DE2822928C3

DE2822928C3 - Sperrzahnschraubelement

Info

Publication number: DE2822928C3
Application number: DE19782822928
Authority: DE
Inventors: Ernst Bode
Original assignee: Carl Bauer & Co 5600 Wuppertal De GmbH
Current assignee: Carl Bauer & Co 5600 Wuppertal De GmbH
Priority date: 1977-09-01
Filing date: 1978-05-26
Publication date: 1981-03-12
Also published as: DE2822928B2; FR2402099A1; FR2426825A2; DE2822928A1; GB1592275A

Description

A_SP = 2,3 A₅

tan phi.

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wobei

As der Spannungsquerschnitt,

D der Zahnkranzaußendurchmesser,

D\ der Zahnkranzinnendurchmesser.

di der Gewindeflankendurchmesser und phi der Gewindesteigungswinkel ist.

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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 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 Anzugsdrehrichtung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame Auflagefläche des Schraubelements bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen 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 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 Gesamtsperrfläche Asp nach der Formel

= 2,3.4c

D-D,

• tan phi.

Beim bestimmungsgemäßen Gebrauch dieser Sperrzahnschraubelemente senkt sich die sägezahnförmige Auflage entsprechend dar Festigkeitsdifferenz zwischen Bauteil und Sperrzahnschraubelement unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der Verzahnungsebene des Last-Widerstands-Gleichgewichtes 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 Regt 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 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 Asp sich berechnet nach der Formel

= 2,3 A_s

Id₁ D + D,

tan phi.

As der Spannunpsquerschnitt,

D der Zahnkranzaußendurchmesser.

D\ der Zahnkranzinnendurchmesser.

di der Gewindeflankendurchmesser und

phi der Gewindesteigungswinkel ist.

Es wird dabei ausgegangen von der Erkenntnis, daß

v> gleich große Schraubenkräfte bei gleicher Schraubeleirentgeometrie 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 e<ne Auflagegröße vom 2,3fachen des Spannungsquerschnitts und eine entsprechend große, dem inneren Losdrehmoment angepaßte Sperrfläche. Die Mindestfestigkeit der verspannten Teile kann somit bis zum l:2,3fachen unter der Festigkeit des Schraubelements liegen, ohne daß die Grenzflächenpressung überschritten wird. Bei im Rahmen dieser Grenzen liegenden Festigkeitsdifferen-

bi zen senkt sich die sägezahnförmige Auflage unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der Verzahnungsebene des Last-Widerstands-Gleichgewichtes 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 unU 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 Losdrehraoments 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 Losdrehmome.its 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 Scliraubelements beträgt mindestens das l,4fache und vorzugsweise das 2 jfache 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 1,4fache des Spannungsquerschnitts des Schraubelements betragen Muß. Dies bedingt jedoch, daß für jedes Bauteil besondere Schraubelemente entsprechend der tatsächlichen Fe-Itigkeitsdifferenz erforderlich wären. Zu Anpassung an die üblichen Gewinde- und Schraubennormen ist es daher vorteilhaft, die Flächengröße des Kranzes mit den »ägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße des Bauteils für die axiale Spannkraft des Schraubelements um das 23fache größer auszubilden als den Spannungsquerschnitt des Schraubelements. Die Festigkeit ues Schraubelements 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.

Fi 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 Kopfschraube MIO im vergrößerten Maßstab dargestellt. Der Gewindebolzen 40 weist dabei einer. Nenndurchmesser von d = 10 mm auf. Der Gewindebolzen 10 weist an seinem einen Ende einen Sechskant-Kopf Λ 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 Kingschulter 13 i&t 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 Bauteils ein, bis die beim Eindrücken größer werdenden

ίο 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 Kopf schraube bilden. Die rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigeii Vorsprünge 15 verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter 13 und bilden mit ihren in dit Oberfläche des zu verspannenden Bauteils eingedrückt.;.· Teilen Sperrflächen für die Auf nähme des Losdrehmome: .ts.

Wie insbesondere aus der F i g. 2 ersichtlich, verlaufen die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 beim dargestellten Ausfühningsbeispiel schwach bogenförmig und unter e^:nem Winkel von 25^C zur radialen Fbene.

Natürlich könner 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 Vorsprungs 15, so

so daß die Zahntiefe an äußeren Rand größer ist a's 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 Vorsprung^.· 15 einebnet Die Fiächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die AnUgeflächerigröße des Bauteils für die,axiale Spannkraft des Scnraubelements muß somit mindestens das l,4fache 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 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 d^n lägezahnförmigen Vorsprüngen-15 und damit die Anlageflächengröße des Bauteils für die axiale Spannkraft des Sch: lubelements beträgt somit vorzugsweise das 2,3fache des Spannungsquerschnitts des Schraubelements. Bei der dargestellten Kopfschraube M10 beträgt der Spannungsquerschnitt /!^entsprechend den Normblättern j8 mm². Entsprechend dem Faktor 2,3 beträgt die Flächengröße des Kranzfs 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 Ak = 132 mir².

Damit der Kranz 14 mit den sägeeahnförmigen Vorsprüngen 15 immer vollständig gegen die Oberfläche des Bauteils zur Anlage kommt, weist der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 einen sich

tu aus dem maximalen genormten Lochdurchmesser und der Differenz zwischen dem maximalen genormten Lochdurchmesser und dem Nenndurchmesser des Gewindes sich ergebenden Innendurchmesser D\ auf.

Bei der dargestellten MIO-Schraube beträgt der Durchmesser des maximalen genormten Durchgangsloches 11 mm. Der Zahnkranzinnendurchmesser D\ beträgt somit 12 mm. Aus der Fläche des Zahnkranzes

14 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 uii 'as 2.3fache 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

SrhraiihelpmpnK gpgpniihpr der Fpuigkpit dps RaiitpiU

größer ist als das 2.3fache. dann ist ein Schraubelement geringerer Güte zu nehmen.

Beim Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprunge

15 in die Oberfläche des Bauteils werden, wie bereits 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 Sciicimac'neii i7 uer bägezarHiioriiiigen vorsprunge 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-Verbindung bei dynamischer Axialbeanspruchung« mündet für das größte »innere-Losdrehmoment« in der Formel

M, = - F_x · -~- · tan phi.
für das Sicherungsmoment in der Formel

•"Si ⁼ Fs ■ ^ ■ 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 Ak = 23 As zugeordnet ist. Ersetzt man Fs durch die ihr adäquate FlächengröUe 2.3 As. so führt die bisherige Sicherungsmomentenformel zu dem — gegen das Losdrehmoment zu richienden — Widerstandsmoment

M_n. = 2.3/1,

tan phi .

Nach dem Einsetzen der Hebellänge, über die dieses Widerstandsmoment wirken kann, kommt man zu der ίο Formel für die erforderliche Sperrflächengröße. Als Hebellänge ist dabei der Hebelarm zwischen Drehachse des Schraubelements und dem Mittelpunkt der Sperrflache zl; nehmen

Π + D,

lan phi .

ist dabei der Zahnkranzaußendurchmesser.
Oi flor ZahnkrarmnnpnHiirrhmp^pr

d-i der Gewindeflankendurchmesser und
phi der Gewindesteigungswinkel.

Bei der dargestellten MIO-Schraube beträgt die Größe der maximal erforderlichen Sperrfläche 3,9 mm². Da die Länge der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Zahnkranzes 14 festliegt und bei der dargeste"ten MIO-Schraube 2,5 mm beträgt, ergibt sich für sämtliche sägezahnförmigen Vorsprunge 15 eine Gesamthöhe von 1,56 mm. Die Anzahl der sägezahnförmigen 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 Seubetrag die Amplitude für schwingende Belastungen. Diese Amplitude sollte so klein wie möglich gehalten werden, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.

Bei der dargestellten MIO-Schraube wurde die Anzahl der sägezahnförmigen Vorsprunge 15 mit 16 gewählt. Die Höhe des einzelnen Zahnes beträgt dabei 0,1 mm. Solche Zähne können mit den üblichen

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werden. Der Zahnrückenwinkel beträgt am Außendurchmesser des Zahnkranzes 1,53". Diese geringe Zahnrückenneigung gewährleistet für die Spitze der sägezahnförmigen Vorsprunge 15 die erforderliche Festigkeit. Durch die geringe Zahnrückenneigung ist zur Erzielung der vorgegebenen Schraubenkraft des Schraubelements ein geringeres Anziehdrehmoment erforderlich, da das Anziehdrehmoment mit dem Größerwerden des Winkels der Zahnrückenneigung ansteigt.

Mit der angegebenen Formel 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 Schraubelements nicht mehr aufnehmen können. Eine Vergrößerung der Gesamtsperrflächengröße zumindest bis zu der sich aus dem Hauptpatent ergebenden Formel

= 2.3

D-D₁

-fr- 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 sägezahnförmipen Vorsprünge die in Achsrichtung wirksame .Auflagefläche des Schraubelements bilden, während die rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen 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 Spannungsquerschnitt gesetzt ist und die Zahnhöhe den Wert von 0,1 mm nicht unterschreitet dadurch gekennzeichnet, daß die Ges».ntsperrfläche Asp sich berechnet nach der Formel