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Dehn-Schraubverbindung
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Die Erfindung betrifft eine Dehn-Schraubverbindung mit einem im Kraftschluß
der Schraubverbindung liegenden, elastisch verformbaren Element, mit einem Innengewinde
einer Mutter oder einer Gewindebohrung und einem Außengewinde eines Schraubenbolzens.
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FUr herkömmliche Befestigsng8-Schraubferbindungen, bei denen die Gewindeprofile
des Innengewindes und des Außengewindes "formschlüssig" eng ineinandergreifen, lassen
sich bei noch vertretbarem Aufwand keine wesentlichen Steigerungen der Funktionssicherheit
und Dauerhaltbarkeit erzielen. Bereits die Auslegung hochbelasteter Schraubverbindungen
mit unterschiedlichen Materialpaarungen, die zusätzlichen thermischen Belastungen
ausgesetzt sind, erfordert einen erheblichen konstruktiven Aufwand. Das dem Verbindungsprinzip
(besonders bei Starrschrauben) anhaftende Problem, nur sehr geringe Verformungen
zulassen zu können, tritt dabei deutlich in den Vordergrund und kann als Hauptursache
für die mehr oder weniger großen Mühen angesehen werden, eine betriebstechniache
Sicherheit über längere Zeit (Dauerhaltbarkeit) zu gewährleisten. Örtliches Fließen,
Setzen, Relaxationserscheinungen u. dgl. ergeben schon Dehnungsbeträge einer Größenordnung,
die die Schraubverbindung bereits unsicher machen können. Die Wirkung dieser nachteiligen
Einflüsse kann herabgesetzt werden, indem man die Schraubverbindung so gestaltet,
daß eine durch örtliches Fließen, Setzen, unterschiedliche Tempera turdehnungen
od. dgl. hervorgerufen Längenänderung nur eine möglichst geringe Auswirkung auf
die von der Schraubverbindung aufgebrachte Haltekraft ausübt.
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Hierzu ist es bekannt, die Schraube als sogenannte Dehnschraube auszuführen.
Dabei darf der Bereich größerer
Dehnung sich aber nicht bis in den
Gewindeabschnitt der Schraube erstrecken, weil im Gewindebereich auftretende Dehnungen
wiederum zu einem ungleichmäßigen Tragen der Gewindegänge führen, Deshalb wird bei
Dehnschrauben beispielsweise der zwischen dem Gewindeabschnitt und dem Schraubenkopf
liegende Bolzenabschnitt verhältnismäßig lang und schlank ausgeführt. Der Platzbedarf
dieser Dehnschrauben ist deshalb verhältnismäßig hoch. Die Gesamtkonstruktion hat
sich vielfach gerade nach dieser Forderung auszurichten. Wenn innerhalb der Klemmlänge
Werkstoffe mit gegenüber dem Schraubenwerkstoff anterschiedlichem Temperaturgang
verspannt und darüber hinaus mehrere Preßfugen in der Verspannung vorhanden sind,
so kommt noch die Schwierigkeit hinzu, daß auch eine normale Dehnschraube die gestellten
Anforderungen nicht erfüllen kann, weil die Summe aller Klemmlängenänderungen einerseits
durch Wärmedehnung und andererseits Relaxation mit Setzverlusten das elastische
Formänderungsvermögen des Schraubenwerkstoffs nach oben und nach unten übersteigt.
Hinzu kommt noch die Schwierigkeit, den Verspannungszustand beim Anziehen ausreichend
genau vorherzubestimmen.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Dehn-Schraubverbindung der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein weitestgehend gleichmäßiges Tragen
aller kraftleitenden Gewindegänge erreicht wird, daß Längenänderungen, wie z.B.
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Wärmedehnungen, Setzen und auch Formfehler des Gewindes zugelassen
werden können, ohne daß sich der für eine bestimmte notwendige Vorspannkraft errechnete
Betriebspunkt wesentlich verschiebt, d. h. ohne daß ein Vorspannungsverlust oder
eine Überlastung der Schraubverbindung zu befürchten ist; der Platzbedarf der Schraubverbinduns
soll sich nicht wesentlich von dem herkömmlicher, nicht als Dehn-Schraubverbindungen
ausgeführter Schraubverbindungen unterscheiden.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Außendurchmesser
des Schraubenbolzens kleiner ist als der Innendurchmesser des Innengewindes, daß
das elastisch verformbare Element durch einen gewendelten Einsatz gebildet wird,
dessen Windungen jeweils nach Art einer Tellerfeder ausgeführt sind, deren Hauptträgheitsachsen
des Windungsquerschnitts in einer Kegelschraubenfläche liegen, daß jede Windung
des Einsatzes einerseits in eine Gewinderille des Außengewindes und andererseits
in eine Gewinderille des Innengewindes greift, und daß das Innengewinde und das
Außengewinde einen so großen Flankenwinkel aufweisen, daß der Einsatz bei axialer
Kraftwirkung zwischen Innengewinde und Außengewinde elastisch verformbar ist0 Gegenüber
der herkömmlichen Schraubverbindung, auch in der Ausführung als Dehn-Schraubverbindung,
wird hierbei der Formschluß zwischen dem Innengewinde und dem Außengewinde über
den elastisch verformbaren Einsatz herbeigeführt, der mit großem elastischen Formänderungsvermögen
ausgeführt werden kann.
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Der gewendelte Einsatz- zwischen einem Innengewinde und einem Außengewinde,
dessen Außendurchmesser kleiner als der Innendurchmesser des Innengewindes ist,
wobei der Einsatz mit jeder Windung einerseits in eine Gewinderille des Innengewindes
und andererseits in eine Gewinderille des Außengewindes greift, ist an sich bekannt
(DE-PS 1 o16 o66). Bei dieser bekannten Schraubverbindung dient der gewendelte Einsatz
aber nur dazu, eine lösbare Schraubensperre zu bilden. Gewendelte Einsätze zwischen
einem Schraubenbolzen und einem Außengewinde sind darüber hinaus in vielfältiger
Ausfuhrungsforrn bei Einsetzgewinden bekannt.
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In diesen Fällen dienen die gewendelten Einsätze jedoch nicht dazu,
eine elastische Dehnmöglichkeit zu schaffen.
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Man ist im Gegenteil bei den bekannten Gewindeeinsätzen bestrebt,
diese so genau passend auszuführen, daß eine
Verformung des Einsatzes
weitestgehend ausgeschlossen ist.
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Bei der erfindungsgemäßen Dehn-Schraubverbindung befindet sich das
die erhöhte Dehnung bewirkende, elastische Element nicht außerhalb der eigentlichen
Schraubverbindung, wo es zusätzlichen Platz beanspruchen würde, wie beispielsweise
bei einer Dehnschraube mit Dehnschaft, sondern zwischen den beiden miteinander zu
verbindenden Gewinden.
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Da jede einzelne Windung des Einsatzes nach Art einer Tellerfeder
elastisch verformt wird, ist sichergestellt, daß jeder Gewindegang gleichmäßig trägt.
Dadurch erhält man eine bessere Ausnutzung des Gewebes; die sir die Gewindeberechnung
wichtige wirksame Gangzahl wird erheblich erhöhe.
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Während herkömmliche Schraubverbindungen wegen rechnerischer und betriebsteohnischer
Unsicherheiten in der Regal für sehr hohe Vorspannungen (nahe an der Streckgrenze),
die ein Vielfaches der rechnerischen Betriebslasten ausmachen, ausgelegt werden,
sind für die erfindungsgemäße Schraubverbindung, insbesondere bai der Verwendung
von vor-gesetzten Einsatzwendeln, allein die Betriebslasten die maßgebliche rechnerische
Größe, da der Betriebspunkt in einem sehr flachen, nahezu konstanten Kennlinienbereich
liegt.
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In Weiterbildung des Erfindungsgedankens ist vorgesehen, daß die Windungen
des Einsatzes an ihrem Innenrand halbkreisförmig abgerundet sind und unter Vorspannung
an dem ebenso abgerundeten Gewindegrund des Außengewindes anliegen. Das Gewindeprofil
weist einen verhältnismäßig großen Fußradius auf, so daß die Kerbwirkung im Gewindegrund
verhältnismäßig gering ist. Hinzu kommt noch, daß durch die Vorspannung eine örtliche
radiale Druckspannung aufgebraucht wird, die ebenfalls die Kerbwirkung im Gewindegrund
verringert.
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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind
Gegenstand von Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungabeispielen näher erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind.
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Es zeigt: Fig. t eine erfindungsgemäße Schraubverbindung im Schnitt,
und zwar links im unverspannten Zustand und rechts im verspannten Zustand, Fig.
2 andere Ausführungsformen des Querschnittsprofils des gewendelten Einsatzes, Fig.
3 eine erfindungsgemäße Schraubverbindung als Stiftschraube mit einer Mutter, Fig.
4 eine erfindungsgemäße Schraubverbindung mit einer Kopfschraube, die in eine Gewindebohrung
eingeschraubt ist, und Fig. 5 eine erfindungsgemäße Schraubverbindung als Flanschverschraubung
mit Kopfschraube und Mutter.
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Fig. 1 zeigt einen Schraubenbolzen 1 mit einem Außengewinde 1.1, der
in einer Gewindebohrung angeordnet ist, beispielsweise in einer Mutter 2, mit einem
Innengewinde 2.1. Zwischen dem Außengewinde 1.1 und dem Innengewinde 2.1 ist ein
elastisch verformbarer gewendelter Einsatz 3 angeordnet. Der Außendurchmesser des
Schraubenbolzens 1 ist kleiner als der Innendurchmesser des Innengewindes 2.1, wie
man in Fig. 1 deutlich erkennt. Die einzelnen Windungen des Einsatzes 3 , der in
Fig.2 getrennt dargestellt ist, sind im unverspannten Zustand (in Fig. 1 links und
in Fig. 2) jeweils nach Art einer Tellerfeder ausgeführt. Die Hauptträgheitsachse
x-x (Fig.1) jeder einzelnen Einsatzwindung 3.1 ist gegenüber einer Normalebene zur
Längsachse des -Schraubenbolzens 1 um einen Winkel Ct angestellt, d. h. alle Hauptträgheitsachsen
x-x der Einsatzwindungen 3.1 liegen auf einer Kegelschraubenfläche.
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Die Einsatzwindungen 3.1 sind an ihrem Innenrand 3.2 und an
ihrem
Außenrand 3.3 halbkreisförmig abgerundet. Der Innenrand 3.2 liegt unter Vorspannung
an dem ebenso abgerundeten Gewindegrund des Außengewindes 1.1 an. Im unverspannten
Zustand befindet sich der Außenrand 3.3 jeder Windung 3.1 im Abstand zu dem ebenso
abgerundeten Gewindegrund des Innengewindes 2.1. Dieser Abstand ist so gewählt,
daß der radiale Abstand des Gewindegrunds des Außengewindes 1.1 zum Gewindegriuid
des Innengewindes 2.1 mindestens gleich der Breite der Windungen 3.1 des Einsatzes
3 ist, gemessen in der Kegelschraubenfläche im entspannten Zustand des Eirsatzes
3.
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Wenn zwischen dem Außengewinde 1.1 und dem Innengewinde 2.1 eine axiale
Verspanukraft wirkt, wie rechts in Fig. 1 mit Pfeilen angedeutet ist, beispielsweise
indem die Schraube angezogen wird, verformt sich der Einsatz 3 bis zu der rechts
in Fig. 1 gezeigten Stellung. Um diese Bewegung zu ermöglichen, weisen das Außengewinde
1.1 und das Innengewinde 2.1 jeweils einen ausreichend großen FlankenwiScelp auf.
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Die Vorspannungscharakteristik dieser Schraubverbindung gleicht dabei
im wesentlichen (abhängig von der Querschnittsform der Einsatzwindungen 3.1) den
Kennlinienverläufen von Tellerfedern. Durch Veränderung der Querschnittsform der
Windungen 3.1 sowie gegebenenfalls deren Aufteilung in aufeinanderliegende Teilquerschnitte
kann ebenso wie bei Tellerfedern die Kennliniencharakteristik sowie die Spannungsverteilung
beeinflußt werden. Beispiele hierfür zeigt Fig.2. Oben in Fig. 2 sind Einsatzwindungen
3.1 gezeigt, deren obere und untere Begrenzungsflächen 3.4 bzw. 3*5 jeweils nach
innen konvergieren, während die oberen und unteren Begrenzungsflächen 3.4 und 3.5
bei der Ausführungsform nach Fig. 1 jeweils parallel zueinander verlaufen.
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In der Mitte der Fig. 2 ist im Querschnitt ein Einsatz 3 gezeigt,
dessen Windung aus zwei aufeinanderliegenden Windungen
3.6 und
3.7 zweier gesonderter Einsätze besteht.
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Unten in Fig. 2 ist ein Teil des Einsatzes 3 nach Fig. 1 in Seitenansicht
dargestellt.
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Fig. 3 zeigt eine Stiftschraube 11, die zwei Außengewinde trägt. Beide
Außengewinde sind jeweils über einen Einsatz 3 mit einem Innengewinde verbunden,
und zwar im oberen Abschnitt mit einer Mutter 2 und im unteren Abschnitt mit einer
Platte 2' mit einer Gewindebohrung.
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Die Stiftschraube 11 ist als Differentialschraube ausgebildet, d.
h. die Steigung hl des oberen Gewindeabschnitts ist kleiner als die Steigung h2
des unteren Gewindeabschnitts.
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Bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 3, 4 und 5 ist jeweils
ein Ende 3.8 des gewendelten Einsatzes 3 umgebogen und liegt in einer Nut 12 des
Schraubenbolzens 1 bzw. 11 oder der Mutter 2. Das umgebogene Einsatzende 3.8 ist
in der Nut 12 bei der elastischen Verformung des Einsatzes 3 frei bewegbar, so daß
man aus der Stellung des Einsatzendes 3.8 auf die tatsächlich wirkende Vorspannkraft
schließen kann. Dies ermöglicht eine Vorspannungskontrolle unbeeinflußt von Kopfreibungsanteilen
sowie eine ausreichend zuverlässige Betriebskontrolle der Schraubverbindung ohne
besonderen konstruktiven oder betriebstechnischen Mehraufwand.
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Zugleich stellt die Aufnahme des Einsatzendes 3.8 in der Nut 12 eine
drehsichere Verbindung des Einsatzes mit dem Schraubenbolzen oder der Mutter her.
Diese Verbindung stellt nicht nur einen Mitnehmer beim Einschraubvorgang dar, sondern
sorgt auch dafür, daß der Schraubenbolzen oder die Mutter zusammen mit dem Einsatz
bei der Montage als vormontierte Einheit zur Verfügung steht.