DE69420538T2

DE69420538T2 - Sperrmutter und Verfahren zu ihrer Herstellung

Info

Publication number: DE69420538T2
Application number: DE69420538T
Authority: DE
Inventors: Steven H. Schulenburg; Raymond L. Thurston
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1993-12-29
Filing date: 1994-12-20
Publication date: 1999-12-23
Anticipated expiration: 2014-12-21
Also published as: EP0661465B1; ATE184374T1; DE69420538D1; AU669822B2; KR0140829B1; BR9405245A; JPH07279931A; CA2134303A1; AU7773294A; EP0661465A1; US5499893A; ES2136173T3; CN1111731A; KR950019283A

Description

Die Erfindung betrifft allgemein Sicherungsmuttern zur Anwendung mit Gewindebolzen und insbesondere eine Sicherungsmutter, die aus einem Stück mit einem relativ flachen Profil gebildet ist und die ein relativ geringes Montage-Drehmoment und ein hohes Demontage-Drehmoment aufweist, und zwar auch noch nach wiederholten Montagen und Demontagen der Sicherungsmutter an bzw. von dem Bolzen.
Sicherungsmuttern, die sich beim Aufschrauben auf einen Bolzen nachgebend deformieren, haben im allgemeinen ein relativ hohes Profil und führen zu einer gewissen Deformation der Mutter. Ein Beispiel für eine solche Sicherungsmutter ist in der US- PS 4.990.043 offenbart, die eine Sicherungsmutter mit einem festen Körper und einer Mehrzahl von flexiblen Verriegelungsstreben umfaßt, die sie von einem Ende des festen Körpers wegerstrecken. Die Verriegelungsstreben sind durch Schlitze voneinander getrennt, so daß beim Eingriff mit einem Bolzen die Streben nach außen gebogen werden und eine Widerstandskraft auf die Bolzengewinde ausüben, um ein Lösen der Sicherungsmutter durch Vibrationen weitgehend zu verhindern.
Die genannte Druckschrift offenbart auch eine Hülse, die integral mit einem Ende des festen Körpers der Mutter ausgeformt ist, an dem die Gewindebohrung der Hülse entlang der gesamten Länge der Bohrung zu einer geringfügig ovalen Konfiguration deformiert wird. Eine solche Sicherungsmutter hat jedoch nicht nur ein relativ hohes Profil, wodurch ihr Einsatz für viele Anwendungen ausgeschlossen ist, sondern auch eine erhebliche Steifheit, da die Bohrung entlang ihrer gesamten Länge deformiert wird, wodurch die Montage und Demontage erschwert wird.
In der DE-C-46 50 59 wird eine Befestigung mit einer Mutter, einem Bolzen und einer Sicherungsmutter beschrieben, die aus einem nachgebenden Material geformt ist und auf den Bolzen geschraubt wird, um eine Bewegung der Mutter zu verhindern.
Es besteht somit ein Bedarf, eine Sicherungsmutter mit niedrigem (flachem) Profil aus einem Stück zu schaffen, die auch nach einem wiederholten Entfernen der Sicherungsmutter ein geringes Montage-Drehmoment und ein hohes Demontage-Drehmoment aufweist.
Unter einem ersten Gesichtspunkt der Erfindung wird eine Sicherungsmutter mit flachem Profil zur Aufnahme eines Gewindebolzens geschaffen, die folgende Merkmale aufweist:
einen Körperabschnitt mit einer mit einem Gewinde versehenen axialen Bohrung, die sich durch diesen hindurcherstreckt, wobei der Körperabschnitt und die Gewindebohrung erste und zweite, gegenüberliegende axiale Enden aufweisen;
ein Aufsatzelement, das integral ein Ende des Körperabschnitts umschließt und sich von diesem wegerstreckt, das eine geringere Wanddicke als der Körperabschnitt aufweist, um einen vorbestimmten Grad an Flexibilität zu schaffen, und zwar mindestens in einer in Bezug auf die axiale Bohrung radialen Richtung zu dem einen Ende des Körperabschnitts, wobei sich die Gewindebohrung durch das Aufsatzelement erstreckt; und
Eingriffsmittel an einem Teil der Bohrung, die sich durch den Körperabschnitt erstrecken und einen vorbestimmten Abstand von dem anderen Ende des Körperabschnitts und dem freien Ende des Aufsatzelementes aufweisen, wobei das Eingriffsmittel einen inneren Durchmesser (A) aufweist, der geringer ist, als derjenige der Gewindebohrung an dem anderen Ende des Körperabschnitts, zum verriegelnden Eingriff der Gewinde des Bolzens bei der Montage daran, ohne die Bolzengewinde zu verspannen, und wobei die geringere Wanddicke des Aufsatzelementes eine Biegung des Körperabschnitts an dem Eingriffsmittel ermöglicht, um ein geringes Montage-Drehmoment und ein relativ hohes Demontage-Drehmoment zu schaffen.
Das Aufsatzelement der Sicherungsmutter ist im wesentlichen flexibel, um eine Federwirkung zu erzeugen und einen Gewindeeingriff mit dem Bolzen zu ermöglichen, während das gewünschte niedrige Montage-Drehmoment und das hohe Demontage- Drehmoment erzielt wird.
Das Aufsatzelement weist vorzugsweise eine vorbestimmte, vorzugsweise bogenför mige Konfiguration auf, mit der diesem ein gewünschtes Maß an Flexibilität verliehen wird. Die Bohrung der Sicherungsmutter ist vorzugsweise rekonfiguriert, um eine axiale und radiale Bewegung von Gewinden an einer vorbestimmten Position entlang ihrer Länge mit einem Abstand von den Enden der Bohrung zu ermöglichen, um den Eingriffsabschnitt mit dem Bolzengewinde zu schaffen. Der Eingriffsabschnitt greift mit den Bolzengewinden ein, ohne diese zu verspannen und wirkt mit dem flexiblen Aufsatzelement zusammen, um eine nach außen gerichtete Expansion der Mutter zu ermöglichen und eine Federkraft auf die Bolzengewinde auszuüben, mit der das gewünschte niedrige Montage- und das hohe Demontage-Drehmoment geschaffen wird.
Nach wiederholten Montage- und Demontage-Zyklen der Sicherungsmutter an/von dem Bolzen bleiben die Montage- und Demontage-Drehmomente im wesentlichen unverändert. Dies ist insbesondere für solche Anwendungen von Bedeutung, bei denen Teile häufig ausgetauscht oder entfernt und nach einer Reinigung oder Untersuchung erneut installiert werden müssen.
Unter einem zweiten Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung einer Sicherungsmutter mit niedrigem (flachem) Profil mit folgenden Schritten geschaffen:
Bereitstellen eines Körperabschnitts mit einer durch diesen hindurchtretenden axialen Bohrung;
Erzeugen eines Aufsatzelementes mit einem vorbestimmten Grad an Flexibilität mindestens in einer in Bezug auf die axiale Bohrung radialen Richtung, das sich integral von einem Ende des Körperabschnitts erstreckt und dieses umschließt, wobei sich die Bohrung axial durch das Aufsatzelement erstreckt und die Wanddicke des Aufsatzelementes geringer ist, als diejenige des Körperabschnitts;
Erzeugen von Gewinden innerhalb der axialen Bohrung, wobei sich die Gewinde zwischen einem freien Ende des Aufsatzes und dem anderen Ende des Körperabschnitts erstrecken; und
Deformieren mindestens eines Abschnitts der Bohrung in dem Körperabschnitt, der einen vorbestimmten Abstand von dem anderen Ende des Körperabschnitts und dem freien Ende des Aufsatzelementes aufweist, wobei der deformierte Abschnitt eine innere Abmessung (A) aufweist, die geringer ist, als diejenige der Gewindebohrung an dem anderen Ende des Körperabschnitts, zum verriegelnden Eingriff der Gewinde eines Bolzens bei der Montage daran, ohne die Bolzengewinde zu verspannen, wobei die geringere Wanddicke des Aufsatzelementes eine Biegung des Körperabschnitts an dem deformierten Abschnitt ermöglicht, um ein geringes Montage-Drehmoment und ein relativ hohes Demontage-Drehmoment zu schaffen.
Eine bevorzugte Ausführungsform einer Sicherungsmutter sowie eines Verfahrens zu ihrer Herstellung soll nun mit Bezug auf die Zvichnungen beschrieben werden. Es zeigt:
Fig. 1 eine perspektivische Darstellung einer Art des Gewindeschneidens und des Deformierens von Sicherungsmutten gemäß der Lehre der Erfindung;
Fig. 2 einen Querschnitt durch eine erfindungsgemäße Sicherungsmutter in Längsrichtung entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 und in der angezeigten Richtung, die die verschiedenen Durchmesser der axialen Gewindebohrung nach der Deformation der Sicherungsmutter darstellt;
Fig. 2A einen Querschnitt durch eine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Sicherungsmutter in Längsrichtung, die eine hexagonalförmige axiale Gewindebohrung zeigt;
Fig. 3 eine ebene Ansicht einer erfindungsgemäßen Sicherungsmutter von oben vor der Deformation, in der der im wesentlichen konstante kreisförmige Durchmesser der axialen Bohrung zu erkennen ist;
Fig. 4 eine ebene Ansicht der Mutter gemäß Fig. 2 von oben nach der Deformation, wobei die durch die axiale Bohrung erzielte elliptische Form erkennbar ist;
Fig. 4A eine ebene Ansicht der Mutter der in Fig. 2A gezeigten Ausführungsform von oben; und
Fig. 5 eine Bodenansicht der Mutter gemäß Fig. 3 vor der Deformation.
In den Fig. 1 und 2 ist die erfindungsgemäße Sicherungsmutter allgemein mit der Bezugsziffer 10 bezeichnet. Die Sicherungsmutter 10 ist vorzugsweise aus Metall ge formt, hat ein sehr flaches Profil und umfaßt im wesentlichen einen Körper 12 mit einer axialen Gewindebohrung 14 und einem Aufsatzelement 16, das an einem Ende des Körperabschnitts 12 ausgeformt ist. Es sollte jedoch darauf hingewiesen werden, daß das Material und die Form der Sicherungsmutter 10 verändert werden kann, solange sie in der hier beschriebenen Weise funktioniert.
Zur Herstellung der Sicherungsmutter 10 wird das Aufsatzelement 16 vorzugsweise mit einem Kaltformverfahren oder ähnlichem an einem Ende des Körpers 12 geformt. Wie in Fig. 1 zu erkennen ist, wird dann die axiale Gewindebohrung 14 mit einem Gewindeschneider 18 eingebracht. Die Sicherungsmuttern 10 werden dann zur Deformation durch zum Beispiel Komprimieren oder Crimpen gefördert, die vorzugsweise durch Rollen 20 mit einem mitlaufenden Vorgang erreicht wird, der an der Außenseite des Körpers 12 geringfügige Vertiefungen (nicht dargestellt) hinterlassen kann. Die Kompression der Sicherungsmutter 10 verformt einen Teil der axialen Bohrung 14 zu einer geringfügig elliptischen oder ovalen Form, wie sie in den Fig. 2 und 4 dargestellt ist.
Die bevorzugte Art der Komprimierung oder des Crimpens wird durch die Rollen 20 erreicht, die den Körper 12 im wesentlichen senkrecht zu der Achse der Mutter berühren. Alternativ dazu kann jedoch das Aufsatzelement direkt an zwei oder mehr gegenüberliegenden Sektionen des Aufsatzes kontaktiert werden, so daß sich die in den Fig. 2A und 4A gezeigte Form ergibt.
Weitere Details der axialen Bohrung 14, des Aufsatzelementes 16 und des Zusammenwirkens dieser Elemente sollen im folgenden erläutert werden. Es soll jedoch darauf hingewiesen werden, daß das Verfahren zur Herstellung der Sicherungsmutter 10 auch anders verlaufen kann.
Kurz gefaßt gibt die Form des Aufsatzelementes 16 bei der Anwendung einem Ende des Körpers 12 einen vorbestimmten Grad an Flexibilität, wobei dieses Ende im allgemeinen während der Montage oder Anwendung einem Gewindebolzen (nicht dargestellt) nicht gegenüberliegt. Beim Eingriff des Endes der axialen Bohrung 16 gegenüber dem Aufsatzelement 16 mit dem Gewindebolzen greifen die Bolzengewinde zunächst mit den ersten Gewindegängen der Bohrung 14 ein, die im wesentlichen kreis förmig sind. Durch den fortgesetzten Vortrieb der Sicherungsmutter 10 auf dem Bolzen greifen die Bolzengewinde mit dem komprimierten elliptischen Teil der axialen Bohrung 14 ein. Auf Grund der Flexibilität des Aufsatzelementes 16 dehnt sich die axiale Bohrung 14 auf ihre ursprüngliche kreisförmig Form aus, wenn die Sicherungsmutter 10 weiter vorgetrieben wird. Auf diese Weise wirkt das Aufsatzelement 16 in ähnlicher Weise wie ein Federelement und erzeugt ein zunächst geringes Montage- Drehmoment und gleichzeitig ein hohes Rückhaltemoment bzw. eine Widerstandskraft auf die Bolzengewinde, ohne diese zu deformieren.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, umfaßt der Körperabschnitt 12 ein erstes Bolzen-Eintrittsende 22 und ein zweites, gegenüberliegendes Bolzen-Austrittsende 24. Die axiale Bohrung 14 ist mit einem Gewinde versehen und erstreckt sich zwischen dem ersten und dem zweiten Ende 22, 24.
Gemäß der Darstellung in Fig. 3 ist der äußere Umfang des Körperabschnitts 12 vorzugsweise so geformt, daß er eine Mehrzahl von Angriffsflächen für ein Werkzeug aufweist, um die Sicherungsmutter 10 zum Beispiel mit einem Schraubenschlüssel erfassen zu können. Es sind vorzugsweise sechs Werkzeug-Angriffsflächen 26 vorgesehen, die sechs korrespondierende Sechskantecken 28 aufweisen, wobei zwischen zwei Angriffsflächen 26 jeweils eine Sechskantecke 28 liegt. In dem anfänglichen Stadium, in dem das Aufsatzelement 16 noch nicht auf dem Körper 12 ausgebildet ist, erstrecken sich die Werkzeug-Angriffsflächen 26 und die Ecke 28 vorzugsweise von dem ersten Ende 20 zu dem zweiten Ende 24 entlang der gesamten Länge des Körperabschnitts 28.
Wie in den Fig. 2 und 3 zu erkennen ist, befindet sich das Aufsatzelement 16 an dem zweiten Ende 24 des Körpers 12. Es kann jedoch auch an dem ersten Ende 22 oder - sofern gewünscht - an beiden Enden angeordnet sein. Das Aufsatzelement 16 ist als kontinuierliches Element entlang des Umfangs der Sicherungsmutter 10 ausgebildet und umfaßt eine Mehrzahl von konkaven oder konischen Vertiefungen 30, die daran ausgebildet sind und dem Aufsatzelement 16 eine "ausgebogene" Form entlang seines äußeren Umfangs sowie den gewünschten Grad an Flexibilität verleihen.
Es sind vorzugsweise sechs konkave Vertiefungen 30 vorgesehen, die jeweils im Hinblick auf ihre radiale Position mit einer entsprechenden Werkzeugfläche 26 korrespondieren. Die konkaven Vertiefungen 30 verjüngen sich in Richtung auf das zweite Ende 24, um eine konische Form zu bilden und umfassen einen im wesentlichen dünnen Wandabschnitt 32, der in der Nähe eines Mittelpunktes jeder konkaven Vertiefung an dem zweiten Ende 24 des Körpers 12 liegt.
Um die Flexibilität des Aufsatzelementes 16 zu verändern, können das Material, die Konfiguration und die Abmessungen der Sicherungsmutter 10 verändert werden, so lange sie in der hier beschriebenen Weise funktioniert.
Wie in Fig. 2 zu erkennen ist, hat die axiale Bohrung 14 nach der Kompression oder dem Crimpen der Sicherungsmutter 10 durch die Rollen 20 ihre am stärksten elliptische Form in der Nähe des Einwirkungspunktes mit den Rollen 20, die eine mit "A" bezeichnete kleine Achse aufweisen. Auf Grund der Flexibilität des Aufsatzelementes 16 ist die Bohrung 14 ebenfalls geringfügig elliptisch, wenn sie durch das Aufsatzelement 16 verläuft, das eine mit "B" bezeichnete kleine Achse aufweist.
Dort, wo die Bohrung 14 durch das erste Ende 22 des Körpers 12 hindurchtritt, behält sie jedoch aufgrund der Dicke des ersten Endes 22 des Körpers 12 im wesentlichen ihre ursprüngliche kreisförmige Konfiguration bei und hat einen Durchmesser, der mit "D" bezeichnet ist. Der kreisförmige Durchmesser "D" ermöglicht ein leichtes Aufsetzen der Sicherungsmutter 10 auf den Bolzen.
Die kleine Achse "A" ist vorzugsweise in der Nähe des Mittelpunktes der Bohrung 14 angeordnet, die in etwa mit dem Übergang zwischen einem Boden des Aufsatzelementes 16 und dem übrigen Teil des Körpers 12 korrespondiert, jedoch auch variieren kann, so lange sie nicht an den Enden der Bohrung 14 liegt. Die kleine Achse "A" ist kleiner, als die kleine Achse "B" in der Nähe des Endes der Bohrung 14 an dem zweiten Ende 24 des Körpers 12. Zusätzlich ist der Durchmesser "D" der Bohrung 14 in der Nähe des ersten Endes 22 des Körpers 12 größer, als die kleine Achse "B". Somit ist die Bohrung 14 anfänglich kreisförmig mit einem Durchmesser "D" in der Nähe des ersten Endes 22 des Körpers 12, wird anschließend elliptisch in Richtung auf ihr Zentrum mit der kleine Achse "A" und dehnt sich dann nach außen zurück in eine el liptische Form mit einer kleinen Achse "B", die größer ist, als die keine Achse "A". Es soll darauf hingewiesen werden, daß die Widerstandskraft, die durch das Aufsatzelement 16 geschaffen wird, und die das niedrige Montage-Drehmoment und das hohe Demontage-Drehmoment bewirkt, im wesentlichen auch nach wiederholten Montage- und Demontage-Zyklen der Sicherungsmutter 10 an dem Bolzen konstant bleibt. Die folgenden Tabellen zeigen die bei den Versuchen mit der Sicherungsmutter 10 erzielten Drehmomente. 1 in/lbs entspricht dabei 60 mm/kg. Tabelle I - Gruppe I: Tabelle II - Gruppe II:
Die obigen Meßergebnisse wurden mit einem Hand-Drehmoment-Werkzeug ermittelt. In jedem Fall wurde das anfängliche erste Montage-Drehmoment gemessen, nachdem drei volle Bolzengewinde freilagen. Das erste Demontage-Drehmoment wurde mit einer vollständigen Umdrehung entgegen dem Uhrzeigersinn ermittelt. Das fünfte Demontage-Drehmoment wurde nach fünf Montage- und Demontage-Zyklen ermittelt, wobei der Meßwert mit der fünften Demontage genommen wurde.

Claims

1. Selbstsperrende Mutter (10) mit flachem Profil zur Aufnahme eines Gewindebolzens mit: einem Körper (12) mit einer axialen Gewindebohrung (14), die sich durch diesen hindurcherstreckt, wobei der Körper (12) und die Gewindebohrung (15) gegenüberliegende erste und zweite axiale Enden aufweisen; einem Aufsatz (16), der sich integral von demjenigen Ende des Körpers (12) wegerstreckt und dieses umschließt, das eine geringere Wanddicke aufweist, als der Körper, um eine vorbestimmte Flexibilität mindestens in einer radialen Richtung in Bezug auf die axiale Bohrung (14) zu dem einen Ende des Körpers (12) zu schaffen, wobei sich die Gewindebohrung (14) durch den Aufsatz (16) erstreckt; und Eingriffselementen an einem Teil der Bohrung (14), die sich durch den Körper erstrecken und einen vorbestimmten Abstand von dem anderen Ende des Körpers (12) und dem freien Ende des Aufsatzes (16) aufweisen, wobei die Eingriffselemente eine innere Ausdehnung (A) aufweisen, die geringer ist, als diejenige der Gewindebohrung (14) an dem anderen Ende des Körpers, zum verriegelnden Eingriff der Gewinde des Bolzens bei einer Befestigung daran, ohne die Bolzengewinde zu zerstören, wobei die geringere Wanddicke des Aufsatzes (16) eine Biegung des Körpers an den Eingriffselementen ermöglicht, so daß zum Befestigen ein relativ niedriges Drehmoment und zum Lösen ein relativ hohes Drehmoment erforderlich ist.

2. Selbstsperrende Mutter nach Anspruch 1, bei der der Aufsatz (16) einen kontinuierlichen Umfang und eine vorbestimmte Konfiguration umfaßt, um die Flexibilität zu erzeugen.

3. Selbstsperrende Mutter nach Anspruch 1 oder 2, bei der ein äußerer Umfang des Körpers (12) eine Mehrzahl von Schlüsselflächen (26) aufweist, die radial um diesen positioniert sind, und bei der der Aufsatz (16) eine Mehrzahl von konkaven Flächen (30) aufweist, deren Anzahl mit derjenigen der Schlüsselflächen (26) korrespondiert, wobei jede konkave Fläche (30) radial so angeordnet ist, daß sie mit einer entsprechenden Schlüsselfläche (26) im wesentlichen korrespondiert und in Richtung auf das Ende des Körpers, an dem sie ausgebildet ist, konisch zuläuft, so daß an jeder konkaven Fläche in der Nähe ihres Mittelpunktes und an dem entsprechenden Ende des Körpers ein dünner Bereich gebildet wird, um die gewünschte Flexibilität zu schaffen.

4. Selbstsperrende Mutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der mit dem Eingriffselement an einem Teil der Bohrung (14) eine im wesentlichen elliptische Konfiguration geschaffen wird.

5. Selbstsperrende Mutter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der durch den Aufsatz und das Eingriffselement das zum Befestigen und/oder Entfernen erforderliche Drehmoment nach wiederholten Befestigungen und Entfernungen der selbstsperrenden Mutter an dem bzw. von dem Bolzen im wesentlichen konstant gehalten wird.

6. Verfahren zum Herstellen einer selbstsperrenden Mutter mit flachem Profil mit folgenden Schritten:

Bereitstellen eines Körpers (12) mit einer axialen, durch diesen verlaufenden Bohrung (14);

Ausbilden eines Aufsatzes (16) mit einer vorbestimmten Flexibilität mindestens in einer in Bezug auf die axiale Bohrung (14) radialen Richtung, der sich integral ausdehnt und ein Ende des Körpers (12) umschließt, wobei sich die Bohrung (14) axial durch den Aufsatz (16) hindurcherstreckt und die Wanddicke des Aufsatzes (16) geringer ist, als diejenige des Körpers (12);

Erzeugen von Gewinden innerhalb der axialen Bohrung (14), die sich zwischen einem freien Ende des Aufsatzes (16) und dem anderen Ende des Körpers erstrecken; und

Deformieren von zumindest einem Teil der Bohrung (14) in dem Körper (12), welches einen vorbestimmten Abstand von dem anderen Ende des Körpers (12) und dem freien Ende des Aufsatzes (16) aufweist, wobei der deformierte Teil eine innere Abmessung (A) aufweist, die kleiner ist, als diejenige der mit einem Gewinde versehenen Bohrung (14) an dem anderen Ende des Körpers, zum verriegelnden Eingriff der Gewinde eines Bolzens bei einer Befestigung daran, ohne die Bolzengewinde zu beschädigen, wobei die geringere Wanddicke des Aufsatzes (16) eine Biegung des Körpers (12) an dem deformierten Teil ermöglicht, um ein geringes Drehmoment beim Befestigen und ein relativ hohes Drehmoment beim Lösen zu erzeugen.

7. Verfahren nach Anspruch 6, bei dem der Aufsatz (16) mit einem kontinuierlichen Umfang und einer vorbestimmten Konfiguration versehen wird, um den Grad an Flexibilität zu schaffen.