DE3819877C2 - Innengewinde - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Innengewinde gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Ein solcher Druckbehälter kann beispielsweise ein Sammler oder ein hydraulischer Zylin­ der sein.

Beispielsweise ist in einem Akkumulator oder Samm­ ler, der als hydraulisches Gerät arbeitet, das Innere eines Behälterhauptkörpers durch eine Blase in eine Gaskammer und in eine Flüssigkeitskammer unterteilt, und die beiden End­ teile des Behälters sind durch Seitenplatten verschlossen. Die Blase kann sich beim Ansprechen auf Änderungen des hy­ draulischen Drucks in einem hydraulischen Kreis ausdehnen oder zusammenziehen, so daß der Sammler Pulsationen absorbie­ ren und Stöße dämpfen kann. Als Mittel zum Befestigen des Be­ hälterhauptkörpers mit den Seitenplatten wird eine parallele Schraube bzw. ein paralleles Gewinde verwendet.

Wenn nunmehr der Druck in dem Sammler steigt und die Seitenplatten nach außen geschoben werden, werden an die Schraube in axialer Richtung wirkende Lasten und in Umfangs­ richtung wirkende Lasten angelegt, was bedeutet, daß eine so­ genannte variable zusammengesetzte Last angelegt wird. Diese Last wird von den Gewindegängen der Schraube nicht gleich­ mäßig getragen, und es gibt eine große Abweichung in Richtung der Zugkraft.

Demgemäß ergibt sich eine Beanspruchungskonzentration am Boden einer Zahnlücke am spitzen Endteil der Innengewinde­ schraube, die großer Zugbelastung unterworfen wird, so daß ein Brechen oder Reißen des Innengewindes an dieser Stelle auftreten kann.

Um dieses Problem zu überwinden, kann die Lehre angewen­ det werden, die offenbart ist in "Screwed Connection Having Excellent Fatigue Characteristics Making Use of Tapered Male Screw" (siehe US-PS 4 189 975 und japanische Patentveröffent­ lichung Nr. 56-53651 (1981)).

Der Autor der oben genannten Veröffentlichung stellte einen Testsammler her, in welchem ein Innengewinde 2 eines Behälterhauptkörpers 1 und ein Außengewinde 4 einer Seitenplatte 3 gebildet wurden mit einem 60° Dreieck­ gewinde M106.8 × 2, wobei die Gewindeganghöhe h der Gewinde­ gänge m₇ - m₁ des Außengewindes 4 zunehmend verringert wurde, wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Von dem genannten Autor wurde auch ein Sammler gemäß dem Stand der Technik her­ gestellt, bei welchem das oben genannte Dreieckgewinde ver­ wendet wurde unter Standardbedingungen, und die Scherlastantei­ le und die Ermüdungslebensdauer der betreffenden Gewindegänge in dem betreffenden Sammler wurde untersucht unter der Bedin­ gung eines Abdichtdurchmessers von d = 104 mm, einem Innendruck p von 0 bis 318 kg/cm², und einer Frequenz von 2,5 Hz.

In Übereinstimmung mit den Ergebnissen der Untersuchung, waren die Scherlastanteile im Fall des Testsammlers gleich­ mäßiger als im Fall des zum Stand der Technik gehörenden Samm­ lers, jedoch waren im Fall des Testsammlers die Ermüdungs­ lebensdauern kürzer als im Fall des zum Stand der Technik ge­ hörenden Sammlers.

In diesem Zusammenhang ist festzustellen, daß der größte Scherlastanteil vom zweiten Gewindegang m₂, gezählt vom freien Endteil 2m, getragen wurde, und im Fall des Testsammlers betrug der Anteil 18,5%. Im Fall des zum Stand der Technik gehörenden Sammlers wurde der größte Scherlastanteil vom ersten Gewinde­ gang, gezählt vom freien Endteil aus, getragen und der Anteil betrug 21%. Im Fall des zum Stand der Technik gehörenden Sammlers betrug die Ermüdungslebensdauer 560 000 Zyklen, während im Fall des Testsammlers die Ermüdungslebensdauer 380 000 Zyklen betrug.

Obwohl es allgemeine Praxis oder Erkenntnis ist, daß, wenn der Scherlastanteil eines Gewindeganges verringert wird, sich seine Lebensdauer verlängert, wurde überraschend gefunden, daß bei dem oben beschriebenen Testsammler im Gegensatz dazu die Ermüdungslebensdauer sich verkürzte.

Es wurde demgemäß nach dem Grund hierfür gesucht und es wurde festgestellt, daß unter den maximalen Biegemomenten, die auf die Böden f der Lücken der Innengewindegänge wirken, ein Spitzenbiegemoment an den zweiten Boden f₂ der Lücke am freien Endteil 2e des Innengewindes angelegt wurde, wobei dieses Spitzenbiegemoment zu der größten Amplitude des Biegemomentes führte, so daß ein Versagen von der genannten Stelle ausgehen würde.

In anderen Worten ausgedrückt, wenn die Innengewinde­ schraube zwar durch die Außengewindeschraube 4 geschoben wird, wirken die betreffenden Gewindegänge fm der Innengewinde­ schraube 2 als frei vorragende Balken oder Hebel, bei denen eine anteilige Last an ihre untere Fläche angelegt wird, so daß die Gewindehöhe fh des Innengewindes fm als eine Spannweite angesehen werden kann, welche die Größe des Biegemomentes be­ einflußt.

In dem Fall, in welchem die Gewindehöhen fh gleichmäßig sind, gilt daher, wenn die Scherlastanteile der betreffen­ den Gewindegänge nicht gleichmäßig sind, daß, je größer die anteilige Last ist, desto größer das Spitzenbiegemoment wird, so daß eine die Biegemomentamplitude begleitende Laständerung groß wird und für den Gewindegang die Gefahr eines Brechens oder Reißens besteht.

Wenn somit bei einem zum Stand der Technik gehörenden Sammler und bei dem Testsammler Biegemomente je Längeneinheit, die an den Böden des Grundes eines Innengewindes auftreten, auf der Basis einer Last, einer Lastanteilsverteilung und einer Gewindegangberührungshöhe berechnet werden, werden Ergeb­ nisse erhalten, wie sie in Fig. 3 dargestellt sind. In dieser Figur stellt die Kurve A die Daten des zum Stand der Technik gehörenden Sammlers dar, während die Kurve B die Daten des Testsammlers darstellt. Aus diesen Daten ist ersichtlich, daß ein Spitzenbiegemoment PB je Längeneinheit von 13,5 kg mm/mm am Boden des zweiten Gewindegrundes f₂ auftritt, gezählt vom Spitzenendteil 2 beim Testsammler B. Dieses Moment PB ist größer als das Spitzenbiegemoment PA je Längeneinheit von 11,4 kg mm/mm bei dem zum Stand der Technik gehörenden Sammler.

Demgemäß wird die Biegemomentamplitude so hoch, daß das In­ nengewinde einem Ermüdungsversagen ausgesetzt ist.

Um ein Ermüdungsversagen zu verhindern, kann daran gedacht werden, die Wand des Innengewindes dicker zu machen, oder die Gewindelänge zu erhöhen. Wenn jedoch diese Gegenmaß­ nahmen bei einer Innengewindeschraube eines Sammlers angewen­ det werden, erhält der Behälterhauptkörper große Größe und er kann nicht an einer Stelle verwendet werden, wo nur geringer Raum zur Verfügung steht. Außerdem wird eine übermäßig große Menge an Material verwendet.

Es ist auch ein Druckbehälter der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art bekannt (US-PS 3 487 442), bei welchem das Innengewinde und das Außengewinde grundsätz­ lich gleiche Gestalt haben, jedoch an wenigstens einem der Gewinde unter dem normalen Fußteil eine Ausnehmung bzw. eine Nut gebildet ist, durch die Flexibilität geschaffen ist der­ art, daß der Gewindequerschnitt sich als ein Hebel verformen kann, um zu ermöglichen, daß die Schließgänge gleichmäßig be­ ansprucht werden und Druckbeanspruchungsmuster des Druckbe­ hälters aufgenommen werden können, wobei die Flanken wenig­ stens eines der Gewinde ballig ausgebildet sind.

Im Hinblick auf die oben erläuterten Umstände be­ steht ein Zweck der vorliegenden Erfindung darin, die Ermü­ dungscharakteristiken einer Innengewindeschraube zu verbes­ sern und weiterhin eine Innengewindeschraube zu schaffen, die auch dort verwendet werden kann, wo nur geringer Raum zum Einbau zur Verfügung steht.

Die vorliegenden Erfindung ist nicht auf Gewindegänge mit dreieckförmigem Gewindequerschnitt beschränkt. Sie kann vielmehr auch verwendet werden bei Gewinden mit rechteckiger oder quadratischer Zahnform, runder Zahnform, trapezförmiger Zahnform usw.

Da gemäß der Erfindung die Berührungshöhe des Innenge­ windes entlang der Richtung der angelegten Zugbelastung auf­ einanderfolgend verringert wird, werden die von den Innenge­ windegängen zu tragenden anteiligen Lasten vergleichmäßigt, und auch die maximalen Biegemomente je Längeneinheit an den Böden der Gründe der Gewindegänge werden vergleichmäßigt.

Demgemäß wird die Ermüdungslebensdauer verlängert, da das Spitzenbiegemoment je Längeneinheit, welches am Endteil des Innengewindes auftritt, und die Biegemomentamplitude ver­ ringert werden.

Demgemäß wird durch die Erfindung ein inneren Druck tragendes Innengewinde geschaffen mit ausgezeichneten Ermü­ dungscharakteristiken, wobei die Wanddicke des das Gewinde tragenden Teiles und die Länge des Gewindes dünn bzw. kurz gemacht werden können im Vergleich zu Innengewinden, die zum Stand der Technik gehören.

In Übereinstimmung damit wird für ein Innengewinde ge­ mäß der Erfindung nur ein geringer Raum benötigt, so daß, wenn dieses Innengewinde in einem hydraulischen Gerät, beispielswei­ se in einem Sammler, einem hydraulischen Zylinder usw. ver­ wendet wird, eine Verringerung der Größe des Gerätes erreicht werden kann.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung beispielsweise erläutert.

Fig. 1 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Längs­ schnittansicht einer bevorzugten Ausführungsform.

Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Sammlers, dessen Außengewindeteile und Innengewinde­ teile in Fig. 1 in vergrößertem Maßstab dargestellt sind.

Fig. 3 ist eine schematische Darstellung der Beziehung zwi­ schen den betreffenden Böden oder Gründen von Innen­ gewindegängen und den maximalen Biegemomente je Längeneinheit.

Fig. 4 und 5 sind der Fig. 1 analoge Ansichten anderer bevor­ zugter Ausführungsform.

Fig. 6 ist eine in vergrößertem Maßstab gehaltene Längsschnitt­ ansicht eines Beispieles des Standes der Technik.

Fig. 2 ist eine Längsschnittansicht eines Sammlers ACC, bei welchem das Innere eines Behälterhauptkörpers 10 durch eine Blase 11 in eine Gaskammer 12 und in eine Flüssigkeit­ kammer 13 unterteilt ist. Die gegenüberliegenden Endteile 14 und 15 des Hauptkörpers 10 sind durch eine Seitenplatte 16 bzw. 17 verschlossen. Die gegenüberliegenden Endteile 14 und 15 des Hauptkörpers 10 sind mittels einer Schraubverbindung mit der Seitenplatte 16 bzw. 17 verbunden, und die Gewindeteile S der Schraubverbindung sind so ausgebildet, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.

Insbesondere ist auf der Innenseite des Endteils 14 des Behälterhauptkörpers 10 ein Innengewinde 20 gebildet, welches mit einem Außengewinde 19 der Seitenplatte 16 in Eingriff tritt.

Diese Innengewindeschraube 20 (nachstehend der Einfach­ heit halber als Innengewinde 20 bezeichnet) ist mit zehn Innengewindegängen FS versehen, und hinsichtlich der Höhen L der betreffenden Gewindegänge ist festzustellen, daß von dem Gewindegang FS10 zum Gewindegang FS8 die Höhe L identisch ist, so daß die Höhe des Innengewindeganges FS, auf welcher Berührung mit einem Außengewindegang MS auftritt, d. h. die sogenannte Kontakthöhe oder Berührungshöhe FW, vergleich­ mäßigt werden kann. Jedoch sind vom Innengewindegang FS7 bis zum Innengewindegang FS1 die Kämme der Innengewindegänge ab­ geschnitten und derart gestaltet, daß die Höhe L aufeinander­ folgend abnimmt und demgemäß die Berührungshöhe FW der Innen­ gewindegänge entlang der Richtung der angelegten Zugbelastung zunehmend niedriger wird, d. h. entlang der durch einen Pfeil A1 angegebenen Richtung.

Bei einer solchen Ausführung verläuft eine gerade Linie 21, welche den Kamm des Innengewindeganges FS10 mit dem Kamm des Innengewindeganges FS8 verbindet, parallel zur Mittel­ linie C des Innengewindes 20, während eine Linie 22, welche den Kamm des Innengewindeganges FS8 und den Kamm des Innen­ gewindeganges FS1 verbindet, mit Bezug auf die gerade Linie 21 in einem Winkel Θ schräg verläuft.

Dieser Winkel Θ kann in zweckentsprechender Weise aus­ gewählt werden in Übereinstimmung mit den Erfordernissen. Vorzugsweise sollte dieser Winkel Θ 10° oder weniger betragen, und beispielsweise kann ein Schrägwinkel Θ von 3° ausgewählt werden.

Die Böden der Zahngründe f1 bis f10 sind bogenförmig ge­ staltet und der Radius fr des Bogens beträgt das 0,1- bis 0,18- Fache der Teilung oder Steigung des Gewindes.

Die betreffenden Höhen ML der Gewindegänge des Außenge­ windes 19 sind mit Standardwerten gebildet. Es ist zu bemerken, daß mit dem Bezugszeichen 25 ein C-artiger Stopper bezeichnet ist, der dazu dient, ein Einschrauben über das erforderliche Ausmaß hinaus zu verhindern.

Nachstehend wird die Arbeitsweise der dargestellten Aus­ führungsform erläutert.

Wenn der hydraulische Druck in dem hydraulischen Kreis 30 sich ändert und Flüssigkeit in den Sammler ACC gedrückt wird, wird die Blase 11 zusammengedrückt, so daß der Druck in der Luftkammer 12 steigt und die Seitenplatte 16 in einer Richtung gedrückt wird, die in Fig. 2 durch einen Pfeil A2 angegeben ist.

Demgemäß wird das Außengewinde 19 ebenfalls in der glei­ chen Richtung gedrückt, und an das Innengewinde 20, welches in das Außengewinde 19 eingeschraubt ist, wird ebenfalls eine Last angelegt, so daß sich anteilige Lasten W1 bis W10 ergeben, die an die betreffenden Gewindegänge FS1 bis FS10 angelegt werden.

Wenn jedoch diese anteiligen Lasten zu groß sind, werden die Innengewindegänge einer elastischen Verformung und einer plastischen Verformung unterworfen, was zu einer Änderung der Steigung des Innengewindes 20 führt. Auf diese Weise ist die von jedem Innengewindegang FS tatsächlich getragene Last ledig­ lich die Kraftkomponente entsprechend der elastischen Ver­ formung, und die den Wert dieser Kraftkomponente übersteigende Last wird von dem nächsten Gewindegang getragen.

Zusätzlich tragen hinsichtlich der aufzuteilenden Über­ tragungslasten die betreffenden Gewindegänge die Lasten in Über­ einstimmung mit der Größe der Berührungsflächen oder Berührungs­ bereiche, und die den betreffenden Wert überschreitenden Lasten werden von den nachfolgenden Gewindegängen getragen. Auf diese Weise wird die tatsächliche anteilige Last jedes Gewindeganges durch die Berührungsfläche des Innengewinde­ ganges bestimmt, so daß, wenn die Berührungshöhe FW der Innengewindegänge entlang der Richtung der angelegten Zug­ belastung aufeinanderfolgend verringert wird, d. h. entlang der durch den Pfeil A1 angegebenen Richtung, auch die oben genannten Berührungsflächen entlang der gleichen Richtung aufeinanderfolgend verringert werden. Dies führt dazu, daß die von den Gewindegängen getragenen Scherlasten nahezu einander gleich werden.

Da weiterhin die Berührungshöhe entlang der durch den Pfeil A1 angegebenen Richtung aufeinanderfolgend verringert wird, wird auch die Spannweite, welche die Größe des Biege­ moments beeinflußt, entlang der gleichen Richtung ebenfalls aufeinanderfolgend verringert.

Dementsprechend wird auch das Spitzenbiegemoment je Längeneinheit, welches am Boden des Gewindegrundes im Spitzen­ endteil 20E des Innengewindes 20 auftritt, d. h. das größte der Biegemomente je Längeneinheit, welches an die Böden der Gewindegründe f1 bis f10 des betreffenden Innengewindes ange­ legt wird, ebenfalls verringert, so daß die maximalen Biege­ momente je Längeneinheit an den Böden der Gründe f1 bis f10 der Innengewindegänge vergleichmäßigt oder ausgeglichen werden.

Als Ergebnis ist die Amplitude des an den Boden des Grun­ des jedes Gewindeganges angelegten Biegemomentes ebenfalls klein, so daß ein einen Innendruck tragendes Innengewinde mit ausgezeichneten Ermüdungscharakteristiken geschaffen werden kann.

Ein Sammler mit einem Innengewinde gemäß der vorliegenden Anmeldung wurde hergestellt und Untersuchungen unterworfen, ähnlich den Untersuchungen, denen der oben beschriebene zum Stand der Technik gehörende Sammler unterworfen wurde. Die Kurve C in Fig. 3 zeigt die maximalen Biegemomente je Längen­ einheit, angelegt an die Böden der Gründe der betreffenden Innengewindegänge. Es ist ersichtlich, daß das Spitzenbiege­ moment PC je Längeneinheit 5,8 kg mm/mm beträgt und kleiner als die Hälfte des Spitzenbiegemomentes PA je Längeneinheit des zum Stand der Technik gehörenden Sammlers A ist. Weiterhin wurde gefunden, daß die Ermüdungslebensdauer 2 000 000 Zyklen beträgt, und dieser Wert ist mindestens viermal so hoch wie der Wert der Ermüdungslebensdauer des zum Stand der Technik gehörenden Sammlers A.

Weiterhin wird, wie in Fig. 4 dargestellt, die Berührungshöhe FW des Innengewindes 20 ent­ lang der Richtung der angelegten Last, d. h. in der durch den Pfeil A1 angezeigten Richtung, aufeinanderfolgend verringert durch aufeinanderfolgendes Verringern der Höhe der Gewindegänge über die gesamte Länge eines Trapezgewindes, d. h. von einem Innengewindegang FS7 zu einem Innengewindegang FS1.

Weiterhin kann, wie in Fig. 5 dargestellt, die Berührungs­ höhe des Innengewindes aufeinanderfolgend verringert werden entlang der durch den Pfeil A1 angegebenen Richtung durch Aus­ gleichen oder Vergleichmäßigen der Höhe L der Innengewinde­ gänge und durch allmähliches Verkleinern der Berührungsflächen MC an den Kammteilen MT der Innengewindegänge FS7 bis FS1.

Claims (7)

1. Innengewinde (20) an einem Ende ei­ nes Behälterhauptkörpers (10) eines Druckbehälters, wobei das Innengewinde (20) mit einem Außengewinde (19) an einer Sei­ tenplatte (16, 17) zusammenarbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Be­ rührungshöhe (FW) der Gänge (FS) des Innengewindes (20) ent­ gegen der Richtung (A2) des Anlegens der durch den Innendruck des Behälters hervorgerufenen Last aufeinanderfolgend verrin­ gert ist, und daß die Höhe (ML) der Gänge des Außengewindes (19) mit Standardwerten gebildet ist.

2. Innengewinde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verringerung der Berührungshöhe (FW) der Gänge (FS) des Innengewindes (20) dadurch erhalten ist, daß der Kamm der Gewindegänge abgeschnitten und geformt ist.

3. Innengewinde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verringerung der Berührungshöhe (FW) der Gänge (FS) des Innengewindes (20) dadurch erhalten ist, daß die Be­ rührungsflächen der Kammteile des Innengewindes weggeschnit­ ten sind.

4. Innengewinde nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Kamm der betreffenden Gänge des Innengewindes (20) entlang ein und derselben schrägen geraden Linie (22) angeordnet ist.

5. Innengewinde nach Anspruch 4, dadurch gekennzeich­ net, daß der Schrägwinkel der schrägen geraden Linie (22) 10° oder weniger beträgt.

6. Innengewinde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verringerung der Berührungshöhe (FW) der Gänge (FS) des Innengewindes (20) nur entlang eines Teils des Innengewindes vorgenommen ist.

7. Innengewinde nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verringerung der Berührungshöhe (FW) der Gänge (FS) des Innengewindes (20) entlang der gesam­ ten Länge des Innengewindes vorgenommen ist.