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Kegelgewindeverbindung
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ist die Lage, welche die Berührungsflanken des Bolzengewindes und des Muttergewindes, d. h. diejenigen Flanken, welche nach dem Festziehen der Gewindeverbindung belastet sind, relativ zueinander beim unbelasteten Zustand der Gewindeverbindung einnehmen, solange die Teile nur mit der Hand miteinander verschraubt sind. Bei der Bestimmung dieser gegenseitigen Stellung sind alle Verformungen zu berücksichtigen, die nach dem Festziehen der Gewindeverbindung im Bolzen und in der Mutter infolge der möglichst gleichmässig verteilten Last an den Berührungsflanken auftreten.
Da es somit ohne Bedeutung ist, bei welchem der beide. n zusammenarbeitenden Gewinde man die erwähnten Abweichungen vorsieht, wird in der Praxis aus Gründen der Einfachheit nur eines der Gewinde, vorzugsweise das Bolzengewinde, mit den erforderlichen Abweichungen versehen, während das andere Gewinde als normales Kegelgewinde ausgebildet wird.
Die in den weiter oben genannten Patenten beschriebenen Gewindeverbindungen können gegebenenfalls mit Schultern versehen sein. Da die Reibungskräfte, die zum Übertragen einer Torsionskraft erforderlich sind, zwischen den Berührungsflanken des Bolzengewindes und des Muttergewindes auftreten, sollen die Schultern im Gegensatz zu den bei Gewindeverbindungen mit normalem Kegelgewinde vorgesehenen Schultern nur leicht belastet werden.
Die an den Schultern auftretenden Kräfte sollen nur genügend gross sein, um eine Abdichtung zwischen den Schultern zu gewährleisten, und sie sollen die Spannungsverteilung in den mit dem Bolzengewinde bzw. dem Muttergewinde versehenen Teilen höchstens geringfügig beeinflussen. Wenn die Gewindeverbindung jedoch unter Bedingungen benutzt wird, bei denen ein variierendes Biegemoment gleichzeitig mit einer starken Zugkraft zur Wirkung kommt, kann in der Gewindeverbindung eine Taumelbewegung auftreten, denn die Druckspannung zwischen den Schultern geht infolge der auf die Verbindung von aussen einwirkenden hohen Zugbeanspruchung zurück.
Wenn infolge dieser Zugbeanspruchung zwischen den Schultern ein Spalt entsteht, ist schon sehr bald zu erwarten, dass ein Ermüdungsbruch der Gewindeverbindung unter den angegebenen Beanspruchungsverhältnissen eintritt.
Das Hauptziel der Erfindung besteht nunmehr darin, eine Gewindeverbindung der genannten Art vorzusehen, mittels der variierende Biegemomente übertragen werden können, ohne dass die Gefahr einer Beschädigung besteht, u. zw. auch dann, wenn eine sehr grosse äussere Zugkraft aufgebracht wird.
Zu diesem Zweck werden gemäss der Erfindung am Bolzen und am Mutterteil zwischen der Schulter und der nächstliegenden Berührungsstelle der Gewindeflanken mehrere Gewindegänge vorgesehen, wobei dann, wenn die Gewindeverbindung nur mit der Hand zusammengeschraubt ist, ein Spalt zwischen einem Satz von parallelen Flanken dieser Gewindegänge vorhanden ist, und wobei sich die Breite dieses Spaltes in Richtung auf die Schulter allmählich vergrössert.
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert. Fig. 1 zeigt im Längsschnitt einen Teil einer erfindungsgemässen Kegelgewindeverbindung im festgezogenen Zustand. Fig. 2 ist eine zeichnerische Darstellung der Verlagerung von über die Längsachse verteilten Querschnitten des Mutterteiles infolge der Kräfte, die auf die Flanken des Muttergewindes und die Schulter des Mutterteiles aufgebracht werden. Fig. 3 veranschaulicht zeichnerisch die Verlagerung von über die Längsachse verteilten Querschnitten des Bolzenteiles infolge der auf die Flanken des Bolzengewindes und die Schulter des Bolzenteiles wirkenden Kräfte. Fig. 4 veranschaulicht die jeweilige Grösse des erwähnten Spaltes für den Fall, dass die Gewindeverbindung nur mit der Hand fest-
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5Gewindeverbindungen.
In Fig. l erkennt man im Längsschnitt einen Teil einer erfindungsgemässen Kegelgewindeverbindung, wobei die tatsächlichen Abmessungen der Gewindegänge im Vergleich zu den übrigen Teilen der Gewindeverbindung übertrieben dargestellt sind, um die Beschreibung leichter verständlich zu machen. Die Ge- windeverbindung ist in Fig. l im festgezogenen Zustand dargestellt, wobei das Gewinde 1 des Mutterteiles 2 in das Gewinde 3 des Bolzenteiles 4 eingreift, und wobei die Schulter 5 des Mutterteiles 2 an der Schulter 6des Bolzenteiles4anliegt. Die axiale Kraft, mit der die Schultern 5 und 6 aufeinandergedrückt werden, ist in Fig. 1 bei L angedeutet.
Für den Fall, dass die Ebene der Schultern 5 und 6 nicht rechtwinkeligzurAchseder Gewindeverbindung verläuft, sei bemerkt, dass die Kräfte L die axialen Komponenten der an den Schultern angreifenden Kräfte repräsentieren. Die Kräfte, mit denen die Flanken des Mutter-
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Bolzengewindessdrücken, sind in Fig. l mit K bezeichnet. Fig. l lässt erkennen, dass die andern Flanken der Gewindegänge zwar tatsächlich in gegenseitiger Berührung stehen, jedoch nicht belastet sind.
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Bei der folgenden Erläuterung der Art und Weise, in welcher die gewünschte Verteilung der Kräfte K über die Berührungsflanken erzielt wird, wird auf die rechtwinkelig zur Achse der Gewindeverbindung verlaufenden Ebenen A, B, C und D Bezug genommen. Die Ebenen A und D erstrecken sich durch die Enden der sich im festgezogenen Zustand berührenden Teile der Gewindeverbindung. Die Ebene B verläuft durch denjenigen Punkt, an welchem der Mutterteil 2 und der Bolzenteil 4 keiner axialen Spannung ausgesetzt sind ; die Ebene C ist dort eingezeichnet, wo der Mutterteil 2 zwischen den Ebenen B und D einer maximalen Zugspannung und der Bolzenteil 4 einer maximalen Druckbeanspruchung in axialer Richtung ausgesetzt ist.
Bei der Berechnung der erfindungsgemässen Gewindeverbindung dient als Ausgangspunkt die durch die Gewindeverbindung zu übertragende Last ; die gewünschte Druckkraft L an den Schultern 5 und 6 einerseits und die durch die Flankenlast aufgebrachte Gesamtkraft, die der Summe sämtlicher Kräfte K entspricht, werden ermittelt. Damit die Gewindeverbindung bei gegebenen Abmessungen ein maximales Schraubendrehmoment übertragen kann, soll der an den Flächen der Berührungsflanken ausgeübte Druck gleich dem höchsten zulässigen Wert und daher an allen Punkten etwa gleich gross sein. Ferner ist der Anteil des Flankendruckes zu berücksichtigen, der durch die mit Hilfe der Gewindeverbindung übertragene Last aufgebracht wird.
Da die Gewindeverbindung benutzbar bleiben soll, nachdem sie mehrmals zusammengebaut und auseinandergeschraubt worden ist, wird der auf die Flanken aufgebrachte Druck so gewählt, dass die bei diesem Druck auftretende Verformung des Materials noch in den elastischen Bereich fällt.
Die sich berührenden Teile der Gewindegänge werden in drei Zonen I, II und III unterteilt, die der Reihe nach zwischen den Ebenen A und B, B und C sowie C und D liegen. Die Abstände zwischen den Ebenen B, C und D werden so gewählt, dass die Summe der axialen Komponenten der Kräfte K, welche auf den Bolzen in der Zone II aufgebracht werden, im Gleichgewicht mit der Summe der axialen Komponenten der Kräfte K stehen, die auf den Bolzen in der Zone III wirken. In den Zonen II und III ist der Mutterteil 2 axialen Zugbeanspruchungen ausgesetzt, während der Bolzen 4 unter einer axialen Druckbeanspruchung steht. In der Ebene B ist eine axiale Spannung weder in dem betreffenden Querschnitt des Bolzens noch in dem Querschnitt des Mutterteiles vorhanden.
Ausserdem ist die Summe der axialen Komponenten der Kräfte K, die in der Zone I auf den Bolzen wirken, gleich der an der Schulter wirkenden Kraft L.
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Kräften unterscheiden, denn die Summe der axialen Kräfte in der Zone II muss gleich der Summe der axialen Kräfte in der Zone III sein. Dies gilt z. B. für den Fall, dass man eine Gewindeverbindung mit einem Sägegewinde vorsieht.
Die in dem Mutterteil und dem Bolzenteil in axialer Richtung auftretenden Zug- und Drucksnan - nungen bewirken eine entsprechende Dehnung oder Verkürzung des Mutterteiles bzw. des Bolzenteiles.
Daher wird sich die gegenseitige Lage der Gewindeflanken des Bolzenteiles und des Mutterteiles, welche mit den Flanken des Mutterteiles bzw. des Bolzenteiles zusammenarbeiten müssen, im unbelasteten Zustand, d. h. nach dem Festziehen nur mit der Hand, von der gegenseitigen Lage der Flanken im festgezogenen Zustand unterscheiden. Bei der Ermittlung der Lage derjenigen Flanken, welche im festgezogenen Zustand schliesslich einen bestimmten Flankendruck ausüben sollen, muss man daher die Verlängerung bzw. Verkürzung des Bolzenteiles bzw. des Mutterteiles berücksichtigen. In Fig. 2 sind die Verlagerungen der Querschnitte des Mutterteiles gegenüber der Ebene D infolge der Wirkung der Kräfte K und der Kraft L als Funktion der Gewindelänge aufgetragen.
Entsprechend, sind in Fig. 3 die Verlagerungen der Querschnitte des Bolzenteiles in Richtung auf die Ebene D als Folge der Kräfte K und die Kraft L in Abhängigkeit von der Gewindelänge aufgetragen.
Untersucht man die Flanke des Muttergewindes in einem beliebigen Querschnitt E, wobei diese Muttergewindeflanke mit einer Flanke des Bolzengewindes zusammenarbeitet, nachdem die Gewindever- bindung festgezogen worden ist, so erkennt man, dass sich während des Festziehens der Gewindeverbindung die Flanke des Muttergewindes über eine Strecke a von der Ebene D weg bewegt, während sich gleichzeitig die Flanke des Bolzengewindes längs der Strecke b in Richtung auf die Ebene D bewegt, bis die Flanke des Bolzengewindes und die Flanke des Muttergewindes im festgezogenen Zustand unter dem vorbestimmten Druck, der auf die Gewindeflanken aufgebracht wird, in gegenseitiger Berührung stehen.
Wenn umgekehrt die in Fig. l gezeigte Gewindeverbindung gelöst wird, bewirkt die Abnahme des Flankendruckes an allen Teilen des Muttergewindes einschliesslich der Muttergewindeflanke im Querschnitt E, dass sich alle Teile des Muttergewindes in Richtung auf die Ebene D bewegen, während sich alle Teile
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des Bolzengewindes einschliesslich der Bolzengewindeflanke im Querschnitt E von der Ebene D weg bewegen. Während die Gewindeverbindung gelöst wird, bewirkt die konische Form der Gewindegänge, dass Spalte zwischen den Flanken entstehen, die sich anfangs berührten.
Bei dem beschriebenen Fall, bei welchem als Ausgangspunkt eine Last diente, die möglichst gleichmässig über die Flanken verteilt war, werden die Flankenspalte zwischen den Berührungsflanken beim Lösen der Gewindeverbindung zuerst in der Zone I entstehen, d. h. zwischen den der Ebene A am nächsten benachbarten Teilen der Berührungsflanken. Beim weiteren Auseinanderschrauben der Gewindeverbindung schreitet der in der Zone I entstehende Spalt 7 zwischen dem Satz paralleler Flanken 8 und 9 in Richtung auf die Ebene B fort.
Bevor sich die Flanken 8 und 9 der Gewindegänge 1', l", l'"und 3', 3", 3"'in der Zone I und die Schultern 5 und 6 vollständig voneinander abheben, entstehen auch Spalte 10 und 11 in den Zonen II und III, d. h. zwischen den der Ebene C am nächsten benachbarten Teilen der Berührungsflanken. Beim weiteren Auseinanderschrauben der Teile schreiten diese Spalte in Richtung auf die Ebenen B und D fort.
Beim Lösen der Gewindeverbindung ergibt sich somit eine Verminderung der axialen Spannungen im Mutterteil und im Bolzenteil. In der Zone I erfolgt die Verminderung der Spannungen in den in dieser Zone liegenden Teilen des Bolzens und der Mutter erheblich schneller als die Abnahme der Spannungen in den Teilen des Bolzens und der Mutter, die sich in den Zonen II und III befinden, u. zw. um so viel schneller, dass in dem Augenblick, in welchem in der Zone I keine Spannungen mehr vorhanden sind, die ursprünglichen Spannungen in den Zonen II und III im wesentlichen noch unverändert sind, so dass die Flankenlast K gemäss Fig. l ebenfalls grösstenteils noch vorhanden ist.
Da die Spalte 10 und 11 in der erwähnten Weise zwischen den Berührungsflanken in den Zonen II und III in Richtung auf die Ebenen B und D fortschreiten, wenn man die Gewindeverbindung weiter auseinanderschraubt, und da gleichzeitig eine Abnahme der Spannungen in den Zonen II und III stattfindet, besteht in dem Augenblick, in welchem sowohl der Bolzen als auch der Mutterteil völlig spannungsfrei sind, die einzige Berührung zwischen den Flanken des Bolzengewindes und den Flanken des Muttergewindes in den Ebenen B und D. Fig. 5 veranschaulicht diesen spannungsfreien Zustand der Gewindeverbindung, bei welchem die einzige Berührung zwischen dem Bolzengewinde 3 und dem Muttergewinde 1 an den Stellen 12 und 13 in den Ebenen B und D besteht, wobei die Flankenlast gleich Null ist.
In Fig. 4 sind die aus Fig. 2 und 3 ersichtlichen Verlagerungen summiert. Wenn man diejenige Flanke des Bolzengewindes, welche der Ebene D zugewendet ist, d. h. die von der Ebene D aus sichtbare Flanke, als die vordere Flanke bezeichnet, während die andere Flanke des Bolzengewindes, d. h. die von der Ebene D aus nicht sichtbare Flanke als hintere Flanke bezeichnet wird, und wenn man ferner den an die vordere bzw. die hintere Flanke angrenzenden Spalt als vorderen bzw.
hinteren Flankenspalt bezeichnet, so erkennt man, dass dann, wenn die gewünschte Verteilung des Druckes über die Berührungsflanken zwischen den Berührungsstellen 12 und 13 (Ebenen B und D) nach dem Festziehen mit der Hand erzielt werden soll, die Summe des vorderen Flankenspaltes und des hinteren Flankenspaltes in jedem Querschnitt gleich der Summe der maximalen Längung des Mutterteiles und der maximalen Verkürzung des Bolzenteiles ist, die sich zwischen den Ebenen B und D einstellt, d. h. gleich dem in der Ebene B dargestellten Wert d.
Da in der Zone III der vordere Flankenspalt 11 zwischen den Flanken liegt, die in Berührung gebracht werden, wenn die Gewindeverbindung unter Aufbringung der Lasten K festgezogen wird, repräsentiert in Fig. 4 der schraffierte Teil der Zone III den Verlauf des Spaltes 11 zwischen den Berührungsflanken in der Zone III. Da in den Zonen I und II der Spalt zwischen den Flanken, welche sich nach dem Festziehen der Gewindeverbindung unter einer Last K berühren, der hintere Flankenspalt ist, repräsentieren in Fig. 4 die schraffierten Teile der Zonen I und II den Verlauf des Spaltes 7 bzw. 10 zwischen den in den Zonen 1 und II liegenden Berührungsflanken.
Wenn man die aus Fig. 4 zu entnehmenden Angaben auswerten will, um die Abweichung bei einem der Gewinde oder bei beiden Gewinden zu bestimmen, muss man die axiale Verlagerung berücksichtigen, die zwischen den Berührungsflanken sowie zwischen den Schultern infolge der Drehung des Bolzenteiles gegenüber dem Mutterteil beim Lösen der Gewindeverbindung stattfindet.
In diesem Zusammenhang ist zu bemerken, dass die Spalten zwischen den Flanken, welche an sich nach dem Festschrauben der Gewindeverbindung nicht als Berührungsflanken zur Übertragung der Kräfte K wirken müssen, grösser sein können, als es in Fig. 4 gezeigt ist. Die berechneten Flankenspalten müssen nur dann genau eingehalten werden, wenn die die Spalten begrenzenden Flanken miteinander in Berührung kommen sollen, um die Abdichtung der Gewindeverbindung gegen das Entweichen von Gasen oder Flüssigkeiten zu verbessern, nachdem die Gewindeverbindung festgezogen worden ist, wobei zwischen diesen Flanken eine Kraft auftritt, deren Grösse jedoch nur einen Bruchteil der Grösse der Kraft K beträgt.
Es liegt auf der Hand, dass man in diesem Falle bei der Berechnung der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Kurven die Wirkung der auf die erwähnten Flanken aufgebrachten Kräfte berücksichtigen muss.
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Wenn die Gewindeverbindung von Hand festgezogen ist, soll, wie aus obigem hervorgeht, der Spalt 7 innerhalb der Zone I zwischen den Berührungsflanken 8 und 9 vorhanden sein. Die Grösse des Spaltes 7 ist im schraffierten Teil in der Zone I der Fig. 4 angegeben und hat z. B. im Querschnitt E die Grösse "c".
Die Grösse des Spaltes 7 nimmt von der Berührungsstelle 12 in Richtung auf die Schultern 5 und 6 allmählich zu.
Die Fig. 6, 7 und 8 zeigen mehrere Ausbildungsformen von Gewindegängen zur Verwendung bei erfindungsgemässen Kegelgewindeverbindungen. Aus Gründen der Deutlichkeit sind die bei diesen Gewindeformen vorgesehenen Abweichungen in der Zeichnung übertrieben dargestellt und die Abflachung am Fuss und am Scheitel der Gewindegänge, die aus den Fig. 1 und 5 ersichtlich ist, wurde nicht dargestellt. In den Fig. 6, 7 und 8 entsprechen die Zonen I, II und III sowie die Ebenen A - D den Angaben in den Fig. 1 bis 5.
Bei den in den Fig. 6 und 8 gezeigten Gewindeformen handelt es sich um ein normales Muttergewinde l in Form eines Kegelgewindes. Die Abweichungen, die erforderlich sind, um eine möglichst gleichmässige Verteilung der Flankenkräfte K und der Schulterkraft L zu erzielen, sind bei dem zugehörigen Bolzengewinde 3 vorgesehen. Diejenigen Flanken, die beim Festziehen der Gewindeverbindung in Berührung gebracht werden, sind mit starken Linien dargestellt. Da, wie schon erwähnt, ein gewisser Spielraum bezüglich der Anordnung derjenigen Flanken des Bolzengewindes 3 gegeben ist, welche nach dem Festziehen der Gewindeverbindung nicht in Berührung mit den Flanken des Muttergewindes kommen, sind diese Flanken mit gestrichelten Linien angedeutet.
Ausgehend von einem normalen konischen Muttergewinde werden die Flankenspalte zwischen den Berührungsflanken berechnet, die in Fig. 4 dargestellt sind, und die Flankenspalte werden in Fig. 6 in Richtung der dort nicht gezeigten Achse der Gewindeverbindung aufgetragen. Hiebei wird die axiale Verlagerung berücksichtigt, welcher der Bolzen gegenüber der Mutter unterworfen wird, wenn der Bolzen weiter in die Mutter eingeschraubt wird, bis der festgezogene Zustand erreicht ist. Es liegt auf der Hand, dass sich in der Zone III der Flankenspalt 11 bei e - i zwischen den Berührungsflanken von der Ebene D weg allmählich vergrössert, bis die maximale Breite des Flankenspaltes in der Ebene C erreicht ist.
Geht man in Richtung auf die Ebene B weiter, so ergibt sich eine allmähliche Verkleinerung des Flankenspaltes 10 von j - m zwischen den Berührungsflanken in der Zone II. In der Ebene B ist die Breite des Flankenschlitzes m gleich Null, und wenn man weiter in Richtung auf die Ebene A, d. h. zu der Schulter, fortschreitet, nimmt die Breite des Flankenspaltes 7 zwischen den parallelen Flanken 1', 1", 1"' und 32, 3et, 3'"von n bis q allmählich zu. Die Berührungsflanken des Bolzengewindes sind in den Fig. 7 und 8 in ähnlicher Weise dargestellt.
Bei der Anordnung nach Fig. 6 wird das Bolzengewinde in der Weise erzeugt, dass man von einer konstanten Ganghöhe am Scheitel des Bolzengewindes 3 ausgeht, die gleich der ebenfalls konstanten Ganghöhe des Muttergewindes 1 ist. Es ist jedoch auch möglich, ein Bolzengewinde zu entwerfen, das den gestellten Forderungen entspricht, indem man von einer konstanten Ganghöhe am Fuss des Bolzengewindes ausgeht.
Bei der Anordnung nach Fig. 7 wird von einem Kegel ausgegangen, dessen Achse mit der Achse der Gewindeverbindung zusammenfällt, wobei die Scheitel der Gänge des Bolzengewindes 3 auf der Oberfläche dieses Kegels liegen. Bei einer weiteren hier nicht gezeigten Ausbildungsform kann man von einem Kegel ausgehen, dessen Achse mit der Achse der Gewindeverbindung zusammenfällt, wobei jedoch in diesem Falle der Fuss des Bolzengewindes auf der Kegelfläche liegt.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Anordnung ist die Ganghöhe am Fuss des Bolzengewindes 3 konstant, jedoch grösser als die ebenfalls konstante Ganghöhe des Muttergewindes 1.
Auf ähnliche Weise ist es möglich, von einem normalen konischen Bolzengewinde auszugehen, wor-
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Gegebenenfalls kann man die zur Erzielung des gewünschten Flankenspaltes erforderlichen Abweichungen auf beide Gewinde verteilen.
Somit ist es bei jedem Schraubengewinde, u. zw. sowohl bei einem normalen Kegelgewinde als auch bei einem davon abweichenden Gewinde, möglich, ein geeignetes Gewinde zu konstruieren, nachdem man den Flankenspalt zwischen den Berührungsflanken berechnet hat.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf mit einer äusseren Schulter versehene Kegelgewindeverbindungen. Gegebenenfalls kann man die Schultern 5 und 6 auch auf der Innenseite, d. h. gemäss Fig. l auf der rechten Seite der Ebene D, vorsehen, und man kann sowohl innenliegende als auch aussenliegende Schultern anwenden.