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Kennwort:"Sperrzahnschraubelement"
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Sperrzahnschraubelement Die Erfindung betrifft ein Sperrzahnschraubelement,
wie Kopfschraube bzw. Mutter, das an der gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten
Ringschulter einen Kranz sich im wesentlichen quer zur Drehrichtung erstreckender
sägezahnförmiger Vorsprünge aufweist, die beim Anziehen des Schraubelementes sich
in Abhängigkeit von dessen axialer Spannung, der wirksam werdenden Anlageflächen
und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil in die Oberfläche
des zu verspannenden Bauteiles eindrücken, bis die beim Eindrücken größer werdenden
Anlageflächen die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teilbereiche
der in Anzugsdrehrichtung schwach ansteigend verlaufenden sägezahnförmigen Vorsprünge,
die in Achsrichtung wirksame Anlagefläche des Schraubelementes bilden, während die
rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen Vorsprünge im wesentlichen senkrecht
zur Ringschulter verlaufen und mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden
Bauteiles eingedrückten Teilen Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes
bilden.
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Bei bekannten Sperrzahnschraubelementen dieser Art sind die -gegen
das Losdrehmoment wirkenden rückwärtigen Seitenflachen der sägezahnförmigen Vorsprünge
-Sperrflächen- , wie nunmehr
erkannt,unnötig groß ausgebildet. Bei
einem durch Norm oder durch Erfahrung der Praxis vorgegebenen Auflagedurchmesser
ist die Größe der wirksamen Ringschulter des Schraubelementes vorbestimmt. Die auf
ihr durch sägezahnförmige Vorsprünge zu verwirklichenden Sperrflächengrößen sind
somit durch die Anzahl der Zähne und die Zahntiefe bestimmt. Eine über das Erforderliche
hinausgehende Zähnezahl oder zu große Zahntiefe führt selbständig, krasser noch
in Verbindung, zu unnötig steilen Zahnwinkeln, d.h. zu einem zu spitzen Zahnprofil.
Die nach dem Anziehen, zusätzlich zur Vorspannkraft zur Wirkung kommende Betriebskraft,
ändert das sich vorher eingestellte Gleichgewicht zwischen Vorspannkraft und Flächenpressung
der verspannten Teile. Die unter Betriebslast sich einstellende Schraubenkraft bildet
eine neue, größere Auflagefläche durch sogenanntes Setzen. Die Größe der Setzbeträge,
eine konstante Differenz zwischen Vorspann- und Schraubenkraft vorausgesetzt, wird
durch die pro Setzeinheit erreichbare Auflagenvergrößerung bestimmt, d.h. bei spitzem
Zahnprofil großer Setzbetrag, bei flachem Zahnprofil geringer Setzbetrag mit der
Größe der Setzbeträge entsprechendem Klemmkraftverlust. Dieser bei bekannten Sperrzahnschraubelementen
verhältnismäßig große Setzbetrag ist bei schwingender Belastung als Amplitude anzusehen,
so daß in verhältnismäßig kurzer Zeit der Dauerbruch eintritt.
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Um dieses zu verhindern, sind daher schon an den Ringschultern der
Sperrzahnschraubelemente zusätzliche glatte Anlageflächen vorgesehen worden, die
nach dem Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge in das Bauteil gegen die Oberfläche
des Bauteiles zur Anlage kommen. Bei diesen Sperrzahnschraubelementen müssen jedoch
die sägezahnförmigen Vorsprünge und die Lage und Gestalt der glatten Anlagefläche
der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil angepaßt werden, da
sonst bei einer zu großen
£stigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement
ur.d Bauteil die gegen die rückwärtigen Flächen der rippenförmigen Vorsprünge zur
Anlage kommenden Teile des Bauteiles nicht mehr groß genug sind, um das innere Losdrehmoment
ohne Verformung aufzunehmen, während bei einer zu kleinen Festigkeitsdifferenz zwischen
dem Schraubelement und dem Bauteil die glatte Anlagefläche überhaupt nicht zur Anlage
kommt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sperrzahnschraubelement
der eingangs erläuterten Art zu schaffen, bei dem die axiale Schraubenkraft und
das Losdrehmoment allein von den sägezahnförmigen Vorsprüngen übertragen wird, wobei
die Größe des Setzbetrages so gering wie möglich ist und das innere Losdrehmoment
des Schraubelementes von den mit den rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen
Vorsprünge zusammenwirkenden Teilen des Bauteiles ohne Verformung aufgenommen wird.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der zur Aufnahme
der axialen Schraubenkraft erforderlichen als Zahnkranz ausgebildeten Auflagefläche
eine, an den rückwärtigen, der Losdrehrichtung zugewandten, Seitenflächen der sägezahnförmigen
Vorsprünge angeordnete Sperrfläche angeformt ist, deren Gesamtgröße, aus Zahnkranzbreite
mal Zahntiefe mal Zähnezahl, unter Berücksichtigung des Wirkabstandes von der Schraubelementachse
dem der höchstmöglichen Schraubenkraft proportionalen inneren Losdrehmoment angepaßt
ist.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 als auch die Sperrflächen einer
dem Tragvermögen der verspannten Teile (Grenzflächenpressung) angepaßte Größe benötigen.
Nach der Erfindung ausgelegte Schraubelemente haben in ihrer bevorzugten Ausführungsform
eine
Auflagengröße vom 2,3-fachen des Spannungsquerschnitts und eine entsprechend große,
dem inneren Losdrehmoment angepaßte Sperrfläche. Die Mindestfestigkeit der verspannten
Teile kann somit bis zum 1 : 2,3-fachen unter der Festigkeit des Schraubelementes
liegen, ohne daß die Grenzflächenpressung überschritten wird. Bei im Rahmen dieser
Grenzen liegenden Festigkeitsdifferenzen senkt sich die sägenzahnförmige Auflage
unterschiedlich tief in die verspannten Teile ein, wobei sich selbständig in der
Verzahnungsebene des Last-Widerstandsgleichgewichtes die der Grenzflächenpressung
entsprechende Auflage- und Sperrflächengröße einstellt.
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Die in dieser Weise hergestellten Sperrzahnschraubelemente benötigen
für die gleiche Verspannkraft ein geringeres Anziehdrehmoment, weisen einen geringeren
Setzbetrag auf, so daß der Vorspannkraftverlust geringer wird und die Dauerhaltbarkeit
sich erhöht. Weiterhin wird eine stabilere Zahnform erzielt, da die sägezahnförmigen
Vorsprünge einen flacheren Rückenwinkel aufweisen.
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Diese Erkenntnisse verbinden erstmalig Anforderungen an die Größe
der Auflageflächen unter Ausnutzung der bewährten Relationen von genormten Sechskantschrauben
mit der bisher unabhängig davon behandelten Gestaltung der Zahnform, 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 Sperrzahnschrauben 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 Sperrzahnschraube entwickelt.
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Die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen
und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes
beträgt mindestens das 1,4 fache und vorzugsweise das 2,3 fache des Spannungsquerschnittes
des Schraubelementes. Sperrzahnschraubelemente müssen aus einem Material gefertigt
sein, dessen Oberflächenfestigkeit um mindestens 30% größer ist als die Oberflächenfestigkeit
des Bauteiles, damit die sägezahnförmigen Vorsprünge sich in das Bauteil einarbeiten
und nicht von dem Bauteil eingeebnet werden. Daraus ergibt sich, daß die Flächengröße
des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen und damit die Anlageflächengröße
des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes mindestens das 1,4-fache
des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes betragen muß. Dies bedingt jedoch,
daß für jedes Bauteil besondere Schraubelemente entsprechend der 30%-igen Festigkeitsdifferenz
erforderlich wären. Zur Anpassung an die üblichen Gewinde- und Schraubennormen ist
es daher vorteilhaft, die Flächengröße des Kranzes mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen
und damit die Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes
um das 2,3-fache größer auszubilden als der Spannungsquerschnitt des Schraubelementes.
Die Festigkeit des Schraubelementes kann somit um mehr als 30% größer sein als die
Festigkeit des Bauteiles.
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Der Auflagekranz mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen weist einen
sich aus dem maximalen genormten Lochdurchmesser und der Differenz zwischen dem
Nenndurchmesser des Gewindes sich ergebenden Innendurchmesser auf. Dadurch wird
in einfacher Weise erreicht, daß der Kranz mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen
auch bei unzentrischer Anordnung im Durchgangsloch des größten zulässigen und zu
erwartenden Durchmessers zimmer mit
der gesamten Fläche gegen das
Bauteil zur Anlage kommt und nicht in das Durchgangsloch hineinragt.
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Die Gesamtgröße der rückwärtigen Seitenflächen der sägezahnförmigen
Vorsprünge entspricht im wesentlichen dem Produkt aus dem 2,3-fachen des Spannungsquerschnittes,
dem Tangens des Steigungswinkels des Gewindes und dem Quotient von Flankendurchmesser
des Bolzengewindes und der doppelten Breite des Kranzes.
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Die erforderlichen Sperrflächen sind gegenüber den erforderlichen
Auflageflächen relativ klein. Um die bei dünnen Blechen wie auch bei weichen Werkstoffen
bei Spitz zähnen erforderlichen und sich selbständig einstellenden großen Setzbeträge
ohne Veränderung der Gesamtwirkung zu verringern, ist es deshalb vorteilhaft, den
oberen Teil des Spitz zahnes abzuflachen,so daß der Zahnrücken direkt mit einer
ebenen Fläche zur Anlage kommt und der über dieser ebenen Fläche liegende Zahn und
damit der entsprechende Setzbetrag entfallen. Die Größe einer solchen Abflachung
ergibt sich aus dem mindesterforderlichen Setzbetrag zum Erzeugen einer ausreichend
großen Sperrfläche.
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Auf der Zeichnung ist die Erfindung in einem Ausführungsbeispiel dargestellt
und zwar zeigen: Fig.1 eine erfindungsgemäße Sperrzahnschraube in Seitenansicht,
teilweise weggebrochen und vergrößertem Maßstab, Fig.2 eine Ansicht gegen die Unterseite
des Kopfes gesehen, Fig.3 das Profil der sägezahnförmigen Vorsprünge am äußeren
Rand des Bundes.und Fig.4 ein anderes Profil der sägezahnförmigen Vorsprünge am
äußeren Rand des Bundes.
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Auf der Zeichnung ist eine Kopfschraube M 10 im vergrößertem Maßstab
dargestellt. Der Gewindebolzen 10 weist dabei einen Nenndurchmesser von d = 10mm
auf. Der Gewindebolzen 10 weist an seinem einen Ende einen Sechskant-Kopf 11 auf.
Die dem nicht näher dargestellten Bauteil zugekehrte Seite des Kopfes 11 ist dabei
mit einem Bund 12 verbreitert. An der gegen das zu verspannende Bauteil gerichteten
Ringschulter 13 ist ein Kranz 14 mit im wesentlichen quer zur Drehrichtung verlaufender
säge zahnförmiger Vorsprünge 15 vorgesehen. Beim Anziehen der Kopfschraube drücken
sich in Abhängigkeit von dessen axialer Schraubenkraft, der wirksam werdenden Anlageflächen
und der Festigkeitsdifferenz zwischen der Kopfschraube und dem Bauteil in die Oberfläche
des zu verspannenden Bauteiles ein, bis die beim Eindrücken größer werdenden Anlageflächen
die Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen, wobei Teile der schwach geneigt
zur Ringschulter 13 und in Anzugsdrehrichtung ansteigend verlaufenden Seitenflächen
16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 die in Spannrichtung wirksame Anlagefläche
der Kopfschraube bilden. Die rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen
Vorsprünge 15 verlaufen im wesentlichen senkrecht zur Ringschulter 13 und bilden
mit ihren in die Oberfläche des zu verspannenden Bauteiles eingedrückten Teilen
Sperrflächen für die Aufnahme des Losdrehmomentes.
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Wie insbesondere aus der Fig.2 ersichtlich, verlaufen die sägezahnförmigen
Vorsprünge 15 beim dargestellten Ausführungsbeispiel schwach bogenförmig und unter
einen Winkel von 250 zur radialen Ebene. Natürlich können die sägezahnförmigen Vorsprünge
15 auch geradlinig und genau radial verlaufen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel
ist der Zahnrückenwinkel 70 und zwar annähernd über die gesamte Länge eines jeden
sägezahnförmigen Vorsprunges 15, so daß die Zahntiefe am äußeren Rand größer ist
als am Innendurchmesser des Zahnkranzes 14.
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Sperrzahnschraubelemente müssen eine um 30% größere Festigkeit aufweisen
als das zu verspannende Bauteil. Dadurch ist gewährleistet, daß beim Anziehen des
Sperrzahnschraubelementes die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich in das Bauteil
eindrücken und nicht das Bauteil die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 einebnet. Die
Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die
Anlageflächengröße des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes
muß somit mindestens das 1,4-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes
betragen. Bei Muttern und Kopfschrauben mit glatter Auflagefläche beträgt die Anlagefläche
das 1,65-fache des Spannungsquerschnittes As. Dies ist erforderlich, damit die Schraubelemente
einen größeren Bereich Festigkeitsdifferenzen zwischen Schraubelement und Bauteil
erfassen können. Damit die erfindungsgemäßen Sperrzahnschraubelemente in etwa einen
gleichen Bereich erfassen können, wird der Faktor 1,65 ebenfalls benutzt. Die Flächengröße
des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 und damit die Anlageflächengröße
des Bauteiles für die axiale Spannkraft des Schraubelementes beträgt somit vorzugsweise
das 2,3-fache des Spannungsquerschnittes des Schraubelementes. Bei der dargestellten
Kopfschraube M 10 beträgt der Spannungsquerschnitt As, entsprechend den Normblättern,
58 mm2. Entsprechend dem Faktor 2,3 beträgt die Flächengröße des Kranzes 14 mit
den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 Ak = 132 mm.
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Damit der Kranz 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 immer vollständig
gegen die Oberfläche des Bauteiles zur Anlage kommt, weist der Kranz 14 mit den
sägezahnförmigen Vorsprüngen 15 einen sich aus dem maximalen genormten Lochdurchmesser
und der Differenz zwischen dem maximalen genormten Lochdurchmesser und dem Nenndurchmesser
des Gewindes sich ergebenden Innendurchmesser D1 auf. Bei der dargestellten M 10
Schraube beträgt
der Durchmesser des maximalen genormten Durchgangsloches
11 mm.
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Der Zahnkranzinnendurchmesser D1 beträgt somit 12 mm. Aus der Fläche
des Zahnkranzes 14 und dem Innendurchmesser des Zahnkranzes ergibt sich der Außendurchmesser
des Zahnkranzes 14 mit der Größe von 19 mm.
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Die Flächengröße des Kranzes 14 mit den sägezahnförmigen Vorsprüngen
15 ist dabei derart ausgebildet, daß die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 sich bis
zum Zahngrund in das Bauteil einarbeiten, sofern die Festigkeit des Schraubelementes
um das 2,3-fache größer ist, als die Festigkeit des Bauteiles. Falls die Festigkeitsdifferenz
geringer ist, arbeiten sich die sägezahnförmigen Vorsprünge 15 entsprechend der
vorgegebenen Schraubenkraft weniger tief in das Bauteil ein, so daß von den Seitenflächen
16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 nur Teile zur Anlage kommen. Sofern die Festigkeit
des Schraubelementes gegenüber der Festigkeit des Bauteiles größer ist als das 2,3-fache,
dann ist ein Schraubelement geringerer Güte zu nehmen.
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'Beim Eindringen der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 in die Oberfläche
des Bauteiles werden, wie bereits erwähnt, unterschiedlich große Teile der Seitenflächen
16 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 als Anlageflächen wirksam. Das Eindringen
ist dabei abhängig von der axialen Schraubenkraft, der wirksam werdenden Anlageflächen
und der Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und Bauteil. Das Einarbeiten
erfolgt dabei solange, bis die beim Eindrücken größer werdenden Anlage flächen die
Belastung ohne weitere Verformung aufnehmen.
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Je größer die Teile der Seitenflächen 16 der sägezahnförmigen Vorsprünge
15 als Anlagefläche werden, umso größer werden auch die Teile der rückwärtigen Seitenflächen
17 der sgezahnförmigen Vorsprünge 15, die zur Aufnahme des inneren Losdrehmomentes
vorgesehen
sind. Erfindungsgemäß weisen die rAckwärtigen Seitenflachen 17 der sägezahnförmigen
Vorsprünge 15 lediglich eine solche Gesamtgröße auf, daß die beim Eindringen der
sagezahnförmigen Vorsprünge 15 in das Bauteil als Sperrflächen wirksam werdenden
Teile der rückwärtigen Seitenflächen 17 der sägezahnförmigen Vorsprünge 15 auf die
entsprechenden Gegenflachen des Bauteiles durch das innere Losdrehmoment eine solche
Flachenpressung ausüben, die die Festigkeit des Bauteiles so weit wie möglich ausnutzend
von den Gegenflächen ohne Verformung auSgenommen werden.
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Nach Paland lassen sich die "Inneren-Losdrehmomente" berechnen.
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Seine Veröffentlichung tSicherheit der Schrauben-Muttern-Verbindung
bei dynamischer Axialbeanspruchung" mündet für das große "Innere-Losdrehmoment"
in der Formel d2 ML = - FS # # tan phi 2 für das Sicherungsmoment in der Formel
d2 MSi = FS # # tan phi N = F 2 Die das Innere Iosdrehmoinent bzw. Sicherungsmoment
bestimmende Schraubenkraft F5 ist eine vom Spannungsquerschnitt des Gewindes AS
und von der Schraubenstreckgrenze (Schraubengüte) abhängige GrdBesder nach den vorangestellten
Erläuterungen eine - die mögliche Festigkeitsdifferenz zwischen Schraubelement und
verspannten Bauteil berücksichtigende - Auflagefläche
von AK =
2,3 AS zugeordnet ist. Ersetzt man F5 durch die ihr adequate Flächengröße 2,3 AS
führt die bisherige Sicherungsmomentenformel zu dem - gegen das Losdrehmoment zu
richtenden -Widerstandsmoment.
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d2 MW = 2,3 AS ' tan phi 2 Nach dem Einsetzen der Hebellänge über
die dieses Widerstandsmoment wirken kann, kommt man zu der Formel für die erforderliche
Sperrflächengröße.
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d2 ASP = 2,3 AS ' ' tan phi D-d1 D ist dabei der Zahnkranzaußendurchmesser,
D1 der Zahnkranzinnendurchmesser, d2 der Gewinde-Flankendurchmesser und Phi der
Gewindesteigungswinkel.
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Bei der dargestellten M 10-Schraube beträgt die Größe der maximal
erforderlichen Sperrfläche 12,8 mm2. Da die Länge der sägezahnförmigen Vorsprünge
15 durch den Innendurchmesser und den Außendurchmesser des Zahnkranzes 14 festliegt
und bei der dargestellten M 10-Schraube 2,5 mm beträgt, ergibt sich für sämtliche
sägezahnförmigen Vorsprünge 15 eine Gesamthöhe von 5,12 mm. Die Anzahl der sägezahnförmigen
Vorsprünge 15 kann nun frei gewählt werden. Die Anzahl der Zähne sollte jedoch möglichst
groß sein, da durch die Vergrößerung der Anzahl der Zähne der Setzbetrag und damit
der Vorspannkraftverlust verringert wird. Wie bereits erläutert, bildet der Setzbetrag
die
Amplitude für schwingende Belastungen. Diese Amplitude sollte so klein wie möglich
gehalten werden, um die Dauerfestigkeit zu erhöhen.
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Bei der dargestellten M 10-Schraube wurde die Anzahl der sägezahnförmigen
Vorsprünge 15 mit zweiundfünfzig gewählt. Die Höhe des einzelnen Zahnes beträgt
dabei 0,1 mm. Solche Zähne können mit den üblichen Fertigungsmethoden noch wirtschaftlich
gefertigt werden. Der Zahnrückenwinkel beträgt am Außendurchmesser des Zahnkranzes
70. Diese geringe Zahnrückenneigung gewährleistet für die Spitze der sägezahnförmigen
Vorsprünge 15 die erforderliche Festigkeit. Durch die geringe Zahnrückenneigung
ist zur Erzielung der vorgegebenen Schraubenkraft des Schraubelementes ein geringeres
Anziehdrehmoment erforderlich, da das Anziehdrehmoment mit dem Größerwerden des
Winkels der Zahnrückenneigung ansteigt.
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Die erforderlichen Sperrflächen sind gegenüber den erforderlichen
Auflageflächen relativ klein. Um die bei dünnen Blechen wie auch bei weichen Werkstoffen
bei Spitz zähnen erforderlichen und sich selbständig einstellenden großen Setzbeträge
ohne Veränderung der Gesamtwirkung zu verringern, kann der obere Teil des Spitzzahnes
15, wie aus der Fig. 4 ersichtlich, abgeflacht werden, so daß der Zahnrücken 16
direkt mit einer ebenen Fläche 18 zur Anlage kommt und der über dieser ebenen Fläche
liegende Zahnteil und damit der entsprechende Setzbetrag entfallen. Die Größe einer
solchen Abflachung ergibt sich aus dem mindest erforderlichen Setzbetrag zum Erzeugen
einer ausreichend großen Sperrfläche.
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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 Anwendungen möglich.
So könnte der erfindungsgemäße Zahnkranz auch an Muttern oder dergleichen vorgesehen
werden. Ebenso ist auch die Erfindung an allen anderen Schraubengrößen zu verwirklichen.