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Die Erfindung bezieht sich auf eine einen Muttergewindeteil und einen Bolzengewindeteil umfassende Kegelgewindeverbindung. In dem Patent Nr. 193827 ist eine Kegelgewindeverbindung dieser Art beschrieben, die sich dadurch auszeichnet, dass im unbelasteten Zustand entweder eines der Gewinde oder beide Gewinde in jeweils ungleicher Weise von einem normalen Kegelgewinde derart abweichen, dass dann, wenn der Bolzengewindeteil von Hand aus in den Muttergewindeteil eingeschraubt worden ist, d. h.
ohne das Gewinde fest anzuziehen, die am weitesten aussen liegenden inneren Flanken des Muttergewindes die am weitesten aussen liegenden äusseren Flan-
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die andern Flanken nicht berühren, und dass nach dem festen Aufschrauben des Muttergewin- deteils auf den Bolzengewindeteil, das jedoch ohne plastische Verformung zu erfolgen hat, die inneren Flanken des Muttergewindes und die mit diesen zusammenwirkenden äusseren Flanken des Bolzengewindes stärker belastet sind als die übrigen Flanken.
Unter den "äusseren" bzw. den "inneren" Flanken der Gewindegänge sind hier diejenigen Flanken zu verstehen, die von der Mitte des Gewindes abgewandt bzw. der Mitte des Gewindes zugewandt sind ; unter einem "normalen" Kegelgewinde wird hier ein Gewinde verstanden, bei dem der Kegelwinkel und die Steigung über die ganze Länge des Gewindes gleich bleiben. Der Ausdruck "Gewinde" bezeichnet hier lediglich den innerhalb der Gewindeverbindung in Eingriff stehenden Teil des Gewindes.
Die erwähnte Gewindeverbindung bietet Vorteile gegenüber den bekannten A. P. I."- (Ame- rican Petroleum Institute-)-Gewinde für Werkzeugverbindungen, denn sie lässt sich stärker belasten und ist widerstandsfähiger gegenüber ver- änderlichen Biegebeanspruchungen, weil bei ihr die Gewindegänge innerhalb der Gewindeverbindung gleichmässiger belastet sind, an der Wurzel des Gewindeganges keine Keilwirkung auftritt und der mit Gewinde versehene Teil des Bolzens auf Druck beansprucht ist.
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Erkenntnis, dass, falls keine stark schwankenden Biegebeanspruchungen zu berücksichtigen sind, die Keilwirkung des A. P. I"-Gewindes auch auf anderer Weise als in dem Patent Nr. 193827 angegeben, vermieden werden kann ; in diesem
Fall wird der Bolzenteil nicht auf Druck, sondern auf Zug beansprucht.
Bei der Kegelgewindever- bindung gemäss der Erfindung weicht mindestens eines der zusammenarbeitenden Gewinde im un- belasteten Zustand von einem normalen Kegel- gewinde ab, - wobei im Falle der Abweichung beider Gewinde diese Abweichungen ungleich sind-, u. zw. derart, dass im Falle der Bolzenteil nur von Hand aus in den Mutterteil einge- schraubt ist (unbelasteter Zustand), die am wei- testen aussen liegenden äusseren Flanken des Mut- tergewindes die am weitesten aussen liegenden in- neren Flanken des Bolzengewindes berühren, wo- gegen sich die übrigen Flanken nicht berühren.
Nach dem festen Aufschrauben des Mutterteils auf den Bolzenteil, das jedoch ohne plastische
Verformung zu erfolgen hat (belasteter Zustand), sind die äusseren Flanken des Muttergewindes und die inneren Flanken des Bolzengewindes stärker belastet als die übrigen Flanken. Im Hinblick auf die einfachere Herstellung ist es erwünscht, dass entweder der Bolzenteil oder der Mutterteil mit einem normalen Kegelgewinde versehen wird. Die Gewindegänge des Bolzenteils und des Mutterteils sollen also im unbelasteten Zustand bestimmte Unterschiede aufweisen ; hinsichtlich der erzielten Wirkung ist es unwesentlich, ob diese Unterschiede dadurch erhalten werden, dass man das Bolzengewinde, das Muttergewinde oder beide Gewinde abweichend von dem normalen Kegelgewinde herstellt.
Diese Abweichungen im unbelasteten Zustand der Gewindeverbindung ähneln denjenigen, die in dem Patent Nr. 193827 beschrieben sind, nur ist bei der vorliegenden erfindungsgemässen Gewindeverbindung die Lage insofern umgekehrt, als der Bolzenteil der Zugspannung und der Mutterteil der Druckspannung ausgesetzt ist.
Beispielsweise kann man eine örtliche Ände- rung der Steigung bei wenigstens einem der beiden Gewinde in der Nähe der Mitte vorsehen, oder die Steigung der Gewindegänge am schwächeren Ende des Bolzenteils und am entsprechenden Abschnitt des Mutterteils kann grösser sein' als die Steigung der Gewindegänge am stärkeren Ende des Bolzenteils und an dem entsprechenden Abschnitt des Mutterteils. Falls die ineinander-
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greifenden Teile des Gewindes des Bolzenteils und des Mutterteils die gleiche Steigung aufweisen, soll sich der Bolzenteil am stärkeren Ende mehr und am schwächeren Ende weniger verjüngen als die Kegelform des Muttergewindes.
Sowohl das Bolzengewinde als auch das Muttergewinde können eine konstante Steigung aufweisen, wobei die Steigung des Bolzengewindes etwas kleiner ist als diejenige des Muttergewindes ;
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dickeren Ende weniger stark und am dünneren Ende stärker verjüngen als das Kegelgewinde des Mutterteils.
Ferner kann im unbelasteten Zustand zwischen
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Steigungsunterschied bestehen, der von der Mitte des Gewindes zu den beiden Enden hin abnimmt, wobei in der Mitte des Gewindes die Gewindesteigung des Mutterteils grösser ist als die des Bolzenteils. Vorzugsweise wird der Bolzenteil mit
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Änderung des Steigungsunterschiedes von Bolzenund Mutterteil kontinuierlich gewählt.
Die Erfindung ist im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfindungsgemässe Gewindeverbindung, bei der die beiden Teile fest miteinander verschraubt sind, das Gewinde also fest an-
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zeigen für verschiedene Ausführungsbeispiele jeweils einen Querschnitt durch einen Teil einer erfindungsgemässen Gewindeverbindung vor dem festen Anziehen des Gewindes, wobei die beiden
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schraubt sind (unbelasteter Zustand).
Fig. 1 zeigt eine fest zusammengeschraubte Gewindeverbindung, z. B. zwischen zwei Bohrkragen 1 und 3, unterhalb deren ein Bohraggregat mit Turbinenantrieb angeordnet ist. Es sei bemerkt, dass die Bohrkragen bei einer solchen
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trieben wird, unterschiedlichen Biegebeanspruchungen ausgesetzt sind, und dass es daher vorzuziehen ist, eine Gewindeverbindung zu verwenden, wie sie in dem Patent Nr. 193827 beschrieben ist.
Der Bohrkragen 1 trägt einen Bolzengewindeteil 2, der fest in einem Muttergewindeteil 4 des andern Bohrkragens 3 eingeschraubt ist. Ferner weist der Bohrkragen 1 eine Schulter 5 auf, die auf eine Schulter 6 des Muttergewindeteils 4 eine Kraft L überträgt. Der Bolzengewindeteil 2 trägt ein Gewinde 7, das in ein Gewinde 8 des Mut-
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Bohrkragen ist bei 9 angedeutet. Die inneren Flanken des Bolzengewindes 7 berühren die äu- sseren Flanken des Muttergewindes 8 und stehen
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ein - schrau-benlinienförmiger Spalt vorhanden.
Neben den inneren Kräften K und L können auf die Ge- windeverbindung auch äussere Kräfte wirken, die in der Zeichnung jedoch nicht angedeutet sind.
Während die äusseren Kräfte als gegeben angenommen werden, kann man die inneren Kräfte unter Berücksichtigung der zulässigen Beanspruchungen wählen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten belasteten Zustand ist im Vergleich zum unbelasteten Zustand (durch die Wirkung der axialen Komponenten der inneren Spannungen) der Bolzen 2 auf Zug und der Muttergewindeteil auf Druck beansprucht ; die Enden des Muttergewindeteils 4 sind infolgedessen näher an die Mitte Al des Gewindes herangerückt, wogegen sich die En-
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weiter entfernt haben. Zusätzliche Verformungen ergeben sich aus der Wirkung der radialen Komponenten der inneren Kräfte.
Die Verformungen und relativen Verschiebungen lassen sich aus den Materialeigenschaften berechnen.
Wenn man nunmehr den Bolzenteil nur von Hand aus in den Mutterteil einschraubt (unbelasteter Zustand), werden sich die äusseren belasteten Flanken (gemäss den Fig. 2 und 3) bei A und B an den beiden Enden theoretisch längs einer Linie berühren, wogegen zwischen den übrigen Flanken, u. zw. sowohl zwischen den unbelasteten als auch zwischen den belasteten, ein offener Spalt verbleibt. Unter den "belasteten" Flanken sind hier die inneren Flanken des Bolzengewindes
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verstehen ; bei den "unbelasteten" Flanken handelt es sich um die entsprechenden andern Flanken.
Die axiale Breite des Spaltes zwischen den belasteten Flanken müsste jetzt für jeden Punkt im wesentlichen dem Gesamtwert der beim festen Anziehen des Gewindes eintretenden, berechneten Längung des Bolzenteils zwischen dem betreffenden Punkt und dem Ende des Bolzengewindes und der berechneten Verkürzung des Muttergewindes zwischen dem betreffenden Punkt und dem Ende des Muttergewindes entsprechen. In diesem Falle ist dasjenige Ende zu wählen, das gegenüber der Mitte M auf der gleichen Seite liegt wie der betrachtete Punkt. Die Spaltbreiten werden ausserdem durch die radialen Komponenten der inneren Kräfte beeinflusst.
In Fig. 2 handelt es sich bei dem Gewinde 7 des Bolzenteils 2 um ein normales Kegelgewinde ; die Linien 10 und 11, die in der Querschnittsdarstellung die Scheitel bzw. die Fusspunkte des Gewindes verbinden, verlaufen geradlinig und parallel zueinander. Die berechneten Spaltbreiten
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dem man von dem Gewinde 7 ausgeht. Auf diese Weise wird. die Lage der äusseren Flanken des Gewindes 8 des Mutterteils 4 bestimmt. In Fig. 2 sind diese äusseren Flanken durch Vollinien dargestellt.
In einem gewissen Ausmass hat man nun freie Wahl bezüglich der Lage der inneren Flanken des Gewindes 8 des Mutterteils 4, die in
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Querschnittsdarstellung die Fusspunkte des Gewindes 8 verbindet, eine gerade Linie, die parallel zu den Linien 10 und 11 verläuft, wobei der Abstand zwischen dem Punkt P und der Linie 12 grösser ist als der Abstand zwischen den Linien 10 und 11. Die Linie 13, welche in der Querschnittsdarstellung die Scheitel des Gewindes 8 verbindet, ist daher von der Linie 12 in der Mitte M weiter entfernt als an den Enden des Gewin-
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;8 somit grösser als an den Enden. Die Steigung des Gewindes 8 ändert sich allmählich und die Änderung des Steigungsunterschiedes zwischen dem Bolzengewinde und dem Muttergewinde erfolgt ebenfalls allmählich.
Die Gewinde 7 und 8 haben an den Enden des Gewindes, d. h. bei A und B, im wesentlichen die gleiche Steigung.
Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, für die inneren Flanken des Gewindes eine andere Lage zu wählen ; beispielsweise könnte die Linie
12 eine unregelmässige Form aufweisen ; ferner kann man die Linien 12 und 13 derart wählen, dass das Gewinde 8 in an sich bekannter Weise eine konstante Steigung hat, die grösser ist als die
Steigung des Gewindes 7, oder derart, dass das Gewinde 8 zwar eine konstante Steigung hat, jedoch in der Mitte eine örtliche Änderung der Steigung aufweist.
Die zuletzt genannten Möglichkeiten sind in Fig. 3 dargestellt, wo jedoch der Mutterteil 4 mit einem normalen Kegelgewinde 8 versehen ist, für das die geraden Linien 12 und 13 gelten, wogegen das Bolzengewinde 2 Abweichungen zeigt. Die belasteten Flanken des Bolzengewindes 2 werden aufgetragen, indem man von den Flankenspalten al'a2'aa, a4'a und a6 ausgeht. Für die unbelasteten bzw. die äusseren Flanken sind zwei Möglichkeiten dargestellt, so dass in Fig. 3 zwei verschiedene Gewinde 7'bzw. 7"für den Bolzenteil 2 zu erkennen sind ; die äusseren Flanken des Gewindes 7'sind als gestrichelte Linien gezeichnet, während die äusseren Flanken des Gewindes 7" durch strichpunktierte Linien angedeutet sind.
Das Gewinde 7'hat eine konstante Steigung, die kleiner ist als diejenige des Gewindes 8 des Mutterteils 4 ; die Linien 10'und 11', welche in der Querschnittsdarstellung die Scheitel bzw. die Fusspunkte des Gewindes 7'verbinden, sind in Richtung nach rechts etwas konvex, d. h. das Gewinde 7'verjüngt sich am stärkeren Ende des Bolzenteils 2 weniger stark und am schwächeren Ende des Bolzenteils stärker als das Kegelgewinde des Mutterteils 4.
Das Gewinde 7" hat eine konstante Steigung, die ebenso gross ist wie diejenige des Gewindes 8 des Mutterteils 4, doch ist in der Mitte M eine örtliche Änderung der Steigung vorhanden, die durch eine einzige Gewinderille von geringerer Steigung gebildet wird ; die Linien 10" und 11", die in der Querschnittsdarstellung die Scheitel bzw. die Fusspunkte des Gewindes 7" verbinden, sind derart gebogen bzw. geknickt, dass sich das Gewinde 7" am stärkeren Ende des Bolzenteils 2 stärker und am schwächeren Ende weniger stark verjüngt als das Kegelgewinde des Mutterteils 4.
Es sei bemerkt, dass die Abweichungen in den Zeichnungen stark übertrieben dargestellt sind.
Ferner sind in den Fig. 2 und 3 die Abflachungen an den Scheiteln der Gewinde und am Gewindegrund nicht dargestellt. Diese Abflachungen, die
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zu verhindern ; auch der flache Teil 14 zwischen der Schulter 5 und dem Gewinde 7 dient dem gleichen Zweck. Der flache Teil 15 am Ende des Bolzenteils 2 sowie der flache Teil 16 am Ende des Mutterteils 4 dienen als Verstärkungen für die schwachen Enden des Bolzenteils 2 bzw. des Mutterteils 4.
In Fig. 1 könnten die Spalte zwischen den unbelasteten Flanken auch geschlossen sein, wobei diese Flanken jedoch keine Kräfte oder nur solche Kräfte übertragen, die im Vergleich zu den Kräften K klein sind. Man kann dann berechnen, wie gross diese Spalte zwischen den unbelasteten Flanken werden, wenn man den Bolzenteil nur mit der Hand in den Mutterteil einschraubt ; auf diese Weise lassen sich nicht nur die axialen Spalte zwischen den belasteten Flanken, sondern auch diejenigen zwischen den unbelasteten Flanken bestimmen. Hiedurch wird es möglich, eine Gewindeverbindung zu entwerfen, die eine abdichtende Wirkung ergibt ; allerdings ergeben sich hiebei kompliziertere Abweichungen der Gewindegänge.
Vorstehend wurde schon die Mitte M des Gewindes erwähnt ; hierunter ist derjenige Punkt zu verstehen, an dem die inneren und die äusseren Flanken ineinander übergehen, was aus der Definition der inneren und äusseren Flanken folgt ; die Mitte M bezeichnet somit diejenige Stelle, an
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Aus dem Gleichgewicht der axialen Komponenten der verschiedenen Kräfte folgt, dass diese Mitte M nicht allgemein mit der wahren Mitte der Gewindegänge übereinzustimmen braucht. In Fig. 1 liegt die Mitte M im Hinblick auf die Schulterkraft L zwischen der wahren Mitte m und dem dickeren Ende des Bolzengewindes.
Die Herstellung des Bolzengewindes bzw. des Muttergewindes einer Gewindeverbindung gemäss der vorliegenden Erfindung bietet grössere Schwierigkeiten als die Herstellung eines normalen Schraubengewindes. Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch überwinden, wenn man beim Schneiden des Gewindes auf einer Drehbank besondere Hilfsmittel benutzt. Beispielsweise kann man die gewünschten Abweichungen von der Kegelform mit Hilfe einer Kegeldreheinrichtung erzielen, welche die gewünschten Abweichungen aufweist.
Ein kleiner konstanter Steigungsunterschied zwischen den beiden Gewinden lässt sich durch Verwendung geeigneter Wechselräder erzielen, wobei man z. B. für das eine Gewinde ein Wechselrad
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mit 400 Zähnen und für das andere Gewinde ein Wechselrad mit 401 Zähnen benutzt. Um bei einem zu schneidenden Gewinde die gewünschten Steigungsunterschiede hervorzurufen, kann man der mit dem Stahlhalter verbundenen Leitspindelmutter, die durch die Leitspindel bewegt wird, zusätzlich zu ihrer Translationsbewegung während ihrer Bewegung gegenüber der Leitspindel-
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eine Drehbewegung erteilen, denn wenn man die Leitspindelmutter in der gleichen Richtung dreht wie die Leitspindel, wird die Steigung verkleinert, und wenn man die Leitspindelmutter in der entgegengesetzten Richtung dreht, erhält man eine Vergrösserung der Steigung.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Kegelgewindeverbindung, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der zusammenarbeitenden Gewinde (7, 7', 7", 8) im unbelasteten Zustand von einem normalen Kegelgewinde abweicht-wobei im Falle der Abweichung beider Gewinde diese Abweichungen ungleich sindu. zw.
derart, dass im Falle der Bolzenteil (2) nur von Hand aus in den Mutterteil (4) eingeschraubt ist (unbelasteter Zustand), die am weitesten aussen liegenden äusseren Flanken des Muttergewindes die am weitesten aussen liegenden inneren Flanken des Bolzengewindes berühren, wogegen sich die übrigen Flanken nicht berühren, und dass nach dem festen Aufschrauben des Mutterteils auf den Bolzenteil, das jedoch ohne plastische Verformung zu erfolgen hat (belasteter Zustand), die äusseren Flanken des Muttergewindes und die inneren Flanken des Bolzengewindes stärker belastet sind als die übrigen Flanken.