DE202004009406U1 - Schraubverbindung mit einem Drahtgewindeeinsatz und Drahtgewindeeinsatz hierfür - Google Patents

Schraubverbindung mit einem Drahtgewindeeinsatz und Drahtgewindeeinsatz hierfür Download PDF

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Abstract

Schraubverbindung mit einem Drahtgewindeeinsatz (8), der zwischen ein Mutterngewinde (M) eines Werkstücks (4) und einem Bolzengewinde (B) einer Schraube (6) eingesetzt ist und aus einem wendelförmig gewickelten Drahtgewindekörper mit einem bolzengewindeseitigen Innengewinde (10) und einem mutterngewindeseitigen Außengewinde (12) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwinkel (βB, βM) des Innen- und Außengewindes (10, 12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) kleiner als der jeweilige Profilwinkel (αB, αM) des Bolzengewindes (B) und des Mutterngewindes (M) sind, so dass bei Belastung der Schraubverbindung mit einer vorgegebenen Vorspannkraft (Kv) die Lastflanken des Innen- und Außengewindes (10, 12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) vollflächig an den zugehörigen Lastflanken des Bolzen- und Muttergewindes (B, M) anliegen.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung mit einem Drahtgewindeeinsatz, der zwischen ein Mutterngewinde eines Werkstücks und ein Bolzengewinde einer Schraube eingesetzt ist, sowie einen Drahtgewindeeinsatz für eine derartige Schraubverbindung.
  • Derartige Drahtgewindeeinsätze sind bekannt, siehe z.B. EP 0 983 445 B1 mit weiteren Nachweisen. Sie bestehen aus einem wendelförmig gewickelten Drahtgewindekörper mit einem bolzengewindeseitigen Innengewinde und einem mutterngewindeseitigen Außengewinde. Die Profilwinkel des Innen- und Außengewindes des Drahtgewindeeinsatzes sind üblicherweise identisch mit den Profilwinkeln des Bolzengewindes und Mutterngewindes.
  • Wenn sich auch diese Drahtgewindeeinsätze in der Praxis bestens bewährt haben, wären jedoch noch gewisse Verbesserungen hinsichtlich ihrer Funktionalität und insbesondere hinsichtlich der Gewindetragfähigkeit derartiger Drahtgewindeeinsätze wünschenswert.
  • Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubverbindung der genannten Art und den zugehörigen Drahtgewindeeinsatz so weiterzuentwickeln, dass sie durch eine Optimierung des Gewindeprofils hinsichtlich Funktionalität und insbesondere Gewindetragfähigkeit verbessert werden.
  • Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 definierte Erfindung gelöst.
  • Erfindungsgemäß sind die Profilwinkel des Innen- und Außengewindes Drahtgewindeeinsatzes kleiner als der jeweilige Profilwinkel des Bolzen- und Mutterngewindes.
  • Die vorliegende Erfindung geht von der Erkenntnis aus, dass im Stand der Technik, in dem die Profilwinkel des Drahtgewindeeinsatzes identisch mit dem Profilwinkel des Bolzen- und Mutterngewindes sind, die Kraftübertragung vom Bolzengewinde auf das Aufnahmegewinde nicht vollflächig, sondern eher punktuell erfolgt. Die Ursache hierfür liegt in einer torsionsförmigen Verformung des Drahtgewindeeinsatzes bei Belastung der Schraubverbindung mit einer vorgegebenen Vorspannkraft, wie später noch genauer erläutert wird.
  • Im Gegensatz hierzu führt bei der erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubverbindung eine entsprechende torsionsförmige Verwindung des Drahtgewindeeinsatzes aufgrund der besagten Winkeldifferenz zwischen den Profilwinkeln zu einer vollflächigen Anlage der Lastflanken des Drahtgewindeeinsatzes an den zugehörigen Lastflanken des Bolzen- und Mutterngewindes. Dadurch wird die Schraubenkraft auf die beteiligten Lastflanken der Gewinde gleichmäßiger verteilt. Örtliche Überlastungen der Gewindetragflächen werden vermieden, so dass Setzerscheinungen im Material des Mutterngewindes, wie sie im Stand der Technik aufgrund der punktuellen Lastübertragung auftreten, reduziert werden. Hieraus folgt, dass über die Lebensdauer der Schraubverbindung höhere Restvorspannkräfte erhalten bleiben.
  • Erfindungsgemäß ergeben sich somit folgende Vorteile gegenüber dem Stand der Technik:
    • a) Realisierung höherer Vorspannkräfte aufgrund geringerer spezifischer Belastung der Gewindeflanken in der Schraubverbindung
    • b) Erhöhte Restvorspannkraft aufgrund geringerer Setzerscheinungen in den Gewindeflanken der Schraubverbindung
    • c) Gleichmäßigere Verteilung der Vorspannkraft auf alle Gewindeflanken der Schraubverbindung.
  • In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Profilwinkel des Innengewindes des Drahtgewindeeinsatzes das 0,80 – 0,93-fache des Profilwinkels des Bolzengewindes beträgt und dass der Profilwinkel des Außengewindes des Drahtgewindeeinsatzes das 0,83 – 0,96-fache des Profilwinkels des Mutterngewindes beträgt. Bei einem Profilwinkel von 60° für das Bolzen- und Mutterngewinde liegt der Profilwinkel des Innengewindes des Drahtgewindeeinsatzes vorzugsweise in der Größenordnung von 52° ± 4° und der Profilwinkel des Außengewindes des Drahtgewindeeinsatzes vorzugsweise in der Größenordnung von 54° ± 4°.
  • Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigt:
  • 1 einen Längsschnitt durch eine Gewindeverbindung mit einem Drahtgewindeeinsatz;
  • 2 eine vergrößerte Darstellung des mit dem strichpunktierten Kreis Z in 1 bezeichneten Bereiches einer Schraubverbindung des Standes der Technik;
  • 3 eine der 2 entsprechende Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubverbindung im unbelasteten Zustand;
  • 4 eine der 2 entsprechende Darstellung der erfindungsgemäß ausgebildeten Schraubverbindung der 3 im belasteten Zustand.
  • Die in 1 dargestellte Schraubverbindung dient zum Verbinden zweier Werkstücke 2, 4 und weist eine Schraube 6 auf, deren Gewindeschaft ein Bolzengewinde B hat. Der Gewindeschaft der Schraube 6 ist durch eine Durchgangsöffnung des Werkstücks 2 hindurchgesteckt und über einen Drahtgewindeeinsatz 8 mit einem Mutterngewinde M des Werkstücks 4 verschraubt.
  • Wie in 1 und noch besser in 2 zu sehen ist, hat der Drahtgewindeeinsatz 8 ein Innengewinde 10 und ein Außengewinde 12, die im verspannten Zustand der Schraubverbindung mit dem Bolzengewinde B der Schraube 6 und dem Mutterngewinde M des Werkstücks 4 zusammenwirken.
  • In 2 sind insbesondere die Profilwinkel der beteiligten Gewinde einer herkömmlich ausgebildeten Schraubverbindung dargestellt. Wie bereits eingangs erwähnt, sind im Stand der Technik die Profilwinkel βB und βM des Drahtgewindeeinsatzes 8 identisch mit den Profilwinkeln αB und αM des Bolzengewindes B bzw. des Mutterngewindes M.
  • Wenn in diesem Fall die Schraubverbindung mit einer Vorspannkraft Kv belastet wird, wird die Kraft vom Bolzengewinde B auf das Mutternge winde M längs einer Wirkungslinie K übertragen; die theoretisch vorhandenen Kraftübertragungsflächen F1 und F2 auf den Lastflanken der Gewinde sind hierbei weitgehend von Kräften entlastet.
  • Lässt man tragflächenvergrößernde plastische Verformungen am Bolzengewinde B und Mutterngewinde M unberücksichtigt, so erfolgt die Kraftübertragung punktuell über Punkte P1 und P2. Die durch die Punkte P1 und P2 laufende Schraubenlinie ist daher spezifisch hoch belastet, was zu einer plastischen Verformung des Materials über die Zeit führt. Durch diese sich einstellende plastische Verformung ergibt sich dann eine Vergrößerung der Kraftübertragungsflächen. Nachteilige Folge sind Setzerscheinungen im Mutterngewinde, insbesondere bei relaxationsgefährdeten Werkstoffen wie Magnesiumlegierungen. Diese Setzerscheinungen führen zu einem Verlust an Vorspannkraft Kv.
  • Im Gegensatz hierzu ist bei der in 3 dargestellten Schraubverbindung erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Profilwinkel βB und βM des Drahtgewindeeinsatzes 8 jeweils kleiner als die zugehörigen Profilwinkel αB bzw. αM des Bolzengewindes B und Mutterngewindes M sind. Diese Winkeldifferenz der Profilwinkel ist in 3 schematisch dargestellt.
  • Wird nun die Schraubverbindung mit einer Vorspannkraft Kv (siehe 4) durch Anziehen der Schraube 6 belastet, so erfolgt die Kraftübertragung vom Bolzengewinde B auf das Mutterngewinde M zunächst über die Punkte P1 und P2. Wenn die Vorspannkraft Kv vollständig aufgebracht ist, wird das Profil des Drahtgewindeeinsatzes 8 elastisch tordiert bzw. torsionsmäßig verformt, wie dies durch die Kreislinie T in 4 angedeutet ist. Es kommt dann zu einer vollflächigen Anlage zwischen den Lastflanken der Gewinde 10, 12 des Drahtgewindeeinsatzes 8 und dem Bolzengewinde B bzw. Mutterngewinde M im Bereich der Kraftübertragungsflächen F1 und F2. Dadurch wird eine große Auflagefläche an den Lastflanken des Bolzengewindes B und des Mutterngewindes M erreicht. Die Folge ist eine geringere spezifische Belastung der Gewindeflanken mit den damit verbundenen Setzerscheinungen insbeson dere an den Gewindewindeflanken des Aufnahmegewindes (Mutterngewinde M).
  • Wie sich aus der obigen Erläuterung ergibt, wird die Winkeldifferenz zwischen dem Profilwinkel βB des Außengewindes 10 des Drahtgewindeeinsatzes 8 und dem Profilwinkel αB des Bolzengewindes sowie die Winkeldifferenz zwischen dem Profilwinkel βM des Außengewindes 12 des Drahtgewindeeinsatzes 8 und dem Profilwinkel αM des Mutterngewindes M so gewählt, dass sich im belasteten Zustand der Schraubverbindung die erwünschte vollflächige Anlage zwischen den betreffenden Lastflanken an den Kraftübertragungsflächen F1 und F2 ergibt. Vorzugsweise beträgt der Profilwinkel βB des Innengewindes 10 des Drahtgewindeeinsatzes 8 das 0,80 bis 0,93-fache des Profilwinkels αB des Bolzengewindes B. Vorzugsweise beträgt ferner der Profilwinkel βM des Außengewindes 12 des Drahtgewindeeinsatzes 8 das 0,83 – 0,96-fache des Profilwinkels αM des Mutterngewindes M.
  • Bei einem metrischen ISO-Gewinde gemäß DIN 13 beträgt der Nennwinkel 60°. Wählt man daher für das Bolzengewinde B und das Mutterngewinde M den Nennwinkel von 60°, so wird die gewünschte Winkeldifferenz der Profilwinkel durch eine entsprechende Verkleinerung der Profilwinkel des Drahtgewindeeinsatzes 8 erzielt. Zweckmäßigerweise liegt dann der Profilwinkel βB des Innengewindes 10 des Drahtgewindeeinsatzes 8 in der Größenordnung von 52° ± 4° und der Profilwinkel βM des Außengewindes 12 des Drahtgewindeeinsatzes 8 in der Größenordnung von 54° ± 4°.
  • Es versteht sich jedoch, dass die gewünschte Winkeldifferenz auch dadurch erzielt werden kann, dass für die Profilwinkel des Drahtgewindeeinsatzes der genormte Nennwinkel gewählt wird, während die Profilwinkel des Bolzen- und Mutterngewindes gegenüber dem genormten Nennwinkel entsprechend vergrößert werden.
  • Wie eingangs erwähnt, hat die Erfindung den Vorteil einer gleichmäßigeren Verteilung der Vorspannkraft auf alle Gewindeflanken, was die Realisierung höherer Vorspannkräfte sowie eine erhöhte Restvorspannkraft aufgrund reduzierter Setzerscheinungen in den Gewindeflanken ermöglicht. Dies alles führt zu einer erhöhten Dauerhaltbarkeit der Gewindeverbindung.
  • Um die Dauerhaltbarkeit der Gewindeverbindung weiter zu steigern, kann eine Steigungsdifferenz zwischen dem Bolzengewinde B und dem Mutterngewinde M dergestalt vorgesehen werden, dass die Gewindesteigung des Bolzengewindes b kleiner als die Gewindesteigung des Mutterngewindes M ist. Diese Steigungsdifferenz wird so gewählt, dass sich aufgrund der Längung des Gewindeschaftes der Schraube 6 im verspannten Zustand die Steigungen des Bolzen- und Mutterngewindes aneinander angleichen. Hierdurch wird eine Kraftkonzentration im ersten Gewindegang, wie sie sich im Stand der Technik ergibt, vermieden; vielmehr kommt es zu einer gleichmäßigen Kraftübertragung an allen Gewindegängen der Schraubverbindung.
  • Um diese Steigungsdifferenz zwischen Bolzen- und Mutterngewinde zu erzielen, kann dem Mutterngewinde M eine größere Steigung als die genormte Nennsteigung des betreffenden Gewindes verliehen werden. Stattdessen kann jedoch auch dem Bolzengewinde eine kleinere Steigung als die genormte Nennsteigung des betreffenden Gewindes verliehen werden.
  • Eine weitere Möglichkeit zur Steigerung der Dauerhaltbarkeit der Schraubverbindung besteht darin, dass der Profilwinkel βM des Mutterngewindes M über die Länge veränderlich ausgebildet wird, und zwar so, dass die Winkeldifferenz zwischen dem Profilwinkel βM des Außengewindes 12 des Drahtgewindeeinsatzes 8 und dem des Mutterngewindes M mit zunehmender Einschraubtiefe des Schraubgewindeeinsatzes kleiner wird. Durch diesen über die Länge veränderlichen Profilwinkel des Mutterngewindes M lässt sich gewissermaßen ein Belastungsaufbau der Schraubverbindung von unten (in 1) erzielen.

Claims (10)

  1. Schraubverbindung mit einem Drahtgewindeeinsatz (8), der zwischen ein Mutterngewinde (M) eines Werkstücks (4) und einem Bolzengewinde (B) einer Schraube (6) eingesetzt ist und aus einem wendelförmig gewickelten Drahtgewindekörper mit einem bolzengewindeseitigen Innengewinde (10) und einem mutterngewindeseitigen Außengewinde (12) besteht, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwinkel (βB, βM) des Innen- und Außengewindes (10, 12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) kleiner als der jeweilige Profilwinkel (αB, αM) des Bolzengewindes (B) und des Mutterngewindes (M) sind, so dass bei Belastung der Schraubverbindung mit einer vorgegebenen Vorspannkraft (Kv) die Lastflanken des Innen- und Außengewindes (10, 12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) vollflächig an den zugehörigen Lastflanken des Bolzen- und Muttergewindes (B, M) anliegen.
  2. Schraubverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilwinkel (βB) des Innengewindes (10) des Drahtgewindeeinsatzes (8) das 0,80 – 0,93-fache des Profilwinkels (αB) des Bolzengewindes (B) beträgt.
  3. Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilwinkel (βM) des Außengewindes (12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) das 0,83 – 0,96-fache des Profilwinkels (αM) des Mutterngewindes (M) beträgt.
  4. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Profilwinkel (αB, αM) von 60° für das Bolzen- und Mutterngewinde (B, M) der Profilwinkel (βB) des Innengewindes (10) des Drahtgewindeeinsatzes (8) in der Größenordnung von 52° ± 4° und der Profilwinkel (βM) des Außengewindes (12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) in der Größenordnung von 54° ± 4° liegt.
  5. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwinkel (αB, αM) des Bolzengewindes (B) und des Mutterngewindes (M) genormte Nennwinkel sind und die Profilwinkel (βB, βM) des Drahtgewindeeinsatzes (8) von den genormten Nennwinkeln abweichen.
  6. Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwinkel (βB, βM) des Drahtgewindeeinsatzes (8) genormte Nennwinkel sind und die Profilwinkel (αB, αM) des Bolzengewindes (B) und Mutterngewindes (M) von den genormten Nennwinkeln abweichen.
  7. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des Bolzengewindes (B) kleiner als die Steigung des Mutterngewindes (M) ist, so dass die beiden Steigungen im verspannten Zustand der Schraubverbindung annähernd gleich sind.
  8. Schraubverbindung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Steigung des Mutterngewindes (M) größer oder die Steigung des Bolzengewindes (B) kleiner als eine genormte Nennsteigung des betreffenden Gewindes ist.
  9. Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Profilwinkel (αM) des Mutterngewindes (M) über die Länge veränderlich ist, so dass die Winkeldifferenz zwischen den Pro filwinkeln (βM, αM) des Außengewindes (10) des Drahtgewindeeinsatzes (8) und des Mutterngewindes (M) mit zunehmender Einschraubtiefe des Drahtgewindeeinsatzes (8) kleiner wird.
  10. Drahtgewindeeinsatz für eine Schraubverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Profilwinkel (βB, βM) des Innen- und Außengewindes (10, 12) des Drahtgewindeeinsatzes (8) kleiner als der genormte Nennwinkel der betreffenden Gewinde sind.
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