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Dokumentenidentifikation DE19951571A1 21.06.2000
Titel Mutter mit mehreren Scheiben und Verfahren zu deren Herstellung
Anmelder Illinois Tool Works Inc., Glenview, Ill., US
Erfinder Mitts, Richard K., Fullerton, Calif., US
Vertreter Patentanwälte Hauck, Graalfs, Wehnert, Döring, Siemons, 20354 Hamburg
DE-Anmeldedatum 27.10.1999
DE-Aktenzeichen 19951571
Offenlegungstag 21.06.2000
Veröffentlichungstag im Patentblatt 21.06.2000
IPC-Hauptklasse F16B 37/00
Zusammenfassung Ein Käfig besteht aus einem Metallrohling, der mehrere eingesetzte konische Scheiben umfaßt, die eine gemeinsame Gewindebohrung aufweisen, um eine Mutter zu bilden. Die Seitenwände sind frei von trennbaren Öffnungen, was zu einer Entspannung ("Aufblühen") der Mutterteile während des Härtens der Mutter führen würde, wodurch eine unerwünschte Trennung und Fehlausrichtung der Muttergewinde verursacht würde.

Beschreibung[de]
Hintergrund 1. Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein eine Mutter mit mehreren Scheiben, und insbesondere betrifft sie solch eine Mutter, die einen Käfig zum Halten von Scheiben in einer dichten, einheitlichen Anordnung während einer Wärmebehandlung und einer Verwendung mit hohen Spannungen besitzt.

2. Beschreibung der zugehörigen Technik

Eine sehr bekannte Schraubenkonstruktion, die selbstsichernde Eigenschaften ebenso wie eine vergleichsweise gleichmäßige Lastverteilung auf die Schraubengewinde aufweist, besteht aus mehreren konischen Scheiben oder Belleville-Scheiben, die in einer gestapelten Beziehung zueinander angeordnet sind, wobei deren einzelne Öffnungen eine kontinuierliche Bohrung durch diese bilden. Eine Metallumhüllung oder ein Käfig sichert die Scheiben in einer einheitlichen Anordnung. Die Bohrung ist in herkömmlicher Weise mit einem Gewinde versehen, das die Aufnahme eines Bolzens mit einem ähnlichen Gewinde darin ermöglicht. Wenn die Mutter mit mehreren Scheiben während der Verwendung einen Bolzen aufnimmt und in einen Druckkontakt mit einem anderen Objekt (z. B. einem Fahrzeugrad) gebracht wird, ist die Mutter unter Druck angeordnet worden, wodurch die Scheiben sich aus ihrer ursprünglichen konischen Form abflachen und eine sichernde Wirkung auf den Bolzen ausüben. Eine genauere Beschreibung solch einer Mutter kann in der Patenturkunde 4,383,787 "Frei drehbare, beschichtete Mutter mit automatischer Sicherung" (Free Spinning Laminated Nut With Automatic Lock) von Richard L. Reynolds gefunden werden.

Es ist eine allgemein akzeptierte Industriepraxis, so wie durch die Gesellschaft der Automobilingenieure (Society of Automotive Engineers (SAE)) und die IFI-Industrieanforderungen spezifiziert, daß die Eigenschaften der Scherfestigkeit einer Mutter die Biegefestigkeit des Bolzens übersteigen muß, damit der auftretende Fehler in jedem Fall ein Bolzenbruch ist. Die verschiedenen Mutterkomponenten einschließlich der Scheiben und des zusammenhaltenden äußeren Käfigs sind aus einem wärmebehandelten Federstahl hergestellt. Besonders weiche Metallscheiben werden anfänglich gestapelt und in einen weichen äußeren Käfig aufgenommen, wobei nach dem Gewindeschneiden eine abschließende Wärmehärtung erfolgt.

Es hat sich jedoch in einem erheblichen Prozentanteil von Fällen herausgestellt, daß der äußere Käfig, der die Mutterscheiben aufnimmt, in seiner Haltewirkung auf die Scheiben während der Wärmebehandlung nachläßt, was zu dem unerwünschten Ergebnis führt, das häufig als "Aufblühen" bezeichnet wird. Solch eine Entspannung des Käfigs mit Bezug auf die eingeschlossenen Scheiben ist dahingehend schädlich, daß es die gesamte Scherfestigkeit der Mutter vermindert, ebenso wie es eine Verschiebung oder Fehlausrichtung der Ganghöhe der Mutter erzeugt, was das Anbringen an dem Bolzens schwierig machen kann. Ebenfalls kann eine Mutter, deren Mutterkäfig ein gewisses Maß an Aufblühen während der Wärmebehandlung erfahren hat, ein weiteres Aufblühen erfahren, wenn er bei der Verwendung einer großen Druckkraft ausgesetzt ist, was zu vermehrt schädlichen Ergebnissen führt.

Zusammenfassung der Erfindung

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Mutter mit mehreren Scheiben bereitgestellt, die einen Käfig aufweist, der die Möglichkeit einer Käfigtrennung von den Scheiben (Aufblühen) während der Wärmebehandlung ebenso wie später, wenn die Mutter Druckkräften bei der tatsächlichen Verwendung ausgesetzt ist, reduziert. Der Käfig wird bevorzugt in eine allgemein zylindrische Form mit durchgehenden Seitenwänden mit Ausnahme von mehreren Wärmedurchlaßöffnungen tiefgezogen, wobei die Seitenwand an den äußeren Kanten des Scheibenstapels anliegt und sich nach oben von der am weitesten unten liegenden Scheibe erstreckt, um die am weitesten oben liegende Scheibe abzuschließen. Die obere Kante des Käfigs schließt einen Satz von Verriegelungsnasen ein, die jeweils an jeder Ecke der Mutter angeordnet sind und beim abschließenden Zusammenbau über die Ecke auf die Oberseite der am weitesten oben liegenden Scheibe gebogen werden.

In einer weiteren Ausführungsform besteht der Scheibenstapel aus Metall mit anfänglichen Härteeigenschaften, die von denen des Käfigs verschieden sind, so daß ein Härten möglich ist, ohne daß Wärmeauslaßöffnungen in den Käfigseitenwänden notwendig sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die nachfolgende nähere Beschreibung der Erfindung kann durch Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung einfacher aufgenommen und verstanden werden, wobei die Zeichnung die folgenden Figuren aufweist:

Fig. 1 zeigt eine perspektivische, teilweise geschnittene Ansicht einer Mutter mit mehreren Scheiben aus dem Stand der Technik,

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht der Mutter aus Fig. 1,

Fig. 3 zeigt einen Rohling, aus dem der Käfig für die Mutter mit mehreren Scheiben der vorliegenden Erfindung hergestellt wird,

Fig. 4 zeigt eine Seitenansicht eines Käfigs für eine Mutter mit mehreren Scheiben nach der vorliegenden Erfindung,

Fig. 5 zeigt eine geschnittene Seitenansicht des Käfigs aus Fig. 4,

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf den Käfig aus Fig. 4,

Fig. 7 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen zusammengesetzten Mutter mit mehreren Scheiben,

Fig. 8 zeigt eine Draufsicht auf die Mutter aus Fig. 7,

Fig. 9 zeigt eine Seitenansicht einer alternativen Ausführungsform des Käfigs gemäß dieser Erfindung und

Fig. 10 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Mutter in einer druckaufnehmenden Verwendungsweise.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Für die nachfolgende Beschreibung einer bekannten Mutter 10 mit mehreren Scheiben, die zuerst behandelt wird, wird gleichzeitig Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 genommen. Die Mutter weist mehrere einen Stapel bildende ineinander genestete Belleville- Scheiben oder konische Scheiben 12 auf, deren zentrale Öffnungen ausgerichtet sind, um eine Bohrung 14 zu bilden. Ein Metallkäfig 16 umfaßt den Scheibenstapel, wobei der Käfig diesen in einem einheitlichen Aufbau hält. Die Bohrung 14 der Mutter ist mit einem Gewinde versehen, um die Aufnahme eines Bolzens 18 in diesem in herkömmlicher Weise zu ermöglichen. Wenn die Mutter auf den Bolzen in dem Maß geschraubt ist, daß sie eine Kraft auf ein Objekt ausübt, flachen sich die Scheiben ab, wobei sie einen zunehmenden Reibeingriff oder eine Sicherungswirkung zwischen den Gewindegängen der Mutter und des Bolzens erzeugen.

Eine bekannte Mutter mit mehreren Scheiben wird durch ein anfängliches Stapeln von konischen "weichen" (d. h. nicht gehärteten) Stahlscheiben aufeinander und gemeinsames Klemmen der Scheiben in einem ähnlich weichen Stahlkäfig hergestellt. Anschließend wird in die Bohrung der Mutter in herkömmlicher Weise ein Gewinde geschnitten, woraufhin die Scheiben und der Käfig bis zum gewünschten Härtegrad wärmegehärtet werden. Der Härtungsschritt ist notwendig, damit die Mutter die erforderte Stärke besitzt und um der weiteren Anforderung, daß jeder Fehler einer Mutter- Bolzenkombination allein durch einen Bolzenbruch hervorgerufen werden kann, zu genügen.

Fig. 1 zeigt die allgemeine Form eines herkömmlichen Käfigs, der eine gerade Anzahl von getrennten flächen Seitenelementen 20 aufweist, um dieselbe Anzahl von Seiten für die sich ergebende Mutter (z. B. sechs für eine Sechskantmutter) aufzunehmen. Insbesondere werden in der Herstellung die Seitenelemente ausgeschnitten und nach oben von einem flachen Metallrohling geformt, so daß sie an den entsprechenden flachen Seiten der Scheiben mit angrenzenden Seitenelementen 20 anliegen, wobei diese einen in Längsrichtung verlaufenden schmalen Schlitz 22 aufweisen, der sich von der untersten Scheibe bis zu der obersten Scheibe erstreckt und der mit den Mutterecken 23 zusammenfällt. Einstückige obere Abschnitte der Seitenelemente sind zu Verriegelungsnasen 24 geformt, die über das obere Ende der am weitesten oben liegenden Scheiben zwischen den Schlitzen 22 gebogen werden, so daß sie die am weitesten oben liegende Scheibe zwischen jedem Paar von Mutterecken 23 formschlüssig umgreifen.

Das allgemeine Verfahren zur Herstellung der Muttern nach dem Stand der Technik schließt in der wiedergegebenen Reihenfolge das Stapeln von weichen Stahlscheiben aufeinander, das Formen des Käfigs 16 um den Scheibenstapel, das Gewindeschneiden in die Scheibenstapelbohrung und die Wärmebehandlung der Scheiben und des umfassenden Käfigs bis zur gewünschten Härte ein. Es wurde herausgefunden, daß ein Käfig der in Fig. 1 gezeigten Art gelegentlich auswärts "aufblüht" fort von den unten liegenden Scheiben, wobei die Weite der Schlitze 22 sich vergrößert und die Nasen 24 sich geringfügig von dem Kontakt mit der oberen Scheibe fort bewegen. Dieses Aufblühen erzeugt entweder eine Verschiebung oder eine Fehlausrichtung der Gewindebohrung, was eine Installation des Bolzens schwierig oder unmöglich werden läßt.

In Fig. 3 ist eine Draufsicht auf einen flachen Metallrohling 26 zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Käfigs 28 für die Verwendung bei der Herstellung einer Mutter mit hexagonaler Geometrie gezeigt, wobei diese nur zur Erläuterung dient. Insbesondere ist der Rohling ein flaches Metallblech, das sechs identische gerade Seitenabschnitte 30 besitzt, die zur Form eines regelmäßigen Hexagons angeordnet sind.

Alle Eckpunkte 32 sind geschnitten oder abgegratet. Die zentrale Öffnung 34 ist ebenfalls in den Rohling geformt, wenn der Rohling zu einem Käfig verwandelt wird.

Für die nachfolgende nähere Beschreibung des Käfigaufbaus 28 wird auf die Fig. 4 bis 6 Bezug genommen.

Bevorzugt durch ein fortgesetztes Ziehen oder ein ähnliches Formgebungsverfahren wird der Rohling zu einem einheitlichen länglichen Rohr (Fig. 4 und 5) mit sechs identischen Seitenwänden 36 geformt, die in der Draufsicht (Fig. 6) ein regelmäßiges Sechseck bilden. Eine einzelne dreieckige Feststellnase 38 erstreckt sich nach oben von jeder Seitenwand und ist auf jeder der Kantenlinien 40 zwischen aneinander angrenzenden Seitenwänden zentriert. Eine Wärmeauslaßöffnung 42 ist im wesentlichen mittig von jeder Seitenwand angeordnet, um dadurch einen Wärmeaustritt aus dem Stapel der Scheiben 43 zur Erlangung der gewünschten Härte zu ermöglichen.

Die an die Öffnung 34 angrenzenden Wandabschnitte werden zur Aufnahme einer Druckscheibe 44 auf diesen bei einer häufigen Anwendungsform für Muttern mit mehreren Scheiben (Fig. 7) verwendet.

Zusammengebaut sind die gestapelten Scheiben 43 innerhalb des Käfigs 28 aufgenommen, die Nasen 38 sind umgebogen, wobei sie die am weitesten oben liegende Scheibe berühren, und die Bohrung 46 in herkömmlicher Weise mit einem Gewinde versehen ist. Schließlich wird die zusammengesetzte Mutter wärmebehandelt.

Wie in den Fig. 7 und 8 gezeigt, besitzt der Käfig keine Trennlinien, wie die schmalen Schlitze 22 bei den herkömmlichen Käfigen, was es dem Käfig ermöglichen würde, sich relativ zu den Scheiben während der Wärmebehandlung zu entspannen ("aufzublühen") und die fertige Mutter zu schwächen. Tatsächlich ist ein Band 48 von nicht durchlöchertem Metall oberhalb der Wärmeauslaßöffnungen 42 ebenso wie ein nicht durchlöchertes Band 49 unterhalb der Öffnungen 42 vorgesehen, das die Scheiben 43 fest umfaßt. Es wurde festgestellt, daß die Verwendung dieser Bänder unerwünschte Fehlausrichtung und Verschiebungen des Mutterngewindes vermeidet.

In einer praktischen Ausführung der Erfindung wurden die hexagonalen Scheiben 43 und die Lastscheibe 44 aus einem Stahl (4130) mit vergleichweise hohem Kohlenstoffanteil hergestellt, der eine Härte von 35 bis 45 Rockwell "C" besitzt, und der Käfigrohling vor dem Verformen 26 aus einem Stahl (1050) mit mittlerem Kohlenstoffanteil hergestellt.

Eine alternative Ausführungsform der Erfindung wird mit Bezug auf die Fig. 9 beschrieben. Wie dort gezeigt, ist ein Käfig 50 identisch mit einem Käfig 28 aufgebaut, außer daß keine Wärmeauslaßöffnungen (wie die Öffnungen 42) über die gesamte Länge der Käfigseitenwände vorgesehen sind. Dieser Aufbau ist nur möglich, wenn das Metall, aus dem die Scheiben hergestellt sind, zu der gewünschten Härte durch die langsamere Abkühlung, welche sich aus dem Fehlen des Wärmeauslaß oder an der Auslaßöffnungen ergibt, erzielt werden kann.

Fig. 10 zeigt in der Seitenansicht eine Mutter 52, die entweder mit einem Käfig 28 oder 50 versehen ist, und besonders zum Aufbringen eines Drucks auf ein Objekt 52 vorgesehen ist, wenn die Mutter auf einen Bolzen 54 geschraubt ist. Bei der allgemein, wie vorstehend beschrieben, zusammengesetzten Mutter erstrecken sich Teile der unteren Kante des Käfigs, um einen zylindrischen Flansch 56 bereitzustellen, der in einer Öffnung einer Druckscheibe 58 aufgenommen wird und zur Sicherung der Scheibe an der Mutter erweitert wird.

Obwohl die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beschrieben wurde, ist es für den Fachmann offensichtlich, daß Änderungen, die innerhalb des beschriebenen Erfindungsgedankens und innerhalb des Bereichs der nachfolgenden Ansprüche liegen, vorgenommen werden können.


Anspruch[de]
  1. 1. Käfig zur Aufnahme eines Stapels von Scheiben, um eine einheitliche Mutter zu formen, die mehrere flache Seiten besitzt, wobei aneinandergrenzende Seiten durch eine Ecke getrennt sind, folgendes aufweisend:

    einen einstückigen, hohlen, rohrförmigen Metallkörper, der eine zentrale Bohrung mit einer solchen Abmessung und Geometrie besitzt, um den Stapel von Scheiben aufzunehmen, wobei die gleich geformte Bohrungswandung an den flachen Seiten der Scheiben anliegt und ein erstes Ende des Körpers geformt ist, daß der Querschnitt der Bohrung reduziert und ein Entfernen des Stapels durch das erste Ende des Körpers verhindert wird,

    wenigstens eine Öffnung in einer Seitenwand des Körpers, die von dem ersten und zweiten Ende des Körpers hinreichend entfernt ist, um nicht eine am weitesten außen liegende Scheibenkante an dem zweiten Ende freizugeben, während Kanten von mehreren anderen Scheiben freigegeben werden und ein undurchlöchertes Band des Körpers zwischen der ersten Öffnung und dem zweiten Ende verbleibt, und

    mehrere mit dem Körper einstückige Nasen, die sich von der zweiten Körperöffnung nach außen auf die oberste Scheibe des Stapels erstrecken.
  2. 2. Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nase sich auf die oberste Scheibe erstreckt, wobei sie an einer am weitesten außen liegenden Fläche der Scheibe in der Nähe einer Ecke angreift.
  3. 3. Käfig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfigkörper aus einem fortgesetzten Formungsvorgang aus einem einzigen Metallrohling hergestellt ist.
  4. 4. Verbindungskäfig, hergestellt aus einem einzigen Metallrohling für das Zusammensetzen mit mehreren gestapelten, konischen Scheiben mit polygonalen Kanten, um eine Mutter zu formen, die eine Gewindebohrung besitzt, um die Gewindeeinheit der Mutter während einer Wärmehärtung nach dem Zusammensetzen der Teile zu erhalten, folgendes aufweisend:

    einen einstückigen, hohlen, rohrförmigen Körper aus Metall mit einem sich vollständig durch diesen erstreckenden Hohlraum mit solchen Abmessungen und einer solchen Geometrie aufweist, um die gestapelten Scheiben in diesen aufzunehmen, und mit einem ersten nicht durchlöcherten Seitenwandabschnitt, der frei von seitlich trennbaren Schlitzöffnungen die äußeren Kanten von mehreren oberen Scheiben greifend sichert.
  5. 5. Verbindungskäfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich ein zweiter, nicht durchlöcherter Seitenwandabschnitt vorgesehen ist, der wenigstens mehrere von den unteren Scheiben in dem Stapel greifend sichert, und daß ein dritter Seitenwandabschnitt vorgesehen ist, der vollständig zwischen den ersten und zweiten Seitenwandabschnitten liegt.
  6. 6. Verbindungskäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Seitenwandabschnitt nicht durchlöchert ist.
  7. 7. Verbindungskäfig nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der dritte Seitenwandabschnitt mehrere Wärmeauslaßöffnungen aufweist, eine für jede Polygonseite.
  8. 8. Verbindungskäfig nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben aus einem Stahl mit vergleichsweise hohem Kohlenstoffanteil und der Käfig aus einem Stahl mit einem vergleichsweise niedrigen Kohlenstoffanteil hergestellt sind.
  9. 9. Vorgefertigter Mutteraufbau, der einer Entspannungstrennung seiner Teile widersteht, während er einer Temperaturhärtung unterworfen ist, wobei der Aufbau folgendes aufweist:

    einen eingefaßten Stapel von ungehärteten, mit offenem Zentrum versehenen, konischen Stahlscheiben, die die Gesamtaußenabmessung eines Polygons mit einer vorbestimmten Anzahl von durch Eckkanten getrennten geraden Seiten besitzt,

    einen ungehärteten hohlen Stahlrohrkäfig, der einen durch diesen verlaufenden Durchlaß besitzt, der als ein Polygon aufgebaut ist und derart bemessen ist, um den Scheibenstapel anliegend zu umformen, wobei die Seitenwand gegenüber den Scheibenstapelkanten undurchlöchert ist außer in ausgewählten Abschnitten gegenüber der am weitesten oben liegenden Scheibe, und

    Abschnitte von den oberen Kantenabschnitten des Käfgrohrgehäuses unmittelbar gegenüber von jeder Scheibenstapelecke, die über und in Kontakt mit der auswärts weisenden Oberfläche der obersten Scheibe geformt sind.
  10. 10. Vorgefertigter Mutteraufbau nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Rohrkäfig eine untere Öffnung des Durchlasses aufweist, die dimensioniert ist, um ein Entfernen des Scheibenstapels durch diese zu verhindern, wobei an die untere Öffnung angrenzende Rohrwände zu einem verformbaren Flansch geformt sind, eine Druckscheibe mit einer Öffnung auf dem Flansch sitzend aufgenommen ist und an der Stelle durch verformte Abschnitte des Flansches gesichert ist.






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