DE4022918A1 - Selbstsichernde schraubverbindung mit schraube, gewindestift und mutter - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstsi­ chernde Schraubverbindung mit Schraube, Gewinde­ stift und Mutter, die ein Gewinde aufweisen.

Selbstsichernde Schraubverbindungen der gat­ tungsgemäßen Art haben die Aufgabe, ein selbst­ tätiges Lösen von Schraubverbindungen, insbe­ sondere durch Vibration, zuverlässig zu ver­ hindern.

Selbsttätiges Lösen von Schraubverbindungen ist eine Gefahr, die bei vielen Maschinen und mechanischen Geräten, bei denen solche Schraub­ verbindungen eingesetzt werden, zu gravieren­ den Folgen, insbesondere Defekten, führen kann.

Es ist zu bedenken, daß Schrauben Bauteile so zusammenfügen sollen, als seien diese Bautei­ le aus einem Stück. Diese Forderung wird als Hauptkonstruktionsregel von Schraubverbindun­ gen bezeichnet. Unter Einhaltung dieser Kon­ struktionsregel gibt es zwischen den durch die Schraubverbindung verspannten Bauteilen auch unter der Einwirkung externer Kräfte keine Bewegungen. Eine Sicherung ist bei Einhaltung der sogenanntenten Hauptkonstruktionsregel folglich überflüssig, da sich in diesem Falle auch eine ungesicherte Schraube nicht selbst­ tätig losdrehen kann, da alle Maschinengewinde selbsthemmende Eigenschaften haben.

Jedoch werden an die mittels Schraubverbin­ dungen zu erstellenden Vorrichtungen oft Forderungen herangetragen, die die Vernach­ lässigung der oben genannten Hauptkonstruk­ tionsregel erzwingen, so etwa das Bestreben nach möglichst leichter Bauweise. In diesem Falle ist nicht auszuschließen, daß externe Kräfte minimale Bewegungen zwischen den Bau­ teilen erzwingen, wodurch im Gewinde und in der Schraubenkopfauflage Rutschbewegungen entstehen.

Derartigen Rutschbewegungen ist es eigentüm­ lich, daß sie die Reibung im Gewinde und da­ mit die Selbsthemmung der Schraubverbindung überwinden können. Insbesondere unter dem Einfluß "feiner" Vibrationen werden Schrau­ ben nahezu reibungsfrei. Dieses Phänomen ist unter der landläufigen Bezeichnung "Losvibrie­ ren" vor allem im Fahrzeugbau, aber auch in an­ deren Bereichen der Technik allgemein geläufig. Beim "Losvibrieren" wird die Schraube unter dem Einfluß von Vibrationen nahezu reibungsfrei und vom "Hangabtrieb" auf der Gewindespirale trotz der hemmenden Vorspannkraft losgedreht.

Zur Verhinderung des selbsttätigen Losdrehens von Schrauben bietet sich zum einen an, die Vorspannkräfte durch festeres Andrehen zu er­ höhen, was wegen der dadurch bedingten größe­ ren Reibungskräfte schon ohne weitere Maßnah­ men eine größere Sicherheit bietet. Die erfor­ derlichen hohen Vorspannkräfte lassen sich je­ doch nur mit hochfesten Schrauben realisieren und sind zudem wegen der Beschaffenheit der zu verbindenden Bauteile nicht selten unerwünscht. Zum anderen ist es bekannt, Schraubenverbindun­ gen zusätzlich gegen Losdrehen zu sichern. Da­ zu ist es möglich, die Relativbewegungen im Ge­ winde, die durch Relativbewegungen der verspann­ ten Teile, insbesondere durch Vibrationen in­ duziert werden können, zu verringern. Dies kann durch Auftragen von Kunststoffen am Außengewin­ de, durch Ausfüllen des Gewindespaltes mit aus­ härtenden Flüssigkunststoffen, durch Verformung an der Mutter oder am Schraubengewinde oder durch engste Gewindepassung sichergestellt wer­ den.

Zum anderen ist es bekannt, das selbsttätige Losdrehen dadurch zu verhindern, daß das Los­ drehmoment am Schraubenkopf aufgenommen wird, der mechanisch auf die eine oder andere Weise festgehalten wird. Dazu wiederum sind eine An­ zahl verschiedener Methoden bekannt, so etwa Wegeschlüssel, Draht- und Splintsicherungen, Federringe mit Beißkanten, gezahnte Federschei­ ben oder auch Schrauben und Muttern mit massi­ ven gehärteten Zähnen in der Auflagefläche.

Mechanische Sicherungen wie Wegeschlüssel, Draht- und Splintsicherungen, Federringe oder gezahnte Federscheiben weisen nur geringe Si­ cherungswirkung bei dynamischer Belastung auf. Zudem sind derartige Sicherungselemente kosten­ mäßig ungünstig oder bedingen Zeitverluste bei der Montage.

Schrauben bzw. Muttern mit sägeförmigen Verzah­ nungen und Kopf haben bessere Sicherungseigen­ schaften. Voraussetzung ist allerdings, daß die Härte des Gegenmaterials nicht größer ist als die Härte der Zähne. Bei härterem Gegenmaterial drücken sich die Zähne platt und die Schraube verliert ihre Sicherungseigenschaft. Zudem ist durch die Zähne stets die Gefahr der Beschädi­ gung der Oberfläche der mit derartigen Schrau­ ben verspannten Werkstücke gegeben. Dies ist be­ sonders bei solchen Werkstücken unerwünscht, de­ ren Oberfläche mit oft sehr dünnen Vergütungs­ schichten gegen Korrosion versehen sind.

Ausgehend hiervon hat es sich die Erfindung zur Aufgabe gemacht, eine Schraubenverbindung zu schaffen, die einerseits die Möglichkeit kostengünstiger Herstellung und einfacher Mon­ tage bietet, eine Beschädigung der Oberflächen der verspannten Werkstücke ausschließt und ande­ rerseits eine hohe Selbsthemmung gegen Los­ drehen gewährleistet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch ge­ löst, daß die Oberfläche der Flanken des Gewin­ des von Innen- und/oder Außengewinde mit im we­ sentlichen in radialer Richtung verlaufenden Rippen (1) versehen ist.

Mit dieser Gestaltung des Gewindes, das sowohl das Außengewinde bei Schrauben bzw. Gewindebol­ zen als auch das Innengewinde bei Muttern be­ treffen kann, sind die vielfältigsten Vorteile verbunden. Zum einen wird durch die Verrippung der Gewindeflanken schon die Oberfläche der Ge­ windeflanken erhöht. Durch das Ineinandergrei­ fen der Rippen auf den Gewindeflanken ist auch bei stärksten Vibrationen kein selbsttätiges Lö­ sen zu erwarten. Während im Zustand der herge­ stellten Schraubverbindung die sich gegenüber­ liegenden Rippen von Innen- und Außengewinde ineinander eingreifen, wäre zum Losdrehen er­ forderlich, daß diese Rippen aufeinander auf­ gleiten, wodurch zunächst die Vorspannkraft noch steigt. Sodann würde sich bei weiterem Losdrehen die Vorspannkraft zunächst verrin­ gern, wenn die nächsten, sich gegenüberlie­ genden Rippen ineinander greifen, sich jedoch sogleich wieder erhöhen, wenn diese Rippen wieder aufeinander aufgleiten. So entstehen beim Losdrehen abwechselnd hohe und niedere Vorspannkräfte und dementsprechend ist zum Losdrehen ein abwechselnd vergleichsweise nie­ deres und hohes Losdrehmoment erforderlich.

Die erfindungsgemäßen Schraubverbindungen kön­ nen zudem ohne weiteres in Normschraubengrößen ausgeführt werden. Zudem erhöht sich die Elasti­ zität der einzelnen Gewindeflanken durch die Verrippung. Dies wiederum bedingt eine günstige­ re Lastverteilung auf die einzelnen Gewindegän­ ge, wodurch eine höhere zulässige Belastung der erfindungsgemäßen Schraubverbindungen möglich ist. Es ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß die Tatsache, daß die Lastaufnahmefähigkeit von Schraubverbindungen durch Erhöhung der An­ zahl der tragenden Gewindegänge gesteigert wer­ den kann, schon seit längerem bekannt ist.

Da ein Schraubenkopf als Sicherungselement nicht erforderlich ist, ist mit den erfindungsgemäßen Schraubverbindungen auch eine Sicherung von Ge­ windestiftverbindungen möglich.

Im Gegensatz zu selbstsichernden Schrauben, bei denen die Mutter oder die Gewindegänge der Schraube verformt werden, ist zudem die Wieder­ verwendbarkeit sichergestellt. In der Fertigung entstehen keine wesentlichen Kosten, da neue Ar­ beitsgänge nicht einzuführen sind. Der Siche­ rungseffekt ist außerdem weitgehend temperatur­ unabhängig, was bei Klebstoffsicherungen nicht gewährleistet ist. Da der Kopf bei den erfin­ dungsgemäßen Schraubverbindungen keine Siche­ rungsaufgaben erfüllt, kann er kleiner gewählt werden, was eine Gewichtsersparnis bedingt. Eine weitere Gewichtserspanis ergibt sich aus dem möglichen Verzicht auf zusätzliche Siche­ rungsringe.

Da die Oberfläche der verspannten Werkstücke nicht beschädigt ist, sind von den erfindungs­ gemäßen Schraubverbindungen keine nachteiligen Auswirkungen auf das Korrosionsverhalten der Verbindung zu erwarten.

Zudem tritt beim Anziehen der erfindungsgemä­ ßen Schraubverbindungen eine geringere Vor­ spannkraftstreuung auf. Die gewählte Vorspann­ kraft wird auch bei extremer Beanspruchung ge­ halten.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist bevorzugt, daß die Rippen gerundet oder kantig oder sägezahnartig ausgebildet sind.

Zu bevorzugen ist hier grundsätzlich eine gerun­ dete Ausbildung der Rippen. Bei dieser Ausfüh­ rung entsteht keine Kerbwirkung, zudem üben die gerundeten Rippen einen Rolliereffekt mit dem Resultat der Verfestigung der Gegenlage aus. Dadurch vermindern sich Setzbeträge der gesam­ ten Verbindung, die durch die erfindungsgemäße Schraubverbindung ausgeübte Klemmkraft bleibt weitgehend erhalten.

In einer Fortbildung der Erfindung ist vorge­ schlagen, daß die Flanken nur auf einer Seite mit Rippen versehen sind.

Dadurch kann möglicherweise der Produktions­ prozeß vereinfacht werden, ohne daß die selbst­ sichernde Wirkung der erfindungsgemäßen Schraub­ verbindungen notwendig leiden muß.

In einer sinnvollen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Flanken beidseitig mit Rippen versehen sind und/oder diese Rippen einan­ der symmetrisch auf beiden Flankenseiten gegen­ überstehen oder gegeneinander versetzt sind. Durch die hier vorgeschlagenen Gestaltungen kann das Verhalten der erfindungsgemäßen Schraubver­ bindungen insbesondere beim Anziehen in weiten Bereichen beeinflußt werden.

Schließlich ist bevorzugt, daß Anzahl und/oder Höhe der Rippen von einem Gewindegang zum ande­ ren unterschiedlich sind.

Durch die Variation der Anzahl und/oder Höhe der Rippen von einem Gewindegang zum nächsten kann eine unterschiedliche Elastizität der Ge­ windeflanken erreicht werden. Da die ersten Ge­ windeflanken bei einer derartigen Gestaltung so ausgebildet werden können, daß sie elastischer als die darauf folgenden sind, ist es auf diese Weise möglich, die aufgenommene Last über das gesamte Gewinde zu verteilen. Durch eine solche gleichmäßigere Lötverteilung wird das Bruch­ verhalten der erfindungsgemäßen Schraubverbin­ dungen günstig beeinflußt, wie bereits oben ausgeführt wurde.

Zur Herstellung von Muttern, deren Gewinde in radialer Richtung verlaufende Rippen aufweisen, wird vorgeschlagen, daß auf Muttern mit Gewinde herkömmlicher Art die Rippen durch Aufprägen un­ ter axialer Krafteinwirkung aufgebracht werden. Hierzu wird man Gewindebolzen oder Gewindeferti­ gungswerkzeuge entsprechender Dimensionierung einsetzen.

Bei Gewindestiften werden die in radialer Rich­ tung verlaufenden Rippen vorschlagsgemäß eben­ falls durch Prägen des als Ausgangsmaterial die­ nenden Gewindestiftes mit dem Gewinde herkömmli­ cher Art aufgebracht. Als Werkzeuge werden hier­ zu eingesetzt Gewindewalzen mit Gewinderollen, die die entsprechend geformten Rippen aufweisen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung lassen sich dem nachfolgenden Be­ schreibungsteil entnehmen, in dem anhand der Zeichnungen Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine zu der erfindungsgemäßen Schraub­ verbindung gehörende Schraube mit Kopf und Gewindestift,

Fig. 2 eine Vorrichtung zur Herstellung der Rippen bei einer Mutter.

Fig. 1 zeigt eine Schraube (3) von üblichem Auf­ bau, bestehend aus dem Schraubenkopf (5) und dem Gewindestift (6). Letzteres weist Gewinde­ flanken (2) üblicher Bauart auf. Für die Erfin­ dung entscheidend ist, daß auf den Gewindeflanken im wesentlichen in radialer Richtung verlaufende Rippen (1) angeformt sind, die eine wesentliche Erhöhung der Selbsthemmung gegen Losdrehen ge­ währleisten.

Wie in Fig. 1 weiter ersichtlich, übt der Schrau­ benkopf (5) keine Sicherungswirkung aus und kann daher klein gewählt werden. Möglich ist sowohl eine Ausführung als Außensechskant- als auch als Innensechskantschraube. Damit sind selbstver­ ständlich nur die bisher am weitesten verbrei­ teten Schraubenkopfformen angesprochen. Auch Ausführungen mit anderen Kopfformen sind bei der erfindungsgemäßen Schraubverbindung selbst­ verständlich denkbar.

Fig. 2 zeigt einen axialen Schnitt durch eine Mutter (4), die nach oben und unten zu über Bac­ ken (7) festgehalten ist. Die Mutter (4) ist insbesondere auch hinsichtlich ihrer Gewindeflan­ ken (2) von üblichem Aufbau.

In die Mutter (4) greift ein Gewindebolzen (8) ein, dessen Gewindeflanken mit Rippen solcher Art versehen sind, wie sie später auf den Gewindeflan­ ken (2) der Mutter (4) aufgebracht sein sollen.

Durch Beaufschlagen des Gewindebolzens in radia­ ler Richtung erfahren die Gewindeflanken (2) der Mutter (4) eine entsprechende Prägung, so daß die durch den Erfindungsgedanken vorgegebene Form und Anordnung der Rippen entsteht.

Der Prägevorgang ist mit Einstellung der in axia­ ler Richtung wirkenden Kraft beendet, was es er­ laubt, den Gewindebolzen (8) auf der Mutter (4) zu entfernen.

Man erhält im Ergebnis eine Mutter (4), deren Ge­ windeflanken (2) mit in radialer Richtung verlau­ fenden Rippen (1) versehen ist.

Claims (9)

1. Selbstsichernde Schraubverbindung mit Schrau­ be, Gewindestift und Mutter, die ein Gewinde auf­ weisen, dadurch gekennzeich­ net, daß die Oberfläche der Flanken des Gewin­ des von Innen- und/oder Außengewinde mit im we­ sentlichen in radialer Richtung verlaufenden Rip­ pen (1) versehen ist.

2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen (1) gerundet oder kantig oder sägezahnartig ausgebil­ det sind.

3. Selbstsichernde Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flanken nur auf einer Seite mit Rippen versehen sind.

4. Selbstsichernde Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Flanken beid­ seitig mit Rippen versehen sind und/oder diese Rippen einander symmetrisch auf beiden Flan­ kenseiten gegenüberstehen oder gegeneinander versetzt sind.

5. Selbstsichernde Schraubverbindung nach ei­ nem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Anzahl und/ oder Höhe der Rippen von einem Gewindegang zum anderen unterschiedlich sind.

6. Verfahren zur Herstellung einer Mutter, de­ ren Gewinde in radiale Richtung verlaufende Rip­ pen aufweist, dadurch gekenn­ zeichnet, daß auf eine Mutter mit Gewinde herkömmlicher Art die Rippen durch axiales Auf­ prägen aufgebracht werden.

7. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß zum Aufprägen ein Gewindebolzen oder Gewinde­ fertigungswerkzeug eingesetzt wird.

8. Verfahren zur Herstellung eines Gewindestif­ tes, dessen Gewinde in radiale Richtung verlau­ fende Rippen aufweist, dadurch ge­ kennzeichnet, daß auf einen Gewinde­ stift mit einem Gewinde herkömmlicher Art die Rippen durch Prägen aufgebracht werden.

9. Verfahren zur Herstellung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippen durch Gewindewalzen mit Gewinderollen, die die gewünschten Rippen aufweisen, erzeugt werden.