DE1475992A1 - Schwach beanspruchte Gewindeverbindung und Verfahren zu ihrem Zusammenbau - Google Patents

Schwach beanspruchte Gewindeverbindung und Verfahren zu ihrem Zusammenbau

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DE1475992A1 DE19651475992 DE1475992A DE1475992A1 DE 1475992 A1 DE1475992 A1 DE 1475992A1 DE 19651475992 DE19651475992 DE 19651475992 DE 1475992 A DE1475992 A DE 1475992A DE 1475992 A1 DE1475992 A1 DE 1475992A1
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Description

  • Schwach beanspruchte Gewindeverbindung und Verfahren zu ihrem Zusammenbau Die Erfindung betrifft eine schwach beanspruchte Verbindung zwi- schen einem Bolzen und dgl. und einem Bauteil, in das der Bolzen eingeschraubt ist, und betrifft insbesondere das Verfahren zur Herstellung dieser Verbindung.
  • Es ist üblich gewesen, die Gewindegänge eines geraden (im Gegen- satz zu einem konischen) Bolzens in Bezug auf die Gewindegänge der Öffnung, in die der Bolzen eingesetzt wird, derart zu be- messen, dass die Gewindegänge des Bolzens, die von dem freien Bolzenende entfernt liegen, mit den Gewindegängen an der Innen- seite der Öffnung in feste Anlage kommen. In der Praxis tritt. eine Vergemmung und Pressung der Gewindegänge auf, durch die starke örtliche Torsionsbeanspruchungen hervorgerufen werden, die in manchen Fällen gross genug sein können, dass der Bolzen in seinem Gewindeteil beim Einsetzen abgeschert wird oder so . stark geschwächt wird, dass er dann später im praktischen Betrieb zu Bruch geht. Die Theorie ist bisher gewesen, dass der Bolzen, je fester er eingeschraubt wird, umso länger fest bleibt. Im Hinblick darauf ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen ein Bolzen oder ein ähnliches Bauteil in ein anderes Bauteil eingeschraubt und. wirksam darin gesichert werden kann, ohne einen Festsitz in den Gewindegängen zur Sicherung heranziehen zu müssen, das heisst also ohne unnötigerweise festes Anziehen und dadurch übermässige Beanspruchung der Bauteile.
  • Viele Metalle und andere Werkstoffe haben eine wesentlich grössere Zugfestigkeit als Scherfestigkeit. Daher ist eine weitere Aufgabe der Erfindung die Schaffung eines Verfahrens, bei dem ein Teil einer Gewindeverbindung einer auf Drehung wirksamen Kraft unterworfen wird, um es in das andere Teil hineinzuschrauben, und bei dem praktisch die gesamte, auf Verdrehung wirksame Kraft, die normalerweise in eine Scherwirkung umgewandelt würde, durch eine Zugbeanspruchung aufgenommen wird.
  • In bestimmten Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei Ventilen und dgl., ist es manchmal erforderlich, nach einer gewissen Zeit- . spanne (zur Wartung oder Neueinstellung beispielsweise), einen Bolzen herauszuschrauben, der in irgendein Teil hineingeschraubt gewesen ist. Wenn jedoch die übliche Gewindestauchung vorher., angewandt worden ist, so ist es häufig unmöglich, den Bolzen herauszuschrauben, ohne ihn dabei abzuscheren.
  • Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Herstellung einer niedrig beanspruchten Gewindeverbindung .(zur Verwendung in Ventilen und ähnlichen Eizeugnissen) zu schaffen, die extrem widerstandsfähig gegenüber einem Lösen im Betrieb ist und die wiederholt festgezogen und gelöst werden kann, ohne dass die Gewindegänge dabei beschädigt werden.
  • Es ist für manche Zwecke üblich gewesen, Gewindeverbindungen zu verwenden, die einen sogenannten "wahlweisen Sitz" aufweisen. iYenn auch diese Anordnung einen ausgezeichnet festen Sitz zumindest entlang einem beträchtlichen Teil der Gesamtlänge des Gewindeteils ergibt, so 'erhöht sie doch in sehr beträchtlichem 'lasse die Kosten für die Verbindung und bringt auch gewisse Er-. satzteilprobleme mit sich, wenn einmal eines der beiden Gewindeteile im Betrieb ausfällt und ersetzt werden muss.
  • Es ist demgemäss eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verlässliche und verhältnismässig billige Gewindeverbindung zu schaffen, die ohne "wahlweisen Sitz" ausgeführt werden kann. Weitere Aufgaben, Merkaale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden, mehr ins einzelne gehenden Beschreibung . der Zeichnung.
  • Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines die Merkmale der Erfindung aufweisenden Gewindebolzens. rig. 2 ist ein Schnitt durch ein Gewindeteil zum Einschrauben des Bolzens gemäss Fig. 1.
  • Fig. 3 zeigt den in das Gewindeteil eingeschraubten Bolzen. Fig. 4 ist eine vergrösserte Teilsehnittdarstellung des rechteckigen, in Fig. 3 strichpunktiert umrandeten Bereichs IV.
  • Fig. 5 zeigt im Längsschnitt und teils in Ansicht ein Ventil, das eine niedrig beanspruchte Gewindeverbindung gemäss der Erfindung aufweist.
  • Fig. 6 zeigt in Seitenansicht eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemässen Gewindebolzens. In Fig..1 ist mit 10 insgesamt ein Bolzen bezeichnet, der einen unteren Gewindeteil 11, einen hinterschnittenen Teil 12, durch den eine-Einschnürung 13 entsteht., einen nach oben-aussen konischen Abschnitt 14 und ein Teil 15 aufweist, welch letzteres einen grösseren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Gewindegänge des Gewindeteils 1i. Obgleich dies kein wesentlicher Teil der Erfindung ist, besitzt der in Fig. 1 dargestellte Bolzen noch einen weiteren hinterschnittenen Abschnitt 16, der zwischen dem Schaftteil 15 und einem oberen Gewindeteil 17 liegt. Die Gewindegänge der Teile 11 und 17 können normale Maschinengewinde sein und sollten den gleichen Durchmesser aufweisen.
  • Fig. 2 zeigt einen Gegenstand 20 mit einer Gewindebohrung 21, die einen ausgebohrten, jedoch nicht mit Gewinde versehenen Bodenteil.' 22 aufweist. Die Bohrung 21 besitzt einen mit 23 bezeichneten Gewindeabschnitt, der in einen nach oben und aussen konisch vor-.laufenden Abschnitt 24 am offenen Ende 25 der Bohrung ausläuft. Der Winkel des konischen _.,bschnitts 24 ist genau gleich dem 7inkel des konischen Abschnitts 14 des Bolzens 10.
  • Es ist darauf hinzuweisen, dass die Gewindegänge 26 in dem koni-,schon .abschnitt 24 wesentlich flacher sind als die Gewindegänge in dem Gewindeabschnitt 23. Es ist ausserdem hervorzuheben, dass diese Gewindegänge 26 für die Verwirklichung der Erfindung nicht unbedingt notwendig sind, sondern dass vielmehr der konische Abschnitt 24 auch frei von Gewinde sein kann. Aus herstellungstechnischen, praktischen Gründen ist es jedoch bequemer, den Gewindeabschnitt des Teils 20 durch Bohren der Bohrung, Herstellung des konischen Abschnitts an deren offenem Ende, Gewindeschneiden in der Bohrung und sodann erneuter Formgebung des konischen Abschnitts zu erzeugen. Bei diesen Gewindeschneidvorgang entstehen flache Gewindegänge in den konischen Abschnitt 24, die aber die Wirksamkeit der erfindungsgemässen Gewindeverbindung nicht be- einträchtigen. Die Fig. 3 und 4 zeigen, wie die konischen Kegelstumpfabsehnitte 14 und 24 aneinander zur :Anlage kommen, wenn der Bolzen 10 in die Bohrung 21 eingeschraubt wird: Wenn der Bolzen 10 gegenüber dem Teil 20 verdreht wird, so kommen die konischen Teile 14, 24 in gegenseitige Flächenanlage, bevor das untere Ende 2? des Bol- zens den Grund 22 der Bohrung 21 erreicht. Bei weiterer Drehbe- wegung des Bolzens gegenüber den Teil 20 bewegt sich der Gewinde- abschnitt 11 des Bolzens 10 noch in axialer Richtung etwas weiter -in Richtung auf den Boden 22 der Bohrung 21, wobei der konische .Abschnitt 14 sich an dem konischen Abschnitt 24 festzieht und die Axialbewegung des konischen Abschnitts 14 verhindert. Infolgedessen werden der hinterschnittene Abschnitt 10 und der Gewindeabschnitt 11 unter axiale Spannung gebracht. Wenn der Bolzen weiter angezogen wird, so werden nennenswerte Beanspruchungen, die anderenfalls sich In Form von Seherbeanapruchungen im Gewindeabschnitt 11 äussern würden, umgewandelt In Zugbeanspruchungen in dem Ge- windeabschnitt il und in dem hinterschnittenen Abschnitt 12. Jedoch ist dies vorteilhaft, weil das Material des Bolzens eine wesentlich grössere Zugfestigkeit als Scherfestigkeit aufweist. Fig. 5 zeigt ein Ventil mit einem Ventilsitz 30, einem hin- und herversohiebbaren Ventil@31, einer Hubbegrenzungaglocke 32, einer Mutter 33, einer Hülse 34 und einer Feder 35. Der Bolzen 10 ver-bindet die Hubbegrenzungsglocke 32 mit dem Sitz 30. Der Sitz 30 besitzt eine zentrische Bohrung 21, die derjenigen, die In Fig. 2 gezeigt ist, entspricht, und bewirkt zusammen mit dem,Bolzen 10 die Erzeugung einer niedrig beanspruchten Schraubverbindung In der bereits beschriebenen Weise. Diese Anordnung ist für den Ventilbau insbesondere Vorteilhaft, weil die niedrig beanspruchte Schraubverbindung gegenüber einem Losarbeiten im Betrieb extrem widerstandsfähig ist. Die Schraubverbindung muss deshalb sehr sicher sein, weil der Bolzen 10 die verschiedenen Ventilteile In Betrieb des Ventils zusammenhält. In manchen Anwendungsfällen des dargestellten und beschriebenen Ventils kann das,Ventil unter Umständen 600 bis 800 mal pro Minute öffnen und schliessen, mit zumindest 300 bis 400.kräftigen Stössen des Ventils 31 gegen den Anschlag.,32. Wenn der Bolzen bricht oder sich lockert, so entsteht eine überaus grosse Gefahr für die Pumpe. Obgleich die Verbindung also sehr sicher sein muss, muss es auch möglich sein, den Bolzen aus dem Sitz herauszuschrauben, um das Ventil zu warten.
  • Fig. 6 zeigt eine abgewandelte .-usführungsform eines Bolzens, der einen mit dem oberen Ende des Bolzens einstückigen Sechskantkopf 40 aufweist. 17eitere vorteilhafte Ausführungsformen sind leicht auffindbar.
  • Obgleich der Winkel der konischen Abschnitte 14, 24 beträchtlich geändert werden kann, ist vorzugsweise der Konuswinkel begrenzt auf den Bereich von etwa 0,02 bis 0,1 mm pro mm Länge (i/4 bis 1 1/4 Zoll pro Fuss). Innerhalb dieses Bereichs können ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, ohne Rücksicht auf den Durchmesser des Bolzens oder der Gewindeöffnung. Es ist jedoch wichtig, dass die aneinander zur ::nIage kommenden konischen Oberflächen im Querschnittgenaue, echte Kreise sind und dass sie genau konzentrisch zueinander liegen. Durch die Einhaltung dieser Bedingungen wird eine Flächenanlage, statt einer pnnlttlürmigen Anlage, zwischen den konischen Oberflächen gewährleistet, und dies ist für die Verwirklichung der Erfindung wichtig. Im Betrieb passen die Gewindegänge 11 verhältnismässig lose in den Gewindeabschnitt 23 hinein,"wodurch das leichte Einschrauben von Hand oder auf andere Art und Weise ermöglicht wird. Sodann wird vorzugsweise der Schaftabschnitt 15 mit einer Hülse um- schlossen, die eine Vielzahl von Klauen aufweist, die gemeinsam: den Schaftabschnitt 15 fest erfassen. Die Verbindung kann angezogen werden unter Verwendung einer Drehbank oder irgendeiner ande-ren geeigneten Einrichtung zur Verdrehung dieser Hülse und des Bolzens gegenüber dem Gegenstand, in den der Bolzen eingeschraubt werden soll.
  • Bei Erhöhung der Drehkraft ist der untere Gewindeabschnitt 11 bestrebt, den konischen Abschnitt 14 allmählich fest anzuziehen. Bei weiterer Vergrösserung der Drehkraft wird die Einschnürung 13 munter Zugspannung gesetzt, wodurch der konische Abschnitt 14 unter eine im wesentlichen axiale Spannung gebracht wird. Für jegliches elastische Material ist eine Maximalbelastung bekannt, bis zu der das Material belastet oder beansprucht werden kann, bei der es, wenn die Belastung oder Spannung beendigt wird", wieder in seine ursprüngliche Form und Grösse zurückkehrt. Diese Belastung ist als Elastizitätsgrenze des Materials bekannt. Gemäss der Erfindung kann der Bolzen fest angezogen sein lange vor Erreichung der Elastizitätsgrenze des Materials. Dementsprechend. steht der untere Gewindeabschnitt 11 wie auch die Einschnürung 13 unter einer Spannung, die erheblich unter der Elastizitätsgrenze des Materials liegt. Dieser Teil des Bolzens wirkt wie eine Zugfeder, und jegliche Tendenz des konischen Abschnitts 14, infolge von Vibrationen oder anderen Einflüssen locker zu werden, wird durch den unteren Gewindeabschnitt 11 verhindert, der nicht bis zu seinem Maximalwert gespannt worden ist und der eine Elastizität aufweist, die ausreichend ist, um diejenige Kraft auszuüben, welche_notwendig ist, um die konischen Anlageflächen in fester gegenseitiger Anlage zu halten.
  • Es ist möglich, die Drehkraft, oder das Drehmoment, das erforder-.lieh ist, um den Werkstoff des Bolzens bis zu seiner Elastizitäts-_grenze zu belasten, zu bestimmen. Wenn man diese Drehkraft, oder -dieses Drehmoment, kennt, so ist es möglich, ein niedrigeres, zu- lässiges Drehmoment festzulegen, bei dem das Bolzenmaterial nur« bis beträchtlich unterhalb seiner Elastizitätsgrenze belastet wird, wobei aber die Wirksamkeit des Bolzens als eine unter Spannung stehende Feder aufrechterhalten wird. Hierdurch wird der Konus- sitz zu allen Zeiten fest angezogen gehalten, gestattet aber trotzdem eine wiederholte aerausnahme und Wiederanziehung des Bolzens ohne eine Beschädigung des Bolzens oder seiner Gewinde- gänge. Das gewählte niedrigere, zulässige Drehmoment muss nicht nur ausreichend gering sein, um eine Belastung des Bolzenwerkstoffs über seine Elastizitätsgrenze hinaus zu verhindern, sondern auch niedrig genug, um zu verhindern, dass das Material des Sitzes über seine ylastizitätsgrenze hinaus belastet wird. Auch muss dieses Drehmoment niedrig genug sein, dass durch irgendwelche zu- sätzliche Arbeitsbelastungen, die in der Praxis auftreten können, hervorgerufene Belastungen noch aufgenommen werden können. Obgleich der eingeschnürte Abschnitt 13 einen Durchmesser haben kann, der einige Tausendstel Zoll kleiner ist als der Kerndurch- messer des Gewindeabschnitts des Bolzens, so ist er nichts desto weniger kräftiger unter jeglicher Art von Beanspruchung als der mit Gewinde versehene Teil, und zwar infolge der Tatsache, dass -dieser Abschnitt des Bolzens eine glatte und ununterbrochene ' .Oberfläche (wegfall der Kerbwirkung) hat. Der mit-Gewinde versehene Abschnitt trägt infolge des Vorhandenseins des Gewindes selbst eine Reihe von in etwa V-förmigen Nuten, und die innen liegenden Spitzen dieser Nuten führen zu einer Kerbwirkung, die durch eine Spannungsspitze gekennzeichnet ist. Wenn also eine ausreichende Belastung aufgebracht würde, um den Bolzen zum Bruch zu bringen, so würde dieser Bruch durch Abscheren am Grund eines dieser Gewindegänge erfolgen, gewöhnlich an dem obersten Gewindegang, der der Einsehnürung 13 am nächsten liegt, oder an der unteren Gewindelinie, an der der Abschnitt 17 an den eingesdnürten Abschnitt 16 angrenzt. Dementsprechend ist es ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass beim Zusammensetzen der beiden Teile nur ein Drehmoment aufgebracht wird, das vorher derart festgelegt ist, dass bei Aufbringung desselben die Werkstoffe, oder der schwächere der Werkstoffe, nur bis zu einem Punkt nennenswert unterhalb seiner glastizitätsgrenze belastet werden bzw. wird, so dass der Konussitz bei 14 fest angezogen und bei seiner praktischen Anwendung fest angezogen gehalten werden kann, selbst unter ungünstigen Bedingungen, und zwar unter Aufbringung eines vergleichsweise geringen Drehmoments auf den Bolzen.
  • Die in der folgenden Tabelle angegebenen Bereiche des zulässigen Drehmoments für unterschiedliche Bolzengrössen und für verschiedene Metalle sind illustrativ für die zulässigen Drehmomentbereichi, die sich in der Praxis als zu hervorragenden Ergebnissen :Führend herausgestellt haben.
    Zulässiges Drehmoment in m/kg .
    Bolzen- und-Sitz-Werkstoff
    Durchmesser des Rostfreier Stahl, Monel
    Schaftteils 15 5270 bis 6330 kgcm2 6100 kg/cm2
    Zugfestigkeit Zugfestigkeit
    9,525 mm 2,77 - 3,46 2,49 - 3,10
    11,11 " 3,46 - 4,15 3,10 - 3,73
    12,7 " 4,15 - 4,84 3,73 - 4,35
    15987 " 5,53 - 6991 4998 - 6,21
    19,05 n 6,61 - 7,6o 5,6o - 6,84
    22,22 " 8,30 - 9,68 7,47 - 8,70
    25,40 " 11,10 - 12,40 9,45 - 11,18
    Für andere Werkstoffe ändert sich das Drehmoment entsprechend der. physikalischen Festigkeit des verwendeten Werkstoffs.
  • Es ist wohl verständlich, dass die durch die in der obi-gen Tabelle lediglich beispielsweise angegebenen Bolzengrössen und die angegebenen Werkstoffe in keiner Weise eingeschränkt werden soll.
  • Wie bereits weiter oben angeführt, muss der Bolzen nicht so fest eingeschraubt werdeh, dass die Elastizitätsgrenze des Bolzens überschritten wird, oder' aber so fest, dass die konische Bohrung - eine bleibende Veformung erleidet. Ausserdem ist es nicht aus- reichend, den Bolzen lediglich hand- oder fingerfest einzudrehen und dann unter Verwendung irgendeines Werkzeugs weiter anzudrehen durch Aufbringung überhaupt irgendeines Drehmoments, gerade so* lang, wie die Elastizitätsgrenze des Bolzens nicht überschrittenwird. Wenn der Bolzen gemäss der Erfindung festgezogen wird, so steht das Mass des Festhaltens nicht nur speziell in Beziehung mit der Elastizitätsgrenze des Bolzenwerkstoffs, sondern auch mit der Grösse des Drehmoments, das aufgebracht, werden kann, ohne dass der konische Teil der Bohrung, in die der Bolzen eingeschraubt wird, bleibend verformt wird. In dieser Verbindung ist es wichtig' zu vermerken, dass es leichter sein kann, den konischen l.bohnitt@ der Bohrung zu deformieren, als die Elastizitätsgrerize des Bol= zens zu überschreiten, als wenn der Sitz aus einem arideren, schwächeren Werkstoff als der Bolzen hergestellt wird. Aber selbst dann, wenn der Sitz und der Hizen aus demselben Werkstoff bestehen, kann es leichter sein, den konischen Abschnitt der Bohrung bleibend zu verformen, als die Elastizitätsgrenze des Bolzens zu überschreiten. Beispielsweise können beide aus rostfreies Stahl hergestellt wer- den, ,jedoch kann der Sitz ein 'Gussteil sein, während der Bolzen aus gewalztem Material besteht. In diesem Falle kann die Elastizitätsgrenze des Werkstoffes des Sitzes niedriger sein als diejenige des Werkstoffes des Bolzens. Es ist auch wichtig hervorzuheben, dass die in der obigen Tabelle angegebenen zulässigen Anziehdrehmonente nicht höher sind, als zum. festen Anziehen der Verbindung erforderlich ist. Es Wird daher noch eine Reserve an Festigkeit beibehalten, um eine beträchtliche Betriebsbelastung des Bolzens aufnehmen zu können. Die angegebenen zulässigen Drehmomente betragen etwa 50 % derjenigen Drehmomente, die aufgebracht würden, wenn .ein üblicher Festsitz verwendet werden würde.

Claims (1)

  1. Patentansprüche 1.) Verfahren zum,-Anbringen eines Führungszapfens für die Druck-Saug-Schliesscheibe eines Rückschlagventils mit dem mit einem Kanal versehenen Sitz des Ventils, wobei der Bolzen mit einem mit Gewinde versehenen.Endabschnitt, einem diesem Abschnitt be- nachbarten eingeschnürten Abschnitt mit einem Durchmesser, der kleiner ist als der Innendurchmesser des Gewindeabschnitts, einem konischen Abschnitt, dessen den kleineren Durchmesser auf- weisendes Ende des eingeschnürten Teil benachbart ist, und einem Schaftabschnitt neben dem konischen Abschnitt versehen ist, des- sen Durchmesser grösser ist als der Innendurchmesser des Gewinde- abschnitts, und wobei dieser konische Abschnitt von dem Schaft- abschnitt in Richtung auf den efngesahnürten Abschnitt konisch verläuft entsprechend dem Eintrittskonus einer Bohrung in dem Ven- tilsitz, und zwar in Bereich von 0,02 bis 0,1 mm pro mm Länge (illi bis 1 1%4 Zoll pro Fues), dadurch gekennzeichnet, dass der Gewindeabschnitt fingerfest in die Bohrung eingeschraubt wird, bis der konische Abschnitt mit der konischen Oberfläche der Boh- rung in voller Oberflächenanlage ist, wonach dem Bolzen ein Drehmoment erteilt wird, das ausreichend ist, um seinen Gewinde- abschnitt und seinen eingeschnürten Abschnitt unter Zugspannung zu setzen. wodurch zwischen den konischen Oberflächen eine Halte- wirkung erzielt wird, durch die der Bolzen gegen Lösen im Betrieb infolge der intermittierenden Aufwärtsschläge, denen er beim Ar- beiten des Ventils unterworfen ist, gesichert wird, wobei dieses Drehmoment begrenzt ist auf einen solchen Wert, dass der schwächere. Werkstoff des Bolzens und des Sitzes auf nicht mehr als etwa . ' 50 % seiner Blastizitätsgrenze beansprucht wird; so däss eine beträchtliche Festigkeitsreserve zurückbleibt, um die im Betrieb des Ventils auftretenden Betriebsbeanspruchungen aufzunehmen, ohne die Elastizitätsgrenze des schwächeren Werkstoffs zu überschreiten. 2.) Verfahren nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, dass der Bolzen nach dem fingerfesten Einschrauben weiter eingeschraubt wird, jedoch in einem Bereich weit entfernt von der Stellung, bis zu der der Bolzen eingeschraubt werden könnte.
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