Unterlegscheibe und Mutter Die Erfindung betrifft ein System, umfassend eine Mutter mit einem Gewinde und eine Unterlegscheibe, die rotationssymmet ^¬ risch ausgebildet ist und einen im Wesentlichen kreisringförmigen Querschnitt aufweist, und die sich im Längsschnitt nach innen derart verjüngt, dass die axiale Höhe der Innenseite der Unterlegscheibe um eine vorgegebene Höhe g geringer ist als die axiale Höhe der Außenseite der Unterlegscheibe. Sie betrifft weiter eine Mutter, umfassend ein Gewinde, deren ei ^¬ ne Auflagefläche derart modifiziert ist, dass die axiale Höhe der Innenseite der Mutter um eine vorgegebene Höhe g geringer ist als die axiale Höhe der Außenseite der Mutter.

Die Verteilung der Kräfte, die bei einer Schraubverbindung im Gewinde zwischen Bolzen und Mutter übertragen werden, ist in der Regel so ungleichmäßig, dass typischerweise ca. 50% der Gesamt-Zugkräfte bereits innerhalb der ersten drei Gewinde ^¬ gänge übertragen werden (vgl. Chin. J. Mech. Eng. 22(6), 869ff (2009)). Diese ersten Gewindegänge wirken somit begren ^¬ zend hinsichtlich der Belastbarkeit der Schraubverbindung. Zur Lösung dieses Problems existieren sogenannte MJT-Muttern (multiple jackbolt tensioner), bei denen axiale Druckschrau ^¬ ben die Kraftübertragung zwischen Mutter und Auflagefläche übernehmen. Hier führt der radial weiter außen liegende Angriff der Druckschrauben als Nebeneffekt zu einer Verformung (Stülpen) der Hauptmutter, die zu einem minimalen Klaffen in den ersten Gewindegängen und dadurch zu einer Entlastung des Hauptgewindes führt. MJT-Muttern sind jedoch vergleichsweise aufwändig herzustellen und zu montieren. Sie eignen sich zudem nicht für kleine Muttergrößen.

Weiterhin ist aus Illgner K.H., Blume, D.: "Schrauben Vade- mecum", veröffentlicht von Bauer & Schaurte Karcher GmbH, 5. Auflage 1983 die sogenannte Thumsche Mutterform bekannt, die ebenfalls eine derartige Verformung erzeugt. Bei dieser Mut ^¬ terform ist jedoch ein aufwändiger Hinterschnitt/Freischnitt des unteren Gewindebereichs notwendig und die Mutter weist eine höhere Bauhöhe auf.

Eine weitere Lösung stellt die "Flexnut" der Fa. Nord-Lock dar, die eine modifizierte Auflagefläche aufweist, die an der radialen Innenseite eine geringere Höhe hat und damit einen Axialspalt aufweist, der eine Stülpverformung der Mutter er- laubt. Diese ist jedoch als reine Reaktivmutter konzipiert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, System, umfassend eine Mutter mit metrischem ISO-Gewinde und eine Unterlegscheibe sowie eine Mutter mit metrischem ISO-Gewinde der eingangs ge- nannten Art anzugeben, welche bei einfacher technischer Herstellbarkeit eine besonders gleichmäßige Kräfteverteilung über die Höhe des Gewindes gewährleistet.

Diese Aufgabe wird bezüglich des Systems und der Mutter ge- löst, indem die Höhe g kleiner ist als 0, 2* (s-d) *Hl/m, wobei s die Schlüsselweite, d der nominale Gewindedurchmesser, h die Höhe und Hl die Flankenüberdeckung des Gewindes der Mut ^¬ ter ist. Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass eine besonders gleichmäßige Kräfteverteilung über die Höhe des Ge ^¬ windes für eine aktiv festzuziehende Mutter besonders leicht erreichbar ist, wenn eine minimale Stülpverformung beim Anziehen der Mutter erzeugt wird, die die ersten Gewindegänge entlastet. Hierzu sollte der Sollspalt, der durch die gerin ^¬ gere axiale Höhe der Innenseite der Mutter gebildet wird, auf ein Minimalmaß reduziert werden. Dieses Minimalmaß sollte derart gewählt sein, dass die zu erwartende elastische Ver ^¬ formung bei axialer Zugbelastung durch den Axialspalt eine geeignete Druckbelastung im Bereich der ansonsten weniger belasteten Gewindegänge erzeugt. Mit Hilfe geometrischer Über ^¬ legungen, die weiter unten bezüglich der Ausführungsbeispiele näher erläutert werden und unter Zuhilfenahme der normgemäßen Dimensionierung des Muttergewindes hat sich ergeben, dass der Höhenunterschied zwischen Innen- und Außenseite der Mutter, d.h. der sich ergebende Axialspalt an der Innenseite maximal dem oben genannten Wert entsprechen sollte.

In besonders vorteilhafter Ausgestaltung des Systems oder der Mutter weist die Mutter ein metrisches ISO-Gewinde auf, und die den Axialspalt bildende Höhe g beträgt zwischen 0, 025*(s- d) *P/m und 0, 075* (s-d) *P/h, wobei P die Steigung des Gewindes der Mutter ist. Mit anderen Worten: Für die Höhe g ist ein Sollwert von 0, 05* (s-d) *P/h vorgesehen. Hierdurch ist noch besser gewährleistet, dass die durch den Spalt entstehende elastische Verformung so groß ist, dass eine gleichmäßige Be ^¬ lastung über die gesamte Höhe des Gewindes bei starker axia- 1er Zugbelastung erreicht wird.

Die Unterlegscheibe bzw. die Mutter weisen vorteilhafterweise eine ebene axiale Auflagefläche auf. Der Axialspalt durch die reduzierte Innenhöhe ist somit nur auf einer axialen Seite ausgebildet. Dies vereinfacht die Herstellung von Unterleg ^¬ scheibe und Mutter.

In einer ersten Ausgestaltung der Mutter verringert sich die axiale Höhe im Längsschnitt von der Außenseite zur Innenseite stetig.

Dies kann in Bezug auf die Mutter in besonders einfacher vorteilhafter Ausgestaltung dadurch realisiert sein, dass sich die axiale Höhe im Längsschnitt von der Außenseite zur Innen- seite linear verringert. In Bezug auf die Unterlegscheibe ist dies vorteilhafterweise dadurch realisiert, dass sie sich im Längsschnitt linear verjüngt. Die Verringerung bzw. Verjüngung kann dabei bereits am äußeren Radius einsetzen. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung setzt die Verringerung bei der Mutter bzw. die Verjüngung bei der Unterlegscheibe erst im Bereich der radialen Mitte des Längs- Schnitts der Mutter bzw. der Unterlegscheibe ein. Entlang der äußeren Hälfte bleibt die Höhe also konstant.

In einer weiteren alternativen vorteilhaften Ausgestaltung ist die Verringerung bzw. Verjüngung durch mindestens eine Stufe gebildet. Eine derartige Ausgestaltung kann bei be ^¬ stimmten Materialien einfacher herzustellen sein.

In allen geometrischen Varianten kann die Modifizierung der Auflagefläche von Mutter oder Unterlegscheibe durch spanende oder abtragende Verfahren gefertigt werden. Eine Unterleg ^¬ scheibe kann vorteilhaft auch durch Kaltverformen entspre ^¬ chend ausgebildet sein. In besonders vorteilhafter Ausgestal ^¬ tung kann diese jedoch durch eine Beschichtung gebildet sein, beispielsweise diamantähnlichem amorphem Kohlenstoff, Silber oder Kupfer.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch die Anordnung eines minimalen, genau definierten Axialspaltes auf der Innenseite einer Mutter ent ^¬ weder durch Modifikation der Auflagefläche der Mutter selbst oder Verwendung einer konischen Unterlegscheibe eine Vergleichmäßigung der Belastung des Gewindes erreicht wird, die zu einer effektiven Erhöhung der Belastbarkeit der Schraub- Verbindung führt. Insbesondere wenn die beschriebene Kontur (z.B. per Kaltverformung in einer Presse) auf die Unterlegscheiben aufgebracht wird, ist hier mit minimalen Fertigungs ^¬ kosten eine wesentliche Erhöhung der

maximalen Belastung möglich.

Die Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

FIG 1 eine Mutter mit einer darunter angeordneten

Unterlegscheibe,

FIG 2 eine vergrößerte Darstellung der Kontaktflä ^¬ che zwischen Mutter und Unterlegscheibe, FIG 3 eine nicht maßstabsgetreue Darstellung der elastischen Verformung der Mutter bei einer Zugbelastung,

FIG 4, 6 und 8 jeweils nicht maßstabsgetreu dargestellte

Ausführungsformen einer Mutter zur axialen Vergleichmäßigung der auf das Gewinde wirkenden Kräfte, und

FIG 5, 7 und 9 jeweils nicht maßstabsgetreu dargestellte

Ausführungsformen einer Unterlegscheibe zur axialen Vergleichmäßigung der auf das Gewinde wirkenden Kräfte

Gleiche Teile sind in allen Zeichnungen mit denselben Bezugszeichen versehen.

FIG 1 zeigt schematisch einen Längsschnitt durch eine Mutter 1 mit einer darunter konzentrisch angeordneten, im Wesentlichen kreisscheibenförmigen Unterlegscheibe 2. Die Mutter 1 weist eine um die Achse 4 konzentrisch angeordnete, zylinder- förmige durchgehende Öffnung 6 auf, deren Wandung mit einem Gewinde 8 versehen ist. Mittels dieses Gewindes 8 wird die Mutter 1 zur kraftschlüssigen Befestigung z.B. eines nicht näher gezeigten Bauteils auf einen ebenfalls nicht näher ge ^¬ zeigten Bolzen geschraubt. Hierzu weist die Mutter 1 eine Au- ßenform auf, die dazu geeignet ist, eine verdrehsichere Ver ^¬ bindung zu einem entsprechenden Werkzeug herzustellen, in der Regel in Form eines hexagonalen Querschnitts.

Vor dem Aufdrehen auf den Bolzen kann optional die Unterleg- Scheibe 2 über den Bolzen gelegt werden. Die Mutter 1 ist nach ISO 4032 und das Gewinde 8 nach DIN 13 normgemäß ausge ^¬ bildet. Beim Aufdrehen entsteht eine Zugkraft, die auf das Gewinde 8 und damit die gesamte Mutter 1 wirkt. Bei einem planen Aufliegen der Mutter 1 auf der Unterlegscheibe 2 oder einer darunter angeordneten Fläche, in die der Bolzen eingelassen ist, führt dies aufgrund der geometrischen Verhält ^¬ nisse zu einer ungleichmäßigen Belastung des Gewindes 8, die sich auf die unteren Gewindegänge konzentriert. FIG 2 zeigt eine Vergrößerung des durch einen Kreis 10 in FIG 1 angedeuteten Bereiches. FIG 2 zeigt eine Lösungsmöglichkeit zur Vergleichmäßigung der Belastung durch gezieltes Erzeugen einer Stülpverformung. Diese kann nämlich erreicht werden, indem die Auflagefläche 12 entweder der Mutter 1 oder die der Mutter 1 zugewandte Auflagefläche 14 der Unterlegscheibe 2 derart modifiziert werden, dass beim Aufliegen ein Spalt 14 am inneren Radius, d.h. unterhalb des Gewindes 8 gebildet wird, beispielsweise durch eine lineare Reduzierung des Quer ^¬ schnitts der Unterlegscheibe 2 bzw. der axialen Höhe der Mut ^¬ ter 1 zur Achse 4 hin. Hierdurch wird Raum für eine Stülpverformung der Mutter 1 geschaffen, die eine entsprechend höhere Belastung der sonst weniger belasteten oberen Gewindegänge erzeugt, so dass eine gleichmäßige Gewindebelastung über die gesamte Höhe des Gewindes 8 erreicht wird.

Um hierbei eine größtmögliche Vergleichmäßigung der Gewinde ^¬ belastung zu erreichen, sollte die Höhe g des axialen Spaltes optimiert werden. Hierzu dienen geometrische Betrachtungen, die anhand von FIG 3 erläutert werden. FIG 3 zeigt eine nicht maßstabsgetreue, mit übertriebener Stülpverformung dargestellte Mutter 1 im Längsschnitt. Die Mutter hat die Höhe h und die radiale Dicke b. Durch die Stülpverformung der Mutter 1 wird die Auflagefläche 12 am äußeren Radius um einen Winkel angehoben, das Gewinde wird um den entsprechenden Winkel nach innen geneigt. Hierdurch entsteht eine Verringerung j des Radius an der Oberseite der Mutter 1. Auf Basis dieser Überlegungen wurde erkannt, dass die Höhe g des einzubringenden Axialen Spalts 16 genau so zu bemessen ist, dass sie die gewünschte Anhebung der Auflagefläche 12 am Außenradius der Mutter 1 erlaubt. Aus der Betrachtung der FIG 3 ergibt sich daher: j /h ~ g/b, d.h. g ~ b*j/h.

Um nunmehr eine gleichmäßige Gewindebelastung zu erreichen, sollte die Verringerung j des Radius an der Oberseite der Mutter 1, die im Wesentlichen der Veränderung der Flanken- Überdeckung Hl im Gewinde 8 zwischen Bolzen und Mutter 1 entspricht, weniger als 40%, idealerweise etwa 20% betragen. Es gilt also j < 40%*H1 bzw. besser j = 20%*H1. Mit b = (s-d)/2, wobei s die Schlüsselweite und d der nominale Gewindedurch- messer ist, folgt daraus g < b*j/h = 0 , 2 * ( s-d) *H1 /h bzw. besser g = b*j/h = 0, 1* (s-d) *Hl/h.

Für metrische ISO-Gewinde nach ISO 4032, wie hier vorliegend, gilt Hl = (5/16) *tan (60°) *P, wobei P die Steigung des Gewin- des 8 ist, d.h. etwa Hl ~ P/2. Damit ergibt sich als Sollwert für die Höhe des axialen Spalts g = 0, 05* (s-d) *P/h.

Der vorgenannte axiale Spalt 14 mit der Höhe g kann wie oben beschrieben erreicht werden, indem entweder die Auflagefläche 12 der Mutter 1 oder die der Mutter 1 zugewandte Auflageflä ^¬ che 14 der Unterlegscheibe 2 modifiziert werden. Auch eine kombinierte Modifikation, bei der die kombinierte Modifika ^¬ tion gemeinsam die Höhe g ergibt, ist denkbar, jedoch aufgrund des zusätzlichen Aufwandes nicht wirtschaftlich. Dabei sind verschiedene radiale Höhenverläufe denkbar, die in den

FIG 4-9 für Muttern 1 (FIG 4, 6, 8) bzw. korrespondierend für Unterlegscheiben (FIG 5, 7, 9) dargestellt sind.

Die Mutter 1 gemäß FIG 1 weist eine ebene obere Auflagefläche 18 auf. Die modifizierte untere Auflagefläche 12 weist einen Verlauf ihrer axialen Höhe auf, der durch Stufe 20 in ihrer radialen Mitte gekennzeichnet ist. Die Stufe 20 hat die Höhe g. Radial nach innen und nach außen von der Stufe 20 ausgehend bleibt die Höhe der Auflagefläche 12 konstant. Der axi- ale Spalt 16 mit der Höhe g wird also allein durch die Stufe 20 gebildet.

Eine derartige Ausgestaltung ist vergleichsweise einfach her ^¬ zustellen, z.B. mit spanenden oder abtragenden Verfahren. FIG 5 zeigt die spiegelbildliche Modifikation der der Mutter 1 zugewandten Auflagefläche 14 der Unterlegscheibe 2 mit der Stufe 20 alternativ zur Modifikation der Mutter 1 gezeigt. Die Unterlegscheibe 2 kann z.B. durch Kaltverformen in die entsprechende Form gebracht werden. Aufgrund der vergleichs ^¬ weise geringen Höhe g ist es sowohl bei der Mutter 1 als auch bei der Unterlegscheibe 2 möglich, die Modifikation der jeweiligen Auflageflächen 12, 14 auch durch eine entsprechende Beschichtung zu gestalten.

Die weiteren Figuren zeigen nun verschiedene Ausgestaltungen der Auflageflächen 12, 14 zur Bildung des axialen Spalts 16 unterhalb des Gewindes 8. FIG 6 und 8 zeigen Ausführungsfor- men für die Modifikation der Mutter 1, während die FIG 7 und 9 die jeweiligen spiegelbildlichen Modifikationen für eine Unterlegscheibe 2.

In FIG 6 und 7 ist die Modifikation der Auflageflächen 12, 14 durch eine kontinuierliche, stetige Verringerung der Höhe von außen nach innen gebildet. Diese setzt zunächst tangential in waagerechter Richtung am Außenrand an und weist eine kontinu ^¬ ierlich steigende Steigung nach innen hin auf. In FIG 8 und 9 ist eine weitere mögliche Modifikation der

Auflageflächen 12, 14 gezeigt, die erst in der radialen Mitte der Mutter 1 bzw. der Unterlegscheibe 2 einsetzt, d.h. beim Radius d+(s-d)/2. Außerhalb dieser radialen Mitte ist die je ^¬ weilige Auflagefläche 12, 14 unmodifiziert , d.h. eben. Inner- halb dieses Radius nimmt die Höhe der Mutter 1 bzw. der Un ^¬ terlegscheibe 2 linear ab, bis am Gewindedurchmesser d die Höhe g des Spaltes 16 gebildet ist.

In allen Varianten wird eine gleichmäßigere Belastung des Ge- windes 8 über die axiale Höhe h der Mutter 1 erreicht.