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Kennwort: "Sperrzahnscheibe"
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Sperrzahnscheibe Die Erfindung bezieht sich auf eine Sperrzahnscheibe
für Schraubmelemente, wie Kopfschrauben bzw. Muttern, die an ihren beiden Ringflächen
je einen der Ringbreite entsprechenden Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung
des Schraubelementes erstreckender Sperrzähne mit Zahnrücken und ein unbeabsichtigtes
Rückdrehen der Schraubelemente verhindernder, auf den beiden Ringflächen entgegengesetzt
gerichteter Sperrflächen aufweist und die von den Sperrzahnspitzen gebildeten Sperrzahnkanten
der einen Ringfläche mit denen der anderen Ringfläche auf ihrer gesamten Länge in
der axial verlaufenden Belastungsrichtung jeweils auf einer Linie liegen. Diese
bekannten Sperrzahnscheiben sind in Form einer geprägten Tellerfeder aus Federmetall
gebildet und weisen somit im unbelasteten Zustand eine etwa kegelmantel-förmige
Gestalt auf und werden erst durch die Belastung durch ein Schraubelement federelastisch
in eine Ebene verformt.
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Beim Anziehen des Schraubelementes liegt die Sperrzahnscheibe infolge
ihrer kegelmantel-förmigen Gestalt zunächst mit dem äußeren Rand gegen das Bauteil
und mit ihrem inneren Rand gegen die Mutter bzw. den Kopf der Schraube an, so daß
durch die unterschiedlichen Wirkungsarme die Sperrzahnscheibe drehfest an dem Bauteil
gehalten und das Schraubelement sich auf der Sperrzahnscheibe drehen kann. Nach
dem elastischen Verformen der Sperrzahnscheibe treten jedoch an beiden Ringflächen
der Sperrzahnscheibe
gleiche Wirkarme auf, so daß dann nicht mehr
gewährleistet ist, daß das Schraubelement sich auf der Sperrzahnscheibe dreht. In
diesem Fall ist dann auch ein Mitdrehen der Sperrzahnscheibe mit dem Schraubelement
auf dem Bauteil möglich. Weiterhin weist die Sperrzahnscheibe an beiden Seiten gleichgestaltete
Sperrzähne auf, deren Sperrflächen im wesentlichen senkrecht zur Ringfläche verlaufen.
Durch diese in axial verlaufender Belastungsrichtung jeweils auf einer Linie liegenden,
senkrechten Sperrflächen an den beiden Ringflächen der Sperrzahnscheibe tritt jedoch
in diesen Bereichen ein Schereffekt ein, durch den die Sperrzahnscheibe zerstört
werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sperrzahnscheibe der
eingangs erläuterten Art zu schaffen, bei der solche Nachteile vermieden sind und
die Sperrzahnscheibe beim Anziehen des Schraubelementes zuverlässig drehfest an
dem Bauteil gehalten wird und eine Zerstörung beim Anziehen des Schraubelementes
vermieden wird.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die Zahnrücken
der Sperrzähne, die an der ebenen, dem Schraubelement abgekehrten, ersten Ringfläche
der Sperrzahnscheibe angeordnet sind, wesentlich steiler sind als die der Sperrzähne
an der zweiten, ebenfalls ebenen Ringfläche und dabei die Sperrflächen wesentlich
flacher ausgebildet sind als die der im wesentlichen senkrechte Sperrflächen aufweisenden
Sperrzähne an der zweiten Ringfläche. Dadurch wird in einfacher Weise erreicht,
daß beim Anziehen des Schraubelementes die Mutter bzw. der Kopf der Schraube über
die flachen Rücken der Sperrzähne der zweiten Ringfläche gleitet, während die wesentlich
steileren Rücken der Sperrzähne der ersten Ringfläche, die dem Bauteil zugewandt
ist, ein Gleiten und somit Mitdrehen der Sperrzahnscheibe auf dem Bauteil verhindert.
Die von den Sperrzahnspitzen gebildeten Sperrzahnkanten der einen Ringfläche liegen
mit denen der anderen Ringfläche auf ihrer gesamten Länge in der axial verlaufenden
Belastungsrichtung jeweils auf einer Linie, so daß eine gegenseitige
Abstützung
stattfindet. Die dem Bauteil zugewandte Ringfläche weist dabei jedoch Sperrzähne
auf, deren Sperrflächen nicht senkrecht zur Ringfläche sondern wesentlich flacher
ausgebildet sind, so daß sich keine senkrechten Sperrflächen gegenüberliegen. Dadurch
ist ein Abscheren nicht zu befürchten.
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Die Zahnrücken und Sperrflächen der Sperrzähne, die an der dem Schraubelement
abgekehrten ersten Ringfläche der Sperrzahnscheibe angeordnet sind, können gleich
lang ausgebildet sein und unter gleichen Winkeln zur Ringfläche verlaufen. Dadurch
erhalten die Sperrzähne in einfacher Weise den Querschnitt eines gleichschenkligen
Dreiecks und können somit die auftretenden Belastungen vorteilhaft aufnehmen.
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Die von den Sperrzahnspitzen gebildeten Sperrzahnkanten können auf
beiden Ringflächen bogenförmig verlaufen, so daß die an der zweiten Ringfläche vorgesehenen,
im wesentlich senkrecht verlaufenden Sperrflächen konkav ausbildet sind. Dadurch
ist in einfacher Weise ein Anformen der Sperrzähne durch Fräsen möglich.
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Die Gesamtgröße der Sperrflächen der Sperrzähne sowohl an der einen
als auch an der anderen Ringfläche können einem Wert entsprechen, der multipliziert
mit dem jeweiligen Wirkungsarm unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Materialfestigkeiten
von Sperrzahnscheibe, Schraubelement und Bauteil und der unterschiedlichen Flächengrößen
vom Gewindeflankendurchmesser des Schraubelementes und der Anlageflächen der Sperrzahnscheibe
ein dem inneren Losdrehmoment des Schraubelementes bei dynamischer Axialbeanspruchung
entsprechendes Sicherungsmoment ergibt.
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Es wird dabei ausgegangen von der Erkenntnis, daß gleich große Schraubenkräfte
bei gleicher Schraubelementgeometrie ein der Schraubenkraft proportionales, berechenbares
Losdrehmoment erzeugen und sowohl die Auflageflächen der Sperrzahnscheibe als
auch
die Sperrflächen einer dem Tragvermögen der verspannten Teile (Grenzflächenpressung)
angepaßte Größe benötigen. Nach der Erfindung ausgelegte Sperrzahnscheiben haben
in ihrer bevorzugten Ausführungsform eine Auflagengröße vom 2,3-fachen des Spannungsquerschnittes
des Schraubelementes und eine entsprechend große, dem inneren Losdrehmoment des
Schraubelementes angepaßte Sperrfläche. Die Mindestfestigkeit der verspannten Teile
kann somit bis zum 1:2,3-fachen unter der Festigkeit der Sperrzahnscheibe liegen,
ohne daß die Grenzflächenpressung überschritten wird. Bei im Rahmen dieser Grenzen
liegenden Festigkeitsdifferenzen senkt sich die Sperrzahnscheibe unterschiedlich
tief in das Schraubelement bzw. in das Bauteil ein, wobei sich selbständig in der
Verzahnungsebene des Last-Widerstands gleichgewichtes die der Grenzflächenpressung
entsprechende Auflage- und Sperrfächengröße einstellt. Die in dieser Weise hergestellten
Sperrzahnscheiben benötigen für die gleiche Verspannkraft ein geringeres Anziehdrehmoment,
weisen einen geringeren Setzbetrag auf, so daß der Vorspannkraftverlsut geringer
wird und die Dauerhaltbarkeit sich erhöht.
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Diese Erkenntnisse verbinden erstmalig Anforderungen an die Größe
der Auflageflächen unter Ausnutzung der bewährten Relationen von genormten Schraubelementen
mit der bisher unabhängig davon behandelten Gestaltung der Zahnform von Sperrzahnscheiben,
um die sichere Aufnahme des nur durch das Gewinde bestimmten inneren Losdrehmomentes
sicher zu verwirklichen. Durch diese bisher unbekannte wechselseitige Bestimmung
und Optimierung auf die unterschiedlichen Aufgaben der Sperrzahnelemente gerichtete
Gewährleistung der erforderlichen Vorspannkraft, der ausreichenden Auflagefläche
auf den verspannten Teilen, der geringsten Setzbeträge und der sicheren Aufnahme
des inneren Losdrehmomentes wird in Auswertung der genormten Abmessungen die kleinstmögliche,
trotzdem höher als bisher wirksame Sperrzahnscheibe entwickelt.
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Die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen
für die axiale Spannkraft des Schraubelementes beträgt mindestens
das
1,4-fache und vorzugsweise das 2,3-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes.
Sperrzahnscheiben müssen aus einem Material gefertigt sein, dessen Oberflächenfestigkeit
um mindestens 30% größer ist als die Oberflächenfestigkeit des Schraubelementes
bzw. des Bauteiles, damit die sägezahnförmigen Vorsprünge sich in das Schraubelement
bzw. in das Bauteil einarbeiten und nicht vom Schraubelement bzw. Bauteil eingeebnet
werden. Daraus ergibt sich, daß die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen
Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße für die axiale Spannkraft mindestens
das 1,4-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes betragen muß. Dies
bedingt jedoch, daß für jedes Bauteil besondere Sperrzahnscheiben erforderlich werden.
Die Fläche wird daher direkt etwas größer ausgebildet, so daß die Festigkeit der
Sperrzahnscheibe um mehr als 30% größer sein kann als die Festigkeit des Bauteiles.
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Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt
und zwar zeigen: Fig.1 eine in ein Bauteil eingesetzte Kopfschraube mit erfindungsgemäßer
Sperrzahnscheibe in Seitenansicht, Fig.2 die erfindungsgemäße Sperrzahnscheibe in
Draufsicht, Fig.3 die Sperrzahnscheibe in Unteransicht, Fig.4 die Sperrzahnscheibe
in Seitenansicht und Fig.5 einen Schnitt nach der Linie V-V der Fig.2.
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Auf der Zeichnung ist eine Kopfschraube M10 in vergrößertem Maßstab
dargestellt. Die Kopfschraube ist dabei in ein Bauteil 10 eingesetzt, jedoch noch
nicht angezogen. Der Gewindebolzen 11
weist dabei einen Nenndurchmesser
von d=10mm auf. Der Gewindebolzen 11 ist an seinem einen Ende mit einem Sechskant-Kopf
12 versehen.
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Zwischen dem Kopf 12 und dem Bauteil 10 ist eine Sperrzahnscheibe
13 angeordnet. Die Sperrzahnscheibe 13 ist mit einem Durchbruch 14 für den Gewindebolzen
11 versehen und weist an ihrer dem Schraubenkopf 12 zugekehrten Ringfläche 15 einen
der Ringbreite entsprechenden Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung des
Schraubelementes erstreckender Sperrzähne 16 auf. Diese Sperrzähne 16 weisen dabei
Zahnrücken 17 auf, die unter einem verhältnismäßig flachen Winkel zur Ringfläche
15 verlaufen. Weiterhin weisen die Sperrzähne 16 Sperrflächen 18 auf, die im wesentlichen
senkrecht zur Ringfläche 15 verlaufen. Die Sperrflächen 18 sind dabei der -Losdrehrichtung
des Schraubelementes entgegengerichtet.
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Beim Anziehen gleitet der Kopf 12 auf den verhältnismäßig flachen
Zahnrücken 17 der Sperrzähne 16.
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Wie insbesondere aus der Fig.3 ersichtlich, weist die dem Bauteil
10 zugekehrte Ringfläche 19 ebenfalls Sperrzähne 20 auf. Diese Sperrzähne 20 weisen
jedoch wesentlich steiler verlaufende Zahnrücken 21 auf. Die der Losdrehrichtung
des Schraubelementes entgegengerichteten Sperrflächen 22 dieser Sperrzähne 20 verlaufen,
wie insbesondere aus den Fig.4 und 5 ersichtlich, unter einem gleichen Winkel wie
die Zahnrücken 21. Die Sperrzähne 20 weisen somit den Querschnitt eines gleichschenkligen
Dreiecks auf. Die gegenüber den Zahnrücken 17 der Sperrzähne 16 wesentlich steileren
Zahnrücken 21 der Sperrzähne 20 bewirken somit, daß beim Anziehen des Schraubelementes
der Kopf 12 des Schraubelementes zwar auf den flachen Zahnrücken 17 der Sperrzähne
16 gleiten kann, während ein Gleiten der Sperrzahnscheibe 13 auf dem Bauteil 10
verhindert wird, da die gegen das Bauteil 10 gerichteten Sperrzähne wesentlich steilere
Zahnrücken 21 aufweisen. Es wird somit in einfacher Weise erreicht, daß beim Anziehen
des Schraubelementes die Sperrzahnscheibe 13 gegen Mitdrehen gesichert ist.
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Den Fig.4 und 5 ist weiterhin zu entnehmen, daß die von den Sperrzahnspitzen
gebildeten Sperrzahnkanten 23 der Ringfläche 15 mit den von den Sperrzahnspitzen
gebildeten Sperrzahnkanten 24 der anderen Ringfläche 19 auf ihrer gesamten Länge
in der axial verlaufenden Belastungsrichtung jeweils auf einer Linie liegen.
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Dadurch stützen sich die auf gegenüberliegenden Seiten der Sperrzahnscheibe
13 liegenden Sperrzahnkanten 23 und 24 gegeneinander ab. Da die Sperrzähne 20 jedoch
einen Querschnitt in Gestalt eines gleichschenkligen Dreiecks aufweisen, ist ein
Abscheren im Bereich der senkrecht zur Ringfläche 15 verlaufenden Sperrflächen 18
der Sperrzähne 16 nicht zu befürchten.
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Wie insbesondere aus den Fig.2 und 3 ersichtlich, verlaufen die von
den Sperrzahnspitzen gebildeten Sperrzahnkanten 23 und 24 auf beiden Ringflächen
15 und 19 bogenförmig, so daß die an der zweiten Ringfläche 15 vorgesehenen, im
wesentlichen senkrecht verlaufenden Sperrflächen 18 konkav ausgebildet sind. Die
Sperrzähne 16 können somit in einfacher Weise durch Fräsen eingebracht werden.
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Die Gesamtgröße der Sperrflächen 18 bzw. 22 der Sperrzähne 16 bzw.
20 sowohl an der einen als auch an der anderen Ringfläche 15 bzw. 19 entsprechen
einem Wert, der mulitipliziert mit dem jeweiligen Wirkungsarm unter Berücksichtigung
der unterschiedlichen Materialfestigkeiten von Sperrzahnscheibe 13, Schraubelement
11, 12 und Bauteil 10 und der unterschiedlichen Flächengröße vom Gewindeflankendurchmesser
des Gewindebolzens 11 und der Anlageflächen der Sperrzahnscheibe 13 ein dem inneren
Losdrehmoment des Schraubelementes bei dynamischer Axialbeanspruchung entsprechendes
Sicherungsmoment ergibt.
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Sperrzahnscheiben 13 müssen eine um 30% größere Festigkeit aufweisen
als das Schraubelement und das zu verspannende Bauteil 10.
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Dadurch ist gewährleistet, daß beim Anziehen des Schraubelementes
die Sperrzähne 16, 20 sich in den Schraubenkopf 12 bzw. in das
Bauteil
10 eindrücken und nicht der Schraubenkopf 12 bzw. das Bauteil die Sperrzähne 16,
20 einebnen. Die wirksame Flächengröße der Sperrzahnscheibe 13 muß somit mindestens
das 1,4-fache des Spannungsquerschnittes des Gewindebolzens 11 betragen.
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Beim Anziehen des Schraubelementes dringen die Sperrzähne 16, 20 der
Sperrzahnscheibe 13 in den Schraubenkopf 12 bzw. in das Bauteil 10 ein. Beim Eindringen
der Sperrzähne 16, 20 in die Oberfläche des Bauteiles 10 bzw. in den Schraubenkopf
12 werden unterschiedlich große Teile der Sperrzähne 16, 20 als Anlageflächen wirksam.
Bei den Sperrzähnen 16 sind dies die Zahnrücken 17, da die Sperrflächen 18 im wesentlichen
senkrecht zur Ringfläche 15 verlaufen. Bei den Sperrzähnen 20 sind dies sowohl die
Zahnrücken 21 als auch die Sperrflächen 22, da diese unter gleichen Winkeln zur
Ringfläche 19 verlaufen. Das Eindringen ist dabei abhängig von der axialen Schraubenkraft,
der wirksam werdenden Anlageflächen und der Festigkeitsdifferenz zwischen Sperrzahnscheibe
13 und Bauteil 10 bzw. Schraubenkopf 12. Das Einarbeiten erfolgt dabei so lange,
bis die beim Eindrücken größer werdenden Anlagefächen die Belastung ohne weitere
Verformung aufnehmen.
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Je größer die angeführten Teile der Sperrzähne 16, 19 als Anlagefläche
werden, um so größer werden auch die Teile der Sperrflächen 18, 22 der Sperrzähne
16, 20, die zur Aufnahme des inneren Losdrehmomentes vorgesehen sind. Erfindungsgemäß
weisen die Sperrflächen 18, 22 der Sperrzähne 16, 20 lediglich eine solche Ge-Gesamtgröße
auf, daß die beim Eindringen der Sperrzähne 16, 20 als Sperrflächen wirksam werdenden
Teile der Sperrzähne 16, 20 auf die entsprechenden Gegenflächen des Bauteiles 10
bzw. des Schraubenkopfes 12 durch das innere Losdrehmoment eine solche Flächenpressung
ausüben, die die Festigkeit des Bauteiles 10, bzw. des Schraubenkopfes 12 so weit
wie möglich ausnutzend von den Gegenflächen ohne Verformung aufgenommen werden.
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Nach Paland lassen sich die "inneren-Losdrehmomente" berechnen.
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Seine Veröffentlichung "Sicherheit der Schrauben-Muttern-Verbindung
bei dynamischer Axialbeanspruchung11 mündet für das größte "innere-Losdrehmoment"
in der Formel ML = - F5. d2 . tan phi 2
für das Sicherungsmoment
in der Formel M5i = ES . d2 . tan phi.
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2 Die das innere Losdrehmoment bzw. Sicherungsmoment bestimmende
Schraubenkraft F5 ist eine vom Spannungsquerschnitt des Gewindes und von der Schraubenstreckgrenze
(Schraubengüte) abhängige Größe, der nach den vorangestellten Erläuterungen eine
- die mögliche Festigkeitsdifferenz zwischen Sperrzahnscheibe und Schraubelement
bzw. Bauteil berücksichtigende - Auflagefläche zugeordnet ist. Ersetzt man F5 durch
die ihr adäquate Flächengröße, führt die bisherige Sicherungsmomentenformel zu dem
- gegen das Losdrehmoment zu richtenden - Widerstandsmoment.
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Nach dem Einsetzen des Wirkarmes, über den dieses Widerstandsmoment
wirken kann, kommt man zu der Formel für die erforderliche Sperrflächengröße. Bei
der dargestellten Sperrzahnscheibe sind daher lediglich 37 Sperrzähne vorgesehen,
die eine Höhe von 0,1mm aufweisen.
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Wie bereits erwähnt, ist die dargestellte Ausführung lediglich eine
beispielsweise Verwirklichung der Erfindung und diese nicht darauf beschränkt. Vielmehr
sind noch mancherlei andere Ausführungen und Abänderungen möglich.
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