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Schraubensicherung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubensicherung oder auf eine
Sicherungs- oder Unterlegscheibe, die unter eine; mutter oder dem Kopf eines Schraubbolzens
angeordnet wird und eo ausgebildet ist, daß eie unter Belastung sich nur nach außen
dehnt. In einem für eine solche Sicherung oder Scheibe zu zeichnenden Diagramm,
in welchem die wirkende Belastung im Zusammenhang mit dem Ausmaß der Ausbiegung
abgetragen ist, würde ein im wesentlichen parallel zu einer
Achse
laufender Abschnitt anzeigen, daß trotz weiterer Drehung der mutter oder Schraube
die Spannung am Bolzen auf diesem Abschnitt konstant ist. mit der Erfindung wird
angestrebt, daß wenigstens eine 3/4-Drehung der mutter oder des Bolzens über diejenige
hinaus angewendet werden kann, die zur Erzeugung einer vorbestimmten Spannung erforderlich
ist, ohne daß dadurch die Last am Bolzen sich über einen vorbestimmten Wert hinaus
ändert.
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Wenn zwei zusammenpassende Teile mit einem Bolzen verbunden werden,
wirkt während des Zusammenbaus eine Vor- oder Anfangebelastung, nämlich eine anfängliche
Spannung des Bolzens, in dem aus Bolzen und mutter bestehenden Befestigungesystem.
Unter der Wirkung dieser Belastung verlängert sich der Bolzen; die durch Bolzen
verbundenen Teile werden zusammengedrUckt, also verkürzt. Falls eine äußere oder
Arbeitsbelastung an der Bolzenverbindung angreift, verlängert sich der Bolzen weiter,
und diese zusätzliche Auslängung ermöglicht eine gewisse Rückbildung der durch Bolzen
verbundenen Teile und einen Abfall in der an diesen angreifenden Vorbelastung. Die
sich ergebende Bolzenlast ist demnach die Summe der verringerten Vorbelastung und
der äußeren oder Arbeitslaet. Diese Summierung ergibt eine Cesamtlast, die etwas
hdher als dij ursprUngliche Anfangslast ist. Die Uber die Anfangs last hinausgehende
Last wird Zusatzlast genannt. Diese zusätzliche Last nimmt ab bei Erhöhung der
Elastizität
von Bolzen und mutter oder mit größerer Starrheit der durch Bolzen verbundenen Teile.
Falls die äußere Belastung schwankt, schwankt auch die zusätzliche Last.
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Diese Anderungen in der zusätzlichen Last sind die Ursache für die
meisten Bolzenbrüche oder dergleichen.
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Untersuchungen der Ermüdungsvorgänge haben gezeigt, daß Bolzen, die
bis zu 80% ihrer Streckgrenze vorbelastet sind, unter gleichen Belastungsbedingungen
ganz erheblich haltbarer sind als Bolzen mit geringerer Vorbelastung, z.B. etwa
nur 10% der Streckgrenze.
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Verfahren zum Bestimmen oder messen der Vorbelastung von Befestigungesystemen
sind entweder ungenau oder sehr kostspielig, Z.B. ergibt sich bei Benutzung eines
Torsionsschlüssels ein Fehler von etwa 25%, bei messung der Auslängung des Befsstigungsbolzens
3 - 5%, wobei jedoch die Kosten etwa das 15-fache der Kosten des mit Torsionsschlüssels
arbeitenden Verfahrens betragen. Bei messung mit einem Spannungsmesser ergibt sich
ein Fehler von etwa 1%, die Kosten betragen jedoch etwa des 20-fache des Torsionsschlüsselverfahrens.
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Bei Schraubbefestigungen sind Ermüdungebrüche die Haupturaache nür
mechanische Bolzenfehler. Beim Zusammenbau ergeben
sich drei Faktoren,
die den Ermüdungsverlauf der Befestigung beeinflussen können, nämlich 1. die Vorbelastung
oder -spannung von Bolzen und mutter und die zusätzliche Belastung, 2. der mangel
an tatsächlicher Parallel;auarichtung zwischen muttergrundfläche und Werkstück,
wenn die Gewindegänge von mutter und Bolzen in Eingriff treten, und 3.
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Spannungskonzentrationen im Fuß der ersten Gewindegänge, die in der
mutter erfaßt werden.
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Es ist an sich bekannt, auch zylindrische Sicherungsschei ben oder
-ringe zu verwenden. Nach der Erfindung wird für die vorstehend skizzierte Aufgabe
das Verhältnis zwischen Länge und Wandstärke des Zylindermantelabschnittes, der
zwischen den Enden der Sicherungsscheibe bzw. des Sicherungeringes vorhanden ist,
im Bereich von etwa 4,0 bis 5,0 gewählt, mit der Länge als größeren Faktor. Aufgrund
dieser Ausbildung der Sicherungascheibe weist die Kurve für die Ausbiegung unter
Belastung einen ausreichend horizontalen Abschnitt auf. Das bedeutet, daß die mutter
über den Punkt hinaus gedreht werden kann, an welchem die gewünschte Belastung erreicht
ist, ohne daß dadurch die Spannung am Bolzen erhöht wird.
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Die Erfindung ermöglicht demnach, in einem bestimmten Bereich mit
brauchbarer Genauigkeit eine konstante Vorbelastung herzustellen, wobei diese Vorbelastung
im wesentlichen konstant gehalten wird, unabhängig von dem Drehmoment, das bei
Herstellung
der Befestigung angewendet wird.
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mit der Erfindung wird demnach ein mit Spannung arbeitendes Befestigungesystem
geschaffen, das eine mit Innengewinde versehene mutter aufweist, die in Eingriff
mit einem Bolzen zur Befestigung eines Teiles an einem zweiten ge-bracht wird, wobei
ein zylindrisches, zusammendrückbares Vorspannungselement an einer Fläche der aneinander
befestigten Teile den Bolzen umgibt und mit einem Basisflansch sich gegen eine Fläche
eines der Teile setzt, während ein Setzflansch in Berührung mit dem Befestigungssystem
tritt; der Basis- und der Setzflansch sind einteilig durch einen Zylindermantelabschnitt
verbunden, der durch Zusammendrücken radial verformbar ist, so daß eine vorbestimmte
Spannungsbelastung ermöglicht und aufrechtorhalten wird, wobei in dem Zylindermantelabschnitt
die axiale Länge zur Wanddicke ein Verhältnis im Bereich von 4,0 bis 5,0 hat. Der
Zylindermantelabechnitt wird demnach radial verformt, um eine vorbestimmte Spannungsbelastung
am Bolzen unabhängig von dem zum Festziehen der mutter aufgewendeten Drehmoment
zu erzeugen, wobei mit der maximalen Aus biegung des Vorspannungselementes nicht
mehr als 5% Änderung in der vorbestimmten Spannungebelastung auftritt.
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Weitere Vorzüge und merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen
sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und
der Zeichnung, in
denen die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen erläutert und dargestellt ist.
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Es zeigen z Fig. 1 teilweise im Schnitt eine mutter mit erfindungsgemäßer
Sicherung auf einem Bolzen, wobei die Sicherung in Berührung mit dem anschließenden
Teil der durch den Bolzen verbundenen Cruppe steht, Fig. 2 eine der Fig. 1 ähnliche
Darstellung, wobei die Sicherung unter Vorbelastung zusammengedrückt und nach außen
gewölbt ist, Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung einer Mutter und Sicherung,
die zu einem Teil vereinigt sind, Fig. 4 ein Diagramm, das die Belastungabedingungen
während des Zusammenbaus bzw. Festziehens der aus mutter und Sicherung bestehenden
Anordnung auf dem Bolzen veranschaulicht, Fig. 5 ein Spannungsdiagramm zur Veranschaulichung
der Faktoren der Spannungskonzentration in den Grundabschnitten üblicher mutter-
und Bolzengewinde, Fig. 6 vergrößert und teilweise im Schnitt eine mutter mit erfindungsgemäßer
Sicherung,
Fig. 7 vergrößert und teilweise im Schnitt eine einteilig
mit der mutter auagebildete erfindungsgemäße Sicherung, Fig. 8 eine Draufsicht auf
die mutter nach Fig. 7, Fig. 9 einen Schnitt zur Veranschaulichung des Anfangsstadiums
beim Zusammenbau von mutter mit Sicherung und Bolzen an einer geneigten Fläche einer
durch Bolzen herzustellenden mehrteiligen Anordnung, Fig. 10 eine der Fig. 9 entsprechende
Darstellung mit zusammengedrückter Sicherung nach Festziehen der mutter an der Anordnung
nach Fig.9, Fig. 11 einen Schnitt durch eine abgewandelte Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Sicherung, Fig. 12 einen der Fig. 11 entsprechenden Schnitt durch die zusam;nengsdrUckte
Sicherung, Fig. 13 einen Schnitt durch eine mutter- und Sicherungsanordnung für
Verwendungsfälle, bei denen die Bolzenermüdung unbedeutend ist, Fig. 14 eine der
Fig. 13 entsprechende Darstellung mit gesonderter Mutter und Sicherung für den gleichen
Zweck und Fig. 15 eine der Fig. 14 entsprechende Darstellung, jedoch mit kegelförmiger
Berührungefläche zwischen mutter und Sicherung und aechs Schlüsselflächen anstelle
der zwölf Kontaktpunkte.
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Das erfindungsgemäße Befestigungssystem, siehe insbesondere Fig. 1
und 2, weist einen üblichen Bolzen 1 und eine aus mutter und Sicherung bestehende
Anordnung 2 auf. Der Sicherungering 3 ist zylindrisch und ist unter der mutter 4
angeordnet.
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In der in den Fig. 1, 2 und 6 dargestellten Ausführungsform weist
ein oberer oder nach außen liegender Flansch 5 des Sicherungeringes 3 eine Anordnungefläche
6 auf, die in Berührung mit einer Schulter 7 der mutter 4 ist. Diese Fläche 6 kann,
um den Zusammenbau zu erleichtern, mit einem Klebemittel versehen sein. Ein Basisflansch
8 des Sicherungsringes 3 ist mit einer Basissitzfläche 9 ausgebildet, die gegen
die Sitzfläche 10 des anschließenden Teiles 11 der durch den Bolzen zusammengehaltenen
Anordnung gesetzt ist.
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Die Mutter 4 hat an ihrem oberen oder äußeren Ende einen Kranz 12
aus Winkelflächen 13, die durch einen Schlüssel oder dergleichen erfaßt werden können,
um während des Befestigungsvorganges ein Drehmoment aufzubringen. Der untere Abschnitt
14 der mutter springt in den zylindrischen Sicherungsring 3 vor, wobei jedoch die
Bodenfläche 15 der mutter mit Abstand zum Bodenflanech 8 des Ringes 3 liegt, Der
Bodenabschnitt 14 ist an seiner Außenseite konisch und verjüngt sich zur Basis 15.
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Zur festen Zusammenfassung der Anordnung wird der Bolzen 1 durch eine
Bohrung 16 in den zu verbindenden Teilen 11 hindurchgeführt und die Sicherung 3
über den Bolzen 1 gesetzt, worauf die mutter 4 aufgeschraubt wird. Die Sitzfläche
9 der Sicherungsscheibe wird dadurch gegen die Sitzfläche 10 des Werkstückes 11
gedrückt. Bei Anwendung eines weiteren Drehmomentes auf die mutter wird eine Spannung
im Bolzen und in dem Bodenabechnitt der mutter innerhalb des Bereiches des Sicherungsringes
erzeugt, wie durch die punktierte Linie m in Fig. 1 angedeutet ist. Eine zusammendrückende
Kraft wirkt in dem Sicherungsring und in dem außerhalb der Sicherung liegenden Bereich
der mutter, siehe die punktierte Linie N in Fig. 1. Bei einer vorbestimmten Belastung
beginnt der Sicherungsring auszuknicken. Von diesem Beginn an variiert die das Ausknicken
bewirkende Belastung sehr wenig, weniger als 4 - 6%, eo daß sie in dem Diagramm
der Fig. 4 als gleichförmig dargestellt werden kann. Die zusammendrückende Belastung
des Ringes ist etwa gleich der gewünschten Vorbelastung. Das an der mutter angreifende
Drehmoment kann von Bolzen zu Bolzen verschieden sein, ohne die Erreichung der gewünschten
Vorbelastung am Bolzen 1 merklich zu beeinflussen.
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Die Fig. 9 und 10 veranschaulichen die Fähigkeit der erfindungagemäßen
mutter- und Sicherungsanordnung, sich der Schrägstellung der Sitzfläche mit Bezug
auf die Achse.von
mutter und Bolzen anzupassen bzw. diese Schrägstellung
auszugleichen. Wie in diesen Figuren gezeigt ist, beginnt das Ausknicken des Sicherungsringes
auf der Seite, auf der der Basisflansch 18 die geneigte Sitzfläche 10 berührt. Das
Ausbeulen setzt sich allmählich rundherum fort, bis die gesamte Sitzfläche 9 des
Sicherungsringes gegen die Sitzfläche 10 des angrenzenden Werkstückes gepreßt ist.
Winkelabweichungen können verursacht sein durch Winkelabweichungen zwischen Bolzengewinde
und Bolzenschaft, Abweichungen der Achse des muttergewindes oder der Bohrungsachse
von der Normalenrichtung, bezogen auf die Fläche 10.
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Die Fig. 11 und 12 zeigen eine Sicherungsscheibe bzw. einen Sicherungsring
17, bei der bzw. bei dem der Basieflanech 18 nur nach innen vorspringt.
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Die Fig. 13, 14 und 15 zeigen weitere Einzelformen für verschiedene
Verwendungezwecke, insbesondere dafür, daß die Ermüdung des Bolzens nicht wichtig
ist, etwa bei Scherungsbelastung.
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In allen Fällen kann leicht überprüft werden, ob die gewünschte Vorbelastung
erreicht ist, indem eine über den Wulst 19 der Sicherung passende meßlehre verwendet
oder die Verkürzuns der Sicherung oder der aus mutter und Sicherung bestehenden
Anordnung gemessen wird.
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In der in Fig. 7 und 8 gezeigten Ausführungsform ist die Sicherung
21 einteilig mit dem Körper 22 der mutter 23 ausgebildet. Der obere Teil des Sicherungsabschnittes
21 liegt über dem Bodenteil der mutter, so daß der konische Bodenabschnitt 14 der
mutter in den Sicherungsteil 21 vorspringt.
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Aufgrund der konischen Außenform des Grundabschnittes 14 der mutter
ist diese nach ihrem unteren Ende hin zunehmend nachgiebiger, da die Wandstärke
in gleicher Richtung abnimmt. Dadurch kann der untere mutterabschnitt einen Teil
der Bolzenlast als Dehnungsspannung tragen, während der obere muttsrabschnitt unter
Druckbelastung bleibt. Dies führt zu einer gleichförmigeren Verteilung der Belastung
uber eine größere Anzahl von Windungen der mutter und des Bolzens, so daß damit
das Auftreten von ErmUdungfehlern eingeschränkt wird.
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Die erfindungsgemäße mutter-Sicherung-Anordnung kann die gewünschte
Vorbelastung am Bolzen innerhalb enger Grenzen aufbringen und aufrechterhalten,
etwa mit + 6 - 8, eine erträgliche Schwankung der Vorbelastung. Diese Genauigkeit
beruht darauf, daß die Vorbelastung der Ausknickungsbelastung der Sicherung entspricht,
die vom Beginn an konstant ist, bis die Scheibe eine feste Sicherung wird. Sie hängt
nicht ab von irgendeinem anderen Faktor, u(ie Oberflächeneigenschaft,
Reibung
oder Winkligkeit. Die Ausknickungsbelastung, d.h. auch die Vorbelastung, ist nicht
abhängig von irgendeinem spezifischen Wert des zum Zusammensetzen von mutter und
Bolzen angewendeten Drehmoments. Nachdem die aus Sicherung und mutter bestehende
Anordnung montiert worden ist, wird bei der ersten Anwendung der Arbeitsbelastung
die Sicherung weiter zusammengedrückt, um die Änderung in der Dehnungsepannung am
Bolzen und an den durch den Bolzen verbundenen Teilen, z.B. Platten, auszugleichen.
Danach bleibt die Vorspannungebedingung, die auf die maximale Arbeitsbelastung eingestellt
worden ist, konstant.
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Die während des Zusammenbaus konstante Ausknickungslast der Sicherung
wird durch bestimmte Eigenschaften des zylindrischen Abschnittes der Sicherung gewährleistet,
hauptsächlich durch seinen Außendurchmeeser, seine Wandstärke und seine Länge zwischen
den Flanschen. Der äußere Durchmesser und die Wanddicke werden aufgrund der gewünschten
Ausknickungslast, der Bolzengröße und dem für die Sicherung verwendeten material
bestimmt. Die Länge zwischen den Flanschen wird so gewählt, daß eine im wesentlichen
konstante Last vom Beginn bis zum Ende der Ausknickung der Sicherung erzielt wird.
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In den meisten Fällen, bei denen hochfestes material verwendet wird,
liegt diese Länge sehr nahe bei dem 4,4-fachen der Wandstärke, Wenn mit material
geringerer Festigkeit gearbeitet wird, kann diese Länge im Bereich vom 4,8-fachen
der
Wandstärke liegen. Im allgemeinen hat sich gezeigt, daß bei einem Verhältniswert
von weniger als etwa 4,0 die Spannung während des Ausknickens zunehmen kann. Falls
das Verhältnis 5,0 übersteigt, kann die Belastung während des Ausknickens abnehmen.
Diese Erscheinungen sind unerwünscht.
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Deshalb wird das Verhältnis auf einen Bereich beschränkt, in welchem
mit einer im wesentlichen konstanten Belastung vom Beginn bis zum Ende der Ausknickung
der Sicherung gerechnet werden kann. Bei üblichen materialien liegt dieer Bereich
zwischen den Verhältniswerten, 4,0 und 5,0. Z.B. ergeben sich bei einer 3/8"-mutter
für hohe Ermüdungebelastung folgende Abmessungen: Außendurchmesser 0,575", Wanddicke
0,036", Länge zwischen den Flanschen 0,160, Das Verhältnis von Länge zu Dicke beträgt
in diesem Fall 160/36 = 4,45.
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Die Querschnittsfläche beträgt 0,061 Quadratzoll, die eine Belastung
von etwa 15.000 lbs. trägt, bevor die Sicherung in der angestrebten Weise ausknickt.
Falls für das gleiche material geringere Ausknickungelasten angestrebt werden, wird
die Querschnittsfläche des Zylinders entsprechend bemessen.
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In jedem Fall bleibt das Verhältnis von Zylinderlänge zu Wandstärke
in den vorstehend angegebenen Grenzen.
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Bei der praktischen Verwendung wird die Sicherung stets in einem teilweise
ausgeknickten Zustand gehalten und niemals vollständig zusammengedrückt, da dadurch
eine ihrer erwUnechten Funktionen zerstört wUrde, nämlich sich lbsttätig
unter
maximalen Arbeitebelastungen anzupassen.
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Vergleichsversuche zeigen, daß bei der nach außen gerichteten Ausknickung
einer Sicherung der hier beschriebenen Art eine mutter mit einer Drehung, die etwa
3/4 einer vollständigen Umdrehung beträgt, über die Drehungen hinaus angezogen werden
kann, die nötig sind, um die vorbestimmte Belastung des Bolzens zu erzeugen, ohne
daß dabei die Belastung am Bolzen von der eben erwähnten vorbestimmten Belastung
mehr als 5% abweicht. Die Abmesoungsverhältniese der erfindungsgemäßen Sicherung
sind demnach wesentlich, um die Elastizität der Sicherung aufrechtzuerhalten und
gleichzeitig ein Festdrehen der mutter zu ermöglichen, ohne daß für eine vorbestimmte
Belastung die Drehungen genau bemessen werden müssen.
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- PATENTANSPRUCHE -
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