DE843630C

DE843630C - Sicherungsring

Info

Publication number: DE843630C
Application number: DEW4763A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Brozek; Heinrich Dr Heimann
Original assignee: Waldes Kohinoor Inc
Current assignee: Waldes Kohinoor Inc
Priority date: 1949-12-27
Filing date: 1950-12-14
Publication date: 1952-07-10
Also published as: US2615735A; GB674720A; FR1034711A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sicherungsring, der als ein offener Ring aus Federmaterial, wie härtbarem Stahl, Phosphorbronze, Berylliumkupfer usw., hergestellt ist und der nach Einsprengen in eine Nut auf einer Welle oder in einem Gehäuse eine künstliche Schulter bildet, um einen Maschinenteil gegen Verschiebung in Achsrichtung zu sichern.

Die üblichen Sicherungsringe sind entweder aus Streifen oder Draht von gleichförmigem (rundem, quadratischem oder länglichem) Querschnitt gebogen oder aus Streifen ausgestanzt. Beide Arten sind mit Bezug auf den Grad, in dem sie gespreizt oder zusammengedrückt werden können, sehr begrenzt, und diese Begrenzung hängt von der größten Querschnittshöhe ab. Es ist klar, daß der Querschnitt eine bestimmte Höhe haben muß, um eine wirksame Schulter zu bilden und gleichzeitig eine ausreichende Nuttiefe zu erlauben. Da di§ Beanspruchungen die Streckgrenze des Materials nicht überschreiten dürfen, ist die Möglichkeit der Spreizung und Zusammenpressung verhältnismäßig, gering. Bei Ringen von gleichförmigem Querschnitt ist sie auf 5 bis 7 % des Ringdurchmessers beschränkt, während Ringe mit abnehmenden Querschnitten 10 bis 14 °/o Durchmesseränderung erlauben. »5

Weiterhin erfordert bei den bekannten Ringen nahezu jede Durchmessergröße von Welle oder Gehäuse eine entsprechende Ringgröße, da die Durch-

messeränderungen, die die aus Draht oder Streifen gebogenen oder gestanzten Ringe gestatten, verhältnismäßig klein sind.

Ein weiterer Nachteil der bekannten Sicherungsringe besteht darin, daß sie zur Montage und Demontage besondere, meist zangenartige Werkzeuge benötigen.

Ferner ist ein mit den l>ekannten Sicherungsringen nicht oder nur in beschränktem Maß lösbares

ίο Problem die Überbrückung von Endspiel zwischen Ring und Maschinenteil, wie es durch das Zusammentreffen von Einzeltoleranzen für Maschinenteil, Ringdicke und Nutlage bedingt ist.

Die Erfindung macht es sich zur Aufgabe, einen Sicherungsring zu schaffen, der von den oben angeführten Begrenzungen frei ist. Die Lösung besteht in einem Sicherungsring, der, anstatt einen in seinem ganzen'Umfang massiven Querschnitt zu haben, als eine Schraubenfeder aus rundem, quadratischem oder länglichem Draht geformt ist, die zu einem Ring mit freien Enden gebogen ist. Ein solcher schraubenförmig gewundener Ring in Form eines offenen Ringes erlaubt bei richtiger Dimensionierung ein sehr großes Maß von Spreizung (bei Außenringen) oder Zusammenpressung (bei Innenringen). Genauer gesagt, dem Ring nach der Erfindung kann eine Spreizung von 100 % gegeben werden statt von 10 bis 14 °/o bei gestanzten Ringen mit abnehmender Querschnittshöhe.

Ringe nach der Erfindung können leicht mit der 1 fand montiert und abmontiert werden, da die für diesen Zweck anzuwendenden Kräfte verhältnismäßig klein sind verglichen mit den auf die bekannten Ringe wirkenden Kräften. Auch können die Ringe nach der Erfindung so dimensioniert werden, daß sie in eine sehr tiefe Nut mit Druck auf den Xutl>oden eingreifen.

Infolge seiner großen Spreizfälligkeit kann ein solcher Ring nicht nur in axialer Richtung über die Welle montiert werden, sondern kann auch quer zur Welle direkt in der Ebene der Nut in diese eingesetzt werden. Bei den aus Draht oder Streifen gebogenen oder gestanzten Ringen mußte für diesen Zweck eine l>esondere Ringart verwendet werden, nämlich ein Ring mit weit offenem Spalt.

Der'Ring nach der Erfindung ermöglicht es auch, im Zusammenwirken mit einer entsprechenden Nut der Welle oder des Gehäuses und Abphasung des Maschinenteils sich so einzustellen, daß er das sich aus der Summe der auftretenden Toleranzen ergebende Endspiel überbrückt. Aus Streifen gestanzte Ringe mit von der Mitte nach den freien Enden zu abnehmenden Querschnitten und mit keilförmiger Kante, die in eine entsprechend keilförmig geschnittene Nut eingreifen, gestatten nur die Überbrückung eines sehr kleinen Endspiels, weil die Nuttiefe sehr klein ist und weil der Keilwinkel, um die Selbstsperrung des Ringes in der Nut gegen Schub zu sichern, auclr sehr klein sein muß (nicht über 15⁰).

Diese Beschränkungen ]>estehen nicht für eine Verbindung mit einem Sicherungsring nach der Erfindung, t>ei der der Ring in einer konisch geformten Nut der Welle oder des Gehäuses sitzt und sich gegen eine Abschrägung des zu sichernden Maschinenteils abstützt, wol>ei dieser Kegelwinkel ungefähr 10 bis 15⁰ größer ist als der Winkel der kegelförmigen Nutwand. Es wird im Laufe der weiteren Beschreibung gezeigt werden, daß im Hinblick auf den Windungsdurchmesser der Federspirale, den Neigungswinkel der Nutwand und den des Maschinenteils, das Maß des überbrückbaren Endspiels ein Vielfaches beträgt.

Mehrere Aus>führungsl)eispiele des Gegenstandes der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt, es zeigt Fig. ι in Seitenansicht,

Fig. 2 in Stirnansicht einen schrau1>enförmigen Draht aus rundem Querschnitt,

Fig. 3 denselben Draht in die Form eines offenen Ringes gebogen, Fig. 4 im Querschnitt,

Fig. 5 in Seitenansicht einen zu einem offenen Ring gebogenen Schraubendraht von angenähert rechtwinkligem Querschnitt,

Fig. 6 in Stirnansicht,

Fig. 7 in Seitenansicht einen Wellenring nach der Erfindung montiert in einer Nut der Welle,

Fig. 8 einen Schnitt durch ein Gehäuse mit einem Innenring montiert in einer Nut dieses Gehäuses,

Fig. 9 im Schnitt die Aiontage eines Ringes nach der Erfindung in einer konisch sich verjüngenden Nut der Welle mit Abstützung eines mit entsprechend konischer Abphasung versehenen Maschinenteils,

Fig. 10 die gleiche Anordnung für einen Innenring.

Wie in Fig. 1, 2 und 3 gezeigt, besteht ein Ring nach der Erfindung aus einem geraden schraubenförmig gewundenen Draht 10 mit einer geeigneten Zahl von Windungen. Dieser Draht ist zu einer Ringform 11 gebogen (Fig. 3), und seine freien Enden 12, 13 begrenzen einen Spalt 14. Der Innendurchmesser 15 des Ringes ist wesentlich kleiner als der Durchmesser 16 der Nut 17 (Fig. 6), in die der Ring eingesetzt wird. Der Ring wird daher so gespreizt und ausgedehnt, daß der Spalt 18 zwischen den freien Enden 12, 13 von erheblichem Umfang ist. Infolge seiner ihm durch Härten nach dem Biegen verliehenen Federhärte übt der Ring einen wesentlichen Druck auf den Nutboden aus. Die Ringverbindung ist dadurch sehr sicher gemacht.

Es ist offensichtlich, daß der Grad, zu dem ein solcher Ring gespreizt werden kann, wenn er richtig dimensioniert ist, sehr groß ist. Man begegnet deshalb keinen Schwierigkeiten bei der Montage auf der Welle, selbst wenn die Montage quer zur Welle in der Nutebene erfolgt. Richtige Dimensionierung bedeutet: die richtige Bestimmung der Anzahl der Windungen, des Querschnitts des Drahtes, bei einem runden Draht sein Durchmesser, und des mittleren Windungsdurchmessers für den erforderlichen Grad der Spreizung (bei Außenringen) oder Zusammenpressung (bei Innenringen). Bei richtiger Bemessung können die Beanspruchungen des Ringes die Proportionalitätsgrenze nicht üljerschreiten, so daß die Gefahr einer dauernden Verformung ausgeschaltet

ist. Andererseits kann ein erheblicher Druck gegen den iVutboden erreicht werden.

Berechnungen halxMi gezeigt, daß die folgend« 1 lauptbeziehung besteht zwischen der Anzahl der Windungen, dem Durchmesser der Windungen, dem Durchmesser des Drahtes, den Beanspruchungen, dem Elastizitätsmodul für Zug und dem Elastizitätsmodul für Schub einerseits und der durch Spreizen oder Zusammendrücken herl^igeführten Winkeländerung andererseits.

Formel A
d ir

cn

Hierin ist Q die Winkeländerung zwischen den Endtangenten des Ringkörpers oder die Winkeländerung zwischen den Biegungsradien des Ringes an den freien Enden; η ist die Zahl der Windungen, d der Durchmesser der Windungen, δ der Durchmesser des Drahtes, τ die Beanspruchung auf Schub, G der Steifheitsmodul (Elastizitätsmodul für Schub), ο die Zugl>eanspruchung und E der Elastizitätsmodul für Zug.

Wie eine weitere Berechnung zeigt, ist die Konstante c in dieser Gleichung ungefähr 2. Wenn man z. B. eine größte Schubbeanspruchung von ι ι 000 kg/cm² erlaubt, zulässig für gehärteten Stahl, und eine höchste Zugbeanspruchung von 22 000, dann l>ekommt man für die gesamte Winkeländerung Q die Gleichung

d I 11000 22000
Q ~-2n -j-

ö \ 8 · io⁵ 2,1 ·ΐο⁶

in der Erwägung, daß für Stahl (7 = 8· 10⁵ ist und Ii — 2,1 · ι o⁶. Das gibt für Q einen angenäherten

Wert von , wenn der mittlere Durchmesser der

IO

Windung zweimal dem Drahtdurchmesser entspricht, was beim Winden des Drahtes erreicht werden kann. Wenn für Q der Wert π erforderlich ist, was l>edeutet. dal.i die freien Enden so weit gespreizt werden können, dal.i der Winkel zwischen den Radien der freien Enden· iXo° ist, dann ist die hierfür notwendige Zahl der Windungen ohne Ül>erbeanspruchung des Ringes und ohne ständige Verformung .•7 mal 10. (1. h. annähernd 31 Windungen.

Diesel !κ· Gleichung bestimmt die größte Schubl >eanspruchung, der ein Ring ausgesetzt werden kann, unter einem kleineren Spreizwinkel, wie es z. B. der Fall ist. wenn der Ring in einer Nut sitzt, deren Durchmesser größer ist als der freie Durchmesser des Ringes. Angenommen, daß dieser Winkel Va des größten Spreizwinkels l>eträgt, für den der Ring konstruiert ist, dann würde die Schubbeanspruchung Vi der Schubl>eanspruchung unter größtem Spreizwinkel betragen. Im Beispielsfalle

= 3700 kg/m-. Das ermöglicht die Berechnung des größten Drehmoments, dem der Ring ausgesetzt wird, und damit des durchschnittlichen Drucks, den er gegen den Xutboden ausübt. Zum Beispiel würde bei einem runden Drahtring mit einer Schubbeanspruchung von 3700 kg/em² das auf den Ringmittelteil ausgeübte Drehmoment betragen:

Formel B
M = 2 · 3700 ·

worin I ρ das Trägheitsmoment bei Drehung ist. Bei einem runden Querschnitt ist Ip annähernd 0,1 · ö*

und daher .1/= °'■" ——. Der durchschnittliche

'M

Druck gegen den Nutboden ist P =- , worin r

1 Λ ^ ι· · <-■ · τ-> 2 · O,I O³ · λ7ΟΟ

der iNutradius ist. Somit ist P= —.

Wenn man einen bestimmten Druck wünscht, den der Ring aus Sicherheitsgründen gegen den Nutboden haben soll, so bestimmt die obige Gleichung den Drahtdurchmesser, der nötig ist, um diese Aufgäbe zu erfüllen. Angenommen, der Druck soll 5 kg sein, so würde man bekommen b = 0,25 bei einem Ringradius von 2,5 cm.

Die beiden Formeln A und B beherrschen die Ringkonstruktion und erlauben die Dimensionierung von offenen Schraubenfederringen für eine maximale Spreizung oder Zusammenpressung bei der λ-fontage, für eine gegebene Spreizung oder Zusammenpressung in der Nut und für den erforderlichen Druck gegen den Nutboden. Geschlossene schraubenförmig gewundene Ringe (ohne Spalt) sind als Sicherungsringe bekannt. Aber sie haben einen entschiedenen Nachteil gegenüber Ringen mit Spalt. Erstens ist der erlaubbare Grad der Spreizung oder Zusammenpressüng, gemessen z. B. in Prozenten des Durchmessers, erheblich kleiner, und zwar etwa im gleichen Verhältnis, in dem die Deformationsfähigkeit von geschlossenen massiven Ringen kleiner ist als die Deformationsfähigkeit von offenen massiven Ringen. Zweitens hat ein solcher geschlossener Schraubenfederring eine ungünstige Eigenschaft: unter Schub neigt er dazu, mit stark verminderter Reibung über die Welle zu rollen anstatt an ihrer Oberfläche entlang zu gleiten. Diese Eigenschaft macht· den Ring unter Schublast unsicher, selbst wenn er in einer verhältnismäßig tiefen Nut sitzt. Eine solche Rollwirkung kann¹ bei den geschlitzten Ringen dieser Art nicht auftreten, weil an den freien Enden keine Übertragung des Drehmoments stattfindet. Das wurde durch Versuche an äußeren und inneren Sicherungsringen mit Spalt nach der Erfindung bestätigt.

Fig. 4 und 5 veranschaulichen die besondere Ausführungsform eines äußeren geschlitzten Ringes mit Flachquerschnitt 19, bei dem die freien Enden 20, 21 iao einen kleinen Spalt 22 begrenzen, und der einen freien Durchmesser 23 hat. Der Querschnitt 24 einer Schraubenwindung ist flach, z. B. rechteckig mit scharfen oder runden Ecken, wie in Fig. 5 gezeigt. Die längere Seite 25 des Flachquerschnitts ist konzentrisch zur Ringperipherie angeordnet, während

sich (!ic kleinere Seite 20 in radialer Richtung erstreckt. Hei dieser Art Ring ist die Winkeländerung unter Kräften, die auf die freien Ringenden beim Spreizen oder Zusammendrückendes Ringes wirken, hauptsächlich durch das Torsionsmoment bestimmt, während das Biegemoment nur einen geringen Einfluß hat, weil das Trägheitsmoment gegen Biegen des länglichen Querschnitts in diesem Fall von der dritten Potenz der längeren Seite 25 abhängt, wogegen das Trägheitsmoment gegen Verdrehung hauptsächlich von der dritten Potenz der kleineren Seite 26 abhängt. Für die Dimensionierung des Ringes kann in diesem Fall die Winkeländerung unter einem maximalen Moment M, das von auf die freien Enden wirkenden Kräften ausgeübt wird, mit guter Annäherung durch folgende Gleichung bestimmt werden:

Formel C

nd τ
Q = appr. 2 · -j-- · .

Das l>edeutet, daß ein solcher Ring ceteris paribus nicht so biegsam ist wie ein Ring von rundem Querschnitt. Al)erer kann doch so dimensioniert werden, daß er eine l>edeutende Deformation f>eim Spreizen oder Zusammendrücken aushält, ohne daß die Beanspruchungen die Streckgrenze des Materials überschreiten, wenn der Ring nach Formel C dimensioniert ist. Dieselbe Erwägung zeigt, daß, wenn ein solcher Ring in einer Nut sitzt, deren Durchmesser eine gewisse Abweichung vom freien Durchmesser hat, er einen größeren Druck ausübt als ein geschlitzter Ring von rundem Draht. Somit kann der Druck des Ringes gegen den Nutboden gebührend vergrößert werden, wo es aus Sicherheitsgründen wünschenswert erscheint.

Fig. 8 zeigt ein weiteres Ausrführungsbeispiel eines geschlitzten Ringes, nämlich einen Innenring in einer halbkreisförmigen Nut 27 eines Gehäuses 28.

Der geschlitzte Ring 29 ist so eingesetzt, daß er mit der Hälfte seines Windungsdurchmessers in die Gehäuseöflfnung hineinragt, um eine Schulter zu bilden., die einen Maschinenteil gegen Verschiebung sichert. Der ursprüngliche freie Durchmesser des Ringes ist größer as der Nutdurchmesser 30, und der Spalt ist dementsprechend weit. Wenn der Ring zusammengepreßt wird, bis der Spalt geschlossen ist, so ist der Außendurchmesser des Ringes kleiner als der Durchmesser des Gehäuses 31, so daß der zusammengepreßte Ring in die öffnung geschoben und in die Nut eingesprengt werden kann, wobei der Spalt sich wieder teilweise, a1>er nicht vollständig, öffnet. Der Ring übt daher einen gewissen Druck auf den Nutboden aus, wobei das Maß dieses Druckes einerseits von der Größe der Spaltöffnung, andererseits von der Dimensionierung des Drahtquerschnitts abhängt. Dieselt>e Erwägung greift für den Außenring durch, und die oben entwickelte Formel B kann angewendet werden, um die Dimensionen des Ringquer-Schnitts zu l>erechnen, damit ein bestimmter Druck auf den Nutljoden ausgeübt wird.

June Ringverbindung mit einem Ring nach der Erfindung schließt ein gewisses Endspiel zwischen dem Haltering und dem zu sichernden Maschinenteil ein, wobei dieses Endspiel die Summe der Toleranzen erreichen kann, die für die Länge des Maschinenteils, den Windungsdurchmesser und die Lage der Nut zulässig sind. Diese Gesamttoleranzen können sehr beträchtlich sein und das zulässige Endspiel überschreiten. Es gibt auch Fälle, in denen überhaupt kein Endspiel gestattet ist. Um dieses Problem zu lösen, ist der Ring nach der Erfindung in einer kegelförmigen Nut der Welle oder des Gehäuses angeordnet und stützt sich gegen eine konische Fläche des zu sichernden Maschinenteils ab.

In Fig. 9 sitzt der gespaltene Außenring 32 in einer Nut 33, die in der Welle 34 angeordnet ist. Nut 33 ist als ein länglicher Kegel mit Kegelwinkel β geformt und endet in einer abgerundeten Kante 35. Maschinenteil 36 weist eine kegelförmige Abschräpung 37 unter einem Winkel α auf, der kleiner ist als Winkel β von Kegel 33. Der Unterschied, zwischen den Winkeln β und α ist so zu wählen, <3aß unter Schublast des Maschinenteils 36 gegen den Ring 32 der Ring nicht herausgleiten kann, sondern sich unter Reibung zwischen Kegeln 33 und yj festsperrt. Eine Berechnung zeigt, daß, wenn der Reibungskoeffizient μ größer ist als der Wert tang ·

kein Abgleiten des Ringes unter Schublast entlang den Kegelflächen 33 und 37 möglich ist. Angenommen μ ist gleich 0,12, ein angemessener Wert für die Reibung von Metall gegen Metall, dann muß tang kleiner sein als 0,12 und P~_^_ daher

2 2

kleiner als annähernd 7⁰, mithin β—α nicht über 14⁰. Wenn die Toleranzen in der Länge des Maschinen^ teils, dem Windungsdurchmesser und der Lage der Nut so groß werden, daß der Maschinenteil im Verhältnis zur Nut die Stellung einnimmt, die in Fig. 9 und ίο in gestrichelten Linien dargestellt ist, dann wird der geschlitzte Ring unter seiner Federspannung die geneigte Fläche 33 heruntergleiten und eine veränderte Lage, wie in vollen Linien gezeigt, einnehmen, dabei al)er wieder sich gegen die Fläche 33 der Nut und 37 des Maschinenteils abstützen. Das axiale Endspiel, das der Ring aufnehmen kann, wird bestimmt durch den Windungsdurchmesser des Ringes, den Winkel β der geneigten Nutwand 33 und den Winkel α der geneigten Abstützungsfläche 37 des Maschinenteils. Nimmt man eine erlaubbare äußerste Ringstellung im Verhältnis zur Außenwand der Nut an, wie in vollen Linien in Fig. 9 dargestellt, und eine innerste Stellung, wie in gestrichelten Linien angezeigt, dann kann die vertikale Differenz zwischen äußerster und innerster Stellung leicht auf Yn des Windungsdurchmessers gehalten werden. Dann ist das axiale Endspiel, das der Ring aufnehmen kann, gleich ³U d (tang/?—tang α). Zum Beispiel, wenn der Windungsdurchmesser Vie ist, Winkel β = 6o°, Winkel α = 48⁰, dann kann das Endspiel 0,089 betragen. Bei einer Welle von 1 Zoll Durchmesser würde das Endspiel, das von einem geschlitzten Ring in einer kegelförmigen Nut mit Abstützung gegen eine konische Fläche des Maschinenteils aufgenommen werden kann, ein Mehrfaches, in

unserem Falle das iöfache, des Endspiels betragen, das ein sich verjüngender Ring von massivem Querschnitt überbrücken könnte. Das macht einen solchen schraubenförmig gewundenen Ring, der entsprechend der Differenz zwischen Winkeln β und α, wie oben dargelegt, immer selbstsperrend ist, besonders geeignet als Ersatz für Schraubenbolzen und Muttern bei jedem praktisch vorkommenden Endspiel.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. In die Nut einer Welle oder eines Gehäuses einsprengbarer Sicherungsring zur Bildung einer Abstützschulter für Maschinenteile, dadurch gekennzeichnet, daß der Ring aus einem schraubenfederartig gewundenen und in Ringform mit freien Enden gebogenen Draht besteht.

2. Sicherungsring nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß sein mit der Nut im Eingriff stehender Teil so dimensioniert ist, daß er in der ao Eingriffslage einen Druck auf den Nutboden ausübt.

3. Ringverbindung, bestehend aus einer Welle oder einem Gehäuse, einem gegen axiale Verschiebung hierzu zu sichernden Maschinenteil, as einer Nut in der Welle oder dem Gehäuse und einem in die Nut eingesetzten Sicherungsring nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nut der Welle od. dgl. in der Richtung, in der der Maschinenteil gegen Verschie- bung zu sichern ist, konisch verläuft und der Maschinenteil mit einer entsprechend geneigten Wand versehen ist, die sich gegen den vorspringenden Teil des Sicherungsringes abstützt, wobei der Winkel der geneigten Wand des Ma- schinenteils größer ist, jedoch nicht mehr als 15° größer als der Neigungswinkel der konischen Nutwand.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

θ 3221 6.52