DE2521684A1

DE2521684A1 - Erschuetterungssicheres befestigungselement

Info

Publication number: DE2521684A1
Application number: DE19752521684
Authority: DE
Inventors: William J Thomas
Original assignee: Standard Pressed Steel Co
Current assignee: SPS Technologies LLC
Priority date: 1974-05-17
Filing date: 1975-05-15
Publication date: 1975-11-27
Also published as: US3972359A; AU8105375A; CA1040084A; GB1514205A; JPS554962B2; BR7502959A; JPS50160156A

Description

PATENTANWÄLTE A. GRÜNECKER

OPL-ING

H. KINKELDEY

DH ING

W. STOCKMAIR

DRING. AÄlCALTeCH

K. SCHUMANN

OR. RER NAT · Cut. PHWS

P. H. JAKOB

DlPU-ING

G. BEZOLD

DHRStNKT OPLCHFM

MÜNCHEN

E. K. WEIL

DRREROECING

MÜNCHEN 22

MAXIMILIANSTRASSE 43

LINDAU

15. Mai 1975

Standard Pressed Steel Co.
Jenkintown, Pennsylvania 19046, USA

Erschütterungssicheres Befestigungselement

Die Erfindung bezieht sich auf ein erschütterungssicheres Befestigungselement sowie auf ein Verfahren zum Herstellen eines solchen.

Insbesondere betrifft die Erfindung erschütterungssichere Schrauben, vorzugsweise Stellschrauben. Solche für zahlreiche Zwecke verwendeten Stellschrauben v/erden im Gebrauch in ein Werkstück oder Teil eingeschraubt,

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TELEFON (089)22 28 62 TELEX O5-2938O TELEGRAMME MONAPAT

so daß sie sich mit ihrem inneren Ende an einem anderen Teil abstützen, um die beiden !Teile damit unbexveglich zu verbinden. Insbesondere wenn solche Teile Schwingungen oder Erschütterungen ausgesetzt sind, muß dabei gewährleistet sein, daß sich die Stellschraube nicht lösen kann, wodurch sich die beiden Teile dann relativ zueinander bewegen könnten. Es wurden bereits verschiedene Sicherungen vorgeschlagen, welche das Losdrehen solcher Stellschrauben unter dem Einfluß von. Erschütterungen der damit gesicherten Teile verhindern sollen. Gemäß einem solchen Vorschlag hat eine Stellschraube an ihrer inneren Endfläche eine unregelmäßige Form, etwa eine Vertiefung mit gezahntem oder geriffeltem Rand, welcher auf dem einen der beiden miteinander zu verbindenden Teile aufsetzt und einer Verdrehung Widerstand bieten soll. Die Stellschraube hat jedoch nur eine ziemlich kleine Stirnfläche, so daß die Sicherung gegen das Losdrehen der Schraube oftmals nicht ausreicht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein selbstsicherndes Befestigungselement, insbesondere eine Stellschraube, zu schaffen, welche einer Rückwärtsdrehung in einem sie aufnehmenden Teil einen erhöhten Widerstand entgegensetzt, sowie ein einfaches und wirtschaftliches Verfahren zum Herstellen solcher Befestigungs e1ement e.

Die Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß erzielt durch ein Befestigungselement bzw. ein Verfahren der in den Ansprüchen bezeichneten Art.

Gemäß der Erfindung hat das Befestigungselement ein Gextfinde, dessen beim Festziehen des Befestigungselements die Druckbelastung aufnehmende Flanken eine unregelmäßige Oberflächengestalt haben. Die betreffende Flanke der Gewindegänge weist wenigstens eine schräg ansteigende

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Käramflanke und eine dieser zugeordnete, steilere Halteflanke auf, welche in .einem Winkel zu einem Radius des Befestigungselements verlaufen, wobei die Kämmflanke in der Drehrichtung des Befestigungseleiaents beim Anziehen desselben ansteigt. Hach dem Festziehen des Befestigungselements setzt dann die oder jede Halteflanke einer Drehung des Befestigungselements in der entgegengesetzten Richtung einen erhöhten Widerstand entgegen.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Herstellen eines solchen Befestigungselements erhalten die die Druckbelastung aufnehmenden Flanken der Gewindegänge ein gezacktes oder sägezahnförmiges Profil. Die einzelnen Zacken oder Zähne haben jeweils eine ansteigende Kämmflanke und eine steilere Halteflanke, der dazwischen gebildete Grat verläuft in einem Winkel zu einem Radius des Befestigungselements. Zum Herstellen des Befestigungselements findet beispielsweise ein Paar ebener Gewindewalzbacken Verwendung. Nahe den Enden der zum Walzen des Gewindes dienenden Profile haben die Walzbacken einander komplementäre Profilteile zum Ausbilden des gezackten Profils an den Druckflanken der Gewindegänge einer zwischen den Walzbacken abrollenden Schraube.

Das erfindungsgemäße Befestigungselement entwickelt einen besonders großen Losdrehwiderstand und kann dabei wiederholt festgezogen und losgedreht werden, ohne daß sich der Losdrehwiderstand dadurch nennenswert verringert.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematisierte Seitenansicht eines Paares Gewindewalzbacken zum Walzen eines Gewindes an einem runden Werkstück zum Herstellen der erfindungsgemäßen, erschütterungssicheren Schraube,

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Fig. 2 eine Vorderansicht der einen Gewindewalzbacke mit dem zum Walzen des Gewindes dienenden Profil und einem Profilteil zum Ausbilden einer gezackten Flanke an den Gewindegängen einer zwischen den Backen gewalzten Schraube,

Fig. 3 eine Teilansicht des Profilteils zum Ausbilden der gezackten Flanke,

Fig. 4 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 4-4 in Fig. 3,

Fig. 5 eine Schrägansicht einer bevorzugten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Befestigungselements,

Fig. 6 eine vergrößerte Schrägansicht eines Befestigungselements mit einer unregelmäßigen Oberflächengestalt an der die Druckbelastung aufnehmenden Flanke der Gewindegänge,

Fig. 7 eine Ansicht im Schnitt entlang der Linie 7-7 in Fig. 6, mit einer Draufsicht auf die unregelmäßig gestaltete Oberfläche der Gewindeflanke,

Fig. 8 eine Fig. 7 entsprechende Ansicht einer anderen Ausführungsform der Druckflanke der Gewindegänge,

Fig. 9 eine Profilansicht entsprechend den Pfeilen 9» 9 in Fig. 7» mit teilweiser Darstellung des Gewindeeingriffs,

Fig.10 eine Fig. 9 entsprechende Ansicht mit einer anderen Ausführung des Flankenprofils und

Fig.11 eine Schnittansicht in Richtung der Pfeile 11, 11 in Fig. 9.

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Anhand von Fig. 1 bis 4 der Zeichnung ist ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen eines erschütterungssicheren Befestigungelements dargestellt. Ein im wesentlichen zylindrisches Werkstück 10 wird unter Druck zwischen zwei gegeneinander beweglichen Gewindewalzbacken 12 und 14 gewalzt und erhält dabei ein Gewinde mit einem gezahnten Profil wenigstens eines Teils der die Druckbelastung aufnehmenden Flanke dea? Gewindegänge. Anstelle der lediglich zur Erleichterung des Verständnisses dargestellten ebenen Gewindewalzbacken können auch Gewindewalzrollen verwendet werden.

Die Gewindewalzbacken 12 und 14 sind rechteckige Platten, welche auf jeweils einer Seite ein Gewindewalzprofil bzw. 18 haben. Dieses setzt sich zusammen aus einer Anzahl von parallelen Rippen 20, welche in einem der Steigung des am Werkstück 10 zu bildenden Gewindes entsprechenden Winkel zur Längsachse der geweiligen Walzbacke verlaufen. Die Rippen 20 haben jeweils zwei schräge Flanken 22, 24, vrelche einen Grat 26 bilden, so daß am Werkstück 10 ein herkömmliches Spitzgewinde entsteht.

Zur Herstellung des Gewindes wird das Werkstück 10 nahe den jeweiligen vorderen Enden 28, 30 zwischen die Profilseiten 16, 18 der beiden Walzbacken 12, 14 eingelegt. Darauf werden die Walzbacken unter Druckbelastung relativ zueinander in Längsrichtung bewegt, so daß das Werkstück 10 dazwischen abrollt und dabei ein Gewinde erhält. Die Relativbewegung der Walzbacken setzt sich fort, bis das Werkstück an ihren hinteren Enden 32 bzw. freigegeben wird. Um die Entnahme des mit dem Gewinde versehenen Werkstücks 10 zu erleichtern, hat wenigstens eine Walzbacke 12 ein abgeschrägtes Endstück 36, über welches das Werkstück 10 mühelos entnehmbar ist.

Die beiden Walzbacken 12 und 14 haben jeweils ein recht-

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eckiges Profilteil 38 zum Ausbilden einer gezackten oder gezahnten Oberfläche an wenigstens einem Teil der die Druckbelastung aufnehmenden Planken der Gewindegänge. Im Bereich der Profilteile 38 können die Rippen 20' des Walzprofils vor dem Härten der Walzbacke mit einem gezahnten bzw. gezackten Profil versehen werden. Anderen-FaIIs kann in die Walzbacke eine rechteckige Öffnung geschnitten sein, in welche dann mehrere einzelne Rippenstücke eingesetzt und stoffschlüssig darin befestigt werden.

Die einzelnen Rippenstücke 20' haben ebenfalls jeweils zwei Flanken 22, 24·, welche in einem Scheitel 26 zusammenlaufen, und eine Reihe von seitlich versetzten Stufen 40. Jede Stufe 4-0 hat eine ansteigende Flanke 4-2, welche in einem Grat 44 ausläuft, an x^elchen sich eine Steilflanke 46 anschließt. Jeweils am Fuß einer Steilflanke 46 beginnt der Anstieg der nächsten Schrägflanke 42, so daß die Stufen also eine Reihe von einander abwechselnden Schräg- und Steilflanken bilden. Die zwischen den Schräg- und Steilflanken 42 bzw. 46 gebildeten Grate 44 verlaufen in einem spitzen Winkel zum Scheitel 26 des Rippenstücks 20'.

Das Werkstück 10 kommt erst dann in rollende Anlage an den Profilteilen 38, wenn die Herstellung des Gewindes zum größten Teil abgeschlossen ist. Beim Abrollen des Werkstücks 10 zwischen den Profilteilen 38 der druckbelasteten Walzbacken 12 und 14 wird das Material an den die spätere Druckbelastung aufnehmenden Flanken der Gewindegänge des Werkstücks 10 weiter verformt, so daß sich eine nachstehend noch näher beschriebene Oberflächenform ausbildet. Dank der gegenüber dem Grat 26 des jeweiligen Rippenstücks 20' winkligen Anordnung der Schrägflanken 42 bzxtf. der Grate 44 entsteht beim Walzen ein Spiel zwischen den Stufen 40 und den an der Flanke des Gewindes gebildeten Zähnen oder Zacken, so daß sich

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die Stufen bei der weiteren Drehung des Werkstücks mühelos von diesem lösen. Die winklige Anordnung hat also eine ähnliche Wirkung wie der an Evolventenverzahnungen gebildete Zahneingriffswinkel. Ohne eine solche winklige Anordnung würden die Stufen 40 die an den Gewindeflanken gebildeten Zähne einreißen, so daß deren Profil erheblich verändert würde.

Das in verschiedenen Ausführungsformen in Fig. 5 bis Ή dargestellte Befestigungselement ist eine Stellschraube 50 mit einem gewalzten Normgewinde 52. Eine Endfläche 5'+ der Schraube 50 hat eine Vertiefung 56 für den Eingriff eines Werkzeugs zum Eindrehen und Festziehen der Schraube in eine bzw. einer Gewinde bohrung eines Werkstücks oder zu sichernden Teils.

Wie man insbesondere in Fig. 7 erkennt, ist an der die Druckbelastung aufnehmenden Flanke 58 jedes einzelnen oder wenigstens zweier einander benachbarter Gewindegänge 60 eine unregelmäßige, gezackte Oberfläche 62 gebildet, welche sich um die Schraube herum erstreckt und ihrer Drehung in einer Gewindebohrung unter Druckbelastung einen erhöhten Widerstand entgegensetzt.

Bei Betrachtung des Profils der Oberfläche 62 entlang einem mit der Längsachse der Schraube konzentrischen Zylinder bildet es eine Reihe von Zähnen. Diese sind im wesentlichen sägezahnförmig und haben jeweils eine Steil- oder Halteflanke 64, welche sich vom Grat 66 des betreffenden Zahns zum Fuß 68 eines diesem benachbarten Zahns erstreckt. Vom Fuß 68 zum Grat 66 dieses Zahns verläuft dann eine Schräg- oder Kämmflanke 70. Die Schrägflanken 70 der Zähne steigen in einem Winkel zwischen etwa 5° und 25° zu einer parallel zur Steigung des Gewindes verlaufenden Ebene an.

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Wie man insbesondere in I¹Xg. 7 und 8 erkennt, sind die entlang den Steilflanken 64 der einzelnen Zähne verlaufenden Ebenen gegenüber dem radialen Mittelpunkt der Schraube 50 versetzt angeordnet, so daß sie mit einem vom Mittelpunkt der Schraube 50 zu dem betreffenden Zahn verlaufenden Eadius einen Winkel von etwa 15 bis 35° bilden.

In der in Fig. 11 gezeigten Ausführung ist die Hohe der Steilflanke 64 über die Breite der Druckflanke 58 konstant, sie kann jedoch auch veränderlich sein. Die Zähne 62 erstrecken sich jeweils vom Scheitel 7^- des betreffenden Gewindegangs 60 einwärts bis nahe an dessen Fuß heran. Sofern es bei der Verwendung der Schraube nicht auf Ermüdungsfestigkeit ankommt, können sich die Zähne bis an die Wurzel der Gewindegänge erstrecken. Anderenfalls laufen die Zähne in einigem Abstand von der Wurzel aus, so daß diese nicht geschwächt und damit die Ermüdungsfestigkeit beeinträchtigt wird.

Die Schräg- oder Kämmflanken 70 der einzelnen Zähne sind in der Drehrichtung zum Festziehen der Schraube, bei einer rechtsgängigen Schraube also im Uhrzeigersinn abgeschrägt. Beim Eindrehen der Schraube 50 in eine Gewindebohrung eines ersten Teils setzen die Halte- oder Steilflanken 64 der Drehung der Schraube keinen Widerstand entgegen, solange die Schraube noch nicht unter Druckbelastung steht. Setzt dann die Schraube mit ihrem inneren Ende 76 an einem zweiten Teil auf oder kommt sie auf andere Weise unter Druckbelastung, dann ist das weitere Eindrehen erschwert. Beim weiteren Festziehen der Schraube bis zu einem vorbestimmten Drehmoment kommt sie dann unter eine vorgegebene Druckbelastung.

Mit der Zunahme der Druckbelastung der Schraube 50 kommen die Druckflanken 58 der Gewindegänge 60 in immer

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festere Anlage an den entsprechenden Flanken des Gewindes der die Schraube aufnehmenden Bohrung. Die zwischen den belasteten Flanken der Gewinde der Schraube und der Bohrung auftretenden Druckkräfte bewirken eine im wesentlichen elastische Verformung der belasteten Flanken des Innengewindes der Bohrung, d.h. die Schrägflanken 70 der Zähne 62 drücken sich in die Druckflanken 78 des Innengewindes ein, so daß dessen Material einen·kleinen Überhang 80 an den Halte- oder Steilflanken 64- bildet (Fig. 9, 10). Diese geringfügige Verformung des Innengewindes der Bohrung vor den Halte flanken 64- der einzelnen Zähne 62 erschwert das Zurückdrehen oder Losdrehen der Schraube von der Anlage an dem zweiten Teil oder Werkstück.

Die von den einzelnen Zähnen 62 bewirkten Verformungen des Innengewindes sind zwar ziemlich geringfügig, so daß sich die Schraube unter Anwendung eines angemessenen Drehmoments lösen läßt, aufgrund der großen Anzahl der Zähne ergibt sich jedoch ein genügend großer Losdrehwiderstand, um einem Losdrehen der Schraube unter dem Einfluß von Erschütterungen oder Schwingungen der damit gesicherten Teile vorzubeugen. Da die Verformung des Gewindes vor den Steilflanken 64- im wesentlichen eine Elastische ist, kommt es nicht zu Verletzungen oder bleibenden Verformungen der Gewindegänge der Schraube 50 oder der sie aufnehmenden Bohrung.

In der Ausführung nach Fig. 7 verlaufen die Steilflanken 64- und Grate 66 der einzelnen Zähne 62 geradlinig in dem vorgegebenen Winkel zum betreffenden Radius der Schraube 50. Aufgrund der winkligen Anordnung der Steilflanken und Grate ergibt sich eine größere Berührungsfläche zwischen den Steilflanken 64· und den Druckflanken der die Schraube 50 aufnehmenden Gewindebohrung als bei radialem Verlauf der Steilflanken.

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Außerdem verringert die winklige Anordnung der Zähne die Gefahr, daß bein Losdrehen der Schraube größere Späne aus dem Gewinde der Bohrung gerissen werden. Dies beruht anscheinend darauf, daß sich die Druckkräfte zwischen den Zähnen und den die Schraube aufnehmenden Gewindegängen über eine größere Fläche verteilen als bei radialer Anordnung der Zähne, so daß also die pro Flächeneinheit wirksamen Kräfte zwischen den Steilflanken 64- und dem Innengewinde kleiner sind als bei radialer Ausrichtung. Dadurch verringert sich die Gefahr einer Überschreitung der elastischen Verformungsgrenze des Innengewindes, d.h. dieses ist hauptsächlich elastischer Verformung unterworfen.

In der Ausführung nach Fig. 8 sind die Steilflanken 64-' und Grate 66' der Zähne ebenfalls in einem Winkel zum betreffenden Radius der Schraube 50' angestellt. Sie haben hier jedoch ein evolventenförmig gekrümmtes Profil. Eine solche Ausbildung der Steilflanken und Grate erbringt eine weitere Vergrößerung der Berührungsflächen, da die gekrümmte Strecke vom inneren zum äußeren Ende der Steilflanken etwas länger ist als bei den in Fig. 7 gezeigten, geradlinig verlaufende! Steilflanken 64-.

In der Ausführungsform nach Fig. 10 ist die Halte- oder Steilflanke 64-" etwas geneigt und nicht, wie in der Ausführung nach Fig. 9> senkrecht angeordnet. Diese Ausführung ist im einzelnen beschrieben in einer parallelen

Patentanmeldung

der Anmelderin.

Somit schafft die Erfindung ein Befestigungselement in Form einer Schraube, welche einen beträchtlich verbesserten Losdrehwiderstand aufweist, ohne daß eine nennenswerte Gefahr von Beschädigungen der Gewinde an der Schraube selbst oder in einer sie aufnehmenden Bohrung besteht. Die Schraube läßt sich daher ohne nennens-

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werte Einbuße an Wirksamkeit wiederholt festziehen und
lösen.

Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebene Ausführung als Stellschraube beschränkt, sondern erstreckt sich auf jede Art von ein Gewinde aufweisenden Befestigungselementen wie Bolzen und Schrauben, welche in eine Gewindebohrung eines Werkstücks oder auch in eine Mutter eingeschraubt werden.

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Claims

Patentansprüche:

ΛJ Erschütterungssicheres Befestigungselement, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Schaft (50) aufweist, welcher wenigstens über ein Teil seiner Länge ein Außengewinde (52) hat, daß wenigstens ein Teil des Gewindes an der beim Eingriff des Befestigungselements mit einem Werkstück einer Druckbelastung unterworfenen Flanke (58) eine unregelmäßige Oberflächengestalt hat und daß die unregelmäßige Oberfläche eine Vielzahl von bei Betrachtung entlang einem mit der Längsachse des Befestigungselements konzentrischen Zylinder die Form von Zähnen (62) aufweisenden Erhebungen hat, welche sich vom Scheitel (60) des Gewindegangs einwärts erstrecken und jeweils eine von einem Fuß (68) der Erhebung zu einem Grat (66) verlaufende Schrägflanke (70) und eine sich in einer zur Längsachse des Befestigungselements im wesentlichen parallelen Ebene vom Grat der einen zum Fuß einer dieser benachbarten Erhebung erstreckende Steilflanke (64) aufweisen, wobei die Steilflanken der Erhebungen in einem Winkel zum geweiligen Radius von der Längsachse des Befestigungselements zu der betreffenden Erhebung verlaufen.
2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen den Steilflanken (64) und den zugeordneten Radien gebildete Winkel zwischen etwa 15° und 35° beträgt.
3. Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflanken (70) in der Drehrichtung zum Eindrehen des Befestigungselements in eine Gewindebohrung ansteigen, so daß die Steilflanken (64) der Drehung des Befestigungselements beim Eindrehen desselben keinen Reibungswiderstand entgegensetzen, bis das Befestigungselement

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einer Druckbelastung unterworfen ist.
4·. Befestigungselement nach wenigstens einem der Ansprüche i bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägflanken (70) der die Form von Zähnen aufweisenden Erhebungen mit einer zum Steigungswinkel des Gewinde
bilden.

Gewindegangs parallelen Ebene einen Winkel von 5° bis
5- Befestigungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennze ichnet, daß die Steilflanken (64-) die Form von Evolventen haben und bogenförmig von ihrem inneren zum äußeren Ende verlaufen.
6. Befestigungselement nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5i in Verbindung mit einem eine Gewindebohrung aufweisenden Teil, dadurch gekennzeich net, daß die unregelmäßig gestaltete Oberfläche (62) an den Flanken (58) der Gewindegänge des Befestigungselements (50) unter Druckbelastung desselben mit der ihr gegenüberstehenden Flanke des Gewindes der Bohrung derart zusammenwirkt, daß ein Teil der betreffenden Flanke des Gewindes der Bohrung im wesentlichen elastisch verformt wird und ein Überhang (80) des Materials (?8) des Gewindes der Bohrung über einem Teil (64) der unregelmäßig gestalteten Oberfläche der Gewindeflanke des Befestigungseletaents entsteht, welcher ein Lösen des unter Druckbelastung festgezogenen Befestigungselements verhindert .
7- Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zahnförmigen Erhebungen (62) jeweils eine vom Fuß (68) einer benachbarten Erhebung ansteigende Schrägflanke (70) haben und daß das Material (78) des das Befestigungselement aufnehmenden Teils beim Festziehen des Befestigungselements unter Druck-

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belastung einen Überhang (80) über jeder Steilflanke (64·) bildet.
8. Verfahren zum Gewindewalzen eines erschütterungsfesten Befestigungselemente mit einem Schaft, welcher über wenigstens ein Teil seiner Länge ein Außengewinde aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß ein im wesentlichen zylindrisches Werkstück zwischen mit Rippen für die Ausbildung von Gewindegängen versehenen Gewindewalzbacken gewalzt wird und daß an jeder Gewindewalzbacke ein Profilteil gebildet wird, welches an jeweils einer Seite jeder Rippe eine Reihe von in einem spitzen Winkel zum Scheitel der betreffenden Rippe verlaufenden Stufen aufweist, welche der für die Aufnahme einer Druckbelastung vorgesehenen Flanke der Gewindegänge des zwischen den Profilteilen gewalzten Befestigungselements eine unregelmäßige Oberflächengestalt verleihen.
9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e>t₇ daß die an den Rippen des Profilteils gebildeten Stufen seitlich gegeneinander versetzt sind und jeweils eine zu einem Grat verlaufende Schrägflanke und eine von dem Grat zur Schrägflanke der benachbarten Stufe verlaufende Steilflanke haben, so daß das Profilteil den Druckflanken des Gewindes des zwischen den Gewindewalzbacken gex«;alzten Befestigungselements eine der der Rippen komplementäre Form verleiht.

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