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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sicherungsmutter für eine Schraubverbindung zwischen mindestens zwei Bauteilen mittels einer Schraube.
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Es sind bereits Sicherungsmuttern bekannt, bei denen an einem Mutternkörper eine Unterlegscheibe fest angebracht, insbesondere angenietet ist. Diese Sicherungsmuttern können durch entsprechende Werkstoffwahl hitze- und korrosionsbeständig ausgebildet werden, so dass sie in Schraubverbindungen eingesetzt werden können, welche unter thermischer Belastung stehen. Wenn allerdings die zu verbindenden Bauteile unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben, kann es aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnung zu einer Biegebeanspruchung der Schraubverbindung und insbesondere der Schraube kommen.
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Es sind ferner Sicherungsmuttern bekannt, bei denen im Gewinde des Mutternkörpers ein Drahtgewindeeinsatz klemmend angeordnet ist. Der Drahtgewindeeinsatz besteht aus wendelförmig gewickelten Windungen, von denen eine oder mehrere polygon geformt ist, um die Klemmwirkung zwischen dem Drahtgewindeeinsatz und dem Mutternkörper zu erzielen. Auch diese Sicherungsmuttern können hitze- und korrosionsbeständig ausgebildet werden. Die Möglichkeit einer Biegebeanspruchung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung der zu verbindenden Bauteile ist allerdings auch bei diesen Sicherungsmuttern gegeben.
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DE 101 36 829 C1 beschreibt eine Kombimutter mit schwenkbarer Unterlegscheibe. Die Kombimutter mit der Unterlegscheibe ist aufgrund ihrer Konstruktion schnell und einfach sowohl auf einen von der Befestigungsfläche senkrecht aufragenden Bolzenschaft als auch auf einen zur Befestigungsfläche geneigten Bolzenschaft aufschraubbar. Dabei wird die unter der Unterlegscheibe befindliche Befestigungsfläche nicht beschädigt. Zur Befestigung der Unterlegscheibe an der Mutter weist diese einen Hinterschnitt in Form einer V-förmigen Hohlkehle auf. Diese Hohlkehle wird durch einen ringförmigen Abschnitt der Pressfläche der kugelförmigen konkaven Fläche und einem ringförmigen umlaufenden, schräg nach unten weisenden Fortsatz gebildet.
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DE 10 2005 040 403 A1 beschreibt eine Befestigungsanordnung für ein Kraftfahrzeug. Diese Befestigungsanordnung ist dazu geeignet, bei einer unterschiedlichen Wärmeausdehnung der miteinander verbundenen Bauteile bei Erzielung eines hohen Festsitzens des Verbundes dennoch Relativbewegungen der miteinander verbundenen Bauteile in Folge des Wärmeeintrags und besagter Wärmeausdehnung zuzulassen. Wird ein metallenes Strukturbauteil mit einem Kunststoffbauteil verbunden, dann ist es vorteilhaft, wenn ein Befestigungselement in einer als Langloch ausgebildeten Aussparung im Kunststoffteil befestigt wird.
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DE 1 020 837 A beschreibt eine Sicherungsmutter mit einer in das Gewinde des Mutternkörpers eingesetzten federnden Drahtspule.
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WO 02/31368 A1 offenbart eine Mutter mit einem Scheibenpaar bestehend aus einer oberen Scheibe und einer unteren Scheibe, wobei die beiden Scheiben je eine Seite mit Nocken und eine vorwiegend flache Seite aufweisen und die Scheibenseite mit den Nocken einander zugewandt angeordnet sind. Die Mutter weist zusätzlich ein Haltemittel auf, um die Mutter und das Scheibenpaar zusammenzuhalten, wobei das Haltemittel lose auf der Mutter und dem Scheibenpaar angeordnet ist, wodurch aber nur eine axiale Bewegung und Drehung der Mutter gegenüber dem Haltemittel und der Bewegung des Scheibenpaars ermöglicht wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sicherungsmutter für eine Schraubverbindung zwischen mindestens zwei Bauteilen mittels einer Schraube zu schaffen, die bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung der zu verbindenden Bauteile eine Biegebeanspruchung der Schraube der Schraubverbindung vermeidet und dennoch als Einheit gehandhabt und montiert werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
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Erfindungsgemäß besteht die Sicherungsmutter aus einem Mutternkörper, einem Drahtgewindeeinsatz, einer Unterlegscheibe und einem Haltekäfig. Der Haltekäfig ist mit der Unterlegscheibe fest verbunden und mit dem Mutternkörper verliersicher so verbunden, dass der Mutterkörper und die Unterlegscheibe in Anlage gehalten werden, jedoch begrenzte radiale Relativbewegungen ausführen können. Aufgrund dieser begrenzten radialen Relativbewegungen kann die Sicherungsmutter unterschiedliche Wärmeausdehnungen der zu verbindenden Bauteile ausgleichen, indem der Mutternkörper auf der Unterlegscheibe in radialer Richtung gleitet und somit Radialbewegungen der Schraube folgt, so dass die Schraube nicht auf Biegung beansprucht wird.
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Die Sicherungsmutter hat zwar einen modularen Aufbau; sie bildet jedoch aufgrund der Verbindungen der Einzelteile untereinander eine Baueinheit, was eine entsprechend einfache Handhabung und Montage der Sicherungsmutter ermöglicht.
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Ein weiterer Vorteil des modularen Aufbaus der Sicherungsmutter besteht darin, dass hochwertige Werkstoffe lediglich für die kritischen Teile der Sicherungsmutter verwendet werden müssen, während die weniger kritischen Teile aus weniger hochwertigen Werkstoffen hergestellt werden können. So kann beispielsweise der Drahtgewindeeinsatz aus einem korrosionsbeständigen Stahl oder einer hochtemperaturbeständigen Nickelbasislegierung hergestellt werden, wobei er zum Erzielen bestimmter Eigenschaften, wie geringe Gewindereibung, Sicherheit gegen Festbrennen und Vermeiden von Fressen bei Montage oder Demontage, mit einer Oberflächenbeschichtung (einem Gleitlacksystem) ausgerüstet werden kann. Die Unterlegscheibe kann beispielsweise aus einem hochtemperaturbeständigen Werkstoff hergestellt sein, welcher die hohe Wärmebelastung unmittelbar angrenzend an den zu verbindenden Bauteilen aufnimmt. Der Mutternkörper selbst kann dann aus einem relativ kostengünstigen Werkstoff, z. B. einem warmfesten Stahl mit geringerer Temperaturbeständigkeit, hergestellt werden, was zur Reduzierung der Werkstoffkosten führt. Auch muss der Mutternkörper nicht mit einer Oberflächenbeschichtung (Gleitlack- bzw. Schmierstoffbeschichtung) versehen werden, so dass das äußere Erscheinungsbild der Mutter nicht durch eine Schmierstoffbeschichtung beeinträchtigt wird.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen definiert.
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Anhand der Zeichnung wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
- 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer Schraubverbindung mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherungsmutter;
- 2 eine Draufsicht auf die Sicherungsmutter in 1;
- 3, 4 abgewandelte Einzelheiten Z der 1;
- 5 eine Seitenansicht des Drahtgewindeeinsatzes;
- 6 eine Endansicht des Drahtgewindeeinsatzes in 5.
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Die 1 zeigt eine Schraubverbindung zwischen zwei plattenförmigen Bauteilen 2 und 4 mittels einer Schraube 6. Die Schraube 6 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel ein einfacher Schraubbolzen, könnte jedoch auch ein anderer Schraubentyp sein. Die Schraube 6 verläuft durch ein glattwandiges Durchgangsloch 8 des Bauteils 2 und ist in eine Gewindebohrung 10 des Bauteils 4 eingeschraubt. Zum Verspannen der Schraubverbindung dient eine Sicherungsmutter 12, mit der die Schraube 6 in Gewindeeingriff steht.
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Die Sicherungsmutter 12 hat einen modularen Aufbau und besteht aus einem Mutternkörper 14, einem Drahtgewindeeinsatz 16, einer Unterlegscheibe 18 und einem Haltekäfig 20.
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Der Mutternkörper 14 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eine herkömmliche Bundmutter mit einem Mehrkant 22 und einem Bund 24, deren gemeinsame Innenbohrung in herkömmlicher Weise mit einem Innengewinde (nicht gezeigt) versehen ist. Der Mutternkörper 14 könnte jedoch auch eine andere Form wie z. B. die einer einfachen Sechskantmutter, Nutmutter, Vierkant-Anschweißmutter und dgl. haben.
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Der in den 5 und 6 dargestellte Drahtgewindeeinsatz 16 besteht aus einer Anzahl wendelförmig gewickelter Windungen, von denen eine Windung 25 oder auch mehrere Windungen polygonförmig ausgebildet sind (siehe 6). Die Windungen des Drahtgewindeeinsatzes 16 sitzen im Innengewinde des Mutternkörpers 14 und werden darin durch die polygonförmige Windung(en) 25 klemmend gehalten.
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Die Unterlegscheibe 18 ist als Ringkörper ausgebildet, der zwischen dem Mutternkörper 12 und dem Bauteil 2 angeordnet ist und an diesem anliegt. Die Unterlegscheibe 18 hat gegenüber herkömmlichen Unterlegscheiben eine relativ große Dicke S, um die Klemmlänge LK+S der Schraubverbindung zu vergrößern. Die Dicke S der Unterlegscheibe 18 liegt beispielsweise in der Größenordnung 50 - 100% des Nenndurchmessers der Schraube 6. Die auf diese Weise erzielte größere elastische Reserve in der Schraube 6 bietet einen zusätzlichen Schutz gegen Verlust der Vorspannkraft der Schraubverbindung. Etwaige Biegespannungen in der Schraube 6 werden hierdurch ebenfalls reduziert.
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Der Haltekäfig 20 ist als hülsenförmiges Blechteil ausgebildet, das einen zylindrischen Abschnitt 26, einen daran angeformten oberen konischen Abschnitt 28 und einen am anderen Ende des zylindrischen Abschnittes 26 angeformten unteren konischen Abschnitt 30 hat.
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Der Haltekäfig 20 ist mit der Unterlegscheibe 18 fest verbunden, wobei diese Verbindung durch Reibschluss und/oder Formschluss und/oder Stoffschluss erfolgen kann. Wie aus 1 hervorgeht, erfolgt diese feste Verbindung zwischen dem Haltekäfig 20 und der Unterlegscheibe 18 im Bereich des Außenumfangs der Unterlegscheibe 18. Der Haltekäfig 20 übergreift mit seinem unteren konischen Abschnitt 30 eine Fase 32 am Außenumfang der Unterlegscheibe 18 an dessen unterem Ende. Grundsätzlich wäre es auch möglich, dass der Haltekäfig 20 die Unterlegscheibe 18 am unteren Ende vollständig radial übergreift, so dass ein entsprechender radialer Abschnitt des Haltekäfigs 20 zwischen der unteren Stirnfläche der Unterlegscheibe 18 und der Oberseite des Bauteils 2 vorhanden wäre.
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Die Unterlegscheibe 18' bzw. 18" kann an ihrem Umfang mit einer Profilierung 34 bzw. 36 (siehe 3 und 4) versehen werden, an die der Haltekäfig 20' bzw. 20" angepasst wird, um einen optimalen Formschluss zu realisieren. Die Profilierung 34 bzw. 36 kann aus einem Ringwulst, einer Ringnut oder anderen Erhöhungen und Vertiefungen bestehen, die umlaufend oder in Umfangsrichtung diskontinuierlich ausgebildet sein können. Die Anpassung des Haltekäfigs 20' bzw. 20" an die Profilierung 34 bzw. 36 der Unterlegscheibe 18' bzw. 18" erfolgt z. B. durch radiales Verpressen (Krimpen) oder Längspressverband (Scheibenaußendurchmesser mit Übermaß bezogen auf den Hülseninnendurchmesser).
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Der Haltekäfig 20 ist mit dem Mutternkörper 14 verliersicher verbunden. Zu diesem Zweck umgibt der hülsenförmig ausgebildete Haltekäfig 20 mit seinem zylindrischen Abschnitt 26 den Bund 24 des Mutternkörpers 14 und übergreift mit seinem konischen Abschnitt 28 radial die Schulter zwischen dem Mehrkant 22 und dem Bund 24 des Mutternkörpers 14. Wie in 1 zu sehen ist, ist zwischen dem zylindrischen Abschnitt 26 des Haltekäfigs 20 und dem Bund 24 des Mutternkörpers 14 ein radialer Spalt SP1 vorhanden, während zwischen der Schulter des Mutternkörpers 14 und dem konischen Abschnitt 28 des Haltekäfigs 20 ein entsprechender Spalt SP2 vorhanden ist. Aufgrund der Spalte SP1 und SP2 kann der Mutternkörper 14 relativ zu dem Haltekäfig 20 und der mit diesem fest verbundenen Unterlegscheibe 18 begrenzte radiale Ausgleichsbewegungen ausführen, wie nun genauer erläutert wird.
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Bestehen die Bauteile 2 und 4 aus Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, beispielsweise aus Aluminium und einem temperaturbeständigen Stahl, so kommt es bei thermischer Belastung zu unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Bauteile 2 und 4. Wenn der Mutternkörper 14 und die Unterlegscheibe 18, wie im Stand der Technik, fest miteinander verbunden wären, so würden diese unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Bauteile 2 und 4 zu einer Biegebelastung der Schraube 6 führen. Aufgrund der erfindungsgemäß vorgesehenen umlaufenden Spalte SP1 und SP2 kann jedoch der Mutternkörper 14 mit seiner unteren Stirnfläche auf der oberen Stirnfläche der Unterlegscheibe 18 radial gleiten, um für einen Ausgleich der unterschiedlichen Wärmeausdehnungen der Bauteile 2 und 4 zu sorgen und Biegebeanspruchungen der Schraube 6 zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
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Der modulare Aufbau der Sicherungsmutter 12 ermöglicht somit einen Ausgleich unterschiedlicher Wärmeausdehnungen der Bauteile 2, 4 bei höheren Temperaturen. Trotz des modularen Aufbaus bildet die Sicherungsmutter 12 eine Baueinheit, in der die Einzelteile untereinander verbunden sind, so dass die Sicherungsmutter 12 wie ein einzelnes Element gehandhabt und montiert werden kann.
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Ein weiterer Vorteil des modularen Aufbaus der Sicherungsmutter 12 besteht darin, dass besonders hochwertige und entsprechend teure Werkstoffe nur dort eingesetzt werden müssen, wo es erforderlich ist. Insbesondere können die Unterlegscheibe 18 und der Drahtgewindeeinsatz 16 aus anderen Werkstoffen als der Mutternkörper 14 hergestellt werden.
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So kann der Werkstoff der Unterlegscheibe 18 eine höhere Temperaturbeständigkeit und/oder eine höhere Festigkeit als der Werkstoff des Mutternkörpers 14 haben. Ferner kann der Werkstoff des Drahtgewindeeinsatzes 16 eine höhere Temperaturbeständigkeit und/oder eine höhere Korrosionsbeständigkeit und/oder eine höhere Festigkeit als der Werkstoff des Mutternkörpers 14 haben.
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Beispielsweise kann der Drahtgewindeeinsatz 16 aus einem korrosionsbeständigen Stahl oder einer hochtemperaturbeständigen Nickelbasislegierung hergestellt werden. Zur Erzielung bestimmter Eigenschaften wie geringe Gewindereibung, Sicherheit gegen Festbrennen und Vermeiden von Fressen bei Montage und Demontage kann er ferner mit einer Oberflächenbeschichtung (einem Gleitlacksystem) ausgerüstet werden. Der Mutternkörper 14 kann dann beispielsweise aus einem warmfestem Stahl geringerer Temperaturbeständigkeit hergestellt werden, da die hochtemperaturbelastete Gewindeverbindung zwischen Schraube 6 und Drahtgewindeeinsatz 16 und nicht zwischen Schraube 6 und Mutternkörper 14 vorgesehen ist. Auch muss der Mutternkörper 14 nicht mit einer Oberflächenbeschichtung (Schmierstoffbeschichtung) versehen werden, was zum einen die Herstellungskosten reduziert und zum andern das äußere Erscheinungsbild des Mutternkörpers 14 unbeeinflusst lässt.
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Die Unterlegscheibe 18 kann ebenfalls aus einem hochtemperaturbeständigen Stahl oder anderen hochtemperaturbeständigen metallischen Werkstoff hergestellt werden, dessen Temperaturbeständigkeit größer als die des Werkstoffes des Mutternkörpers 14 ist. Schließlich kann auch die Unterlegscheibe 18 mit einer Oberflächenbeschichtung zum Verringern der Reibung zwischen der Unterlegscheibe 18 und dem Mutternkörper 14 versehen werden.