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Selbstspannende Schraubenverbindung und Verfahren zu ihrer Herstellung
Die neue selbstspannende Schraubenverbindung von zwei Teilstücken besteht nach bewährten
Ausführungsformen aus einer Schraube mit zwei hintereinander am Schaft angeordneten
Gewinden unterschiedlicher Steigung und annähernd gleichen Durchmessers, die in
zwei axial hintereinander liegende und zu den Bolzengewinden passende Mutterngewinde
der Teilstücke greifen.
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Die neue selbstspannende Schraubenverbindung nutzt die Vorteile der
bekannten Differentialschrauben aus. Sie löst aber außerdem auch die Aufgabe, den
umständlichen Einbau von der Teilfuge aus zu verlassen.
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Die neue Schraube läßt sich - wie jede andere auch - von der Einschraubung
des einen zu verspannenden Teils durch dieses hindurch in den zweiten zu verspannenden
Teil einschrauben, um beim weiteren Schrauben diese Teile dann in wiederum bekannter
Weise miteinander zu verspannen. Bei der neuen Schraubenverbindung sind die Steigungs-
und Durchmesserverhältnisse derart abgestimmt, daß das umständliche Einbauen von
der Teilfuge aus entfällt. Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Gewindedurchmesser
und die Steigung der beiden auf dem Schraubenschaft angeordneten Gewinde so aufeinander
abgestimmt, daß ein Durchschrauben des kleineren Bolzengewindes durch das größere
Mutterngewinde des einen Teilstückes ohne wesentliche Verringerungen des Gewindedurchmessers
des einen gegenüber dem anderen Gewinde möglich ist. Ferner ist die erforderliche
Differenz der Gewindedurchmesser durch Inanspruchnahme der elastischen Verformbarkeit
derGewindeprofile auf einMindestmaßvermindert.
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Nach einer Verbesserung der Erfindung ist in dem Teilstück mit der
großen Gewindebohrung eine an sich bekannte, gewindefreie Zone und in dem Teilstück
mit der kleineren Bohrung eine zur Erzielung eines kontinuierlichen Überganges der
beiden verschiedenen Mutterngewinde dienende Übergangszone vorgesehen.
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Diese weist eine dem Teilstück entsprechende größere Gewindebohrung
auf.
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Ferner ist ein Herstellungverfahren vorteilhaft, bei dem die beiden
unterschiedliche Steigungen aufweisenden Gewinde durch entsprechend eingerichtete
Gewindewerkzeuge gemeinsam gerollt werden. Dabei wird das obere Gewinde fertig geformt
und das untere Gewinde auf einen solchen Durchmesser überdreht, der beim anschließenden
Nachwalzen des unteren Gewindes mittels eines besonderen Gewindewalzwerkzeuges ein
vollständiges Auswalzen des Untergewindes ergibt. Der Vorteil der neuen selbstspannenden
Schraubenverbindung und des Verfahrens zu ihrer Herstellung ergibt sich im einzelnen
durch den Vergleich mit bewährten Differentialschrauben.
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Eine häufig verwendete Schraube mit Differentialgewinde (z. B. an
Kurbelwellen mit Hirthverzahnung) hat zwei derart in Durchmesser und Steigung unterschiedliche
Gewinde, daß der Außendurchmesser des kleineren Gewindes kleiner ist als der Kerndurchmesser
des großen Gewindes. Dadurch kann das kleine Gewinde bei der Montage zunächst durch
das große Gewinde durchgesteckt werden. Der Nachteil dieser Form ist jedoch darin
zu sehen, daß die Tragfähigkeit durch das kleine Gewindeteil und der erforderliche
Platzbedarf durch das große Gewinde bedingt ist.
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Vorteilhaft ist bei dieser Konstruktion, daß zum Festschrauben ein
Sechskantkopf verwendet werden kann, dessen Schlüsselweite größer ist als der Gewindeaußendurchmesser
des größten Gewindes (F i g.1).
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Eine andere bekannte Lösung arbeitet mit zwei Gewinden gleichen Außendurchmessers,
aber unterschiedlicher Steigung. Ein Durchstecken oder Durchschrauben ist hierbei
nicht möglich. Bei der Montage rnuß diese Schraube vielmehr rückwärts in ein Gewinde
eingeschraubt werden und dann vorwärts in das zweite Gewinde zurückgeschraubt werden,
wobei sich natürlich die Schraube gleichzeitig aus dem zuerst eingeschraubten Gewinde
wieder herausdreht. Die Anordnung von zwei Gewinden gleichen Durchmessers hat den
Vorteil, daß weniger Platz gebraucht wird als bei der ersten Lösung. Nachteilig
wirkt sich aber der kleine (durch das Mutterngewinde durchschraubbare) Kopf aus
(F i g. 2). Auch ein Innenschlüsselprofil gestattet nicht, die Schraube auf maximale
Zugvorspannung anzuziehen, da die Flächenpresseng
an den relativ
kleinen Schlüsselflächen sehr hoch ist und der Schlüssel abgleitet bzw. ausschmiert.
Weiterhin ist bei dieser Lösung sehr nachteilig, daß wegen der geschilderten Einschraubbewegung
zumindest ein Gewinde (Bolzen- oder Mutterngewinde) verhältnismäßig lang ausgeführt
sein muß; darüber hinaus ist das Einschrauben mehrerer Schrauben an dem gleichen
Teil sehr schwierig, da das Anziehen synchron erfolgen muß. (Wenn die Schrauben
ungleichmäßig eingeschraubt werden, dann führt das zum Verklemmen oder Verkanten
der Bauteile.) In den F i g. 3 und folgenden ist die neue, selbstspannende Schraubenverbindung
sowie das Verfahren zu ihrer Herstellung näher erläutert.
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F i g. 3 ist ein schematischer Schnitt durch eine Gewindeflanke und
die Lage der Toleranzfelder zur Darstellung der Durchschraubverhältnisse; F i g.
4 ist eine Ansicht mit Einzelheiten im Schnitt an der Schraube nach der Erfindung;
F i g. 5 zeigt in den schematischen Darstellungen 5 a bis 5 h einen Fertigungsplan
für Schrauben nach der Erfindung und in der F i g. 5 i bis 51 schematische Darstellungen
der entsprechenden Gewindeprofile; F i g. 6 veranschaulicht in den Skizzen 6 a bis
6 g die Arbeitsfolge für das Bohren und Gewindeschneiden bei der Herstellung der
Innengewinde der zu verbindenden Teile.
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Aus diesen Zeichnungen geht im einzelnen das folgende hervor: Die
erfindungsgemäße Schraube besteht aus einem Schraubenkopf 1 und einem Schraubenschaft
2. Der Schraubenschaft weist ein oberes Gewinde 3 und ein unteres Gewinde
4 auf. Während der Schaftdurchmesser überall gleich ist, hat das untere Gewinde
4
einen etwas kleineren Gewindedurchmesser als das obere Gewinde 3, der jedoch
im Gegensatz zur bekannten durchsteckbaren Schraube stets größer ist als der Kerndurchmesser
des oberen Gewindes. Hierdurch wird ein Durchschrauben des unteren Gewindes durch
ein dem oberen Gewinde entsprechendes Mutterngewinde möglich, ohne daß der Schaft
an irgendeiner Stelle geschwächt wird.
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Die Durchschraubverhältnisse und die Auswirkung der Gewindetoleranz
auf die Durchschraubbarkeit werden aus dem schematischen Schnitt durch eine Gewindeflanke
(F i g. 3) deutlich. Das Schraubengewinde 5 mit den Gewindeflanken 6 und 7 ist in
das Mutterngewinde 8 mit den Gewindeflanken 9 und 10 eingeschraubt. Die Beanspruchung
der Gewindeprofile bleibt dabei so gering, daß dauernde Verformungen ausgeschlossen
sind. Die beim Durchschrauben maximal beanspruchten Gewindeprofile sind mit
11 und 12 bezeichnet.
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Die Herstellung von Schrauben nach der Erfindung ist schematisch in
F i g. 5 dargestellt. Sie verläuft wie folgt: Auf einer Mehrstufenpresse wird das
Werkstück in einem Arbeitsgang vorgeformt, so daß der Schraubenkopf 1 und der Schraubenschaft
2 entstehen. Diese Vorformung kann auch auf bekannte Art, wie in den F i g. 5 a
bis 5 d gezeigt, durchgeführt werden, wobei zuerst der Kopf 1 gepreßt und
dann die Kopfform abgegratet wird. Wichtig ist es dabei, daß der Schaftdurchmesser
auf das für das Gewinderollen des oberen Gewindes 3 notwendige Maß gepreßt wird.
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Im nächsten Arbeitsgang e werden beide Gewinde gemeinsam gerollt.
Während das obere Gewinde 3 schon fertiggeformt wird, wird das untere Gewinde
4
nur vorgerollt. Hierbei müssen beide - Gewinde in einer vorher genau festgelegten
Weise zueinander stehen. Dies ist durch einentsprechendes Einrichten der Gewinderollwerkzeuge
zu erzielen. Mit Hilfe einer besonderen Profilform des Gewinderollwerkzeuges für
das untere Gewinde 4 wird erreicht, daß trotz unterschiedlicher Steigung der beiden
Gewindeprofile 3 und 4 ein gleicher Gewinderolldurchmesser verwendet werden kann.
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Anschließend wird die Schraube abgelängt, gekuppt und zentriert, wie
es die F i g. 5 f zeigt. Dann werden das untere Gewinde 4 und der Dehnschaft 13
auf einer Kopierdrehmaschine gemeinsam überkopiert. Während dabei der Dehnschaft
13 auf das gewünschte Fertigmaß gebracht wird, wird das untere Gewinde 4 auf einen
Außendurchmesser überdreht, der so gewählt ist, daß beim anschließenden Nachwalzen
mit dem endgültigen Gewindeprofil das Gewinde vollständig ausgewalzt wird. Dieser
Arbeitsgang ist in F i g. 5 g dargestellt.
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Die F i g. 5 h gibt die fertiggeformte Schraube wieder. Für das Fertigrollen
des unteren Gewindes 4
werden Gewinderollen mit dem endgültigen Gewindeprofil
verwendet. Das vorgerollte Gewinde, das in genauer Anordnung zum oberen Gewinde
3 steht, führt dabei die Fertigrollen in die richtige Arbeitslage.
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Aus den F i g. 5 i, 5 k und 51 wird die Entwicklung der Profilform
der Gewinde 3 und 4 deutlich. Es entsprechen die Profilformen der F i g. 5 i dem
Fertigungsabschnitt e, die der F i g. 5 k dem der F i g. 5 g und die der F i g.
51 der fertigen Schraube nach F i g. 5 h. Während in F i g. 5 i sowohl das obere
wie das untere Gewinde gezeigt wird, stellen die F i g. 5 k und 51 nur das untere
Gewinde dar.
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Nach ihrer fertigen Ausformung wird die Schraube vergütet und zur
Herabsetzung der durch die Reibung bedingten Torsion galvanisch kadmiert.
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Die Arbeitsfolge für das Herstellen der zugehörigen Innengewinde ist
in F i g. 6 dargestellt.
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Die in F i g. 6 a gezeigten Teilstücke 14 und 15 werden miteinander
verspannt und vorgebohrt. Die Kernbohrung für das obere Gewinde 16 wird, wie in
F i g. 6 b erkennbar, im Teil 14 und darüber hinaus für eine bestimmte Anzahl von
Gewindegängen auch im Teil 15 vorgenommen. Als vorteilhaft hat es sich dabei erwiesen,
drei bis fünf Gewindegänge, die im Betriebszustand nicht beansprucht werden, als
übergangszone 17 auszubilden. Die notwendige Vorbohrung für das untere Gewinde 18
wird anschließend ausgeführt, wie es in F i g. 6 c angegeben ist.
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Nach dem Vorbohren beginnt die Ausführung der Gewinde; zuerst wird
das obere Gewinde 16 in das Teilstück 14 und in die vorgesehene Übergangszone 17
des unteren Teilstückes 15 eingeschnitten. Dieser Arbeitsgang ist in F i g. 6 d
deutlich gezeigt.
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Wie in der nächsten F i g. 6 e erkennbar, löst man anschließend die
Verspannung der Teilstücke 14 und 15, um mit einem entsprechenden Gewindebohrer
in das Teilstück 15 das untere Gewinde 18 einzuschneiden. Die bereits vorgeschnittenen
Gewindegänge dienen dabei als Führung für die weitere Gewindebohrung. Durch diese
Maßnahme ist gewährleistet, daß das obere Gewinde 16 kontinuierlich in das untere
Gewinde 18 übergeht und festgelegt ist.
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Um das Durchschrauben des unteren Gewindes der Schraube durch das
Mutterngewinde zu ermöglichen, muß im Teilstück 14 von der Trennfugenseite
19
aus noch weiter ausgebohrt werden, wie es in F i g. 6 f zu erkennen ist.
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Nachdem das Mutterngewinde fertiggestellt ist, lassen sich die beiden
Teilstücke 14 und 15 miteinander durch die erfindungsgemäße Schraube verspannen.
Das untere Gewinde der Schraube ist dabei so weit eingeschraubt, daß die Übergangszone
17 nicht zur Kraftübertragung herangezogen wird.
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Sind die Abmessungen der Schraube richtig auf die durch die beschriebene
Herstellung der Mutterngewinde erzeugten Maßverhältnisse abgestimmt, dann lassen
sich beliebig viele Schrauben nacheinander oder gleichzeitig ohne Abheben oder Kanten
oder Beschädigen der Gewindeprofile einschrauben.