Schraubenmutter mit Sicherungseinrichtung. Vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubenmutter mit einer Sicherungsein richtung.
In der Zeichnung sind verschiedene Aus führungsbeispiele der Erfindung für Schrau ben mit Whitworth-Gewinden dargestellt.
Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine Schraubenmutter in festgezogenem Zustande, Fig. 2 eine Draufsicht auf die Innen mütter; in den Fig. 3 und 5 sind die Aussenmutter und die Innenmutter gesondert je in einem Längs schnitt dargestellt; Fig. 4 zeigt eine Unteransicht einer Hälfte der Aussenmutter; die Fig. 6, 7 und 8 sind Längsschnitte in den drei wichtigsten Funktionslagen der Muttern; Fig. 6 zeigt die Schraubenmutter unbelastet und nicht mit dem Schlüssel angezogen.;
Fig. 7 zeigt die Schraubenmutter belastet und nicht angezogen; Fig. 8 stellt die angezogene Schrauben mutter im belasteten Zustand dar; Fig. 9 .dient zur Veranschaulichung der beim Anziehen der Schraubensicherung auf tretenden Deformation.
Zunächst sei die Bauweise der einzelnen Ausführungsbeispiele beschrieben.
In den Fig. 1 und 2 ist mit 1 :die Schraube, mit 2 die Aussenmutter und mit 3 die Innenmutter bezeichnet; 4 sind -die Aussenflanken und 5 die Innenflanken der Gewinde der Schraube. Die Innenmutter 3 besteht aus einem Ringkörper 8 und einem mit diesem aus einem Stück hergestellten nachgiebigen Ansatzkörper 9. Der Ring körper 8 besitzt sechs Schlüsselflächen.
Der achsiale Querschnitt der Ansatzkörper 9 ver jüngt sich vom Ringkörper 8 ausgehend und wird bei dem in Fig. 1 ,dargestellten Ausfüh rungsbeispiel von zwei Kegelstumpfflächen <B><I>f l,</I></B><I> f 2</I> umgrenzt-, deren Scheitelwinkel<I>a</I> und ss sind. Die Fläche,.we#lche durch die Erzeu gende a1, b, des Kegelstumpfes gebildet wird, ist die Auflagefläche für die Aussenmutter.
Der Ansatzkörper 9 der Innenmutter ist mit .Schlitzen 11, 12 versehen, die zueinander parallel und :senkrecht zu den gegenüber liegenden Schlüsselflächen verlaufen.
Die Aussenmutter (Fig. 3) besitzt bei vor liegendem Ausführungsbeispiel die gleiche S hlüsselweite, wie die Innenmutter; ihre Höhe H, ist grösser als -die Höhe HZ des Ansatzkörpers der Innenmutter. Ihre Um fläche ist ebenfalls mit sechs Schlüsselflächen versehen.
Die Aussenmutter 2 besitzt, verglichen mit einer üblichen Mutter eine sehr geringe Gewindehöhe (ungefähr nur 21/_9 Gewinde gänge), welche jedoch zum gehörigen An ziehen vollkommen genügt. Diese kleine Ge windehöhe der Aussenmutter ermöglicht sehr gut das Ausgleichen einer allfälligen Exzen trizität der kegelligen Berührungsflächen. Eine solche Exzentrizität kann bei Massen herstellung leicht eintreten, wenn die Auf- Iageflächen der beiden Muttern nicht genau mit der Gewindeachse konzentrisch liegen.
Zum Ausgleichen solcher Exzentrizitäten der kegelförmigen Flächen verschiebt sich die Aussenmutter seitlich über,das Schrauben gewinde, ohne dass sich dadurch die Berüh- rungsfIäche erheblich verringert.
Im Innern der Aussenmutter befindet sich eine konische Ausnehmung, deren Kegel fläche f, auf der Kegelfläche <B>f:,</B> der Innen mutter aufsitzt. Die Kegelfläche f 4 ist so dimensioniert, dass sie im belasteten Zustand, bei mit dem :Schlüssel festgezogener Aussen- mutter (Fig. 8) die Auflagefläche f 3 der Innenmutter überragt, um das Entstehen ge fährlicher Kantenspannungen in ider Aussen mutter zu vermeiden.
Vorteilhafterweise wird die Verjüngung der Ansatzkörper 9 (Fig. 5) so ausgeführt, ,dass die Klemmbacken vom Ringteil gegen das Kopfende aufeinanderfolgende Quer schnitte möglichst gleicher Biegungsfestig- keit aufweisen. Diese Ausbildung verfolgt ,den Zweck, beim Anziehen der Aussenmutter eine gleichmässige Beanspruchung der einzel nen Querschnitte der Klemmbacken auf Bie- gung zu erzielen, wodurch Brüche der Klemmbacken vermieden werden.
Die Kegelfläche f 4 der Aussenmutter läuft vorteilhafterweise bis in die Gewinde zone hinein, wie,dies in Fig. 3,dargestellt ist. Es war bisher üblich, beim Übergang solcher Kegelflächen in eine Gewindezone eine Ab setzung anzuordnen, -die entweder in einer von -der Fläche f4 aus senkrecht zur Schrau benachse verlaufenden Stirnfläche bestand, oder in einer Unterschneidung,
welche den Übergang zwischen der Fläche f 4 zu einer senkrecht zur Achse verlaufenden Stirnfläche vermittelte. Im Falle an der Aussenmutter eine solche Absetzung vorgesehen ist, wird dadurch ein Herausrücken der Fläche f4 gegen die Peripherie bewirkt, was mit einer Schwächung der Wanddicke in radialer Rich tung der Aussenmutter 2 verbunden ist. Durch die Ausbildung gemäss Fig. 3 wird eine Schwächung der Aussenmutter vermieden, so dass diese gegen Aufweitung beim Anziehen besser gesichert ist.
Ferner müsste man bei Ausführung der Aussenmutter mit einer solchen Absetzung zwischen dieser und -der Innenmutter einen Spielraum vorsehen, um zu verhindern, dass diese Absetzung die Innenmutter berührt, bevor die Aussenmutter genügend angezogen ist. Zur Erzielung .dieses Spielraumes müss- ten,die Enden der Ansatzkörper 9 viel dicker ausgebildet :sein, als bei der Weiterführung der Fläche f 4 bis in die Gewindezone.
Vom Erfinder in verschiedenen Labora torien durchgeführte Messungen ergaben"dass man mit der beschriebenen Schraubensiche rung ungefähr das, doppelte Sicherungs moment erzielen kann, als bei normaler Kro nenmutter mit .Splint.
Die vergleichenden Versuche wurden mit verschiedenen Ausführungen der ,Schrauben- mutter bei statischer und dynamischer Be anspruchung durchgeführt. Bei diesen Ver suchen wurde das Lösungsmoment der Aussenmutter allein und das Lösungsmoment der Innenmutter bei bestimmten -Schrauben belastungen und bei bestimmten Anzugs momenten gemessen.
Sowohl die Anzugs- momente, als auch die Lösungsmomente wurden an einem Schraubenschlüssel mit Hebelarm bestimmter Länge unter Zwischen schaltung einer Federwa.ge hervorgerufen und die am Hebelarm wirkende Kraft an der Federwage abgelesen.
Die beim Belasten und Anziehen der Schraubenmutter eintretenden Vorgänge werden anhand der Fig. 6 bis 9 wie folgt erläutert: Bei von Hand angezogener aber unbe lasteter Schraubenmutter nehmen die Aussen mutter 2 und die Innenmutter 3 .die aus Fig. 6 ersichtliche Lage ein. Der Schrauben- bdlzen liegt. mit den innern Gewindeflanken an den äussern Gewindeflanken 40 der Aussenmutter an. Zwischen -den äussern Ge windeflanken 4 des Bolzens und der innern Gewindeflanken 41 der Aussenmutter ist ein Spielraum vorhanden, der der zulässigen Passung entspricht.
Im Bereiche der Innen mutter liegen die äussern Gewindeflanken 4 des Bolzens an den innern Gewindeflanken 45 der Innenmutter an. Zwischen den innern Gewindeflanken 5 des Bolzens und den äussern Gewindeflanken 46 der Innenmutter befindet sich wieder -der der zulässigen Pas sung entsprechende Spielraum.
Bei belasteter Schraube und bloss von Hand angezogener Aussenmutter (Fix. 7) liegt der Schraubenbolzen mit den. innern Ge windeflanken 5 sowohl auf die äussern Ge windeflanken 40 der Aussenmutter, als auch auf die Aussenflanken 46 ider Innenmutter an, ohne dass längs aller Tragflanken gleiche Druckverteilung vorhanden sein muss.
Bei belastetem Schraubenbolzen und mit dem Schraubenschlüssel angezogener Aussen mutter (Fix. 8) liegen die Tragflanken (Innenflanken 5) des Bolzens an den Aussen flanken 40, 46 beider Muttern an, und zwar bei annähernd gleicher Druckverteilung.
Beim Festziehen mit -dem iSchlüssel wird die Aussenmutter gegen die Innenmutter in Richtung der Achse verschoben, wobei die Gegenfläche f4 auf die Anlagefläche f, der Innenmutter einen Druck ausübt, Hierdurch werden die die Klemmbacken bildenden An satzkörper 9 deformiert.
Die diese Deformation begleitenden Vor gänge seien anhand der Fig. 9 eingehend er läutert.
Mit 1-1', 2-2', 3-3', 4-4' sind die jenigen Querschnitte der Klemmbacken be zeichnet, in deren Nähe sich .die Deforma tion konzentriert.
Wenn man die Aussenmutter anzieht, be ginnen die Klemmbacken sieh in der Nähe der Querschnitte 3-3' und 4-4' zu biegen. Man kann annehmen, dass sie sich um den Punkt c drehen. Sobald das erste Gewinde der Backe auf dem Bolzengewinde anliegt, beginnen sich bei weiterem Anziehen die Backen in der Nähe des Querschnittes 2-2' durchzubiegen, wobei die Aussenmutter auf die Backen an der Berührungskante beider Kegel einwirkt. Die Durehbiegung im Quer schnitt 2-2' hört auf in dem Augenblick, wo die Backen am Bolzengewinde voll auf liegen. Dabei liegt die Aussenmutter auf der ganzen Fläche f l# der Klemmbacken auf und ihr Anziehen ist beendet.
Mit a, <I>b,</I> e, <I>d</I> ist näherungsweise der Ver- lauf .der neutralen Faser in der beim Beginn des Anziehens der Aussenmutter bezeichnet. Während des Festziehens geht die neutrale Fasernschichte aus der Lage a, b, c, <I>d</I> in die Lage d, <I>b', c, d</I> über, wobei b, c und b'-c divergierend durch den Punkt c gehen.
Die Entfernung b-b' entspricht dem Spielraum s zwischen dem Gewinde der Mutter und dem Schraubengewinde. Bei Ge winden von einem Scheitelwinkel von 60 ist diese Entfernung dem axialen Spielraum zwischen den Gewinden gleich. In Fig. 9 ist die Neigung der Strecke b-c der neutralen Faser derart, -dass sich der Punkt b nach Ver schiebung in die Lage b' in Richtung der Schraubenachse um
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von seiner ursprüng lichen Lage gesenkt hat.
Die Backen der Innenmutter verkürzen sich somit während der Durchbiegung um
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Gemäss Fig. 9 verschiebt sich der Teil a-b .der neutralen Faser parallel zu sich selbst in die Lage, a'-b', wobei die Richtung a-a' bezw. b-b' parallel zur Tragflanke des Gewindes verläuft. Dadurch wird ein sattes Anliegen der Klemmbacken an den (Schrau benbolzen erzielt.
Bei der angezogenen Mutter lassen sich die folgenden vier Zonen unterscheiden. Eine Zone A (Fix. 1 und 9), in der das Gewinde der Aussenmutter 2 an den innern Gewinde flanken 5 .der Schraube anliegt. Eine Zone B, in der das Gewinde des Klemmteils der Klemmbacken 9 sich gegen beide Gewinde flanken 4, 5 der Schraube anpresst. Eine Zone C, welche durch die Verbindungsteile der Klemmteile der Backen mit dem Ring körper der Innenmutter gebildet ist und eine Zone D, in welcher das Gewinde der Innen mutter wie in der Zone -A nur an die innern Gewindeflanken 5 der ,Schraube anliegt.
In der Praxis kann es vorkommen, dass bei ungenauer Herstellung der Backen nach be endetem Abbiegen der Backen in der Zone D zwischen den Tragflanken ein kleiner Zwi schenraum bleibt, so dass in den Tragflanken der Aussenmutter eine bedeutende Belastung besteht, wogegen die Tragflanken der Zone D bloss an die Tragflanken der Schraube leicht anliegen.
Um einen solchen Spielraum zu beseitigen und die Gewinde der Zone C und D voll be lasten zu können, ist zwischen den Zonen B und C ein staubbarer Querschnitt q,o vorge sehen, dessen Druckfestigkeit in der Richtung der Schraubenachse zur Zugfestigkeit .der Schraube im gleichen Verhältnisse steht, wie die Nutzlänge der Gewinde der Zonen A und B zu .der Nutzlänge der Gewinde der ganzen Mutter.
Der Querschnitt q", beginnt sich zu stau chen, wenn seine Belastung die Fliessgrenze des Materials erreicht. Jede weitere Be lastung,der Schraube wird nachher nur durch die Gewinde der Zonen C und D aufgenom men und die Gewinde der Zonen<I>A</I> und<I>B</I> werden auf diese Weise von einer Über lastung geschützt.
Da sich .der stauchbare Querschnitt ungefähr in der Mitte der Ge samthöhe der Mutter befindet und da ge wöhnlich -die Aussen- und Innenmutter, sowie auch,die Schraube aus Material von derselben Festigkeit erzeugt sind, wird der Querschnitt qlp ungefähr gleich der Hälfte des Schrau- benkernquerschnittes.
Es wurde gefunden, dass die Einhaltung der folgenden Dimensionen für die Errei chung der angestrebten Wirkungen besonders vorteilhaft ist.
Der Scheitelwinkel a der kegelförmigen Anlagefläche der Innenmutter ist in den Grenzen zwischen 45=60 gelegen.
Der Durchmesser d, des am Kopfende der Klemmbacken umschriebenen Kreises ist an nähernd gleich 1,05 des nominalen Gewinde durchmessers d; die Höhen der zwei Kegel flächen der Klemmbacken sind annähernd gleich.
Die Entfernung der Mittellinien u der Schlitze 11, 12 wird vorteilhaft mit dem Wert 0,7 d und die Breite der Schlitze mit 0,15 d angenommen.
Durch die Schlitze 11 und 12, die in den Fig. 2, 6 7 und 8 sichtbar sind, wird die Backen breite verkleinert und .die Biegsamkeit der Backen erhöht und auch die Erreichung der erforderlichen Grösse des Querschnittes qlo er mögliCht.
Aus Fig. 2 ist ersichtlich, dass man in den Klemmbacken<I>t</I> um den Querschnitt v, <I>-</I> <I>w</I> biegsame Teile<I>r,</I> welche sich unter dem Druck der Aussenmutter abbiegen können, unterscheiden kann. Dagegen besitzen die Klemmbacken t' keine solche biegsame Teile. Es gibt also zwischen den widerstandsfähigen Teilen der Backen breite Zwischenräume, welche dem Druck der Aussenmutter keinen Widerstand (Schlitze m) und solche, welche nur einen geringen Widerstand (Teile r) ent gegensetzen.
An dem Schnittkreis K der beiden Kegelflächen gemessen, sind diese Zwischenräume durch Umfangslängen gege ben, die dem Winkel m + m, entsprechen. Die widerstandsfähigen Teile der Klemm backen sind durch Umfangsbreiten gegeben, <B>,</B> entsprechen.
Die die dem Winkel si bezw. s" Umfangslängen des Kreises K, die dein Win kel m -j- m, entsprechen, betragen annähernd die Hälfte der Längen die dem Winkel s, und etwas mehr als die Hälfte der Länge, die dem Winkel s. entspricht.
Die genannten Zwischenräume haben zur Folge, dass sich die Aussenmutter während des Anziehens so deformiert, dass ihre Kegel fläche annähernd eine oktogonale Form an nimmt. Infolge dieses Eindringens der Aussenmutter zwischen die Klemmbacken kann man durch das Anziehen der Aussen mutter auch ein genügendes Anziehungs moment auf die Innenmutter übertragen, wo durch ein bequemes Nachziehen der Mutter ermöglicht wird.
Es wurde festgestellt, dass das Dreh moment, das mit Hilfe der beschriebenen De formation der Aussenmutter auf die Innen mutter übertragen wird, fast zweimal so gross ist, als jenes, welches bloss durch die Rei bung an den Anlageflächen übertragen wer den kann. Bei dem angegebenen Verhältnis der dem Winkel m, + m2 -entsprechenden Umfangslängen auf dem Kreis K, zu jener, welche dem Winkel s, bezw. s. entspricht, wird, wenn die Schraube nur durch :die Aussenmutter angezogen wird, auf die Innen mutter nicht mehr als die für sie zulässige Belastung übertragen.
Mit der steigenden Belastung steigt nämlich auch die Reibung der Innenmutter auf der Unterlage, so .dass sie aufhört sich zu drehen, sobald die Grenze der zulässigen Schraubenspannung erreicht wird. Auf diese Weise erreicht man eine gewisse Sicherheit gegen Beschädigen oder sogar Zer reissen der Schraube durch übermässiges An ziehen.
Weiteres wird infolge der oben beschrie benen Deformation der Aussenmutter eine grö ssere Sicherheit gegen Losdrehen erreicht, als dies nur durch blosse Reibung an den Auf lageflächen der Fall wäre.
Mit einem kleineren Winkel m + m, als angegeben, könnte man von der Aussenmutter auf die Innenmutter kein hinreichendes An ziehungsmoment übertragen. Ein Vergrössern dieses Winkels würde einerseits für die Trag- festigkeit der Mutterngewinde von Nachteil sein und anderseits eine zu grosse Defor mation der Aussenmutter verursachen.
Durch Versuche wurde weiteres festge stellt, dass geringste Bauhöhe der Schrauben- mutter in Verbindung mit ausreichender Tragfähigkeit .der Gewinde erreicht wird, wenn die Auflagefläche f4 bei einem Schrau bendurchmesser d und einem kleinsten Durch messer von ungefähr<I>d, =</I> 1,0,5 <I>d,</I> einen gröss ten Durchmesser von ungefähr d2 =1,23 d und eine axiale Höhe<I>h =</I> 0,175<I>d</I> erhält.
Da bei beträgt die Höhe der Aussenmutter H, = 0,55 d, .die Höhe Hz des Ringteils der Innenmutter 0,4 d und die Höhe Hdes An satzes der Innenmutter 0,35 d.