DE4106943C1 - - Google Patents

Description

Für Schraubelemente wie Muttern und dergleichen sind vielfältige Ausgestaltungen zur Sicherung gegen Losdrehen der festgezogenen Schraubverbindung unter den axialen Kräften und gegebenenfalls auftretenden Vibrationen be­ kannt.

Die einfachste Ausführungsform ist die Splintmutter, die an einer axialen Seite zinnenförmig begrenzt ist, wobei die Vertiefungen zwischen den Zinnen mit einer Quer­ bohrung der Schraube zur Deckung gebracht werden können und ein Splint quer hindurchgesteckt wird. Nachteilig ist hierbei die Notwendigkeit der Anbringung einer Quer­ bohrung in der Schraube und insbesondere der Umstand, daß die Sicherung gegen Losdrehen nur in bestimmten Dreh­ stellungen des Schraubelements, nämlich wenn sich gerade eine der Vertiefungen zwischen den Zinnen mit der Quer­ bohrung in der Schraube deckt, möglich ist. Eine weitere Methode der Sicherung einer Schraubverbindung gegen Los­ drehen ist die Anbringung eines Federrings. Dieser gräbt sich mit einer Schneide in die Unterseite einer Mutter, mit der anderen Schneide in das Gegenwerkstück ein und verhindert durch die Orientierung der Schneiden das Los­ drehen der Mutter. Beim Anziehen werden die Flächen, an denen die Schneiden des Federrings angreifen, beschädigt.

Ein gewolltes Lösen der gesicherten Schraubverbindung ist nur gegen die Wirkung des Federrings und unter größeren Zer­ störungen der Angriffsflächen desselben möglich. Schließlich gibt es Schraubelemente in Gestalt von sogenannten Siche­ rungsmuttern, die an ihrer Anlagefläche radiale Schneiden nach Art eines Feilenhiebs aufweisen, die sich ähnlich in die Gegenfläche einkrallen, wie es bei dem Federring der Fall ist. Naturgemäß sind auch die Nachteile die gleichen, wobei die gebildeten Kerben Ausgangspunkt für Dauerbrüche sein können (Gesicherte Schrauben. In: Zeitschrift "Konstruktion & Elektronik" (1991) Nr. 4 vom 20.2.1991, Seite 4; EP 2 90 967 B1).

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gegen Losdrehen sicherungsfähiges Schraubelement zu schaffen, bei dem an der Schraube keinerlei besondere Gestaltung vorhanden sein muß und die Anlageflächen durch den Siche­ rungsvorgang nicht beschädigt werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schraub­ element gemäß Anspruch 1 gelöst.

Das Schraubelement wird in der üblichen Weise ange­ zogen, bis die gewünschte Spannung in der Schraubverbin­ dung erreicht ist. Sodann wird der Spannring auf der Spi­ ralfläche verdreht, wodurch der büchsenartige Ansatz, der natürlich entsprechend dünnwandig ausgestaltet ist, radial zusammengedrückt wird und sich mit dem Innenge­ winde auf der Schraube festsetzt, so daß eine kraftschlüs­ sige Verklemmung gegen Losdrehen auf der Schraube erreicht wird. Es bedarf nur einer relativ geringen Verdrehung des Körpers des Schraubelements und des Spannrings gegen­ einander, um die Verklemmung herbeizuführen.

Die eigentliche Spannverbindung bleibt von diesem Vorgang unberührt, weil die Funktionen der Betätigung des Schraubelements zur Erzielung der gewünschten axialen Kraft in der Schraube einerseits und der Sicherung gegen Losdrehen des Schraubelements voneinander gänzlich getrennt sind. Das Schraubelement kann angezogen werden, ohne daß die Anlageflächen von Sicherungselementen beschädigt werden und ohne daß Zusatzmomente für die Betätigung bzw. Aktivie­ rung von Sicherungsmitteln aufgebracht werden müßten.

Außerdem vergrößert sich durch die radiale Zusammendrückung des mit dem Innengewinde versehenen büchsenartigen Ansatzes der Eingriff des Gewindes bzw. dessen Traganteil, so daß bei gleichen axialen Kräften der Schraubverbindung die lokale Flächenpressung verringert werden kann.

Aus der FR 4 85 395 ist ein gegen Losdrehen sicherungs­ fähiges Schraubelement mit einem scheibenförmigen Körper bekannt, der ein durchgehendes Innengewinde, von dem mehrere Gewindegänge in dem Körper Platz haben, und auf einer Seite einen büchsenartigen Ansatz aufweist, durch den sich das Innengewinde fortsetzt. Es ist ein drehbarer Spannring vorgesehen, durch den sich im Gegensatz zur Erfindung eben­ falls das Gewinde fortsetzt. Die zylindrische Außenumfangs­ fläche des Ansatzes ist zur Gewindeachse exzentrisch und greift in eine zylindrische ebenfalls exzentrische Ausneh­ mung in der benachbarten Stirnseite des Spannrings ein. Beim Verdrehen des Spannrings verlagert sich sein Gewinde in Querrichtung gegenüber dem Gewinde des Körpers, wodurch eine Verklemmung der aus dem Körper und dem Spannring be­ stehenden baulichen Einheit auf dem sie durchsetzenden Gewindebolzen eintritt.

Die Verspannung erfolgt hierbei durch gewolltes Schief­ ziehen der Anordnung und führt somit zu einer Verkantung derselben im Rahmen des Gewindespiels. Die Haltekräfte sind beschränkt. Die Klemmung kann durch ein an dem Körper angreifendes Drehmoment beeinflußt werden, was bei der Erfindung alles nicht der Fall ist, weil der Spannring ganz auf der Außenumfangsfläche des Ansatzes sitzt.

Die Verwendung von Spiralflächen zur Erzielung einer radialen Verklemmung ist für sich genommen aus der GB 2 93 122 bekannt. Hierbei sind zwei übereinander angeordne­ te Ringe vorhanden, von denen einer mit seiner zylindri­ schen Innenumfangsfläche auf einer Welle sitzt, der andere mit seiner zylindrischen Außenumfangsfläche in einer ent­ sprechenden Bohrung eines äußeren Bauteils anliegt. Die einander zugewandten Umfangsflächen der beiden Ringe sind in einem zur Achse der Welle senkrechten Querschnitt spi­ ralig. Bei einer Verdrehung des äußeren Bauteils gegenüber der Welle werden durch die Reibungsverhältnisse auch die beiden spiraligen Ringe auf ihrer Spiralfläche gegeneinan­ der verdreht, wodurch die Verklemmung des äußeren Bauteils auf der Welle zustande kommt.

Das Schraubelement bildet in seiner einfachsten Ausfüh­ rungsform mit Körper, büchsenartigem Ansatz und Spannring die Grundform einer Sicherungsmutter, die gemäß Anspruch 2 am Außenumfang des Körpers mit einer Gestaltung für den Angriff eines Drehwerkzeugs ausgebildet ist, beispielsweise am Umfang Längsnuten oder radiale Bohrungen für den Angriff eines Hakenschlüssels aufweist oder in der üblichen Weise sechseckig ausgebildet ist.

Eine entsprechende Gestaltung kann gemäß Anspruch 3 auch der Spannring aufweisen.

Der Körper des Schraubelements und der Spannring kön­ nen auf diese Weise unter gleichzeitigem Angriff zweier Drehwerkzeuge wirkungsvoll mit hohem Drehmoment gegeneinan­ der verdreht werden, um die Klemmwirkung auf der Schraube zu erzeugen.

Um beim gegenseitigen Verdrehen des Körpers des Schraub­ elements und des Spannrings nicht zu viel von dem aufge­ brachten Drehmoment für das bloße Zusammendrücken des büchsenartigen Ansatzes Zwecks Überwindung des Spiels auf der Schraube zu verbrauchen, empfiehlt sich eine Längs­ schlitzung nach Anspruch 4, die die Verformbarkeit des büchsenartigen Ansatzes in radialer Richtung erheblich vergrößert, ohne die Stabilität in Umfangsrichtung und damit die Haltekraft der Sicherung wesentlich zu verringern.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.

Fig. 1 zeigt einen durch die Achse gehenden Längs­ schnitt durch ein Schraubelement,;

Fig. 2 zeigt einen Schnitt nach der Linie II-II in Fig. 1.

Das in den Fig. 1 und 2 als Ganzes mit 100 bezeich­ nete Schraubelement stellt eine Sicherungsmutter dar, die auf eine in Fig. 1 strichpunktiert nur angedeutete Schraube oder Schraubspindel 1 mit einer Achse 2 aufschraub­ bar ist. Das Schraubelement 100 umfaßt einen Körper 3 in Gestalt einer dicken Scheibe 4, deren Dicke in dem wiedergegebenen Ausführungsbeispiel etwa ein Viertel des Durchmessers beträgt. Der Außenumfang 5 der Scheibe 4 ist zylindrisch und weist vier gleichmäßig über den Umfang verteilte Längsnuten 6 auf, an denen ein Hakenschlüssel zum Drehen des Schraubelements 100 angreifen kann.

Auf der in Fig. 1 rechten Flachseite der Scheibe 4 besitzt der Körper 3 eine im Querschnitt kreisrunde Er­ höhung 7 mit einer zur Achse 2 senkrechten äußeren Begren­ zungsfläche 8, die die Anlagefläche des Schraubelements 100 bildet, mit der dieses sich gegen eine Gegenfläche an einem Bauteil, gegenüber dem die Schraube 1 verspannt werden soll, anlegt.

Die Scheibe 4 ist mit einem Innengewinde 9 versehen, welches auf das entsprechende Außengewinde der Schrau­ be 1 aufschraubbar ist.

Das Gewinde 9 setzt sich durch einen zu der Achse 2 koaxialen büchsenartigen Ansatz 10 hindurch fort, der auf der der Erhöhung 7 abgewandten Flachseite der Scheibe 4 vorgesehen ist. Das Gewinde 9 trägt also auf der Schrau­ be 1 auf der Gesamtlänge des Körpers 3 und des Ansatzes 10. Die Gewindesteigung ist relativ zur Dicke des Körpers 3 so bemessen, daß in dem Körper 3 allein mehrere Gewinde­ gänge Platz haben.

Der axiale büchsenartige Ansatz 10 weist in einer durch die Achse 2 gehenden Ebene an einer oder mehreren über den Umfang verteilten Stellen einen radial durch­ gehenden Längsschlitz 11 auf, der das radiale Zusammen­ drücken des Ansatzes 10 erleichtert.

Dieses radiale Zusammendrücken wird durch einen Spann­ ring 20 bewerkstelligt, der drehbar auf dem Außenumfang des axialen Ansatzes angeordnet und ungeschlitzt sowie mit einem im Vergleich zu dem Ansatz großen Querschnitt versehen ist, weil er die Ringzugspannungen aufzunehmen hat, die die Radialkräfte ergeben.

Der axiale Ansatz 10 steht über den Spannring 20 nach der dem Körper 3 abgelegenen Seite vor und besitzt dort außen eine Umfangsnut 12 zur Aufnahme eines Spreng­ rings 13, mittels welchem der in unverspanntem Zustand lose Spannring auf dem Ansatz 10 festgehalten wird und somit dem Körper 3 unverlierbar verbunden bleibt.

Auch der Außenumfang 15 des Spannrings 20 ist in dem Ausführungsbeispiel zylindrisch und besitzt an über den Umfang verteilten Stellen Längsnuten 16, in denen ein Hakenschlüssel angreifen kann, um den Spannring 20 gegenüber dem Körper 3 zu verdrehen.

Die durch den Ansatz 10 und den Spannring 20 gebildete Spannanordnung ist im einzelnen anhand der Fig. 2 erläutert. In der Schnittdarstellung ist eine gedachte Zylinderfläche 14 mit dem Mittelpunkt auf der Achse 2 strichpunktiert an­ gedeutet. Die Außenumfangsfläche 17 des büchsenartigen An­ satzes 10 ist durch eine zu der Achse 2 koaxiale Spiral­ fläche 18 gebildet, deren Erzeugende zu der Achse 2 pa­ rallel sind. Die Innenumfangsfläche 27 des Spannrings 20 ist durch eine gleiche Spiralfläche 28 gebildet, die von außen auf der Spiralfläche 18 anliegt. Die beiden Spiral­ flächen 18, 28 liegen in den beiden ersten Quadranten des Querschnitts der Fig. 2 außerhalb der gedachten Zylinder­ fläche 14, schneiden die Spiralfläche 14 in der "Sechs- Uhr"-Stelle und liegen in den beiden letzten Quadranten innerhalb der Zylinderfläche 14. Der örtliche Radius der Spiralfläche 18 nimmt von einer Stelle 19 des größten Radius gemäß Fig. 2 im Uhrzeigersinn winkelproportional über fast 360° ab und springt an einer Stelle 21 des ge­ ringsten Radius auf einer Übergangsfläche 22 wieder auf den größten Radius zurück. Die Innenumfangsfläche 27 des Spannrings 20 ist entsprechend gestaltet, d. h. der Radius verringert sich von einer Stelle 19′ des größten Radius im Uhrzeigersinn winkelproportional bis zu einer Stelle 21′ des kleinsten Radius, worauf die Innenumfangsfläche 27 in einer Übergangsfläche 22′ in einem engen Winkelbereich wie­ der auf die Stelle 19′ des größten Radius zurückspringt. Der Betrag der Steigung der Spiralflächen 18, 28 in Umfangs­ richtung ist so gewählt, daß sie im Selbsthemmungsbereich liegt und sich der Spannring also, einmal festgezogen, nicht mehr ohne äußeres Drehmoment zurückdreht. Bei einem Radiusunterschied von 2 mm bei 50 mm Durchmesser ergibt sich in der Abwicklung ein Keil mit der Steigung ≈2 : 150, was weniger als einem Grad entspricht, wobei der Grenzwin­ kel der Selbsthemmung bei Stahl auf Stahl bei etwa 7° liegt. Bei dem Beispiel liegen die Spiralflächen 18, 28 also weit im Selbsthemmungsbereich, was gleichzeitig be­ deutet, daß die Umsetzung des an dem Spannring 20 aufge­ brachten Drehmoments in radiale Klemmkraft mit einem hohen Wirkungsgrad erfolgt.

In Fig. 2 ist die Spannanordnung 10, 20 in noch nicht vollständig verspanntem Zustand dargestellt. In ganz un­ verspanntem Zustand sind die Übergangsflächen 22, 22′ ein­ ander in Umfangsrichtung noch mehr benachbart. Die Funktion der Verspannung kann veranschaulicht werden, indem die Stelle 19 des büchsenartigen Ansatzes 10 betrachtet wird, die den größten Radius der Spiralfläche 18 aufweist. Bei einer Bewegung dieser Stelle bei festgehaltenem Spannring 20 gemäß Fig. 2 im Uhrzeigersinn liegt sie nacheinander an Stellen der Spiralfläche 28 an, die einen immer kleine­ ren Radius aufweisen. Dadurch wird die Stelle 19 radial nach innen gedrückt. Entsprechendes gilt für alle anderen Stellen des Umfangs mit Ausnahme der zwischen den Stellen 19 und 21′ freibleibenden Zonen. Der axiale Ansatz 10 wird auf diese Weise gleichmäßig radial zusammengedrückt und auf der Schraube 1 kraftschlüssig festgeklemmt. Das Schraubelement 100 kann dadurch nicht mehr verdreht werden und behält seine einmal erreichte Drehstellung bei.

Der Radiusunterschied der Stellen 19, 21 kann bei einem Durchmesser der Schraube 1 von 30 bis 50 mm wie bei dem bereits erwähnten Beispiel etwa 2 mm betragen. Durch eine Verdrehung des Spannrings 20 gegenüber dem büchsenartigen Ansatz 10 im Uhrzeigersinn von 36° kann also eine Radiustoleranz von 0,2 mm überbrückt werden, was in den meisten Fällen ausreichend ist. Die in Betracht kommenden Anzugs-Drehhübe werden keinesfalls 45° überstei­ gen müssen. Die Übergangsfläche 22′ befände sich bei ent­ sprechend gegenüber dem axialen Ansatz 10 verdrehtem Spann­ ring 20 etwa an der in Fig. 2 gestrichelt angedeuteten Position 22′′.

Im Betrieb kann das eine Sicherungsmutter bildende Schraubelement durch Verdrehen des Körpers 3 bis zur Anlage der Begrenzungsfläche 8 an einer Gegenfläche angezogen werden. Es wird dann ein die Zugspannung in der Schraube 1 bewirkendes Drehmoment auf den Körper 3 aufgebracht, beispielsweise mit Hilfe eines Hakenschlüssels, der in den Nuten 6 angreift. Bei diesem Anziehen sind für die Sicherung des Schraubelements 100 keinerlei Zusatzmomente aufzubringen, d. h. das gesamte an dem Umfang 5 aufgebrachte Drehmoment kommt der Verspannung der Schraube 1 zugute.

Bei erreichter Verspannung erfolgt die Verdrehung des Spannrings 20 mit einem ähnlichen Werkzeug, welches in den Nuten 16 des Spannrings 20 angreift. Es wird da­ durch in der geschilderten Weise der büchsenartige Ansatz 10 radial zusammengedrückt und kraftschlüssig auf der Schraube 1 verspannt. Nötigenfalls kann bei dieser Ver­ spannung mit einem weiteren Drehwerkzeug an dem Körper 3 gegengehalten werden, um die erreichte Verspannung der Schraube 1 nicht zu verändern.

Die Sicherung des Schraubelements 100 erfolgt ganz innerhalb dieses Elements, ohne daß ein Angriff an dem das Gegenlager für die Begrenzungsfläche 8 bildenden Bau­ teil oder an der Schraube 1 stattfindet und ohne daß die Sicherung von dem Material dieser Gegenfläche abhinge.

Die zur Verfügung stehende Länge des Gewindes 9 ist durch den büchsenartigen Ansatz 10 vergrößert, und es wird durch die radiale Zusammendrückung in dem Bereich des axialen Ansatzes 10 auch der Eingriff des Schraub­ gewindes verbessert.

Der Körper 3 muß nicht wie in dem dargestellten Aus­ führungsbeispiel eine reine Mutter sein, sondern kann auch selbst ein eine weitere Funktion ausübendes Bauteil sein. Auch ist in dem Beispiel nur ein Ansatz 10 mit einem Spann­ ring 20 auf einer Seite vorgesehen, obwohl auch eine dop­ pelseitige Ausführung und eine Ausführung mit zwei oder mehr Spannringen auf einer Seite in Betracht kommen.

Claims (4)

1. Gegen Losdrehen sicherungsfähiges Schraubelement (100)
mit einem scheibenförmigen Körper (3),
mit einem durchgehenden Innengewinde (9) in dem Körper (3), von dem mehrere Gewindegänge in dem Körper (3) Platz haben,
mit einem zu dem Innengewinde (9) konzentrischen, auf mindestens einer Seite des Körpers (3) vorgesehenen büch­ senartigen Ansatz (10), durch den sich das Innengewinde (9) fortsetzt,
mit einer Spiralfläche (18), die auf der Außenumfangs­ fläche (17) des büchsenartigen Ansatzes (10) koaxial zur Achse (2) des Innengewindes (9) angeordnet und aus zu der Achse (2) parallelen Erzeugenden gebildet ist und in Umfangsrichtung eine im Selbsthemmungsbereich liegende Steigung aufweist, und
mit mindestens einem auf der Spiralfläche (18) angeordneten, drehbaren, in Umfangsrichtung ungeteilten Spannring (20), dessen Innenumfangsfläche (27) eine der Spiralfläche (18) des Ansatzes (10) entsprechende und auf dieser anliegende Spiralfläche (28) ist.

2. Schraubelement nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Schraubelement (100) als Mutter mit einer am Außenumfang (5) des Körpers (3) vorgesehenen Gestaltung (6) für den Angriff eines Drehwerkzeugs ausge­ bildet ist.

3. Schraubelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Spannring (20) am Außenumfang (15) eine Gestaltung (16) für den Angriff eines Drehwerkzeugs aufweist.

4. Schraubelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Körper (3) mindestens in einem Längenbereich des büchsenartigen Ansatzes (10) in einer durch die Achse (2) gehenden Ebene längsgeschlitzt ist.