DE1152673B - Kegelgewindeverbindung, insbesondere fuer Tiefbohrrohre - Google Patents

Description

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, so weit 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 Kegelgewindeverbindung, insbesondere für Tiefbohrrohre

Zusatz zum Patent 975 291

Anmelder:

Bataafse Petroleum Maatschappij N. V., Den Haag

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls

und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Niederlande vom 31. Oktober 1955

Herman Tobias van der Wissel, Den Haag, ist als Erfinder genannt worden

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 Kegelgewindeverbindüng 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/

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oder des Flankendurchmessers vorgesehen sind, Fig. 1 zeigt einen Querschnitt durch eine erfin-

wobei diese Abweichungen auf ein normales Kegel- dungsgemäße Gewindeverbindung, bei der die beiden

gewinde mit konstanter Gewindegangform, Gewinde- Teile fest miteinander verschraubt sind;

Steigung und konstanter Konizität der Gewindegänge Fig. 2 und 3 zeigen für verschiedene Ausführungsbezogen sind. 5 beispiele jeweils einen Querschnitt durch ein Teil

Im Hauptpatent ist eine Reihe von speziellen einer erfindungsgemäßen Gewindeverbindung, wobei

Ausführungsformen beschrieben. Bei diesen ist die die beiden Teile jeweils nur mit der Hand zusammen-

Lehre des Hauptpatentes jedoch in einer Weise ver- geschraubt sind.

wirklicht, bei der im zusammengeschraubten Zustand Fig. 1 zeigt eine fest zusammengeschraubte Geder Gewindeteile der Gewindebolzen stets unter io windeverbindung, z. B. zwischen zwei Schwerstangen

Druckspannung und die Gewindemutter stets unter 1 und 3, unterhalb deren ein Bohraggregat mit Tur-

Zugspannung stehen. binenantrieb angeordnet ist.

Gemäß der Erfindung wird die Lehre des Haupt- Die Schwerstange 1 trägt ein Bolzengewindeteil 2,

patents, nach der in fest eingeschraubtem Zustand das fest in ein Muttergewindeteil 4 der anderen die beiden Flanken jedes Gewindeganges der beiden 15 Schwerstange 3 eingeschraubt ist. Ferner weist die

Gewinde unterschiedlich belastet sind und symme- Schwerstange 1 eine Schulter 5 auf, die auf eine

trisch zu einer etwa in der Gewindemitte gedachten Schulter 6 des Muttergewindeteils 4 eine Kraft L auf-

Gewindequerebene Abweichungen einzelner oder bringt. Das Bolzengewindeteil 2 trägt ein Gewinde 7,

mehrerer Gewindegänge hinsichtlich des Abstandes das in ein Gewinde 8 des Muttergewindeteils 4 ein-

von dieser Ebene, der Steigung und/oder des Flanken- 20 greift. Die Längsachse der Schwerstangen ist bei 9

durchmesser vorgesehen sind, mit der Maßgabe auf angedeutet. Die inneren Flanken des Gewindes 7 be-

Kegelgewindeverbindungen angewendet, daß diese rühren die äußeren Flanken des Gewindes 8 und

Abweichung in der Weise gewählt sind, daß im fest stehen unter einer spezifischen Belastung K. Zwischen

eingeschraubten Zustand der beiden Gewindeteile den übrigen unbelasteten Flanken ist ein schrauben-

das Gewinde des Bolzenteils auf Zug und das Ge- 25 linienförmiger Schlitz vorhanden. Neben den inneren

winde des Mutterteils auf Druck beansprucht ist. Es Kräften K und L können auf die Gewindeverbindung

hat sich nämlich gezeigt, daß Gewindeverbindungen äußere Kräfte wirken, die hier jedoch nicht ange-

diesem Spannungszustand bei Schwerstangen für Tief- deutet sind.

bohraggregate mit Turbinenantrieb bevorzugt geeignet Während die äußeren Kräfte als gegeben angenom-

sind. 30 men werden, kann man die inneren Kräfte unter

Im Hinblick auf die Herstellung ist es erwünscht, Berücksichtigung der zulässigen Beanspruchungen daß entweder das Bolzenteil oder das Mutterteil mit wählen. Bei dem in Fig. 1 dargestellten Zustand ist einem normalen Kegelgewinde versehen wird; dies ist im Vergleich zum unbelasteten Zustand durch die jedoch nicht unbedingt erforderlich. Die Gewinde- Wirkung der axialen Komponenten der inneren Spangänge des Bolzenteils und des Mutterteils sollen im 35 nungen der Bolzen 2 gelängt bzw. gedehnt, während unbelasteten Zustand gewisse Unterschiede aufweisen; das Muttergewindeteil verkürzt ist; die Enden des bezüglich des erzielten Ergebnisses ist es unwesent- Muttergewindeteils 4 sind hierbei näher an die Mitte M lieh, ob diese Unterschiede dadurch herbeigeführt herangerückt, und die Enden des Bolzengewindeteils 2 werden, daß man das Bolzengewinde, das Mutter- haben sich von der Mitte M weiter entfernt. Zusätzgewinde oder beide Gewinde abweichend von dem 40 liehe Verformungen ergeben sich aus der Wirkung normalen Kegelgewinde herstellt. der radialen Komponenten der inneren Kräfte. Die

Diese Abweichungen im unbelasteten Zustand der Verformungen und relativen Verschiebungen lassen

Gewindeverbindung ähneln denjenigen, die im Haupt- sich aus den Materialeigenschaften berechnen. Wenn

patent beschrieben sind. Bei der erfindungsgemäßen man nunmehr das Bolzenteil nur mit der Hand in

Gewindeverbindung ist die Lage nur insofern umge- 45 das Mutterteil einschraubt, werden sich die äußeren

kehrt, als das Bolzenteil einer Zugspannung und das belasteten Flanken gemäß Fig. 2 und 3 bei A und B

Mutterteil einer Druckspannung ausgesetzt ist. Auch an den beiden Enden theoretisch längs einer Linie

hier treten keine plastischen Verformungen auf. berühren, während zwischen den übrigen belasteten

Bei einem Kegelgewinde, bei dem sich im unbe- und unbelasteten Flanken ein offener Schlitz verbleibt, lasteten Zustand die Steigung des Muttergewindes 50 Unter den belasteten Flanken sind hier die inneren von dem des Bolzengewindes unterscheidet, kann die Flanken des Bolzengewindes und die äußeren Flanken Abweichung in der Weise gewählt sein, daß sich der des Muttergewindes zu verstehen, und bei den unbe-Steigungsunterschied in bezug auf die Gewindelänge lasteten Flanken handelt es sich um die anderen ändert, und zwar als stetige Funktion der Gewinde- Flanken. Die axiale Breite des Schlitzes zwischen den länge, und daß die Steigung des Muttergewindes 55 belasteten Flanken müßte jetzt für jeden Punkt im größer ist als diejenige des Bolzengewindes, wobei wesentlichen dem Gesamtwert der berechneten Länder Steigungsunterschied in der Mitte des Bolzen- gung des Bolzenteils zwischen dem betreffenden gewindes und des Muttergewindes am größten ist. Punkt und dem Ende des Bolzengewindes und der

Wenn das Bolzengewinde und das Muttergewinde berechneten Verkürzung des Muttergewindes zwi-

eine konstante, jedoch unterschiedliche Steigung auf- 60 sehen dem betreffenden Punkt und dem Ende des

weisen, kann die Steigung des Bolzengewindes etwas Muttergewindes entsprechen. In diesem Fall ist das-

kleiner sein als diejenige des Muttergewindes, wobei jenige Ende zu wählen, das gegenüber der Mitte M

das Bolzengewinde am dickeren Ende weniger stark auf der gleichen Seite liegt wie der betrachtete Punkt,

und am dünneren Ende stärker kegelig zu machen Die Schlitzbreiten werden außerdem durch die radia-

ist als das Kegelgewinde des Mutterteils. 65 len Komponenten der inneren Kräfte beeinflußt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand sehe- In Fig. 2 handelt es sich bei dem Gewinde 7 des

matischer Zeichnungen an mehreren Ausführungs- Bolzenteils 2 um ein normales Kegelgewinde; die

beispielen näher erläutert. Linien 10 und 11, die in der Querschnittsdarstellung

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die Spitzen bzw. die Fußpunkte des Gewindes verbin- knickt, daß das Gewinde 7" am dickeren Ende des den, verlaufen geradlinig und parallel zueinander. Die Bolzenteils 2 stärker und am dünneren Ende weniger berechneten Schlitzbreiten a_v a.₂, a₃, a₄, a₅ und a_e stark kegelig ist als das Kegelgewinde des Mutterwerden aufgetragen, indem man von dem Gewinde 7 teils 4.

ausgeht. Auf diese Weise wird die Lage der äußeren 5 Es sei bemerkt, daß die Abweichungen in den

Flanken des Gewindes 8 des Mutterteils 4 bestimmt. Figuren stark übertrieben dargestellt sind. Ferner

In Fig. 2 sind diese äußeren Flanken durch Vollinien sind in Fig. 2 und 3 die Abflachungen an den Spitzen

dargestellt. In einem gewissen Ausmaß hat man die der Gewinde und am Gewindegrund nicht dargestellt,

freie Wahl bezüglich der Lage der inneren Flanken Diese Abflachungen, die man in Fig. 1 erkennt, haben

des Gewindes 8 des Mutterteils 4, die in Fig. 2 durch io die Aufgabe, ein Aufreißen der Gewindegänge am

gestrichelte Linien angedeutet sind. Gemäß Fig. 2 ist Gewindegrund zu verhindern; auch das flache Teil 14

die Linie 12, welche in der Querschnittsdarstellung zwischen der Schulter 5 und dem Gewinde 7 dient

die Fußpunkte des Gewindes 8 verbindet, eine gerade dem gleichen Zweck. Das flache Teil 15 am Ende des

Linie, die parallel zu den Linien 10 und 11 verläuft, Bolzenteils 2 sowie das flache Teil 16 am Ende des

wobei der Abstand zwischen dem Punkt P und der 15 Mutterteils 4 dienen als Verstärkungen für die dünnen

Linie 12 größer ist als der Abstand zwischen den Enden des Bolzenteils 2 bzw. des Mutterteils 4.

Linien Iß und Ii. Die Linie 13, welche in der Quer- In Fig. 1 könnten die Schlitze bzw. Spalte zwischen

Schnittsdarstellung die Spitzen des Gewindes 8 ver- den unbelasteten Flanken auch geschlossen sein,

bindet, ist daher von der Linie 12 in der Mitte M wobei diese Flanken jedoch keine Kräfte oder nur

weiter entfernt als an den Enden des Gewindes; in 20 solche Kräfte übertragen, die im Vergleich zu den

der Mitte M ist die Steigung des Gewindes 8 somit Kräften K klein sind. Man kann dann berechnen, wie

größer als an den Enden. Die Steigung des Gewin- groß diese Spalte zwischen den unbelasteten Hanken

des 8 ändert sich allmählich, und die Änderung des werden, wenn man das Bolzenteil nur mit der Hand

Steigungsunterschiedes zwischen dem Bolzengewinde in das Mutterteil einschraubt; auf diese Weise lassen

und dem Muttergewinde erfolgt ebenfalls allmählich. 25 sich nicht nur die axialen Spalte zwischen den be-

Die Gewinde 7 und 8 haben an den Enden des Ge- lasteten Flanken, sondern auch diejenigen zwischen

windes, d. h. bei A und B, im wesentlichen die gleiche den unbelasteten Flanken bestimmen. Hierdurch wird

Steigung. es möglich, eine Gewindeverbindung zu konstruieren,

Wie bereits erwähnt, ist es auch möglich, für die die eine abdichtende Wirkung ergibt; allerdings

inneren Flanken des Gewindes 8 eine andere Lage 30 ergeben sich hierbei kompliziertere Abweichungen

zu wählen; beispielsweise könnte die Linie 12 eine der Gewindegänge.

unregelmäßige Form aufweisen; ferner kann man die Weiter oben wurde die Mitte M erwähnt; hierunter Linien 12 und 13 derart konstruieren, daß das Ge- ist derjenige Punkt zu verstehen, an dem die inneren winde 8 eine konstante Steigung besitzt, die größer und die äußeren Flanken ineinander übergehen, was ist als die Steigung des Gewindes 7, oder derart, daß 35 aus der Definition der inneren und äußeren Flanken das Gewinde 8 zwar eine konstante Steigung besitzt, folgt; die Mitte M bezeichnet somit diejenige Stelle, jedoch in der Mitte eine örtliche Änderung der Stei- an der die größte Druck- oder Zugspannung auftritt, gung aufweist. Die zuletzt genannten Möglichkeiten Aus dem Gleichgewicht der axialen Komponenten der sind in Fig. 3 dargestellt, wo jedoch das Mutterteil 4 verschiedenen Kräfte folgt, daß die Mitte M nicht mit einem normalen Kegelgewinde 8 versehen ist, für 40 allgemein mit der wahren Mitte der Gewindegänge das die geraden Linien 12 und 13 gelten, während übereinzustimmen braucht. In Fig. 1 liegt die Mitte M das Bolzengewinde 2 Abweichungen zeigt. Die be- im Hinblick auf die Schulterkraft L zwischen der lasteten Flanken des Bolzengewindes 2 werden auf- wahren Mitte m und dem dickeren Ende des Bolzengetragen, indem man von den Flankenschlitzen a_v a₂, gewindes.

a_s, a_v ei. und a_e ausgeht. Für die unbelasteten bzw. 45 Die Herstellung des Bolzengewindes und/oder des die äußeren Flanken sind zwei Möglichkeiten dar- Muttergewindes einer Gewindeverbindung gemäß der gestellt, so daß in Fig. 3 zwei verschiedene Gewinde T vorliegenden Erfindung bietet größere Schwierigbzw. 1" für das Bolzenteil 2 zu erkennen sind; die keiten als die Herstellung eines normalen Schraubenäußeren Flanken des Gewindes T sind als gestrichelte gewindes. Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch Linien gezeichnet, während die äußeren Hanken des 50 überwinden, wenn man beim Schneiden des Gewindes Gewindes 7" durch strichpunktierte Linien angedeutet auf einer Drehbank besondere Hilfsmittel benutzt, sind. Das Gewinde 7' besitzt eine konstante Steigung, Beispielsweise kann man die gewünschten Abweidie kleiner ist als diejenige des Gewindes 8 des chungen von der Kegelform mit Hilfe einer Kegel-Mutterteils 4; die Linien 10' und 11', welche in der dreheinrichtung erzielen, welche die gewünschten Ab-Querschnittsdarstellung die Spitzen bzw. die Fuß- 55 weichungen aufweist. Ein kleiner konstanter Steipunkte des Gewindes T verbinden, sind in Richtung gungsunterschied zwischen den beiden Gewinden läßt nach rechts etwa konvex, d.h., das Gewinde7' ist sich durch Verwendung geeigneter Wechselräder eram dickeren Ende des Bolzenteils 2 weniger stark zielen, wobei man z. B. für das eine Gewinde ein und am dünneren Ende des Bolzenteils stärker kegelig Wechselrad mit 400 Zähnen und für das andere Geals das Kegelgewinde des Mutterteils 4. 60 winde ein Wechselrad mit 401 Zähnen benutzt. Um

Das Gewinde 7" besitzt eine konstante Steigung, bei einem zu schneidenden Gewinde die gewünschten die ebenso groß ist wie diejenige des Gewindes 8 des Steigungsunterschiede hervorzurufen, kann man der Mutterteils 4, doch ist an der Mitte M eine örtliche mit dem Stahlhalter verbundenen Leitspindelmutter, Änderung der Steigung vorhanden, die aus einer die durch die Leitspindel bewegt wird, zusätzlich zu einzigen Gewinderille von geringerer Steigung besteht; 65 ihrer Translationsbewegung während ihrer Bewegung die Linien 10" und 11", die in der Querschnitts- gegenüber der Leitspindelachse mit Hilfe einer Vordarstellung die Spitzen bzw. die Fußpunkte des Ge- richtung eine Drehbewegung erteilen, wobei diese windes 7" verbinden, sind derart gebogen bzw. ge- 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.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Kegelgewindeverbindung, insbesondere für unmittelbar aneinander anzuschließende Tiefbohrgestänge und -rohre, bei der in fest eingeschraubtem Zustand die beiden Hanken jedes Gewindeganges der beiden Gewinde unterschiedlich belastet sind und symmetrisch zu einer etwa in der Gewindemitte gedachten Gewindequerebene Abweichungen hinsichtlich des Abstandes von dieser Ebene, der Steigung und/oder des Flankendurchmessers einzelner oder mehrerer Gewindegänge vorgesehen sind, nach Hauptpatent 975 291, da durch gekennzeichnet, daß die Abweichungen in der Weise gewählt sind, daß im fest eingeschraubten Zustand der beiden Gewinde das Gewinde des Bolzenteils auf Zug und das Gewinde des Mutterteils auf Druck beansprucht ist.

2. Kegelgewindeverbindung nach Anspruch 1, bei dem sich im unbelasteten Zustand die Stei-

gung des Muttergewindes von dem des Bolzengewindes unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Steigungsunterschied in bezug auf die Gewindelänge ändert, und zwar als stetige Funktion der Gewindelänge, und daß die Steigung des Muttergewindes größer ist als diejenige des Bolzengewindes, wobei der Steigungsunterschied in der Mitte des Bolzengewindes und des Muttergewindes am größten ist.

3. Kegelgewindeverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung_§des Steigungsunterschiedes stetig erfolgt.

4. Kegelgewindeverbindung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Bolzenteil ein normales Kegelgewinde aufweist.

5. Kegelgewindeverbindung nach Anspruch 1, bei dem im unbelasteten Zustand der Verbindung sowohl das Bolzengewinde als auch das Muttergewinde eine konstante, jedoch unterschiedliche Steigung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß die Steigung des Muttergewindes etwas größer ist als diejenige des Bolzengewindes und daß das Bolzengewinde an seinem dickeren Ende weniger stark und an seinem dünneren Ende stärker kegelig ist als das Kegelgewinde des Mutterteils.

6. Kegelgewindeverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung der Kegelform stetig erfolgt.

7. Kegelgewindeverbindung nach Anspruch 1, bei der im unbelasteten Zustand der Verbindung das Bolzengewinde und das Muttergewinde die gleiche Steigung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mitte des Bolzenteils und/oder des Mutterteils eine örtliche Änderung der Steigung vorgesehen ist und daß das Bolzengewinde an seinem dickeren Ende stärker und an seinem dünneren Ende weniger stark kegelig ist als das Kegelgewinde des Mutterteils.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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