DE1475249C3

DE1475249C3 - Selbstsichernde Schraube

Info

Publication number: DE1475249C3
Application number: DE1475249A
Authority: DE
Inventors: Paul W. Klooz; Herman G. Muenchinger
Original assignee: Veeder Industries Inc
Current assignee: Veeder Industries Inc
Priority date: 1964-09-11
Filing date: 1965-07-29
Publication date: 1974-09-12
Also published as: GB1051838A; US3286754A; DE1475249B2; DE1475249A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine selbstsichernde Schraube mit einem in ein Werkstück eingreifenden vorderen Ende, in welchem eine Ausnehmung vorgesehen ist, deren Oberfläche eine sich bis zu ihrem Scheitel erstreckende spiralig verlaufende Sperrverzahnung aufweist.

Es ist eine Selbsthalteschraube dieser Art bekannt (USA.-Patentschrift 2 314274), bei der die Aussparung kegelförmig ausgebildet ist, und die die Sperrverzahnung bildenden Zähne einen dem Gewinde der Schraube entgegengerichteten radialen Drall aufweisen. Die Sperrzähne sind dort derart gegen den Radiusvektor geneigt, daß sie beim Festdrehen der Schraube an einem Werkstück das Material des Werkstücks zumindest in dem wichtigen äußeren Bereich mit einer radialen Kraftkomponente nach innen verschieben. Bei dieser Schraube wird einmal als nachteilig empfunden, daß auf Grund der kegelförmig ausgebildeten Aussparung nur verhältnismäßig wenig Raum zur Aufnahme von während des Anziehens weggedrückten MetaÜspänen zur Verfügung steht. Infolge der speziellen Ausbildung der'Sperrzähne läßt sich eine solche Schraube nur verhältnismäßig schwer an einem Werkstück festdrehen und entspricht darüber hinaus häufig nicht den hinsiehtlieh der Selbsthaltewirkung an sie gestellten Anforderungen.

Weiter ist es bei Selbsthalteschrauben an sich bekannt (USA.-Patentschrift 3 078 899), Sperrzähne mit einem der Drehrichtung des Schraubengewindes gleichgerichteten Drall vorzusehen, die außerdem eine flache Vorderflanke und eine steile Rückflanke aufweisen. Die die Sperrzähne tragenden Flächen bilden jedoch bei diesen Schrauben eine Ebene oder einen Konus, und die Sperrzähne sind gegen den Radiusvektor derart geneigt, daß sie beim Festdrehen eine radial nach innen gerichtete und beim Loslösen eine radial nach außen gerichtete Kraftkomponente auf das Material des Werkstücks übertragen.

Da sich beim Festdrehen dieser Schrauben die Sperrzähne jeweils über ihre ganze Breite in das Material des Werkstücks hineinarbeiten, ist gleich zu Beginn der Berührung mit dem Werkstück ein relativ hoher Reibungswiderstand zu überwinden. Ferner ist auch mit dieser Schraube eine ausreichende Verankerung häufig nicht möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte selbstsichernde Schraube der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, daß sie sich leichter an dem Werkstück festdrehen läßt und einem Loslösen einen größeren Widerstand entgegensetzt.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß die Aussparung im Achsenlängsschnitt ein gekrümmtes Profil aufweist und die Sperrzähne in an sich bekannter Weise ein mit dem Schraubengewinde gleichgerichteten Drall sowie mit einer relativ flachen Vorderflanke und einer steilen Rückflanke versehen sind, wobei die Zähne beim Festdrehen der Schraube Material des Werkstückes mit einer radialen Komponente nach außen verschieben.

Beim Festdrehen der Schraube wirken die erfindungsgemäßen Merkmale folgendermaßen zusammen: Bei Beginn der Berührung mit dem Werkstück führen die den äußeren Rand der Sperrverzahnung und des Hohlraums bildenden Spitzen eine Hohlbohrung aus, bis eine kreisförmige Nut erzeugt ist. Spätestens von diesem Zeitpunkt an ist der durch die Aussparung und das gegenüberliegende Werkstück gebildete Hohlraum nach außen hin abgeschlossen. Von da an kann von innen kein Material mehr nach außen dringen. Beim weiteren Festdrehen wird das Material des Werkstücks vor jedem Sperrzahn derart verschoben, daß es radial nach außen in die Zwischenräume zwischen je zwei Zähnen fließt. Da das Material nach außen nicht abfließen kann, baut es sich in diesen Zwischenräumen von außen nach innen hin auf und verhakt sich mit den benachbarten Zahnflanken. Dabei füllt sich die Aussparung allmählich mit Material auf, bis dieses im Grenzfall an der Decke der Aussparung anschlägt. Die gekrümmte Ausbildung der Aussparung hat dabei gegenüber der Kegelform den Vorteil, daß einmal relativ mehr Raum zur Verfügung steht und daß zum anderen im Bereich des Zentrums der Aussparung in der Regel kein toter, von dem aufgeworfenen Material nicht ausgefüllter Raum bleibt.

Die bevorzugte Verschiebung des Materials in den äußeren Bereich der Aussparung wirkt sich hinsichtlich der Verriegelung der Schraube' besonders günstig aus, da dort die Angriffsflächen für die ein Loslösen verhindernden Gegenkräfte am größten sind. Weiter bilden die steilen Rückflanken der erfindungsgemäßen Sperrzähne eine besonders günstige Widerlagerfläche. Schließlich steht einem unerwünschten Losdrehen der Schraube entgegen, daß auf Grund des

mit der Drehrichtung des Schraubengewindes gleichgerichteten Dralls und der Neigung der Sperrzähne gegenüber dem Radiusvektor beim Loslösen eine außen größere und innen weniger große, radial nach innen gerichtete Kraftkomponente auf das eingeschlossene Material übertragen wird. Diese Kräfteverteilung bewirkt, daß sich die äußeren, mit einer größeren Kraft nach innen verschobenen Materialschichten gegen die weiter innenliegenden Materialschichten abstützen, wodurch sich eine zusätzliche Widerstandskraft gegen ein Losdrehen ergibt.

Hieraus folgt, daß die erfindungsgemäßen Merkmale sowohl beim Festdrehen der Schraube als auch bei der Verhinderung ihres Loslösens in besonder? günstiger Weise zusammenwirken.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in schematicher Weise dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine schaubildliche Darstellung einer selbstsichernden Schraube,

Fig.2 eine Draufsicht auf die Sperrverzahnung der Schraube in schematischer Darstellung,

Fig.3 eine Seitenansicht der teilweise geschnittenen Schraube,

Fig.4 einen Ausschnitt aus einem Werkstück, in das die Schraube eingedreht wurde,

Fig.5 eine abgewandelte Ausführungsform einer Schraube in einer Darstellung entsprechend F i g. 3,

F i g. 6 das Zahnprofil der Sperrzähne in schematischer Darstellung,

Fig.7 ein vergrößerter Ausschnitt der in Eingriff mit dem Werkstück befindlichen Schraube in geschnittener Darstellung.

In den F i g. 1,3 und 5 ist eine Madenschraube mit Außengewinde 8 gezeigt, die an ihrem einen Ende eine Mehrkantaussparung 10 für einen Steckschlüssel aufweist und an ihrem anderen Ende 12 etwa kegelstumpfförmig ausgebildet ist. Am vorderen Ende 12 ist eine Aussparung 20 vorgesehen, die im Achsenlängsschnitt ein gekrümmtes Profil aufweist und deren Rand 21 zur Längsachse der Schraube konzentrischist.

Die Verriegelungswirkung der Schraube wird zum Teil durch das Fassungsvermögen der Aussparung 20 für aus dem Werkstück herausgehobenes Material bestimmt. Dieses Fassungsvermögen ist abhängig von der Tiefe der Aussparung und kann durch ein geeignetes geometrisches Profil auf ein Höchstmaß gesteigert werden. Es hat sich gezeigt, daß eine Aussparung mit einer Tiefe von etwa 40 % der Gewindesteigung und mit im wesentlichen hohlkugelförmiger Gestalt (vgl. F i g. 3) zufriedenstellende Ergebnisse bringt. Die Aussparung kann auch, wie in F i g. 5 bei der Bezugsziffer 30 gezeigt ist, im Querschnitt dadurch halbelliptisch geformt werden, daß der Krümmungsradius der Sperrzähne 22 verändert wird. Hierauf wird weiter unten noch näher eingegangen. Auf Grund der gekrümmten Form der Aussparung steht ein verhältnismäßig großer Raum zur Aufnahme des aus dem Werkstück herausgehobenen Materials und der etwa während des Einsetzens und Anziehens der Schraube verschobenen Materialspäne zur Verfügung.

Innerhalb der Aussparung 20 sind eine Anzahl vorzugsweise angeschmiedeter rippenartiger Vorsprünge oder Zähne 22 angeordnet. Die Zähne 22 haben eine spiralförmige Gestalt und einen radialen Drall vom Mittelpunkt des Werkstücks aus in Gangrichtung der Schraube, d. h. in einer Richtung, in der die Schraube beim Anziehen gedreht wird, die üblicherweise im Uhrzeigersinn verläuft (vgl. Fig.2). Durch diese Spiralform wird bewirkt, daß das beim Eindrehen der Schraube aufgeworfene Material über eine gewisse Strecke von außen nach innen den ganzen Zwischenraum zwischen den Zähnen

ίο und nicht nur einen kleinen Teil desselben ausfüllt (vgl. Fig.4 und7). Der Winkelt, den die Spirale mit dem Umkreis der Aussparung bildet, sollte kleiner als 90° sein, um die gewünschte, radial nach außen gerichtete Auslenkung des Werkstückmaterials zu bewirken (vgl. Fig. 2).

Die Zähne 22 haben im Querschnitt im -wesentlichen eine dreieckige Form. Jeder von ihnen hat eine Spitze 23, die bei 21 den Rand der Aussparung 20 bildet, sowie eine verhältnismäßig flache Vorder-

ao flanke 24 und eine steile Rückflanke 25. In dem in Fig.6 dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der durch die Vorderflanke gebildete Winkel etwa 22° und der durch die Rückflanke gebildete Winkel etwa 60°.

Der Abstand und die Tiefe der Spiralzähne sind außerdem so zu bemessen, daß sie in einem gewissen Verhältnis zur Steigung des Außengewindes stehen. Dieses Verhältnis sollte so gewählt werden, daß beim Drehen der Schraube um den durch zwei benachbarte Zähne gebildeten Winkel die Axialbewegung der Schraube 10 % der Zahntiefe nicht überschreitet. Der Rechtsdrall der Zähne bewirkt beim Eindrehen der Schraube in ein Werkstück einen radial nach außen gerichteten Materialfluß (vgl. Pfeil B in Fig.4), wodurch der·Zwischenraum zwischen den Zähnen radial von außen nach innen aufgefüllt wird. Dieses Material wird in dem Zwischenraum zwischen den Zähnen eingeschlossen. Während der relativ flache Winkel der Vorderflanke 24 eine Weiterdrehung der Schraube im Uhrzeigersinn gestattet, wirkt der steile Winkel der in F i g. 4 mit 25 A bezeichneten Seite des eingeschlossenen Materials einem Losdrehen der Schraube entgegen dem Uhrzeigersinn stark entgegen.

Bevorzugt wird eine bestimmte ungerade Anzahl Sperrzähne 22 — in den gezeigten Ausführungsbeispielen sind es 13 Zähne — gewählt. Eine ungerade Zähnezahl ist deshalb vorzuziehen, weil es im Gegensatz zu einer geraden Zähnezahl keine Stelle gibt, an der kein einem Losdrehen der Schraube entgegenstehender Widerstand vorhanden ist.

Bei einer Schraube mit einer Aussparungstiefe von etwa 40% der Gewindesteigung und 13 Sperrzähnen ergibt sich beim Einsetzen und Anziehen an einem Werkstück folgender Wirkungsablauf:

Bei Beginn der Berührung mit dem Werkstückmaterial führen die den Rand der Aussparung bildenden Spitzen der Zähne eine Hohlbohrung aus, bis eine kreisförmige Nut mit einer Tiefe von etwa 15 % der

.60 Aussparung erzeugt ist. Das von.den Zähnen verschobene Material wird' dabei zwischen den Zähnen eingeschlossen und radial nach außen ausgelenkt. Da die Tiefe der Aussparung gewöhnlich nicht mehr als ungefähr die Hälfte der Ganghöhe des Schraubengewindes beträgt, ist ein vollständiges und einwandfreies Anziehen der Schraube etwa mit einer Vierteldrehung zu bewerkstelligen. Rechnet man den Hohlbohrvorgang am Anfang ab, so wird das eigent-

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liehe Anziehen mit eingeschlossenem Material im des Außendurchmessers, ihre Tiefe ein Viertel bis die

Verlauf einer Drehung von etwa 45° bewirkt. Hälfte des Außendurchmessers (oder etwa 20 bis

Wie F i g. 7 zeigt, ergeben sich beim Eindrehen der 40% der Gewindesteigung) und der Drallradius etwa

Schraube Erhöhungen aus eingeschlossenem Material ein Drittel bis ein Viertel des Außendurchmessers

bei 3SB, während weiteres Material 35 A vom Spi- 5 betragen.

ralhohlraum nach außen ausgelenkt wurde. Bei 13 Bei den oben angegebenen Verhältniszahlen zwi-

Zähnen beträgt der Abstand von Zahn zu Zahn etwa sehen dem Außendurchmesser der Schraube und

30°. Bei einer Drehung um etwa 30° ergibt sich dem Durchmesser der schalenförmigen Aussparung,

selbst bei einer Schraube mit verhältnismäßig grobem dem Radius der Aussparung und der Tiefe der scha-

Gewinde beispielsweise mit einer Steigung von io lenförmigen Aussparung ergibt sich eine Selbsthalte-

1,6 mm nur eine Axialbewegung der Schraube um schraube mit maximalem Raum für die Unterbrin-

etwa 0,12 mm; da die Zähne normalerweise um mehr gung von während des Anziehens der Schraube ange-

als 0,12 mm in das Werkstückmaterial eindringen, sammelten Spänen, ohne daß eine Schwächung der

müßte das eingeschlossene Material abgeschert wer- Schraubenschneide auftritt. Eine solche Schwächung

den, um die Schraube zu lösen. Daraus folgt, daß das 15 könnte beispielsweise dann auftreten, wenn eine ko-

eingeschlossene Material dem Lösen der Schraube 'nisch geformte Aussparung verwendet und so groß

einen erheblichen Widerstand entgegensetzt. gemacht würde, daß sie zur Aufnahme der angesam-

Es ist einleuchtend, daß die Abmessungen und das melten Späne ausreicht. Im allgemeinen ist jedoch

Profil der Aussparung und der Sperrzähne von be- bei zu kleinem Volumen der Aussparung nicht genü-

stimmten Bedingungen abhängig sein werden, bei- so gend Raum zur Aufnahme der Späne vorhanden. Ist

spielsweise von der Größe der Schraube, der Tiefe andererseits der Durchmesser der Aussparung zu

und Härte des Werkstücks usw. Es wurde jedoch ge- groß, so besteht die Gefahr, daß die Schneide der

runden, daß gute Ergebnisse erzielt werden, wenn die Schraube bei ihrem Anziehen bricht. In entsprechen-

Äbmessungen innerhalb der folgenden Parameter ge- der Weise ist die Einhältung des oben angegebenen

halten werden. Nimmt man den Außendurchmesser as Verhältnisses zwischen dem Drallradius und dem

der Schraube als Bezugsgröße, so sollte die Ausspa- Außendurchmesser insofern wichtig, als sich dann

rung 20 an ihrem Rand 21 einen Durchmesser ha- die Schrauben besonders leicht in das Werkstück ein-

ben, der etwa der Hälfte des Außendurchmessers drehen lassen und ihr Losdrehen wirksam verhindert

entspricht; ihr Radius sollte die Hälfte bis ein Viertel wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Selbstsichernde Schraube mit einem in ein Werkstück eingreifenden vorderen Ende, in welchem eine Aussparung vorgesehen ist, deren Oberfläche eine sich vorzugsweise bis zu deren Scheitel erstreckende spiralig verlaufende Sperrverzahnung aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Aussparung (20) im Achsenlängsschnitt ein gekrümmtes Profil aufweist und die Sperrzähne (22) in an sich bekannter Weise mit einem mit dem Schraubengewinde gleichgerichteten Drall sowie mit einer Vorderflanke (24) mit geringem Neigungswinkel und einer steilen Rückflanke (25) versehen sind, wo- -' bei die Zähne beim Festdrehen der Schraube Material des Werkstückes mit einer radialen Komponente nach außen verschieben.

2. Selbstsichernde Schraube nach Anspruch 1, ao dadurch gekennzeichnet, daß eine ungerade Anzahl Sperrzähne (22) vorhanden ist

3. Selbstsichernde Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkelabstand und die Höhe der Sperrzähne (22) im Verhältnis zur Steigung des Gewindes so gewählt sind, daß bei Drehung der Schraube um einen dem Winkelabstand zweier Zähne entsprechenden Winkel der axiale Vorschub der Schraube geringer als 10 °/o der Zahnhöhe ist.

4. Selbstsichernde Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel der einzelnen Sperrzahn-Spiralen mit dem die Aussparung begrenzenden Kreis kleiner als 90° ist.