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Muffenschrumpfverbindung Die Erfindung betrifft eine Muffenschrumpfverbindung
von Rohren oder Stangen mit hydraulisch aufweitbarem Verbindungsspalt und kegeligen
Paßfiächen.
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Eine bekannte Verbindung dieser Art ist mit Gewinden zwischen den
Paßflächen versehen, wobei unter gleichzeitiger Zufuhr eines Hydraulikmediums das
jeweils innenliegende Teil in das außenliegende Teil eingedreht wird. Die Festigkeit
der Verbindung wird dabei durch das anschließende Aufschrumpfen gegenüber der reinen
Gewindefestigkeit erheblich erhöht. Die Anwendung von hydraulischem Aufschrumpfen
ist ferner bei dem Aufbringen von Lagern, Ritzeln, Flanschen od. dgl. auf Wellen
bekannt, wobei dem jeweiligen Verbindungsspalt ebenfalls Hydraulikflüssigkeit unter
hohem Druck zugeführt wird, welche das Aufsetzen der einzelnen Teile auf die Welle
unter hoher Vorspannung gestattet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung der eingangs
genannten Art so auszubilden, daß sie sehr große axiale Zugbelastungen aushält,
wobei die Festigkeit der Verbindung größer oder mindestens gleich der Festigkeit
der zu verbindenden Rohre oder Stangen sein soll.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Muffe und Rohr
oder Stange jeweils einen mittleren Querschnitt haben, der bei Aufweitung des Verbindungsspaltes
unter Vorspannung der Muffe und des Rohres oder der Stange in Streckgrenzennähe
zu einer axialen Verkürzung des außenliegenden Teiles der Verbindung und einer axialen
Längung des innenliegenden Teiles führt.
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Mit dieser Anordnung wird erreicht, daß das außenliegende Teil so
vorgespannt ist, daß es bei einem Nachlassen der Vorspannung unter Durchmesserverringerung
das Bestreben hat, sich zu längen, während das innenliegende Teil unter Durchmesservergrößerung
das Bestreben hat, sich axial zu verkürzen. Wird also eine Zugbelastung in das innenliegende
Teil eingeleitet, die entsprechend ihrer Wirkung zu einer Längung des innenliegenden
Teiles und damit zu einer Durchmesserverringerung dieses Teiles führt, so längt
sich das außenliegende Teil infolge der auf es aufgebrachten Vorspannung und verhindert
somit ein Lösen der Verbindung. Die bekannten Verbindungen lösen sich dagegen schon
dann, wenn infolge einer axialen Zugbelastung das innenliegende Teil gelängt wird.
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Wird umgekehrt eine axiale Zugbelastung in das außenliegende Teil
eingeleitet, so verringert sich infolge der hierdurch hervorgerufenen axialen Längong
dieses Teiles dessen Innendurchmesser, wodurch die Flächenpressung im Verbindungsspalt
erhöht wird, da ja das innenliegende Teil seinerseits in Richtung auf eine Durchmesservergrößerung
vorgespannt ist.
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Praktische Versuche haben ergeben, daß bei einer Zugbelastung die
Streckgrenze bzw. der Bruch stets eher im Rohr oder der Stange als in der Verbindung
erreicht wurde.
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Die eingangs genannte Aufgabe ist auch durch eine andere bekannte
Anordnung nicht lösbar, bei welcher zum Zwecke des Aufschrumpfens das jeweils außenliegende
Teil erwärmt wird. In diesem Fall führt nämlich die. Erwärmung zwar zu einem Aufweiten,
aber gleichzeitig zu einer axialen Längung des außenliegenden Teiles, so daß im
Spannungszustand der Verbindung das außenliegende Teil das Bestreben hat, sich axial
zu verkürzen. Bei einer axialen Zugbelastung des innenliegenden Teiles mit entsprechender
Längung und Durchmesserverringerung verkürzt sich also das außenliegende Teil relativ
rasch, wodurch die Länge der Preßfläche verkürzt und damit die Zugfestigkeit der
Verbindung verringert wird. Kommt es also bei dieser Anordnung erst einmal zu einer
axialen Längung des innenliegenden Teiles., so löst sich die Verbindung.
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Die erfindungsgemäße Verbindung kann so ausgebildet sein, daß die
Muffe außen liegt und zwei axial aneinander angrenzende Rohr- oder Stangenenden
übergreift. Die Muffe kann aber auch innen
liegen und beidseitig
von zwei Rohrenden übergriffen werden. Schließlich kann die Muffe durch ein Rohr-_
ende gebildet sein, das das angrenzende Rohr- oder Stangenende übergreift.
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Bei gleichen Materialeigenschaften haben Muffe und Rohr oder Stange
zur Erreichung des erfindungsgemäßen Effektes zweckmäßigerweise etwa gleichen mittleren
Wandungsquerschnitt. Es ist aber auch möglich, Elastizitätsmodule und Festigkeitseigenschaften
des einen Teiles, und zwar vorzugsweise der Muffe, so zu wählen, da.ß diese größer
als die des anderen Teiles sind, wodurch es möglich wird, der Muffe einen geringeren
Wandungsquerschnitt als den Rohren oder den Stangen zu geben.
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Bei einer Vergrößerung des Reibungskoeffizienten zwischen den Teilen
wird die Festigkeit der Verbindung erhöht. Hierzu ist es vorteilhaft, die Flächen
entweder aufzurauen oder wenigstens eine der Flächen mit einem flachen, sägezahnartigen
Gewinde zu versehen. Es ist weiter möglich, Arretierungsmittel in Form eines in
Gewindegängen gewickelten Drahtes oder eines Drahtgeflechtes oder von harten Partikeln,
beispielsweise aus Wolframkarbit, in den Verbindungsspalt einzubringen. Dabei können
diese Drähte oder diese Partikeln in einen tragenden Film eingebettet sein. Um die
Spannungsspitzen in den außenliegenden Bereichen des außenliegenden Teiles abzubauen,
kann dieses zweckmäßigerweise im Querschnitt innen oder außen zusätzlich abgeschrägt
sein.
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Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen
in der Zeichnung näher erläutert.
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F i g. 1 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Verbindung; F i g. 1 a verdeutlicht in einem Diagramm die Belastungsverhältnisse
bei der Verbindung nach Fig.1; F i g. 2 zeigt eine andere Ausführungsform mit innenliegender
Muffe; F ig. 2 a verdeutlicht die Belastungsverhältnisse bei der Anordnung nach
F i g. 2; F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform ähnlich F i g. 1, bei welcher die
einzelnen Teile über die Verbindungslänge gleiche Wandstärke haben; F i g. 4 zeigt
eine Anordnung ähnlich F i g. 2, eben- , falls mit gleicher Wandstärke der Teile
über die Verbindungslänge; F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform ähnlich F i g. 2
bei Rohren mit nicht aufgeweiteten Rohrenden; F i g. 6 und 7 zeigen Ausführungsbeispiele,
bei welchen die Rohrenden die Muffe bilden; F i g. 8 zeigt eine Stangenverbindung;
F i g. 9 bis 11 zeigen Beispiele zur Erhöhung der Reibung zwischen den einzelnen
Teilen; F i g. 12 und 13 zeigen Ausführungsbeispiele zum Abbau der Spannungsspitzen
an den Muffenrändern; F i g. 14 und 15 zeigen eine Ausführungsform mit Gewinde zwischen
den zu verbindenden Teilen.
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F i g. 1 zeigt im Schnitt ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen
Muffenschrumpfverbindung, wobei die Muffe 22 kegelige Enden zweier Rohre 32 und
34 übergreift. Die kegeligen Außenflächen der Rohrenden sind mit 42, die entsprechenden
Innenflächen der Muffe mit 44 bezeichnet. Jeweils eine Durchtrittsöffnung 46 in
der Außenwandung der Muffe mit einem Sitz 5® zum Ansatz eines Hydraulikinjektors
ist mit einem Ringkanal 48 verbunden, um in den Verbindungsspalt zum Zwecke des
Aufschrumpfens Hydraulikflüssigkeit einführen zu können. Am jeweils innenliegenden
Ende der Rohre 32 und 34 kann ein Dichtungsring 52 vorgesehen sein, um zu verhindern,
daß ein während des Betriebes der Schrumpfverbindung auftretender Innendruck in
Lösungsrichtung wirkt. Etwa einsickernde Flüssigkeit kann durch den Ringkanal 48
und die Öffnungen 46 entweichen. Der axiale Abstand zwischen den beiden Rohrenden
im Verbindungszustand ist klein gehalten, um ein Aufweiten der Muffe 22 durch den
Betriebsdruck zu vermeiden.
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Zur Herstellung der Verbindung wird eine Hydraulikflüssigkeit durch
die Öffnung 46 in den Verbindungsspalt zwischen den Flächen 42 und 44 eingeführt,
nachdem die Rohrenden so weit in die Muffe eingesteckt wurden, daß ihre Paßflächen
aneinander anliegen. Während des Einführens der Hydraulikflüssigkeit wird ein axialer
Druck auf die Rohrenden in Einschubrichtung ausgeübt, so daß sich die Muffe unter
gleichzeitiger axialer Verkürzung aufweitet, während der Durchmesser des Rohres
unter gleichzeitiger axialer Längung verringert wird. Der Axialdruck wird so auf
den Aufweitdruck abgestimmt, daß während des Einfuhrvorganges die Ringbezirke an
den jeweilig axial gegenüberliegenden Enden der Paßflächen 42 und 44 geschlossen
bleiben, so daß aus dem Verbindungsspalt dort die Hydraulikflüssigkeit nicht austreten
kann und der Druck auf die Paßflächen aufrechterhalten bleibt. Die Größe des Einschubes
und damit die endgültige Relativlage zwischen Muffe und Rohrenden wird durch die
Größe des Aufweitdruckes und der Axialkraft in Verbindung mit den vorliegenden Materialwerten
bestimmt, wobei Muffe und Rohr bis zur Streckgrenzennähe vorgespannt werden können.
Das Lösen der Verbindung wird in entsprechender umgekehrter Reihenfolge durchgeführt,
wobei unter gleichzeitiger Aufweitung die Rohrenden kontinuierlich aus der Muffe
herausgezogen werden.
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Wie aus F i g. 1 ersichtlich, haben bei etwa gleichen Festigkeitswerten
Muffe und Rohr einen etwa gleichen mittleren Wandungsquerschnitt, der zu der beschriebenen
axialen Verkürzung der Muffe und der axialen Längung des Rohres während des Aufschrumpfvorganges
führt. Dies hat zur Folge, da.ß bei einer axialen Zugbelastung der Verbindung durch
Zug an den Rohren 32 und 34 die hierdurch herbeigeführte axiale Längung des Rohres
mit entsprechender Durchmesserverringerung durch eine gleichzeitig einsetzende axiale
Längung der Muffe infolge der in dieser in Axialrichtung herrschenden Vorspannung
ausgeglichen wird. Die Muffe verringert also unter gleichzeitiger axialer Längung
ebenfalls ihren Durchmesser und folgt somit dem Rohr, so daß sich die Verbindung
nicht löst. Praktische Versuche haben ergeben, daß die Festigkeit der Verbindung
größer ist, als die Festigkeit der Rohre selbst, so daß bei axialer Belastung die
Bruchstelle nicht in der Verbindung, sondern in den Rohren selbst liegt.
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Die Festigkeit der Verbindung kann durch Vergrößerung der axialen
Länge der Paßflächen 42 und 44 und durch Wahl eines größeren Reibungskoeffizienten
erhöht werden. Der Neigungswinkel soll, um die axiale Länge nicht zu groß werden
zu lassen, verhältnismäßig klein sein. Eine Vergrößerung des Reibungskoeffizienten
ist beispielsweise durch Aufrauhung möglich. Der Reibungskoeffizient kann zwischen
0,1 bis 0,8 liegen, während die axiale Länge
der Paßflächen das
0,5- bis 6fache des Außendurchmessers der Verbindung betragen kann. Der Kegelwinkel
kann zwischen 0° 30 Minuten und 4° liegen.
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F i g. 2 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher die Muffe 1.22 innen
liegt und von aufgeweiteten Enden der Rohre 132 und 134 übergriffen wird. In entsprechender
Weise sind Durchtrittsöffnung und Ringkanal mit 146 und 148, die Paßflächen mit
142 und 1.44 und der Dichtungsring mit 152 bezeichnet. Bei der hydraulischen Aufweitung
des Verbindungsspaltes längt sich hier die innenliegende Muffe, und das außenliegende
Rohrende verkürzt sich, so daß bei einer axialen Zugbelastung die hier in die außenliegenden
Teile eingeleitet wird, es zu einer Verringerung des Innendurchmessers des außenliegenden
Rohrendes kommt, so daß die Flächenpressung in den den Rohren zugewandten Muffenenden
unter Vergrößerung der Festigkeit der Verbindung ansteigt. Da im Zwischenbereich
zwischen den beiden Rohren sich ihrerseits die innenliegende Muffe längt, kann das
außenliegende Teil in diesem Bereich sich ausdehnen und somit über einen weiten
Bereich der Axialbelastung die Verbindung geschlossen halten. Auch bei dieser Verbindungsart
haben praktische Versuche ergeben, daß der Bruch in den Rohren und nicht in der
Verbindung eintritt.
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Die F i g. 1 a und 2 a verdeutlichen diese Verhältnisse, wobei die
dort dargestellten Diagramme jeweils einer Paßflächenlänge zugeordnet und auch bildlich
in der Zeichnung den F i g. 1 und 2 entsprechend angeordnet sind. Es ist hier jeweils
die in den einzelnen Teilen auftretende Spannung über der Paßflächenlänge ausgetragen.
Dabei ist in F i g. 1 a die Spannung in der Muffe 73 und die Spannung im Ende des
Rohres 32 und 75 bezeichnet, während die Flächenpressung zwischen den Paßflächen
mit 71 bezeichnet ist. Die Linie 81. verdeutlicht die Änderung der Flächenpressung
zwischen den Paßflächen bei axialer Zugbelastung, wobei zu erkennen ist, daß auf
der dem Rohr zugewandten Außenseite die Flächenpressung abnimmt, während sie im
Innenbereich ansteigt. Gegenüber bekannten Anordnungen ist aber durch die erfindungsgemäße
Querschnittswahl der Winkel zwischen den Linien 81 und 71 kleiner
als dort. In entsprechender Weise ist in F i g. 2 a die Spannung in der innenliegenden
Muffe mit 173 und im außenliegenden Rohrteil mit 175 bezeichnet, während die Linie
171 wiederum die Flächenpressung zwischen den Paßflächen angibt. Die Linie 181 verdeutlicht
die Änderung der Flächenpressung bei axialer Zugbelastung in der beschriebenen Weise,
wobei durch die Verringerung des Innendurchmessers des Rohres 32 am rohrseitigen
Ende der Muffe 122 die Flächenpressung ansteigt, während sie zur Mitte hin abnimmt.
Auch hier ist der Winkel zwischen den Linien 171 und 181 geringer als bei den bekannten
Anordnungen.
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Die F i g. 3 und 4 zeigen den F i. g. 1 und 2 entsprechende Anordnungen,
wobei die Bezugszeichen den Zusatz »a« tragen. Von der Ausführungsform nach den
F i g. 1 und 2 unterscheiden sich diese Ausführungen dadurch, daß trotz der Kegeligkeit
Muffe und Rohr über die überlappungslänge gleiche Wandstärken haben. Dadurch ist
es möglich, in den Randbereichen größere Umfangsspannungen aufzunehmen, wodurch
der Kegelwinkel größer als bei den Anordnungen nach den F i g. 1 und 2 sein kann.
Er kann bis zu 9.8° betragen. F i g. 5 zeigt eine Ausführungsform mit Innenmuffe
ohne Aufweitung der die Muffe übergreifenden Rohrenden, wobei diese Verbindung für
den Fall möglich ist, daß der Innendurchmesser der Verbindung geringer als der Rohrdurchmesser
sein kann. Die entsprechenden Bezugszeichen sind mit dem Zusatz »b« versehen.
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Die F i g. 6 und 7 zeigen Ausführungsformen, bei welchen sich zwei
aufgeweitete Rohrenden zur Herstellung der Verbindung übergreifen. Die Rohrenden
sind mit 166 und 168 und der Einlaß für die Hydraulikflüssigkeit mit 178 bezeichnet.
In F i g. 6 haben die beiden Rohrenden im überlappungsbereich gleiche Wandstärke,
und ihr Verhalten .entspricht insoweit der Verbindung nach F i g. 3, während sie
in F i g. 7 zur Erzielung der Kegeligkeit unterschiedliche Wandstärke entsprechend
der Anordnung nach F i g. 2 haben. In F i g. 7 sind die entsprechenden Bezugszeichen
mit dem Zusatz »a« versehen.
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F i g. 8 zeigt die Anwendung der erfindungsgemäßen Verbindung bei
Stangen 232 und 234, die von einer Muffe 222 übergriffen werden. Die Paßflächen
sind mit 242 und 244 und der Einlaß mit Ringkanal mit 246 und 248 bezeichnet. Um
das Zusammenfügen zu ermöglichen, ist in der Muffe noch ein Auslaßkanal 252 vorgesehen,
und die Muffenenden können, wie bei 254 dargestellt, zum Spannungsausgleich abgeschrägt
sein. Im übrigen kann in Analogie zu F i g. 3 die Muffe auch eine über ihre Länge
gleiche Wandstärke aufweisen. Wie ersichtlich, fällt hier zur Erzielung des erfindungsgemäßen
Effektes die Muffe relativ dick aus, damit ihre Wandstärke an den Querschnitt der
Stangen angeglichen wird.
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Wie bereits erwähnt, wird die Erhöhung des Reibungskoeffizienten zu
einer weiteren Erhöhung der Festigkeit der Verbindung. Die F i g. 9 bis 11 zeigen
verschiedene Möglichkeiten, den Reibungskoeffizienten zu erhöhen. In F i g. 9 ist
die Paßfläche 42 der Muffe 22 hierzu mit einem flachen, sägezahnartigen Gewinde
54 versehen, welches sich in die Gegenpaßfläche 44, beispielsweise des Rohres 32,
eindrückt. Es ist hiermit möglich, die Länge der Paßflächen etwa auf die Hälfte
zu verkürzen. In F i g. 10 ist zwischen die Paßflächen 42 und 44 ein
Film 56 mit einem Arretierungsmittel 58 eingelegt, das beispielsweise aus
einem scharfkantigen Draht mit rhombusförmigem Querschnitt bestehen kann. Die größten
Querabmessungen des Drahtes liegen in der Größenordnung von 0,25 mm.
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In F i g. 11 sind zur Erhöhung des Reibungskoeffizienten zwischen
die Paßflächen 42 und 44 Partikeln 60 eines harten Materials, beispielsweise aus
Wolframkarbit od. dgl., eingebettet, deren größte Querabmessungen in der Größenordnung
von 0,05 mm liegen. Diese Partikeln können mit der Hydraulikflüssigkeit zugeführt
werden oder auch von einem entsprechendem Film getragen sein. Für nicht lösbare
Verbindungen besteht die Möglichkeit, an Stelle der Hydraulikflüssigkeit ein Schmierfett
zu verwenden, das auch diese Arretierungspartikeln tragen kann, wobei es auch möglich
ist, einen Klebstoff oder ein Äpoxydharz zu verwenden.
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Um die sich in den Randbereichen der Verbindung aufbauenden Spannungsspitzen
zu reduzieren, können, wie in den F i g. 12 und 13 dargestellt, die Innen- oder
Außenflächen der Muffe 22 im Eintrittsbereich, wie bei 66 und 68 gezeigt, kegelig
ausgebildet sein. Dadurch verringern sich die Spannungen an
den
Muffenenden bis auf Null. Die Flächenpressung selbst erstreckt sich hierbei nicht
über den Punkt hinaus, an dem sich die Steigung der Paßfläche bei 66 ändert.
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Die F i g. 14 und 15 zeigen schließlich eine Möglichkeit, durch die
Verwendung von flachen Gewinden eine kontinuierliche Axialbewegung während des Aufweitvorganges
sicherzustellen. Hierzu muß das Rohr 32c während des Aufweitvorganges in die Muffe
hineingedreht werden. Wie dargestellt, kann das Gewinde hierzu relativ flach sein
und einen trapezförmigen Querschnitt haben, wobei in den F i g. 14 und 15 die der
Muffe 22 c zugeordneten Gewindegänge mit 74 c und die dem Rohr 32 c zugeordneten
Gewindegänge mit 72c bezeichnet sind. Zweckmäßigerweise haben die Gewinde, wie aus
F i g. 15 hervorgeht, ein ausreichendes Flankenspiel.
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Bei einer außenliegenden Muffe kann deren Wandstärke dadurch verringert
werden, daß trotz Erreichung des erfindungsgemäßen Effektes. ein Material höherer
Festigkeit verwendet wird als das Material des innenliegenden Rohres. Entsprechende
Verhältnisse gelten bei innenliegender Muffe und ebenso bei der Stangenverbindung
nach F i g. B. Bei gleichen Materialeigenschaften sind also die mittleren Wandungsquerschnitte
von Muffe und Rohr oder Stange etwa gleich, während sie bei unterschiedlichen Materialeigenschaften
in. entsprechender Weise abgeändert werden müssen.