DE2804181C3

DE2804181C3 - Vorspannbare Schraubverbindung

Info

Publication number: DE2804181C3
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: 1980-12-11
Also published as: DE2804181A1; DE2804181B2

Description

Die Erfindung betrifft eine vorspannbare Schraubverbindung mit einem im Kraftschluß der Schraubverbin dung 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 Aufwand keine wesentlichen Steigerungen der Funktionssicher heit und Dauerhaltbarkeit erzielen. Bereits die Ausle gung hochbelasteter Schraubverbindungen mit unterschiedlichen Materialpaarungen, die zusätzlichen thermischen Belastungen ausgesetzt sind, erfordert einen erheblichen konstruktiven Aufwand. Das dem Verbin dungsprinzip (besonders bei Starrschrauben) anhaften de 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 betriebstechni sehe 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 nachteiligen Einflüsse kann herabgesetzt werden, indem man die Schraubverbiodung so gestaltet, daß eine durch örtliches Fließen, Setzen, unterschiedliche Temperaturdehnungen od. dgl. hervorgerufene Längenänderung nur eine möglichst geringe Auswirkung auf die von der

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 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 v.nd dem Schraubenkopf liegende Bolzenabschnitt verhältnismäßig lang

■to 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 Schrau benwerkstoff unterschiedlichem Temperaturgang ver spannt und darüber hinaus mehrere Preßfugen in der Verspannung vorhanden sind, so kommt noch die Schwierigkeit hinzu, Jaß 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.

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

f>o Tragen aller kraftleitenden Gewindegänge erreicht wird, daß Längenänderungen, wie z. B. Wärmedehnungen, Setzen und auch Formfehler des Gewindes zugelassen werden können, ohne daß sich der für eine bestimmte notwendige Vorspannkraft errechnete Bee's triebspunkt wesentlich verschiebt, d. h. ohne daß ein Vorspannungsverlust oder eine Überlastung der Schraubverbindung zu befürchten ist; der Platzbedarf der Schraubverbindung soll sich nicht wesentlich von

dem herkömmlicher Schraubverbindungen 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 Einsatzes einerseits in eine Gewinderille des Außengewindes und andererseits in eine Gewinderille des Innengewindes greift, '2nd 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 zu schaffen. Man ist im Gegenteil bei den bekannten Gewindeeinsätzen bestrebt, diese so genau passend auszuführen, daß eine Verformung des Einsatzes weitestgehend ausgeschlossen ist.

Es ist auch bei einer Schraubverbindung bekannt (CH-PS 3 59 326), ein tellerfederartiges, an einer Umfangsstelle radial geschlitztes Sicherungselement zu verwenden, das in einen einzelnen Gewindegang des Bolzengewindes eingreift. In der Mutter liegt dieses Sicherungselement in einer gesonderten Nut und greift mit einer vorspringenden Nase als Drehsicherung in eine Ausnehmung der Mutter. Das Sicherungselement wird auf Torsion beansprucht und erhöht die im Bereich der Schraubverbindung auftretende Reibung, um auf diese Weise eine Schraubensicherung zu bilden. Die Kraftübertragung zwischen der Mutter und dem Bolzen erfolgt aber an den miteinander in Eingriff stehenden Flanken des Bolzengewindes und Muttergewindes. Minsichtlich der Kraftübertragung handelt es sich also um eine herkömmliche Schraubverbindung.

Bei der erfindungsgemäßen vorspannbaren Schraubverbindung befindet sieh 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 ν erbindenden 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 des Gewindes; Jie 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 Gewindeprofil weist einen verhältnismäßig großen Fußradius auf, so daß die Kerbwirkung im Gewindegruvid verhältnismäßig gering ist Hinzu kommt noch, dak durch die Vorspannung eine örtliche radiale Druckspannung aufgebracht wird, die ebenfalls die Kerbwirkung im Gewindegrund verringert

Weiten, vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

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

F i g. 1 eine vorspannbare Schraubverbindung im Schnitt, und zwar links im unverspannten Zustand und rechts im verspannten Zustand,

F i g. 2 andere Auslührungsformen des Querschnittsprofiis des gewendelten Einsatzes,

Fig.3 eine vorspannbare Schraubverbindung als Stiftschraube mit einer Mutter,

Fig.4 eine vorspannbare Schraubverbindung mit einer Kopfschraube, die in eine Gewindebohrung eingeschraubt ist, und

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

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 F i g. 1 deutlich erkennt. Die einzelnen Windungen des Einsatzes 3, der in F i g. 2 getrennt dargestellt ist, sind im unverspannten Zustand (in F i g. 1 links und in Fig. 2) jeweils nach Art einer Tellerfeder ausgeführt. Die Hauptträgheitsachse x-*(Fig. ή jeder einzelnen Einsatzwindung 3.1 ist gegenüber einer Normalebene zur Längsachse des Schraubenbolzens 1 um einen Winkel « angestellt, d. h. alle Hauptträgheitsachsen x-x der Einsatzwindungen 3.1 liegen auf einer Kegelsehraubenfläehe.

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 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. 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 uru! das Innengewinde 2.1 jeweils einen ausreichend großen Flankenwinkel β auf.

Die Vorspannungscharakteristik dieser Schraubverbindung gleicht dabei im wesentlichen (abhängig von der Querschnittsform der Einsatzwindungen 3.1) den Kennlinienverläufen von Tellerfedern. Durch Verändertintr Hpr f)ii«»rcr>hnittcfrtrm Hpr WinrilinCTpn 1.1 cnwip ' ""O ^w~" *<"*"..»»......-—....... — - . .- -. .-_σ - .. _ . .

gegebenenfalls deren Aufteilung in aufeinanderliegendc Teilquerschnitte kann ebenso wie bei Tellerfedern die Kennliniencharakteristik sowie die Spannungsverteilung beeinflußt werden. Beispiele hierfür zeigt F ig. 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. I 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 Fig. 2 ist ein Teil des Einsatzes 3 nach Fig. I in Seitenansicht dargestellt.

F i g. 3 zeigt eine Sliftschraube 11. die zwei Außengewinde trägt. Beide Außengewinde sind jeweils über ί 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

id ausgebildet, d. h. die Steigung h\ des oberen Gewindeabschnitt«; ist kleiner als die Steigung lh des unteren Gewindeabschnitts.

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

i) umgebogen und liegt in einer Nut 12 des Schraubenbolzcns I bzw. 11 oder der Mutter 2. Das umgebogene Einsatzende 3.8 ist in der Nut 12 bei der elastischen Vprfnrmiing dps Finsntzes Ϊ frei bewegbar, so daß mar aus der Stellung des Einsatzendes 3.8 auf die tatsächlich

.'(i wirkende Vorspannkraft schließen kann. Dies ermöglicht eine Vorspannungskontrolle unbeeinflußt von Kopfreibungsanteilen sowie eine ausreichend zuverläs sige Betriebskontrolle der Schraubverbindung ohne besonderen konstruktiven oder betriebstechnischer

.'■> Mehraufwand. Zugleich stellt die Aufnahme de« Einsatzendes 3.8 in der Nut 12 eine drehsichere Verbindur:» des Einsatzes mit dem Schraubenbolzen oder der Mutter her. Diese Verbindung stellt nicht nui einen Mitnehmer beim Einschraubvorgang dar, sondern

tu sorgt auch dafür, daß der Schraubenbolzen oder die Mutter zusammen mit dem Einsatz bei der Montage al> vormontierte Einheit zur Verfügung 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, dadurch 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 Kegelschraubenfläche liegen, daß jede Windung (3.1) des Einsatzes (3) einerseits in eine Gewinderille des Außengewindes (1.1) und andererseits in eine Gewinderille des Innengewinde·! (Zl) greift, und daß das Innengewinde (2.1) und du Außengewinde (1.1) einen so großen Flankenwinkel (ß) aufweisen, daß der Einsatz (3) bei axialer Kraftwirkung zwischen Innengewinde (2.1) und Außengewinde (1.1) elastisch verformbar ist

2. Schraubverbindung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (3.1) des Einsatzes (3) an ihrem Innenranci (3.2) halbkreisförmig abgerundet sind und unter Vorspannung an dem ebenso abgerundeten Gewindegrund des Außengewindes (1.1) anliegen.

3. Schraubverbindung nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (3.1) des Einsatzes (3) an ihrem Außenrand (3.3) halbkreisförmig abgerundet sind.

4. Schraubverbindung nach An jruch 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 I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und unteren Begrenzungsflächen (3.4,3 J) der Einsatzwindungen (3.1) jeweils parallel zueinander verlaufen.

6. Schraubverbindung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die oberen und die unteren Begrenzungsflächen (3.4,35) der Einsatzwindungen (3.1) jeweils nach innen konvergieren.

7. Schraubverbindung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß die Einsatzwindungen (3.1) aus mindestens zwei aiifeinanderliegenden Windungen (3.6,3.7) zweier gesondertet Einsätze bestehen.

8. Schraubverbindung nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet, daß ein Ende (3.8) des gewendelten Einsatzes (3) umgeboger, ist und in einer in einer Radialebene liegenden Nut (12) eines das Außengewinde (1.1) tragenden Schraubenbolzens (1) oder einer das Innengewinde (2.1) tragenden Mutter (2) liegt.

9. Schraubverbindung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das umgebogene Einsatzende (3.8) in der Nut (12) bei der elastischen Verformung des Einsatzes (3) frei bewegbar ist.