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Die Erfindung bezieht sich auf das Gewinde von Gewinde-Verbindungs-Elementen, wobei die Verbindung zwischen einem Element mit Außengewinde und einem Element mit Innengewinde erfolgt, beispielsweise zwischen einem Schraubbolzen und einer Schraub-Mutter.
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Bei bekannten derartigen Gewinde-Verbindungs-Elementen weist das Gewinde für alle Gewinde-Gänge die gleiche Gewindesteigung auf.
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Bei angezogenen Gewindeverbindungen ist dies mit dem Nachteil verbunden, daß der 1. Gewindegang eine ungleich höhere Kraftbeaufschlagung erfährt als der 2. Gewindegang, daß der 2. Gewindegang eine höhere Kraftbeaufschlagung erfährt als der 3. Gewindegang usw (s. auch 7, Funktionsverlauf A).
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Bei hoher Kraftbeaufschlagung der Gewindeverbindung ist demnach der 1. Gewindegang am gefährdetsten (Bruch-, Verformungsgefahr).
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Es ist deshalb Aufgabe der Erfindung, ein Gewinde vorzusehen, das eine gleichmäßigere Kräfteverteilung auf die Gewinde-Gänge ermöglicht.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
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1 eine schematische Ansicht einer Gewindeverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter;
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2 eine ausschnittsweise Schnittdarstellung einer Schraubverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter gemäß 1 nach dem Stand der Technik;
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3 eine Darstellung in Analogie zu 2 für eine erfindungsgemäße Schraubverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter mit je einem erfindungsgemäßen Gewinde mit ansteigender Gewindesteigung von Gewinde-Gang zu Gewinde-Gang;
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4 eine Darstellung in Analogie zu 2 für eine erfindungsgemäße Schraubverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter mit je einem erfindungsgemäßen Gewinde mit abfallender Gewindesteigung von Gewinde-Gang zu Gewinde-Gang
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5 eine schematische isometrische Darstellung des schraubenlinigen – Verlaufes des Außengewindes eines Schraubbolzens für ein Gewinde mit konstanter Gewinde-Steigung (Ganghöhe) nach dem Stand der Technik;
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6 eine schematische Darstellung des schraubenlinigen – Verlaufes des erfindungsgemäßen Außengewindes eines Schraubbolzens mit abnehmender Gewinde-Steigung von Gewinde-Gang zu Gewinde-Gang;
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7 Darstellung der Kraftverteilung bei einer Gewindeverbindung zwischen einem Gewindebolzen und einer Mutter in Abhängigkeit von der Gewindegangnummer des Gewindebolzens.
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8 eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Gewindeschneiden eines Außengewindes auf einen zylindrischen Rohling mittels eines Schneidelementes (Schneidstahls).
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Ein Gewinde ist eine schraubenlinienförmig verlaufende profilierte Kerbe an der Außenseite von zylinderförmigen Werkstücken oder in Bohrungen. Das Gewinde an der Außenseite von runden Werkstücken wird üblicherweise als Außengewinde bezeichnet, das Gewinde in Bohrungen als Innengewinde. Als Beispiel sei ein Schraubbolzen mit Außengewinde bzw. eine Mutter mit Innengewinde genannt. Sind zwei Werktücke mit einem gleichartigen Außen- bzw. Innengewinde versehen, können sie per Schraubverbindung miteinander verbunden werden. Dabei greift das Außengewinde durch Drehung in des Innengewinde ein.
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Der Winkel, um den die Schraubenlinie des Gewindes ansteigt, wird als Steigungswinkel bezeichnet, und ein voller Umlauf dieser Schraubenlinie als Gewinde-Gang.
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Die Gewinde-Steigung oder Ganghöhe des Gewindes ist der Weg, den ein Punkt am Außendurchmesser in axialer Richtung bei einer Drehung des Gewindes, z. B. beim Eindrehen einer Schraube, bei einer Umdrehung (um 360 Grad) zurücklegt.
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Eine Schraube ist ein Stift oder Bolzen mit einem Außengewinde. Man unterscheidet sogenannte Holz- von sogenannten Metallschrauben. Holz- und Metallschrauben können jeweils aus unterschiedlichen Materialien (Metall, Keramik, Kunststoff, Holz, u. a. m.) bestehen.
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Holzschrauben sind schwach konisch ausgebildet; sie werden vorwiegend in Holz eingeschraubt, wobei sie sich ein Gegengewinde selbst schneiden: Dabei entfällt ein zusätzliche Werkstück wie eine Mutter mit einem an die Holzschraube angepassten Gegengewinde.
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Metallschrauben tragen ihren Namen, weil sie im Metallgewerbe entwickelt wurden.
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Sie werden auch mit der deutschen Handelsbezeichnung „Gewindeschraube” bezeichnet. Diese bedeutet, daß die Schraubverbindung durch Aufnahme des Außengewindes (z. B. eines Schraubbolzens) in ein passendes Gegengewinde (z. B. in das Innengewinde einer Mutter) erfolgt.
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Selbst-schneidende sogenannte Holz- oder Blechschrauben zählen demnach nicht zu den „Gewindeschrauben”.
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Die Herstellung des erfindungsgemäßen Außengewindes erfolgt mit bekannten spanlosen oder spanenden Verfahren, die bisher auch zur Herstellung von „Gewindeschrauben” mit konstanter Gewindesteigung verwendet wurden.
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Bei der spanenden Methode wird das Gewindeprofil von Schneidelementen aus dem Werkstoff herausgeschnitten.
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Bei der spanlosen Methode wird das Gewindeprofil in das Bolzenmaterial (durch ein wälzen oder Rollen bedingendes Eindrückelement) durch Wärme- oder Kaltumformung eingedrückt.
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Das erfindungsgemäße Gewinde ist dadurch gekennzeichnet, daß die Gewindesteigung (Ganghöhe) von Gewindegang zu Gewindegang abnimmt oder zunimmt.
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Die Abnahme bzw. Zunahme der Gewindesteigung eines nachfolgenden Gewindeganges erfolgt vorzugsweise durch Bezugnahme auf die Gewindesteigung des vorausgehenden Gewindegangs, wobei
- a) sich die Gewindesteigung (Sn + 1'; Sn + 2'; ...) eines nachfolgendes Gewindeganges (Gn + 1'; Gn + 2'; ...) aus der Addition der Gewindesteigung (Sn'; Sn + 1'; ...) des vorausgehenden Gewindeganges (Gn'; Gn + 1'; ...) und einem wählbaren vorgebbaren Prozentsatz dieser Gewindesteigung (Sn'; Sn + 1'; ...) ergibt;
| Beispiel (s. FIG. 3): | Sn + 2' = Sn + 1' + 5% von Sn + 1' |
| | Sn + 3' = Sn + 2' + 5% von Sn + 2' |
- b) sich die Gewindesteigung (Sn + 1''; Sn + 2''; ...) eines nachfolgendes Gewindeganges (Gn + 1''; Gn + 2''; ...) aus der Subtraktion eines wählbaren vorgebbaren Prozentsatz der Gewindesteigung (Sn''; Sn + 1''; ...) des vorausgehenden Gewindeganges (Gn''; Gn + 1''; ...) von der Gewindesteigung (Sn''; Sn + 1''; ...) des vorausgehenden Gewindeganges (Gn''; Gn + 1''; ...) ergibt;
| Beispiel (s. FIG. 4): | Sn + 2'' = Sn + 1'' – 5% von Sn + 1'' |
| | Sn + 3'' = Sn + 2'' – 5% von Sn + 2'' |
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Die Erfindung ist nicht auf das vorstehende Beispiel beschränkt, wonach die Gewindesteigung eines nachfolgenden Gewindeganges aus der Gewindesteigung des diesem vorausgehenden Gewindeganges errechnet wird.
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In seiner allgemeinen Form ist die Erfindung dadurch charakterisiert,
daß die Gewindesteigung eines nachfolgenden Gewindeganges größer ist als die Gewindesteigung des diesem vorausgehenden Gewindeganges
oder
daß die Gewindesteigung eines nachfolgenden Gewindeganges kleiner ist als die Gewindesteigung des diesem vorausgehenden Gewindeganges.
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Zur Bezeichnung der Gewindegänge sei gemäß 5 folgendes vereinbart:
Der erste Gewindegang G1 des Gewindebolzens liegt zu Beginn des Gewindes am bolzenkopfnahen Ende;
der zweite Gewindegang G2 schließt an den ersten Gang G1 in Richtung des Bolzenkopf abgewandten Endes des Bolzens an, gefolgt vom dritten Gang G3 etc.; d. h., ein Gewindegang mit einer niedrigeren Gewindegangnummer liegt näher am Bolzenkopf als ein Gewindegang mit einer höheren Gewindegangnummer.
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Vereinbarungsgemäß nehmen also bei dem Gewindebolzen die Gewinde-Gangnummern in Richtung Bolzenkopf ab; bei der Gewindeverbindung zwischen Schraubbolzen und Mutter sollen die Gangnummern der Mutter in Richtung Bolzenkopf zunehmen.
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1 zeigt eine schematische Ansicht einer Gewindeverbindung zwischen einem Schraubbolzen 1 und einer Mutter 2. Das Außengewinde des Schraubbolzens 1 ist mit 1-1, das Innengewinde der Mutter 2 ist mit 2-1 gekennzeichnet.
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2 zeigt eine ausschnittsweise (Ausschnitt p in 1) Schnittdarstellung einer Schraubverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter gemäß 1 nach dem Stand der Technik;
Die Mutter ist mit 2, deren Innengewinde mit 2-1, der Schraubbolzen ist mit 1, dessen Außengewinde mit 1-1 gekennzeichnet. Innen- 2-1 und Außengewinde 1-2. greifen ineinander ein. Alle Gewinde-Gänge weisen die gleiche Gewindesteigung S auf
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3 zeigt eine Darstellung in Analogie zu 2 für eine Schraubverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter mit je einem erfindungsgemäßen Gewinde mit ansteigender Gewindesteigung von Gewinde-Gang zu Gewinde-Gang;
Die Mutter ist mit 2', deren Innengewinde mit 2-1', der Schraubbolzen ist mit 1', dessen Außengewinde mit 1-1' gekennzeichnet. Innen- 2-1' und Außengewinde 1-2'. greifen ineinander ein. Die Gewinde-Gänge sind in Klammern gesetzt mit (Gn'), (Gn + 1'), (Gn + 2'), (Gn + 3') markiert. (Hinweis: Der Verlauf eines Gewinde-Ganges ist in 3 nicht zu erkennen. Der Zusammenhang zwischen einem Gewinde-Gang und Gewindesteigung ist in 5 anschaulich dargestellt). In 3 weist der Gewindegang (Gn') die Gewindesteigung Sn', der Gewinde-Gang (Gn + 1') die Gewinde-Steigung Sn + 1', der Gewinde-Gang (Gn + 2') die Gewindesteigung Sn + 2', der Gewinde-Gang (Gn + 3') die Gewinde-Steigung Sn + 3' auf, wobei die Gewindesteigung von Gewindegang zu Gewindegang gemäß
Sn' < Sn + 1' < Sn + 2' < Sn + 3'
zunimmt.
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4 zeigt eine Darstellung in Analogie zu 2 für eine Schraubverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter mit je einem erfindungsgemäßen Gewinde mit abfallender Gewindesteigung von Gewinde-Gang zu Gewinde-Gang
Die Mutter ist mit 2'', deren Innengewinde mit 2-1'', der Schraubbolzen ist mit 1'', dessen Außengewinde mit 1-1'' gekennzeichnet. Innen- 2-1'' und Außengewinde 1-2''. greifen ineinander ein. Die Gewinde-Gänge sind in Klammern gesetzt mit (Gn''), (Gn + 1''), (Gn + 2''), (Gn + 3'') markiert. (Hinweis: Der Verlauf eines Gewinde-Ganges ist in 4 nicht zu erkennen. Der Zusammenhang zwischen einem Gewinde-Gang und Gewindesteigung ist in 6 anschaulich dargestellt). In 4 weist der Gewindegang (Gn'') die Gewindesteigung Sn'', der Gewinde-Gang (Gn + 1'') die Gewinde-Steigung Sn + 1'', der Gewinde-Gang (Gn + 2'') die Gewindesteigung Sn + 2'', der Gewinde-Gang (Gn + 3'') die Gewinde-Steigung Sn + 3'' auf, wobei die Gewindesteigung von Gewindegang zu Gewindegang gemäß
Sn'' > Sn + 1'' > Sn + 2'' > Sn + 3''
abnimmt.
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Die Erfindung in ihrer allgemeinsten Form bezieht sich auf ein Schraubverbindungselement mit einem Außen- oder Innengewinde für eine gedachte Schraubverbindung zwischen einem Schraubverbindungselement (z. B. einem Schraubbolzen) mit Außengewinde und einem Schraubverbindungselement mit Innengewinde (z. B. einer Mutter), wobei das Außengewinde in das Innengewinde eingreifbar ist. Bei der erfindungsgemäßen Schraubverbindung nimmt die Gewindesteigung (Ganghöhe) des Gewindes mindestens eines Schraubverbindungselementes, also des Schraubbolzens oder der Mutter, von Gewindegang zu ab oder zu. Demnach sind folgende Kombinationen bei einer Schraubverbindung möglich:
- 1. Schraubverbindungselement, z. B. Schraubbolzen, mit erfindungsgemäßem Gewinde, in Kombination mit einem Schraubverbindungselement, z. B. einer Mutter, mit einem Gewinde nach dem Stand der Technik mit konstanter Gewindesteigung.
- 2. Schraubverbindungselement, z. B. einer Mutter, mit erfindungsgemäßem Gewinde, in Kombination mit einem Schraubverbindungselement, z. B. einem Schraubbolzen, mit einem Gewinde nach dem Stand der Technik mit konstanter Gewindesteigung.
- 3.Schraubverbindungselement, z. B. einem Schraubbolzen bzw. einer Mutter, mit jeweils erfindungsgemäßen Gewinde, in Kombination mit einem Schraubverbindungselement, z. B. einer Mutter bzw. einem Schraubbolzen, mit jeweils einem erfindungsgemäßen Gewinde.
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In den Fällen 1, 2 und 3 nimmt beim erfindungsgemäßen Gewinde die Gewindesteigung von Gewindegang zu Gewindegang zu oder ab.
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5 zeigt eine schematische isometrische Darstellung des schraubenlinigen – Verlaufes des Außengewindes eines Schraubbolzens für ein Gewinde mit konstanter Gewinde-Steigung nach dem Stand der Technik.
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Die Gewindegänge sind mit G1, G2, ...,G7 bezeichnet. Jeder Gewinde-Gang hat die gleiche Gewinde-Steigung S.
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6 zeigt eine schematische Darstellung des schraubenlinigen – Verlaufes des erfindungsgemäßen Außengewindes eines Schraubbolzens 1* mit abnehmender Gewinde-Steigung von Gewinde-Gang zu Gewinde-Gang.
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Die Gewindegänge sind mit G1*, G2*, G3*. G4*, ... bezeichnet. Der Gewindegang G1* weist eine Gewinde-Steigung S1*, der Gewinde-Gang G2* die Gewinde-Steigung S2*, der Gewindegang G3* die Gewindesteigung S3*, etc. auf, wobei
S1* > S2* > S3* > ...
ist.
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7 zeigt eine Darstellung der Funktion K = f(z), wobei K die Kraftverteilung bei einer Gewindeverbindung zwischen einem Gewindebolzen und einer Mutter in Abhängigkeit von den Gewindegangnummern z des Gewindebolzens bedeutet.
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Der Funktionsverlauf A bezieht sich auf eine Gewindeverbindung zwischen einem Gewindebolzen und einer Mutter nach dem Stand der Technik mit jeweils konstanter Gewindesteigung;
der Funktionsverlauf B bezieht sich auf eine Gewindeverbindung zwischen einem Gewindebolzen mit einem erfindungsgemäßen Gewinde sich sich verändernder (ansteigender oder fallender) Gewindesteigung von Gang zu Gang und einer Mutter nach dem Stand der Technik mit konstanter Gewindesteigung.
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Der Funktionsverlauf A zeigt, daß bei einer angezogenen Gewindeverbindung der erste Gewindegang 1 eine höhere Kraft (50%) aufnimmt als z. B. der 2 Gewindegang 2 mit einer Kraftbelastung von ca. 25% oder der 3. Gewindegang 3 mit einer Kraftbelastung von ca. 13%. Die einzelnen Gewindegänge sind also einer ungleichen Kraftbelastung ausgesetzt. Die höchste Kraftbelastung – hier 50% – erfährt der 1. Gewindegang 1.
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Bei einer Überbelastung ist der Bereich des ersten Gewindeganges 1 gefährdeter (Bruch- bzw. Verformung) als der Bereich des 2. Gewindeganges etc. Der Funktionsverlauf A versteht sich als Beispiel; bedingt durch Material und andere Gewindeformen können sich andere Verläufe für eine abnehmende Kraftwirkung über die Gewindegänge ergeben.
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Durch das erfindungsgemäße Gewinde ergibt sich gemäß Funktionsverlauf B im Idealfall eine gleichmäßige Kraftverteilung auf die einzelnen Gewindegänge. Dadurch wird die Belastbarkeit der Gewindeverbindung heraufgesetzt.
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Es sei ausdrücklich bemerkt, daß sich der Vorteil des erfindungsgemäßen Gewindes, nämlich eine gleichmäßigere Kraftverteilung auf die einzelnen Gewindegänge bei einer angezogenen Gewindeverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter auf folgende Gewindeverbindungen bezieht:
- a) Gewindeverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter, bei der sowohl der Schraubbolzen wie auch die Mutter jeweils ein erfindungsgemäßes Gewinde aufweisen,
- b) Gewindeverbindung zwischen einem Schraubbolzen und einer Mutter, bei der nur ein Gewindeverbindungselement, also nur der Schraubbolzen oder nur die Mutter, mit dem erfindungsgemäßen Gewinde ausgestattet ist und das andere Gewindeverbindungselement, also nur die Mutter oder der Schraubbolzen, ein Gewinde nach dem Stand der Technik mit konstanter Gewindesteigung aufweist.
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Beim Einschrauben des Außengewindes des Schraubbolzens in das Innengewinde der Mutter sind gemäß a) zu Beginn der Gewindeverbindung folgende Fälle möglich:
Der Gewindegang des Schraubbolzens mit der größten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieses Schraubbolzens greift in den Gewindegang der Mutter mit der größten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieser Mutter ein;
der Gewindegang des Schraubbolzens mit der kleinsten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieses Schraubbolzens greift in den Gewindegang der Mutter mit der größten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieser Mutter ein;
der Gewindegang des Schraubbolzens mit der kleinsten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieses Schraubbolzens greift in den Gewindegang der Mutter mit der kleinsten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieser Mutter ein;
der Gewindegang des Schraubbolzens mit der größten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieses Schraubbolzens greift in den Gewindegang der Mutter mit der kleinsten Gewindesteigung aller Gewindegänge dieser Mutter ein
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zum Gewindeschneiden eines Außengewindes auf einen zylindrischen Rohling mittels eines Schneidelementes (Schneidstahl).
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Dabei wirkt auf den um eine Rotationsachse A rotierenden Rohling (11) das Schneidelement (16) ein, welches parallel zur Rotationsachse (A) des Rohlings (11) derart vorschubverschiebbar ist, daß die erzeugte Gewindebahn schraubenlinienförmig verläuft.
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(Das Schneidelement kann ebenso gut auch ein Eindrückelement zur Gewindeerzeugung durch Rollen oder Wälzen sein).
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Das Schneidelement (16) ist auf einer Basis-Einheit (12) angeordnet, welche mit einer vorgebbaren konstanten Basis-Vorschubgeschwindigkeit +/–v1 in Richtung der Rotationsachse (A) des rotierenden Rohlings (11) oder parallel dazu verschiebbar ist.
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Auf der Basis-Einheit (12) ist eine separate Zusatz-Vorschub-Einrichtung (14/15/16) für das Schneidelement (16) angeordnet, durch welche das Schneidelement (16) bezogen auf die Basis-Einheit (12) in Richtung parallel zur Rotationsachse (A) des rotierenden Rohlings (11) verschiebbar ist mit einer vorgebbaren konstanten Zusatz-Vorschubgeschwindigkeit +/–v2. Dadurch erhält das Schneidelement (16) bezüglich des rotierenden Rohlings (11) sowohl einen Vorschub durch die Basis-Einheit (12) als auch einen diesen Vorschub überlagernden Vorschub durch die Zusatz-Vorschub-Einrichtung (14/15/17) auf der Basis-Einheit (12).
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Je nachdem, ob der Vorschub durch die Basis-Einheit durch den Zusatz-Vorschub erhöht oder erniedrigt wird, ergibt sich beim Gewindeschneiden eine von Gewindegang zu Gewinde-Gang zunehmende oder abnehmende Gewindesteigung.
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Die Zusatz-Vorschub-Einrichtung (14/15/17) für das Schneidelement (16) kann z. B. eine rotierende Gewinde-Welle (14) umfassen, deren Drehbewegung in eine Längsbewegung eines Halte-Elements (15) für das Schneidelement (16) umwandelbar ist, wobei das Halte-Element (15) über ein Innengewinde mit der Gewinde-Welle (14) verbindbar und bezüglich dieser Gewinde-Welle (14) axial bewegbar ist.
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Die Gewinde-Welle (14) ist mit einer Antriebseinheit (17) verbindbar,
wobei die Drehzahl der Gewinde-Welle (14) über die Antriebseinheit (17) zur Vorgabe der Zusatz-Vorschub-Geschwindigkeit +/–v2 einstellbar ist.
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Erfindungsgemäß können auf der Basis-Einheit (12) auch mehrere separate Zusatz-Vorschub-Einrichtungen (14/15/16) mit jeweils einem Schneidelement oder Eindrückelement angeordnet sein. Gewindeschneidmaschinen nach dem Stand der Technik (z. B. Gewindeschneidmaschine Okuma LB 3000 der Firma Okuma Corporation; Japan; World Headquarter Oguchi Plant; Oguchi-cho, Niwa-gun, Aichi Prefecture 480-019) enthalten üblicherweise nur eine Basis-Einheit mit darauf angeordnetem Schneidelement. Diese Basiseinheit erfährt beim Gewindeschneiden einen gleichmäßigen Vorschub in Achsrichtung des rotierenden zylinderförmigen Rohlings, so daß jeder der erzeugten Gewindegänge die gleiche Gewindesteigung hat.
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Diese Gewindeschneidmaschinen können durch die erfindungsgemäße(n) Zusatz-Vorschub-Einrichtung(en) (14/15/17) ergänzt werden, um Gewinde mit sich von Gewindegang zu Gewindegang verändernder Gewindesteigung zu erzeugen.
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Das erfindungsgemäße Gewinde mit von Gewindegang zu Gewindegang abnehmender oder zunehmender Gewindesteigung (Ganghöhe) umfasst alle Gewindearten wie ein Spitz-, Trapez-, Säge-, Rund- oder Flachgewinde.
