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Die Erfindung betrifft eine Unterlegscheibe, mit einer zentralen Aussparung passend zum Durchstecken einer Schraube einer Schraubverbindung, mit einem die zentrale Aussparung umgebenden ringförmigen Bauteil, welches symmetrisch um eine durch die Aussparung verlaufende Mittelachse angeordnet ist, mit zwei parallelen Außenflächen des ringförmigen Bauteils, die zum Angrenzen an benachbarte Flächen der von der Schraubverbindung zu verbindenden Gegenstände angepasst sind und senkrecht zu der Mittelachse stehen.
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Bei Schraubverbindungen werden in vielen Fällen sogenannte Unterlegscheiben eingesetzt. Die Unterlegscheiben werden zwischen den Schraubenkopf und/oder die Mutter einer Schraubverbindung einerseits und das zu verschraubende Bauteil andererseits gelegt. Sie berühren also mit ihren beiden Außenflächen einerseits die Unterseite des Schraubenkopfes oder der Mutter und auf der anderen Seite die Oberfläche des Bauteiles, in welches die Schraube eingeschraubt werden soll. Diese Unterlegscheiben dienen dabei dazu, die beim Einschrauben ausgeübte Kraft auf eine größere Fläche zu verteilen und damit die lokale Flächenpressung auf das verschraubte Bauteil zu verringern. Dadurch sollen Beschädigungen der Oberfläche der zu verschraubenden Bauteile vermieden oder möglichst verhindert werden. Bei weichen Werkstoffen, wie beispielsweise Holz, haben in diesem Zusammenhang Unterlegscheiben die Aufgabe, die Vorspannkraft auf eine größere Fläche zu verteilen. Dadurch wird die Flächenpressung abgesenkt. Zugleich wird das Einsinken oder Eingraben des Schraubenkopfes in das weiche Material verhindert.
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Bei Schraubverbindungen, die häufig gelöst und wieder angezogen werden, dienen Unterlegschreiben darüber hinaus dazu, die beim Schraubvorgang sonst leicht mögliche Beschädigung der zu verschraubenden Teile zu verhindern, die durch die Reibung der Unterseite des Schraubenkopfes sonst auf dem zu verschraubenden Teil entstehen können.
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Bei einer Schraubverbindung wird die erzielbare Schraubenvorspannkraft von den geometrischen Bedingungen, dem Schraubenanzugsmoment und der Reibung zwischen dem Mutterngewinde und dem Schraubengewinde einerseits, also der Gewindereibung, und der Reibung zwischen dem Schraubenkopf und der Anlagefläche des Schraubenkopfes auf einem der zu verschraubenden Teile andererseits bestimmt, also der Kopfreibung.
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Üblicherweise sind derartige Unterlegscheiben möglichst glatte flache Scheiben, die eine Aussparung in der Mitte besitzen. Ihre besonders niedrige Reibung auf der Außenseite gegenüber der Oberfläche des zu verschraubenden Gegenstandes einerseits und der Unterseite des Schraubenkopfes andererseits soll dort eine etwa auftretende Belastung möglichst reduzieren und das Risiko für Beschädigungen reduzieren.
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Für spezielle Zwecke und bei höheren Ansprüchen werden anstelle derartiger simpler Ausbildungen von Unterlegscheiben auch schon anspruchsvollere Konzepte eingesetzt.
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So beschreibt die
DE 10 2012 102 926 A1 eine Unterlegscheibe, die beim Mitdrehen der Unterlegscheibe die Schäden reduziert, die sich auf lackierten Oberflächen ergeben können. Es wird dazu eine lackschonende Beschichtung auf der dem zu verbindenden Bauteil benachbarten Seite vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2011 121 917 A1 ist eine Unterlegscheibe bekannt, bei der ein äußerer Abschnitt unter bestimmten Randbedingungen bricht oder sich plastisch verformt. Dadurch soll nach dem Überschreiten von bestimmten vorgegebenen Kräften, die auf die Unterlegscheibe wirken, deren gezielte Zerstörung und damit eine Signalisierung des Schadensfalls an einen Nutzer herbeigeführt werden.
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Aus der
DE 697 07 641 T2 ist eine Unterlegscheibe mit einer Anzeige einer Vorlast an einem Befestigungselement bekannt. Dies soll eine bessere Drehmomentkontrolle beim Anziehen von Schrauben und anderen Gewindebefestigungselementen ermöglichen.
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Diese bekannten Konzepte versuchen also, die durch das teilweise Mitdrehen der Unterlegscheibe gleichwohl noch zu befürchtenden Beschädigungen an den benachbarten Flächen zu reduzieren, indem die Reibung außen noch weiter herabgesetzt oder die benachbarten Schichten geschützt werden, oder aber es geht um Gefahrenanzeigen oder auch das spätere Herausfinden und Ermitteln von eingetretenen Schäden zur Vermeidung von weiteren Schäden.
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Wünschenswert wäre es allerdings, wenn es noch weitere Möglichkeiten gäbe, bei noch höheren oder speziellen Anforderungen die Gefahr von Beschädigungen an den benachbarten Gegenständen oder der Unterseite des Schraubenkopfes beziehungsweise der Mutter weiter herabzusetzen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine solche Möglichkeit vorzuschlagen.
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Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Unterlegscheibe mittels der Erfindung dadurch gelöst, dass das ringförmige Bauteil aus zwei oder drei oder mehr ringförmigen Elementen besteht, dass die ringförmigen Elemente scheibenartig ausgebildet sind, dass die ringförmigen scheibenartigen Elemente aufeinander liegen und jeweils senkrecht zur Drehachse der Schraubverbindung stehen, dass die aufeinanderliegenden ringförmigen scheibenartigen Elemente aneinander angrenzende Flächen aufweisen, und dass die Reibkoeffizienten der aneinander angrenzenden Flächen der scheibenartigen Elemente niedriger sind als die Reibkoeffizienten der Außenflächen des ringförmigen Bauteils mit den angrenzenden Flächen der zu verbindenden Gegenstände.
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Die Idee besteht also kurzgefasst darin, eine Unterlegscheibe anders als bei den bisher vorgeschlagenen Konzeptionen aus zwei beziehungsweise bevorzugt drei oder mehr aufeinanderliegenden einzelnen scheibenartigen Elementen aufzubauen. Diese aufeinanderliegenden scheibenartigen Elemente sind dann zueinander mit einer möglichst niedrigen Reibung gekoppelt und somit möglichst frei um die senkrecht zur Unterlegscheibenebene stehende Achse drehbar.
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Das bedeutet, dass die außenliegenden Unterlegscheibenseiten der beiden äußeren Einzelunterlegscheiben gegenüber den benachbarten Flächen dann im Gegensatz zu den bisher vorgeschlagenen Konzepten eine sehr hohe Reibung aufweisen können. Diese sehr hohe Reibung der Außenseite der Unterlegscheibe gegenüber der Unterseite eines Schraubenkopfes und gegenüber einer Fläche eines zu verschraubenden Bauteils führt dazu, dass eine Bewegung der äußeren beiden Elemente relativ zu den benachbarten zu verschraubenden Bauteilen beim Schraubvorgang praktisch nicht stattfindet. Dadurch gibt es keine Beschädigung durch eine Bewegung der Unterlegscheibe gegenüber den benachbarten Flächen nicht mehr, da es diese Bewegung nicht mehr gibt. Die sehr hohe Reibung in diesem Bereich gibt somit einen optimalen Schutz gegenüber Verkratzen.
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Stattdessen findet eine relative Bewegung nur noch zwischen jeweils zwei aufeinanderliegenden scheibenartigen Elementen der Unterlegscheibe statt. Hier ist die Reibung sehr niedrig und die Drehung sehr leicht. Eine Beschädigung in diesem Bereich ist einerseits uninteressant, da es sich nur um eine Beschädigung im Inneren der Unterlegscheibe handelt, also auf den Oberflächen von zwei scheibenartigen Elementen, und andererseits aufgrund der besonders niedrigen Reibung in diesem Bereich besonders gering, und zwar trotz der Bewegung der Elemente gegeneinander.
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Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das ringförmige Bauteil aus drei ringförmigen Elementen besteht, und dass das mittlere der drei ringförmigen Bauteile ein Lagerelement mit einem Wälzlager ist. Dadurch wird der gewünschte Effekt zusätzlich verstärkt.
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Die Reibung wird also nicht nur durch ein mechanisch besonders glattes Polieren der entsprechenden Seitenflächen der scheibenartigen Elemente erzielt, sondern dadurch, dass diese als Lagerelement ausgebildet werden.
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Ganz besonders bevorzugt ist es dabei, wenn das Wälzlager des Lagerelements ein einseitig wirkendes Axiallager ist.
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Eine alternative Ausführungsform setzt statt eines Wälzlagers ein scheibenartiges Element aus einem Gleitlager-Werkstoff ein. Auch eine derartige Variante hat sich in Tests als sehr günstig und darüber hinaus auch als besonders kostengünstig herausgestellt.
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Durch diese beiden Varianten der Ausbildung der mittleren scheibenartigen Elemente entsteht auch ein reduziertes und außerdem definiertes Schraubenanzugsmoment für einen gegenüber dem Stand der Technik gleichen Dichtheits- oder Festigkeitseffekt der Schraubverbindung.
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Die Reibung steht damit im Gewinde vollständig für die Kraftübertragung während der Herstellung der Schraubenverbindung zur Verfügung.
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Insbesondere bei der Integration eines Wälzlagers in das mittlere scheibenartige, ringförmige Element wird es möglich, die beim Anziehen der Schraube entstehende Kopfreibung, die im Stand der Technik bis zu 50% des Anziehdrehmomentes benötigt und somit im Grunde ohne weiteren Nutzen verbraucht, drastisch zu reduzieren.
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Eine Anwendungsmöglichkeit sind beispielsweise Flansch-Klammerschrauben bei emaillierten Behältern. Diese müssen durch den Nutzer unter Umständen recht häufig geöffnet und wieder verschlossen werden, wobei es sehr wichtig ist, ein möglichst niedriges Schraubenanzugsmoment aufwenden zu müssen. Durch die entstehende, im Inneren „reibungsarme” Unterlegscheibe kann das Schraubenanzugsmoment fast halbiert werden, ohne die Dichtheit des gebildeten Flansches negativ zu beeinflussen.
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Es geht also nicht darum, etwa eine Kopfreibung zu erhöhen, um die Schraube bei schwingenden oder dynamischen Belastungen gegen ein Herausdrehen zu sichern. Es geht hier um Anwendungen, bei denen solche dynamischen Lasten gar nicht auftreten und diese Anforderung nicht besteht. Von daher ist eine Reduzierung der Kopfreibung von außerordentlichem Vorteil.
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Gerade bei Anwendungsfällen, bei denen ein definiertes und mehrfaches Festschrauben und Lösen beabsichtigt ist, wie beispielsweise bei den oben bereits erwähnten Flansch-Klammerschrauben bei emaillierten Behältern, entsteht so ein ganz besonderer Vorteil: Das Reibungsmoment zwischen einem Schraubenkopf oder einer Mutter wird durch das mittlere der ringförmigen, scheibenartigen Elemente so weit reduziert, dass beim Einschrauben und Ausschrauben im Wesentlichen nur noch die Gewindereibung wirkt. Bei gleichbleibendem Schraubenanzugsmoment wird somit eine höhere Vorspannkraft erzielt. Oder anders ausgedrückt, wird eine gewünschte Vorspannkraft bereits bei einem niedrigeren Schraubenanzugsmoment erzielt.
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Gerade bei Schraubenverbindungen, die häufig manuell gelöst und wieder angezogen werden müssen, ist dies von Vorteil. Das durch den Nutzer beim Herstellen der Schraubenverbindung aufzubringende Drehmoment wird dadurch deutlich reduziert, ohne dass die Schraubenvorspannkraft unzulässig niedrig ausfällt.
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Von Vorteil ist es ferner, wenn ein Gehäuse vorgesehen ist, welches die ringförmigen Elemente des ringförmigen Bauteils am Rand umschließt.
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Das Vorsehen eines derartigen Gehäuses führt dazu, dass die Unterlegscheibe besonders praktisch gehandhabt werden kann und eine Einheit bildet, die auch als Einheit während des Herstellens der Schraubverbindung behandelt werden kann.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Gehäuse die ringförmigen Elemente unverlierbar miteinander verbindet.
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Wenn mit einer solchen Umschließung die Einheit aus den drei scheibenartigen Elementen unverlierbar und unlösbar miteinander verbunden ist, wird dem Anwender der so entstehenden Unterlegscheibe die Verwendung besonders vereinfacht. Er hat dann keine Schwierigkeiten mehr, die etwa aufgrund eines Auseinanderfallens oder schwierigen Handhabens der Unterlegscheibe sonst vielleicht entstehen könnten.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Ansprüchen und der folgenden Figurenbeschreibung genannt.
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Im Folgenden wird anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher beschrieben. Es zeigen:
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1 einen Schnitt durch eine bevorzugte erste Ausführungsform der Erfindung;
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2 einen Schnitt durch eine zweite Ausführungsform der Erfindung; und
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3 eine perspektivische Ansicht auf die Ausführungsform aus 2.
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Eine Schraubverbindung dient dem Zweck, einen ersten Gegenstand 10 durch eine Schraube 20 mit einem zweiten Gegenstand 11 zu verbinden. Dazu wird die Schraube 20 mit einem Schraubenkopf 21 durch ein entsprechendes Loch in den beiden Gegenständen 10, 11 geschoben und auf der anderen Seite eine Mutter 22 auf das Schraubgewinde der Schraube 20 aufgesetzt und angezogen.
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Die Schraube 20 besitzt dabei eine Längsachse 25, die zugleich die Drehachse der Drehbewegung während des Schraubvorganges ist. Diese Längsachse 25 ist demzufolge auch die Mittelachse der Mutter 22.
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Die beiden Gegenstände 10, 11 sind in der dargestellten Ausführungsform plattenförmig. Es kann sich um Platten oder auch um Teile von größeren Aggregaten handeln, die durch die Schraube 20 miteinander verbunden werden sollen.
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Jedenfalls besitzt der erste zu verschraubende Gegenstand eine Außenfläche 12, die der Mutter 22 zugewandt ist, und die Mutter 22 eine Fläche 23, welche der Fläche 12 und somit dem ersten zu verschraubenden Gegenstand 10 zugewandt ist.
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In ähnlicher Form besitzt der Schraubenkopf 21 eine Fläche 26, welche dem zweiten zu verschraubenden Gegenstand 11 zugewandt ist.
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Betrachtet man sich nun die Drehbewegung der Schraube 20 während des Schraubvorgangs, so wird entweder der Schraubenkopf 21 mit seiner Fläche 26 auf der benachbarten Fläche des zweiten Gegenstandes 11 oder aber die Fläche 23 der Mutter 22 auf der benachbarten Fläche 12 des ersten Gegenstandes eine Relativbewegung ausführen. Diese Bewegung kann zu einer Beschädigung der benachbarten Fläche führen. Ob der Schraubenkopf 21 oder die Mutter 22 dabei gedreht wird, ist praktischen Erwägungen vorbehalten, da üblicherweise das jeweils andere Element festgehalten wird.
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Die auftretenden Drehbewegung, die in diesem Falle unterstellt von der Mutter 22 vorgenommen wird, führt bei Nichtberücksichtigung der folgenden Elemente zu einer Beschädigung der Flächen 12 und/oder 23, die aufeinander einen Reibvorgang vornehmen.
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Um diesen Reibvorgang zu vermeiden und somit die Beschädigungen zu reduzieren oder zu verhindern, wird zwischen die Flächen 12 und 23 um die Schraube 20 herum eine Unterlegscheibe 30 gelegt.
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In der dargestellten erfindungsgemäßen Ausführungsform weist die Unterlegscheibe 30 drei ringförmige Elemente 31, 32 und 33 auf. Diese drei ringförmigen Elemente 31, 32, 33 liegen flächig aufeinander und sind jeweils ebenfalls symmetrisch zur Längsachse 25 der Schraube 20.
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Da die drei ringförmigen, scheibenartigen Elemente 31, 32, 33 flächig aufeinanderliegen, besitzt jedes dieser Elemente eine in Richtung zur Mutter 22 und eine gegenüberliegende, zum zu verschraubenden Gegenstand 10 gerichtete Fläche, die beide senkrecht auf der Längsachse 25 stehen.
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Das erste ringförmige, scheibenartige Element 31 besitzt Außenflächen 31a und 31b. Dabei ist die Außenfläche 31a benachbart zur Fläche 23 der Mutter 22 angeordnet und weist beim Aufeinanderliegen mit dieser Fläche einen hohen Reibungskoeffizienten auf.
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Das mittlere oder zweite ringförmige, scheibenartige Element 32 besitzt Außenflächen 32b und 32c. Die Fläche 32b liegt unmittelbar an der Fläche 31b des ersten ringförmigen, scheibenartigen Elements 31 an und diese beiden Flächen besitzen einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten.
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Das dritte ringförmige, scheibenartige Element 33 weist eine unmittelbar an die Fläche 12 des ersten Gegenstandes 10 angrenzende Außenfläche 33a auf sowie eine gegenüberliegende, dem zweiten ringförmigen, scheibenartigen Element 32 zugewandte Fläche 33b. Während die Außenfläche 33a und die Fläche 12 des ersten Gegenstandes einen hohen Reibungskoeffizienten miteinander besitzen, weisen die Flächen 33b und 32c miteinander einen sehr niedrigen Reibungskoeffizienten auf.
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Dies hat nun zur Folge, dass bei fortgesetztem Schraubvorgang und einem Anziehen der Mutter 22 auf der Längsachse 25 in Richtung zum Schraubenkopf 21 hin sich von den aneinander anliegenden Flächenpaaren 23, 31a; 31b, 32b; 32c, 33b; 33a, 12 diejenigen Flächen auf Grund ihrer niedrigen Reibung zueinander bewegen, die sich im Inneren des ringförmigen Bauelements beziehungsweise der Unterlegscheibe 30 befinden, nämlich die Flächenpaare 31b und 32b einerseits sowie 33b und 32c andererseits. Alle anderen Flächenpaare haben einen hohen Reibungskoeffizienten, so dass dort keine Relativbewegung stattfindet. Dieser Effekt ist umso stärker, je größer der Unterschied der hohen und der niedrigen Reibungskoeffizienten voneinander ist.
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Auf Grund dieses Effektes drehen sich die drei ringförmigen, scheibenartigen Elemente 31, 32 und 33 relativ zueinander, nicht aber die Mutter 22 und das erste ringförmige Element 31 und auch nicht der zu verschraubende Gegenstand 10 und das dritte ringförmige, scheibenartige Element 33.
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Das hat zur Folge, dass dort, wo keine Drehbewegung stattfindet, auch keine Beschädigung oder Beeinträchtigung der Oberflächen erfolgt. Dort wo der Reibungskoeffizient besonders niedrig ist, erfolgt zwar eine Drehbewegung, auf Grund des niedrigen Reibungskoeffizienten jedoch ebenfalls ohne Beschädigungseffekt.
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Anzumerken ist auch noch, dass in der Ausführungsform der 1 eine zweite Unterlegscheibe 38 vorgesehen ist. Es wäre möglich, den Satz der drei ringförmigen, scheibenartigen Elemente 31, 32, 33 anstelle dieser zweiten Unterlegscheibe 38 und dafür diese Unterlegscheibe anstelle der vorgenannten drei ringförmigen, scheibenartigen Elemente anzuordnen. Das hätte dann den Effekt, dass die Mutter sich gegenüber dem ersten zu verschraubenden Gegenstand 10 nicht bewegt, dafür aber der Schraubenkopf 21 gegenüber dem zweiten zu verschraubenden Gegenstand 11.
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In der 2 ist eine vergrößerte Darstellung der drei ringförmigen, scheibenartigen Elemente 31, 32 und 33 zu sehen. Bei dieser Ausführungsform ist das mittlere oder zweite ringförmige, scheibenartige Element als Nadellager 40 ausgebildet, welches hier teilweise im Schnitt schematisch zu erkennen ist. Die drei aufeinanderliegenden ringförmigen, scheibenartigen Elemente 31, 32, 33 sind durch ein gemeinsames Gehäuse 42 umfasst, welches als Ansicht in der rechten Hälfte der 2 zu sehen ist, während es geschnitten in der linken Hälfte der Darstellung zeigt, dass eine erste Umschließung 43 und eine zweite Umschließung 44 vorgesehen sind, die die beiden äußeren ringförmigen, scheibenartigen Elemente 31, 33 zusammenhalten und gegen das mittlere ringförmige, scheibenartige Element 32 mit dem Nadellager 41 drücken.
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In der 3 sieht man eine perspektivische Darstellung auf diese Ausführungsform. Hier kann man gut erkennen, dass Nadeln 41 in dem Nadellager 40 angeordnet sind, welches hier das zweite ringförmige, scheibenartige Element 32 bildet beziehungsweise dieses im Wesentlichen aufbaut.
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Man sieht ferner die Oberseite oder Außenfläche 31a des ersten ringförmigen, scheibenartigen Elements 31 sowie angeschnitten das Gehäuse 42.
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Das Nadellager 40 als reibungsreduzierendes Lagerelement und die weiteren Bestandteile der Unterlegscheibe sind mit Hilfe des Gehäuses 42 unlösbar miteinander verbunden. Dabei ist das Gehäuse 42 so gestaltet, dass die Drehbewegung des Nadellagers 40 und die Relativbewegung des ersten ringförmigen, scheibenartigen Elements 31 zum dritten ringförmigen, scheibenartigen Element 33 nicht behindert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- zu verschraubender Gegenstand
- 11
- zweiter zu verschraubender Gegenstand
- 12
- Fläche des ersten Gegenstandes, benachbart zur Unterlegscheibe
- 20
- Schraube
- 21
- Schraubenkopf
- 22
- Mutter
- 23
- Fläche der Mutter 22, der Unterlegscheibe 30 zugewandt
- 25
- Längsachse der Schraube 20
- 26
- Fläche des Schraubenkopfes 21, dem zweiten Gegenstand 11 zugewandt
- 30
- Unterlegscheibe
- 31
- erstes ringförmiges, scheibenartiges Element
- 31a
- Außenfläche des ersten ringförmigen, scheibenartigen Elements
- 31b
- Fläche des ersten ringförmigen, scheibenartigen Elements innerhalb der Unterlegscheibe
- 32
- zweites ringförmiges, scheibenartiges Element
- 32b
- erste Fläche des zweiten ringförmigen, scheibenartigen Elements im Inneren der Unterlegscheibe
- 32c
- zweite Fläche des zweiten ringförmigen, scheibenartigen Elements innerhalb der Unterlegscheibe
- 33
- drittes ringförmiges, scheibenartiges Element
- 33a
- Außenfläche des dritten ringförmigen, scheibenartigen Elements
- 33b
- Fläche des dritten ringförmigen, scheibenartigen Elements innerhalb der Unterlegscheibe
- 38
- weitere Unterlegscheibe
- 40
- Nadellager
- 41
- Nadel eines Nadellagers 40
- 42
- Gehäuse
- 43
- erste Umschließung
- 44
- zweite Umschließung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012102926 A1 [0007]
- DE 102011121917 A1 [0008]
- DE 69707641 T2 [0009]
