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Dokumentenidentifikation DE19951571C2 07.11.2002
Titel Mutter mit mehreren Scheiben
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 der Patenterteilung 07.11.2002
Veröffentlichungstag im Patentblatt 07.11.2002
IPC-Hauptklasse F16B 37/00

Beschreibung[de]

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

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 übereinander gestapelt angeordnet sind, wobei deren einzelne Öffnungen eine kontinuierliche Bohrung 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, steht die Mutter unter Druck, wodurch die Scheiben sich aus ihrer ursprünglichen konischen Form abflachen und eine sichernde Wirkung auf den Bolzen ausüben. Solche Muttern sind in US 4,383,787 und US 5,700,121 beschrieben.

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.

Die aus US 4,383,787 bekannte Mutter 10 mit mehreren Scheiben wird nachfolgend mit Bezug auf Fig. 1 und Fig. 2 beschrieben. Die Mutter weist mehrere einen Stapel bildende ineinander genestete Belleville-Scheiben oder konische Scheiben 12 auf, deren zentrale Öffnungen zueinander 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 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.

Die bekannte Mutter 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 sowie der weiteren Anforderung genügt, daß jeder Fehler einer Mutter-Bolzenverbindung allein durch einen Bolzenbruch hervorgerufen werden kann.

Fig. 1 zeigt die Form eines bekannten Käfigs, der eine gerade Anzahl von getrennten flachen 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 mit den Mutterecken 23 zusammenfällt. Einstückige, obere Abschnitte der Seitenelemente sind als Verriegelungsnasen 24 geformt, die über das obere Ende der am weitesten oben liegende Scheiben zwischen den Schlitzen 22 gebogen werden, um die am weitesten oben liegende Scheibe zwischen jedem Paar von Mutterecken 23 formschlüssig zu umgreifen.

Das Verfahren zur Herstellung der bekannten Muttern besteht in der wiedergegebenen Reihenfolge aus Stapeln von weichen Stahlscheiben aufeinander, dem Formen des Käfigs 16 um den Scheibenstapel, dem Gewindeschneiden in die Scheibenstapelbohrung und die Wärmebehandlung der Scheiben sowie des Käfigs bis zur gewünschten Härte. Es wurde herausgefunden, daß ein Käfig nach US 4,383,787 gelegentlich von den unten liegenden Scheiben, ausgehend auswärts "aufblüht", 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.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Käfig zur Aufnahme eines Stapels von Scheiben sowie eine Mutter mit einem solchen Käfig bereitzustellen, bei denen mit einfachen Mitteln ein Aufblühen verhindert wird.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch einen Käfig mit den Merkmalen aus Anspruch 1 und 2 gelöst.

In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung wird eine Mutter mit mehreren Scheiben bereitgestellt, die einen Käfig aufweist, der die Möglichkeit einer Käfigtrennung der Scheiben (Aufblühen) während der Wärmebehandlung reduziert ebenso wie später, wenn die Mutter Druckkräften bei der tatsächlichen Verwendung ausgesetzt ist. 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.

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.

Fig. 1 und 2 zeigen bekannte Muttern, die in der Beschreibungseinleitung diskutiert wurden.

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 wird durch ein fortgesetztes Ziehen oder ein ähnliches Formgebungsverfahren 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. Vielmehr läuft ein Bereich 48 von nicht durchbrochenem Metall oberhalb der Wärmeauslaßöffnungen 42 ebenso wie ein nicht durchbrochener Bereich 49 unterhalb der Öffnungen 42, die die Scheiben 43 fest umfaßen. 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 zusammengesetzten Mutter stehen Teile der unteren Kante des Käfigs vor, um einen zylindrischen Flansch 56 bereitzustellen, der in eine Öffnung einer Druckscheibe 58 aufgenommen wird und zur Sicherung der Scheibe an der Mutter erweitert wird.


Anspruch[de]
  1. 1. Käfig (28) zur Aufnahme eines Stapels von Scheiben, um eine einheitliche Mutter mit mehreren flachen Seitenabschnitten (30) zu formen, die paarweise unter Bildung einer Ecke (32) aufeinander treffen, mit:

    einem einstückigen, hohlen, rohrförmigen Metallkörper, der eine zentrale Bohrung zur Aufnahme des Stapels von Scheiben besitzt, wobei die Bohrungswandungen an den flachen Seiten der Scheibenabschnitte anliegen und der Durchmesser der Bohrung an einem ersten Ende des Metallkörpers reduziert ist, um den Stapel in dem Metallkörper zu halten,

    wenigstens einer Öffnung (42) in einer Seitenwand des Körpers, die von dem ersten und zweiten Ende des Metallkörpers beabstandet ist derart, daß ein erster undurchbrochener Bereich (49) zwischen der Öffnung und dem ersten Ende an dem Metallkörper umläuft, während Kanten von mehreren Scheiben an der Öffnung freiliegen und ein zweiter undurchbrochener Bereich (48) zwischen der Öffnung (42) und dem zweiten Ende an dem Metallkörper umläuft, und

    mehreren mit dem Metallkörper einstückige Nasen (38), die sich von dem zweiten Ende des Metallkörpers fort auf die am nächsten zum zweiten Ende des Metallkörpers liegende Scheibe des Stapels erstrecken.
  2. 2. Käfig (50) zur Aufnahme eines Stapels von Scheiben, um eine einheitliche Mutter mit mehreren flachen Seitenabschnitten (30) zu formen, die paarweise unter Bildung einer Ecke (32) aufeinander treffen, mit:

    einem einstückigen, hohlen, rohrförmigen Metallkörper, der eine zentrale Bohrung zur Aufnahme des Stapels von Scheiben besitzt, wobei die Bohrungswandungen an den flachen Seitenabschnitten der Scheiben anliegen und der Durchmesser der Bohrung an einem ersten Ende des Metallkörpers reduziert ist, um den Stapel in dem Metallkörper zu halten,

    wobei die Seitenwände des Metallkörpers frei von Durchbrechungen und frei von entlang den Ecken verlaufenden Schlitzen an den Scheiben anliegen, und

    mehreren mit dem Metallkörper einstückige Nasen (38), die sich von den zweiten Ende des Metallkörpers fort auf die am nächsten zum zweiten Ende des Metallkörpers liegende Scheibe des Stapels erstrecken.
  3. 3. Käfig nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Nase im Bereich einer der Ecken angeordnet ist.
  4. 4. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfigkörper aus einem einzigen Metallrohling in einem fortgesetzten Formungsvorgang hergestellt ist.
  5. 5. Käfig nach einem der Ansprüche 1 bis 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.
  6. 6. Mutteraufbau mit einem Käfig aus ungehärtetem Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit, einem eingefaßten Stapel von ungehärteten, mit einer zentralen Bohrung versehenen, konischen Stahlscheiben, der die Gesamtaußenabmessung eines Polygons mit einer vorbestimmten Anzahl von Eckkanten und geraden Seitenabschnitten besitzt.
  7. 7. Vorgefertigter Mutteraufbau nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Käfig an seinem ersten Ende mit einem verformbaren Flansch versehen ist, auf dem eine Druckscheibe mit einer Öffnung aufgenommen ist und durch verformte Abschnitte des Flansches auf diesem gesichert ist.






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