DE2822928A1

DE2822928A1 - Sperrzahnschraubelement

Info

Publication number: DE2822928A1
Application number: DE19782822928
Authority: DE
Inventors: Carl-Otto Dipl Ing Bauer; Ernst Bode; Karl Diehl
Original assignee: Bauer & Co Carl GmbH
Current assignee: Bauer & Co Carl GmbH
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1979-11-29
Also published as: FR2426825A2; GB1592275A; DE2822928B2; DE2822928C3; FR2402099A1

Description

DiPt.-iNG. LUDEWIG · dipl.-phys. BUSE · dipl.-phys. MENTZEL

WUPPERTAL 2 UNTERDÖRNEN 114 RUF (0202) 5536 11/12

77 Kennwort:"Sperrzahnschraubelement II"

Firma Carl Bauer GmbH & Co, 5600 Wuppertal-Cronenberg

Sperrzahnschraubelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sperrzahnschraubelement, wie Kopfschraube bzw. Mutter, das an der gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter einen Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung erstreckender sägezahnförmiger Vorsprünge aufweist, die beim Anziehen des Schraubelementes sich in Abhängigkeit von dessen axialer Spannung, der wirksam werdenden Auflageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eindrücken, bis die beim Eindrücken größer werdenden Auflageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teilbereiche der in Anzugsdrehrichtung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame Auflagefläche des Schraubelementes bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter verlaufen und mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes bilden, wobei

nach Patent (Patentanmeldung P 26 10 747.1-12) die

Größe der Gesamtsperrfläche in Abhängigkeit vom Spannungsquerschnitt gesetzt ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet. Bei diesen bekannten SperrZahnschraubelementen berechnet sich die Ge samt sperr fläche A_or) nach der Formel

^d2
A_sp = 2,3 Ag . ^₀ . tan phi.

Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch dieser Sperrzahnschraubelemente senkt sich die sägezahnförmige Auflage entsprechend der Festigkeitsdifferenz zwischen Bauteil

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und Sperrzahnschraubelement unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der Verzahnungsebene des Last-Widerstandsgleichgewichtes die der Grenzflächenpressung entsprechende Auflage- und Sperrflächengröße einstellt. Die in dieser Weise hergestellten Sperrzahnschraubelemente benötigen für die gleiche Verspannkraft ein geringes Anziehdrehmoment, weisen einen geringen Setzbetrag auf, so daß der Vorspannkraftverlust gering ist und die Dauerhaltbarkeit sich erhöht. Weiterhin wird eine stabile Zahnform erzielt, da die sägezahnförmigen VorSprünge einen flachen Rückenwinkel aufweisen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sperrzahnschraubelement der eingangs erläuterten Art zu schaffen, bei dem die axiale Schraubenkraft und das Losdrehmoment allein von den sägezahnförmigen Vorsprüngen übertragen wird, wobei die Größe des Setzbetrages so gering wie möglich ist und das innere Losdrehmoment des Schraubelementes von den mit den rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge zusammenwirkenden Teilen des Bauteiles ohne Verformung derselben aufgenommen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gesamtsperr fläche Α_ςρ sich berechnet nach der Formel

^2d2
A_sp = 2,3 A_s . ^ . tan phi,

wobei A_q der Spannungsquerschnitt,

D der Zahnkranzaußendurchmesser, D₁ der Zahnkranzinnendurchmesser, d_? der Gewindeflankendurchmesser und phi der Gewindesteigungswinkel ist.

Es wird dabei ausgegangen von der Erkenntnis, daß gleich große Schraubenkräfte bei gleicher Schraubelementgeometrie ein der Schraubenkraft proportionales, berechenbares Losdrehmoment erzeugen und sowohl die Auflageflächen als auch die Sperrflächen eine dem Tragvermögen der verspannten Teile (Grenzflächenpressung)

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angepaßte Größe benötigen. Nach der Erfindung ausgelegte Schraubelemente haben in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine Auflagegröße vom 2,3-fachen des Spannungsquerschnittes und eine entsprechend große, dem inneren Losdrehmoment angepaßte Sperrfläche. Die Mindestfestigkeit der verspannten Teile kann somit bis zum 1:2,3-fachen unter der Festigkeit des Schraubelementes liegen, ohne daß die Grenzflächenpressung überschritten wird. Bei im Rahmen dieser Grenzen liegenden Festigkeitsdifferenzen senkt sich die sägezahnförmige Auflage unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der Verzahnungsebene des Last-Widerstandsgleichgewichtes die der Grenzflächenpressung entsprechende Auflage- und Sperrflächengröße einstellt. Die in dieser Weise hergestellten Sperrzahnschraubelemente benötigen für die gleiche Verspannkraft ein geringeres Anziehdrehmoment, weisen einen geringeren Setzbetrag auf, so daß der Vorspannkraftverlust geringer wird, und die Dauerhaltbarkeit sich erhöht. Weiterhin wird eine stabilere Zahnform erzielt, da die sägezahnförmigen Vorsprünge einen flachen Rückenwinkel aufweisen.

Diese Erkenntnisse verbinden erstmalig Anforderungen an die Größe der Auflageflächen unter Ausnutzung der bewährten Relationen von genormten Sechskantschrauben mit der bisher unbabhängig davon behandelten Gestaltung der Zahnform, um die sichere Aufnahme des nur durch das Gewinde bestimmten inneren Losdrehmomentes sicher zu verwirklichen. Durch diese wechselseitige Bestimmung und Optimierung auf die unterschiedlichen Aufgaben der Sperrzahnschrauben gerichtete Gewährleistung der erforderlichen Vorspannkraft, der ausreichenden Auflagefläche auf den verspannten Teilen, der geringsten Setzbeträge und der sicheren Aufnahme des inneren Losdrehmomentes wird in Auswertung der genormten Abmessungen die kleinstmögliche, trotzdem höher als bisher wirksame Sperrζahnschraube entwickelt.

Die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen

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und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes beträgt mindestens das 1,4-fache und vorzugsweise das 2,3-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes. Sperrzahnschraubelemente müssen aus einem Material gefertigt sein, dessen Oberflächenfestigkeit um mindestens 30%-40% größer ist als die Oberflächenfestigkeit des Bauteiles, damit die sägezahnförmigen Vorsprünge sich in das Bauteil einarbeiten und nicht von dem Bauteil eingeebnet werden. Daraus ergibt sich, daß die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes mindestens das 1,4-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubeelementes betragen muß. Dies bedingt jedoch, daß für jedes Bauteil besondere Schraubelemente entsprechend der tatsächlichen Festigkeitsdifferenz erforderlich wären. Zu Anpassung an die üblichen Gewinde- und Schraubennormen ist es daher vorteilhaft, die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes um das 2,3-fache größer auszubilden als den Spannungsquerschnitt des Schraubelementes. Die Festigkeit des Schraubelementes kann somit um meist mehr als 30% größer sein als die Festigkeit des Bauteiles.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt und zwar zeigen:

Fig.1 eine erfindungsgemäße Sperrζahnschraube in Seitenansicht, teilweise weggebrochen und vergrößertem Maßstab,

Fig.2 eine Ansicht gegen die Unterseite des Kopfes gesehen und

Fig.3 das Profil der sägezahnförmigen Vorsprünge am äußeren Rand des Bundes.

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Auf der Zeichnung ist eine Kopfschraube M10 im vergrößertem Maßstab dargestellt. Der Gewindebolzen 10 weist dabei einen Nenndurchmesser von d=10 mm auf. Der Gewindebolzen 10 weist an seinem einen Ende einen Sechskant-Kopf 11 auf. Die dem nicht näher dargestellten Bauteil zugekehrte Seite des Kopfes 11 ist dabei mit einem Bund 12 verbreitert. An der gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter 13 ist ein Kranz 14 mit im wesentlichen quer zur Drehrichtung verlaufender sägezahnförmiger Vorsprünge 15 vorgesehen. Beim Anziehen der Kopfschraube drücken sich diese in Abhängigkeit von dessen axialer Schraubenkraft, der wirksam werdenden Anlageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen der Kopfschraube und dem Bauteil in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles ein, bis die beim Eindrücken größer werdenden Anlageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teile der schwach geneigt zur Ringschulter 13 und in Anzugsdrehrichtung ansteigend verlaufenden Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 die in Spannrichtung wirksame Anlageflächen der Kopfschraube bilden. Die rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter 13 und bilden mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes.

Wie insbesondere aus der Fig.2 ersichtlich, verlaufen die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 beim dargestellten Ausführungsbeispiel schwach bogenförmig und unter einem Winkel von 25° zur radialen Ebene. Natürlich können die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 auch geradlinig und genau radial verlaufen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zahnrückenwinkel 1,53° und zwar annähernd über die gesamte Länge eines jeden sägezahnförmigen Vorsprunges 15, so daß die Zahntiefe am äußeren Rand größer ist als am Innendurchmesser des Zahnkranzes 14.

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Sperrzahnschraubelemente müssen eine um 30% größere Festigkeit aufweisen als das zu verspannende Bauteil. Dadurch ist gewährleistet, daß beim Anziehen des Sperrzahnschraubelementes die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich in das Bauteil eindrücken und nicht das Bauteil die sägezahnförmigen Vorsprünge einebnet. Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes muß somit mindestens das 1,4-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes betragen. Bei Muttern und Kopfschrauben mit glatter Auflagefläche beträgt die Anlagefläche das 1,65-fache des Spannungsquerschnittes A_. Dies ist erforderlich, damit die Schraubelemente einen größeren Bereich von Festigkeitsdifferenzen zwischen Schraubelement und Bauteil erfassen können. Damit die erfindungsgemäßen Sperrzahnschraubelemente in etwa einen gleichen Bereich erfassen können, wird der Faktor 1,65 ebenfalls benutzt. Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes beträgt somit vorzugsweise das 2,3-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes. Bei der dargestellten Kopfschraube M10 beträgt der Spannungsquerschnitt A₀, entsprechend

den Normblättern, 58 mm . Entsprechend dem Faktor 2,3 beträgt die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vor-

2
Sprüngen 15 A₁^ = 132 mm .

Damit der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 immer vollständig gegen die Oberfläche des Bauteiles zur Anlage kommt, weist der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 einen sich aus dem maximalen genormten Lochdurchmesser und der Differenz zwischen dem maximalen genormten Lochdurchmesser und dem Nenndurchmesser des Gewindes sich ergebenden Innendurchmesser D₁ auf. Bei der dargestellten M10-Schraube beträgt der Durchmesser des maximalen genormten Durchgangsloches 11 mm. Der Zahnkranzinnendurchmesser D₁ beträgt somit 12 mm. Aus der Fläche des Zahnkranzes 14 und dem Innendurchmesser des Zahnkranzes ergibt

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sich der Außendurchmesser des Zahnkranzes 14 mit der Größe von 19 mm.

Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 ist dabei derart ausgebildet, daß die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich bis zum Zahngrund in das Bauteil einarbeiten, sofern die Festigkeit des Schraubelementes um das 2,3-fache größer ist als die Festigkeit des Bauteiles. Falls die Festigkeitsdifferenz geringer ist, arbeiten sich die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 entsprechend der vorgegebenen Schraubenkraft weniger tief in das Bauteil ein, so daß von den Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 nur Teile zur Anlage kommen. Sofern die Festigkeit des Schraubelementes gegenüber der Festigkeit des Bauteiles größer ist als das 2,3-fache, dann ist ein Schraubelement geringerer Güte zu nehmen.

Beim Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 in die Oberfläche des Bauteiles werden, wie bereits erwähnt, unterschiedlich große Teile der Seitenfläche 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 als Anlageflächen wirksam. Das Eindringen ist dabei abhängig von der axialen Schraubenkraft, der wirksam werdenden Anlageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil. Das Einarbeiten erfolgt dabei so lange, bis die beim Eindrücken größer werdenden Anlageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnimmt. Je größer die Teile der Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 als Anlageflächen werden, um so größer werden auch die Teile der rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15, die zur Aufnahme des inneren Losdrehmomentes vorgesehen sind. Erfindungsgemäß weisen die rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 lediglich eine solche Gesamtgröße auf, daß die beim Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 in das Bauteil als Sperrflächen wirksam werdenden Teile der rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 auf die entsprechenden Gegenflächen des Bauteiles durch das

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innere Losdrehmoment eine solche Flächenpressung ausüben, die, die Festigkeit des Bauteiles soweit wie möglich ausnutzend, von den Gegenflächen ohne Verformung aufgenommen wird.

Nach Paland lassen sich die "inneren-Losdrehmomente" berechnen. Seine Veröffentlichung "Sicherheit der Schrauben-Muttern-Verbindung bei dynamischer Axialbeanspruchung" mündet für das größte "innere-Losdrehmoment" in der Formel

^d2
Mj. = - Fg . γ- . tan phi,

für das Sicherungsmoment in der Formel

^d2
"si ^{= F}s · T ' ^{tan phi}·

Die das innere Losdrehmoment bzw. Sicherungsmoment bestimmende Schraubenkraft F_ ist eine vom Spannungsquerschnitt des Gewindes Ag und von der Schraubenstreckgrenze (Schraubengüte) abhängige Größe, der nach den vorangestellten Erläuterungen eine - die mögliche Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und versapnntem Bauteil berücksichtigende - Auflagefläche von Ajy. = 2,3 A₁-. zugeordnet ist. Ersetzt man F„ durch die ihr adäquate Flächengröße 2,3 A₀, so führt die bisherige Sicherungsmomentenformel zu dem - gegen das Losdrehmoment zu richtenden Widerstandsmoment

^d2

Mp = 2,3 Ag . j- . tan phi.

Nach dem Einsetzen der Hebellänge, über die dieses Widerstandsmoment wirken kann, kommt man zu der Formel für die erforderliche Sperrflächengröße. Als Hebellänge ist dabei der Hebelarm zwischen Drehachse des Schraubelementes und dem Mittelpunkt der Sperrfläche

zu nehmen. „,

2d₂

^ASP ^{= 2}'^{3 A}S OTD * ^tan

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D ist dabei der Zahnkranzaußendurchmesser, D1 der Zahnkranzinnendurchmesser,
d₂ der Gewinde-Flankendurchmesser und phi der Gewindesteigungswinkel.

Bei der dargestellten M10-Schraube beträgt die Größe der

2 maxxmal erforderlichen Sperrfläche 3,9 mm . Da die Länge der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Zahnkranzes 14 festliegt und bei der dargestellten M10-Schraube 2,5 mm beträgt, ergibt sich für sämtliche sägezahnförmigen Vorsprünge 15 eine Gesamthöhe von 1,56 mm. Die Anzahl der s«. gezahnf örmigen Vorsprünge 15 kann nun frei gewählt werden. Die Anzahl der Zähne sollte jedoch möglichst groß sein, da durch die Vergrößerung der Anzahl der Zähne der Setzbetrag und damit der Vorspannkraftverlust verringert wird. Wie bereits erläutert, bildet der Setzbetrag die Amplitude für schwingende Belastungen. Diese Amplitude sollte so klein wie möglich gehalten werden, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.

Bei der dargestellten M10-Schraube wurde die Anzahl der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 mit 16 gewählt. Die Höhe des einzelnen Zahnes beträgt dabei 0,1 mm. Solche Zähne können mit den üblichen Fertigungsmethoden noch wirtschalftlich hergestellt werden. Der Zahnrückenwinkel beträgt am Außendurchmesser des Zahnkranzes 1,53°. Diese geringe Zahnrückenneigung gewährleistet für die Spitze der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 die erforderliche Festigkeit. Durch die geringe Zahnrückenneigung ist zur Erzielung der vorgegebenen Schraubenkraft des Schraubelementes ein geringeres Anziehdrehmoment erforderlich, da das Anziehdrehmoment mit dem Größerwerden des Winkels der Zahnrückenneigung ansteigt.

Wie bereits erwähnt, ist die dargestellte Ausführung lediglich eine beispielsweise Verwirklichung der Erfindung und diese nicht darauf beschränkt. Vielmehr sind noch mancherlei andere Ausführungen und Abänderungen möglich. Mit der angegebenen Formel

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läßt sich die erforderliche Gesamtsperrflächengröße errechnen. Eine Verkleinerung der errechneten Gesamtsperrflächengröße wird bei bestimmten Festigkeitsdifferenzen zwischen Schraubelement und Bauteil am Bauteil solche Sperrflächen bewirken, die das innere Losdrehmoment des Schraubelementes nicht mehr aufnehmen können. Eine Vergrößerung der Gesamtsperrflächengröße zumindest bis zu der sich aus dem Hauptpatent ergebenden Formel

^d2 A_sp = 2,3 A_s . ^ . tan phi

ist jedoch möglich, da die hierbei erzielten Vorteile im wesentlichen gleich sind.

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Leerseite

Claims

PATEN-ANWÄLTE 282^928

dipping. LUDEWIG · dipl-phys. BUSE · dipl.-phys. MENTZEL

WUPPERTAL 2 UNTERDORNEN 114 RUF (0202) 5536 11/12

Kennwort: "Sperrzahnschraixbelement II"

Anspruch:

Sperrzahnschraubelement, wie Kopfschraube bzw. Mutter, das an der gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter einen Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung erstreckender sägezahnförmiger Vorsprünge aufweist, die beim Anziehen des Schraubelementes sich in Abhängigkeit von dessen axialer Spannung, der wirksam werdenden Auflageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eindrücken, bis die beim Eindrücken größer werdenden Auflageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teilbereiche der in Anzugsdrehrichtung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame Auflagefläche des Schraubelementes bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter verlaufen und mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes bilden, wobei nach

Patent (Patentanmeldung P 26 10 747.1-12) die

Größe der gesamten Sperrfläche in Abhängigkeit vom Spannungsquerschnitt gesetzt ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet, dadurch gekennzeichnet , daß die Gesamtsperrfläche A_gp sich berechnet nach der Formel

2d₂
A_sp= 2,3 A₈ . -. tan phi,

§09848/0202 -2-

A_a der Spannungsquerschnitt, D der Zahnkranzaußendurchmesser, D1 der Zahnkranzinnendurchmesser, d₂ der Gewindeflankendurchmesser und phi der Gewindesteigungswinkel ist.

_M -> I .

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