DE69103090T2 - Schraubengewindekonstruktion. - Google Patents

Description

Hintergrund der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf einen Schraubengewindeaufbau und insbesondere auf die Verbesserung eines Schraubengewindeaufbaues, wie er in dem US-Patent Nr. 4,799,844 offenbart ist
• Auf dem Gebiet des Schlagbohrens, wie z.B. im Bergbau, in Steinbrüchen, beim Brunnenbohren und dergleichen, werden verschiedene Bauteile eines Schlagbohrwerkzeuges häufig über Schraubgewindestrukturen miteinander gekoppelt bzw. verbunden. Bei diesen miteinander verkoppelten Bohrbauteilen ist die Ausgestaltung des Gewindes von erheblicher Bedeutung, da ein Bruch oft in dem Schraubgewindeaufbau auftritt. Sobald ein Riß oder Bruch in dem Schraubgewindeaufbau auftritt, geht der anfängliche Riß normalerweise von der Wurzel bzw. dem Grundabschnitt des Gewindes aus. Dies liegt an den hohen Spannungskonzentrationen, die man an der Wurzel des Gewindes vorfindet, wenn der Schraubenaufbau einer schweren Belastung ausgesetzt ist.
• Traditionell ist der Wurzelbereich als Teil eines Kreises ausgebildet worden, der die beiden Flanken aufeinanderfolgender Gewindegänge tangential bzw. über Tangenten miteinander verbindet. Allgemein gesprochen istdie Spannungskonzentraton entlang der Gewindewurzel eine inverse Funktion des Radius dieses Kreises, d.h. je größer der Kreisradius ist, desto geringer ist die Spannungskonzentraton. Wenn jedoch das Maß des Radius einen maximal zulässigen Wert überschreitet, werden die Spannungskonzentrationen an den Enden der Wurzel bzw. des Grundabschnittes, wo die Flanken der benachbarten Gewindegänge tangential an den Grundabschnitt anschließen, sehr groß und stellen damit die Ausgangspunkte für das Fortschreiten von Rissen bereit. Wenn andererseits das Maß des Radius, der die kreisförmige Grundabschnittkrümmung definiert, unter einen minimal zulässigen Wert absinkt, wird die Spannungskonzentration am Grund der Nut sehr groß. Deshalb sind die kreisförmigen Grundabschnittkrümmungen auf Radiusmaße beschränkt, die zwischen bestimmten maximalen und minimalen Grenzwerten liegen, welche von Faktoren, wie z.B. der Gewindesteigung und dergleichen, abhängen.
• Ein verbesserter Schraubenaufbau ist in dem US-Patent Nr. 4,799,844 offenbart worden, wobei der Schraubgewindeaufbau jeder der über Gewindeeingriff miteinander verbundenen Bohrkomponenten einen Wurzelabschnitt aufweist, der als Teil einer Ellipse ausgestaltet ist. Diese elliptische Grundabschnittkrümmung stellt einen größeren äquivalenten bzw. effektiven Radius an dem Grundabschnitt des Gewindes bereit, was zu einer verminderten Spannungskonzentration entiang des Grundabschnittes führt. Unabhängig von den Vorteilen, die man mit einem derartigen Schraubgewindeaufbau erhalten kann, verbleibt immer noch Raum für Verbesserungen, insbesondere bezüglich einer weiteren Freigabe bzw. Vermeidung von Spannungskonzentrationen entlang des Grundabschnittes.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung beinhaltet einen Schraubgewindeaufbau, welcher zumindest ein Gewinde aufweist, welches sich schraubenförmig in beabstandeten Gewindewindungen um eine Längsachse erstreckt. Das Gewinde weist eine lastaufnehmende Flanke, eine nicht lastaufnehmende Flanke und einen Gratabschnitt auf, der sich zwischen der lastaufnehmenden Flanke und der nicht lastaufnehmenden Flanke erstreckt Eine Wurzel bzw. ein Grundabschnitt erstreckt sich zwischen benachbarten Gewindewindungen. Wenn man den Grundabschnitt bzw. im Längsschnitt betrachtet, hat er eine Krümmung, die durch Abschnitte von zwei einander axial überlappenden Ellipsen definiert wird, welche durch ein ebenes Stück miteinander verbunden sind. Die Ellipsen schließen tangential an eine lastaufnehmende Flanke bzw. eine nicht lastaufnehmende Flanke an. Der ebene Abschnitt ist parallel zur Achse ausgerichtet und schließt tangential an die Ellipsen an.
Kurze Beschreibung der Figuren
• Die Ziele und Vorteile der Erfindung werden offensichtlich aus der folgenden genauen Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen derselben, in Verbindung mit den beiliegenden Figuren, in welchen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. ähnliche Elemente bezeichnen und von denen:
• Figur 1 eine teilweise weggebrochene, perspektivische Ansicht des vorderen Endes eines konventionellen Inloch-Schlagbohrers ist,
• Figur 2 eine perspektivische Explosionsdarstellung der konventionellen Komponenten ist, welche das vordere Ende des Schlagbohrers bilden,
• Figur 3 eine durch einen Abschnitt eines konventionellen Schraubgewindeaufbaues gelegte Längsschnittansicht ist,
• Figur 4 eine Ansicht eines Schraubgewindeaufbaues gemäß der voriiegenden Erfindung ähnlich der in Figur 3 ist,
• Figur 5 eine vergrößerte, teilweise Längsschnittansicht durch den Schraubgewindeaufbau gemäß der vorliegenden Erfindung ist,
• Figur 6 eine Ansicht ähnlich der Figur 5 ist, und zwar bevor der ebene Abschnitt in der Wurzel bzw. im Grundabschnitt des Schraubgewindeaufbaues ausgebildet worden ist und
• Figur 7 eine vergrößerte Ansicht von Figur 5 ist
Genaue Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
• In den Figuren 1 und 2 ist ein konventioneller Inloch-Schlagbohrer dargestellt, der einen Bohrmeißel 10 aufweist, welcher am Vorderende eines Bohrstranges montiert ist. Der Bohrstrang weist ein mit einem Gewinde versehenes Element in Form eines unteren Antriebsteiles 12 auf, das auf ein hinteres Ende des Bohrmeißels aufgeschoben ist und über eine Keilverbindung mit dem Bohrmeißel 10 verbunden ist, d.h. durch äußere Keile 14 an dem Bohrmeißel und innere Keile < nicht dargestellt) an dem unteren Antriebsteil (12). Damit ist der Bohrmeißel 10 darauf beschränkt, sich mit dem unteren Antriebsteil 12 zu drehen, ist jedoch in der Lage, sich begrenzt in axialer Richtung relativ zu diesem zu bewegen.
• Das untere Antriebsteil 12 weist ein Außengewinde 16 auf, das über Schraubgewindeeingriff mit einem Innengewinde 18 eines passenden Teils in Form einer zylindrischen Hülse 20 verbunden ist. in der Hülse 20 gleitbar angeordnet ist ein Kolben 22, der in axialer Richtung durch einen konventionellen Mechanismus hin- und herbewegt wird, um Schlagkräfte auf das hintere Ende des Bohrmei ßels auszuüben, um die Durchdringungsgeschwindigkeit des Bohrmeißels zu vergrößern. Ein oberes Ende der Hülse 20 steht in Schraubgewindeeingriff mit einem oberen Teilaufbau und letzterer steht in Gewindeeingriff mit einer anderen Komponente des Bohrstranges usw.
• Ein Gewindeaufbau nach dem Stand der Technik gemäß dem US-Patent Nr. 4,799,844 ist in Figur 3 dargestellt. Außen- und Innengewinde 16,18 sind von identischem Aufbau, so daß nur das Außengewinde 16 des Antriebsteiles bzw. -teilaufbaues 12 in Figur 3 dargestellt ist Dieses konventionelle Gewinde 16 weist eine nicht lastaufnehmende Flankenfläche 26, eine lastaufnehmende Flankenfläche 28 und einen Gratabschnitt 30 auf, der sich zwischen den lastaufnehmenden und nicht lastaufnehmenden Flanken erstreckt. Wenn der Bohrstrang einer Last ausgesetzt ist, werden die Kräfte zwischen den miteinander verkoppelten Außen- und Innengewindeaufbauten über die durchgehend aneinanderpassenden lastaufnehmenden Flanken des Außen- bzw. Innengewindes übertragen. Der Grat 30 ist flach bzw. abgeflacht und erstreckt sich in axialer Richtung. Mit anderen Worten, der Gratabschnitt 30 erstreckt sich zwischen den Gewindeflanken 26, 28 gerade und parallel zur Längsachse des Antriebsteiles 12.
• Eine Wurzel bzw. ein Grundabschnitt 32 erstreckt sich zwischen benachbarten Gewindegängen. Der Grundabschnitt hat eine Krümmung, die durch einen Teil einer Ellipse definiert wird, welche schemenhaft bei 34 dargestellt ist. Die Ellipse hat eine Hauptachse 36 und eine kürzere und sich hierzu senkrecht erstreckende Nebenachse 38. Die Hauptachse erstreckt sich in axialer Richtung, d.h. parallel zur Längsachse des Antriebsteiles 12 und die Nebenachse der Ellipse erstreckt sich in radialer Richtung, d.h. senkrecht zur Längsachse. Wegen der außerordentiich großen Lasten, die auf Schraubgewindeaufbauten unter den Bedingungen des Schlagbohrens ausgeübt werden, hat die nicht lastaufnehmende Flanke 26 eine größere Oberfläche als die lastaufnehmende Flanke 28. Das heißt, das Gewindeprofil nimmt die Form eines typischen, umgekehrten Sägezahngewindeprofils an. Wahlweise könnte das Gewinde auch in Form eines Sägezahngewindes geformt sein, bei welchem die lastaufnehmende Flanke 28 eine größere Oberfläche hat als die nicht lastaufnehmende Flanke 26.
• Wenn auch in den Figuren nur ein einzelner Gewindegang (Gewindebahn) dargestellt ist, so könnte der Schraubgewindeaufbau statt dessen auch mehrgängig sein.
• Die lastaufnehmenden und die nicht lastaufnehmenden Flanken erstrecken sich von der Ellipse 34 an dem Grundabschnitt 32 tangential gerade zu den Gratabschnitten 30. Vorzugsweise hat die nicht lastaufnehmende Flanke 26 eine Winkelneigung A weg von dem Gratabschnitt unter näherungsweise 30º und die lastaufnehmende Flanke 28 hat eine Winkelneigung B axial weg von dem Gratabschnitt unter näherungsweise 60º, auch wenn andere geeignete Winkel vorgesehen werden könnten.
• Der elliptische Grundabschnitt 32 weist einen größeren äquivalenten bzw. effektiven Radius auf als ein kreisförmiger Grundabschnitt und stellt damit eine größere Entlastung von Spannungskonzentrationen an dem Grundabschnitt bereit. Außerdem ist der elliptische Grundabschnitt fester als ein kreisförmiger Grundabschnittaufbau wegen der größeren Wandstärke, die nach der Ausbildung des elliptischen Grundabschnittes verbleibt. Weiterhin ermöglicht die elliptische Grundabschnittausgestaltung einen größeren Kontakt von Gewinde zu Gewinde zwischen den aneinander anliegenden, lastaufnehmenden Flanken. Diese Vorteile werden genauer in dem US-Patent 4,799,844 beschrieben, deren Offenbarungsgehalt hier durch die Bezugnahme aufgenommen wird.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine noch größere Entlastung der Spannungskonzentration an den Grundabschnitt bereitgestellt. Dies wird erreicht durch die neue Ausgestaltung des Grundabschnittes, wobei eine bevorzugte Ausführungsform derselben in den Figuren 4, 5 und 7 dargestellt ist Die in diesen Figuren dargestellten Teile haben dieseben Bezugszeichen erhalten, wie die korrespondierenden Elemente in Figur 3, jedoch zusammen mit dem Anhängsel "A". lnsgesamt erkennt man, daß das in den Figuren 4, 5 und 7 dargestellte Gewinde 16A vom Typ eines umgekehrten Sägezahngewindes und von derselben allgemeinen Art ist, wie sie in Verbindung mit Figur 3 beschrieben wurde. Das heißt, das Gewinde hat lastaufnehmende und nicht lastaufnehmende Flanken 26A, 28A, die durch flache Gratabschnitte 30A miteinander verbunden sind, sowie einen Grundabschnitt oder eine Grundabschnitt 39, die diese Flanken tangential miteinander verbindet. Wie jedoch noch deutlich werden wird, ist die vorliegende Erfindung auch auf andere Gewindeausgestaltungen anwendbar, einschließlich von Sägezahngewinden.
• In den Figuren 4, 5 und 7 ist der Grundabschnitt 39 jedoch nicht von einer kontinuierlich gekrümmten Ausgestaltung, wie es bei dem in Figur 3 dargestellten Grundabschnitt der Fall ist Statt dessen ist der Grundabschnitt 39 gemäß der vorliegenden Erfindung durch eine Ausgestaltung 40 definiert, die aus Endabschnitten zweier identischer Ellipsen 42, 44 und einem ebenen Abschnitt 46 besteht, der diese Ellipsenendabschnitte tangential miteinander verbindet, wenn man sie im Längsschnitt durch das Gewinde betrachtet.
• Die beiden Ellipsen sind in Figur 6 dargestellt, die den Grundabschnitt 39 wiedergibt, bevor der ebene Abschnitt ausgebildet ist. Diese beiden Ellipsen 42, 44 überlappen in axialer Richtung, d.h. sie überlappen in einer Richtung parallel zur Längsachse A. Die Ellipsen 42, 44 haben Hauptachsen von jeweils identischer Länge Y und Nebenachsen von jeweils identischer Länge Y'. Die Ellipsen 42, 44 verbinden tangential jeweils Flanken 26 und 28, wie es am besten in Figur 7 dargestellt ist.
• Der ebene Abschnitt 46 ist parallel zur Achse A des Gewindes und parallel zu den Hauptachsen der Ellipsen angeordnet. Der ebene Abschnitt 46 schließt tangential an die Ellipsen 42, 44 an.
• Der ebene Abschnitt ist mit einer Länge X dargestellt. Die Gesamtlänge L des Grundabschnittaufbaues beträgt die Hälfte der Länge Y beider Hauptachsen zuzüglich der Länge X des ebenen Abschnittes, d.h. Y/2 + Y/2 + X oder Y + X.
• Diese Ausgestaltung des Grundabschnittes 16A, welcher den ebenen Abschnitt 46 hat, hat sich als eine herausgestellt, welche die Spannungskonzentration am Grundabschnitt minimal macht
• Die resultierende Spannungskonzentration ist geringer als diejenige, die im Falle einer einzelnen Ellipse auftreten würde, welche eine Hauptachse der Länge L hätte. Darüber hinaus wäre im Falle einer solchen einzelnen Ellipse eine geringere Wandstärke für das Tragen des Gewindes vorhanden (da der ebene Abschnitt 46 durch ein gekrümmtes Segment ersetzt werden würde).
• Als Folge der verringerten Spannungskonzentration, die an dem Grundabschnitt auftritt, ist das Gewinde weniger empfindlich auf Spannungsrisse und weist damit eine größere Lebensdauer auf. Die größere Lebensdauer schlägt sich in weniger häufigem Austausch der Bohrstrangkomponenten bzw. -bauteile und entsprechenden Arbeitsunterbrechungen nieder.
• Auch wenn die vorliegende Erfindung in Verbindung mit einer bevorzugten Ausführungsform beschrieben worden ist, ist es für die Fachleute selbstverständlich, daß Zusätze, Modifikationen, Austausch und Fortlassungen, die nicht besonders beschrieben worden sind, ohne Abweichen vom Schutzumfang der Erfindung vorgenommen werden können, wie er durch die anhängenden Ansprüche definiert wird.

Claims (9)

1. Schraubenaufbau mit zumindest einem Gewinde (16A), welches sich schraubenförmig in beabstandeten Windungen um eine Längsachse (A) erstreckt, wobei das Gewinde (16A) eine Last aufnehmende Flanke (26A), eine keine Last aufhehmende Flanke (28A) und einen Gratabschnitt (30A) aufweist, der sich zwischen der Last aufnehmenden Flanke (26A) und der keine Last aufnehmenden Flanke (28A) erstreckt, wobei sich ein Grundabschnitt (39) zwischen benachbarten Gewindewindungen erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundabschnitt (39), gesehen in einem Längsschnitt, eine Krümmung hat, die durch Abschnitte zweier in Axialrichtung einander überlappender Eilipsen (42, 44) definiert wird, die durch einen flachen Abschnitt (46) miteinander verbunden sind, daß die Ellipsen (42, 44) tangential an die die Last aufnehmende Flanke (26A) bzw. die keine Last aufnehmende Flanke (28A) anschließen und daß der flache Abschnitt (46) parallel zu der Achse (A) ausgerichtet ist und tangential an die Ellipsen (42, 44) anschließt.

2. Schraubenaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptachsen (36A) der Ellipsen (42, 44) die gleiche Länge haben.

3. Schraubenaufbau nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gratabschnitte (30A) flach sind und sich parallel zu der Achse (A) erstrecken.

4. Schraubenaufbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Last aufnehmende Flanke (26A) elne größere Oberfläche hat als die kelne Last aufnehmende Flanke (28A).

5. Schraubenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die keine Last aufnehmende Flanke (28A) eine größere Oberfläche hat als die die Last aufnehmende Flanke (26A).

6. Schraubenaufbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Nebenachsen (38A) der Ellipsen (42, 44) eine kürzere Länge (Y') haben bzw. kürzer sind als der radiale Abstand zwischen dem Gratabschnitt (30A) und dem Grundabschnitt

7. Schraubenaufbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die die Last aufnehmende Flanke (26A) eine Winkelneigung hat, die sich von dem Gratabschnitt (30A) um näherungsweise 30 Grad wegerstreckt und daß die keine Last aufnehmende Flanke (28A) eine Winkelneigung weg von dem Gratabschnitt (30A) von näherungsweise 60 Grad hat.

8. Schraubenaufbau nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (16A) einen einzigen Gang aufweist.

9. Schraubenaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde (16A) mehrgängig ist