Jede Schraubverbindung ist im Laufe ihrer Lebensdauer mit dem gleichen Problem konfrontiert: einem allmählichen Verlust der Klemmkraft aufgrund von Vibrationen, Temperaturschwankungen oder Oberflächenabsetzungen. Sicherungsscheiben wurden entwickelt, um diesem Verlust entgegenzuwirken, indem sie Federdruck erzeugen und sich bei Zahnkonstruktionen in die Passflächen eingraben, um der Drehung entgegenzuwirken. Innerhalb der Zahnfamilie dominieren zwei Geometrien die Kataloge für Industrie- und Verbraucherhardware: die Außenzahnscheibe , mit um den Rand nach außen gebogenen Zähnen, und die Innenzahnscheibe , mit nach innen zur Bohrung hin abgewinkelten Zähnen. Beide erfüllen die gleiche umfassende Aufgabe, doch die Platzierung dieser Zähne verändert die Art und Weise, wie Kraft ausgeübt wird, wo der Kontakt stattfindet und welche Gelenke am besten zu den einzelnen Designs passen.
Diese Unterscheidung ist wichtiger, als es zunächst scheint. Wenn sich ein Verbindungstechniker zwischen beiden entscheidet, entscheidet er sich nicht für eine kosmetische Variante; Sie wählen aus, wo auf der Unterlegscheibenoberfläche der Biss auftreten soll, wie viel von der Passfläche markiert werden soll und wie sich die Unterlegscheibe bei wiederholtem Drehmoment und Vibration verhält. Das Verständnis der Zahnplatzierung, der Lastverteilung und der Konstruktionsabsicht ermöglicht es einem Käufer oder Konstrukteur, die richtige Unterlegscheibe der richtigen Verbindung zuzuordnen, anstatt sich standardmäßig auf das gerade im Regal befindliche Teil zu verlassen.
Die Verwechslung der beiden Designs ist verständlich, denn aus der Ferne sehen beide wie ein Metallring mit gezackter Kante aus. Erst wenn eine Person eines in die Hand nimmt und es im Licht dreht, wird die Richtung der Zähne deutlich, und selbst dann sind die praktischen Konsequenzen dieser Richtung nicht immer intuitiv zu erkennen, wenn man nicht weiß, wie Klemmverbindungen tatsächlich versagen. Eine Schraub- oder Schraubverbindung löst sich selten, da sich das Verbindungselement selbst unter ständiger, gleichbleibender Belastung von selbst löst. Häufiger beginnt das Lösen mit einer kleinen Relativbewegung zwischen dem Kopf des Befestigungselements, der Unterlegscheibe und der darunter liegenden Oberfläche, die häufig durch Vibrationen, thermische Ausdehnung und Kontraktion oder ein leichtes Absetzen der geklemmten Materialien kurz nach der Montage ausgelöst wird. Sobald dieser erste Bewegungsabschnitt auftritt, sinkt die Reibung an den Passflächen gerade so weit, dass sich das Befestigungselement in winzigen Schritten zu drehen beginnt, und jeder Schritt verstärkt sich, bis die Verbindung messbar an Klemmkraft verloren hat.
Zahnscheiben unterbrechen diese Kette von Ereignissen, indem sie der Verbindung zusätzlich zu der Reibung, die sonst die ganze Arbeit leisten würde, einen mechanischen Halt verleihen. Anstatt sich ausschließlich auf die Oberflächenreibung zwischen dem Schraubenkopf und der Unterlegscheibe oder der Unterlegscheibe und dem Untergrund zu verlassen, greifen die Zähne physisch in beide Oberflächen und erzeugen so kleine mechanische Verriegelungen, die dem allerersten Strahl der Drehbewegung widerstehen, bevor sie beginnen kann. Da dieser erste Bewegungsabschnitt die Lockerungskaskade auslöst, hat ein frühzeitiges Stoppen einen übergroßen Einfluss auf die langfristige Gelenkzuverlässigkeit, verglichen mit dem, was die geringe Größe der Zähne vermuten lässt.
Der wesentliche physikalische Unterschied zwischen den beiden Waschmaschinentypen ist einfach darzulegen, hat jedoch weitreichende Konsequenzen. Bei einer Außenzahnscheibe sind entlang des Außendurchmessers Zähne geformt, die so verdreht sind, dass jeder Zahn eine scharfe Kante aufweist, die leicht aus der Scheibenebene herausragt. Bei einer Innenzahnscheibe wird diese Anordnung umgekehrt: Die Zähne sind entlang des Innendurchmessers nahe am Bolzenschaft oder Schraubenkörper eingestanzt und nach innen geneigt.
Da die äußere Zahnscheibe am äußeren Rand angreift, greift sie in einem größeren Kontaktkreis an der Auflagefläche unter dem Schraubenkopf oder der Mutter an. Dieser größere Kreis verteilt den Rotationswiderstand über einen größeren Bogen, was bei flachen, weicheren Materialien wie Blechgehäusen, lackierten Platten oder leichteren Legierungsgehäusen am meisten hilft. Im Gegensatz dazu konzentriert die Innenzahnscheibe ihren Biss unmittelbar um den Schaft herum, wodurch die Außenfläche der Unterlegscheibe relativ spurenfrei bleibt. Sie wird häufig dort bevorzugt, wo die sichtbare Oberflächenbeschaffenheit rund um das Befestigungselement wichtig ist, etwa bei Dekorplatten, Gerätegehäusen oder Verbindungen, bei denen der Außenrand nahe an einer anderen Komponente sitzt und keine hervorstehenden Zähne tolerieren kann.
Auch die Anzahl und der Winkel der Zähne spielen eine unterstützende Rolle. Bei den meisten geprägten Designs sind zwischen acht und einem Dutzend Zähne rund um den Ring angebracht, die jeweils leicht aus der Ebene gedreht sind, so dass sie unter Druck wie kleine auskragende Federn und auch als Schneidkanten wirken. Beim Anziehen des Befestigungselements werden die Zähne zunächst leicht abgeflacht, speichern Federenergie und greifen dann in die Oberfläche, wenn die volle Klemmkraft erreicht ist. Diese doppelte Wirkung, teils Feder und teils Schneidkante, ist der Grund, warum Zahnscheiben manchmal in die breitere Familie der Sicherungsscheiben neben Spaltringkonstruktionen eingeordnet werden, auch wenn der Mechanismus des Lösewiderstands deutlich anders ist. Eine geteilte Ringscheibe beruht fast ausschließlich auf der gespeicherten Federspannung, die gegen das Gewinde des Befestigungselements drückt, während eine gezahnte Unterlegscheibe zusätzlich zur Federspannung, die durch den Stanzvorgang entsteht, einen mechanischen Halt hinzufügt.
Die Materialauswahl wirkt sich auch auf die Zahnplatzierung aus. Auf einem härteren Untergrund wie dickem Baustahl haben sowohl Außen- als auch Innenzahnkonstruktionen Schwierigkeiten, tief einzudringen, und der praktische Leistungsunterschied zwischen ihnen verringert sich, da keine der Konstruktionen einen tiefen Halt im Grundmaterial erreicht. Auf einem weicheren Untergrund wie Aluminiumblech oder einer lackierten Gehäuseplatte ist der Unterschied deutlich ausgeprägter, da die Zähne tatsächlich in das Material einsinken können und nicht nur die Oberfläche zerkratzen. Dies ist einer der Gründe, warum erfahrene Monteure die Auswahl einer Zahnscheibe als eine verbindungsspezifische Entscheidung betrachten und nicht als pauschalen Standard, der für jedes Verbindungselement in einem Design gilt.
Bei der Lastverteilung werden die praktischen Konsequenzen der Zahnplatzierung am deutlichsten. Eine Unterlegscheibe unter einem festgezogenen Befestigungselement widersteht nicht nur der Drehung; Dadurch wird auch die Klemmkraft des Schraubenkopfs oder der Mutter auf das darunter liegende Material verteilt, sodass sich die Spannung nicht auf einen kleinen Punkt konzentriert. Der Durchmesser, bei dem die Zähne in Kontakt kommen, verändert den Radius dieser Ausbreitung.
Da die Außenzähne den größten verfügbaren Durchmesser für eine bestimmte Unterlegscheibengröße haben, verteilen sie den Biss über einen größeren Umfang, wodurch der Druck an jedem einzelnen Zahn bei gleicher Klemmkraft verringert wird. Innenzähne, die in einem kleineren Radius positioniert sind, konzentrieren bei gleichem Drehmoment mehr Kraft pro Zahn, was die lokale Bisstiefe erhöht, aber auch das Risiko von Oberflächenmarkierungen direkt um die Bohrung bei härteren oder dünneren Materialien erhöht.
Bei diesen Zahlen handelt es sich eher um illustrative als um Labormessungen, aber sie stellen ein Muster dar, das in der Verbindungsmontagepraxis immer wieder beobachtet wird: Unterlegscheiben mit einem breiteren Kontaktbiss verteilen die Klemmspannung über eine größere Grundfläche, was die Wahrscheinlichkeit verringert, dass sich die darunter liegende Oberfläche verformt oder das Befestigungselement mit der Zeit in weicheres Material einsinkt.
Die Lastverteilung hat noch einen Nebeneffekt, der leicht zu übersehen ist: Sie beeinflusst, wie gleichmäßig die verspannten Teile aneinander anliegen, wenn die Verbindung vollständig angezogen ist. Eine Unterlegscheibe, die ihren Lagerdruck auf einen schmalen Ring konzentriert, kann zu einer leichten Schaukelneigung führen, wenn die umgebende Oberfläche nicht vollkommen flach ist, da der Lastpfad durch ein kleines Kontaktband verläuft und nicht über eine größere Fläche gedämpft wird. Eine breitere Lageraufstandsfläche gleicht tendenziell kleine Oberflächenunregelmäßigkeiten aus, was einer der Gründe dafür ist, dass Außenverzahnungskonstruktionen häufig bei Baugruppen spezifiziert werden, bei denen die Gegenplatte aufgrund von Herstellungstoleranzen geringfügige Wellen aufweisen kann, wie z. B. bei gestanzten Blechabdeckungen oder extrudierten Gehäuseabschnitten.
Es gibt jedoch einen erwähnenswerten Kompromiss. Durch die Verteilung der Last auf einen größeren Bereich wird der Spitzendruck an jedem einzelnen Zahn verringert, was sich positiv auf die Vermeidung von Oberflächenschäden auswirkt, aber auch zu einer geringeren durchschnittlichen Bisstiefe im Vergleich zu einer Konstruktion führen kann, bei der die gleiche Klemmkraft auf einen kleineren Ring konzentriert wird. Dies ist der zentrale mechanische Kompromiss zwischen den beiden Unterlegscheibentypen: Außenzahnkonstruktionen begünstigen einen breiten, sanften Eingriff, der zum Schutz der umgebenden Oberfläche beiträgt, während Innenzahnkonstruktionen einen festeren, konzentrierteren Biss begünstigen, der der Rotation bei kleinerem Platzbedarf entgegenwirkt. Keiner der beiden Ansätze ist allgemein stärker; Jedes verschiebt einfach die Position des Gelenks auf der Druck-Flächen-Kurve.
Beide Zahnkonstruktionen werden in erster Linie wegen ihrer Widerstandsfähigkeit gegen Lockerung bei Vibration vermarktet. Die Haltbarkeit bei längerer Belastung unterscheidet sich jedoch geringfügig, da der Biss relativ zur Achse des Befestigungselements auftritt. Zähne, die näher am Bolzenschaft einer inneren Zahnscheibe positioniert sind, liegen näher am Drehpunkt jeder rotierenden Mikrobewegung, was ihnen einen mechanischen Vorteil im Frühzykluswiderstand verschafft. Zähne, die weiter außen auf einer Außenzahnscheibe positioniert sind, profitieren von einem längeren Hebelarm, der zu einer stabileren Langzeitretention führen kann, sobald der erste Biss in der Oberfläche verankert ist.
Die hier gezeigten Kurven spiegeln ein allgemeines Muster wider, das in vielen Gelenkstudien beobachtet wurde, und keine feste Garantie: Innenzahnscheiben beginnen aufgrund des kürzeren Hebelarms in der Nähe des Schafts häufig mit einem etwas stärkeren Frühbiss, während Außenzahnscheiben tendenziell langsamer abbauen, da ihr breiterer Bissradius einem Abrollen entgegenwirkt, selbst wenn einzelne Zähne teilweise abgenutzt sind. Keines der Muster macht ein Design allgemein überlegen; Die richtige Wahl hängt davon ab, ob an der Verbindung zu erwarten ist, dass sie starken anfänglichen Vibrationen ausgesetzt ist, beispielsweise beim ersten Einlaufen der Ausrüstung, oder ob sie über einen längeren Zeitraum hinweg, wie beispielsweise bei Maschinen im Dauerbetrieb, starken Vibrationen ausgesetzt sein wird.
Zahnscheiben sind auch nicht dazu gedacht, ein schlecht spezifiziertes Befestigungselement auszugleichen. Wenn der Bolzen- oder Schraubendurchmesser für die Belastung zu klein ist oder die geklemmten Materialien zu weich sind, um dem Drehmoment überhaupt standzuhalten, kann keine noch so große Zahngeometrie diese Abweichung vollständig ausgleichen. Sie sind eine Verfeinerung, die auf eine ansonsten korrekt dimensionierte Verbindung aufgetragen wird, und kein Ersatz für die korrekte Dimensionierung der Befestigungselemente.
Bei der Auswahl von Verbindungselementen kommt es selten auf eine einzelne Eigenschaft an. Ingenieure wägen gemeinsam die Oberflächenhärte, die Sichtbarkeit der fertigen Verbindung, das verfügbare Radialspiel und das erwartete Vibrationsprofil ab. Die folgende Tabelle fasst allgemeine Entscheidungspunkte aus der allgemeinen Versammlungspraxis zusammen.
| Rücksichtnahme | Externe Zahnscheibe | Interne Zahnscheibe |
|---|---|---|
| Bissradius | Außenrand, breiter Umfang | Innenbohrung, nah am Schaft |
| Oberflächenmarkierung | Breiterer Lichtmarkierungsring | Kleiner Ring nahe der Bohrung |
| Am besten auf | Weiche oder dünne Blechmaterialien | Härtere, dickere Verbindungsteile |
| Sichtbare Auswirkungen auf das Finish | Am Rand deutlicher erkennbar | Meistens unter dem Schraubenkopf versteckt |
| Typische Verwendung | Panelgehäuse, Halterungen | Elektrische Anschlüsse, kleine Baugruppen |
| Abstandsbedarf | Benötigt Platz am Rand | Passt in engere Bohrungsbereiche |
Gehäuse und Strukturhalterungen, die häufig aus dünnerem Blechmaterial hergestellt werden, tendieren zu Außenzahnkonstruktionen, da die breitere Nut die Klemmkraft verteilt, ohne die Platte zu verformen. Elektrische Anschlüsse und kompakte Gehäuse, bei denen die sichtbare Fläche sauber bleiben muss und der Platz um die Bohrung herum begrenzt ist, tendieren zu Innenverzahnungskonstruktionen. Keines der Muster ist eine strenge Regel; Es spiegelt die allgemeine Logik wider, die die Auswahl leitet, sobald die beiden mechanischen Verhaltensweisen verstanden sind.
Erdungs- und Masseverbindungen gehören zu den häufigsten Stellen, an denen Zahnscheiben außerhalb allgemeiner struktureller Befestigungen auftauchen. Da die Zähne beim Zubeißen eine leichte Oberflächenoxidation durchschneiden, werden beide Designs häufig für Klebeanwendungen verwendet, wobei die Wahl normalerweise vom verfügbaren Platz um die Anschlussfahne abhängt.
Eine einzelne Zahl erzählt selten die ganze Geschichte einer Verbindungselementkomponente, daher ist ein Vergleich mehrerer Attribute während des Auswahlprozesses oft nützlicher. Das nachstehende Radardiagramm zeigt fünf Attribute, die üblicherweise gegeneinander abgewogen werden: Vibrationsfestigkeit, Oberflächenschutz, Kantenhaltbarkeit, einfache Ausrichtung während der Montage und allgemeine Kosteneffizienz bei typischen Produktionsmengen.
Außenzahnscheiben erzielen tendenziell bessere Ergebnisse in puncto Vibrationsfestigkeit und Kosteneffizienz, da der größere Bissradius einem Lösen besser widersteht und der Prägevorgang für Außenzähne bei Volumen im Allgemeinen einfacher ist. Unterlegscheiben mit Innenverzahnung erzielen tendenziell bessere Ergebnisse beim Oberflächenschutz und bei der einfacheren Ausrichtung, da das kleinere Außenprofil den Rand von umgebenden Beschlägen fernhält und die Zähne sich bei der Montage natürlicher um den Schaft zentrieren. Die Kantenbissfestigkeit liegt nahe zwischen beiden, wobei sich der Vorteil je nach Härte des Gegenmaterials verschiebt.
Das Lesen eines solchen Diagramms ist am nützlichsten, wenn die Attribute entsprechend der spezifischen zu entwerfenden Verbindung gewichtet werden und nicht bei jeder Anwendung als gleich wichtig behandelt werden. Ein Designer, der an einer Strukturhalterung für den Außenbereich arbeitet, bei der Vibrationsfestigkeit und Langzeitzuverlässigkeit die kosmetischen Bedenken überwiegen, wird sich natürlich den Eigenschaften zuwenden, bei denen Außenzahndesigns besser abschneiden. Ein Designer, der an einem kompakten Elektronikgehäuse arbeitet, bei dem die sichtbare Naht um jede Schraube für das fertige Produkt von Bedeutung ist und der verfügbare radiale Raum knapp ist, legt mehr Wert auf den Oberflächenschutz und die einfache Ausrichtung und tendiert stattdessen zu Innenverzahnungsdesigns. Das Diagramm ist ein Ausgangspunkt für dieses Gespräch und kein endgültiges Urteil, da reale Projekte in der Regel mehrere dieser Attribute gleichzeitig gegeneinander abwägen, anstatt nur für eines zu optimieren.
Die Auswahl der richtigen Zahngeometrie ist nur die Hälfte einer erfolgreichen Verbindung. Ein paar praktische Kontrollen verringern das Risiko, dass eine Waschmaschine nach der Installation nicht mehr richtig funktioniert:
Diese Kontrollen sind bei allgemeinen Montagearbeiten üblich und gelten unabhängig davon, welche Zahngeometrie letztendlich gewählt wird. Das Weglassen dieser Unterlegscheiben ist eine häufigere Ursache für eine Lockerung der Verbindung als die Wahl des falschen Unterlegscheibentyps.
Sie werden in der Regel einzeln und nicht gestapelt verwendet, da jedes bereits für sich genommen ausreichend Biss bietet und durch das Stapeln unnötige Gelenkhöhe entsteht, ohne dass sich die Haltekraft proportional erhöht.
Die Platzierung der Zähne beeinflusst hauptsächlich die Verteilung der Klemmkraft, sobald das Befestigungselement fest angezogen ist, und nicht das Drehmoment, das zum Erreichen dieser Klemmkraft erforderlich ist. Allerdings kann eine etwas höhere Reibung auftreten, wenn die Zähne zu greifen beginnen.
Sie können auf beschichteten Oberflächen verwendet werden, allerdings durchbrechen die Zähne typischerweise die Beschichtung an den Kontaktpunkten, was zu erwarten ist, da der Biss davon abhängt, das darunter liegende Grundmaterial zu erreichen.
Unterlegscheiben mit Innenverzahnung tendieren dazu, sich leichter um den Schraubenschaft zu zentrieren, was die Ausrichtung bei wiederholter Montage im Vergleich zum Kontakt des Außenrandes bei Konstruktionen mit Außenverzahnung etwas beschleunigen kann.
Sie verringern die Wahrscheinlichkeit einer Lockerung durch Vibrationen, sind jedoch kein Ersatz für Schraubensicherungsverbindungen in Verbindungen, bei denen eine chemische Sicherung speziell für die Anwendung erforderlich ist.
