DE2903845A1

DE2903845A1 - Schraubverbindung

Info

Publication number: DE2903845A1
Application number: DE19792903845
Authority: DE
Inventors: Horace Deal Holmes
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-10
Filing date: 1979-02-01
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB2014266A; US4150702A; JPS54121355A; CA1111292A; GB2014266B

Description

PATENTANWÄLTE

SCHAUMBURG, SCHULZ-DÖRLAM & TIIOENES

ZUGELASSENE VERTRETER VOR DEM EUROPÄISCHEN PATENTAMT

Horace D. Holmes
28576 Green Willow
Fannington Hills, Mich. 48018 USA

KARL-HEINZ SCHAUMBURG, OIPL.-INQ. WOLFGANQ SCHULZ-DÖRLAM, INQ. DIPL. DR. DIETER THOENESi DIPL.-PHYS.

7003 ' I.Februar 1979 SBho

S chraubve rbindung

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MAUERKiRCHERSTRASSE 31 · D-8OOO MÜNCHEN 8O · TELEFON (Οβθ) Θ81Θ79 und 0875 31 TELEX 5 22Ο19 ESPAT D

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Die Erfindung betrifft eine Schraubverbindung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Zur Herstellung vibrationsfester und gesicherter Schraubverbindungen hat man beispielsweise Zusatzelemente wie Sicherungsscheiben, Splinte und Leimsicherungen entwickelt. Solche Elemente müssen separat gefertigt und zusätzlich zu Schraube und Mutter bereitgehalten werden. Die Verwendung dieser Elemente erhöht die Kosten insbesondere einer Massenproduktion erheblich. Eine andere Möglichkeit besteht in der Erzeugung eines selbstsichernden Effekts durch Ausbildung flacher gewinkelter Flächen an den beiden Gewindeformen, die unter Erzeugung einer axialen Spannung teleskopartig aufeinander einwirken. Hiermit ist jedoch der Nachteil einer sehr schwierigen und teueren Herstellung im Hinblick auf enge einzuhaltende Toleranzen verbunden. Eine weitere Möglichkeit besteht beispielsweise darin, bei einer Schraubenverbindung die Mutter nach dem Aufschrauben zu verformen.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Schraubverbindung ohne zusätzliche Sicherungselemente anzugeben, die extrem vibrationssicner, d.h. praktisch nicht lockerungsfähig ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß zur Erzielung einer selbsthemmenden Funktion ein fester radialer Kontakt zwischen den beiden Gewindeelementen erforderlich ist, so daß bei Auftreten von Lockerungskräften, d.h. bei Vibrationen, jegliche seitliche Bewegung verhindert wird» Dadurch wird der Zustand hoher Reibung der Gewindeelemente beibehalten

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und eine Lockerung infolge axial einwirkender Spannungen verhindert.

Eine selbsthemmende Schraubverbindung erfordert eine vorgegebene Drehkraft zur gegenseitigen Verdrehung der Gewindeelemente auch bei Fehlen einer axialen Belastung. Dies steht im Gegensatz zu einer frei drehbaren Schraubverbindung, bei der die Drehkraft vor der Entwicklung einer axialen Spannung nur unwesentlich ist.

Bei der Erfindung werden einander zugeordnete Gewindeelemente verwendet, von denen eines am Außendurchmesser normale Flankenschnittwinkel und am Kerndurchmesser Abflachungen oder verkürzte Kanten hat, so daß bei Verschraubung der Gewindeelemente eine feste radiale Verbindung am Eingriffspunkt zwischen der Abflachung und der Spitze des anderen Gewindeelements entsteht. Zusätzlich sind die Gewinde so geformt, daß ein Abstand zwischen einander gegenüberstehenden Flanken vorliegt, um eine Anpassung an eine Materialverformung zu ermöglichen, die durch die Spitze des anderen Gewindeelements während des Verschraubens erzeugt wird.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Mutter vor·*- gesehen, deren Gewindeflanken steiler verlaufen als die entsprechenden Flanken des Schraubengewindes, für das sie bestimmt ist. Dadurch ergibt sich ein Abstand in Längsrichtung zwischen den Spitzen des Schraubengewindes und dem Kern des Muttergewindes, wenn beide miteinander verschraubt sind. Ferner ist über mindestens einen Teil des Kerns des Muttergewindes eine schraubenförmig verlaufende Abstumpfungs-

: ausgebildet, die einen kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser des Schraubengewindes hat, wodurch ein fester radialer Kontakt zwischen beiden Elementen entsteht. Die Bemessung des Kerndurchmessers des Muttergewindes kleiner

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als der Außendurchmesser des Schraubengewindes soll sich nicht nur auf eine Anordnung beziehen, bei der der Durchmesserunterschied wesentlich ist, sondern auch auf eine Anordnung, bei der Differenzen praktisch nicht meßbar sind bzw. bei der die genannten Durchmesser im wesentlichen übereinstimmen. Wegen der normalerweise beim Herstellungsgang erforderlichen Toleranzen ist es jedoch realistisch und zulässig, wenn der Techniker einen merklichen Unterschied der Durchmesser in vorstehend beschriebenem Sinne vorsieht.

Da ein merklicher Durchmesserunterschied zwischen dem Außendurchmesser des Schraubengewindes und dem Kemdurchmesser des Muttergewindes notwendigerweise eine Materialverformung und eine Abflachung oder Verbreiterung des Materials am Außendurchmesser des Schraubengewindes mit sich bringt, wird der durch einen Unterschied der Flankenwinkel beider Gewinde erzeugte Längsabstand erforderlich. Dieser Längsabstand bildet ein schraubenförmiges Volumen eines Abstandsraums, in den das verformte Material eindringen kann. Auf diese Weise wird jede Tendenz zum Festfressen der Schraubverbindung beseitigt oder wesentlich verringert, so daß auch das Lösen einer hergestellten Verbindung nicht schwierig ist.

Ein Gewindebohrer zur Herstellung eines für die Erfindung geeigneten Gewindes hat eine Gewindeform mit einem konstanten Kerndurchmesser über die Arbeitslänge und eine abgeflachte Flankenspitze mit einem flacheren oder kleineren Durchmesser als er normalerweise bei einem Schraubengewinde vorgesehen wird, wobei der Flankenwinkel und die Steigung einander angepaßt sind„ Bei einer weiteren Aüsführungsform ist ein weitgehend konstanter Kemdurchmesser und ein variabler Außendurchmesser vorgesehen, wobei der

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jeweils nachfolgend zum Eingriff kommende Durchmesser größer ist und sich eine Schraubengewindeform ergibt, deren erste Gänge praktisch ungehemmt schraubbar sind und ein sehr leichtes Einsetzen des Werkzeugs möglich ist.· Die danach folgenden Gewindegänge haben dann einen solchen Durchmesser, daß der selbsthemmende Effekt und der feste radiale gegenseitige Eingriff der Gewindeelemente erzeugt wird, der zur Verwirklichung des Grundprinzips der Erfindung notwendig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der Figuren beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 die Seitenansicht einer Schraubverbindung nach der Erfindung mit einer Metallschraube und einer Mutter,

Fig. 2 einen vergrößerten Schnitt der in Fig. 1 gezeigten Schraubverbindung zur Darstellung der Gewindeausbildung und der Entstehung des selbsthemmenden Effekts,

Fig. 3 eine Seitenansicht eines Gewindebohrers zur Herstellung einer Mutter der in Fig. 2 gezeigten Schraubverbindung ,

Fig. 4 eine Stirnansicht des in Fig. 3 gezeigten Gewindebohrers ,

Fig. 5 die Seitenansicht eines weiteren Gewindebohrers, Fig. 6 eine Stirnansicht des Gewindebohrers nach Fig. 5 und

Fig. 7 einen Längsteilschnitt einer weiteren möglichen Gewindeform.

In Fig. 1 ist eine Schraubverbindung dargestellt, die aus einer Metallschraube 10 und einer Mutter 12 gebildet ist. Die Mutter 12 ist auf die Metallschraube 10 so weit aufgeschraubt, daß Merkmale der Erfindung sichtbar werden. Die

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Metallschraube 10 hat einen Kopf mit flachen Seitenflächen 14, die Angriffsflächen für einen Schraubenschlüssel oder ein anderes Drehwerkzeug sind. Ein Schaft 16 ist etwa zur Halfte mit einem Schraubengewinde 18 üblicher Formgebung versehen. Die Spitzen des Gewindes 18 zwischen der Mutter 12 und dem glatten Schaftabschnitt sind durch relativ spitzen Schnittwinkel der Flanken gekennzeichnet. Da die Mutter 12 in noch zu beschreibender Weise erfindungsgemäß ausgebildet ist, ergibt sich eine feste radiale Eingriffskraft zwischen den Spitzen des Schraubengewindes und dem Kern des Muttergewindes. Dies ist auf eine Abflachung der Spitzen an dem Gewindeabschnitt 20 zwischen dem Schaftende 10 und der Mutter 12 zurückzuführen.

Fig. 2 zeigt einen vergrößerten Teilschnitt der in Fig. 1 gezeigten Schraubverbindung und verdeutlicht die Konfigurationen der beiden Gewindeformen, durch die der selbsthemmende Effekt der Schraubverbindung erzeugt wird. Die Schraube 10 ist in üblicher Weise hergestellt und hat eine Gewindeform mit Vorder- und Rückflanken 22 und 24, die übereinstimmende, jedoch, einander entgegengesetzte Schrägungswinkel relativ zur Gewindeachse, d.h. zur Mittellinie der Schraube 10 haben. Die Flanken 22 und 24 bilden mit ihrer Schnittlinie einen schraubenförmig verlaufenden Kern mit einem konstanten Radius RMR über die Arbeitslänge der Schraube 10. Die Flanken 22 und 24 bilden ferner eine relativ scharfe Spitze, die zunächst, d.h. vor dem Zusammenschrauben mit der Mutter 12, einen konstanten Radius RMC über die gesamte Arbeitslänge der Schraube 10 hat.

Die Mutter 12 hat Gewindeflanken 26 und 28, die den entsprechenden Flanken 22 und 24 der Schraube 10 entsprechen, jedoch einander entgegengesetzte Schrägungswinkel haben, die untereinander gleich, jedoch größer als die Winkel der

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Flanken 22 und 24 sind. Dadurch wird zunächst ein Längsabstand zwischen den Flanken der Schraube und den Flanken der Mutter erzeugt, wenn beide miteinander ohne gegenseitigen festen Eingriff verschraubt werden. Zusätzlich hat das Muttergewinde über mindestens einen Teil seiner Länge eine schraubenförmig verlaufende Abflachung 30, die durch eine Verkürzung der Gewindeform gegenüber der Gewindetiefe erzeugt ist, die bei kontinuierlichem, sich schneidenden Verlauf der Flanken 26 und 28 in bisher üblicher Weise entstehen würde. Nahe der einen Seitenfläche 32 der Mutter 12 ist diese Verkürzung minimal bzw. nicht vorhanden, so daß sich ein erster Radius RF1 ergibt, der etwas größer als der Radius RMC ist. Dadurch ist der Anfangseingriff und das. fehlerfreie Verschrauben der Mutter 12 auf dem Gewinde der Schraube 10 möglich. Hierzu reichen etwa 1,5 Umdrehungen aus. Zur anderen Seitenfläche der Mutter 12 hin nimmt die Abflachung jedoch zu, so daß sich dadurch ein zweiter, kleinerer Radius RF2 ergibt, der nicht nur kleiner als der Radius RF1, sondern auch kleiner als der Radius RMC ist. Beispielsweise kann die Differenz von RF1 und RF2 bei einer 7/i6-i4-Schraube in der Größenordnung von 0,017 Zoll (0,43 mm) liegen. Wird die Mutter 12 auf die Schraube 10 um mehr als 1,5 Umdrehungen aufgeschraubt, so ergibt sich ein fester radialer Eingriff zwischen der Spitze des Schraubengewindes und dem Kern 30 des Muttergewindes , wodurch schnell ein selbsthemmender Effekt entsteht. Wird die Mutter 12 immer fester auf die Schraube 10 aufgeschraubt, so werden die scharfen Spitzen des Schraubengewindes verformt und abgeflacht, wie es bei 34 gezeigt ist. Das Material fließt dann in den durch den Längsabstand erzeugten Raum, der zuvor zwischen dem Schrauben- und dem Muttergewinde vorhanden war. Dieser Abstand hat ein ausreichendes Volumen, um das Material des Schraubengewindes bei der Deformation aufzunehmen,und verhindert deshalb jedes Festfressen der beiden Gewindeelemente.

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Selbstverständlich kann der gesamte Gewindekern mit dem Radius RF2 hergestellt werden. In diesem Fall haben vorzugsweise der erste und eventuell auch der zweite Gewindegang der Schraube 10 einen verringerten Durchmesser, um den richtigen Sitz und das richtige Einschrauben der beiden Elemente zu gewährleisten. Falls erwünscht, kann auch ein asymmetrisches Gewinde verwirklicht werden, bei dem die Vorderflanke und die Rückflanke der Gewindegänge unterschiedlichen Schrägungswinkel haben.

In Fig. 3 und 4 ist ein Gewindebohrer 40 dargestellt, der sich zur Herstellung eines Muttergewindes der in Fig. 2 gezeigten Art eignet.

Der Gewindebohrer 40 hat einen länglich-zylindrischen Körper mit Längsrippen 42, die durch vier Längskehlen voneinander getrennt sind. Das rechte Ende des Gewindebohrers 40 hat einen Einführungsabschnitt 46, auf den eine Arbeitslänge folgt, die mindestens zur Hälfte abgeflachte Schneidezähne 48 mit konstantem Steigungs- und Flankenwinkel und mit konstanten Durchmessern aufweist. Dies bedeutet, daß der Durchmesser, gemessen zwischen den Kernen, und der Durchmesser, gemessen zwischen den Spitzen, konstant sind. Das letzte Drittel der Arbeitslänge des Gewindebohrers 40 hat spitze, d.h. nicht abgeflachte Schneidezähne 50, die gleichfalls in einem spiraligen oder schraubenförmigen Muster mit konstantem Steigungs- und Flankenwinkel angeordnet sind, wobei diese Winkel den entsprechenden Winkeln der abgeflachten Zähne 48 gleich sind. Obwohl der kleinere Durchmesser der spitzen Zähne gleich demjenigen der abgeflachten Zähne ist, ist der größere Durchmesser, d.h. der Durchmesserabstand der Spitzen, größer als der größere Durchmesser der abgeflachten Zähne 48. Beim Gewindeschneiden einer Mutter 12, wie sie in Fig» 2 gezeigt ist, sind die abgeflachten Schneidezähne 48 die Elemente, die die

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Abflachung 30 bilden, an der der feste radiale Eingriff mit der Schraube auftritt. Die spitzen Schneidezähne 50 erzeugen die bei der Mutter 12 in Fig. 2 links gezeigte Antangsgewindeform. Die Gewindetiefe wird während des Gewindeschneidens zweckmäßig überprüft.

In Fig. 5 und 6 ist ein weiterer Gewindebohrer 52 gezeigt, der gleichfalls einen länglich-zylindrischen Körper hat und vier Reihen von Schneidezähnen 53 aufweist, die durch Längskehlen 54 voneinander getrennt sind. Der Hauptunterschied zu dem in Fig. 3 und 4 gezeigten Gewindebohrer 40 besteht darin, daß die Schneidezähne über die gesamte Länge des Gewindebohrers abgeflacht sind, so daß sich dann ein Muttergewinde ergibt, das über seine gesamte Länge die in Fig. 2gezeigte Abflachung 30 aufweist. Wie bereits ausgeführt, kann zwar die mit dem Gewindebohrer 52 erzeugte Gewindeform mit verringertem Durchmesser in Verbindung mit einem Schraubengewinde üblicher Art verwendet werden. Vorzugsweise wird jedoch eine Schraube verwendet, die an ihrem Einführungsende ein oder zwei Gewindegänge mit verringertem Durchmesser hat, um anfangs das richtige Einschrauben zu erleichtern.

Die Flankenwinkel der beiden Gewindebohrer UO und 52 sind wesentlich steiler als die Flankenwinkel einer Standardschraube, bei der Steigungswinkel und Gewindedurchrnosser miteinander in konjugierter Beziehung stehen. Ein Unterschied von ca. 15 kann hier beispielsweise in Betracht kommen . Die Schraubverbindung hat dann den in Fig. 2 gezeigten und vorstehend beschriebenen Längsabstand,

Fig. 7 zeigt eine Schraubverbindung mit einer Schraube und einer ihr angepaßten Mutter 62. Die Gewindeform der

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Mutter 62 entspricht bisher üblicher Herstellung mit spiralförmig verlaufenden Flanken 64 und 66, die vor dem Aufschrauben auf die Schraube 60 scharfe Spitzen- und Kernform am Außendurchmesser bzw. Kerndurchmesser bilden. Der Außendurchmesser und der Kerndurchmesser sind über die Arbeitslänge der Mutter 62 konstant. Das Schraubengewinde hat jedoch steile Flanken 68 und 70, die am Außendurchmesser scharfe Spitzen bilden, jedoch am Kerndurchmesser in eine Abflachungsfläche 72 übergehen. Die Gewindetiefe der Schraube 60 ist deshalb kleiner als die Gewindetiefe der Mutter 62. Bei gegenseitiger Verschraubung wirken die Gewindespitzen der Mutter 62 fest auf die Abflachung 72 ein, wodurch sie verformt werden und den seitlichen Abstand zwischen den Gewindcflanken ausfüllen. Dadurch entsteht der selbsthemmende Effekt.

Die Erfindung kann in verschiedenster Weise abgeändert und weiter ausgebildet werden. Beispielsweise kann dar, Muttergewinde nicht nur in einer Mutter oder einem anderen Verbindungselement, sondern auch in einer Scnkbohrvm/!;, in einem Gewindeeinsatz oder einem anderen Element vorgesehen werden. Die Mutter 12 benötigt zwar nicht unbedingt eine separate Wärmebehandlung oder Härtung, sie soll ,jodoch eine etwas größere Härte als das Material der Schraube haben, um die Verformung oder sogenannte Brinnellua-uiJ/·; der Spitzen des Muttergewindes zu erreichen. Es hat sich ferner gezeigt, daß der Abstand zwischen cicn GowLncloflanken auch durch eine Kombination von Gewindeel('int:in.'-u erreicht werden kann, die relativ ähnliche Flnnkenwinkol haben. Bei unterschiedlichen Flankenwinkeln ergibt sich jedoch eine höhere Lockerungsfestigkeit. Die Erfindung kann auch auf selbsthemmende Muttern angewendet v/erden, die aus sehr hartem Material bestehen und so verfornt worden, daß der feste seitliche Eingriff in Richtung des Umfangs der Gewindeform diskontinuierlich ist»

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Leerseite

Claims

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Patentansprüche

Μ.)Schraubverbindung mit zwei ein Außengewinde bzw. ein Innengewinde aufweisenden Gewindeelementen, von denen das erste einen über seine Gewindelänge im wesentlichen konstanten Außendurchmesser aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Gewindeelement (12) Gewindevorder- und -rückflanken (26, 28) mit gegenüber den entsprechenden Gewindeflanken (22, 24) des ersten Gewindeelements (10) unterschiedlichen Flankenwinkeln sowie einen abgeflachten Gewindekern aufweist, daß die Gewindetiefe des zweiten Gewindeelements (12) mindestens teilweise geringer als die Gewindetiefe des ersten Gewindeelements (10) ist und daß ein Längsabstand zwischen den Gewindeflanken (22, 24; 26, 28) im Bereich der Gewindespitzen bzw. des Gewindekerns der beiden Gewindeelemente (10, 12) vorgesehen ist.
2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß- das erste Gewindeelement (10) eine Schraube und das zweite Gewindeelement (12) eine Mutter ist.
3. Schraubverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung (30) am Innengewinde der Mutter (12) vorgesehen ist.
4. Schraubverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abflachung (30) etwa parallel zur Gewindelängsachse vorgesehen ist.

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5. Schraubverbindung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mutter (12) einen etwa konstanten Durchmesser der Gewindespitzen sowie einen variablen Kerndurchmesser aufweist, um ein mindestens teilweises Verschrauben ohne radiale Eingriffswirkung zwischen Schraube (10) und Mutter (12) zu ermöglichen.
6. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenwinkel des jeweiligen Gewindeelements (10, 12) im Sinne eines symmetrischen Gewindes dem Betrag nach übereinstimmen.
7. Innengewindeelement zur Verbindung mit einem Außengewindeelement mit konstantem Gewindedurchmesser in einer Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gegenüber den Flankenwinkeln des Außengewindeelen^ents (10) größere Flankenwinkel und durch eine spiralförmig über mindestens einen Teil des Gewindekerns verlaufende Abflachung (30) mit gegenüber dem Außendurchmesser des Außengewindeelements (10) kleinerem Durchmesser.
8. Innengewindeelement nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen konstanten Durchmesser der Gewindespitzen und einen variablen Kerndurchmesser, wobei die größeren Kerndurchmesserwerte der Einführungsseite für ein Außengewindeelement (10) zugeordnet sind.
9. Innengewinde element nach Anspruch 7 oder 8, gekennzeichnet durch dem Betrag nach übereinstimmende Flankenwinkel.
10. Gewindebohrer zur Herstellung eines Innengewindeelements nach einem der vorhergehenden Ansprüche, mit mehreren, Schneidzähne tragenden Längsrippen, die durch Längs-

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kehlen voneinander getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daß auf mindestens der halben Arbeitslänge des Gewindebohrers (40) abgeflachte Schneidzähne (48) mit konstanter Steigung, konstantem Sclineidwinkel und konstanten Gewindedurchmessern und auf mindestens einem Drittel der Arbeitslänge spitze Schneidzähne (50) mit konstanter Steigung und Flankenwinkeln entsprechend denen der abgeflachten Schneidzähne (48), vorgesehen sind.
11. Gewindebohrer zur Herstellung eines Innengewindeelements nach einem der Ansprüche 1 bis 9, mit mehreren,Schneidzähne tragenden Längsrippen, die durch Längskehlen voneinander getrennt sind, gekennzeichnet durch über die gesamte Arbeitslänge des Gewindebohrers (52) abgeflachte Schneidzähne (53).
12. Gewindeborher nach Anspruch 10 oder 11, gekennzeichnet durch Schneidzähne (48, 50; 55) mit gegenüber den Flankenwinkeln eines Normalgewindes steileren Flankenwinkeln.
13. Gewindebohrer nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenz der Flankenwinkel etwa 15° beträgt.

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