DE2804181B2

DE2804181B2 - Vorspannbare Schraubverbindung

Info

Publication number: DE2804181B2
Application number: DE19782804181
Authority: DE
Inventors: Wolf-Dieter Ing.(Grad.) 6100 Darmstadt Lange
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1978-02-01
Filing date: 1978-02-01
Publication date: 1980-04-24
Also published as: DE2804181C3; DE2804181A1

Description

Die Erfindung betrifft eine vorspannbiire Schraubverbindung mit einem im Kraftschluß der Schraubverbindung liegenden, elastisch verformbaren Element, mit einem Innengewinde einer Mutter oder einer Gewindebohrung und einem Außengewinde eines Schraubenbolzens.

Für herkömmliche Befestigungs·Schraubverbindungen, bei denen die Gewindeprofile des Innengewindes und des Außengewindes »formschlüssig« eng ineinandergreifen, lassen sich bei noch vertretbarem /,ufwand keine wesentlichen Steigerungen der Funktionssicher-

in heit 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 betriebstechnisehe Sicherheit über längere Zeit (Dauerhaltbarkeit) zu gewährleisten. Örtliches Fließen, Setzen, Relaxationserscheinungen u.dgl. ergeben schon Dehnungsbeträge einer Größenordnung, die die Schraubverbindungen bereits unsicher machen können. Die Wirkung dieser

.'^r> nachteiligen Einflüsse kann herabgesetzt werden, indem man die Schraubverbindung so gestaltet, daß eine durch örtliches Fließen, Setzen, unterschiedliche Temperaturdehnungen od. dgl. hervorgerufene Längenänderung nur eine möglichst geringe Auswirkung auf die von der

ι» Schraubverbindung aufgebrachte Haltekraft ausübt.

Hierzu ist es bekannt, die Schraube als sogenannte Dehnschraube auszuführen. Dabei darf der Bereich größerer Dehnung sich aber nicht bis in den Gewindcabschnitt der Schraube erstrecken, weil im

ι· Gewindcbcrcich auftretende Dehnungen wiederum /u einem ungleichmäßigen Tragen der Gcwindegiinge führen. Deshalb wird bei Dchnschrauben beispielsweise der zwischen dem Gewindeabschnitt und dem Schraubenkopf liegende Bolzenubscimilt verhältnismäßig hing

■in und schlank ausgeführt. Der Platzbedarf dieser Dchnschrauben ist deshalb verhältnismäßig hoch. Die Gesamtkonslruklion hat sich vielfach gerade nach dieser Forderung auszurichten. Wenn innerhalb der Klcmmlänge Werkstoffe mit gegenüber dem Schruu-

■r> benwerkstoff unterschiedlichem 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

V) kann, weil die Summe aller Klcmmlängenänderungen einerseits durch Wärmedehnung und andererseits Relaxation mit Set/verlusten das elastische Formänderungsvermögen des .Schraubenwerkstoffs nach oben und nach unten übersteigt, llin/.u kommt noch die

v, Schwierigkeit, den Verspannungszustand beim Anziehen ausreichend genau vorherzubestimmen.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine vorspannbare Schraubverbindung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß ein weilestgchend gleichmäßiges

w) Tragen aller krafllehcndcn Gewindegänge erreicht wird, daß l.ängenändcrungen, wie /.. B. Wärmedehnungen, Setzen und auch Formfehler des Gewindes zugelassen werden können, ohne daß sich der für eine bestimmte notwendige Vorspannkraft errechnete Beiz, tricbspunkt wesentlich verschiebt, d. h. ohne daß ein Vorspannungsverlust oder eine Überlastung der Schraubverbindung zu befürchten ist; der Phitzbcdarf der Schraubverbindung soll sich nicht wesentlich von

dem herkömmlicher Sehraubverbindungen unterscheiden.

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 Finsatzes einerseits in eine Gewinderille des Außengewindes und andererseits in eine Gewinderille des Innengewindes greif', und daß das Innengewinde und das Außengewinde einen so großen Flankenwinkel aufweisen, daß der Einsatz bei axialer Kraftwirkung zwischen Innengewinde und Außengewinde elastisch verformbar ist.

Gegenüber der herkömmlichen Schraubverbindung, auch in der Ausführung mit Dehnschrauben, wird hierbei der Formschluß zwischen dem Innengewinde und dem Außengewinde über den elastisch verformbaren Einsatz herbeigeführt, der mit großem elastischen Formänderungsvermögen ausgeführt werden kann.

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 10 16 066). 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 Ausführungsform bei Einsetzgewinden bekannt.

In diesen Fällen dienen die gewendelten Einsätze jedoch nicht dazu, eine elastische Dehnmöglichkeit /u schaffen. M;in ist im Gegenteil bei den bekannten Ciewindeeinsäizen bestrebt, diese so genau passend auszuführen, daß eine Verformung des Finsatzes weiie.sigehend ausgeschlossen ist.

Ks ist auch bei einer Schraubverbindung bekannt (C ¹II-I¹S 3 59 326). ein tellerfederartiges, an eine Uiiifuiig.ssU'llc radia! geschlitztes .Sicherungselement zu verwenden, das in einen einzelnen Gewindegang des Bol/engewindes eingreift. In der Mutter liegt dieses Sicherungselemeni in einer gesonderten Nut und greift mit einer vorspringenden Nase als Drehsicherung in eine Ausnehmung der Mmter. Das Sicherungselemeni wird auf Torsion beansprucht und erhöht die im Bereich der Schraubverbindung auftretende Reibung, um auf diese Weise eine Schraubensicherung /u bilden. Die Kraftübertragung /wischen der Mutter und dem Bolzen erfolgt aber an den miteinander in Kingriff stehenden Flanken des Bolzengewindes und Muttergewindes. Hinsichtlich der Kraftübertragung handelt es sich also um eine herkömmliche Schraubverbindung.

Bei der erfindungsgeinäßen vorspannbaren Schraubverbindung befindet sich das die erhöhte Dehnung bewirkende, elastische Kleinem nicht außerhalb der eigentlichen Schraubverbindung, wo es zusätzlichen Platz beanspruchen würde, wie beispielsweise bei einer Dehnschraube mit Dehnschafl, sondern zwischen ilen beiden miteinander /v verbindenden Gewinden.

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 dps Gewindes; die für die Gewindeberechnung wichtige wirksame Gangzahl wird erheblich erhöht.

Während herkömmliche Schraubverbindungen wegen rechnerischer und betriebstechnischer Unsicherheiten in der Regel für sehr hohe Vorspannungen (nahe an der Streckgrenze), die ein Vielfaches der rechnerischen Betriebslasten ausmachen, ausgelegt werden, sind für die erfindungsgemäße Schraubverbindung, insbesondere bei der Verwendung von vorgesetzten Einsatzwendeln, allein die Betriebslasten die maßgebliche rechnerische Größe, da der Betriebspunkt in einem sehr flachen, nahezu konstanten .Kennlinienbereich liegt.

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 Gev> indeprofil weist einen verhältnismäßig großen Fußradius auf. so daß die Kerbwirkung im Gewindegiund verhältnismäßig gering ist. Hinzu kommt noch, uaü durch die Vorspannung eine örtliche radiale Druckspannung aufgebracht wird, die ebenfalls die Kerbwirkuni; im Gewindegrund verringert.

Weitr./e vorteilhafte Ausgestaltungen des Frfiridungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt sind. Es zeigt

Fig.! eine vorspannbare Schraubverbindung im Schnitt, und zwar links im unverspannten Zustand und rechts im verspannten Zustand.

Fig. 2 andere Ausführungsformen des Quersehnittsprofils des gewendelten Einsat/es.

F i g. J eine vorspannbare Schraubverbindung als Stiftschraube mit einer Mutter.

F i g. 4 eine vorspannb;ire Schraubverbindung mit einer Kopfschraube, die in eine Gewindebohrung eingeschraubt ist. und

Fig. 5 eine vorspannbare Schraubverbindung als Flanschverschraubung mit Kopfschratibe und Mutter.

F* i g. I zeigt einen Schraubenbolzen 1 nvt einem Außengewinde 1.1, der in einer Gevindebohrung 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 gewendeller Einsatz 3 angeordnet. Der Außendurchmesser des Schraubenbolzens I ist kleiner als der Innendurchmesser des Innengewindes 2.1. wie man in Fig. I deutlich erkennt. Die einzelnen Windungen des Einsatr.es 3. der in Fig. 2 getrenm dü^rge. tfllt ist, sind im unverspannten Zustand (in F i g. 1 links und in F i g. 2) jeweils nach Art einer Tellerfeder ausgeführt. Die Hauptträgheitsachse x-v (F i g. I) jeder einzelnen Einsatzwindung 3.1 ist gegenüber einer Normalebene zur Längsachse des Schraubenbolzens I um einen Winkel λ angestellt, d. h. alle Hauptträgheitsachsen \-v der Einsatzwindungen 3.1 liegen auf einer Kegcl.si-liriiuDenfliifhe,

Die Kinsiitzwindungen 3.1 sind an ihrem 'nnenrand

3.2 und an ihrem Außenrand 3.1 halbkreisförmig abgerundet. Der Innenrund 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 /u dem ebenso abgerundeten Gcwindeprund des Ir.nengew indes 2.1. Dieser Abstand ist so te wühlt.

daß der radiale Absland des Gewindegrunds des Außengewindes 1.1 /.um Gewindegrund des Innengewindes 2.1 mindestens gleich der Breite der Windungen 3.1 des Einsatzes 3 ist, gemessen in der Kegelschraubenfläche im entspannten Zustand des Einsatzes 3.

Wenn zwischen dem Außengewinde 1.1. und dem Innengewinde 2.1 eine axiale Verspannkraft wirkt, wie rechts in Fig. I mit Pfeilen angedeutet ist,beispielsweise indem die Schraube angezogen wird, verformt sich der Einsatz 3 bis zu der rechts in F i g. t gezeigten Stellung. Um diese Bewegung zu ermöglichen, weisen das Außengewinde 1.1 und das Innengewinde 2.1 jeweils einen ausreichend großen Flankenwinkel β auf.

Die Vorspannungscharakteristik dieser Schraubverbindung gleicht dabei im wesentlichen (abhängig von der Querschnitlsform der Einsatzwindungen 3.1) den Kennlinienverläufen von Tellerfedern. Durch Verändenino Hpr Oiiprcphnitiiform der Winduneen 3.1 sowie gegebenenfalls deren Aufteilung in aufeinanderliegende Teilquerschnitte kann ebenso wie bei Tellerfedern die Kennliniencharakteristik sowie die Spannungsverteilung beeinflußt werden. Beispiele hierfür zeigt F i g. 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 F i g. 1 jeweils parallel zueinander verlaufen.

In der Mitte der F i g. 2 ist im Querschnitt ein Einsatz 3 gezeigt, dessen Windung aus zwei aufeinanderliegenden Windungen 3.6 und 3.7 zweier gesonderter Einsätze besteht.

Unten in F i g. 2 ist ein Teil des Einsat/es 3 nach Fig. I in Seitenansicht dargestellt.

F i g. .1 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.

Die Stiftschraube 11 ist als Differentialschraube

in ausgebildet, d. h. die Steigung h\ des oberen Gewindeabschnitts ist kleiner als die Steigung fa des unteren Gewindeabschnitts.

Bei den Ausführungsbcispielen nach den F i g. 3,4 und 5 ist jeweils ein Ende 3.8 des gewendelten Einsatzes 3

r> umgebogen und liegt in einer Nut 12 des Schraubenbolzens I bzw. Il oder der Mutter 2. Das umgebogene Einsatzende 3.8 ist in der Nut 12 bei der elastischen Verformung des Einsatz.es 3 frei bewegbar, so daß man aus der Steliung des Einsatzendes 3.8 auf die tatsächlich

2(i wirkende Vorspannkraft schließen kann. Dies ermöglicht eine Vorspannungskontrolle unbeeinflußt von Kopfreibungsanteilen sowie eine ausreichend zuverlässige Betriebskontrolle der Schraubverbindung ohne besonderen konstruktiven oder betriebstechnischen

r> Mehraufwand. Zugleich stellt die Aufnahme des Einsalzendes 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

so sorgt auch dafür, daß der Schraubenbolzen oder die Mutter zusammen mit dem Einsatz bei der Montage als vormontierte Einheit zur Verfugung steht.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorspannbare Schraubverbindung mit einem im Kraftfluß der Schraubverbindung liegenden, elastisch verformbaren Element, mit einem Innengewinde einer Mutter oder einer Gewindebohrung und einem Außengewinde eines Schraubenbolzens, d a durch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser des Schraubenbolzens (1) kleiner ist als der Innendurchmesser des Innengewindes (2.1), daß das elastisch verformbare Element durch einen gewendelten Einsatz (3) gebildet wird, dessen Windungen (3.1) jeweils nach Art einer Tellerfeder ausgeführt sind, deren Hauptträgheitsachsen (x-x) des Windungsquerschnitts in einer Kegeischraubenfläche liegen, daß jede Windung (3.1) des Einsatzes (3) einerseits in eine Gewinderille des Außengewindes (1.1) und andererseits in eine Gewinderille des Innengewindes (2.1) greift, und daß das Innengewinde (2.1) und lias Außengewinde (1.1) einen so großen Flankenwinkel (ß) aufweisen, daß der Einsatz (3) bei axialer Kraftwirkung zwischen Innengewinde (Zl) und Außengewinde (1.1) elastisch verformbar ist.

2. Schraubverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (3.1) des Einsatzes (3) an ihrem Innenrund (3.2) halbkreisförmig abgerundet sind und unter Vorspannung an dem ebenso abgerundeten Gewindegrund des Außengewindes (1.1) anliegen.

3. Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (3.1) des Einsatzes (3) ;·,η ihr η Außenrand (3.3) halbkreisförmig abgerurdcl sind.

4. Schraubverbindung wach .'" ispruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der radiale Abstand des Gewindegrunds des Außengewindes (1.1) zum Gewindegrund des Innengewindes (2.1) mindestens gleich der Breite der Windungen (3.1) des Einsatzes (3) ist, gemessen in der Kegelschraubenfläche im entspannten Zustand des Einsatzes (3).

5. Schraubverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unlercii Begrenzungsflächen (3.4, 3.5) der Einsalzwindungcn (3.1) jeweils parallel zueinander verlaufen.

6. Schraubverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und die unteren Uegrenzungsflächen (3.4, 3.5) der Einsal/windungen (3.1) jeweils nach innen konvergieren.

7. Schraubverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Einsat/.windungen (3.1) aus mindestens zwe¹ aufcinandcrliegcnden Windungen (3.6, Ϊ.7) zweier gesonderter Einsätze bestehen.

8. Schraubverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (3.8) des gewendelten Einsatzes (3) umgebogen ist und in einer in einer Radialcbenc liegenden Nut (12) eines das Außengewinde (1.1) tragenden Schraubenbolzcns (1) oder einer das Innengewinde (2.1) tragenden Mutter (2) liegt.

9. .Schraubverbindung nach Anspruch 8« (!»durch gekennzeichnet, daß das umgebogene Einsalzende (3.8) in der Nut (12) bei der elastischen Verformung des Einsatzes (3) frei bewegbar ist.