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Steckmuffenverbindung von Rohren und Rohrelementen
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Die Erfindung betrifft eine Steckmuffenverbindung von Rohren und Rohrelementen,
insbesondere aus Metall, mit einem glatten Einsteckende und einem dieses mit radialem
Spiel aufnehmenden Muffenende, welches eine radial verlaufende Endschulter und im
axialen Abstand von dieser eine Ringwulst aufweist, zwischen die der Fußabschnitt
eines Dichtungs- und Schubsicherungsringes einsetzbar ist, an dem mehrere in Umfangsrichtung
verteilte Halteeelemente aus Metall befestigt sind, die wenigstens zwei Innenkanten
zum Angreifen am Umfang des Einsteckendes aufweisen, an der Ringwulst kippbar abgestützt
sind und einen in die Ringnut zwischen Endschulter und Ringwulst greifenden Abschnitt
besitzen.
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Die DT-PS 2 226 151 zeigt eine derartige Steckmuffenverbindung von
Rohren aus Metall mit einem glatten Einsteckende und einem dieses mit radialem Spiel
aufnehmenden Muffenende. Bei dieser bekannten
Steckmuffenverbindung
sind die Innenkanten jedes Halteelementes so ausgebildet, daß diese in Abhängigkeit
von der zulässigen Durchmessertoleranz des Einsteckendes unterschiedliche axiale
und radiale Abstände von der Kippachse besitzen. Diese axialen und radialen Abstände
von der gemeinsamen Kippachse des Halteelementes sind in Abhängigkeit von der zulässigen
Durchmessertoleranz des Einsteckendes so unterschiedlich gewählt, daß die Verbindungslinie
zwischen der Kippachse und der je nach dem Rohrdurchmesser jeweils in Eingriff am
Einsteckende befindlichen Innenkante stets etwa die gleiche Neigung gegenüber der
Achse der Steckmuffenverbindung aufweist, und zwar unabhängig davon, ob innerhalb
eines vorbestimmten Toleranzbereiches der Außendurchmesser des Einsteckendes kleiner
oder größer als der Solldurchmesser ist. Hierbei kann jedes Halteelement eine in
Umfangsrichtung verlaufende, radial nach außen offene Nut aufweisen, die im eingebauten
Zustand des Ringes mit der gemeinsamen Ringwulst in der Muffe zur Festlegung der
Kippachse zusammenwirkt. Aufgrund dieser bekannten Ausbildung wird gewährleistet,
daß die Halteelemente in Abhängigkeit von dem Durchmesser des Einsteckendes und/oder
der Muffe mit wenigstens einer der vorgesehenen Innenkanten an das glatte Einsteckende
unter einer Neigung zur Achse der Rohrverbindung zum Angreifen kommen, welche ein
Höchstmaß an Haltekraft gewährleisten. Dadurch läßt sich unabhängig von Änderungen
der Durchmesser stets eine optimale Eingriffstellung der Innenkante des Halteelementes
am Umfang des Einsteckendes erreichen. Zusätzlich gewärleistet diese Anordnung,
daß automatisch
diejenige der Innenkanten wirksam wird, welche
in der Eingriffstellung am Einsteckende die günstigste Winkellage zur Achse der
Verbindung aufweist.
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Diese bekannte Steckmuffenverbindung hat sich in der Praxis ausgezeichnet
bewährt. Allerdings hat es sich zumindest unter bestimmten Umständen als problematisch
erwiesen, daß zur Kompensation der in Kauf zu nehmenden Durchmessertoleranzen für
das Einsteckende bzw. den Innendurchmesser des Muffenendes, die zwei oder mehr als
zwei Innenkanten alternativ zum Angreifen an den Umfang des Einsteckendes kommen,
was bedeutet, daß sich die über die Innenkante der Halteelemente übertragene Schubsicherungskraft
praktisch linienförmig auf den Umfang des Einsteckendes konzentriert und so zu einer
sehr hohen Kerbwirkung führt. Dadurch entsteht eine gewisse Gefahr der Beschädigung
oder Zerstörung des Einsteckendes, insbesondere wenn die Verbindung Wechselkräften
ausgesetzt ist.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und die Steckmuffenverbindung
der eingangs näher bezeichneten Art so weiterzubilden, daß ohne eine Herabsetzung
der Schubsicherungswirkung die für die Wirkung maßgeblichen und auf das Einsteckende
wirkenden Kräfte über eine axial ausgedehnte Umfangs zone des Einsteckendes verteilt
werden, wobei der mit dem gleichen Dichtungs- und Schubsicherungsring zu beherrschende
Toleranzbereich der Durchmesserabweichungen eher noch größer als im bekannten Falle
gewählt werden kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jedes Halteelement
an seiner radial nach außen weisenden Seite eine gegenüber einer sämtliche Innenkanten
berührenden Hüllfläche zum Ringwulst hin konvergierende Gleitfläche aufweist und
mit dieser am Ringwulst axial verschiebbar geführt und in jeder axialen Stellung
frei kippbar ab gestützt ist.
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Aufgrund dieser Ausbildung kann sich jedes Halteelement einzeln und
unabhängig von den anderen Halteelementen sowohl durch axiales Verschieben nach
Art eines Keiles als auch durch entsprechende Kipp#wegungen optimal auf den Durchmesser
des jeweiligen Einsteckendes sowie an den Verlauf des Berührungsabschnittes des
Umfanges dieses Einsteckendes anpassen und mit allen Innenkanten gleichzeitig und
im gleichen Maße an den Berührungsabschnitt des Einsteckendes angreifen.
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Diese Keilwirkung ist an sich von einer Zug- und Schubsicherung bekannt,
die unabhängig von einem Dichtungsring als Klemmring ausgebildetist, der aus einer
Mehrzahl von in Umfangsrichtung mit gegenseitigem Abstand angeordneten Klemmstücken
besteht, welche jeweils eine ballig ausgebildete äußere Mantelfläche besitzen und
in Umfangsrichtung jeweils durch eine anvulkanisierte Zwischenschicht aus Gummi
oder dergl. miteinander verbunden sind. (Vergl. DT-PS 2 034 325). Bei dieser bekannten
Zug- und
Schub sicherung ist der Klemmring von der Dichtung unabhängig
ausgebildet und es bedarf für das Muffenende einer besonderen keilförmigen Gestaltung
der Innenfläche, also ves einer von der gängigen Muffenform abweichenden Muffenform.
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Demgegenüber bezieht sich die Erfindung auf eine Steckmuffenverbindung
mit einem eine Einheit bildenden Dichtungs- und Schubsicherungsring, wie ihn die
eingangs genannte DT-Patentschrift zeigt. Bei dieser Ausbildung ist der Dichtungsring
mit einem Fußabschnitt in axialer Richtung fest in einer Nut verankert, die zwischen
der radial verlaufenden Endschulter der Muffe und dem davon im axialen Abstand verlaufenden
Ringwulst gebildet wird. Mit dem Fußabschnitt stützt sich der Dichtungsring bei
unter Druck stehender Leitung und damit unter Druck stehender Dichtung auf der Endschulter
zuverlässig ab. Der Fußabschnitt sichert aber den Ring gleichzeitig auch gegen axiale
Verschiebung beim Einschieben des Einsteckendes in das mit dem Ring versehenen Muffenende
beim Montieren der Verbindung. Aufgrund der neuen Ausbildung wird jedes Halteelement
selbst wie der Dichtungsring auch in seinen axialen Bewegungen zwischen der Ringwulst
und der Endschulter zuverlässig gesichert. Dennoch ermöglicht die neue Anordnung
und Ausbildung in vorbestimmten Grenzen eine axiale Verschieblichkeit jedes Halteelementes
unter dem Innendruck in der Rohrleitung, wobei dieser Innendruck auf jedes Halteelement
über den Weichgummiabschnitt des Dichtungsringes übertragen wird Unter diesem auf
der Dichtung lastetenden Druck
kann sich jedes Halteelement relativ
gegenüber den benachbarten Fußabschnitten des Dichtungsringes axial verschieben.
Dabei stützt sich jedes Halteelement mit der Gleitfläche an der Ringwulst ab, die
gleichzeitig in jeder axialen Gleitstellung eine freie Kippbewegung des Halteelementes
um die Ringwulst gestattet.
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Dadurch läßt sich mit ein und demselben Schubsichungs- und Dichtungsring
ein großer Toleranzbereich von Durchmesserabweichungen der Verbindungselemente zuverlässig
beherrschen, wobei innerhalb dieses Toleranzbereiches in jeder Stellung der Halteelemente
die Schubsicherungskraft gleich wirkungsvoll und in gleicher Weise über einen größeren
axial ausgedehnten Umfangsbereich auf das Einsteckende übertragen wird. Der in die
Nut zwischen der Endschulter und dem Wulst eingreifende Abschnitt jedes Halteelementes
ist dabei in den Arbeitsstellungen der Halteelemente innerhalb des Toleranzbereiches
weitgehend außer Berührung sowohl mit der Endschulter als auch mit der Ringwulst.
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Diese Vorteile werden erreicht, ohne daß es einer Änderung der gängigen
Form des Muffenendes bedarf.
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Zweckmäßigerweise ist jedes Halteelement in dem Dichtungs- und Schubsicherungsring
fabrikmäßig so eingebaut, z. B. eingeklebt oder einvulkanisiert, daß der in die
Ringnut eingreifende Abschnitt des Halteelementes der Endschulter näher als der
Ringwulst liegt, während die alle Innenkanten verbindende Hüllfläche mit der Umfangsfläche
des noch nicht eingeschobenen Einsteckendes
bzw. mit der Einschubrichtung
konvergiert. Das bedeutet, daß beim Einschieben des Einsteckendes die Halteelemente
unter Erzeugung elastischer Rückstellkräfte in dem Dichtungs- und Schubsicherungsring
sowohl axial in Richtung von der Endschulter weg verschoben als auch um die Ringwulst
gekippt werdenDadurch wird gewährleistet, daß sich auch schon vor dem Erzeugen eines
Innendruckes in der Rohrleitung die Halteelemente unter der Wirkung der elastischen
Rückstellkräfte mit ihren Innenkanten auf den Berührungsbereich der Umfangs fläche
des Einsteckendes ausrichten und in Kontakt mit diesem Berührungsbereich treten.
Die Schubsicherungswirkung setzt also unmittelbar mit Auftreten eines Innendruckes
in der Rohrleitung ein. Zur Sicherung dieser Ausgangsstellung der Halteelemente
kann die der Ringwulst zugewandte Fläche des in die Ringnut eingreifenden Abschnittes
jedes Halteelementes mit einer Weichgummilage versehen sein, die beim Einschieben
des Einsteckendes und Verlagerung der Halteelemente unter einen Quetschdruck gesetzt
wird und wenigstens teilweise im Bereich des Bodens der Nut unter den Quetschkräften
elastisch ausweichen kann.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand schematischer Zeichnungen an
einem Ausführungsbeispiel näher erläutert.
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Es zeigen:
Fig. 1 im Ausschnitt einen die Achse der
Verbindung enthaltenden Querschnitt durch den Dichtungs- und Schubsicherungsring
der Steckmuffenverbindung gemäß der Erfindung, und zwar vor dem Einschieben des
glatten Einsteckendes und Fig. 2 im Ausschnitt die Steckmuffenverbindung mit eingeschobenem
Einsteckende, wobei die Sicherungsstellung eines Halteelementes ausgezogen für einen
kleinsten Durchmesser und gestrichelt für einen maximalen Durchmesser des Toleranzbereiches
wiedergegeben ist.
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Der in Fig. 1 gezeigte Dichtungs- und Schubsicherungsring 1 weist
einen im entspannten Zustand tropfenförmigen Dichtungsabschnitt aus Weichgummi oder
dergl. elastomerem Material auf, der sich zum Muffenäußeren hin zunächst einschnürt
und in einen nach außen flansch- oder krallenförmig vorspringenden Fußabschnitt
3 übergeht. Der Fußabschnitt weist eine im wesentlichen ebene ringförmige Stirnfläche
auf.
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Innerhalb des Querschnittes des aus Weichgummiabschnitt 2 und Fußabschnitt
3 gebildeten Dichtungsringes sind mehrere in Umfangsrichtung in Abständen angeordnete
Halteelemente fest eingesetzt oder eingebaut, welche sich im Querschnitt im wesentlichen
über den eingeschnürten Bereich und den Fußabschnitt erstrecken.
Auf
der radial nach innen weisenden Begrenzungseite weist jedes Halteelement 4 wenigstens
zwei, vorzugsweise drei oder vier in Umfangsrichtung verlaufende schneidenartige
Innenkanten 5a, 5b, 5c und 5d auf, deren Scheitel auf einer gemeinsamen Hüllfläche
14 liegen. Diese Hüllfläche 14 bildet mit der radial nach außen weisenden Umfangsfläche
8b jedes Halteelementes einen Keil- bzw.
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Konvergenzwinkel 10 , der zwischen etwa 250 und etwa 450 liegen kann,
vorzugsweise wie im dargestellten Beispiel aber etwa 300 beträgt. Die nach außen
weisende Fläche 8b bildet eine Gleitfläche, deren Bedeutung weiter unten näher erläutert
wird. Die Gleitfläche geht über eine Krümmung in eine radial nach außen vorspringende
Begrenzungsfläche 8a über ~welche mit einer in die entgegengesetzte axiale Richtung
weisenden Stirnfläche 7 einen Abschnitt 6 des Halteelementes 4 begrenzt, der ähnlich
wie der Fußabschnitt 3 des elastomeren Dichtungsmaterials radial nach außen flansch-
oder krallenartig vorspringt. Man erkennt jedoch aus der Schnittdarstellung nach
Fig. 1, daß die axiale Höhe des vorspringenden Abschnittes 6 wesentlich geringer
ist als die axiale Höhe des Fußabschnittes 3.
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Im dargestellten Beispiel, welches die bevorzugte Einbaulage des Halteelementes
4 in die in Fig. 1 im entspannten Zustand gezeigte elastomere Masse wiedergibt,
liegt die nach außen konvex gekrümmte Stirnfläche 7 des Halteelementes nahezu bündig
mit der ringförmigen Stirnfläche des Fußabschnittes des Dichtungs-und
Schubsicherungsringes.
In dieser Lage weist die Fläche 8a des Abschnittes 6 von der in die gleiche axiale
Richtung weisenden Oberseite des Fußabschnittes 3 einen merklichen Abstand auf,
der in Fig. 1 mit 9 bezeichnet ist. Die Differenz der Querschnittsflächen kann in
diesem Bereich vorteilhafterweise durch eine Weichgummiauflage auf der Fläche 8
ausgeglichen werden, wobei diese Weichgummiauflage in Fig. 1 mit 8c bezeichnet ist.
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Im Einbauzustand ist der ii Fig. 1 mit ausgezogenen Strichen dargestellte
Dichtungs- und Schubsicherungsring gegenüber dem in Fig. 1 gestrichelt dargestellten
Muffenende 17 entsprechend dem Doppelpfeil 11 in axiale Richtung verschiebbar und
entsprechend dem Doppelpfeil 12 um ein Schwenkzentrum 13 des Muffenendes frei schwenkbar.
Die axiale Verschiebbarkeit wird dabei im wesentlichen durch die axiale Dickendifferenz
9 zwischen dem Abschnitt 6 des Halteelementes 4 und dem Fußabschnitt 3 bestimmt.
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Fig. 1 zeigt gegenüber dem gestrichelt wiedergegebenen Muffenende
17 die Einbaulage des Dichtungs- und Schubsicherungsringes, und zwar vor Einschieben
des glatten Einsteckendes, d. h. im elastisch entspannten Zustand der elastomeren
Masse des Ringes.
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Man erkennt, daß in dieser Stellung die Hüllfläche 14 gegenüber der
zugleich durch den Doppelpfeil 11 wiedergegebenen Einschubrichtung für das glatte
Einsteckende einen spitzen Winkel bildet. Dabei ist die Ausbildung des Ringes so
getroffen, daß
beim Einschieben des Einsteckendes, das in Fig.
2 mit 15 bezeichnet ist, der Umfang 16 des Einsteckendes beim Einschieben sowohl
mit dem Ring als auch mit wenigstens einer Innenkante 5a des Halteelementes 4 in
Kontakt tritt, da die Abmessungen des Halteelementes bezogen auf den Durchmesser-Toleranzbereiche
des Einsteckendes so bemessen sind, daß in der Ausgangsstellung des Halteelementes
4 der Abstand wenigstens der Innenkante 5a von der Achse der Verbindung kleiner
ist als der kleinste zulässige Außendurchmesser des Mantels 16 des Einsteckendes
15. Das bedeutet, daß beim weiteren Einschieben des Einsteckendes die Halteelemente
4 gleichzeitig sowohl in Richtung des Doppelpfeiles 11 axial nach innen verschoben
als auch entsprechend dem Doppelpfeil 12 um den Schwenkmittelpunkt 13 verschwenkt
werden, wobei sich die Halteelemente 4 relativ gegenüber dem Fußabschnitt des Dichtungs-
und Sicherungsringes bewegen und aufgrund der festen Verbindung mit der elastomeren
Masse bei ihrer Bewegung elastische Rückstellkräfte in der elastomeren Masse erzeugen.
Die Größe der Verschiebung und Verschwenkung der Halteelemente 4 gegenüber der in
Fig. 1 gezeigten Ausgangslage richtet sich nach dem jeweiligen Durchmesser des Einsteckendes
15, wobei die Verschiebung umso größer ist, je größer der Durchmesser ist. Bei dieser
Verschiebung wird auch, falls vorgesehen, die weichelastische Gummiauflage 8c zusammengequetscht
und weicht je nach den auftretenden Kräften mehr oder weniger in radialer Richtung
aus. dazu der nut 30 z.b. eine Atscirehung vorgesehen sein.
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Das Muffenende 17 ist in herkömmlicher Weise ausgebildet. Es weist
in axialer Richtung von außen nach innen gesehen eine radial verlaufende ringförmige
Endschulter 20, eine radial nach innen offene Umfangsnut 30, eine die Nut 30 axial
nach innen begrenzende Ringwulst 19 und eine daran anschließende sich axial erstreckende
Dichtungskammer 18 auf. Das Muffenende 17 nimmt das glatte Einsteckende 15 in der
Einbaustellung wie gezeigt mit radialem und axialem Spiel auf, so daß in vorbestimmten
Grenzen die Steckmuffenverbindung auch Winkelbewegungen der miteinander verbundenen
Rohrabschnitte zuläßt. Der Dichtungs- und Sicherungsring 1 wird in das Muffenende
17 eingelegt, was aufgrund der Elastizität des Ringes und des gegenseitigen Umfangsabstandes
der Halteelemente 4 unschwer möglich ist. Im eingelegten Zustand nimmt der Dichtungs-
und Sicherungsring in dem Muffenende die aus Fig. 1 ersichtliche Stellung ein, wobei
der Fußabschnitt 3 in die Nut 30 eingreift und diese weitgehend ausfüllt und sich
die glatte Stirnseite des Fußabschnittes auf der Endschulter 20 abstützt. Der Ring
ist somit durch den Fußabschnitt in beiden axialen Richtungen in dem Muffenende
zuverlässig gesichert,und zwar sowohl gegen die in Richtung des Pfeiles 32- wirkenden
Kräfte beim Einschieben des Einsteckendes 15 als auch gegen die in Richtung des
Pfeiles 31 wirkenden Kräfte bei unter Druck stehender Leitung. Der tropfenförmige
Weichgummeabschnitt 2 liegt in der Dichtungskammer 1B, während der sich verjüngende
Abschnitt in Höhe der Ringwulst 19 liegt.
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In Fig. 2 ist die elastomere Masse des Dichtungs- und Sicherungsringes
nicht wiedergegeben, sondern nur die Lage eines Halteelementes innerhalb dieses
Ringes, und zwar nach Einschieben des Einsteckendes 15. Mit ausgezogener Linie ist
ein Einsteckende 15 von minimal zulässigem Durchmesser und gestrichelt ein Einsteckende
mit maximal zulässigem Durchmesser wiedergegeben, wobei mit 23 der Toleranzbereich
bezüglich des Durchmessers angedeutet ist.
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Ebenso ist mit ausgezogener Linie das Halteelement 21 bei Zusammenwirken
mit dem ausgezogen dargestellten Einsteckende 15 und gestrichet das Halteelement
22 mit dem gestrichelt dargestellten Einsteckende wiedergegeben. Man erkennt, daß
sich das Halteelement in Abhängigkeit vom Durchmesser des Einsteckendes mehr oder
weniger mit seiner Gleitfläche 8b in axialer Richtung an der Ringwulst 19 verschiebt
und gleichzeitig gegenüber der Ursprungs stellung nach Fig. 1 um die Ringwulst eine
Kippbewegung ausführt, und zwar derart, daß sich sämtliche Innenkanten 5a bis 5d
gleichmäßig an den Umfang des Einsteckendes anlegen, sich also die Hüllfläche 14
dieser Innenkante-n parallel oder konzentrisch zur Achse der Rohrverbindung ausrichtet.
Diese Ausrichtung erfolgt, wie oben erwähnt, unter Erzeugung elastischer Rückformkräfte
in dem elastomeren Material des Dichtungs- und Sicherungsringes. Beim Einschieben
des Einsteckendes 15 stellt sich also unter allen Umständen jedes Halteelement in
die optimale
Eingriffstellung und Berührungsstellung mit dem Berührungsabschnitt
der Umfangs fläche des Einsteckendes 15 ein. Erhöht sich der Druck in der Leitung,
so wirkt dieser Druck auf den tropfenförmigen Weichgummiabschnitt 2 des Dichtungs-
und Schubsicherungsringes, wobei dieser Abschnitt entsprechend dem Pfeil 31 in axialer
Richtung beaufschlagt wird. Dieser Druck wird über die elastomere Masse auf jedes
einzelne Halteelement 4 bzw. 21 bzw.
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22 übertragen, wobei dieser Druck bestrebt ist, das Halteelement in
Richtung der Kraftwirkung, also in Richtung des Pfeiles 31 auf die Muffenmündung
zu schieben. Jedes Halteelement wird also keilförmig zwischen dem Aussenumfang des
Einsteckendes 15 und der Ringwulst 19 engeklemmt, wobei die axiale Verschiebung
des Halteelementes und damit die radiale Haltekraft umso größer wird, je größer
die Kraftwirkung in Richtung des Pfeiles 31 ist. Bei dieser Verschiebung kann sich
das Halteelement frei um die Ringwulst 19 verdrehen, und zwar in jede axiale Stellung,
so daß sich automatisch alle Innenkanten des Halteelementes 4 gleichförmig und unter
Übernahme des gleichen Anteils der Sicherungskraft an den Umfang des Einsteckendes
15 anlegen.
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Der Konvergenzwinkel 10 in Fig. 1 wird in Abhängigkeit von der maximal
zulässigen axialen Schub länge 9 der Halteelemente 4 und dem vorgegebenen Toleranzbereich
23 für die Dickenabweichungen des Einsteckendes 15 so gewählt, daß in allen Stellungen
der Halteelemente innerhalb des Toleranzbereiches 23 der Abschnitt 6
des
Halteelementes außer Berührung mit den einander axial zugewandten Begrenzungsflächen
der Ringwulst 19 und der Endschulter 20 bleibt, wie dies in Fig. 2 angedeutet ist.