-
Kegelgewindeverbindung, insbesondere für Tiefbohrarbeiten Zusatz zum
Patent 975 291 Das Hauptpatent betrifft eine Kegelgewindeverbindung für Tiefbohrgestänge
und -rohre, bei der im fest eingeschraubten Zustand die beiden Flanken jedes Gewindeganges
der Gewinde unterschiedlich belastet sind und die axiale Belastung der Flanken symmetrisch
zu einer Gewindequerebene ist.
-
Es ist eine derartige Kegelgewindeverbindung bekannt, bei der die
Steigungen des Muttergewindes und des Bolzengewindes über die Gewindelänge zwar
jeweils konstant sind, jedoch geringfügig voneinander abweichen. Um die beiden Gewinde
in Eingriff zu bringen, wird das Mutterteil, das die kleinere Steigung besitzt,
soweit erhitzt, bis sein Gewinde infolge der thermischen Ausdehnung des Materials
die gleiche Steigung wie das andere Teil besitzt. In diesem Zustand werden die Gewinde
in Eingriff gebracht. Beim nachfolgenden Abkühlen schrumpft das Mutterteil. Seine
Materialteilchen bewegen sich dabei entlang von Radien einer Schrumpfungskugel,
deren Mittelpunkt etwa in der Mitte der Gewindeverbindung auf deren Achse liegt.
Bei dieser bekannten Kegelgewindeverbindung kann eine gewisse Abdichtung im Gewinde
gegen Durchtritt von Wasser erzielt werden. Die Gewindegänge sind aber bei dieser
Verbindung, in axialer Richtung gesehen, ungleichmäßig belastet, wobei die an den
Außenrändern der Verbindung liegenden Gewindegänge weitaus die größte axiale Kraft
aufnehmen müssen. Dies führt zu einer Keilwirkung zwischen den Gewindegängen, aus
der Einrisse im Gewindegrund entstehen können.
-
Eine ähnliche Maßnahme ist auch von Stiftschrauben mit zylindrischem
Gewinde bekannt. Zum Sichern der Schraube in ihrem Gewinde hat man bei normalem
Gewindeprofil und konstanter Steigung beider Gewindeteile dem einen Gewinde eine
von der Steigung des anderen Gewindes abweichende Steigung gegeben, so daß beim
Einschrauben eine Verspannung entsteht. Im lose eingeschraubten Zustand besteht
nur zwischen den an den Enden der im Eingriff stehenden Gewinde liegenden Gewindegängen
eine Flankenberührung, während bei allen übrigen Flanken ein Spiel vorhanden ist.
Beim festeren Einschrauben kommen dann infolge der Materialverformung immer mehr
Flanken in gegenseitige Berührung, wobei jedoch die Flankenbelastung an den Enden
der Gewindeverbindung am größten ist und zur Mitte hin abnimmt. Es entsteht also
ein ähnlich ungleichmäßiger Belastungszustand wie bei der obenerwähnten geschrumpften
.Kegelgewindeverbindung.
-
Weiter ist es bekannt, Kegelgewindeverbindungen für Schlagbohrkronen
mit Sägegewinden auszurüsten, wobei die Schlagübertragung über die Flanken des Kegelgewindes
erfolgt. Bei dieser Gewindeverbindung können im fest eingeschraubten Zustand die
beiden Flanken jedes der im Eingriff stehenden Gewindegänge unterschiedlich belastet
sein, wobei die axiale Belastung der Flanken symmetrisch zu einer Gewindequerebene
sein kann. Jedoch ist auch bei dieser bekannten Gewindeverbindung für Schlagbohrkronen
die Flankenbelastung über die Gewindelänge ungleichmäßig.
-
Nach der Lehre des Hauptpatentes wird nun eine Kegelgewindeverbindung
erhalten, bei der die Belastung der Gewindegänge über die Länge der Gewindeverbindung
im wesentlichen gleichmäßig ist, so daß sie bei gegebenen Abmessungen höher belastet
werden kann als die bekannten Gewindeverbindungen dieser Art. Zu diesem Zweck ist
im Hauptpatent vorgeschlagen, daß symmetrisch zu der etwa in Gewindemitte gedachten
Querebene Abweichungen einzelner oder mehrerer Gewindegänge hinsichtlich des Abstandes
von dieser Querebene, der Steigung und/oder des Flankendurchmessers vorgesehen sind,
wobei diese Abweichungen auf ein normales Kegelgewinde mit konstanter Gewindegangform,
Gewindesteigung und konstanter Konizität der Gewindegänge bezogen sind.
Im
Hauptpatent sind eine Reihe von speziellen Ausführungsformen dieser Lehre beschrieben.
-
Es hat sich gezeigt, daß eine im Hauptpatent nicht beschriebene Ausführungsform
der allgemeinen Lehre nach dem Hauptpatent besondere Vorteile bietet, da sie mit
relativ einfachen Mitteln zu verwirklichen ist und auf einfache Weise eine Abdichtung
zwischen den Gewindegängen ermöglicht, ohne daß plastische Verformungen auftreten.
-
Diese vorteilhafte Ausführungsform eines Kegelgewindes gemäß Hauptpatent
besteht darin, daß im unbelasteten Zustand die Steigung des Muttergewindes in an
sich bekannter Weise kleiner ist als diejenige des Bolzengewindes und daß sich der
Steigungsunterschied über die Gewindelänge ändert, und zwar als stetige Funktion
der Gewindelänge, wobei der Steigungsunterschied in der Mitte des Bolzengewindes
und des Muttergewindes am größten ist. Die Änderung des Steigungsunterschiedes erfolgt
vorteilhafterweise stetig. Unter einer stetigen Funktion wird hier im mathematischen
Sinne eine solche Funktion verstanden, die zwar Knickstellen, aber keine Sprungstellen
aufweisen kann.
-
Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen
an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
-
Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine Verbindung zwischen zwei
fest miteinander verschraubten Schwerstangen; Fig.2 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen
Gewindeverbindung, die jedoch nur mit der Hand festgezogen worden ist.
-
In Fig. 1 erkennt man eine Schwerstange 1 mit einem Gewindebolzenteil
2, die mit einer ein Muttergewindeteil 4 aufweisenden Schwerstange 3 verbunden ist.
Die Schwerstange 1 besitzt eine Schulter 5, die auf eine Schulter 6 des Muttergewindeteils
4 eine Kraft L aufbringt. Das Bolzengewindeteil 2 trägt ein Gewinde
7, das in das Gewinde 8 des Mutterteils 4
eingreift. Die Längsachse
der beiden Schwerstangen ist bei 9 angedeutet. Die äußeren Flanken des Gewindes
7 stehen mit den inneren Flanken des Gewindes 8 in Berührung und stehen unter
einer spezifischen Last K. Zwischen den verbleibenden unbelasteten Flanken ist ein
schraubenlinienförmiger Schlitz vorhanden. Während bei K und L innere Kräfte angedeutet
sind, können auf die Gewindeverbindung auch äußere Kräfte wirken, die jedoch nicht
angedeutet sind.
-
Die äußeren Kräfte werden als gegeben angenom- ; men, während man
die inneren Kräfte wählen kann, wobei jedoch die zulässigen Spannungen zu berücksichtigen
sind. Bei dem in Fig. 1 wiedergegebenen Zustand ist im Vergleich zum unbelasteten
Zustand das Bolzenteil 2 durch die Wirkung der axialen Komponenten der inneren
Spannungen verkürzt, wogegen das Mutterteil 4 gedehnt bzw. gelängt ist; die
Enden des Bolzenteils 2 sind näher an die Mitte M herangerückt, während sich die
Enden des Mutterteils 4 von der Mitte M weiter entfernt haben. Außerdem führen die
radialen Komponenten der inneren Kräfte zu Verformungen. Alle diese Verformungen
und relativen Verschiebungen lassen sich berechnen, wenn die Materialeigenschaften
bekannt sind. Wenn man das Muterteil nur mit der Hand auf das Bolzenteil aufschraubt,
berühren sich die äußeren belasteten Flanken gemäß Fig. 2 an beiden Enden theoretisch
entlang einer Linie, und zwischen den anderen belasteten und unbelasteten Flanken
verbleibt ein offener Schlitz. Die axiale Breite des Schlitzes zwischen den belasteten
Flanken müßte nunmehr für jeden Punkt im wesentlichen dem Gesamtwert der berechneten
Verkürzung des Bolzenteils zwischen dem betreffenden Punkt und dem Ende des Bolzengewi:ndes
und der berechneten Längung des Mutterteils zwischen dem betreffenden Punkt und
dem Ende des Muttergewindes entsprechen; in diesem Falle ist dasjenige Ende zu betrachten,
das gegenüber der Mitte M auf der gleichen Seite liegt wie der betrachtete Punkt.
Die Werte der Schlitzbreite werden ferner durch die radialen Komponenten der inneren
Kräfte beeinfiußt.
-
In Fig. 2 ist das Gewinde 8 des Mutterteils 4 als normales Kegelgewinde
ausgeführt. Nunmehr trägt man, von diesem Gewinde 8 ausgehend, die Schlitzbreiten
a1, a." a.3, a., a. und a, auf. Hierdurch wird die Lage der äußeren Flanken des
Gewindes 7 des Bolzenteils 2 bestimmt; in einem gewissen Ausmaß hat man jedoch eine
freie Wahl, wohin man die inneren Flanken des Gewindes 7 des Bolzenteils 2 verlegen
will.
-
Gemäß Fig. 2 ist die Linie 10, welche in der Querschnittsdarstellung
die Fußpunkte des Gewindes 7 des Bolzenteils 2 verbindet, eine Gerade, und sie verläuft
parallel zu den Linien, die in der Querschnittsdarstellung die Fußpunkte und die
Spitzen des Gewindes 8 des Mutterteils 4 verbinden, während die Linie 11, welche
die Spitzen des Gewindes 7 des Bolzenteils 2 verbindet, dementsprechend in Richtung
nach rechts konvex ist. Das Gewinde 7 des Bolzenteils 2 und das Gewinde 8 des Mutterteils
4, besitzen an den Enden im wesentlichen die gleiche Steigung. Dies ist die am einfachsten
herzustellende Konstruktion, doch kann man die Linie 10 oder die Linie
11 vergleichsweise beliebig wählen. Bei den in dem Hauptpatent beschriebenen
Ausführungsbeispielen, bei denen sich die Steigung des Bolzengewindes und des Muttergewindes
nicht oder höchstens örtlich ändert, ist die Lage der inneren Flanken des Bolzengewindes
festgelegt, denn wenn man z. B. in Fig. 2 von den Schlitzen a1, a., a3, a4, a.,
und as ausgeht, d. h. von einer gleichmäßigen Belastung der belasteten Flanken,
und es erwünscht ist, eine spezifische Steigungsdifferenz P2-Pl .beizubehalten,
besteht kein Freiheitsgrad Einerseits läßt sich die erfindungsgemäße Gewindeverbindung
auf diese Weise leicht konstruieren, und andererseits ermöglicht dieser Freiheitsgrad
die Herstellung einer abdichtenden Verbindung. Praktisch kann man sich die Schlitze
zwischen den unbelasteten Flanken in Fig. 1 als geschlossen, d. h. als unbelastet
oder als durch eine Kraft belastet vorstellen, die im Vergleich zu der Kraft K klein
ist, und durch Rückwärtsrechnung feststellen, wie groß die Schlitze b1, bz, by b4,
b$ und b. zwischen den unbelasteten Flanken sein müssen. In diesem Falle ergeben
sich kompliziertere Abweichungen von dem normalen Kegelgewinde.
-
Weiter oben wurde bereits die Mitte M erwähnt; hierunter ist derjenige
Punkt zu verstehen, an dem die: inneren und äußeren Flanken ineinander übergehen;
dies folgt aus der Definition der inneren und äußeren Flanken: somit gibt die Mitte
M diejenige Stelle an, an der die Druck- oder Zugbeanspruchung am größten ist. Aus
dem Gleichgewicht der axialen Komponenten der verschiedenen Kräfte folgt, daß die
Mitte M im allgemeinen nicht mit der wahrem Mitte
der Gewindegänge
übereinzustimmen braucht. Demnach liegt die Mitte M in Fig. 1 in Anbetracht der
Schulterkraft L zwischen der wahren Mitte m und dem dickeren Ende des Bolzenteils
2.
-
Die Herstellung des Bolzengewindes und/oder 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 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 Leitspindelachse
mit Hilfe einer Vorrichtung eine Drehbewegung erteilen, wobei diese Vorrichtung
die genannte Drehbewegung steuert, 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.