DE616084C - Zweiseitig verwendbare Schraubenmutter fuer dynamische Beanspruchung - Google Patents

Description

DEUTSCHES REICH

Bar.

AUSGEGEBEN AI
23. JULI 1935

14 AUG. 1935

REICHSPATENTAMT

PATENTSCHRIFT

KLASSE 47a GRUPPE

Patentiert im Deutschen Reiche vom 17. September 1932 ab

Es ist bekannt, daß bei Belastung von Schrauben die Bolzen gestreckt und die Muttern zusammengedrückt werden. Die Folge davon ist, daß der Kern des Bolzens am stärksten in dem Querschnitt beansprucht wird, der dem an den geklemmten Gegenstand anliegenden Gewindegang der Mutter gegenüberliegt, was durch die bekannte Erscheinung bestätigt wird, daß die Schrauben am häufigsten an dieser Stelle, und zwar infolge Ermüdung des Materials, abreißen.

Aus der diesbezüglichen Fachliteratur ist es bekannt, daß man versucht hat, diesen Nachteil dadurch zu beseitigen, daß die Gewindegänge der Schraubenmutter, um ihre Federung zu erhöhen, tiefer eingeschnitten wurden. Solche Muttern fanden aber in der Praxis höchstens nur in besonderen Fällen Verwendung, konnten aber nicht die gewöhnliehen normalen Schraubenmuttern ersetzen.

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine

Mutter mit einem Gewinde, welches derart federt, daß dadurch unter Beibehaltung der äußeren Abmessungen der normalen Schraubenmutter, somit der normalen Schlüsselweite und der normalen Höhe, die Tragfähigkeit bzw. die Dauerfestigkeit von Schrauben, insbesondere aber von Schrauben, die durch wechselnde Belastung bzw. dynamisch beansprucht werden, erhöht wird. Schraubenmuttern gemäß der Erfindung sollen außerdem billig und leicht, und zwar womöglich auf den bisher verwendeten Mutternschneidmaschinen herzustellen sein, um mit diesen Muttern die bisherige Marktware mit Vorteil ersetzen zu können.

Nach der Zeichnung ist das Gewindeprofil der erfindungsgemäßen Schraubenmutter symmetrisch. Die Tragflanken des Gewindes sind verkürzt und schließen miteinander einen Winkel ein, der etwa um S° kleiner ist als der entsprechende Winkel der Tragflanken des Bolzengewindes. Die Flächen des Fußteiles des Gewindeprofils schließen miteinander einen Winkel von ungefähr 20° ein. Die Tragflankenhöhe m gleicht ungefähr der Hälfte der Tiefe ν des Gewindes des Schraubenbolzens, und die Tiefe m + η des Gewindes der Mutter beträgt ungefähr das Anderthalbfache der Gangtiefe des Schraubenbolzens.

Das in der Zeichnung dargestellte Gewindeprofil ist für eine Mutter berechnet, deren Höhe ungefähr 0,8 des Schraubendurchmessers einer ³/₄-Zoll-Schraube mit Whitworth-Gewinde gleich ist. Für Schrauben mit einem anderen als Whitworth-Gewinde, für andere Größen von Schrauben und für verschiedenen Schrauben- und Mutternwerkstoff werden die genauen Abmessungen des Muttergewindes gemäß. der Erfindung nach nachstehend beschriebenen Gesichtspunkten berechnet.

Durch theoretische Erwägungen und praktische Messungen wurde festgestellt, daß der erste Gewindegang des Gewindes an der Druckseite der gewöhnlichen Schraubenmutter ungefähr die Hälfte der gesamten Be-

lastung der Schraube, der zweite Gewindegang ein Viertel, der dritte ein Achtel usw. überträgt. Dies gilt jedoch nur dann, wenn sowohl das Gewinde des Bolzens als auch das S Gewinde der Mutter ganz genau hergestellt wurde. In der Praxis muß man aber bei gewöhnlichen Muttern damit rechnen, daß eine ungenaue Ausführung, z. B. eine nur ganz unbedeutend größere Steigung des Gewin-)o des der Mutter, die Folge haben kann, daß der erste Gewindegung die ganze Belastung des Bolzens zu tragen hat. Weiter hat man erkannt, daß die Belastung vom ersten Gewindegang der Schraubenmutter an den Kern des Schraubenbolzens so übertragen wird, daß die Beanspruchung in den Randfasern des betreffenden Querschnittes des Bolzens ungefähr dreimal so groß ist wie die durchschnittliche Belastung, so daß die Schraube in der Praxis eigentlich nur ungefähr bis zu ¹J₃ der Elastizitätsgrenze des Schraubenmaterials belastet werden sollte. Bei einer solchen Belastung kann jedoch in den äußeren Fasern des Kernes im gefährlichen Querschnitt der Schraube eine Beanspruchung bis zur Grenze der Elastizität entstehen, bei welcher das Material schon zu kristallisieren beginnt, Risse entstehen oder sogar Brüche vorkommen.

Der Unterschied zwischen dem Profilwinkel des Gewindes der Mutter und jenem des Bolzens soll möglichst klein gewählt werden (gemäß der Zeichnung beträgt er 2,5°). Bei einem genau hergestellten Gewinde des BoI-zens und der Mutter würde ein solches· Spiel zwischen den Tragflanken genügen, daß sich bei der größten zulässigen Durchbiegung des Mutterngewindes die Tragflanken des Bolzens und der Mutter entlang der ganzen Länge der Tragflanken der Mutter berühren. In der Praxis muß man jedoch mit Ungenauigkeiten in der Fertigung rechnen, und aus diesem Grunde ist das erwähnte Spiel, welches der größten elastischen Verformung des Gewindes entsprechen würde, noch um einen Winkel Vergrößert, der den Fertigungsungenauigkeiten Rechnung tragen soll. Für Gewinde mittlerer Größe wählt man einen Winkel von ungefähr 2,5°, und dieser Winkel kann bei kleineren Gewinden etwas größer und bei größeren Gewinden etwas kleiner sein. Eine besondere Eigenschaft der Mutter gemäß der Erfindung besteht darin, daß bei Zunahme der Belastung der Schraube der auf das Schraubenmuttergewinde wirkende Lastarm kleiner wird. Demnach ist die Beanspruchung des Schraubenmuttergewindes schon bei einer verhältnismäßig noch kleinen Belastung der Schraube verhältnismäßig groß; diese Beanspruchung bleibt dann aber auch bei größerer Belastung der" Schraube ungefähr stetig. Dadurch wird auf der einen Seite erzielt, daß sich das Gewinde schon bei verhältnismäßig kleiner Belastung der Schraube entsprechend stark elastisch durch- ⁶S biegt; auf der anderen Seite besteht keine Gefahr, daß das Gewinde der Mutter bei großer Belastung der Schraube bricht. Schraubenmuttern gemäß der Erfindung entsprechen somit sowohl den Anforderungen z. B. des all- ■ gemeinen Maschinenbaues, wo die Schrauben stets nur verhältnismäßig wenig beansprucht werden, als auch den Beanspruchungen z. B. des Brückenbaues, wo die Schrauben in der Regel bedeutend stärker beansprucht werden. Schraubenmuttern gemäß der Erfindung eignen sich somit besonders für dynamische Beanspruchung.

Die beiden Grenzfälle der Belastung des Gewindes der Schraubenmutter sind in der Zeichnung schematisch veranschaulicht. Bei der Belastung der Schraube durch eine Kraft P₁, welche einer kleinen Belastung ent- . spricht, wie .sie z. B. in dem allgemeinen Maschinenbau vorkommt, ist das Gewindeprofil durch die Resultierende P₁ beansprucht, welche durch den Punkt c geht und den Querschnitt e-f mit einem Lastarm p_x beansprucht. Mit größer werdender Belastung wird die Berührungsfläche zwischen dem Gewinde der Mutter und dem der Schraube größer, und der Angriffspunkt der Last wandert in der Richtung vom Punkt α zum Punkt b, bis das Gewinde bei hoher Belastung durch eine im Punkt d wirkende Resultierende P₂ beansprucht ist, welche den Querschnitt e-f mit einem Lastarme p₂ beansprucht. Die strichpunktierte Linie j, die nach einer quadratischen Parabel verläuft, zeigt die ideale Form des Gewindeprofils mit bester Elastizität. Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß die wirklich gewählte Form des Gewindes mit einem Profilwinkel von ungefähr 20 ° von dieser idealen Form nur wenig abweicht. Die gesamte elastische Durchbiegung des Gewindes wird noch dadurch bedeutend erhöht, daß die Beanspruchung der Randfasern in Abschnitt f, h fast gleichmäßig bleibt. Bei der Bestimmung des gewählten Profils wurde auch darauf Rücksicht genommen, daß das Schraubenmuttergewinde ohne Schwierigkeiten auch mit Gewindeschneidern erzeugt werden kann, die keine zu scharfwinkligen Schneidespitzen besitzen dürfen, weil sie sonst leicht abbrechen würden. Endlieh ist noch zu bemerken, daß eine genau stetige Beanspruchung des Querschnittes f-g durch geeignete Abrundung der Tragflauken a-b bzw. a'-b' erzielt werden kann, wenn darauf geachtet wird, daß das Produkt der Größen P₁ · P₁ bis P₂ · p₂ konstant bleibt. Die größte Dauerfestigkeit der Schraube

wird bei der Schraubenmutter gemäß der Erfindung dann erreicht, wenn das Gewinde der Mutter so gewählt wird, daß die Formol

erfüllt wird.

In dieser Formel bedeutet A die Elasti/.itätsgrenze des Schraubenwerkstofts, B die höchste zulässigeDurchschnittsbeanspruchung des Bolzenkernes, bei welcher die Beanspruchung der äußeren Fasern in dem gefährlichen Querschnitt des Kernes die Elastizitätsgrenze des Werkstoffs erreicht. Λ⁷ ist die Zahl der Schraubengänge der Mutter und k ein Beiwert, welcher aus der gegenseitigen Federung der Konstruktion abgeleitet und im weiteren noch näher erläutert wird. Diese Formel wurde unter der Annahme zusammengestellt, daß die Belastung von dem ersten inneren Gewindegang der Schraubenmutter an den gegenüberliegenden Kernquerschnitt des Bolzens derart übertragen wird, daß sie in den äußeren Fasern dreimal größer ist als die Durchschnittsbelastung· des ganzen Querschnittes. Ferner wurde bei der Zusammenstellung dieser Formel in Erwägung gezogen, daß die Gewindegänge der Mutter beiderseits durch die Stirnflächen der Schraubenmutter schief abgeschnitten sind, so daß alle Gewindegänge der Mutter, die N Gewindeg'änge besitzt, nur soviel tragen können wie N — 0,5 Gewindegänge mit vollem Profil. Durch Einführen des Beiwertes k wurde ferner darauf Rücksicht genommen, daß der erste innere Gewindegang der Mutter mehr durchgebogen wird als der erste äußere Gewindegang der Mutter, und zwar

um ein Maß, um welches der Schraubenbol- j zen durch die Belastung gestreckt und die Mutter zusammengedrückt wurde. Diese gegenseitige Verformung, die durch Streckung des Bolzens und das Zusammendrücken der Mutter hervorgerufen wird, ist bei der höchsten zulässigen Belastung einer Mut- i ter, deren Höhe 0,8 des Durchmesser* _t der Schraube beträgt, ungefähr ¹J₆ der größten elastischen Durchbiegung in axialer Richtung des Gewindes gleich, so daß z. B. eine marktfähige Mutter gemäß der Erfindung nach obiger Formel konstruiert werden kann, wenn man in die Formel für den Beiwert Ii — ⁷/_H = 0,875 setzt.

Aus der errechneten größten zulässigen Belastung des Gewindes IJ kann mau dann das Profil des Schraubenmuttergewindes berechnen bzw. die erforderliche Änderung feststellen, die erforderlich ist, um einegenau gleich hohe dauernde Festigkeit des Schraubenbolzens und der Mutter und somit auch die beste Wirtschaftlichkeit der Verbindung zu erreichen.

Die Erfindung gestattet, dem Gewinde der Schraubenmutter eine Steigung zu geben. die ganz wenig größer ist als die Steigung des Gewindes des Schraubenbolzens. Der Unterschied ist vorteilhaft so zu wählen, daß bei der höchsten Belastung der Schraube die beiden äußeren Gewindegänge der Schraubenmutter gleich stark durchgebogen sind. In einem solchen Falle wird der Wert des Beiwertes k und somit auch die größte zulässige Belastung der Schraube B erhöht. Auf Grund von praktischen Versuchen wurde ermittelt, daß durch die Muttern gemäß der Erfindung die Dauerfestigkeit der Schraubeuverbindung gegenüber den Schraubenmuttern mit gewöhnlichem Gewinde ungefähr verdoppelt wird. , So

Der winkelförmige Spalt zwischen den Flanken des Gewindes der Mutter und des Schraubenbolzens ermöglicht, daß man Schrauben ware, ohne die Auswechselbarkeit zu erschweren, mit bedeutend kleinerem Spiel erzeugen kann, als es bei gewöhnlichen Muttern möglich ist. Man kann sogar auch mit negativem Spiel oder mit Übergreifung arbeiten, die an den Gewindekanten a, a' !eicht durch die beim Festziehen der. Schraubenmutter entstehende Verformung ausgeglichen werden kann.

Durch die Mutter gemäß der Erfindung wird schließlich auch die Elastizität der Schraubenverbindung erhöht und auf diese Weise in gewissem Grade auch eine Sicherung gegen Nachlassen der Verbindung· erzk-lt.

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Zweiseitig verwendbare Schraubenmutter für dynamische Beanspruchung mit durch Unterschneidung des Muttergewindes vertieftem, biegsamem Gewinde, dadurch gekeimzeichni't, daß der Profilwinkel der verkürzten Tragtlankeii des symmetrischen Muttergewindes um 3 bis 6* kleiner ist als der Protilwinkel des Bolzengewindes und der Profilwinkel des unterschnittcnen Gewindeteils ungefähr 20° beträgt, wobei die Gangtiefe der vor- _lU) kürzten Tragflanken ungefähr ¹Z₂ der üblichen Gangtiefe und die Gesamttiere des Gewindes der Mutter ungefähr 1.5 der Gangtiefe des Bolzens beträgt.

   Hierzu ι Blatt Zeichnungen

   IiKHLIN. OtDlHIOKl IN I)KIt