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Die Erfindung betrifft eine Anordnung
zur Verbindung eines Rohrs mit einem eine rohrförmige Nabe und eine Radialscheibe
aufweisenden Kupplungsflansch gemäß den Merkmalen in den Oberbegriffen
der Patentansprüche
1 oder 5.
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Kupplungsflansche, die der Verbindung
von Rohren untereinander oder von Rohren mit anderen Vorrichtungen
dienen, werden in der Regel über
die ihnen zugeordneten Naben mit den Rohren verschweißt. Dies
ist meistens mit Gefügeveränderungen
verbunden, die in vielen Fällen
unerwünscht sind.
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Darüber hinaus gibt es eine Reihe
von Materialien, die nicht oder nur sehr schwer schweißbar sind
und daher nicht für
Kupplungsflansche eingesetzt werden können.
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Ferner sind Rohre bekannt, die durch
das Verhältnis
des Innendurchmessers zum Außendurchmesser
eine nur geringe Wanddicke aufweisen, und somit nur in einem begrenzten
Umfang mit in der Regel dickwandigen Kupplungsflanschen ausgerüstet werden
können.
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Der Erfindung liegt – ausgehend
vom Stand der Technik – die
Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zur Verbindung eines Rohrs mit
einem Kupplungsflansch zu schaffen, bei der auf Schweißarbeiten
verzichtet verzichtet werden kann und welche auch den Einsatz nicht
schweißbarer
Werkstoffe bei einfacher Montage erlaubt.
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Diese Aufgabe wird gemäß einer
ersten Variante mit den im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
1 angegebenen Merkmalen gelöst.
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Zur Verbindung eines Rohrs mit einem
Kupplungsflansch wird jetzt materialunabhängig ein Außenspannsatz, bestehend aus
einem die äußere Oberfläche des
Rohrs kontaktierenden Innenring mit äußerer Konusfläche und
einem Außenring
mit innerer Konusfläche
herangezogen. Mit Hilfe von sich an der Radialscheibe des Kupplungsflansches
abstützenden,
auf dem Umfang verteilten Schraubbolzen wird der Außenring
mit seiner inneren Konusfläche auf
die äußere Konusfläche des
Innenrings gezogen und dadurch das Ende des Rohrs zwischen dem Innenring
des Außenspannsatzes
und der Nabe des Kupplungsflansches reibschlüssig verspannt. Ferner wird
die der Radialscheibe benachbarte Stirnseite des Innenrings gegen
die Radialscheibe gepresst.
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Sowohl ein Drehmoment als auch eine
Axialkraft sowie ein Biegemoment können somit gemäß der Erfindung
direkt von dem Rohr auf den Kupplungsflansch als auch über den
Innenring des Außenspannsatzes
auf den Kupplungsflansch übertragen werden.
Auf diese Weise werden sowohl die äußere als auch die innere Oberfläche des
Rohrs zur Drehmomentübertragung
benutzt und gleichzeitig die Spannungen im Rohr minimiert.
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Durch die lösbare Verbindung von Rohr und Kupplungsflansch
mit Hilfe eines Außenspannsatzes ist
aber nicht nur eine einfache sichere Montage, sondern auch eine
ebenso problemlose Demontage möglich.
Zur Demontage können
in der Radialscheibe Gewindebohrungen zum Einsatz von Abdruckschrauben
vorgesehen sein.
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Die zur Verbindung des Rohrs mit
dem Kupplungsflansch verwendeten Schraubbolzen durchsetzen gemäß Patentanspruch
2 mit zylindrischen Längenabschnitten
entsprechende zylindrische Bohrungen in der Radialscheibe sowie
in einem radialen Außenkragen
des Innenrings neben der äußeren Konusfläche und
sind mit Gewindeabschnitten in Gewindebohrungen eines radialen Innenkragens
des Außenrings
eindrehbar. Gelangen bevorzugt Schraubbolzen mit runden Innensechskantköpfen zum
Einsatz, so können
diese zylindrischen Köpfe
in entsprechende Vertiefungen in der dem Außenspannsatz abgewandten Seitenfläche der
Radialscheibe des Kupplungsflansches versenkt werden.
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Gemäß einer Weiterbildung der ersten
Lösungsvariante
ist nach Patentanspruch 3 vorgesehen, dass die äußere Oberfläche des Außenkragens des Innenrings entsprechend
seiner äußeren Konusfläche geneigt
ist und mit dieser Oberfläche
eine geneigte Innenfläche
des Außenrings
neben seinem Innenkragen kontaktiert. Diese Flächen nehmen daher ebenfalls
an der Verspannung teil.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung im
Zusammenhang mit der ersten Lösungsvariante sieht
nach Patentanspruch 4 vor, dass der Innenring des Außenspannsatzes
durch Schraubbolzen flächig mit
der der Stirnseite des Rohrs zugewandten Seitenfläche der
Radialscheibe verspannbar ist. Auf diese Weise kann vor dem Verspannen
des Außenspannsatzes
der Innenring an der Radialscheibe des Kupplungsflansches lagefixiert
werden. Hierdurch wird eine weitere, nur durch die Bohrungen für die Schraubbolzen
unterbrochene kreisringförmige Übertragungsfläche für ein Drehmoment
geschaffen.
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Eine zweite Lösungsvariante der der Erfindung
zugrunde liegenden Aufgabe wird in den Merkmalen des Patentanspruchs
5 erblickt.
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Gemäß dieser zweiten ebenfalls
materialunabhängigen
Lösungsvariante übergreift
die Nabe eines Kupplungsflansches ein Ende des mit einer Stirnseite
einem radial nach innen gerichteten kreisringförmigen Fortsatz der Radialscheibe
des Kupplungsflansches zugewandten Rohrs. Das Rohr wird hierbei durch
einen zwischen seiner inneren Oberfläche und dem Fortsatz angeordneten
Innenspannsatz, bestehend aus einem die innere Oberfläche des
Rohrs kontaktierenden Außenring
mit innerer Konusfläche und
einem Innenring mit äußerer Konusfläche, sowie durch
sich an dem Fortsatz abstützende
Schraubbolzen gegen die innere Oberfläche der Nabe reibschlüssig verspannt.
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Bei dieser zweiten Lösungsvariante
können ebenfalls
ein Drehmoment, eine Axialkraft und ein Biegemoment sowohl direkt
von dem Rohr aus den Kupplungsflansch als auch über den Außenring des Innenspannsatzes
auf den Kupplungsflansch übertragen
werden. Beide Seiten des Rohrs werden zur Drehmomentübertragung
genutzt. Die Spannungen im Rohr werden ebenfalls minimiert.
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Gemäß Patentanspruch 6 durchfassen
die Schraubbolzen mit zylindrischen Längenabschnitten entsprechend
ausgebildete Bohrungen in dem Fortsatz sowie in einem radialen Innenkragen
des Außenrings
und sind mit Gewindeabschnitten in Gewindebohrungen in einem radialen
Außenkragen
des Innenrings eingedreht. Die Bohrungen im Fortsatz sind als Stufenbohrungen,
insbesondere für
Innensechskantschrauben mit Rundköpfen, ausgebildet.
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Die Merkmale des Patentanspruchs
7 sehen vor, dass die innere Oberfläche des Innenkragens des Außenrings
mit einer an seine innere Konusfläche angepassten Neigung versehen
ist und mit dieser Oberfläche
eine geneigte Außenfläche des
Innenrings neben seinem Außenkragen
kontaktiert. Auch diese Oberflächen
nehmen folglich aktiv an der Verspannung teil.
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Bei der zweiten Lösungsvariante kann es nach
Patentanspruch 8 sinnvoll sein, dass der Außenring durch Schraubbolzen
flächig
mit der der Stirnseite des Rohrs zugewandten Innenseite des Fortsatzes
verspannt ist. Demnach können
die einander zugewandten Stirnseiten des Außenrings und des Fortsatzes
aktiv zur Drehmomentübertragung genutzt
werden.
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Besonders vorteilhaft ist es nach
Patentanspruch 9, wenn sowohl im Umfang der ersten Lösungsvariante
als auch der zweiten Lösungsvariante das
Verhältnis
des Innendurchmessers des Rohrs zum Außendurchmesser 0,7 bis 0,95,
bevorzugt 0,8 bis 0,9 beträgt.
Auf diese Weise können
auch sehr dünnwandige
Rohre problemlos mit Kupplungsflanschen aus beliebigen Materialien
und mit diversen Wanddicken versehen werden.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand
von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen erläutert.
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Es zeigen:
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1 im
vertikalen Längsschnitt
einen Endabschnitt eines Rohrs mit angesetzten Kupplungsflansch
und
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2 ebenfalls
im vertikalen Längsschnitt einen
Endabschnitt eines Rohrs mit angesetzten Kupplungsflansch gemäß einer
zweiten Ausführungsform.
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Mit 1 ist in der 1 ein Rohr aus Stahl bezeichnet,
bei welchem das Verhältnis
des Innendurchmessers ID zum Außendurchmesser
AD 0,8 bis 0,9 beträgt.
Die Wanddicke WD des Rohrs 1 ist somit vergleichsweise
extrem dünn.
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In ein Ende 2 des Rohrs 1 ist
eine rohrförmige
Nabe 3 eines Kupplungsflansches 4 aus Sphäroguss bis
zur Anlage der Stirnseite 5 des Rohrs 1 an einer
Seitenfläche 6 einer
Radialscheibe 7 des Kupplungsflansches 4 eingeschoben.
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Das Ende 2 des Rohrs 1 wird
von einem stählernen
Innenring 8 eines Außenspannsatzes 9 übergriffen,
wobei der Innenring 8 mit seiner inneren Oberfläche 10 die äußere Oberfläche 11 des
Rohrs 1 kontaktiert. Der Innenring 8 weist eine äußere Konusfläche 12 sowie
einen radial gerichteten Außenkragen 13 auf.
Die Oberfläche 14 des
Außenkragens 13 ist
entsprechend der äußeren Konusfläche 12 geneigt.
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Der Innenring 8 des Außenspannsatzes 9 wird
von einem stählernen
Außenring 15 übergriffen, welcher
einen radialen Innenkragen 16 und an dem Innenkragen 16 eine
innere Konusfläche 17 aufweist, deren
Neigung der äußeren Konusfläche 12 des
Innenrings 8 entspricht. Neben dem Innenkragen 16 besitzt
der Außenring 15 eine
geneigte Innenfläche 18,
welche an der äußeren Oberfläche 14 des
Außenkragens 13 des
Innenringes 8 zur Anlage gelangt.
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In der Radialscheibe 7 des
Kupplungsflansches 4 sind über den Umfang verteilt mehrere
Stufenbohrungen 19 vorgesehen. In axialer Ausrichtung mit
diesen Stufenbohrungen 19 befinden sich in dem Außenkragen 13 des
Innenrings 8 zylindrische Bohrungen 20 und in
dem Innenkragen 16 des Außenrings 15 Gewindebohrungen 21.
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Werden durch eine lediglich strichpunktierte Linienführung schematisch
veranschaulichte Schraubbolzen 22 in die Gewindebohrungen
21 im Innenkragen 16 des Außenrings 15 eingedreht,
so wird unter Abstützung
der Schraubbolzen 22 an der Radialscheibe 7 der
Außenring 15 mit
seiner inneren Konusfläche 17 auf
die äußere Konusfläche 12 des Innenrings 8 und
mit seiner geneigten Innenfläche 18 auf
die äußere Oberfläche 14 des
Außenkragens 13 des
Innenrings 8 gezogen, wobei das Ende 2 des Rohrs 1 entsprechend
den dargestellten Pfeilen PF und PF1 Drehmoment übertragend zwischen der inneren
Oberfläche 10 des
Innenrings 8 und der äußeren Oberfläche 23 der
Nabe 3 verspannt wird. Gleichzeitig wird die Stirnseite 24 des
Innenrings 3 an die Seitenfläche 6 der Radialscheibe 7 gezogen,
so dass auch hier entsprechend den dargestellten Pfeilen PF2 eine
reibschlüssige
Verspannung zur Übertragung
eines Drehmoments errichtet wird.
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In der – bezogen auf die gemeinsame
Mittelachse 25 von Rohr 1 und Kupplungsflansch 4 – unteren
Hälfte
der 1 ist eine Variante
dargestellt, gemäß welcher
der Innenring 8 des Außenspannsatzes 9 durch
Schraubbolzen 26 flächig
mit der der Stirnseite 5 des Rohrs 1 zugewandten
Seitenfläche 6 der Radialscheibe 7 verspannbar
ist. Die Schraubbolzen 26 sind lediglich schematisch durch
eine strichpunktierte Linienführung
veranschaulicht. Auch hierbei sind wieder über den Umfang des Kupplungsflansches 4 verteilt
angeordnete Stufenbohrungen 27 in der Radialscheibe 7 vorgesehen,
während
in dem Außenkragen 13 des
Innenrings 8 axial ausgerichtete Gewindebohrungen 28 eingearbeitet
sind. Mit Hilfe der Schraubbolzen 26 kann der Innenring 8 flächig mit
der Seitenfläche 6 der
Radialscheibe 7 verspannt werden, so dass auch hier eine
Drehmomentübertragung
möglich
ist.
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Aus der 1 ist ferner ersichtlich, dass sich beim
Ausführungsbeispiel
die axiale Länge
L des Außenspannsatzes 9 und
die axiale Länge
L1 der Nabe etwa wie 1 : 1 verhalten. Hingegen verhält sich
die axiale Länge
L des Außenspannsatzes 9 zur
Dicke D der Radialscheibe 7 etwa wie 2,5 : 1.
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Die Wanddicke WD1 der Nabe 3 verhält sich zur
Dicke D der Radialscheibe 7 wie etwa 1,3 : 1.
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Der Außendurchmesser AD1 des Außenspannsatzes 9 verhält sich
zum Außendurchmesser AD
des Rohrs 1 wie etwa 1,7 : 1.
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Ferner ist noch zu erkennen, dass
die Nabe 3 eine zylindrische Bohrung 29 aufweist,
die endseitig in konische Längenabschnitte 30, 31 übergeht. Der
im Querschnitt größere konische
Längenabschnitt 31 mündet in
einen äußeren Stutzen
32 am Kupplungsflansch 4.
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Im Bereich zwischen der äußeren Oberfläche 33 des
Außenspannsatzes 9 und
der äußeren Oberfläche 34 der
Radialscheibe 7 können
Befestigungsbohrungen 35 vorgesehen sein, die lediglich durch
eine strichpunktierte Linienführung
veranschaulicht sind.
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Bei der Ausführungsform der 2 gelangt ebenfalls ein Rohr 1 aus
Stahl zur Anwendung, bei dem das Verhältnis des Innendurchmessers
ID zum Außendurchmesser
AD 0,8 – 0,9
beträgt.
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Auf das Ende 2 des Rohrs 1 ist
bis zur Anlage der Stirnseite 5 des Rohrs 1 an
einem nach innen gerichteten kreisringförmigen Fortsatz 36 einer
Radialscheibe 37 eines Kupplungsflansches 38 aus Sphäroguss eine
rohrtörmige
Nabe 39 aufgeschoben. Die innere Oberfläche 40 der Nabe 39 kontaktiert
die äußere Oberfläche 11 des
Rohrs 1.
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In das Ende 2 des Rohrs 1 ist
ein stählerner Außenring 41 eines
Innenspannsatzes 42 eingeschoben. Der Außenring 41 weist
eine innere Konusfläche 43 und
einen radialen Innenkragen 44 auf. Der Innenkragen 44 ist
mit einer inneren Oberfläche 45 versehen,
die hinsichtlich ihrer Neigung der inneren Konusfläche 43 des
Außenrings 41 angepasst
ist.
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In den Außenring 41 des Innenspannsatzes 42 ist
ein Innenring 46 eingeschoben, der einen radialen Außenkragen 47 besitzt,
an den eine äußere Konusfläche 40 angearbeitet
ist, die hinsichtlich der Neigung der inneren Konusfläche 43 des
Außenrings 41 entspricht.
Ferner weist der Innenring 46 neben dem Außenkragen 47 eine
geneigte Außenfläche 49 auf, die
mit der inneren Oberfläche 45 des
Innenkragens 44 des Außenrings 41 in
Kontakt steht.
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Innenring 46 und Außenring 41 sind
gleich lang bemessen. Die Länge
L2 des Innenspannsatzes 42 entspricht etwa der Länge L3 der
Nabe 39 des Kupplungsflansches 38.
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In den Fortsatz 36 der Radialscheibe 37 sind über den
Umfang des Kupplungsflansches 38 gleichmäßig verteilt
Stufenbohrungen 50 eingearbeitet. Axial zu diesen Stufenbohrungen 50 sind
in dem Innenkragen 44 des Außenrings 41 zylindrische
Bohrungen 51 vorgesehen. In weiterer axialer Fortsetzung
dieser Bohrungen 51 sind in den Außenkragen 47 des Innenrings 46 Gewindebohrungen 52 eingearbeitet.
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Durch strichpunktiert veranschaulichte Schraubbolzen 53,
insbesondere solche mit Rundkopf und Innensechskant, können folglich
unter Abstützung
der Schraubbolzen 53 an dem Fortsatz 36 die äußere Konusfläche 48 des
Innenrings 46 über die
innere Konusfläche 43 des
Außenrings 41 und
die geneigte Außenfläche 49 des
Innenrings 46 über
die innere Oberfläche 45 des
Innenkragens 44 des Außenrings 41 gezogen
werden, wobei entsprechend den dargestellten Pfeilen PF, PF1 das
Ende 2 des Rohrs 1 zwischen der inneren Oberfläche 40 der Nabe 39 und
der äußeren Oberfläche 54 des
Außenrings 41 des
Innenspannsatzes 42 Drehmoment übertragend verspannt wird.
Gleichzeitig erfolgt eine Anpressung der Stirnseite 55 des
Außenrings 41 an die
innere Seitenfläche 56 des
Fortsatzes 36, so dass auch hier entsprechend den dargestellten
Pfeilen PF2 eine Drehmoment übertragende
flächige
Verspannung gewährleistet
ist.
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An den Fortsatz 36 des Kupplungsflansches 38 ist
ein Kurzstutzen 57 angearbeitet.
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Zwischen der äußeren Oberfläche 58 der Nabe 39 und
der äußeren Oberfläche 59 der
Radialscheibe 37 befinden sich durch eine strichpunktierte Linienführung veranschaulicht
Bohrungen 60 in der Radialscheibe 37.
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Die Wanddicke WD2 der Nabe 39 verhält sich
zur Dicke D1 der Radialscheibe 37 wie etwa 1,1 : 1.
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Der Außendurchmesser AD2 der Nabe 39 verhält sich
zum Innendurchmesser 1D1 des Innenspannsatzes 42 wie
etwa 5,2 : 1.
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Die Länge L3 der Nabe 39 verhält sich
zur Dicke D1 der Radialscheibe 37 wie etwa 2,5 : 1.
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Des Weiteren ist aus der 2 – bezogen auf die gemeinsame
Mittellinie 61 von Rohr 1 und Kupplungsflansch 38 – unterhalb
der Mittellinie 61 zu sehen, dass dort der Außenring 41 des
Innenspannsatzes 42 durch Schraubbolzen 62, dargestellt durch
eine strichpunktierte Linienführung,
flächig
mit der der Stirnseite 5 des Rohrs 1 zugewandten
Innenseite 56 des Fortsatzes 36 verspannt ist.
Zu diesem Zweck sind in dem Fortsatz 36 zylindrische Stufenbohrungen 63 und
in axialer Ausrichtung hierzu Gewindebohrungen 64 in dem
radialen Innenkragen 44 des Außenrings 41 vorgesehen.
Werden die Schraubbolzen 62 angezogen, so wird der Außenring 41 unter
Abstützung
der Schraubbolzen 62 am Fortsatz 36 flächig gegen
die Innenfläche 56 des
Fortsatzes 36 gezogen, so dass gemäß den dargestellten Pfeilen
PF2 hier eine Drehmoment übertragende Verspannung
gewährleistet
ist.
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- 1
- Rohr
- 2
- Ende
v. 1
- 3
- Nabe
v. 4
- 4
- Kupplungsflansch
- 5
- Stirnseite
v. 1
- 6
- Seitenfläche v. 7
- 7
- Radialscheibe
v. 4
- 8
- Innenring
v. 9
- 9
- Außenspannsatz
- 10
- innere
Oberfläche
v. 8
- 11
- äußere Oberfläche v. 1
- 12
- äußere Konusfläche v. 8
- 13
- Außenkragen
v. 8
- 14
- Oberfläche v. 13
- 15
- Außenring
v. 9
- 16
- Innenkragen
v. 15
- 17
- innere
Konusfläche
an 16
- 18
- Innenfläche v. 15
- 19
- Stufenbohrungen
in 7
- 20
- zylindrische
Bohrungen in 13
- 21
- Gewindebohrungen
in 16
- 22
- Schraubbolzen
- 23
- äußere Oberfläche v. 3
- 24
- Stirnseite
v. 8
- 25
- Mittelachse
v. 1 und 4
- 26
- Schraubbolzen
- 27
- Stufenbohrungen
in 7
- 28
- Gewindebohrungen
in 13
- 29
- zylindrische
Bohrung v. 3
- 30
- konischer
Längenabschnitt
v. 3
- 31
- konischer
Längenabschnitt
v. 3
- 32
- Stutzen
v. 4
- 33
- äußere Oberfläche v. 9
- 34
- äußere Oberfläche v. 7
- 35
- Befestigungsbohrungen
in 7
- 36
- Fortsatz
v. 37
- 37
- Radialscheibe
v. 38
- 38
- Kupplungsflansch
- 39
- Nabe
v. 38
- 40
- innere
Oberfläche
v. 39
- 41
- Außenring
v. 42
- 42
- Innenspannsatz
- 43
- Konusfläche v. 41
- 44
- Innenkragen
v. 41
- 45
- Oberfläche v. 44
- 46
- Innenring
v. 42
- 47
- Außenkragen
v. 46
- 48
- Konusfläche v. 47
- 49
- Außenfläche v. 46
- 50
- Stufenbohrungen
in 36
- 51
- Bohrungen
in 44
- 52
- Gewindebohrungen
in 47
- 53
- Schraubbolzen
- 54
- äußere Oberfläche v. 41
- 55
- Stirnseite
v. 41
- 56
- Seitenfläche v. 36
- 57
- Kurzstutzen
an 38
- 58
- äußere Oberfläche v. 39
- 59
- äußere Oberfläche v. 37
- 60
- Befestigungsbohrungen
- 61
- Mittellinie
v. 1 und 38
- 62
- Schraubbolzen
- 63
- Stufenbohrungen
in 36
- 64
- Gewindebohrungen
in 44
- 65
- innere
Oberfläche
v. 1
- ID
- Innendurchmesser
v. 1
- AD
- Außendurchmesser
v. 1
- WD
- Wanddicke
v. 1
- PF
- Pfeile
- PF1
- Pfeile
- PF2
- Pfeile
- L
- Länge v. 9
- L1
- Länge v. 4
- D
- Dicke
v. 7
- WD1
- Wanddicke
v. 3
- AD1
- Außendurchmesser
v. 9
- L2
- Wanddicke
v. 39
- D1
- Dicke
v. 37
- AD2
- Außendurchmesser
v. 39
- ID1
- Innendurchmesser
v. 42