DE102005057665B3

DE102005057665B3 - Mutter für hochbelastete Schrauben und Bolzen

Info

Publication number: DE102005057665B3
Application number: DE200510057665
Authority: DE
Inventors: Frank Hohmann; Jörg Hohmann
Original assignee: Jörg Hohmann; Frank Hohmann
Priority date: 2005-12-01
Filing date: 2005-12-01
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2025-12-02
Also published as: WO2007062730A1

Abstract

Mutter für hochbelastete Schrauben und Bolzen mit einem zylindrischen Bereich mit einem Durchmesser etwa dem Eckmaß einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser, mit einer Auflagefläche, die durch Bearbeitung des Gewindes und dieser Auflagefläche in einer Aufspannung praktisch genau senkrecht zur Gewindeachse verläuft und mit einer Ausbildung des Gewindes zur Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge, ausgehend von der Auflagefläche, mit einer am der Auflagefläche abgewandten Ende des zylindrischen Bereichs angeordneten Ausbildung zum formschlüssigen Eingriff eines Mutterndrehwerkzeugs und mit einer in den zylindrischen Bereich integrierten, die Auflagekraft der Mutter und damit die Schraubenvorspannkraft messenden Kraftmessvorrichtung.

Description

Die Erfindung betrifft eine Mutter für hochbelastete Schrauben und Bolzen.
Muttern in Verbindung mit Schrauben und Bolzen sind innerhalb der industriellen Verbindungstechnik die am meisten eingesetzten Verschraubungselemente.

Auf Grund der großen Verbreitung dieser Verbindungselemente werden sie in sehr hohen Stückzahlen hergestellt. Das Gleiche gilt für in Verbindung mit Muttern und Schrauben verwendete Unterlegscheiben, die eingesetzt werden, wenn die sich einstellende Flächenpressung auf Grund der erforderlichen Vorspannkraft zu hoch wird. Norm-Unterlegscheiben haben einen Außendurchmesser, der dem Eckmaß einer Norm-Mutter entspricht. Hierdurch ergibt sich eine größere tragende Fläche als bei dem Einsatz von lediglich einer Sechskantmutter, deren Anflächungen in einem Kreis mit dem Durchmesser des Eckmaßes einbeschrieben sind.

Sowohl die handelsüblich hergestellten Muttern als auch die damit verwendeten Unterlegscheiben werden mit verhältnismäßig großen Toleranzen hinsichtlich des Winkels der Auflagefläche der Mutter zur Gewindeachse und hinsichtlich der Parallelität der Auflageflächen der Unterlegscheiben hergestellt.

Hierdurch kommt es beim Einsatz derartiger Muttern und Unterlegscheiben zu ungenauen Verschraubungsergebnissen und erhöhten Setzverlusten beim Verspannen, insbesondere beim hydraulischen Anziehen.

Des Weiteren tritt bei handelsüblichen Muttern die höchste Belastung am ersten tragenden Gewindegang der Mutter auf, da keine Maßnahmen getroffen sind, die Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge zu verteilen.

Zwar sind sogenannte Zugmuttern oder Stulpmuttern sowie Kapselmuttern mit oder ohne kegelig abgedrehten, unteren Gewindegängen bekannt, mit denen die Kraftübertragung beim Anziehen der Mutter auf mehrere Gewindegänge verteilt wird und dadurch eine erhöhte Dauerfestigkeit derartiger Schraubenverbindungen gegeben ist, jedoch handelt es sich hierbei um kostspielige Sonderausführungen, die einen relativ großen Bauraum erfordern und aufwendig in der Herstellung sind.

Sehr wichtig ist es des Weiteren, die verbleibende, effektive Vorspannkraft von hochbelasteten Schrauben und Bolzen zu kennen, nachdem derartige Schrauben oder Bolzen mittels geeigneter Werkzeuge, beispielsweise hydraulischen Schraubenspannzylindern oder Mutterndrehwerkzeugen vorgespannt wurden. Diese verbleibende, effektive Vorspannkraft ist entscheidend für die Dauerstandfestigkeit der Schraubenverbindung und sollte das Setzen der aus Schrauben oder Bolzen, Unterlegscheiben, Muttern und Flanschen bestehenden Schraubenverbindungen berücksichtigen.

Um eine genaue Kenntnis der Schraubenvorspannung zu erhalten, ist es bekannt, die erreichte Schraubendehnung direkt zu messen, da die Schraubendehnung auf Grund des Hook'schen Gesetzes direkt proportional zur Schraubenvorspannung ist. Diese Messung der Dehnung lässt sich auf unterschiedliche Weise bewerkstelligen.

Gemäß der DE 28 46 668 A1 kann der zu spannende Gewindebolzen auf seiner ganzen Länge durchbohrt sein, und in diese Bohrung lässt sich ein Messstab einführen, dessen Länge im Wesentlichen der Gewindebolzenlänge entsprechen sollte und der an der Dehnung des Gewindebolzens nicht teilnimmt, so dass sich die Dehnung des Gewindebolzens aus der Längendifferenz zwischen dem Messstab und dem Gewindebolzen ergibt.

Dieses Messverfahren ist aufwendig, da jeder Gewindebolzen durchbohrt sein muss und der Messstab bei jedem Spannen des Gewindebolzens in die Bohrung eingeführt und mit einer geeigneten Messvorrichtung verbunden werden muss.

Bei einer in der DE 101 45 847 A1 derselben Anmelder beschriebenen hydraulischen Gewindebolzenspannvorrichtung wird ein Messverfahren angewandt, das darin besteht, die Gewindebolzendehnung aus dem gemessenen Mutterndrehwinkel zu ermitteln, da auf Grund der jeweiligen Gewindesteigung ein konstantes Verhältnis zwischen dem Mutterndrehwinkel und der Gewindebolzendehnung besteht. Bei diesem Messverfahren ist es erforderlich, die Mutter zunächst bis zum spielfreien Setzen aller durch den Gewindebolzen zu spannenden Bauelemente beizudrehen und nur den Mutterndrehwinkel ab dem so ermittelten Fügepunkt zu berücksichtigen.

Die beiden bekannten Messverfahren erlauben es, die Gewindebolzendehnung auf Grund der Druckbeaufschlagung der hydraulischen Gewindebolzenspannvorrichtung mit ausreichender Genauigkeit zu ermitteln und das Anziehen großer Schrauben weitgehend zu automatisieren, erfordern dafür jedoch einen erhöhten apparativen Aufwand.

Ausgehend von diesen Problemen liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, eine Mutter für hochbelastete Schrauben zu schaffen, die eine Norm-Sechskantmutter gegebenenfalls in Verbindung mit einer Norm-Unterlegscheibe ersetzt, keinen größeren Bauraum aufweist und einfach und kostengünstig herzustellen ist und eine direkte Messung der verbleibenden, effektiven Vorspannkraft erlaubt.

Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wird eine Mutter für hochbelastete Schrauben und Bolzen vorgeschlagen, die erfindungsgemäß einen zylindrischen Bereich mit einem Durchmesser annähernd gleich dem Eckmaß einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser, eine Auflagefläche, die durch Bearbeitung des Gewindes und dieser Auflagefläche in einer Aufspannung praktisch genau senkrecht zur Gewindeachse verläuft, eine Ausbildung des Gewindes zur Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge, ausgehend von der Auflagefläche in der Weise, dass das Mutterngewinde mit einem Abstand von mindestens einem Gewindegang von der Auflagefläche freigedreht ist und/oder mehrere der zur Auflagefläche gerichteten Gewindegänge des Mutterngewindes kegelig ausgedreht sind, eine am der Auflagefläche abgewandten Ende des zylindrischen Bereichs angeordnete Ausbildung zum formschlüssigen Eingriff eines Mutterndrehwerkzeugs, und eine in den zylindrischen Bereich integrierte, vorzugsweise benachbart zur Auflagefläche angeordnete, die Auflagekraft der Mutter und damit die Schraubenvorspannkraft messende Kraftmessvorrichtung umfasst.

Auf Grund des zylindrischen Bereichs mit einem Durchmesser annähernd gleich dem Eckmaß einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser erfordert die erfindungsgemäße Mutter nicht mehr Bauraum als eine Norm-Sechskantmutter, weist jedoch eine größere Auflagefläche auf, wodurch die Flächenpressung zum Grundmaterial herabgesetzt wird. Des Weiteren ist die Mutter in sich steifer als eine gleich große Norm-Sechskantmutter, wodurch beim Verspannen ein geringerer Setzverlust erzielt wird.

Ferner ist aus den vorgenannten Gründen eine zusätzliche Unterlegscheibe nicht mehr erforderlich, so dass die Toleranzen der Unterlegscheibe beim Verspannen nicht mehr in das Verschraubungsergebnis eingehen.

Sehr wesentlich ist auch das mit der Bearbeitung der Auflagefläche und des Gewindes in einer Aufspannung erzielte Ergebnis einer praktisch genau senkrecht zur Gewindeachse verlaufenden Auflagefläche, die zu einer gleichmäßigen Belastung der Gewindegänge beim Anziehen führt. Auch hierdurch wird eine Verringerung der Setzverlusterscheinung beim Anziehen erreicht.

Die Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge, ausgehend von der Auflagefläche, kann auf unterschiedliche Weise erfolgen.

Ein sehr einfaches Mittel besteht darin, das Mutterngewinde, von der Auflagefläche ausgehend mit einem Abstand von mindestens einem Gewindegang freizudrehen.

Eine andere Möglichkeit kann darin bestehen, einige zur Auflagefläche gerichtete Gewindegänge des Mutterngewindes, ausgehend von der Auflagefläche, sich kegelig verjüngend auszudrehen.

Eine Kombination des Freidrehens mit dem kegeligen Ausdrehen ist ebenfalls möglich.

Die in den zylindrischen Bereich der Mutter integrierte Kraftmessvorrichtung erlaubt es, die Auflagekraft der Mutter und damit die Schraubenvorspannkraft zu messen. Wird diese Messung nach dem Spannen der Schraubenverbindung durchgeführt, misst diese Kraftmessvorrichtung direkt die nach dem Setzen aller Elemente der Schraubenverbindung verbleibende, effektive Vorspannkraft. Wird die Schraubenverbindung in üblicher Weise durch Drehen der Mutter aufgebracht, lässt sich die beim Drehen entstehende Schraubenspannkraft auch kontinuierlich messen. Des Weitem ist es möglich, die verbleibende, effektive Vorspannkraft mit zeitlichem Abstand mehrfach oder auch kontinuierlich zu messen, wodurch ein Nachlassen der Vorspannkraft erkennbar wird und sich geeignete Maßnahmen treffen lassen, um einen Ausfall der Schraubenverbindung zu verhindern.

Die Mutter kann mit einem drahtlosen Ausgang für die Kraftmessvorrichtung versehen sein, über den sich eine Verbindung zu einer externen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung herstellen lässt. Diese Verbindung wirkt nur, wenn die externe Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung in den Bereich des drahtlosen Ausgangs der Kraftmessvorrichtung gebracht wird.

Wenn eine kontinuierliche Messung der Vorspannkraft gewünscht wird, ist es vorteilhaft, den Ausgang der Kraftmessvorrichtung als Steckverbindung auszubilden, mittels derer sich eine Kabelverbindung zu der externen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung herstellen lässt.

Sind beispielsweise an einem Reaktordruckgefäß eine Vielzahl derartiger Schraubenverbindungen vorhanden, lassen sich sämtliche Muttern über eine derartige Kabelverbindung mit einer zentralen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung verbinden, die die Messungen kontinuierlich durchführt, protokolliert und gegebenenfalls eine Meldung erzeugt, wenn sich die Vorspannkraft einzelner oder aller Schraubenverbindungen im Laufe der Zeit in die Sicherheit beeinträchtigender Weise verändern.

Die Gesamthöhe der erfindungsgemäßen Mutter kann mindestens annähernd der Höhe einer Norm-Sechskantmutter, vorzugsweise annähernd der Höhe einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser zuzüglich der Dicke einer entsprechenden Norm-Unterlegscheibe entsprechen.

Hierdurch ist der Bauraum der erfindungsgemäßen Mutter insgesamt nicht größer als der einer Norm-Sechskantmutter in Verbindung mit einer Norm-Unterlegscheibe, jedoch lässt sich die erfindungsgemäße Mutter erheblich höher für das Spannen hochbelasteter Schrauben und Bolzen belasten, da eine Verteilung der Belastung auf eine größere Anzahl Gewindegänge erfolgt und die Mutter auf Grund des zylindrischen Bereichs eine erheblich höhere Steifigkeit als eine gleichgroße Norm-Sechskantmutter aufweist.

Die erfindungsgemäße Mutter lässt sich erfindungsgemäß und bevorzugterweise zum Anziehen hochbelasteter Schrauben mittels eines hydraulischen Schraubenspannzylinders verwenden. Ein derartiger hydraulischer Schraubenspannzylinder ist in der DE 196 38 901 A1 derselben Anmelder beschrieben. Auf Grund der Ausführung im oberen Bereich der Mutter als Sechskant oder Vielzahn ist auch der Anzug mit handelsüblichen Hand- oder Hydraulikschraubern möglich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand einer in der Zeichnung dargestellten Schnittansicht der erfindungsgemäßen Mutter beispielhaft beschrieben.
Die erfindungsgemäße Mutter besteht aus einem zylindrischen Bereich 1, dessen Außendurchmesser dem Eckmaß einer Norm-Sechskantmutter für denselben Gewindedurchmesser entspricht.
Die Mutter ist mit einer Auflagefläche 2 versehen, die möglichst genau senkrecht zur Achse 3 der Mutter ihres Innengewindes 4 verläuft. Dieser genau senkrechte Verlauf der Auflagefläche 2 mit Bezug auf die Achse 3 wird dadurch erzielt, dass die Bearbeitung des Mutterngewindes 4 und der Auflagefläche 2 jeweils in einer Aufspannung erfolgen.
Am der Auflagefläche 2 abgewandten Ende des zylindrischen Bereichs 1 befinden sich Ausbildungen 5 zum formschlüssigen Eingriff eines Mutterndrehwerkzeugs. Diese Ausbildungen 5 können aus normgerechten Anflächungen eines Sechskants oder auch nur aus zwei parallelen Anflächungen bestehen, die zum formschlüssigen Eingriff eines Schraubenschlüssels dienen. Ebenso ist möglich, in die Oberseite achsparallele oder in die Umfangsfläche der Mutter radial gerichtete Bohrungen anzubringen, die für den Eingriff eines Zapfenschlüssels geeignet sind. Andere, übliche Ausbildungen beispielsweise in Form einer Vielzahnausbildung sind ebenfalls möglich und geeignet.
Zur Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge des Mutterngewindes 4 kann das Mutterngewinde 4, benachbart zur Auflagefläche 2, mit einer Ausdrehung 6 versehen sein, deren axiale Höhe mindestens annähernd einem Gewindegang entspricht. Des Weiteren ist es möglich, eine Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge durch eine kegelige Ausdrehung 7 der zur Auflagefläche 2 hin gerichteten Gewindegänge zu erreichen.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die Ausdrehung 6 und die kegelige Ausdrehung 7 miteinander kombiniert.
Die Gesamthöhe H der erfindungsgemäßen Mutter kann mindestens annähernd der Höhe einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser entsprechen, soll vorzugsweise jedoch annähernd der Höhe einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser zuzüglich der Dicke einer entsprechenden Norm-Unterlegscheibe entsprechen, während die Höhe der Ausbildung 5 zum formschlüssigen Eingriff eines Mutterndrehwerkzeugs nicht mehr als ein Drittel der Gesamthöhe H der erfindungsgemäßen Mutter betragen soll.
Benachbart zur Auflagefläche 2 der Mutter ist in den zylindrischen Bereich 1 eine Kraftmessvorrichtung 8 integriert, die die Auflagekraft der Mutter und damit die Schraubenvorspannkraft misst. Diese Kraftmessvorrichtung 8 kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet sein. Sie kann induktiv oder kapazitiv wirken, aus einer Widerstandsmessbrücke mit Dehnungsstreifen oder aus einem Piezoelement bestehen.
Seitlich am zylindrischen Bereich 1 ist ein Ausgang 9 für die Kraftmessvorrichtung 8 angeordnet. Dieser Ausgang 9 kann als Steckverbindung ausgebildet sein, so dass sich daran Seitlich am zylindrischen Bereich 1 ist ein Ausgang 9 für die Kraftmessvorrichtung 8 angeordnet. Dieser Ausgang 9 kann als Steckverbindung ausgebildet sein, so dass sich daran ein Kabel 11 anschließen lässt, das mit einer externen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung 10 verbunden ist. Mehrere mit der Kraftmessvorrichtung 8 versehene Muttern lassen sich über derartige Kabel 11 mit einer zentralen, externen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung 10 verbinden, die eine Auswertung der Messsignale von den verschiedenen Messstellen vornimmt, protokolliert und beispielsweise ein Signal abgibt, wenn sich unzulässige Änderungen der Vorspannkraft einzelner oder aller Schraubenverbindungen ergeben.
Der Ausgang 9 kann auch als drahtloser Ausgang ausgebildet sein, in dessen Nähe sich die externe Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung 10 bringen lässt, um fallweise bei jeder einzelnen Muttern den Messwert der Schraubenvorspannkraft aufzunehmen. Diese Ausführungsform ist besonders einfach und dann vorteilhaft, wenn eine einzige Messung der Schraubenvorspannkraft nach dem Spannen der Schraubenverbindung genügt.
Wenn zum Spannen einer Schraubenverbindung in Verbindung mit der erfindungsgemäßen Mutter ein hydraulischer Schraubenspannzylinder gemäß der DE 196 38 901 A1 derselben Anmelder verwendet wird, genügt eine Rändelung des zylindrischen Bereichs 1, da in diesem Fall die zu spannende Schraube durch den hydraulischen Schraubenspannzylinder auf die vorgegebene Länge gedehnt wird und die Mutter nur noch mit geringem Kraftaufwand beigedreht zu werden braucht. Hierzu kann am hydraulischen Schraubenspannzylinder ein in die Rändelung eingreifendes Reibrad vorgesehen sein.

Claims

Mutter für hochbelastete Schrauben und Bolzen mit einem zylindrischen Bereich (1) mit einem Durchmesser annähernd gleich dem Eckmaß einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser, mit einer Auflagefläche (2), die durch Bearbeitung des Gewindes (4) und dieser Auflagefläche (2) in einer Aufspannung praktisch genau senkrecht zur Gewindeachse (3) verläuft, mit einer Ausbildung des Gewindes (4) zur Verteilung der Kraftübertragung auf mehrere Gewindegänge, ausgehend von der Auflagefläche (2) in der Weise, dass das Mutterngewinde (4) mit einem Abstand von mindestens einem Gewindegang von der Auflagefläche freigedreht (6) ist und/oder mehrere der zur Auflagefläche (4) gerichteten Gewindegänge des Mutterngewindes (4) kegelig (7) ausgedreht sind, mit einer am der Auflagefläche (2) abgewandten Ende des zylindrischen Bereichs (1) angeordneten Ausbildung (5) zum formschlüssigen Eingriff eines Mutterndrehwerkzeug, und mit einer in den zylindrischen Bereich (1) integrierten, die Auflagekraft der Mutter und damit die Schraubenvorspannkraft messenden Kraftmessvorrichtung (8).
Mutter nach Anspruch 1, bei der die Kraftmessvorrichtung (8) im Zylinderbereich (1) benachbart zur Auflagefläche (2) angeordnet ist.
Mutter nach Anspruch 1 oder 2 mit einem drahtlosen Ausgang (9) der Kraftmessvorrichtung (8) zu einer externen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung (10).
Mutter nach Anspruch 1 oder 2 mit einem als Steckverbindung ausgebildeten Ausgang (9) der Kraftmessvorrichtung (8) und einer Kabelverbindung (11) zu einer externen Messwertumsetz- und -anzeigevorrichtung (10).
Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Gesamthöhe (H) annähernd der Höhe einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser entspricht.
Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 5, deren Gesamthöhe (H) annähernd der Höhe einer Norm-Sechskantmutter für den jeweiligen Gewindedurchmesser zuzüglich der Dicke einer entsprechenden Norm-Unterlegscheibe entspricht.
Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei der das Mutterngewinde (4) in das Schraubengewinde mit einem Abstand von mindestens einem Gewindegang von der Auflagefläche (2) eingreift.
Mutter nach Anspruch 7, bei der das Mutterngewinde (4) im Bereich ohne Eingriff in das Schraubengewinde freigedreht (6) ist.
Mutter nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei der zur Auflagefläche (4) gerichtete Gewindegänge des Mutterngewindes (4) kegelig (7) ausgedreht sind.
Verwendung einer Mutter gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 zum Anziehen hochbelasteter Schrauben mittels eines hydraulischen Schraubenspannzylinders.