DE4411062C1 - Axialzugentlastungsschelle - Google Patents
AxialzugentlastungsschelleInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Axialzugentla
stungsschelle zum Verbinden der Enden zweier weitgehend
glatter Rohre, mit wenigstens einem die Fuge zwischen
den Rohrenden überbrückenden Verbindungselement aus
Metall, das durch wenigstens eine Spanneinrichtung in
Umfangsrichtung der Rohre spannbar ist und an dem nahe
seinen axialen Enden jeweils ein sich in Umfangsrich
tung der Rohre erstreckendes Axialsicherungsband aus
Metall mit an wenigstens dem axial inneren seiner bei
den Umfangsränder schräg radial nach innen gerichteten
keilförmigen Zähnen für den Eingriff ins Rohrmaterial
befestigt ist, wobei die Zähne mit einer Radialebene
der Axialzugentlastungsschelle einen ersten Winkel und
die Zahnflanken einen zweiten Winkel einschließen.
Bei einer bekannten Axialzugentlastungsschelle dieser
Art (DE 25 55 179 B2, DE 36 26 289 C1 oder DE 36 32 127
C2) hat sich gezeigt, daß bei höher als 10 bar liegen
den Drücken des durch die Rohre strömenden Fluids und
insbesondere bei Rohren mit sehr harter Oberfläche die
Gefahr besteht, daß die Rohre in der Axialzugentla
stungsschelle axial auseinandergedrückt werden und die
Verbindung undicht wird. In vielen Fällen ist es jedoch
erwünscht, daß die Axialzugentlastungsschelle sehr viel
höheren Drücken des durch die Rohre strömenden Fluids
standhält, ohne daß die Rohrverbindung undicht wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Axial
zugentlastungsschelle der eingangs genannten Art anzu
geben, die bei noch höheren Drücken einen festen Zusam
menhalt der Rohre gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß
der erste Winkel
zwischen 33° und 38° liegt.
In diesem Winkelbereich dringen die Zähne bei konstan
ter Spannkraft der Spanneinrichtung am tiefsten in das
Rohrmaterial ein. Wie sich gezeigt hat, hält die Ver
bindung der Rohre durch die Axialzugentlastungsschelle,
je nach Rohrdurchmesser, selbst bei sehr hartem Rohrma
terial, in diesem Winkelbereich Drücken von bis zu 20
bar und mehr stand.
Vorzugsweise ist der erste Winkel gleich arc tan .
Bei diesem Wert ist die Eindringtiefe der Zähne am
größten und demzufolge auch die Belastbarkeit der Rohr
verbindung.
Der zweite Winkel sollte höchstens 120° betragen und
vorzugsweise zwischen 45° und 90° liegen. In diesem
Winkelbereich dringen die Zähne besonders tief ins
Rohrmaterial ein.
Wenn das Material der Axialzugentlastungsbänder härter
als das der Rohre ist, vorzugsweise aus gehärtetem
Stahl besteht, und demzufolge auch das Material der
Zähne, neigen die Zähne auch bei Ausübung der höchsten
Spannkraft der Spanneinrichtung nicht dazu, sich zu
verbiegen, so daß der optimale erste Winkel der Zähne
zuverlässig eingehalten wird.
Die Erfindung und ihre Weiterbildungen werden nachste
hend anhand von Zeichnungen bevorzugter Ausführungsbei
spiele näher beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 eine Axialansicht einer Rohrkupplung mit einer
erfindungsgemäßen Axialzugentlastungsschelle,
Fig. 2 eine Radialansicht der Rohrkupplung nach Fig. 1,
Fig. 3 den Schnitt III-III der Fig. 1 mit in die Rohr
kupplung eingeführten Rohren,
Fig. 4 eine vergrößerte Darstellung eines in ein Rohr
eingreifenden Zahns der Axialzugentlastungs
schelle,
Fig. 5 eine perspektivische Darstellung des in das Rohr
eingreifenden Teils des Zahns nach Fig. 4 und
Fig. 6 ein Diagramm der Abhängigkeit der Eindringtiefe
des Zahns nach Fig. 4 bei konstantem Volumen des
durch den eingedrungenen Zahnteil verdrängten
Rohrmaterials vom ersten Winkel α.
Die Rohrkupplung nach den Fig. 1 bis 3 dient zum Ver
binden der Enden zweier weitgehend glatter zylindri
scher Rohre 1 und 2. Sie hat eine Axialzugentlastungs
schelle mit einem die Fuge zwischen den Enden, d. h. den
einander zugekehrten Stirnseiten, der Rohre 1, 2 über
brückenden Verbindungselement 3 in Form eines Schellen
mantels, bestehend aus zwei Halbschalen 3a und 3b, de
ren Enden durch je eine Spanneinrichtung 4 verbunden
sind. Das Verbindungselement 3 besteht aus Metall, und
an seiner Innenseite ist nahe seinem axialen Ende je
weils ein sich in Umfangsrichtung des Verbindungsele
ments 3 erstreckendes Axialsicherungsband 5 aus Metall
befestigt. Jedes Axialsicherungsband 5 besteht aus zwei
etwa halbzylindrischen Hälften 5a und 5b, die jeweils
an einer Halbschale 3a, 3b des Verbindungselements 3
durch Punktschweißung befestigt sind. Jedes Axialsiche
rungsband 5 hat an seinen beiden Umfangsrändern schräg
radial nach innen gerichtete, keilförmige symmetrische
Zähne 6 mit Flanken 7 für den Eingriff ins Rohrmateri
al. In Fig. 1 sind nur einige Zähne 6 zur Vereinfachung
der Darstellung eingezeichnet. Die übrigen sind durch
strichpunktierte Linien angedeutet. Die Axialsiche
rungsbänder 5, einschließlich der Zähne 6, bestehen aus
gehärtetem Stahl, vorzugsweise einsatzgehärtetem Stahl,
so daß sie härter als das Rohrmaterial sind.
Auf der Innenseite des Verbindungselements 3 ist zwi
schen den beiden Axialsicherungsbändern 5 ein spannba
res Schellenband 8 angeordnet. Das Schellenband 8 hat
an seinen axialen Enden schräg radial nach innen abge
winkelte Seitenwände 9. Die Seitenwände 9 sind beim
Spannen auf den Rohren 1, 2 abstützbar. Zwischen den
Seitenwänden 9 ist eine Dichtungsmanschette 10 aus ela
stomerem Material eingekammert. Die Dichtungsmanschette
10 hat auf ihrer Innenseite eine umlaufende Rippe 11,
an der sich die Stirnseiten der Rohre 1, 2 zur Ein
schubbegrenzung der Rohre anlegen.
Nach Fig. 3 haben die Seitenwände 9 des Schellenbandes
8 einen axialen Abstand von den benachbarten Zähnen 6.
Das Schellenband 8 ist mit einem Spannverschluß 12 ver
sehen, der durch ein Loch 13 im Verbindungselement 3,
hier in der einen Halbschale 3a des Verbindungselements
3, radial nach außen vorsteht. Der Spannverschluß 12
ist daher zum Spannen oder Entspannen des Schellenban
des 8 zugänglich. Das Verbindungselement 3 und das
Schellenband 8 haben gemäß Fig. 3 einen radialen Ab
stand voneinander.
Die Spanneinrichtungen 4 enthalten jeweils zwei Spann
schrauben 14, deren Kopf 15 einen Innensechskant auf
weist. Sodann enthalten die Spanneinrichtungen 4 an den
Enden der Halbschalen 3a und 3b des Verbindungselements
3 radial nach außen gebogene Spannbacken 16, an denen
Verstärkungsplatten 17 und 18 angeschweißt sind. Die
Spannbacken 16 und Verstärkungsplatten 17 sind mit
Durchgangslöchern zur Durchführung des Schaftes der
Spannschrauben 14 und die Verstärkungsplatten 18 mit
Gewindelöchern zur Aufnahme des Gewindes der Spann
schrauben 14 versehen.
Der Verschluß 12 des Schellenbandes 8, dessen Enden
sich im Bereich des Verschlusses 12 überlappen, besteht
aus zwei Spannbacken 19, einer Spannschraube 20 und
einer Mutter 21 in Vierkantform.
Die Spannbacken 19 bestehen jeweils aus einem Stahl
band, das quer zum Schellenband 8 verläuft und in der
Mitte radial nach außen in Form einer Öse zur Durchfüh
rung der Spannschraube 20 gewölbt ist, wobei der Kopf
22 der Spannschraube 20 an der einen Kante der einen
Öse und die Mutter 21 an der einen Kante der anderen
Öse anliegt. Sodann sind die Spannbacken 19 durch
Punktschweißungen (siehe Fig. 2) mit dem Schellenband 8
verbunden.
Das Verbindungselement 3 hat in dem Bereich zwischen
den Axialsicherungsbändern 5 eine etwa trapezförmige
Nut, die radial nach außen gedrückt ist, um das Schel
lenband 8 aufzunehmen und das Verbindungselement 3 zu
versteifen.
Wie die Fig. 3, insbesondere Fig. 4, zeigt, schließen
die Zähne 6 einen spitzen Winkel α mit einer Radialebe
ne 22 der Rohrkupplung bzw. Axialzugentlastungsschelle
ein, während ihre Flanken 7 nach den Fig. 1 und 5 einen
spitzen Winkel β einschließen. Beim Spannen der Spann
einrichtungen dringen die Zähne 6 daher mit ihren axial
inneren Ecken normalerweise in das Rohrmaterial ein,
wie es in den Fig. 3 und 4 dargestellt ist. Gegebenen
falls kann die Verbindung der Rohre 1, 2 dann hohen
Axialkräften bei hohen Drücken in den Rohren 1, 2
standhalten. Hierbei können die Innendrücke um so höher
sein, je größer die Eindringtiefe der Zähne 6 ist. Ins
besondere bei Rohren 1, 2 mit sehr harter Oberfläche
besteht jedoch die Gefahr, das die Zähne 6 nicht hin
reichend tief in das Rohrmaterial eingreifen, um das
Auseinanderdrücken der Rohre 1, 2 bei sehr hohen Innen
drücken zu vermeiden, da die Spannkraft, die durch die
Spanneinrichtungen 4 ausgeübt werden kann, sich nicht
unbegrenzt steigern läßt. Es läßt sich jedoch anhand
von Fig. 4 zeigen, daß die Eindringtiefe h der Zähne 6
bei vorgegebener Spannkraft und der angegebenen Zahn
form einen maximalen Wert bei einem bestimmten Winkel α
erreicht. Diesem überraschenden Ergebnis liegt die Er
kenntnis zugrunde, daß das Volumen des Rohrmaterials,
das durch den ins Rohr eindringenden Zahnteil verdrängt
wird, bei dem vorbestimmten Winkel α möglichst klein
sein sollte. Denn je geringer das Volumen des verdräng
ten Rohrmaterials ist, um so größer wird bei vorgegebe
ner Spannkraft der Spanneinrichtung 4 die Eindringtiefe
h sein.
Für das Volumen V des verdrängten Rohrmaterials gilt
(mit hinreichend genauer Annäherung):
V = A y/3 (1)
wobei A die axial innere Fläche des ins Rohrmaterial
eingedrungenen, in Fig. 5 perspektivisch dargestellten
Zahnteils ist. Dieser Zahnteil hat mit hinreichend ge
nauer Annäherung die Form einer dreiseitigen Pyramide
mit der Grundfläche A und der Höhe y. Die Fläche A ist
der Flächeninhalt des gleichschenkligen Dreiecks mit
der Grundlinie c, der Höhe x und dem Winkel β an der
Spitze gegenüber der Grundlinie c. Nach Fig. 4 gilt
dann für die Höhe y der Pyramide
y = h/sin α (2)
und für den Inhalt der Grundfläche
A = cx/2 (3).
Für die Höhe x der Fläche A gilt nach Fig. 4
x = h/cos α (4)
und für die Grundlinie
c = 2xtan(β/2) (5).
Durch Einsetzen der Gleichungen (2) bis (5) in die
Gleichung (1) erhält man dann
Durch Umschreiben der Gleichung (6) erhält man
und durch Normierung der Gleichung (7) gemäß der fol
genden Gleichung (8)
ergibt sich für die normierte Eindringtiefe hn bei kon
stantem Volumen V und konstantem Winkel β
Die Abhängigkeit der normierten Eindringtiefe hn vom Winkel α, die
sich von der Eindringtiefe h nur durch den Proportiona
litätsfaktor
unterscheidet, ist in Fig. 6 als Kurvendiagramm darge
stellt. Daraus ist ersichtlich, daß die Eindringtiefe
bei dem Winkel αm ein Maximum hat, und zwar unabhängig
von V und β. Die Lage dieses Maximums bzw. der Winkel
αm ergibt sich durch Differentiation der Gleichung (9)
nach α und Nullsetzen des Differentialquotienten zu
Die optimale Eindringtiefe liegt daher bei α = αm. Wie
Fig. 6 zeigt, kann der Winkel α aber auch zwischen 30°
bis 40°, vorzugsweise zwischen 33° und 38° liegen, ohne
daß sich die Eindringtiefe wesentlich verringert. Durch
Differentiation der Gleichung (6) nach α und Nullsetzen
des Differentialquotienten läßt sich zeigen, daß bei
dem gleichen Winkel von 35,26° das Volumen am kleinsten
ist.
Andererseits ist die Eindringtiefe nach Gleichung (7)
um so größer und das Volumen V nach Gleichung (6) um so
kleiner, je kleiner der Winkel β an der Zahnspitze zwi
schen den Flanken 7 ist, d. h. je spitzer die Zähne 6
sind.
Für die Ableitung der Gleichungen (1) bis (11) gilt
einschränkend, daß die Dicke d (Fig. 4) der Zähne 6
größer als y ist, d. h. gemäß Gleichung (2)
d < h/sin α (12)
mit anderen Worten, daß die Zähne 6 nicht über ihre
radial innere Kantenlänge hinaus ins Rohrmaterial ein
dringen.
Eine weitere einschränkende Voraussetzung für die Ge
nauigkeit der Gleichungen (1) bis (10) ist, daß die
Linie c in Fig. 5 als geradlinig angenommen ist, obwohl
sie tatsächlich entsprechend dem Außendurchmesser der
Rohre 1, 2 leicht gekrümmt ist, was bei der geringen
Länge der Linie c im Verhältnis zum Umfang der Rohre 1,
2 jedoch vernachlässigbar ist.
Bei der Wahl des Winkels αm hält die Rohrverbindung
Fluiddrücken bis zu 20 bar und mehr stand. Bei einem
Rohrdurchmesser von beispielsweise 50 bis 200 mm kann
der zulässige Druck etwa 50 bis 5 bar betragen.
Eine Abwandlung des dargestellten Ausführungsbeispiels
kann darin bestehen, daß die axial äußeren Zahnkränze,
die an dem der radialen Mittelebene der Rohrkupplung
abgewandten Rand der Axialsicherungsbänder 5 liegen,
weggelassen sind, da sie aufgrund ihres dem Neigungs
winkel der übrigen Zähne entgegengesetzten Neigungswin
kels nur geringere Axialzugkräfte der Rohre 1, 2 auf
nehmen. Bei gleicher Spannkraft der Spanneinrichtungen
4 erreichen die übrigen Zähne 6 dann eine noch größere
Eindringtiefe mit entsprechend höherer Axialzugbelast
barkeit der Rohre 1, 2.
Weitere Abwandlungen des dargestellten Ausführungsbei
spiels können beispielsweise darin bestehen, daß an
stelle der einen Spanneinrichtung 4 eine einteilige
Verbindung oder eine Gelenkverbindung zwischen den
Halbschalen 3a und 3b des Schellenmantels 3 vorgesehen
wird. Alternativ kann der Schellenmantel 3 auch in drei
oder mehr Abschnitte unterteilt sein, wobei dann drei
oder mehr Spanneinrichtungen 4 vorgesehen sein können.
Sodann kann anstelle des dargestellten Spannverschlus
ses 12 ein Spannverschluß entsprechend einer der Spann
einrichtungen 4 vorgesehen sein, jedoch mit nur einer
Spannschraube.
Claims (4)
1. Axialzugentlastungsschelle zum Verbinden der Enden
zweier weitgehend glatter Rohre (1, 2), mit wenig
stens einem die Fuge zwischen den Rohrenden über
brückenden Verbindungselement (3) aus Metall, das
durch wenigstens eine Spanneinrichtung (4) in Um
fangsrichtung der Rohre (1, 2) spannbar ist und an
dem nahe seinen axialen Enden jeweils ein sich in
Umfangsrichtung der Rohre (1, 2) erstreckendes Axi
alsicherungsband (5) aus Metall mit an wenigstens
dem axial inneren seiner beiden Umfangsränder
schräg radial nach innen gerichteten keilförmigen
Zähnen (7) für den Eingriff ins Rohrmaterial befe
stigt ist, wobei die Zähne (6) mit einer Radialebe
ne (22) der Axialzugentlastungsschelle einen ersten
Winkel (α) und die Zahnflanken (7) einen zweiten
Winkel (β) einschließen, dadurch gekennzeichnet,
daß der erste Winkel (α)
zwischen 33° und 38° liegt.
2. Axialzugentlastungsschelle nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß der erste Winkel (α) gleich arc
tan ist.
3. Axialzugentlastungsschelle nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel (β)
höchstens 120° beträgt, vorzugsweise zwischen 45°
und 90° liegt.
4. Axialzugentlastungsschelle nach einem der Ansprüche
1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material
der Axialsicherungsbänder (5) härter als das der
Rohre ist, vorzugsweise aus gehärtetem Stahl be
steht.
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