpei (26) gegen eine relativ zueinander erfolgende Verdrehung um die Achse (19) zu halten, daß am Antriebsring (45; 55) Antriebsmittel (46; 58) vorgesehen sind, mittels der ein Drehmoment auf den Antriebsring (45; 55) zur Drehung der Mutter (25) ausgeübt werden kann, und daß der Antriebsring (45; 55) in sich Begrenzungsmittel (36; 6o) enthält, die durch Ausfall bei einem voroestinrnten Drehmoment das anwendbare Drehmoment begrenzen.

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2. Mutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzungsmittel (6o) aus einem sich radial erstreckenden Abschnitt geringsten Querschnitts bestehen, wodurch der Antriebsring (55) durch überschreiten der Grenzzugspannung in diesem Abschnitt ausfällt, wenn das vorbestimmte Drehmoment angewandt wird.

3. Mutter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Begrenzungsraittel (6o) aus einer Kerbe im Ring (55) bestehen.

4. Mutter nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Eingriffsmittel (3o, 47) sowohl des Mutternkörpers (26) als auch des Antriebsrings (55) aus einer Mehrzahl von Einschnitten (31; 56) mit wenigstens einem Zahn (32; 57) zwischen wenigstens einem Paar benachbarter Einschnitte (31; 56) bestehen.

5. Mutter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Eingriffsmittel (3o, 47) aus einer Mehrzahl von zueinander passenden Einschnitten (31; 48) und Zähnen (32; 49) bestehen, wodurch die Begrenzungsmittel als Mehrzahl von Scher "Abschnitten gebildet werden, die sich auf einer Rotations fläche (36) befinden, die durch Drehung um die Achse (19) erzeugbar ist.

6. Mutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß Einschnitte (31; 48; 56) und Zähne (32; 49, 57) an der Mutter (25)und dem Antriebsring (45) sich axial erstrecken und durch Oberflächen definiert sind, die zur Mittenachse (19) parallel sind, und daß eine Berührung zwischen den Einschnitten (31; 48; 56) und den Zähnen (32; 49; 57) der Mutter (25) und des Antriebsrings (45; 55) in Umfangsrichtung zusammenhängend und über eine

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nennenswerte Länge beider Eingriffsmittel (3o, 47) unmittelbar besteht, wodurch der Antriebsring (45; 55) und die Mutter (25) miteinander in Drehantriebsverbindung stehen.

7. Mutter nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Mutternkörper (26) aus Metall und der Antriebsring (45) aus einem Material geringerer Scherfestigkeit besteht.

8. Mutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Antriebsring (45; 55) aus Kunststoff besteht.

9. Mutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Antriebsring (45; i>5) an die Mutter (25) angegossen ist.

10. Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch g e k e η η · zeichnet , daß der Antriebsring (45; 55) unabhängig von der Mutter geformt und an diese angebracht ist.

11. Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Antriebsring (45; 55) in einem formenden Ziehvorgang über die Mutter (25) gezogen ist.

12. Mutter nach einem der Ansprüche 5 bis H₁ dadurch gekennzeichnet , daß jeder der Zähne (32) wenigstens eine scharfe Kante (38) aufweist.

13. Mutter nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch g e k e nnzeichnet , daß die Oberflächen, die einen Zahn (32) der Mutter (25) definieren, aus einem Paar ebener Seitenflächen (33, 34) und einer gekrümmten Oberfläche (35) bestehen, die die Seitenflächen (33, 34) verbindet, wobei die gekrümmte Oberfläche (35) auf einem gedachten Zylinder (36) liegt, der konzentrisch zur Achse (19) i3t, und daß die gekrümmte Oberfläche (35) mit wenigstens einer der Seitenflächen (34) einen Flächenwinkel von weniger als 9o° bildet.

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1*1. Mutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die EingriffsmiLtel (3o) am Mutternkörper (26) so bemessen und angeordnet sind, daii sie durch ein ein Drehmoment ausübendes Werkzeug erfaßbar sind, um den Mutternkörper (26) von einem verschraubten Objekt entfernen zu können, nachdem der Antriebsring (^5; 55) vom Mutternkörper (26) abgedreht wurde.

15. Mutter nach einem der Ansprüche 6 und 8 bis 14 in Verbindung mit einem der Ansprüche 2 bis ^, dadurch g e k e η η zeichnet , daß am Antriebsring (55) exzentrische Antriebsmittel (58) vorgesehen sind, mittels der auf den Antriebsring (55) ein Drehmoment zur Drehung der Mutter (25) ausübbar ist, und daß diese exzentrischen Antriebsmittel (58) im Anzugsdrehsinn der Mutter (25) vor dem radial angeordneten Abschnitt geringsten Querschnitts liegen.

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