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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine Gewindeverbindung und ein Bohrgestänge mit Gewindeverbindung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Schutzansprüche.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 19803304 A1 ist ein Bohrgestänge mit Gewindeverbindung zum Verbinden einzelner Bohrstangen bekannt, bei der das Profil des Außengewindes eine abgeflachte Gewindespitze und einen kreisbogenförmigen Gewindegrund aufweist, während das Profil des Innengewindes eine kreisbogenförmige Gewindespitze und einen abgeflachten Gewindegrund aufweist.
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Aus der
US 5060740 A ist eine Gewindeverbindung mit asymmetrischen Flanken der Gewindesteigung für einen Imlochhammer bekannt. Eine größere Flanke mit flachem Winkel bildet eine Tragflanke, wenn das Gewinde verschraubt ist und übt einen sehr hohen Lochleibdruck auf die Gewindemuffe aus. Dies soll verhindern, dass sich die Teile des Imlochhammers während des Betriebs unbeabsichtigt lösen.
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Aufgabe
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine Gewindeverbindung insbesondere für ein Bohrgestänge zu schaffen, das ein hohes Drehmoment aufnehmen kann und den Stand der Technik verbessert.
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Eine weitere Aufgabe ist es, ein entsprechendes Bohrgestänge mit einer Gewindeverbindung zu schaffen.
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Lösung
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Die Aufgaben werden durch die Erfindungen mit den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen gekennzeichnet. Der Wortlaut sämtlicher Ansprüche wird hiermit durch Bezugnahme zum Inhalt dieser Beschreibung gemacht. Die Erfindungen umfassen auch alle sinnvollen und insbesondere alle erwähnten Kombinationen von unabhängigen und/oder abhängigen Ansprüchen.
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Es wird eine Gewindeverbindung aus einem Innengewinde und einem Außengewinde vorgeschlagen, insbesondere für ein Bohrgestänge zum Drehschlagbohren oder Vibrationsbohren, insbesondere zum Überlagerungsbohren, dessen einzelne Bohrstangen ein Ende mit dem Innengewinde und ein Ende mit dem Außengewinde aufweisen, wobei beide Gewinde jeweils eine erste Flanke und eine zweite Flanke aufweisen, das Profil des Außengewindes, d.h. im Längsschnitt gesehen, eine abgeflachte Gewindespitze und einen gerundeten Gewindegrund und das Profil des Innengewindes eine abgeflachte Gewindespitze und einen gerundeten Gewindegrund aufweist.
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Da die Bohrgestänge immer mit der Bohrmaschine unter Last verschraubt und gelöst werden, ist es von besonderem Vorteil, wenn sich die Last auf einer möglichst großen Fläche verteilen kann. Deshalb sollte die erste Flanke im Profil größer sein als die zweite Flanke, um die Berührungsflächen beim Verschraubvorgang möglichst groß zu gestalten und die Flächenpressung zu reduzieren.
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Bei den Gewinden der Gewindeverbindung kann die längere Flanke vorteilhaft als Einlaufflanke vorgesehen sein. Dadurch kann der Verschleiß während des Verschraubens verringert werden. Die kürzere Flanke hingegen kann als Tragflanke dienen, wenn das Gewinde verschraubt und die Gewindeverbindung somit hergestellt ist. Besonders günstig kann eine merkliche Flächenberührung gewährleistet und so die Flächenpressung und der Lochleibdruck auf die Muffe reduziert werden. Dies verringert den Verschleiß, und es können auch die Anforderungen der heutzutage immer kräftigeren Bohrgeräte erfüllt werden, insbesondere der in letzter Zeit vermehrt auf den Markt drängenden Vibrationsantriebe.
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Da auf einer Baustelle immer mit Verunreinigungen der Gewindeverbindungen zu rechnen ist, ist es von besonderem Vorteil, wenn sich diese Verunreinigungen in einem Hohlraum verteilen können ohne größere zusätzliche Spannung innerhalb der Gewindeverbindung zu verursachen. Es ist daher von besonderem Vorteil, wenn zwischen Gewindegrund und Profilspitze genügend Platz vorhanden ist, um diese Verunreinigungen aufnehmen zu können.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung können die Flanken im Profil von Gewindegrund zu Gewindespitze jeweils abgeflacht, insbesondere gerade, ausgebildet sein.
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Der abgerundete Gewindegrund ist insbesondere beim Schlagbohren und Vibrationsbohren von besonderem Vorteil um Risskeimen vorzubeugen.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung sollte der Gewindegrund des Außengewindes und der Gewindegrund des Innengewindes im Profil gerundet ausgebildet sein. Durch den gerundeten Gewindegrund ist die Kerbempfindlichkeit der Gewindeverbindung herabgesetzt.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Rundung am Gewindegrund einen Radius von höchstens 3 mm, vorzugsweise höchstens 2 mm, besonders bevorzugt 1,6 mm aufweisen. Der große Radius von z.B. 1,6 mm im Gewindegrund kann vorteilhaft Dauerschwingbrüchen entgegenwirken. In günstiger Weiterbildung können der Gewindegrund des Außengewindes und der Gewindegrund des Innengewindes denselben Radius aufweisen. Dadurch wird die Flächenberührung erhöht und eine lokal beschränkte Flächenpressung vermieden.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann das Gewindeprofil konisch ausgebildet sein und jeder Gewindegrund und/oder jede Gewindespitze entlang des Profils auf einer gedachten Linie liegen, die mit einem Neigungswinkel gegen die Gewindemittelachse geneigt sein kann. Der Neigungswinkel kann zwischen 0,5° und höchstens 6°, vorzugsweise höchstens 5°, besonders bevorzugt 4,5° betragen. Dies ermöglicht ein leichteres Einführen des Innengewindes in das Außengewinde. Alternativ kann das Gewindeprofil zylindrisch ausgebildet sein. Letzteres erlaubt größere Innendurchmesser der Gewindeverbindung, höhere Steigungen und dadurch eine höhere Drehmomentaufnahme.
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Erfindungsgemäß beschreibt der Neigungswinkel die Konussteigung eines konischen Gewindes, während der Flankenwinkel den Winkel der Flanken (gemessen zur Mittelachse) angibt, unabhängig davon, inwieweit die Gewindeausführung konisch oder zylindrisch ausgestaltet ist.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung können die erste und die zweite Flanke jeweils einen Winkel von mehr als 70° einschließen. Vorteilhaft kann der Winkel bei einem konischen Gewindeprofil mindestens 75°, bevorzugt 80° betragen. Bei einem zylindrischen Gewindeprofil kann der Winkel mindestens 90°, bevorzugt 100° betragen. Letzteres erlaubt höhere Steigungen, größere Gewindedurchmesser und eine höhere Drehmomentaufnahme.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann der Flankenwinkel des Außengewindes und des Innengewindes bezogen auf die ersten, insbesondere größeren Flanken gegenüber der Gewindemittelachse mindestens 20° betragen. Dabei kann der Flankenwinkel bei einem konischen Gewindeprofil bezogen auf die ersten, insbesondere größeren Flanken gegenüber der Gewindemittelachse mindestens 35°, vorzugsweise mindestens 40°, besonders bevorzugt 43° betragen. Bei einem zylindrischen Gewindeprofil kann der Flankenwinkel bezogen auf die ersten, insbesondere größeren Flanken gegenüber der Gewindemittelachse mindestens 25°, bevorzugt 28° betragen. Damit kann eine günstige Geometrie des Gewindes, insbesondere eine gute Drehmomentaufnahme erreicht werden.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann der Flankenwinkel des Außengewindes und des Innengewindes bezogen auf die zweiten, insbesondere kleineren Flanken gegenüber der Gewindemittelachse mindestens 45° betragen. Dabei kann der Flankenwinkel bei einem konischen Gewindeprofil mindestens 50°, vorzugsweise mindestens 55°, besonders bevorzugt 57° betragen. Bei einem zylindrischen Gewindeprofil kann der Flankenwinkel mindestens 47°, vorzugsweise mindestens 50°, besonders bevorzugt 52° betragen. Damit kann eine günstige Geometrie des Gewindes, insbesondere eine gute Drehmomentaufnahme erreicht werden.
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Gemäß einer günstigen Ausgestaltung kann die Zahl der Gewindegänge mit steigendem Außendurchmesser des Außengewindes bzw. des Innengewindes zunehmen. Günstiger Weise können bei einem konischen Gewindeprofil mit Durchmessern der Gewinde unter 75 mm ein Gewindegang, mit Durchmessern zwischen 75 mm und 115 mm, vorzugsweise zwischen 76,1 mm und 114,3 mm, zwei Gewindegänge mit Steigung 20 und mit Durchmessern zwischen 120 mm und 155 mm, vorzugsweise zwischen 121 mm und 152,4 mm, drei Gewindegänge mit Steigung 30 vorgesehen sein.
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Günstiger Weise können bei einem zylindrischen Gewindeprofil mit Durchmessern der Gewinde unter 75 mm ein Gewindegang, mit Durchmessern zwischen 75 mm und 96 mm vorzugsweise zwischen 76,1 mm und 95 mm, zwei Gewindegänge mit Steigung 24, mit Durchmessern zwischen 100 mm und 135 mm, vorzugsweise zwischen 101,6 mm und 133 mm, drei Gewindegänge mit Steigung 36, mit Durchmessern zwischen 150 mm und 178 mm, vorzugsweise zwischen 152,4 mm und 177,8 mm, vier Gewindegänge mit Steigung 48 und mit Durchmessern zwischen 192 mm und 220 mm, vorzugsweise zwischen 193,7 mm und 219,1 mm, vier Gewindegänge mit Steigung 60 vorgesehen sein.
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Vorteilhaft wird der Steigungswinkel so gewählt, dass ein ausreichendes Drehmoment übertragen werden kann und noch eine ausreichende Selbsthemmung vorliegt, damit sich die Gewindeverbindungen nicht ungewollt lösen. Der Steigungswinkel wird zweckmäßigerweise an den Durchmesser angepasst. Mit größerem Durchmesser sind mehr Gewindegänge vorgesehen und damit größere Steigungswinkel.
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Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Bohrgestänge zum Drehschlagbohren vorgeschlagen, insbesondere zum Überlagerungsbohren, dessen einzelne Bohrstangen ein Ende mit einem Innengewinde und ein Ende mit einem Außengewinde aufweisen, mit einer Gewindeverbindung wie vorstehend beschrieben wurde. Dabei weisen beide Gewinde jeweils eine erste Flanke und eine zweite Flanke auf, wobei die ersten Flanken größer sind als die zweiten Flanken und die ersten Flanken jeweils die zu den Bohrstangenenden weisenden Außenflanken der Gewinde sind.
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Vorteilhaft kann die größere Flanke einen flachen Winkel gegen die Gewindemittelachse aufweisen, bei konischem Gewindeprofil beispielsweise 43° und bei zylindrischem Gewindeprofil beispielsweise 28°. Damit lässt sich der Verschleiß während des Verschraubens der Bohrstangen minimieren. Die kleinere Flanke hingegen kann die Tragflanke bilden, wenn das Gewinde verschraubt wird, und mit einem größeren Winkel gegen die Gewindemittelachse geneigt sein, bei konischem Gewindeprofil beispielsweise mit 57° und bei zylindrischem Gewindeprofil beispielsweise mit 52°. Die Flankenwinkel können abhängig vom Einsatzzweck variieren.
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Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Unteransprüchen. Hierbei können die jeweiligen Merkmale für sich alleine oder zu mehreren in Kombination miteinander verwirklicht sein. Die Möglichkeiten, die Aufgabe zu lösen, sind nicht auf die Ausführungsbeispiele beschränkt.
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So umfassen beispielsweise Bereichsangaben stets alle – nicht genannten – Zwischenwerte und alle denkbaren Teilintervalle.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt. Gleiche Bezugsziffern in den einzelnen Figuren bezeichnen dabei gleiche oder funktionsgleiche bzw. hinsichtlich ihrer Funktionen einander entsprechende Elemente. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Im Einzelnen zeigt beispielhaft:
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1 einen Ausschnitt aus einem Profil eines konischen Innengewindes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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2 einen Ausschnitt aus einem Profil eines konischen Außengewindes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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3 einen Ausschnitt aus einer Gewindeverbindung von Innengewinde und Außengewinde aus den 1 und 2;
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4 einen Ausschnitt aus einem Profil eines zylindrischen Innengewindes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
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5 einen Ausschnitt aus einem Profil eines zylindrischen Außengewindes nach einem Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
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6 einen Ausschnitt aus einer Gewindeverbindung von Innengewinde und Außengewinde aus den 4 und 5;
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Es sind zahlreiche Abwandlungen und Weiterbildungen der beschriebenen Ausführungsbeispiele verwirklichbar. Gleiche oder ähnliche Elemente sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Die 1 bis 3 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einer konischen Gewindeverbindung, insbesondere für ein Bohrgestänge zum Drehschlagbohren, insbesondere zum Überlagerungsbohren, dessen einzelne Bohrstangen ein Ende mit einem Innengewinde 20 und ein Ende mit einem Außengewinde 40 aufweisen.
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1 zeigt dabei einen Ausschnitt aus einem Profil des konischen Innengewindes 20 einer Muffe 10 eines Endes einer Bohrstange ø102. Das Innengewinde 20 der Muffe 10 umgibt eine Gewindemittelachse 22. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Profil des entsprechenden Außengewindes 40 eines Zapfens 30 mit konischem Gewinde. Das Außengewinde 40 des Zapfens 30 umgibt eine Gewindemittelachse 42.
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Der Neigungswinkel β gegen die jeweilige Gewindemittelachse 22, 42 ist der halbe Konuswinkel und liegt vorzugsweise unter 5°, vorzugsweise bei 4,5°.
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Das Innengewinde 20 weist eine erste Flanke 12 und eine zweite Flanke 14 auf. Die erste Flanke 12 ist im Profil größer als die zweite Flanke 14 ausgebildet. Die erste Flanke 12 ist als Einlaufflanke während des Verschraubens vorgesehen, was vorteilhaft den Verschleiß verringert. Die kleinere Flanke 14 hingegen dient als Tragflanke, wenn das Innengewinde 20 mit dem Außengewinde 40 verschraubt und die Gewindeverbindung hergestellt wird. Die beiden Flanken 12, 14 schließen einen Winkel α10 von mehr als 70° ein, insbesondere beträgt der Winkel α10 bei dem konischen Gewinde mindestens 75°, bevorzugt 80°.
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Das Profil des Innengewindes 20 weist eine abgeflachte Gewindespitze 18, insbesondere eine gerade Gewindespitze 18, und einen gerundeten Gewindegrund 16 auf. Der Radius R10 des Gewindegrunds liegt günstiger Weise zwischen 1,5mm und 3,0mm, bevorzugt 1,6mm.
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Das Außengewinde 40 in 2 weist eine erste Flanke 32 und eine zweite Flanke 34 auf. Die erste Flanke 32 ist im Profil größer als die zweite Flanke 34 ausgebildet. Die erste Flanke 32 ist als Einlaufflanke während des Verschraubens vorgesehen, was vorteilhaft den Verschleiß verringert. Die kleinere Flanke 34 hingegen dient als Tragflanke, wenn das Innengewinde 20 mit dem Außengewinde 40 verschraubt und die Gewindeverbindung hergestellt wird.
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Ferner weist das Außengewinde 40 im Profil eine abgeflachte Gewindespitze 38 und einen gerundeten Gewindegrund 36 auf. Der Radius R30 des Gewindegrunds liegt günstiger Weise zwischen 1,5mm und 3,0mm, bevorzugt 1,6mm.
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Die beiden Flanken 32, 34 schließen einen Winkel α30 von mehr als 70° ein, insbesondere beträgt der Winkel α30 bei dem konischen Gewinde mindestens 75°, bevorzugt 80°.
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3 zeigt einen Ausschnitt aus der Gewindeverbindung der konischen Innengewinde 20 und Außengewinde 40 aus den 1 und 2. Durch die Abflachungen 50 der Gewindespitzen 18, 38 und den gerundeten Nutgründen 16, 36 bilden sich dort relativ große Hohlräume 50, welche Platz zur Aufnahme von Verunreinigungen wie Staub und dergleichen bieten.
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Die ersten, größeren Flanken 12, 32 bilden einen Flankenwinkel γ gegenüber der Gewindemittelachse 22, 42, der mindestens 20° beträgt, vorzugsweise mindestens 35°, vorzugsweise mindestens 40°, besonders bevorzugt 43° beträgt.
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Die zweiten, kleineren Flanken 14, 34 bilden einen Flankenwinkel δ gegenüber der Gewindemittelachse 22, 42, der mindestens 45° beträgt, vorzugsweise mindestens 50°, vorzugsweise mindestens 55°, besonders bevorzugt 57° beträgt.
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Die größeren Flanken 12, 32 sind jeweils die zu den Bohrstangenenden der Bohrstangen 102, 104 weisenden Außenflanken der Gewinde 20, 40.
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Die 4 bis 6 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung einer zylindrischen Gewindeverbindung, insbesondere für ein Bohrgestänge zum Drehschlagbohren, insbesondere zum Überlagerungsbohren, dessen einzelne Bohrstangen 102, 104 ein Ende mit einem Innengewinde 20 und ein Ende mit einem Außengewinde 40 aufweisen.
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4 zeigt dabei einen Ausschnitt aus einem Profil des Innengewindes 20 einer Muffe 10 eines Endes einer Bohrstange 102 mit zylindrischem Gewinde. Das Innengewinde 20 der Muffe 10 umgibt eine Gewindemittelachse 22. 2 zeigt einen Ausschnitt aus einem Profil des entsprechenden Außengewindes 40 eines Zapfens 30 mit zylindrischem Gewindeprofil. Das Außengewinde 40 des Zapfens 30 umgibt eine Gewindemittelachse 42.
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Das Innengewinde 20 weist eine erste Flanke 12 und eine zweite Flanke 14 auf. Die erste Flanke 12 ist im Profil größer als die zweite Flanke 14 ausgebildet. Die erste Flanke 12 ist als Einlaufflanke während des Verschraubens vorgesehen, was vorteilhaft den Verschleiß verringert. Die kleinere Flanke 14 hingegen dient als Tragflanke, wenn das Innengewinde 20 mit dem Außengewinde 40 verschraubt und die Gewindeverbindung hergestellt wird. Die beiden Flanken 12, 14 schließen einen Winkel α10 von mehr als 70° ein, insbesondere beträgt der Winkel α10 bei dem zylindrischen Gewindeprofil mindestens 90°, bevorzugt 100°.
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Das Profil des Innengewindes 20 weist eine abgeflachte Gewindespitze 18, insbesondere eine abgeflachte Gewindespitze 18, und einen gerundeten Gewindegrund 16 auf. Der Radius R10 des Gewindegrunds liegt günstiger Weise zwischen 1,5mm und 3,0mm, bevorzugt 1,6mm.
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Das Außengewinde 40 in 5 weist eine erste Flanke 32 und eine zweite Flanke 34 auf. Die erste Flanke 32 ist im Profil größer als die zweite Flanke 34 ausgebildet. Die erste Flanke 32 ist als Einlaufflanke während des Verschraubens vorgesehen, was vorteilhaft den Verschleiß verringert. Die kleinere Flanke 34 hingegen dient als Tragflanke, wenn das Innengewinde 20 mit dem Außengewinde 40 verschraubt und die Gewindeverbindung hergestellt wird.
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Ferner weist das Außengewinde 40 im Profil eine abgeflachte Gewindespitze 38 und einen gerundeten Gewindegrund 36 auf. Der Radius R30 des Gewindegrunds liegt günstiger Weise zwischen 1,5mm und 3,0mm, bevorzugt 1,6mm.
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Die beiden Flanken 32, 34 schließen einen Winkel α30 von mehr als 70° ein, insbesondere beträgt der Winkel α30 bei dem zylindrischen Gewinde mindestens 90°, bevorzugt 100°.
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6 zeigt einen Ausschnitt aus der Gewindeverbindung der zylindrischen Innengewinde 20 und Außengewinde 40 aus den 1 und 2. Durch die Abflachungen 50 der Gewindespitzen 18, 38 und den gerundeten Nutgründen 16, 36 bilden sich dort relativ große Hohlräume 50, welche Platz zur Aufnahme von Verunreinigungen wie Staub und dergleichen bieten.
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Die ersten, größeren Flanken 12, 32 bilden einen Flankenwinkel γ gegenüber der Gewindemittelachse 22, 42, der mindestens 20°, vorzugsweise mindestens 25°, besonders bevorzugt 28° beträgt.
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Die zweiten, kleineren Flanken 14, 34 bilden einen Flankenwinkel δ gegenüber der Gewindemittelachse 22, 42, der mindestens 45°, vorzugsweise mindestens 47°, weiter vorzugsweise mindestens 50°, besonders bevorzugt 52° beträgt.
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Die größeren Flanken 12, 32 sind jeweils die zu den Bohrstangenenden der Bohrstangen 102, 104 weisenden Außenflanken der Gewinde 20, 40.
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Bezugszeichenliste
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- 102
- Bohrstange mit Innengewinde
- 104
- Bohrstange mit Außengewinde
- 10
- Muffe
- 12
- erste Flanke
- 14
- zweite Flanke
- 16
- Gewindegrund
- 18
- Abflachung
- 20
- Innengewinde
- 22
- Gewindemittelachse
- 30
- Zapfen
- 32
- erste Flanke
- 34
- zweite Flanke
- 36
- Gewindegrund
- 38
- Abflachung
- 40
- Außengewinde
- 42
- Gewindemittelachse
- 50
- Hohlraum
- α10
- Winkel zwischen Flanken
- α30
- Winkel zwischen Flanken
- β
- Neigungswinkel zu Gewindemittelachse
- γ
- Flankenwinkel erste Flanke zu Gewindemittelachse
- δ
- Flankenwinkel zweite Flanke zu Gewindemittelachse
- R10
- Radius
- R30
- Radius
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19803304 A1 [0002]
- US 5060740 A [0003]
