DE2822928B2

DE2822928B2 - Sperrzahnschraubelement

Info

Publication number: DE2822928B2
Application number: DE19782822928
Authority: DE
Inventors: Carl-Otto Dipl.-Ing. Bauer; Ernst Bode; Karl Diehl
Original assignee: Carl Bauer & Co 5600 Wuppertal GmbH
Current assignee: Carl Bauer & Co 5600 Wuppertal GmbH
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1980-06-12
Also published as: FR2402099A1; FR2426825A2; DE2822928C3; DE2822928A1; GB1592275A

Description

Λορ =

tan phi.

wobei

As der Spannungsquerschnitt,

D der Zahnkranzaußendurchmesser, der Zahnkranzinnendurchmesser, der Gewindeflankendurchmesser und

phi der Gewindesteigungswinkel ist

sperrfläche in Abhängigkeit vom Spannungsquerschnitt gesetzt ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet. Bei diesen bekannten Sperrzahnschraubelementen berechnet sich die Gesamtsperrfläche Asp 5 nach der Formel

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 Vorsprung aufweist, die beim Anziehen des Schraubelements sich in Abhängigkeit von dessen axialer Spannung, der wirksam werdenden Auflageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteils eindrücken, bis die beim Eindrücken größer werdenden Auflageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teilbereiche der in Anzugsdrehrichlung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame Auflagefläche des Schfäübelcmenls bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägeza'införmigen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht zur Ringschultcr verlaufen und mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteils eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrchmoments bilden, wobei nach Patent 26 10 747 die Größe der Gesamt- = 2,3 A_s

D-D_x

-— ' tan phi.

Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch diesem Sperrzahnschraubelemente senkt sich die sägezahnförmige Auflage entsprechend der Festigkeitsdifferenz zwischen Bauteil und Sperrzahnschraubelement unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der Verzahnungsebene des Last-Widerstands-Gleichyewichtes 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 aiJein von den sägezahnförmigen Vorsprüngen übertragen wird, wobei die Größe des Setzbetrages so gering wie möglich ist und das innere Losdrehmoment des Schraubelements von den mit den rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge zusammenwirkenden Teilen des Bauteils ohne Verformung derselben aufgenommen wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Gesamtsperrfläche 45p sich berechnet nach der Formel

= 2,3/1,

D + D₁

tan phi.

wobei

As der Spannungsquerschnitt, D der Zahnkranzaußendurchmesser. D\ der Zahnkranzinnendurchmesser,

di 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) angepaßte Größe benötigen. Nach der Erfindung ausgelegte Schraubelemente haben in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine Auflagegröße vom 23fachen des Spannungsquerschnitts und eine entsprechend große, dem inneren Losdrehmoment angepaßte Sperrfläche. Die Mindestfestigkeit der verspannten Teile kann somit bis zum I : 2,3fachen unter der Festigkeil des Schraubelemenis 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 ir; der Verzahniingsebene des Last-Widerstands-Gleichgewichtes die der Grenzflächenpressung

entsprechende Auflage- und Sperrfläehengrööe 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 unabhängig davon behandelten Gestaltung der Zahnform, um die sichere Aufnahme des nur durch das Gewinde bestimmten inneren Losdrehmoments sicher zu verwirklichen. Durch diese wechselseitige Bestimmung und Optimierung auf die unterschiedlichen Aufgaben der Sperrzahnschrauben gerichtet Gewährleistung der erforderlichen Vorspannkraft, der ausreichenden Auflagefläche auf den verspannten Teilen, der geringsten Setzbeträge und der sicheren Aufnahme des inneren Losdrehmoments wird in Auswertung der genormten Abmessungen die kleinstmögliche, trotzdem höher als bisher wirksame Sperrzahnschraube entwickelt.

Die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteils für die axiale Spannkraft des Schraubelements beträgt mindestens das l,4fache und vorzugsweise das 2Jfache des Spannungsquerschnitts des Schraubelements. Sperrzahnschraubelemente müssen aus einem Material gefertigt sein, dessen Oberflächenfestigkeit um mindestens 30 bis 40% größer ist als die Oberflächenfestigkeit des Bauteils, 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 Bauteils für die axiale Spannkraft des Schraubelements mindestens das l.4fache des Spannungsquerschnitts der Schraubelements 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 sägezahnfcrmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteils für die axiale Spannkraft des Schraubelements um das 2,3fache größer auszubilden als den Spannungsquerschnitt des Schraubelements. Die Festigkeit des Schraubctemenls kann somit um meist mehr als 30% größer sein als die Festigkeit des Bauteils.

Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt, und zwar zeigt

F i g. 1 eine erfindungsgemäße Sperrzahnschraube in Seitenansicht, teilweise weggebrochen und vergrößertem Maßstab,

F i g. 2 eine Ansicht gegen die Unterseite des Kopfes gesehen und

F i g. 3 das Profil der sägezahnförmigen Vorsprünge am äußeren Rand des Bundes.

Auf der Zeichnung ist eine Kopfschrsube MIO im vergrößerten Maßstab dargestellt. Der Gewindebolzen 10 weist dabei einen Nenndurchmesser von d = 10 mm auf. Der Gewindebolzen 10 weist an seinem einen Ende einen Secliskant-Kopf Il auf. Die dem nicht näher dargestellten Bauteil zugekehrte Seite des Kopfes Il ist dabei mit einem Bund !? verbreitert. An der gegen das

ίο

zu verspannende Bauteil gerichteten Ringschulter 13 ist ein Kranz 14 mit im wesentlichen quer zur Drehrichtung verlaufender sägezahnförmiger Vorsprönge 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 Bauteils 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 wirksamen 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 Bauteils eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmoments.

Wie insbesondere aus der F i g. 2 ersichtlich, verlaufen die sägezahnförmigen Vorsprünge *3 beim dargestellten Ausführungsbeispiel schwach bogenförmig und unter einem Winke! von 25° zur radialen Ebene. Natürlich können die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 auch geradlinig und genau radial verlaufen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Zahnrückenwinkel 133°, und zwar annähernd über die gesamte Länge eines jeden sägezahnförmigen Vorsprungs 15, so daß die Zahntiefe am äußeren Rand größer ist als am Innendurchmesser des Zahnkranzes 14.

Sperrzahnschraubelemente müssen eine um 30% größere Festigkeit aufweisen als das zu verspannende Bauteil. Dadurch ist gewährleistet, daß beim Anziehen des Sperrzahnschraubelements die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich in das Bauteil eindrücken und nicht das Bauteil die sägezahnförmigen Vorspriinge 15 einebnet. Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die Anlageflächengröße des Bauteils für die axiale Spannkraft des Schraubelements muß somit mindestens das 1,4fcche des Spannungsquerschnitts des Schraubelements betragen. Bei Muttern und Kopfschrauben mit glatter Auflagefläche beträgt die Anlagefläche das l,65fache des Spannungsquerschnitts As- Dies ist erforderlich, damit die Schraubelemente cnnen 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 sägezahnformigen Vorsprüngen 15 und damit die AnJageflächengrößs des Bauteils für die axiale Spannkraft des Schraubelements beträgt somit vorzugsweise das 2,3fache des Spannungsquerschnitts des Schraubelements. Bei der dargestellten Kopfschraube M10 beträgt der Spannungsquerschnitt As entsprechend den Normblättern 58 mm². Entsprechend dem Faktor 2,3 beträgt die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 Ak = 132 mm².

Damit der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorspriingen 15 immer vollständig gegen die Oberfläche des Bauteils zur Anlage kommt, weist dtr Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 einen sich aus dem maximalen genormten Lochdurchmesser und der Differenz zwis.-hen dem maximalen genormten Lochdurchmesser und dem Nenndurchmesser des Gewindes sich ergebenden Innendurchmesser l)\ auf.

Bei der dargestellten MlO-Schraube beträgt der Durchmesser des maximalen genormten Durchgangsloches Il mm. Der Zahnkranzinnendurchmesser D\ beträgt somit 12 mm. Aus der Fläche des Zahnkranzes t4 und dem Innendurchmesser des Zahnkranzes ergibt 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 Schraubelements um das 2Jfache größer ist als die Festigkeit des Bauteils. 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 Schraubelements gegenüber der Festigkeit des Bauteils größer ist als das 2_3fache, dann ist ein .Schraubelement geringerer Güte zu nehmen.

Beim Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge

15 in die Oberfläche des Bauteils werden, wie bereit« erwähnt, unterschiedlich große Teile der Seitenflächen

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 aufnehmen. 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 Losdrehmoments 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 Bauteils durch das innere Losdrehmoment eine solche Flächenpressung ausüben, die, die Festigkeit des Bauteils 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-Varbindung bei dynamischer Axialbeanspruchung« mündet für das größte »innere-Losdrehmoment« in der Formel

Af _L = — F₅ ■ -y- · tan phi.
für das Sicherungsmoment in der Formel

;Vfχ, = F₅ · -y- ■ tan phi.

Die das innere Losdrehmoment bzw. Sicherungsmoment bestimmende Schraubenkraft Fs ist eine vom Spannungsquerschnitt des Gewindes As und von der Schraubenstreckgrenze (Schraubengüte) abhängige Größe, der nach den vorangestellten Erläuterungen eine — die mögliche Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und verspanntem Bauteil berücksichtigende — Auflagefläche von A_K = 23 As zugeordnet ist Ersetzt man Fs durch die ihr adäquate Flächengröße 2.!/Us fuhrt die bisherige Sicherungsmomentenformei /u cierr — gegen das l.osdrehmoment zu richtenden
Widerstandsmoment

\/„ = 2.3 ^

tan phi .

Nach dem F.inseizen der Hebellänge, über die diese Widerstandsmoment wirken kann, kommt man zu clei Formel für die erforderliche Sperrflächengröße. Al Hebellänge ist dabei der Hebelarm zwischen Drehachse des Schraubelements und dem Mittelpunkt der .Sperrflä ehe zu nehmen

tun phi

D ist dabei der Zahnkranzaußendurchmesser.

D\ der Zahnkranzinnendurchmesser,

.'" H₂ der Gewindeflankendurchmesser und

phi der Gewindesteigungswinkel.

Bei der dargestellten MlO-Schraube beträgt di< Größe der maximal erforderlichen Sperrfläche 3,9 mm

_>-, Da die Länge der sägezahnförmigen Vorsprünge \'. durch den Innendurchmesser und den Außendurchmes ser des Zahnkranzes 14 festliegt und bei de dargestellten MlO-Schraube 25 mm beträgt, ergibt siel für sämt'iche sägezahnförmigen Vorsprünge 15 eint

jo Gesamthöhe von 1,56 mm. Die Anzahl der sägezahnför migen Vorsprünge 15 kann nun frei gewählt werden Die Anzahl der Zähne sollte jedoch möglichst groß sein da durch die Vergrößerung der Anzahl der Zähne de Setzbetrag und damit der Vorspannkraftverlust verrin

ι-, gert wird. V'^;c bereits erläutert, bildet der Setzbetraf die Ampli'üdc für schwingende Belastungen. Dies« Amplitude sollte so klein wie möglich gehalten werden um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.

Bei der dargestellten MlO-Schraube wurde die

in Anzahl der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 mit K gewählt. Die Höhe des einzelnen Zahnes beträgt dabe 0,1 mm. Solche Zähne können mit den üblicher Fertigungsmethoden noch wirtschaftlich hergestell werden. Der Zahnrückenwinkel beträgt am Außen durchmesser des Zahnkranzes 1,53°. Diese geringe Zahnrückenneigung gewährleistet für die Spitze dei sägezahnförmigen Vorsprünge 15 die erforderlich« Festigkeit. Durch die geringe Zahnrückenneigung is zur Erzielung der vorgegebenen Schraubenkraft de: Schraubelements ein geringeres Anziehdrehmomen erforderlich, da das Anziehdrehmoment mit derr Größerwerden des Winkels der Zahnrückenneif-.ng ansteigt

Mit der angegebenen Formel läßt sich die erfordern ehe Gesamtsperrflächengröße errechnen. Eine Verkleinerung der errechneten Gesamtsperrflächengröße wire bei bestimmten Festigkeitsdifferenzen zwischer Schraubelement und Bauteil am Bauteil solche Sperrflä chen bewirken, die das innere Losdrehmoment dei Schraubelements nicht mehr aufnehmen können. Eine Vergrößerung der Gesamtsperrflächengröße zumindes bis zu der sich aus dem Hauptpatent ergebenden Forme

A_SP = 23 A_s

• tan phi

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

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

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 Schraubelements 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 Schraubelements bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnfci Tilgen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter verlaufen und mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteils eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmoments bilden, wobei nach Patent 26 10 747 die Größe der gesamten Sperrfläche in Abhängigkeit vom Spannungsauerschnitt gesetzt ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtsperrfläche Asp sich berechnet nach der Formel