FASTENING ELEMENT

Abstract: 1. A fastening element with locking to prevent undesired loosening in the form of a bolt (5), nut (14) or flat washer (11) with a surface (8) which bears against a workpiece surface (2) or another fastening element with bearing pressure and which extends at right angles to the median axis thereof, for producing a screw connexion which can be acted upon by transverse forces on the fastened part, there being formed on at least one surface (8) of the fastening element (5; 14; 11), which bears on a workpiece (2) or another fastening element, at least one arcuate bead (7) which extends concentrically to the median axis of the fastening element and which projects from the otherwise flat abutment surface (8), characterized in that the bead (7) forms an arc of uniform diameter which extends - at the most with slight interruptions - over the entire periphery.

Description: Die Erfindung bezieht sich auf ein Befestigungselement mit einer an einer Werkstückoberfläche oder einem anderen Befestigungselement unter Anpressdruck zur Anlage kommenden, annähernd senkrecht zur Mittelachse desselben verlaufenden Oberfläche, wobei an wenigstens einer zur Anlage an einem Werkstück oder einem anderen Befestigungselement kommenden Oberfläche des Befestigungselementes wenigstens ein reisbogenförmig verlaufender, achsgleich zur Mittelachse des Befestigungselementes ausgerichteter Wulst bzw.-Wulst- abschnitt ausgebildet ist. Bei Befestigungselementen, insbesondere bei Schraubenverbindungen, ist das Sichern gegen Lockern und Lösen ein sehr grosses Problem. Es sind deshalb schon viele Vorschläge zu einem Sichern gegen ein Lockern von Schraubverbindungen bekannt geworden. Die Ursachen für ein Losdrehen einer Schraubenverbindung liegen grösstenteils in einer Belastung der Schraubenverbindung quer zur Schraubenachse, so dass ein selbsttätiges Losdrehen hervorgerufen wird. Dabei werden bei entsprechend grosser Querbelastung die vorgespannten Teile gegeneinander verschoben, wodurch Kippbewegungen im Gewinde entstehen und bei einer ausreichend grossen Verschiebung der verspannten Teile auch ein Schlupf unter dem Schraubenkopf bzw. der Mutter, so dass an beiden Reibflächen Gleitreibung auftritt. Bei Versuchen wurde auch festgestellt, dass zum Losdrehen ein äusseres Moment erforderlich ist, d. h., dass bei normalen Reibungsbedingungen, so lange also keine Relativbewegungen an den Kont akt flächen vorkommen, ein Lösen der Schraubverbindung nicht möglich ist. Erst wenn die Reibungskräfte durch von aussen erzwungene Kippbewegungen im Gewinde und Verschiebung des Kopfes der Schraube bzw. der Mutter überwunden werden, ist das sich ergebende Moment in der Lage, die Schraube oder Mutter loszudrehen. Zur Erhöhung des erforderlichen Drehmomentes zwischen den Kontaktflächen wurden radial verlaufende Verriegelungszähne am Schraubenkopf bzw. der Mutter oder einer Unterlegscheibe vorgesehen, wodurch also die Reibungskräfte gegen ein Lösen der Schraubverbindung erhöht werden. Selbstverständlich kann durch eine derartige Ausgestaltung eine durch eine Kippbewegung im Gewinde ausgelöste radiale Verschiebung des Schraubenkopfes bzw. der Mutter selbst gegenüber dem Werkstück nicht unterbunden werden. Sobald es aber zu einer solchen Kippbewegung, insbesondere einer wechselnden Kippbewegung, im Gewinde und somit zu einem äusseren Moment kommt, führt dies zu einer Verschiebung zwischen den Kontaktflächen, wobei die Wirkung der radial verlaufenden Verriegelungszähne gegen ein Losdrehen praktisch verlorengeht. Bei einer weiteren bekannten Ausführung weist eine Mutter zur Montage auf einer durch ein Werkstück geführten Schraube an der gegen das Werkstück gerlchteten Oberfläche konzentrisch oder spiralförmig verlaufende Rampen auf, welche gegen das zu verschraubende Werkstück gerichtet sind. Die se Rampen sind an die Bohrung in der Mutter angrenzend angeordnet, wobei die höheren Enden der Rampen radial naher der Bohrung liegen als die auslaufenden Enden. Die schräge Neigung der Rampen verläuft entgegengesetzt zur Gewindesteigung der Schraube. Das Werkstück wird beim Aufdrehen der Mutter durch Eingreifen der Rampen radial nach innen verformt, so dass Abschnitte des Werkstückes in das Schraubengewinde eingedrückt werden, um den Kalt zwischen der Schraube, der Mutter und dem Werkstück zu verbessern. Bei einer konzentrischen Aufeinanderfolge dieser Rampen wird wohl die Möglichkeit einer Erhöhung des Lösedrehmomentes erreicht, doch kommt es hier zu einem Eingraben der höheren Abschnitte dieser Rampen in dem Werkstück. Es wird bei dieser Ausführung also allein davon ausgegangen, das Lösedrehmoment zu erhöhen, da über einen relativ kurzem Umfangsbereich geführte Rampen nur unwesentliche Radialkräfte aufnehmen können. Die Gefahr des Lösens einer solchen Schraubverbindung infolge einer Kippbewegung im Gewinde ist dadurch nicht behoben. Bei einer weiteren bekannten Schraubensicherung sind kreisbogenförmig verlaufende Verdrängungsrippen an der zum Werkstück hin gerichteten Oberfläche eines Befestigungselementes vorgesehen, wobei diese Verdrängungsrippen jeweils Bogenabschnitte bilden und aufeinanderfolgende Verdrängungsrippenab schnitte meanderbandähnlich versetzt zueinander angeordnet sind. Es ergibt sich dadurch beim Anziehen einer Mutter eine in sich zusammenhängende, meanderförmig verlaufende Verdrängung im Werkstück, wobei durch diesen verdrängten Werkstoff, welcher die Seiten und die Enden dieser Verdrängungsrippenabschnitte umfasst, ein Vor- bzw. Rückwärtsdrehen der Mutter verhindert werden soll. Bei dieser Ausführung ist ein Weiterdrehen der Mutter nach völligem Eindringen der Verdrängungsrippen in das Werkstück mit dauernder weiterer Verformungsarbeit verbunden. Die Gräben, in welche diese Verdrängungsrippen eingebettet sind, werden bei einer Verdrehung der Mutter dauernd weider aufgerissen und zuge strichen. Dies erhöht in unkontrollierbarer Weise das Drehmoment beim Anziehen der Mutter, ohne eine entsprechend grosse Erhöhung des Drehwiderstandes zur Folge zu haben. Bei dieser Ausführung wird also als besonders wesentlich erachtet, eine Drehsicherung einer Mutter zu erreichen, indem eine starke Materialiewegung an den Kontaktflächen zwischen den Befestigungselement und dem Werkstück erfolgt. Durch diese Materialverformung kann eine radiale Verschiebung zwischen den Kontaktflächennicht unterbunden werden, da nur eine breite, unebene Riefe in das Werkstück geformt wird. Sobald also auch nur eine geringfügige radiale Relativbewegung zwischen den Kontaktflächen ermöglicht wird, nützen auch die Massnahmen zur Erhöhung des Lösungsdrehmomentes nichts mehr. Die Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein Befestigungselement zu schaffen, mit welchem eine radiale Verschiebung zwischen den Kontaktflächen unterbunden werden kann, um so eine lösungesichere Befestigung zu erreichen. Erfindungsgemäss gelingt dies dadurch, dass der Wulst einen sich vorzugsweise über den ganzen Umfang erstreckenden Kreisbogen einheitlichen Durchmessers bildet. Dieser Wulst, welcher beispielsweise an der Unterseite des Schraubenkopfes, an einer Oberfläche einer Mutter oder an zwei Oberflächen einer Unterlegscheibe angeordnet sein kann, drückt sich in das benachbarte Werkstück bzw. das benachbarte Befestigungselement ein, so dass eine wirksame Sicherung gegen ein radiales Verschieben des Schraubenkopfes bzw. der Mutter gegenüber dem zu spannenden Werkstück geschaffen wird. Das gefürchtete Kippmoment bzw. eine Relativbewegung unter der Kopfauflage kann gar nicht mehr auftreten. Durch die Anordnung einer solchen Wulst wird in dem gegenüberliegenden Teil eine Nut eingeformt, so dass neben der kraftschlüssigen Verbindung durch daa Anzugsmoment auch eine formschlüssige Verbindung sowie eine formschlüssige Auflage zwischen dem Schraubenkopf bzw. der Mutter und dem Werkstück zustan dekommt, welche jedoch nur ein Verschieben in radialer Richtung verhindert. Durch ein erfindungsgemäss ausgestaltetes Befestigungselement ist eine Verdrehung ohne weiteres möglich. Das Drehmoment zum Anziehen der Mutter wird für den Wulst nur so lange verändert, bis der Wulst gänzlich in das Werkstück eingedrungen ist. Von besonderem Vorteil ist die erfindungsgemässe Ausgestaltung eines Befestigungselementes daher auch deshalb, weil dadurch das Anzugsmoment einer Schraubenverbindung exakt kontrollierbar ist, und zwar auch ohne Anwendung komplizierter, drehmomentbegrenz- ter Einschraubwerkzeuge. Der vorstehende Wulst drückt sich nach entsprechender Zunahme des Anzugsdrehmomentes in die gegenüberliegende Fläche ein, wobei nach dem vollständigen Eindringen des Wulstes durch die nunmehr ansetzende grobe Oberfläche ein spürbarer Unterschied beim Anziehen einer Schraubenverbindung entsteht, wobei eine Anpassung an verschiedene Strezk6rezenausnutzungen der Schrauben durchaus erreichbar ist. Durch die erfindungsgemässe Anordnung sind keine zusätzlichen Ma?nahmen zu treffen, die eine Erhöhung des Lösedrehmomentes bewirken. Wenn es zu keiner Radialrelativbewegung zwischen den Kontaktflächen kommen kann, kommt es auch nicht zu einem Losdrehen der Schrauben, so dass die Reibungskräfte zwischen den ebenen, aneinander anliegenden Flächen ausrechen. Weitere erfindungsgemässe Merkmale und besondere Vorteile werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnung noch näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 einen quer schnitt durch eine quer besnspruchte Schraubenverbindung; Fig. Ia ein Diagramm betreffend die Grenzverschiebung für Starrschrauben; Fig. 2 eine Seitenansicht einer Schraube, wobei ein Teil des Kopfes aufgeschnitten dargestellt ist; Fig. 3 eine Mutter teilweise geschnitten dargestellt; Fig. 4 einen QuerscEnitt durch eine Unterlegscheibe; Fig. 5 eine Draufsicht auf eine Unterlegscheibe mit einer besonderen Ausführungsform des Wulstes; Fig. 6 eine Draufsicht auf eine Unterlegscheibe mit zwei koaxial zueinander verlaufenden Wülsten; die Fig. 7 und 8 Querschnitte durch Unterlegscheiben mit verschiedenen Ausführungsformen; die Fig. 9 und 10 zwei Verschraubungsbeispiele in teilweisem Schnitt. Fig. 1 zeigt eine vorgespannte Schraubenverbindung, welche durch Querkräfte beansprucht wird. Wenn diese Querkräfte ausreichend gross sind, um den Reibschluss in der Trennfuge 1 zwischen den verspannten Teilen 2 und 3 zu überwinden, wenn sich also diese vorgespannten Teile gegeneinander verschieben, dann wird der Schaft 4 der Schraube 5 in der dargestellten Weise verformt. Wird diese Bewegung so gross, dass der Biegewiderstand des Schraubenschaftes 4 überwunden wird, dann tritt auch ein Gleiten des Schraubenkopfes 6 und der Mut ter 14 in radialer Richtung gegenüber den verspannten Tei- len 2 und 3 auf. Somit tritt unter dem Schraubenkopf und unter der Mutter ein Schlupf ein, so dass die Selbsthemmung der Schraubenverbindung aufgehoben ist. Die Schraubenverbindung dreht sich dann selbsttätig los, auch wenn die be kannten Ausführungen von das Lösedrehmoment vergrössernden Massnahmen vorgesehen sind. Fig. la zeigt die experimentell ermittelte Grenzverschiebung s für Starrschrauben M 10. Sehr deutlich wird hier der Einfluss der Klemmlänge, also der Schraubenlänge, und der Vorspannkraft ersichtlich. Auch der Einflu: des Reibungskoeffizienten an der Kopfauflage - cadmiert bzw. schwarz mit MoS2 - Schmierung - ist gut zu erkennen. Die Kurve für die Grenzverschiebung s teilt dieses Vor spannung-Grenzverschiebung-Diagramm in zwei Felder auf. Links von der Kurve liegt das Gebiet, in dem eine zusätzliche Sicherung der Schraubverbindung nicht erforderlich ist, weil die Grenzverschiebung s nicht überschritten wird und damit auch kein selbsttätiges Lösen zu befürchten ist. Rechts von der Kurve liegt das Losdrehgebiet. Hier wird die Grenzverschiebung überschritten, d. h., unter dem Schraubenkopf und unter der Mutter tritt ein Schlupf ein, die Selbsthemmung ist aufgehoben und die Schraubenverbindung dreht sich selbsttätig los. Dieses folgende Losdrehen kann durch den Einsatz geeigneter Schraubensicherungen beeinflusst, aber nicht verhindert werden. Mit einer Ausführung gemäss der vorliegenden Erfindung soll der Schlupf zwischen dem Schraubenkopf bzw. der Mutter und den zu verschraubenden Teilen also eine radiale Verschiebung des Schraubenkopfes, der Mutter oder der Unterlegscheibe ge genüber dem Werkstück, verhindert werden. Der Big. 2 ist ein Ausführungsbeispiel in E'orm einer Schraube 5 zu entnehmen, welche aus einem Schraubenkopf 6 und dem Schaft 4 besteht. An der der zu verspannenden Werkstückoberfläche zugewandten Oberfläche 8 des Schraubenkopfes 6 ist ein ringförmig verlaufender Wulst 7 vorgesehen, welcher achsgleich zur Mittelachse 9 der Schraube 5 ausgerichtet ist. Eine derartige Ausführungsform wird dann verwendet, wenn die Oberfläche 8 direkt mit dem zu verschraubenden Werkstück in Kontakt kommt. Hier wird also keine Unterlegscheibe benötigt. Der Wulst gräbt sich in die Oberfläche des zu verschraubenden Werkstückes ein, so dass ein Verschieben des Schraubenkopfes gegenüber dieser Werkstückoberfläche von vorneherein ausgeschlossen wird. Ein Lösen der Schraubverbindung kommt dadurch nicht zustande. Die Festigkeit des Wulstes muss so gross sein, um das Gegenma- terial verformen zu können. Es werden daher die notwendigen Festigkeitswerte bei den verschiedenen Schraubverbindungen je nach der Paarung der Werkstoffe berücksichtigt. Beim gezeigten Beispiel weist der Wulst 7 im Querschnitt geradlinig verlaufende Begrenzungsflächen auf, wobei hier speziell ein dreieckförmiger Querschnitt vorgesehen ist. Selbstverständlich ist es auch denkbar, diesen Wulst im Querschnitt rechteckig oder trapezförmig auszubilden oder aber mit bogenförmig verlaufenden Begrenzungsflächen, wobei je nach der Querschnittsform die Eindrückkraft und die Haltekraft regelbar ist. Der Wulst bildet also einen sich vorzugsweise über den ganzen Umfang erstreckenden Kreisbogen einheitlichen Durchmessers, dessen Mittelpunkt in der Mittelachse des Be festigungselm entes liegt. Der Wulst 7 ist in Mittelbereich bezogen auf die radiale Breite der Oberfläche 8 des Schraubenkopfes 6 angeordnet, was für eine ausreichende Sicherung von besonderem Vorteil ist. Es ist dadurch noch beidseitig eine entsprechend grosse Oberfläche vorhanden, um das nötige Anzugsmoment gegen ein losdrehen zu erzeugen. Fig. 3 zeigt eine Mutter 14, welche an der einen Oberfläche 8 einen Wulst 7 aufweist, welcher die gleiche Wirkung hervorruft, wie dies bei der Schraube 5 der Fall ist. Bei einer Mutter 14 wäre es auch denkbar, an den beiden gegenüberliegenden Oberflächen 8 und 10 jeweils einen Wulst 7 vorzusehen. Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform eines Befestigungselementes in Form einer Unterlegscheibe 11. Hier sind ebenfalls an den voneinander abgewandten Oberflächen 8 Wülste 7 vorgesehen. Die Ausbildung der erfindungsgemässen Merkmale an einer Unterlegscheibe 11 ist besonders zweckmässig, weil dann nur ein einziges solches Befestigungselement derart ausgebildet werden muss. Die Wülste 7 an der Unterlegscheibe 11 graben sich somit in die ObLrt > he P des Schraubenkopfes 6 und auch in das entsprechend zu verschraubende Werkstück ein, so dass die gleiche Wirkung erzielt wird, wie bei einer Verschraubung der Schraube 5, welche mit einem entsprechenden Wulst 7 ausgestattet ist. Die Fig. 9 und 10 zeigen Verschraubungen mit den vorstehend geschilderten Befestigungselementen, wobei die Wirkung der erfindungsgemässen Massnahmen ohne weiteres erkannt werden kann. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 5 ist der ringförmig verlaufende Wulst 7 in Umfangsrichtung gesehen in zwei oder mehrere bogenförmige Abschnitte 7' unterteilt. Bei einer derartigen Ausführung kommt es zu einem Einschneiden des Wulstes 7 in die entsprechende Oberfläche, da der jeweilige Anfang des entsprechenden Abschnittes 7' eine Schneidwirkung ausübt. Wenn hingegen der Wulst 7 durchgehend verläuft, findet lediglich ein Eindrücken in die gegenüberliegende Oberfläche statt. Bei einer solchen Ausführung dürfen die zwischen den Abschnitten 7' liegen den Bereiche jedoch nur sehr klein sein, damit die einwandfreie Wirkung einer Sicherung gegen radiflles Verschieben zwischen den Kontaktilächen nicht vermindert wird oder gar verlorengeht. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6 sind zwei koaxial zueinander verlaufende Wülste 7 vorgesehen, wobei durch eine derartige Massnahme die bisherheit gegen ein Verschieben des Schraubenkopfes bzw. der Mutter noch vergrössert wird. Selbstverständlich wäre auch denkbar, mehr als zwei solcher Wülste koaxial zueinander anzuordnen. Bei der Ausführung nach der Fig. 7 ist die Oberfläche W des Befestigungselementes im Bereich 12, also innerhalb des Wulstes 7 um ein Mass A gegenüber dem Bereich 13 der Oberfläche 8, welcher ausserhalb des Wulstes 7 liegt, zurückversetzt. Dieses Mass der Zurückversetzung ist sehr klein und zweckmässig auch kleiner als die Höhe des Wulstes 7. Dadurch wird bewirkt, dass die Befestigungselemente mit Sicherheit an den äusseren Umfangsrändern gegenseitig und am Werkstück abgestützt sind, so dass es nie zu einer Kippbewegung des Schraubenkopfes bzw. der Mutter kommen kann. Beispielsweise bei einer Schraubverbindung der Grösse M 12 bzw. entsprechenden Muttern oder Unterlegscheiben beträgt die Höhe des Wulstes 7 annähernd 0,05 bis 0,2 mm und die Zurückversetzung A ca. 0,03 mm. Selbstverständlich sind diese Massangaben durchaus variierbar, wobei jedoch auf jeden Fall die Ilöhe des Wulstes derart klein bemessen werden kann, dass sie kaum wahrnehmbar ist. In den Zeichnungen wurde der Wulst selbstverständlich entsprechend grösser dargestellt, um dadurch die Erfindung erläutern zu können. Im Verhältnis zur Originalgrösse ist die Höhe des Wulstes entsprechend kleiner. Die Höhe des Wulstes 7 entspricht also immer nur einem Bruchteil der Dicke bzw. der Höhe des entsprechenden Abschnittes des BbSestigungseleBntes in Rich- tung der Mittelachse gemessen. Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 sind die Durchmesser D1 und D2 der ringförmigen Wülste 7 an den voneinander abgewandten Oberflächen 8 verschieden gross ausgebildet, so da@ diese Wülste 7 gegeneinander versetzt sind. Es wird dadurch beim Anziehen der Schraubverbindung vorerst zu einem Kippen des Unterlegscheibenkörpers kommen, wobei diese Ma@nahme zusätzlich eine Sicherung mit sich bringen kann. In der vorliegend@n Boschreibung warde die Erfindung anhand einer Schraube, einer Beilagscheibe sowie einer Mutter besprochen. Selbstverständlich können alle Befestigungselemente, die in irgendeiner Form gegen oin Lockern gesichert werden müssen, auf die erfindungsgemä@e Art und Weise ausgestaltet werden. So ist es insbesondere denkbar, den Kopf von Nieten bzw. überhaupt Nietverbindungen entsprechend auszuführen, obwohl dort das Problem des Lösens durch eine Drehbewegung nicht entsteht. Durch die vorliegende Erfindung wird mit konstruktiv sehr einfachen Ma@nahmen eine Schraubensicherung geschaffen, welche in einwandfreier Weise ein Lösen einer Schraubenverbindung auch bei einer Wechselbelastung verhindert, ohne dass besondere konstruktive Massnahmen für eine Erhöhung des Lösedrehmomentes geschaffen werden müssen.

Claims: Patentansprüche: 1. Befestigungselement mit einer an einer Werkstückober- fläche oder einem anderen Befestigungselement unter An pressdruck zur Anlage kommenden, annähernd seSirecht zur Mittelachse desselben verlaufenden Oberfläche, wobei an wenigstens einer zur Anlage an einem Werkstück oder einem anderen Befestigungselement someenden Oberfläche des Befestigungselementes wenigstens ein kreisbogenför mig verlaufender, achsgleich zur Mittelachse des Befesti gungselementes ausgerichteter Wulst bzw. Wulstabschnitt ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Wulst (7) einen sich vorzugsweise über den ganzen Umfang er streckenden Kreisbogen einheitlichen Durchmessers bil det. 2. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass der Wulst (7) im Querschnitt geradlinig verlaufende Begrenzungsflächen aufweist (Fig. 4,7, 8). 3. Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, da die Höhe des Wulstes (7) bzw. der Wulstabschnitte in Richtung der Mittelachse (9) des Be festigungselementes gemessen in an sich bekannter Weise nur einem Bruchteil der Dicke des Befestigungselementes bzw. des entsprechenden Abschnittes desselben entspricht. (Fig. 4 - 7). 4. Befestigungselement nack; anspruch 3, dadurch gelienn- zeichnet, dass die Höhe des Wulstes (7) bzw. der Wulst abschnitte in Richtung der Mittelachse (9) des Befesti gungselementes gemessen bei Schrauben der Grösse M 12 bzw. entsprechenden Nuten oder Unterlegscheiben annähernd O,05 bis O,2 mm beträgt. 5. Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die den Wulst bzw. die Wulstabschnitte aufweisende Oberfläche (8) des Befesti gungselementes im Bereich (12) innerhalb des Wulstes (7) um ein Mass Ö) kleiner als die Höhe des Wulstes (7) ge genüber der Ebene des au?erhalb des Wulstes (7) liegen den Bereiches (13) zurückversetzt ist (Fig. 7). 6. Befestigungselement nach einem der Anspruche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an beiden voneinander ab gewandten Oberflächen (8) einer Unterlegscheibe (11) ein oder mehrere, ringförmige Wülste (7) ausgebildet sind (Fig. 4, 7, 8). 7. Befestigangselement nach Anspruch 6, dadurch oekern- zeichnet, da. die Durchmesser (D1, D2) der ringförmigen Wülslte (7) an den voneinander abgewandten Oberflächen (3) verschieden gross sind (Fig. 8).

Inventors: FINK, HANS
Applicants: FINK, HANS
Application year: 1982
Main classification: F16B39
IPC codes: F16B39