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Schraubverbindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung, umfassend
eine in ein Innengewinde einschraubbare Kopfschraube bzw. eine auf einen Gewindestift
aufgeschraubte Mutter, mit einer zur Achse der Schraubverbindung rotationssymmetrischen
Druckübertragungsfläche in Form der Mantelfläche einer Kugelzone oder eines Kegelstumpfes.
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Bei Schraubverbindungen dieser Art wird die von der Kopfschraube oder
der Mutter erzeugte Spannkraft stets gleichmässig über die gesamte, in Form der
Mantelfläche einer Kugel zone oder eines Kegelstumpfes ausgebildete Druckübertragungsfläche
der mutter oder des Schraubenkopfes verteilt
in die Unterlage eingeleitet.
Diese stets gleichmässiy über die gesamte ringförmige Druckübertragungsfläche verteilte
Einleitung der Spannkraft ist dabei unabhängig von etwaigen Abweichungen der Schrauben-
oder Mutternachse gegenüber der Senkrechten auf die Unterlage, d.h.
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auch bei "gekippter" Schrauben- bzw. Mutternachse gewährleistet. Verschiebungen
der zusammengespannten Teile in der Trennfuge zur Unter lage aufgrund von die Reibungskraft
übersteigenden Querkräften beim Einsatz von Schraubverbindungen dieser Art führen
nicht zu Lockerungs- oder Losdreherscheinungen, da selbst im Falle von Wechselverlagerungen
der Vorspannkraft auf der Unterlage die Spannkraft weitgehend gleichmässig über
die gesamte ringförmige Druckübertragungsfläche eingeleitet wird.
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Schraubverbindungen dieser Art weisen aufgrund ihrer, in Form der
Mantelfläche einer Kugel zone oder eines Kegelstumpfes ausgebildeten Druckübertragungs
fläche eine hohe resultierende Presskraft aus Axial- und Radialverspannung auf,
welche zu einer höheren Reibung zwischein Schraubenkopf oder Mutter an oder auf
der Unterlagc in Umfangsrichtung führt. Diese hohe Reibuncj wiederum bewirkt im
Zusammenhang mit der gleichmässigen Verteilung der eingeleiteten Spannkraft über
den gesamten Umfang der Unterlage eine zuverlässige Sicherungsreibung in Umfangsrichtung
gegen Losdrehen, selbst im Falle von starken Querkrafteinflüssen, die ZU Verschiebungen
führen können.
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Schraubverbindungen dieser Art werden trotz dieser
Vorteile
jedoch nur zur Lösung besonderer Verbindungsprobleme, wie beispielsweise bei Radbefestigungen
an Kraftwagen, eingesetzt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass bei derartigen Schraubverbindungen
die Durchgangsbohrungen in der Unterlage jeweils unter Einhaltung enger Tolerazzzen
mit speziellen Bohr-, Frds- oder Pragewerkzeugen in einem zusätzlichen Arbeitsgang
bearbeitet werden müssen, um die korrespondierende, in Form der Mantelfläche einer
Kugelzone oder eines Kegelstumpfes ausgebildete Ringfläche am Bohrungsrand herzustellen.
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Ein universeller Einsatz derartiger Schraubverbindungen im allgemeinen
Maschinenbau ist deshalb aus Kostengründen nicht gegeben.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine vollkommen neuartige
Schraubverbindung zu schaffen, die unter Beibehaltung der beispielsweise bei Radbefestigungen
an Kraftwagen bzw. vergleichbaren Konstruktionen des allgemeinen Maschinenbaus bekannten
Vorteile einfacher und billiger herzustellen und deshalb vielseitig einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die wirksame
Druckübertragungsfläche von der Oberfläche einer ringförmigen Einsenkung in der
Stirnfläche des Schraubenkopfes bzw. der Mutter gebildet ist, und dass ein bei Uberlastung
der Schraubverbindungen plastisch nicht verformbarer, die Schraubkraft übertragender
Druckring vorgesehen ist, dessen zurnindest über einen schmalen Ringflächenbereich,
in Form der Mantelflache einer Kugelzone oder eines Kegelstumpfes geformte Anlagefläche
auf der Oberfläche der ringförmigen Einsenkung kongruent aufruht.
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Durch die erfindungsgemässen Merkmale ist erstmalig eine Schraubverbindung
geschaffen, die nicht nur die eingangs geschilderten Vorteile von Sehraubverbindungen
der gattungsgemässen Art aufweist, sondern darüber hinaus auch einfacher und billiger
herzustellen ist, weil die aufwendige Bearbeitung im Bereich des Bohrungsrandes,
d.h. die Herstellung der korrespondierenden, in Form der Mantelfläche einer Kugelzone
oder eines Kegelstumpfes ausgebildeten Einsenkungen an dieser Stelle entfällt.
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Schraubverbindungen der erfindungsgemässen Art sind daher vielseitig
einsetzbar.
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Die Erfindung beruht auf einer Umkehr bzw. spiegelbildlichen Anwendung
des bei Radbefestigungen an Kraftwagen bzw. vergleichbaren Konstruktionen des allgemeinen
Maschinenbaus bekannten Prinzips, d.h. auf einer Verlegung der, in Form der Mantelfläche
einer Kugelzone oder eines Kegelstumpfes ausgebildeten Einsenkung aus dem Bereich
des Randes der Bohrung heraus an eine solche Stelle der Schraubverbindung, die wirtschaftlicher
formbar ist als der Rand der Durchgangsbohrung, nämlich in dem Bereich der Druckübertragungsfläche
des Schrauben};oL)fes bzw. der Mutter.
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So bedarf es zur Herstellung einer erfindungsemass ausgestalteten
Einsenkung an der Stirnfläche des Schraubenkopfes bzw. der Mutter bei grossen Stückzahlen
nur eines kostenmässig kaum ins Gewicht fallenden zusätzlichen Aufwandes. Auch die
Herstellung und Bereitstellung von erfindungsgemäss ausgestalteten Druckringen fällt
im Vergleich mit dem oben beschriebenen zusätzlichen Arbeitsgang zur Schaffung einer
korrespondierenden, in Form der Mantelfläche einer Kugel zone oder eines Kegelstumpfes
ausgebildeten Einsenkung am Bohrungsrand kaum ins Gewicht, zumal bei herkömmlichen
Schraubverbindungen zur Sicherung
gegen Lockern und Losdrehen ohnehin
ein Sicherungsring oder eine andere 'iicherungsart angeordnet werden muss.
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Neben den im vorangegangenen geschilderten Vorteilen haben Schraubverbindungen
der erfindungsgemässen Art noch folgende Eigenschaften und Vorteile: (1) Durch die
Anordnung der Einsenkung wird der Schraubenkopf bzw. die Mutter elastischer. Dies
wirkt sich besonders bei kurzen Schrauben vorteilhaft aus.
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(2) Lockernde Verpressungen der Unterlagefläche durch dynamische Verlagerung
der Vorspannkraft werden vermieden, da der Schraubenkopf bzw. die Mutter auf dem
Druckring ohne Verpressung kippen kann.
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(3) Bei Nachlassen der Vorspannkraft - aus welchen Gründen auch immer
- wird nach Auftreten von Relativbewegungen zwischen dem Druckring und der Unterlage
die Dauerbruchgefahr reduziert.
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(4) Bei grossen Relativbewegungen ohne Losdrehen, verbleibt eine Restvorspannkraft
als Verliersicherung.
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(s) In Abhängigkeit von unterschiedlichen Oberflächen ausführungen
(geölt, phosphatiert, galvanisiert usw.) sind keine wesentlichen Veränderungen hinsichtlich
des Festziehmomentes notwendig.
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(6) Aufgrund der formbedingten Richtmöglichkeit sind erfindungsgemässe
Schraubverbindungen gut geeignet für Kombischrauben.
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(7) Da im Verhältnis zur Vorspannkraft yrössere Querkräfte übertragen
werden können, ergibt sich eine Verbilligung der Schraubenverbindungen, insbesondere
dann, wenn die Reibung in den Trennfugen der verbundenen Maschinenteile durch Einlage
von Folien höheren Reibwertes (als die Teile selbst) erhöht wird.
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(8) Der Einsatz erfindungsgemässer Schraubverbindungen im Zusammenhang
mit Kombischrauben erlaubt niedrigere Spanndicken an Maschinenteilen, beispielsweise
bei Blechkonstruktionen.
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(9) Sortimenterweiterung nach Schraubengüte, Schraubendurchnlesser
und Festigkeit der Unterlagen bis zu allen Normgrössen von Schrauben ist möglich.
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(10) Aufgrund der grossen Druckübertragungsfläche auZ der Unterlage
können in vielen txonstruktionsfallen Verstärkungsunterlagscheiben entfallen.
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Bei einer vorteilhaften Wciterbildung der erfindungsgemässen Schraubverbindung
weist die ringförmige Eìnsenkung einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt
mit Basis auf der Stirnfläche auf, wobei die Druckübertragungsfläche von der Ringfläche
auf der Aussenseite der Einsenkung gebildet wird. Derartige Einsenkungen sind einfach
und ohne Beeinträchtigung der Festigkeit des Schraubenkopfes bzw. der Mutter herstellbar.
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Bei einer Einsenkung der oben beschriebenen Art ist es vorteilhaft,
dass der Druckring einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt aufweist oder
tellerförmig
gestaltet ist. Insbesondere bei tellerförmig gestalteten
Druckringen ist auch eine Überdeckung grösserer Durchgangsbohrungen gegeben.
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Bei Schraubverbindungen mit einer in Form der Mantelfläche einer Kugelzone
ausgebildeten Druckübertragungsfläche ist es zweckmässig, dass der mittlere Neigungswinkel
der Druc};übertragungsElticzhe gegenüber einer senkrecht zur Schrauben bzw. Mutternachse
verlaufenden EIXcne zwisehen 20 und 700 liegt und der Kugelradius der Kugelzone
der Anlagefläche des Druckringes kleiner ist als der Kugelradius der Kugel zone
der Druckübertragungsläche der Einsenkung.
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Ein besonders bevorzugter mittlerer Neigungswinkel beträgt dabei 450.
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Bei Schraubverbindungen mit einer Druckübertragunys f läche in Form
der Mantelfläche eines Kegelstumpfes ist es zweckmässig, dass der Neigungswinkel
der konischen Druckübertragungsfläche gegenüber einer senkrecht zur Schrauben- bzw.
Mutternachse verlaufenden Ebene zwischen 20 und 700 liegt und der Neigungswinkel
der Anlagefläche des Druckringes im ungespannten Zustand geringfügig grösser ist
als der Neigungswinkel der Druckübertragungsfläche. Ein besonders vorteilhafter
Neigungswinkel beträgt bei einem derartigen Ausführungsbeispiel im Falle der Druckübertragungsfläche
450 und im Falle der Anlagefläche 45,5 bis 470.
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Besonders gute Ergebnisse werden bei SehraubverbindunCjen mit einer
in Form der Mantelfläche einer Kugel zone ausgebildeten Druckübertragungsfläche
und einem mittleren
Neigungswinkel von 450 dadurch erreicht, dass
der Kugelradius der Kugelzone der Anlagefläche des Druckringes, sowie der kleinste
und der grösste Durchmesser der Anlagefläche derart gewählt sind, dass der kleinste
Neigungswinkel etwa 370 und der grösste Neigungswinkel etwa 530 beträgt.
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Vorteilhaft ist es ferner, dass der grösste Durchmesser der Einsenkung
etwa der Sehlüsselweite des Schraubenkopfes bzw. der Mutter entspricht.
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Besonders gute Ergebnisse werden mit einer Schraubverbindung der erfindungsgemässen
Art dann erzielt, wenn der grösste Durchmesser der Anlagefläche des Druckringes
zur Unterlage grösser als der grösste Durchmesser der Einsenkung und der kleinste
Durchmesser der Anlagefläche i des Druckringes zum Schraubenkopf grösser als der
kleinste Durchmesser der Einsenkung ist.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemässen Schraubverbindung
ist der Druckring nach Art eines Federringes gewölbt ausgebildet. Dies hat den Vorteil,
dass verlagerte Spitzen-Vorspannkräfte durch eine derartige Ausgestaltung im Umfang
versetzt auf die Unterlage übertragen werden, so dass auch Unterlagen aus weichen
Werkstoffen gegen vorzeitiges Lockern geschützt sind. Darüber hinaus erhöht die
elastische Versteifung eines derartigen verspannten federnden Druckring auch bei
hochfesten Schrauben auf Unterlagen gleicher Festigkeit die Sicherheit gegen Losdrehen.
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Zweckmässig ist es ferner, dass der Druckring nach Art
eines
Federringes geschlitzt ist und die Stossflächen im gespannten Zustand zur Aufnahme
einer entsprechend der Vorspannkraft komplementären Radialkraft ausgebildet sind.
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Zur Verringerung der spezifischen Belastung der Verbindung im Schraubenkopf
bzw. Mutterbereich aufgrund von Translationsbewegungen ist es zweckmässig, Reibfolien
in der Trennfuge der Verbindung anzuordnen, deren fleibwerte grösser sind als die
der verbundenen Teile.
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Zweckmässig ist es ferner, dass zumindest die Anlagcfläche des Druckringes
kristallinrauh aufgerauht ist.
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Bei in dieser Weise aufgerauhten Oberflächen sind zwar höhere Festziehmomente
notwendig. Es ergibt sich jedoch bei einer derartigen Ausgestaltung eine grösstmögliche
Sicherung gegen Lockern und Losdrehen.
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Im folgenden sind zur weiteren Erläuterung und zum besseren Verständnis
Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
näher beschrieben.
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Fig. 1 zeigt eine Schraubverbindung mit einem Druckring mit trapezförmigem
Querschnitt, der mit einer Druckübertragungsfläche in Form der Mantelfläche einer
Kugelzone ausgestattet ist, Fig. 2 zeigt eine Schraubverbindung mit einem Druckring
mit trapezförmigem Querschnitt, der mit einer Druckübertragungsfl.iche in Form der
Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgestattet ist,
Fig. 3 zeigt-eine
Schraubverbindullc3 mit einem Druckring, der tellerförmig gestaltet ist, Fig. 4
zeigt im vergrösserten Masstab einen Ausschnitt aus der Ausführungsform gemäss Fig.
1, Fig. 5 zeigt im vergrösserten Masstab einen Ausschnitt aus der Ausführungsform
gemäss Fig. 3, Fig. 6 und 7 zeigen in einer Seitenansicht und einer Draufsicht einen
als geschlitzten Federring ausgestalteten Druck ring der Schraubverbindung gemäss
Fig. 1, und Fig. 8 zeigt anhand eines der Fig. 1 entsprechenden Ausführungsbeispiels
eine Schraubverbindung, deren spezifische Belastung durch Anordnung einer Reibfolie
noch verbessert wurde.
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Bei den in den Figuren dargestellten Schraubverbindungen ist eine
Kopfschraube 1 im Bereich ihrer dem Schraubenschaft 2 zugewandten Stirnfläche 3
jeweils mit einer ringförmigen Einsenkung 4 ausgestattet, die in allen Ausführungsformen
einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt mit Basis auf der Stirnfläche aufweist.
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Die wirksame Druckübertragungsfläche der Schraubverbindung
wird
in jedem der dargestellten Ausführungsbeispiele von einer Ringfläche 5 gebildet,
die auf der Aussenseite der Einsenkung 4 angeordnet ist.
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Während die die wirksame Druckübertragungsflächc bildende Ringfläche
im Falle der Ausführungsbeispiele nach den Fig. 1, 3, 4, 5 und 8 in Form der Mantc.lfläehe
einer Kugelzone ausyebildet ist, ist sic im Falle der Ausführungsform nach Fig.
2 in Form der Mantelfläche eines Kegestumpfes ausgestaltet.
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In der Einsenkung 4 des Ausführungsbeispieles nach den Fig. 1, 4 und
8 ruht ein Druckring 6, der ebenfalls einen im wesentlichen trapezförmigen Querschnitt
aufweist und dessen der Ringfläche 5 zugewandte schräge Anlagefläche in Form der
Manteifläche einer Kugel zone gestaltet ist. Wie aus der vergrösserten Darstellung
in der Fig. 4 zu erkennen ist, beträgt der mittlere Neigungswinkel der Druckübertragungsfläche
gegenüber einer senkrecht zur Schraubenachse verlaufenden Ebene 45°. Der Kugelradius
R1 der Anlagefläche des Druckringes ist dabei derart gewählt, dass der kleinste
Neigungswinkel 370 und der grösste Neigungswinkel 530 beträgt. Der Kugelradius R2
der Ringfläche 5 wiederum ist grösser als der Kugelradius R1 der Anlagefläche des
Druckringes 6.
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Im Falle des in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiels besitzt
der in der Einsenkung 4 ruhende Druckring 7 ebenfalls einen trapezförmigen Querschnitt.
Zum Unterschied zu den in den Fig. 1, 4 und 8 dargestellten Ausführungsbeispielen,
ist die Druckübertragungsfläche jedoch nicht in Form der Mantelfläche einer Kugelzone,
sondern
in Porm der Mantelfltiche eincs Kegeltumpfes ausgestaltet. Bei dem dargestellten
Ausfiillruncl-;beispiel beträgt der Neigungswinkel der Druckübertragungsfläche des
Schraubenkopfes 450, während der Neigungswinkel der Anlagefläche des Druckringes
geringfügig grösser ist, d.h. 45,5 bis 470 beträgt.
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Bei dem in den Fig. 3 und 5 dargestellten Ausführungsbeispiel ist
der Druckring 8 tellerförmig ausgestaltet.
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Da in diesem Ausführunqsbeispiel die wirksame Druckübertragungsfläche
der Einsenkung 4 im Schraubenkopf ebenfalls in Form der Mantelfläche einer KugeJzone
gebildet wird, ist auch die zugeordnete Anlagefläche des tellerförmigen Druckringes
entsprechend gestaltet.
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Auch bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Kugelradius der Druckübertragungsfläche
der Einsenkung 4 grösser als der Kugelradius der Anlagefläche des Druckringes 8.
Wird die in den Fig. 3 und 5 dargestellte Version einer Schraubverbindung verspannt,
so verformt sich der Druckring 8 elastisch, wie dies in Fig. 5 mit strichpunktierten
Linien dargestellt ist. Die ringförmige Berührungslinie zwischen der Druckübertragungsfläche
des Schraubenkopfes und der Anlagefläche des Druckringes 8 wandert daher nach unten,
wie dies der Fig. 5 zu entnehmen ist.
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Der in den Fig. 6 und 7 dargestellte, nach Art eines Federringes gewölbt
und geschlitzt ausgeführte Druckring 6 weist im gespannten Zustand eine Stossfläche
9 auf, die im gespannten Zustand in einer Ebene durch die Ringachse 10 liegt.
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Bei dem in Fig. 8 dargestellten Ausführungsbeispiel
ist
zur Verringerung der spezifischen Belastung der Verbindung eine Reibfolie 11 in-der
Trennfuge zwischen den gegeneinander zu verspannenden Teilen angeordnet. Diese Reibfolie
11 hat einen Reibwert, der grösser is als der Iteilzwert der miteinander verbundenen
q'ci]e im Bereich der Trennfage.
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Bei allen Ausführungsformen sind die Abmessungen derart gewählt, dass
der grösste Durchmesser der Anlagefläche des Druckringes 6, 7, 8 zur Unterlage grösser
ist als der grösste Durchmesser der Einsenkung 4 und der kleinste Durchmesser der
Anlagefläche des Druckringes zum Schraubenkopf jeweils grösser ist als der kleinste
Durchmesser der Einsenkung.
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Bei allen Ausführungsformen entspricht vorzugsweise der grösste Durchmesser
der Einsenkung der Schlüsselweite des Schraubenkopfes von llormschrauben, ist daran
aber nicht gebunden.
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