ASME B18.21.1 ist die amerikanische Norm, die Maßanforderungen, physikalische Eigenschaften und Prüfverfahren für gängige zöllige Unterlegscheiben mit vereinheitlichtem Gewinde festlegt - in erster Linie spiralförmige Federringe (split/spring lock), Zahnscheiben und flache Unterlegscheiben. Dieses Dokument gibt Herstellern, Einkäufern, Konstrukteuren und Qualitätsingenieuren die Konsenskriterien an die Hand, die sie benötigen, um Unterlegscheiben zu spezifizieren, zu produzieren, zu prüfen und zu beschaffen, die sich bei der Montage und im Betrieb vorhersehbar verhalten.
Was die Norm abdeckt und warum sie wichtig ist
ASME B18.21.1 stellt die Maßtabellen, Bezeichnungsschemata, zulässigen Toleranzen, Erwartungen an die physikalischen Eigenschaften und referenzierten Prüfverfahren bereit, die für Unterlegscheiben erforderlich sind, die in Befestigungssystemen mit vereinheitlichtem Zoll verwendet werden. Sie standardisiert Elemente, die andernfalls von Anbieter zu Anbieter variieren könnten, und verringert so das Risiko bei der Konstruktion, Beschaffung und Installation vor Ort. Bei kritischen Baugruppen, bei denen Vibrationen, thermische Wechselbeanspruchung oder Sicherheit eine Rolle spielen, trägt die Spezifikation von Unterlegscheiben nach dieser Norm dazu bei, wiederholbare Leistung und Kompatibilität zwischen den Anbietern zu gewährleisten.
Die Veröffentlichungen des ASME B18-Komitees sind Teil einer Familie von Normen für Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben. B18.21.1 steht neben anderen ASME/ANSI-Spezifikationen für Verbindungselemente (z. B. B18.2.1 für Schraubenabmessungen) und verweist häufig auf etablierte Prüfnormen wie SAE J419 für Entkohlung und ASTM F1941 für galvanische Beschichtungen oder wendet diese an. Ingenieure legen oft mehrere Dokumente zusammen fest (die ASME-Abmessungsnorm plus Material- und Oberflächenstandards), um eine vollständige Einkaufsspezifikation zu erstellen.
Enthaltene Waschmaschinentypen und ihre Funktionen
Die Norm umfasst drei große Familien:
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Schraubensicherungsscheiben (geteilte, verdrillte Unterlegscheiben, gemeinhin als "split lock" oder "spring lock" bezeichnet): bieten axiale Federkraft und Biss, um ein Lösen bei Vibrationen zu verhindern.
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Zahnscheiben (Innen- oder Außenverzahnung): Sie verfügen über radial angeordnete Zähne, die die Reibung an den Gegenflächen und den Schraubenköpfen erhöhen.
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Flache Unterlegscheiben (verschiedene Serienbreiten und -dicken): dienen der Lastverteilung, dem Schutz von Oberflächen, der Festlegung von Abständen oder der Kontrolle der Auflagefläche.
Jede Familie ist weiter nach Serien unterteilt (normal, schwer, extra stark, mit hohem Kragen, schmal/weit), was den Konstrukteuren Optionen für die Steifigkeit und Passform der Klemmen bietet.
Umfangsgrenzen, Nenngrößen und Serienbezeichnungen
Die Maßtabellen der Norm umfassen Einheitszoll-Nenngewindegrößen innerhalb definierter Bereiche für jeden Scheibentyp. So sind beispielsweise spiralförmige Unterlegscheiben von sehr kleinen Einheitsgrößen bis hin zu mehreren Zoll tabelliert; Zahnscheiben haben ihre eigenen Größengrenzen. In den Tabellen werden Seriennamen verwendet, die die Profileigenschaften und die vorgesehene Belastbarkeit angeben (z.B. normal, extra duty). Da das Dokument viele präzise numerische Abmessungen und Toleranzen enthält, sollten Benutzer die spezifische Tabelle für die Scheibenfamilie und die Gewindenenngröße konsultieren, wenn es auf genaue Zahlen ankommt.
Bemessungskonzepte und das Lesen der Tabellen
Zu den in der Norm angegebenen Hauptabmessungen gehören:
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Innendurchmesser (ID) - Nennspiel über dem Hauptdurchmesser eines Schraubenschaftes oder Gewindes.
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Äußerer Durchmesser (OD) - Ausdehnung der Lagerfläche.
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Dicke (T) - Querschnittsdicke; bei schraubenförmigen Unterlegscheiben können zusätzliche Höhen (frei und zusammengedrückt) angegeben werden.
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Bezeichnung der Reihe - gibt Hinweise auf die Dicke und den Außendurchmesser im Verhältnis zum Nenndurchmesser.
Die Norm weist diesen Abmessungen Toleranzen zu; die Hersteller müssen die Toleranzen innerhalb der aufgeführten Grenzen halten, es sei denn, Käufer und Lieferant haben andere Werte vereinbart. Bei der Umsetzung einer Konstruktion in die Fertigung sollten die Konstrukteure die Baureihe wählen, die der erforderlichen Lagersteifigkeit und dem verfügbaren Platz in der Baugruppe entspricht.
Werkstoffe, Härte, Wärmebehandlungs- und Entkohlungsgrenzen
ASME B18.21.1 beschränkt die Anwender nicht auf ein einziges Material, sondern legt die physikalischen Eigenschaften und die Prüfungen zur Gewährleistung der Leistung fest. Typische Werkstoffe sind kohlenstoffarmer Stahl, legierter Stahl, rostfreie Stähle, Siliziumbronze und andere Kupferlegierungen, je nach Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit. Für schraubenförmige Federringe sind die erforderlichen Härtebereiche und Entkohlungsgrenzen enthalten. Wenn Eisenwerkstoffe gehärtet oder wärmebehandelt werden, verweist die Norm auf Messverfahren zur Entkohlung (z. B. SAE J419). Dies schützt vor Kohlenstoffverlust an der Oberfläche, der die Ermüdungsfestigkeit von Federringen verringern würde.
Typische Hinweise zu Materialeigenschaften (Zusammenfassung)
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Stahl mit niedrigem Kohlenstoffgehalt: Üblich für allgemeine Anwendungen, in der Regel mit spezifizierter Beschichtung geliefert.
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Legierter Stahl: wird verwendet, wenn größere Härte oder Federleistung erforderlich ist; kontrollierte Wärmebehandlung und Entkohlung.
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Rostfreier Stahl (Serie 300/400): wird verwendet, wenn Korrosionsbeständigkeit wichtiger ist als maximale Federkraft.
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Kupferlegierungen (Siliziumbronze, Nickel-Kupfer-Aluminium): werden gewählt, wenn galvanische Kompatibilität oder Marineeigenschaften erforderlich sind.
Veredelung, Beschichtung und Korrosionsschutz
Zu den von Einkäufern häufig genannten Oberflächenoptionen gehören Zinkbeschichtungen, Feuerverzinkung, schwarzes Oxid, Kadmium (aufgrund von Umweltvorschriften weniger verbreitet) und Spezialbeschichtungen wie Zink-Nickel. Da die Dicke der Beschichtung die Bohrungsabstände verändert und die Passform beeinträchtigen kann, sollten die Maßangaben der Norm und die referenzierten Beschichtungsspezifikationen (z. B. ASTM F1941 für galvanisch abgeschiedene Oberflächen) zusammen mit B18.21.1 gelesen werden. Einkäufer sollten die erforderliche Beschichtungsklasse angeben und ob bei Teilen mit hoher Härte ein Einbrennen nach der Beschichtung zur Wasserstoffentlastung erforderlich ist.
Herstellung, Inspektion und Prüfung, wie in der Norm gefordert
ASME B18.21.1 verweist auf Prüfverfahren für:
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Härteprüfungen an Federringen.
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Bewertung der Entkohlung von wärmebehandelten Unterlegscheiben aus Eisen (SAE J419).
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Maßkontrolle (Vermessung nach Tabellen).
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Beschichtungs- und Korrosionstests erfolgen häufig nach ASTM-Beschichtungsnormen oder nach vom Käufer vorgegebenen Methoden (Salzsprühnebel, Schichtdicke).
Die Qualitätsteams erstellen ihre Prüfpläne in der Regel auf der Grundlage der Normtabellen und zusätzlicher Anforderungen des Käufers (Stichprobenpläne, Loskennzeichnung, Materialzertifikate).
Praktische Auswahlkriterien für Beschaffung und Design
Bei der Auswahl einer Unterlegscheibe, die der ASME B18.21.1 entspricht, ist Folgendes zu beachten:
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Nennweite des Gewindes des Gegenbefestigungselements (passende ID-Serie auswählen).
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Steifigkeit der Klemme erforderlich (Federscheiben bieten eine höhere axiale Nachgiebigkeit als einfache Unterlegscheiben).
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Oberflächenbeschaffenheit und Umwelt (wählen Sie korrosionsbeständige Materialien oder spezielle Beschichtungen).
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Versammlungsraum (einige Serien haben höhere Kragen oder dickere Abschnitte).
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Interaktion mit dem Drehmoment (einige Sicherungsscheiben verändern das Drehmomentverhalten).
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Regulatorische oder branchenspezifische Zwänge (z. B. verbotene Beschichtungen, Rückverfolgbarkeit in der Luft- und Raumfahrt).
Fordern Sie Produktionsunterlagen des Herstellers, Härtezertifikate und Beschichtungszertifikate an, wenn Baugruppen rückverfolgbare Qualität erfordern. Kommerzielle Anbieter kennzeichnen ihre Produktliteratur in der Regel mit der ASME-Kennzeichnung, um die Konformität anzuzeigen.
Installation, Drehmoment-Interaktion und Leistungsüberlegungen
Federsicherungsscheiben verringern das Risiko des Lösens, indem sie die axiale Vorspannung und die Reibung an den Lagerflächen erhöhen. Dennoch unterstreichen moderne Studien und Best-Practice-Empfehlungen, dass Sicherungsscheiben kein universeller Ersatz für eine ordnungsgemäße Konstruktion der Verbindung sind. Bei vielen Anwendungen kann die Verwendung einer Mutter mit dem vorherrschenden Drehmoment, eines gewindesichernden Klebstoffs oder einer mechanischen Sicherungsvorrichtung eine bessere Haltbarkeit bei wiederholten Vibrationen oder Temperaturschwankungen bieten. Bei der Verwendung von schraubenförmigen oder gezahnten Unterlegscheiben sollten die Drehmoment-Drehungs-Kurven während der Prototypversuche ausgewertet und sichergestellt werden, dass die Unterlegscheibe nicht so weit abgeflacht wird, dass sie unter den erwarteten Klemmlasten ihre Federwirkung verliert.
Qualitätssicherung, Rückverfolgbarkeit und Anforderungen des Käufers
Eine solide Beschaffungsspezifikation kombiniert ASME B18.21.1 (Abmessungen und physikalische Anforderungen) mit:
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Werkstoffspezifikationen (z. B. ASTM A- und/oder UNS-Nummern).
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Kontrolle des Wärmebehandlungsprozesses und Abnahmekriterien sowie SAE J419-Entkohlungsprüfungsergebnisse für wärmebehandelte Teile.
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Beschichtungsstandard und Akzeptanz der Korrosionsbeständigkeit (ASTM oder Mil-spec, wo anwendbar).
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Anforderungen an Verpackung, Loskennzeichnung und Konformitätsbescheinigung (CoC).
Vorgabe von Stichprobenplänen oder Inspektion 100% für kritische Teile; Forderung nach aufbewahrten Aufzeichnungen zur Rückverfolgbarkeit bei sicherheitskritischen Baugruppen.
Unterschiede zu internationalen Normen
Es kann internationale Entsprechungen geben, die sich jedoch in den Maßreihen und der Toleranzphilosophie unterscheiden. ISO- oder EN-Normen für Unterlegscheiben verwenden metrische Basisgrößen und manchmal unterschiedliche Definitionen von Serien. Bei globalen Beschaffungen sollten Sie die Nenngrößen sorgfältig umrechnen und entweder die Konformität mit der ASME B18.21.1 oder mit der gewählten ISO/EN-Norm verlangen; mischen Sie niemals Tabellen ohne Überprüfung. Bei hybriden Baugruppen, die sowohl metrische als auch zöllige Verbindungselemente verwenden, sind Unterlegscheiben zu bevorzugen, die für das entsprechende Gewindesystem spezifiziert sind, um Spiel- oder Interferenzprobleme zu vermeiden.
Typische Anwendungen, Fehlerarten und Abhilfemaßnahmen
Anwendungen: Allgemeiner Maschinenbau, HVAC, Kfz-Reparatur, strukturelle Verbindungen, elektrische Geräte, Befestigungen für schwere Geräte.
Häufige Fehlerarten: Abflachung der Unterlegscheibe (Verlust der Federwirkung), Korrosion/Lochfraß, der zu einem Verlust des Bisses führt, entkohlungsbedingte Oberflächenschwäche bei wärmebehandelten Teilen, falsche Passform aufgrund der Schichtdicke oder falscher Serienwahl.
Milderung: korrosionsbeständige Werkstoffe angeben, Entkohlungsprüfungen für gehärtete Unterlegscheiben vorschreiben, Drehmomentprüfungen für Prototypen durchführen und Toleranzen für die Beschichtungsdicke in die Maßangaben aufnehmen.
Schnellreferenztabellen
Tabelle A - Waschmaschinenfamilien und typische Verwendung (Zusammenfassung)
| Familie Waschmaschine | Typische Verwendung | Vorteile | Wichtigste Vorsichtsmaßnahme |
|---|---|---|---|
| Spiralförmiges Schnappschloss | Verhindert Lockerung bei leichter bis mittlerer Vibration | Erhöht die axiale Nachgiebigkeit und den Biss | Abflachung verringert Wirksamkeit |
| Externes Zahnschloss | Hohe Reibung an der Berührungsfläche | Gut für lackierte oder weiche Oberflächen | Zähne können Oberfläche beschädigen |
| Interne Zahnsperre | Biss unter Schraubenkopf oder Mutter | Hält das Profil niedrig | Nicht geeignet für Grobgewinde ohne Passungsprüfung |
| Flache Unterlegscheibe | Lastverteilung, Abstände | Schützt Oberflächen, reduziert Lagerbelastung | Keine Lockerungsschutzfunktion |
(Diese Tabelle fasst typische technische Verwendungszwecke zusammen; die genaue Zuordnung von Größe und Serie ist der Norm zu entnehmen).
Tabelle B - Checkliste für die Materialauswahl
| Umwelt | Bevorzugte Materialien/Verarbeitung | Anmerkungen |
|---|---|---|
| Allgemeines Interieur | Kohlenstoffstahl, verzinktes Blech (gemäß ASTM F1941 Klassen) | Wirtschaftlich; Kontrolle der Wasserstoffversprödung bei gehärteten Teilen |
| Marine/korrosiv | Edelstahl 316 / 316L oder Duplex, oder geeigneter beschichteter Stahl | Verwenden Sie kompatible Verbindungselemente, um galvanische Korrosion zu vermeiden. |
| Hohe Temperatur | Legierte Stähle mit Hochtemperaturbeschichtungen oder Hochtemperaturbronze | Überprüfung der Beschichtungsstabilität und der mechanischen Eigenschaften |
| Elektrischer Kontakt | Kupferlegierungen (Siliziumbronze) | Leitfähigkeit und Kompatibilität der Beschichtung berücksichtigen |
(Siehe ASME B18.21.1 für die erwarteten Materialeigenschaften für jede Scheibenfamilie).
Tabelle C - Kommissionierreihen nach Konstruktionsanforderungen (vereinfacht)
| Anforderung | Bevorzugter Serientyp |
|---|---|
| Enger Raum, niedriges Profil | Schmale/regelmäßige Unterlegscheiben oder Zahnscheiben mit niedrigem Bund |
| Hohe Vibrationsfestigkeit und moderate Klemmung | Serie der besonders belastbaren Spiralfederschlösser |
| Maximale Auflagefläche | Breite Unterlegscheibenserie |
| Oberflächenschutz + Anti-Lockerung | Verwenden Sie eine Unterlegscheibe und Schraubensicherung oder eine Überwurfmutter. |
Checkliste für den Einkauf
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Geben Sie in der Bestellung die Einhaltung der ASME B18.21.1 an.
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Fügen Sie bei Bedarf Materialspezifikationen (ASTM- oder UNS-Nummer), Wärmebehandlungsanforderungen und Härtebereich hinzu.
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Geben Sie die Oberflächen-/Beschichtungsnorm und die erforderliche Salzsprühnebelzeit oder Beschichtungsklasse an (beziehen Sie sich auf ASTM F1941, wenn es sich um eine galvanische Beschichtung handelt).
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Für wärmebehandelte Federringe ist ein Entkohlungszertifikat gemäß SAE J419 erforderlich.
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Festlegung des Probenahme-/Inspektionsplans und der erforderlichen Dokumentation (CoC, Materialprüfberichte).
Häufig gestellte Fragen (FAQs)
1) Bezieht sich die ASME B18.21.1 nur auf Zollabmessungen?
Ja. B18.21.1 deckt Unterlegscheiben in Einheitszoll ab. Für metrische Unterlegscheiben konsultieren Sie ISO/EN-Dokumente, die metrische Unterlegscheibenfamilien abdecken.
2) Kann ich die Federscheibe durch eine einfache Unterlegscheibe ersetzen?
Nur wenn die Konstruktion keine Federwirkung oder Verdrehsicherung erfordert. Glatte Unterlegscheiben verteilen die Last, fügen aber keine axiale Federkraft hinzu. Beim Wechsel des Scheibentyps werden Prototypentests empfohlen.
3) Welchen Stellenwert hat SAE J419?
SAE J419 bietet Methoden zur Messung der Entkohlung in Eisenteilen; B18.21.1 verweist darauf, wenn Entkohlungsgrenzen für wärmebehandelte Federscheiben gelten. Fordern Sie bei der Bestellung von gehärteten Unterlegscheiben Prüfberichte an.
4) Verändert die Beschichtung die Abmessungen der Unterlegscheibe?
Ja. Galvanisch abgeschiedene Beschichtungen erhöhen die Dicke, was sich auf Bohrungsspiel und Passungen auswirken kann. Geben Sie die Beschichtungsklasse an und ob die Nennmaße Zugaben für die Beschichtung einschließen oder ausschließen sollen. ASTM F1941 deckt die Klassen der galvanisch abgeschiedenen Beschichtungen ab, die üblicherweise bei Verbindungselementen verwendet werden.
5) Sind Unterlegscheiben in der beruflichen Praxis verboten?
Nicht branchenweit verboten. Einige Branchen bevorzugen alternative Verriegelungsmethoden auf der Grundlage von Testdaten. Wählen Sie die Verriegelungsmethode anhand von Daten aus Prototyp- und Feldtests für die jeweilige Verbindung.
6) Wie kann ich das Risiko der Wasserstoffversprödung kontrollieren?
Für beschichtete Teile mit hoher Härte ist ein geeignetes Einbrennen nach der Beschichtung erforderlich oder es werden mechanische Zinkverfahren empfohlen, die eine Wasserstoffaufnahme vermeiden. Siehe ASTM F1941 und Empfehlungen der Industrie für die Beschichtung.
7) Erhalte ich volle Austauschbarkeit zwischen den Lieferanten, wenn ich B18.21.1 spezifiziere?
Die Angabe der Norm verbessert die Austauschbarkeit erheblich, aber geben Sie auch Einzelheiten zu Material und Ausführung an, um Überraschungen zu vermeiden. Bestimmte Serien oder Ausführungen sind möglicherweise nicht bei allen Anbietern auf Lager.
8) Welche Kontrollnachweise sollte ich verlangen?
Typische Nachweise: Materialzertifikate, Härteprüfberichte, Entkohlungsprüfberichte (falls wärmebehandelt), Schichtdickenmessung, Maßprüfungsbericht. Fügen Sie bei Bedarf eine Chargenrückverfolgbarkeit hinzu.
9) Wie verhalten sich Zahnscheiben zu lackierten Oberflächen?
Zahnscheiben verbeißen sich in den Lack und das Substrat, was die Reibung erhöht, aber den Korrosionsschutz des Lacks verringern kann. Wenn die Unversehrtheit der Oberfläche wichtig ist, sollten Sie Konstruktionen in Betracht ziehen, die Beschichtungen schützen, oder Alternativen verwenden.
10) Was ist das beste Verfahren für zuverlässige Verbindungen?
Verwenden Sie einen Systemansatz: die richtige Scheibenfamilie, das richtige Material/die richtige Oberfläche, die richtige Drehmomentspezifikation und empirische Tests unter den zu erwartenden Belastungen und Umgebungsbedingungen. Verriegelungselemente sind nur eine Komponente einer robusten Verbindung.
Abschließende praktische Anmerkung
Bei Konstruktionszeichnungen und Beschaffungen ist der Wortlaut anzugeben: "Unterlegscheibe: ASME B18.21.1 [Jahresausgabe], Unterlegscheibenfamilie [Schraubenfeder / Zahn / glatt], Gewindenenngröße, Serie (z.B. normal, besonders belastbar), Material (z.B. Kohlenstoffstahl, ASTM Axxx oder UNS xxx), Oberfläche (ASTM F1941 Klasse oder andere), Entkohlung und Härteanforderungen (gemäß SAE J419, falls zutreffend), Stichprobenplan und erforderliche Zertifikate." Diese kompakte Formulierung verhindert Unklarheiten und reduziert das Hin und Her mit den Lieferanten.
Maßgebliche Referenzen
- ASME - B18.21.1: Unterlegscheiben, spiralförmige Federring-, Zahnring- und glatte Unterlegscheiben (offizielle Seite von ASME)
- SAE International - J419: Methoden zur Messung der Entkohlung (SAE J419-Norm)
- ASTM / ANSI - F1941/F1941M: Elektrolytisch abgeschiedene Beschichtungen auf Gewindeschrauben (Beschichtungsspezifikation)
