本发明涉及一种意在用于安装在螺钉/螺母系统中的金属锁定垫圈。
背景技术：
在使用螺钉/螺母系统的组装领域中，要求螺母不会松动。另外，例如具有径向脊的垫圈插置在由带螺纹的柄构件贯穿的待螺纹固定的元件与螺母之间，以增大棱纹垫圈、待螺纹固定的元件以及螺母之间的摩擦力。以这种方式，在螺母被拧紧之后，垫圈以大力保持在待螺纹固定的元件与螺母之间。另外，该垫圈的例如由振动引起的松动因为径向脊而被精确地制动。径向脊实际上使得接触表面之间的摩擦力增大。
这种径向脊还实施在具有两个垫圈冠的锁定垫圈上。这种锁定垫圈包括同轴地抵靠着彼此应用的两个垫圈冠，并且两个垫圈冠接合在支承元件与螺母之间。这些锁定垫圈中的每个锁定垫圈均具有接合面和与接合面相反的脊状承载面。接合面具有非对称的径向齿，该非对称的径向齿一方面具有齿顶部以及与该齿顶部在角度上间隔开的齿底部，另一方面具有两个相反的侧面。所述侧面中的一个侧面相对于由垫圈限定的中央面大致倾斜，并且所述一个侧面在齿顶部与齿底部之间成角度地延伸。所述一个侧面意在形成滑动侧面。使大致倾斜的侧面相对于中央面具有最大斜度的角度必须充分大于螺钉/螺母系统的螺旋角。另一侧面大致垂直于随后的齿的倾斜侧面，并且所述另一侧面构成止挡侧面。因此，垫圈冠的接合面意在抵靠着彼此应用，使得一方面，倾斜的滑动侧面分别地彼此接触，并且另一方面，止挡侧面分别地彼此邻接。
另外，当螺母被拧紧时，锁定垫圈被大力地保持在承载元件与螺母之间，并且随后使接合面在压力下轴向地抵靠彼此。然而，当螺母趋于松动时，由于径向脊的存在，螺母带动抵靠着该螺母进行支承的垫圈冠旋转，冠由此带动垫圈冠的滑动侧面抵靠另一垫圈冠的滑动侧面滑动，同时形成斜坡。以此方式，垫圈冠依照比螺母相对于螺钉的平移运动的模数更高的模数而彼此轴向地分离。并且在螺钉/螺母系统中施加的轴向张力显著地增大。因此，螺钉/螺母系统中产生的摩擦力大幅地增大并且引起螺母的抵抗旋转的锁定。更具体地，由于滑动侧部相对于螺钉/螺母系统的轴线以比该系统的螺旋角的角度更大的角度倾斜，因此一旦螺母在其松动时带动垫圈冠旋转，则使得该垫圈冠轴向地抵靠该螺母并且通过楔效应将该螺母锁定。
然而，由径向脊的实施产生的表面粗糙度在某些实施条件下并不能够实现用于制约螺钉的松动的足够高的摩擦力；其例如为相对的材料的硬度过高的情况。此外，径向脊还非常容易在相对的元件上留下痕迹并因此诱发金属材料中的初期断裂、特别是疲劳断裂。这些痕迹还对诸如复合材料之类的非金属元件不利。
另外，出现的并且本发明旨在解决的问题在于提供一种下述金属锁定垫圈：该金属锁定垫圈不仅能够增大接触面之间的摩擦力，并且能够保护支承在其上的相对的元件。
技术实现要素：
为此，本发明提出了一种金属锁定垫圈，该金属锁定垫圈用于安装在螺钉/螺母系统中以参与螺母与承载元件之间的接合，所述金属锁定垫圈具有适于与螺母和承载元件中的一者或另一者接触的接触面，所述接触面具有适于在螺母松动时抵靠螺母和承载元件中的一者或另一者产生摩擦的表面。根据本发明，接触面通过热投射所添加材料而涂覆有粗糙涂层，粗糙涂层形成粗糙表面，从而使金属垫圈的接触面与螺母和承载元件中的一者或另一者之间的摩擦力增大。
因此，由于提供了均匀地分布在垫圈的表面上的涂层，以脊或槽的形状形成的缺陷部(imperfection)，由此均匀分布的峰或谷出现，从而获得能够增大抵靠所述表面的摩擦力而不会因此引起对螺母或承载元件的损坏的均匀的粗糙度。通过根据本发明的涂层获得的相接触的表面的摩擦力优于例如通过在垫圈中机械地提供径向脊所能够获得的摩擦力。两个连续的脊或槽之间、或两个峰之间的距离平均而言例如包含在数十微米与一毫米之间。
此外，特别有利地，粗糙涂层的粗糙度r的平均深度高于十微米、并且优选地高于20微米。该值对应于槽的突出部与凹陷部之间的距离的平均值。其示出了粗糙表面的缺陷部的图案。该值与为两微米的缺陷部轮廓的算术平均偏差ra的值基本对应。该算数平均偏差的值与如下平均线相关联，该平均线为具有与表面大致平行的方向的直线，并且该平均线以关于确定的长度的相对于该平均线的偏差的平方和最小的方式对突出部与凹陷部进行划分。
另外，粗糙涂层有利地具有大于500hv的维氏硬度。以此方式，涂层的硬度在多数情况下都比金属垫圈的材料的硬度更高，由此，能够显著地提高对缺陷部的磨损和变形的抵抗力，并且因此维持粗糙度——例如即便是在安装与拆卸的交替中。
另外，根据特别有利的实施方式，在涂覆金属垫圈的表面之前将该表面进行清洁，从而增强涂层与表面之间的结合。所添加材料将有效地嵌入金属垫圈的凹凸中，并且因此使得涂层能够更好地锚固。
例如，金属垫圈的表面以机械方式被清洁。优选地，垫圈的表面经受最初的去脂。
根据本发明的特别优选的实施方式，金属锁定垫圈为扁平的。以本发明为例并根据本发明，分别对具有两个垫圈冠的垫圈的两个相背对的支承面进行处理。以此方式，这两个冠可以分别锚固在螺母中以及待拧紧的元件中，然而，这两个接合面适于抵靠彼此滑动。根据特定的实施方式，金属锁定垫圈为圆锥形，其为单件的或者具有两个垫圈冠，以维持螺钉/螺母系统中的轴向张力。
根据本发明的特别优选的实施方式，所添加材料为碳化钨或碳化铬。从而，获得维氏硬度在800hv至1500hv的范围内的涂层，并且因此涂层的磨损率非常低——即使是在拧紧操作与旋开操作之间的替换中。此外，所添加材料优选地还包括钴，并且借助于碳化钨，从而使维氏硬度变得甚至更高。
就热投射而言，所添加材料优选地通过等离子体来投射。
附图说明
通过参照附图阅读以下关于本发明的作为非限制性的、说明性的示例给出的特定实施方式的描述，本发明的其他特有的特征和优势将变得明显，在附图中：
-图1a为从上方观察的根据本发明的被涂覆的第一金属锁定垫圈的示意图；
-图1b为图1a中示出的金属垫圈的示意性轴视图；以及
-图2为根据本发明的被涂覆的第二金属锁定垫圈的示意图；
-图3为根据本发明的扁平金属锁定垫圈的示意图。
具体实施方式
本主题发明为一种金属锁定垫圈，该金属锁定垫圈至少有一个面的表面是粗糙的，以由此并行地增大在螺钉/螺母系统中相接触的各表面的摩擦力。
为此，接触面涂覆有粗糙涂层，其通过所添加材料的热投射来实现。这即为如何形成粗糙表面。
因此，借助于将所添加材料的粒子在高温下加速并输送至垫圈表面的载体气体，以所添加材料的粗糙涂层涂覆垫圈的表面。
有利地，可以使用通常的热投射技术。这种技术的示例包括等离子体式、通过喷射变形进行的投射、线材电弧(wire-arc)、冷投射(coldprojection)、或者通过爆炸喷枪。
等离子体技术使用等离子体焰炬，该等离子体焰炬使得所添加材料熔融并朝向待处理的表面加速以形成涂层。通过喷射变形进行的投射在于产生具有用于使所添加材料熔融并加速的非常高的气体喷射速度的火焰。线材电弧技术使用例如空气的冷气载体以及在两个由所添加材料的线材之间产生电弧的电源。在线材持续地展开的同时，材料熔融并且被载体气体夹带着碰撞待处理的表面。就冷投射而言，其包括使呈粉末形式的所添加材料以非常高的速度加速，以在所添加材料与待处理的表面冲击的过程中获得其热转化。就爆炸喷枪技术而言，其允许所添加材料的粒子在高温下非常迅速的加速。
呈粉末或线材形状的各种所添加材料都适合用于执行本发明的方法。例如注意下文中的被应用于锁定垫圈上的以wc标示的碳化钨。碳化钨还可以与钴或镍相结合以增大涂层的硬度。钴使得涂层将具有改善的抗腐蚀性，抗腐蚀性与化学成分、厚度和沉积物的孔隙率直接相关。显然，也可以考虑其他材料，只要该材料可以提供具有提高的硬度等级的涂层以及如所将要进行解释的粗糙表面。因此，示例包括碳化铬、氮化硼、氧化铬、氧化铝、或者某些陶瓷材料。
此外，有利地，待涂覆的金属垫圈的表面在涂覆之前被清洁。优选地，该表面还首先被去脂。这样的清洁进而能够改善涂层在金属垫圈上的锚固。该清洁可以例如通过喷砂或通过喷丸来实现。可以使用例如纯化学技术或者机械化学技术的其他表面处理技术，并且使得由镍铬制成的基础层沉积以能够实现涂层的良好锚固。所述层还能够对垫圈的抗腐蚀性进行改善，并且提高涂层的粗糙度。
因此，图1a和图1b中示出的圆锥形锁定垫圈10已经通过所添加材料的热投射以粗糙的涂层进行了涂覆，从而形成了粗糙表面。垫圈具有两个相反的面12、14，在利用作为所添加材料的碳化钨涂覆这两个相反的面12、14的各自的表面之前首先对这些表面进行清洁。
以此获得的涂层厚度为250μm，并且其维氏硬度为1000hv。此外，涂层的粗糙度r的平均深度为32.5μm，这与为6.5μm的算术平均偏差ra基本上相对应。通过这种粗糙度，涂层具有0.2的平均摩擦系数，并且因此，如将在下文说明的，在两种不同的操作模式中都获得了用于避免螺钉的松动的足够高的摩擦力。
此外，涂层具有极好的抗腐蚀性，并且其可以抵抗大约500℃的高温。
因此，在螺钉/螺母组件中对处于如下条件中的圆锥形锁定垫圈10进行了测试，该条件为：轴向张力为41,800牛顿、同时连续地交替进行五次拧紧操作与旋开操作。由此对使垫圈处于41,800牛顿的轴向张力下所必需的拧紧扭矩以及螺钉头抵靠承载元件的摩擦力这两者进行了测量。
与传统的、未被涂覆的金属垫圈相比较的结果将在下表i中显现。
表i
因此，所得出的与被涂覆的垫圈相关的螺钉头下面相对于锁定垫圈10的接触面的平均摩擦系数为0.24，而所得出的与未被涂覆的垫圈相关的螺钉头下面相对于锁定垫圈10的接触面的平均摩擦系数为0.15。另外，由于头部下面的摩擦越大，螺钉/螺母系统旋开的可能性高的风险越小，因此被涂覆的垫圈的优势将很清楚地显现。
因此，涂层具有非常高的硬度和粗糙度，该硬度和粗糙度高到足以确保材料中的所有材料抵靠彼此的机械锚固。该解决方案的优势在于产生了微机械锚固，从而确保所抵靠的材料的增大的、受控的且恒定的摩擦系数以及准独立(quasi-independent)——无论该材料是复合型的金属或非金属，无论该材料是干燥的、加油脂的或者甚至是被润滑过的；并且这样不产生易于引发裂纹的出现以及疲劳断裂的蔓延的表面缺陷。
此外，沉积物的厚度在确保其耐久性的同时维持为很小。沉积物经受的内部张力很小，并且其疲劳强度和捻缝强度较大——尤其在拧紧/旋开操作期间。此外，当垫圈为圆锥形时，沉积物可以耐受在拧紧/旋开操作期间的很强的弹性变形。
这种类型的涂层还实施在如图2中所示的具有两个垫圈冠的锁定垫圈20上。
垫圈20包括两个冠22、24，所述两个冠22、24同轴地抵靠着彼此应用并且接合在承载元件与螺钉头之间。冠22、24中的每一者均具有接合面26、28以及相反的被涂覆的承载面30、32。该相反的被涂覆的承载面30、32构成接触表面。接合面具有径向非对称的齿34，该径向非对称的齿34一方面具有齿顶部36和与齿顶部36在角度上间隔开的齿底部38，并且另一方面具有两个相背对的侧面40、42。侧面42中的一个侧面相对于由冠限定的中央面大致倾斜，并且该一个侧面在齿顶部36与齿底部38之间成角度地延伸。该一个侧面意在形成滑动侧面。使大致倾斜的侧面42相对于中央面具有最大斜度的角度必须充分大于螺钉/螺母系统的螺旋角。另一侧面40大致垂直于随后的齿部的倾斜侧面，并且另一侧面40构成止挡侧面。因此，垫圈冠的接合面26、28意在抵靠着彼此应用，使得一方面，倾斜的滑动侧面42分别地彼此接触，并且另一方面，止挡侧面40分别地彼此邻接。
与上文提到的圆锥形锁定垫圈10类似，相反的两个承载面30、32随后利用作为所添加材料的碳化钨涂覆。
因此，当具有两个垫圈冠的锁定垫圈20接合在螺钉头与承载元件之间时，使得相反的被涂覆的承载面30、32分别邻接在螺钉头和相反侧的承载元件上。借助于承载面32的粗糙度，与未被涂覆的锁定垫圈的情况相比，螺钉头抵靠承载面32中的一个承载面的摩擦系数以及另一承载面30抵靠承载元件的摩擦系数分别增大。
因此，当螺钉具有松动的倾向时，螺钉头将与承载面32中的一个承载面接合，并使得相应的垫圈冠22相对于另一垫圈冠24旋转，垫圈冠24的另一承载面30与承载元件保持接合。因此，两个垫圈冠22、24将趋于被带动为相对于彼此旋转，并且滑动侧面42抵靠彼此，这样，借助于与螺钉的楔效应可以阻止旋开过程。
以这种方式，通过粗制涂层，获得了对邻接面32、30的改善的锚固，并且因此改善了滑动面的滑动作用，这在本质上能够改善锁定。
已经在另一类型的圆锥形垫圈上进行了一系列的测试，其中，垫圈具有16mm的直径，同时根据不同的过程和不同的实施而利用不同的涂层对这些垫圈进行了涂覆。因此，除了等离子体技术以外，还使用了线材电弧技术。另外，除了碳化钨之外，还使用了碳化铬。应用了不同的厚度，并且应用了一件式或两件式。因此，获得了不同的表面粗糙度，并且在螺钉/螺母组件承受115,000牛顿的轴向张力的情况下，在第一次拧紧、第二次拧紧以及第三次拧紧之后进行了摩擦测量。
这些测试的结果在下文的表ii中给出。
表ii
编号为1至3的最开始这三个测试与根据第一工作过程借助于等离子体技术用碳化铬进行涂覆的一件式垫圈相对应，并且所对应的各自的厚度为：50μm、100μm和150μm。
编号为4至6的接下来的三个测试与根据所述第一工作过程借助于等离子体技术用碳化钨进行涂覆的一件式垫圈相对应，并且所对应的各自的厚度为：50μm、100μm和150μm。
编号为7和8的接下来的两个测试与根据所述第一工作过程借助于等离子体技术用碳化钨进行涂覆的两件式垫圈相对应，并且所对应的各自的厚度为：50μm、100μm。
编号为9和10的接下来的两个测试与根据另一工作过程借助于等离子体技术用碳化钨进行涂覆的一件式垫圈相对应，并且所对应的各自的厚度为：50μm、100μm。
编号为11至13的最后三个测试与根据三个不同的工作过程借助于线材电弧技术用碳化铬进行涂覆的垫圈相对应。无论何种情况，通过线材电弧技术获得的摩擦系数均优于通过其他技术获得的摩擦系数，并且这些摩擦系数是以最有利的成本获得的。
因此，与对应于具有相同尺寸的未被涂覆的圆锥形垫圈的参考摩擦系数0.150相比，利用被涂覆的垫圈获得了大于40％的增益。
此外，将10μm的片状锌粉沉积物有利地应用于通过线材电弧技术以碳化铬进行涂覆的垫圈上，以提高抗腐蚀性。
上述的示例是通过圆锥形锁定垫圈作出的，应该理解的是，如以上简要地讨论的本发明还可应用于包括两个垫圈冠的扁平锁定垫圈。在图3中公开的具有扁平构型的锁定垫圈20’即为扁平锁定垫圈的示例。锁定垫圈20’包括两个冠22’、24’，该两个冠22’、24’同轴地抵靠着彼此应用，并且意在例如应用于承载元件与螺钉头之间。冠22’、24’中的每一者均具有接合面26’、28’。相反的面30’、32’为被涂覆的承载面并且构成接触面。接合面26’、28’具有也被称为凸轮的径向非对称齿34’。非对称齿34’具有齿顶部36’以及与顶部36’在角度上间隔开的齿底部38’。图3a的虚线示意性地公开了齿底部38’和齿顶部36’的位置。因此，当锁定垫圈20’组装有两个冠22’、24’时，从图3a的锁定垫圈20’的位置处不能观察到齿顶部36’和齿底部38’。在图3a中还公开了接触表面30’和32’，如图3b中公开的，接触面30’定位在锁定垫圈20’的相反的侧面。齿顶部36’和齿底部38’如能够观察到的在角度上间隔开。即使齿顶部36’和齿底部38’在图3a和图3b中被公开为定位在相同的角度位置处，但这不是强制采用的。这为仅一个示例，并且应该理解的是，侧面40’可以关于垫圈的中心线43’成角度，并且其不需要具有直的形状，并且如下文所描述的，优选地，侧面40’定角度为大致垂直于侧面42’。另外，侧面42’相对于由冠限定的中央面大致倾斜，并且侧面42’在所述齿顶部36’与所述齿底部38’之间成角度地延伸。侧面42’意在形成滑动侧面。使大致倾斜的侧面42’相对于中央面具有最大斜度的角度必须充分大于其意在应用于的螺钉/螺母系统的螺旋角。另一侧面40’大致垂直于随后的齿部的倾斜侧面，并且该另一侧面40’构成了止挡侧面。因此，垫圈冠的接合面26’、28’意在用于抵靠彼此应用，使得一方面，倾斜的滑动侧面42’分别地彼此接触，并且另一方面，止挡侧面40’分别地彼此邻接。
因此，如通过以上说明书描述地，相对的两个面30’、32’利用粗制涂层涂覆。因此，当螺钉如上文所讨论地与垫圈20一起被旋开时，由于接触面30’、32’的涂层使摩擦力增大，因此将出现楔效应，并且因此使垫圈冠22’、24’相对于彼此旋转，从而产生楔锁效应。