DE1992295U

DE1992295U - Gewindeverbindung

Info

Publication number: DE1992295U
Application number: DENDAT1992295D
Authority: DE
Original assignee: Standard Pressed Steel Co, Jenkmtown, Pa (V St A)
Publication date: 1968-08-22

Description

RM.

P H 00 910.0 (St 16 76i/47a Gbm) 11. Juni 1968

Standard Pressed Steel Go* ReI'-Gu-3727

<3öbr««chsrouslerstelle

Die Neuerung bezieht sich auf eine Gewindeverbindung mit einer Mutter oder einem anderen mit einem Innengewinde versehenen Teil und einem mit einem Außengewinde versehenen Seil, wobei die Gewindegänge eine Steigungsdifferenz aufweisen, die ausreicht, um die Verkürzung der Innengewindegange und die Verlängerung der Außengewindegänge, die bei Belastung der Schraubverbindung auftreten, auszugleichen, und bei der die Mutter axial aufgebohrt ist, so daß die Eopfabschnitte der Gewindegänge neben der Auflageseite der Mutter abgestumpft s ind.

Zur Erhöhung der Dauerfestigkeit von Gewindeverbindungen sind zahlreiche Maßnahmen bekannt. So hat man zur gleichmäßigeren Verteilung der Belastung der einzelnen Gewindegänge an der Auflageseite einer Mutter bereits mehrere Gewindegänge aufgebohrt. Der Durchmesser der Aufbohrung ist jedoch bei der bekannten Ausführung größer als der Flankendurchmesser des Innengewindes der Mutter, wodurch die gewünschten Vorteile nur unzulänglich erreicht werden bzw_e das Belastungsvermögen einer solchen Mutter durch die Aufbohrung nicht besonders gesteigert wird.

Zur Erzielung einer wirkungsvolleren lastverteilung auf die einzelnen Gewindegänge einer Gewindeverbindung ist es ferner bekannt, das Muttergewinde mit einer gegenüber dem Sehraubengewinde unterschiedlichen Steigung zu versehen»

Der Neuerung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Gewindeverbindung zu schaffen, deren Dauerfestigkeit weiter verbessert ist, und die eine relativ hone Zerreißfestigkeit aufweist, um die an bekannten Gewindeverbindungen unter Dauerbelastung häufig auftretenden Ermüdungsbrüche zu vermeiden«,

Gemäß der !Feuerung wird diese Aufgabe bei einer Gewindeverbindung der eingangs bezeichneten Art dadurch gelöst, daß sich die Aufbohrung axial in den Mutterkörper auf eine Tiefe von bis zu vier Gewindegängen erstreckt, daß sich die Aufbohrung in radialer Richtung nicht weiter als der Flankendurchmesser der Mutter erstreckt und daß die echten IFlankendurchmesser der Innen- und Außengewindegänge korrigiert sind, damit sich die virtuellen !Flankendurchmesser dem Basis- oder Ausgangsflankendurchmesser nähern, wodurch ein beeinträchtigter Sitz im unbelasteten Zustand vermieden ist„ Durch diese Aufbohrung des Muttergewindes und die Korrektur der Innen- und Außengewindegänge wird eine wesentliche Erhöhung der Dauerfestigkeit der Gewindeverbindung im Vergleich zu den Ausführungen erzielt, bei denen zwar das Muttergewinde an der Auflageseite aufgebohrt ist, die Gewindegänge jedoch nicht, wie oben ausgeführt, korrigiert sind,, Die unter Belastung auftretenden Spannungen werden beider neuerungsgemäßen Gewindeverbindung also ziemlich gleichmäßig auf die ineinandergedrehten Gewindegänge verteilt»

Dadurch, daß die echten KLankendurchmesser der Innen- und Außengewinde korrigiert sind, läßt sich eine solche Mutter auch leicht von Hand auf die Schraube aufdrehen, d.h. die Steigungsdifferenz zwischen Innen- und Außengewinde hat keinen störenden Einfluß auf den Sitz der unbelasteten Gewindeverbindung.

Die Neuerung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen mehrerer AnsführungsBeispiele näher erläutert» Es zeigens

Pig. 1 ein Diagramm der Spannungsverteilung "bei einer üblichen in axialer Richtung "beanspruchten Gewindeverbindung;

lig. 2 ein Diagramm der Spannungsverteilung "bei einer "idealen" Mutter- und Schraubenverbindung j

fig. 3 eine vergrößerte Schnitt ansicht einer Gewind ever "bindung mit der Steigungsdifferenz gemäß der Neuerung5

Pig. 4 eine Schnitt ansicht einer Mutter mit Auf "bohrung und

lig, 5 eine Schnittansicht einer Mutter mit einer:geänderten+ Aufbohrung.

Die im folgenden verwendete Bezeichnung "Gewindeverbindung oder Gewindeanordnung" soll sich auf alle Arten von Kombinationen von Innen- und Außenschraubengewinden beziehen, die Gewindegänge mit gleichmäßigem Querschnitt in der Porm einer Schraubenlinie auf der Außen- und Innenfläche eines Zylinders oder Kegelstumpfes aufweisen. Die Feuerung wird jedoch im wesentlichen im Zusammenhang mit Gewindeverbindungen von Muttern und Schrauben, insbesondere in Verbindung mit eingängigen zylindrischen Gewinden mit einem Plankenwinkel von 60° besehrieben.

Wenn auf Schrauben und ähnlichen mit einem Außengewinde versehenen Gliedern eine Mutter oder ein ähnliches mit einem Innengewinde versehenes T-eil aufgedreht und die Verbindung dynamisch belastet wird, so jsb ein Ermüdungsbrueh der Schraube gewöhnlich auf die Spannungen am Kern bestimmter Außengewinde-

gänge zurückzuführen. Die Jig. 1 zeigt ein Diagramm einer Spannungsverteilung "bei einer in axialer Richtung beanspruchten Mutter- und Schraubenverbindung. Eine Spannungs konzentrat ion tritt in den unteren Gewindegängen der Mutter und in den anliegenden eingedrehten Außengewindegängen auf (doh* an den Gewindegängen, die der Auflagefläche der Mutter am nächsten liegen). Die überwiegende Mehrzahl von Ermüdungsbrüchen "bei Schrauben tritt in der lähe der Gewindegänge auf, die der größten Spannung ausgesetzt sind»

Pig.'2 zeigt ein Diagramm der Spannungsverteilung bei einer "idealen" Mutter- und Schraubenverbindung, die einer axialen Kräftebeanspruchung ausgesetzt ist, und bei der jeder eingedrehte Gewindegang die gleiche Belastung trägt« Je enger die Spannungsverteilung an die ideale Mutter- und Schraubenverbindung gemäß der Mg. 2 angenähert wird, desto größer wird die Dauerfestigkeit der Gewindeverbindung„

In der nachfolgenden Beschreibung bedeuten die folgenden Bezeichnungen:

1 = Elastizitätsmodul des Werkstoffes der Mutter in Pfund

pro Zoll² (0,07 kg/cm²),
η = Zahl der Gewindegänge, die die last tragen (d.li. der eingedrehten Gewindegänge),-

no = Zahl der Gewindegänge pro Zoll (2,54 cm), ρ = l/no
I¹- = Zerreißkraft in Pfund (kg),

ρ p

*= Außengewindequerschnittszone in Zoll (6,45 cm ),

JL_T = durchschnittliche Quersehnittsbereiche des Materials

P p das das Innengewinde umfaßt in Zoll (6,45 cm ),

= Änderung der Ganghöhe der Mutter, in Zoll (2,54 cm)₀ = Änderung der Ganghöhe der Schraube in Zoll (2,54 cm),, = Gesamtänderung der Kombination der Ganghöhen in Zoll (2,54 cm).

Le = die Steigungsdifferenz zwischen der Mutter und der Schraube in Zoll (2,54 cm) pro Zoll (-2,54) des eingedrehten Gewindes ο

PD-g = G-rund- oder Ausgangsflankendurchmesser der Schraube in Zoll (2,54 cm) "bei angenommener idealer Gewindeprofil und -ausbildung und für den Jail, daß Le = 0 ist, stellt dieser den echten und virtuellen Plankendur chmesser dar.

PD = der echte llankendurchmesser der Mutter in Zoll (2,54 cm) bei angenommenem idealem Gewindeprofil und Ausbildung^ und für den Pail, daß Le = 0 ist, stellt dieser den virtuellen llankendur chmess er dar,, ^PD = Änderung des echten Flankendurchmessers in Zoll (2,54 cm) für den Ausgleich der Steigungskorrekturen_o

Η™ = Höhe bzw, Länge der Mutter in Zoll (2,54 cm), S^J = die Belastung, die auf der Mutter liegt„ S-n = die Belastung, die auf dem Bolzen liegt.

Wenn eine Gewindeanordnung, z„B. eine Mutter- und Sehraubenkombination, einer Belastung ausgesetzt lärird., so wird die Mutter auf Druck beansprucht und ihre Höhe bzw* Länge sowie der Abstand zwischen ihren Gewindegängen wird verringert (d.h. sowohl die Ganghöhe als auch die Steigung werden verkürzt). Auf der anderen Seite bewirkt die Belastung der Anordnung, daß Kräfte an der Schraube angreifen, die bei fehlen des Widerlagereinflusses der Mutter die Schraube und ebenso den Abstand zwischen ihren Gewindegangen zu längen suchen. Die auf die Mutter und Schraube einwirkenden Zug- und Druckkräfte bewirken, daß die unteren Gewindegänge der Mutter den größten Teil der Last aufnehmen bzw* tragen, (in einigen fällen· tragen die unteren zwei Gewindegänge etwa die Hälfte der gesamten Last), und dies führt wiederum zu frühem Ermüdungsbruch.

Bei der idealen Spannungsverteilung gemäß dem Diagramm der lig. 2 tragen die einzelnen Gewindegänge ihren verhältnis-, gleichen Anteil der Last. Wenn die Belastung gleichmäßig verteilt werden soll, sind Mittel vorzusehen,, um die relativen Änderungen der Ganghöhe des Innen- und Außengewindes, die aufgrund der Belastung eintreten, auszugleichen,, Wie bereits erwähnt wurde, ist, wenn eine Mutter und eine- Schraube belastet werden, die Beanspruchung derart, daß sich die Schraubenganghöhe zu längen und die Mutterganghöhe zu stauchen sucht. Um daher die Belastung auf die Gewindegänge gleichmäßig zu verteilen, sollte die Ganghöhe des Innen- und Außengewindes, gerade wenn die einzelnen Gewindegänge ihren Last anteil aufnehmen, gleich sein, Mit anderen Worten, bei gleichmäßig verteilter Last sollte jeder Gewindegang im/n und sobald die Belastung auftritt, Zunahmen die gleich ΐΥη/η sind, tragen und das Spiel zwischen den benachbarten miteinander in Eingriff stehenden Gewindegängen sollte gleich sein der Verformungskraft , die durch die Zunahme Im/n oder

^P = jjg- erzeugt; wird, da jedoch die auf das Innen-und Außengewinde einwirkenden Kräfte unter axialer Belastung sich verschieben, sollte das Spiel zwischen den eingedrehten

Gewindegängen gleich sein APjr + AP-g, wobei

für das Innengewinde und AP-d = τ—έ? für das Außengewinde gilt.

B A_B«E

Zum Bewegungsausgleich sollte die Ganghöhenkorrektur für den einzelnen Gewindegang gleich sein, der Ganghöhe der Schraube zuzüglich der Änderung der Ganghöhe des Innen- und Außengewindes, die durch das Hinzukommen der Außenlast bewirkt wird, die sich auf die Zahl der Gewindegänge, die die Last tragen, .verteilt. Eine Steigungs- oder Ganghöhenkorrektur kann entweder durch Verkürzung der Ganghöhe des Außengewindes oder.

einer Verlängerung der Ganghöhe des Innengewindes oder durch eine Korrektur beider Gewinde erreicht werden.

Die Steigungskorrektur bei einer Mutter kompensiert daher die in der Mutter-Schraubenkombination unter axialer Belastung erzeugte Differentialverformungskraft. Da die Verformungs kraft: verhältnisgleich zur Spannung ist, erfordert jedes Spannungsausmaß einer Befestigungskombination einen unterschiedlichen Betrag einer Steigungskorrektur. Die optimale Steigungskorrektur läßt sich durch nachstehende Formeln bestimmen;

(1) Ie = S2. (Mi)
(2)ΔΙ = n(n-F_m.P

Bevorzugt wird die Steigungskorrektur in Form einer stetig zunehmenden St eigungs cliff er enz, die durch eine stetig anwachsende Korrektur bei den aufeinanderfolgenden Gewindegängen gekennzeichnet ist.

In denjenigen Fällen, bei welchen die Querschnittsζonen (Ay,£ A-n) des Innen- und Außengewindes in etwa gleich sind«, kann die optimale Steigungskorrektur oder Differenz durch nachfolgende Formel bestimmt werden?

(5) Le =

nAE

Zur Erläuterung der lOrmel 5 wird eine optimale Steigungskorrektur für einen Pail berechnet, bei dem die Zerreißkräfte 10 000 Pfund (4535 kg) betragen^ 11 Gewindegänge die

Q

last tragen; A^ und A-g jeweils gleich 0,0878 Zoll (0,566 cm ) aufweisen und der Elastizitätsmodul der Mutter 30 χ 10 (2,1 χ 10⁶ kg/cm²) ist;

Le - 2(11-1) 10000 ₆ ^he - 11 (0.0878) 30 x 10^b

2,54-2(11-1).4535 ₌ 1i(O,566)«2,1.1O^b

Gewöhnlich belaufen sich "bei der Yerwendung von Muttern und Schrauben aus Stahl und bei Pestigke.itswerten für die Schraubverbindung von 200 000 lb/sg^n* (14 000 kg/cm ) und größer, die Steigungskorrekturen oder Differenzen zwischen der Mutter und der Schraube gewöhnlich in der Größenordnung von 0,005 bis 0,007 Zoll pro Zoll (0,0127 bis 0,0177 cm/2,54 cm) zwischen der Mutter und der Schraube und das Innengewinde soll die längere Steigung aufweisen.

Es wird noch hinzugefügt, daß die Steigungsdifferenz nicht so groß sein darf, daß der Sitz der unbelasteten Anordnung störend beeinflußt wird, wenn die Steigungskorrektur so groß ist, daß sie einen beeinträchtigten Sitz zur Folge hat, ist es erforderlich, auch den echten Flankendurchmesser des Gewindes, bei dem die Steigung korrigiert wurde, zu ändern, um die Änderung des virtuellen Flankendurchmessers auszugleichen, der durch die Steigungsdifferenz entsteht« Die Änderung des echten llankendurchmesser (ÄPD) für Gewinde mit einem Flankenwinkel von 60° läßt sich aus der folgenden Formel errechnen:

Δ PD = 1,732 χ Le χ

Die Korrektur von Δ PD ist für Innengewinde (+) und für Außengewinde (-) und kann bei jeden einzelnen oder "bei "beiden Teilen der Befestigungskombination angewandt werden. Es ist weiter wünschenswert,.daß der virtuelle Plankendurchmesser eines korrigierten Gewindes in etwa gleich 'dem Basis- oder Grundflankendurchmesser ist-

In lig. 3 ist sehematiseh eine Gewindeanordnung mit einer korrigierten Steigung gemäß der vorliegenden Neuerung dargestellt.

In den Pig. 4 und 5 sind "besondere Ausführungsformen einer Mutter gezeigt, die in Verbindung mit der Gewindeanordnung mit der Steigungskorrektur, wie oben beschrieben, eine weitere Erhöhung der Dauerfestigkeit des Außengewindes bewirkt, auf das die Mutter aufgeschraubt ist» Das in Mg₀ 4 gezeigte Innengewinde 10 weist eine positive progressive Steigungskorrektur auf, die in den vorstehenden Abschnitten der Beschreibung erläutert wurde.

Es wird hinzugefügt, daß die Gewindegänge bei 12 in der Iahe der Auflagefläche 11 in etwa auf das Maß des Plankendurchmessers 13 aufgebohrt sind, so daß von den Gewindegängen in der Zone, in der die größte Spannungsverteilung auftritt, ein Teil entfernt ist. Vorzugsweise werden die ersten vier Gewindegänge neben der Auflagefläche teilweise entfernt. In" den meisten Fällen wird eine axiale Aufbohrung mit einem Durchmesser der demjenigen des Flankendurchmessers entspricht oder nahekommt, bevorzugt. Der Durchmesser der Aufbohrung kann jedoch innerhalb bestimmter Grenzen variieren, die durch folgende Formel festgelegt sind:

Durchmesser der Aufbohrung = (B - 0,65p + P₀D₀ Toleranz) ■".+ 0,1 p, . "

wobei B der lenndurehmesser ist und die llankendurehmesser (P.D.)- Toleranzen denjenigen entsprechen, die in dem Buch "Schraubengewind enorm en für öffentliche Dienste" -19-57, Handbuch H -28 (im nachstehenden kurz als "H-28" bezeichnet) festgelegt sind, das von dem Sormenbüro des Wirtschaftsministeriums der Vereinigten Staaten herausgegeben wurde.

In Fig. 5 ist eine andere Aufbohrung gezeigt, die in der Sähe des Flankendurchmessers beginnt, und bei 12a kegelförmig nach oben verläuft, so daß der zwischen den kegelförmigen Wänden eingeschlossene Winkel (d) in der Größenordnung von etwa 15-45°, jedoch bevorzugt über 30° liegt.

Die neue Gewindeanordnung gemäß der Neuerung kann auch in Verbindung mit Muttern mit und ohne Arretiermittel angewendet werden. Die Arretierungen können aus ein Reibungsmoment erzeugenden Mitteln bestehen, (d_oh« die Gewindegänge sind in eine nicht kreisförmige Form versetzt) oder es können Iironenmuttern verwendet werden»

für die MlIe, daß Arretiermittel vorgesehen sind, beeinträchtigen die Steigungs- und Plankendurchmesserkorrekturen die Funktion der Arretierung nicht und umgekehrt wird die Dauerfestigkeit der Befestigungskombination durch die Arretiermittel nicht ungünstig beeinflußt«

Muttern mit korrigierter Steigung und aufgebohrtem Gewinde haben bei der lennlast eine 5 x höhere Dauerfestlgkeit. Die Aufbohrung einer Mutter, die keine korrigierte Steigung aufweist, hat keinen merklichen Einfluß auf die Dauer fest ig·? keit der mit solchen Muttern verwendeten Schrauben« Die Steigungskorrekturen allein verdoppeln jedoch die durchschnittliche Dauerfestigkeit der Schrauben, die mit Muttern, deren Steigung korrigiert ist, unter lennlast verwendet werden»

Claims

Schutzansprüche

1. Gewindeverbindung mit einer Mutter oder einem anderen mit einem Innengewinde versehenen Teil und einem mit einem Außengewinde versehenen Teil, wobei die Gewindegänge eine Steigungsdifferenz aufweisen, die ausreicht, um die Verkürzung der Innengewindegänge und die Verlängerung der Außengewindegänge, die bei Belastung der Schraubverbindung auftreten, auszugleichen, und bei der die Mutter axial aufgebohrt ist, so daß die Kopfabschnitte der Gewindegänge neben der Auflageseite der Mutter abgestumpft sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Aufbohrung axial in den Mutterkörper auf eine Tiefe von bis zu vier Gewindegängen erstreckt, daß sich die Aufbohrung in radialer Richtung nicht τ/eLter als der Plankendurchmesser (13) der Mutter erstreckt und daß die echten Jlankendurchmesser der Innen- und Außengewindegänge korrigiert sind, damit sieh die virtuellen !lankendurehmesser dem Basis- oder Ausgangsflankendurchmesser nähern, wodurch ein beeinträchtigter Sitz im unbelasteten. Zustand vermieden ist»

2. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, mit einem Gewindeprofil, das einen llankenwinkel von 60° aufweist, dadurch g e k e η η ζ e i c h η et , daß die Änderungen) des echten Jlankendurehmessers aus folgender lormel berechenbar ist:

=1.732 χ LeiHj,

hierin bedeuten: Le die Steigungsdifferenz in Zoll (2,54 pro Zoll (2,54; des eingedrehten Gewindes und E^ die Mutternhöhe in Zoll (2,54 em)* .

3. Gewindeverbindung naoh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der echte flankendurch messer der Innen-Gewindegänge eine positive Korrektur erfährt, damit sich der virtuelle Flankendurchmesser dem Basis- oder Ausgangs-flankendurchmesser nähert»

4. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der echte Flankendurch messer der Außen-G-ewindegänge eine negative Korrektur erfährt, damit sieh der virtuelle Flankendurchmesser dem Basis— oder Ausgangs-Flankendurchmesser nähert«,

5. Gewindeverbindung nach Anspruch ΐ, dadurch gekennzeic h η et, daß die Querschnittszonen der Teile mit dem Innen- und Außengewinde gleich sind, und die optimale Steigungsdifferenz durch folgende formel bestimmbar ist: 2(n-l) F

_{Le =}

hierin bedeuten:

Le = die Steigungsdifferenz in Zoll (2,54 cm) pro Zoll (2,54 cm)

des eingedrehten Gewindes,
η = die Zahl der Gewindegänge, die die Last tragen, f_m = die Zugbeanspruchung in Pfd« (0,453 kg),

2

A = die durchschnittliche Querschnittszone in Zoll (6,45 cm )

des Materials, welches das Innengewinde umgibt und E = der Elastizitätsmodul des Teiles mit dem Innengewinde in Pfd/Zoll²(0,07 kg/cm²).

6. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die optimale Steigungs differenz durch folgende formein bestimmbar ist:

(1) Le = ψ (ΔΙ)
(2)ΛΙ = n(n-l

Es bedeuten:

Le die Steigungsdifferenz in Zoll (2,54 cm) pro Zoll (2,54'cm) des eingedrehten Gewindes,

no die Zahl der Gewindegänge pro Zoll (2,54 cm), η die Zahl der die Last tragenden Gewindegänge, JVn die Zugbeanspruchung in Pfd.- (0,453 &g)? P =. 1/no,
Avy die durchschnittliche Querschnittszone in Zoll (6,45 cm )

des Materials j das das Innengewinde umgibt, E der Elastizitätsmodul des Gliedes mit dem Innengewinde

in Pfd. pro Zoll² (0,0? kg/cm²) und

ρ p.

A-n die Quer Schnitts zone des Außengewindes in Zoll (6,45 cm )„

7. G-ewind ever bindung nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß der Durehmesser der Aufbohrung durch folgende Formel bestimmbar ist;

Durchmesser der Aufbohrung = (B-O',65p + P«D« Toleranz) + 0,1p

hierin bedeuten: B der l'enndurchmesser des Innengewindes, ρ die Ganghöhe des Innengewindes und PoD., der llankendurch-■ messer der Innen-Gewindegänge_a

8. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Aufbohrung in "bekannter Weise eine Kegelform hat und an der Mutterauflage fläche etwa mit dem Flankendurchmesser beginnt«