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Schraub enverbindung mit hintereinandergeschalteten Verspannbereichen
zunehmenden Vorbelastungsgrades Inder Patentschrift 685470 wird die Aufgabe,
die bei Schraubenverbindungen mit hintereinandergeschaltetenVerspannbereichen zunehmenden
Vorbelastungsgrads gleicher Schraubenstärken vorhandene geringere Zunahme der Wechsellast
im Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads nutzbar zu machen, durch die Anordnung
abnehmender Gewindestärke in den in Richtung der Schraubenachse hintereinandergeschalteten
Verspannbereichen zunehmenden Vorbelastungsgrads gelöst. Diese Anordnung erschöpft
nicht die Anwendungsmöglichkeiten des Erfindungsgedankens. Sie ist u. a. für übliche
Kopf- und Durchsteckschrauben nicht ohne weiteres anwendbar, desgleichen nicht dort,
wo nur auf dem einen Flansch Raum zum Anziehen der Spannmutter vorhanden und Gewinde
im Gegenflansch aus irgendwelchen Gründen, beispielsweise wegen der sich dabei ergebenden
Verkürzung der Dehnlänge und der Biegungslänge nicht erwünscht ist u. a. rn.
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Die vorliegende Erfindung zeigt einen neuen Weg, den angegebenen Erfindungsgedanken
nutzbar zu machen, ihm weitere Anwendungsgebiete zu erschließen. Erfindungsgemäß
werden die Verspannbereiche zunehmenden Vorbelastungsgrad,s mit den zugeordneten
Gewinden senkrecht zur Schraubenachse hintereinandergeschaltet derart angeordnet,
daß das dem Verspannbereich niederen Vorbelastungsgrads zugeordnete Bolzengewinde
auf einem die Schraube, vorzugsweise auf Teillänge, umschließenden hülsenartigen
Teil v orhanden ist, der selbst mindestens auf Teillänge dem Verspannbereich höheren
Vorbelastungsgrads angehört. Dieser hülsenartige Teil wird dabei mindestens in seiner
zu dem Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads gehörenden Teillänge drückend
vorgespannt.
An Hand von zwei in ASS. i und a dargestellten Ausführungsbeispielen
soll die Erfindung zweiter erläutert werden.
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Die Schraube a. der ebb. i ist an den Enden mit Gewinden !)l und b.,
und den zugehörigen Muttern cl, c., versehen. Über den Schaft ist die Hülse d gestreift,
deren oberer Teil ein Gewinde c besitzt. Die Hülse stützt sieh in der Schraubenverbindung
gegen den einen f der zu verbindenden Teile ab; sie wird beim Spannen der Schraube
durch die Mutter b, (oder b_) drückendbelastet. Schraubt man alsdann die in das
Bolzengewinde c der Hülse greifende Spaninnutter lt- gegen den zu verbindenden Teil
ä vor, so «erden die Teile f und gegeneinandergepret'it. Gleichzeitig steigt die
Belastung der Schraube a, während clie Druckbelastung oder Vorspannung der Hülse
abnimmt. Wir haben zwei hintereinandergeschaltete Verspannbereiche zunehmenden Vorbelastungsgrads,
wobei Schraube und Hülse auf ihrer ganzen Dehnlänge auch dein Verspannbereich hiiheren
Vorbelastun gsgrads zugeordnet sind.
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Die Belastungsverteilung in diesen Verspannbereichen zunehmenden Vorbelastungsgrads
beim Vorspannen und bei Betriebsbelastung ergibt sich aus den bekannten Gesetzmäßigkeiten
in verspannten Schraubenverbindungen und läßt sich am einfachsten finit Hilfe der
bekannten Kraft=Längungs-Schaubilder darstellen, wobei zweckmäßig die Darstellung
der Lastverteilung in beiden Verspannbereichen in einem Schaubild zusannnengefafit
wird.
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Das Schaubild 3 zeigt diese Lastverteilung in beiden Verspannbereichen.
Es bezeichnen Cz,, Czsp, die Federkonstanten der bei Anwachsen der Betriebslast
P zunehmend belasteten Teile, Ca, Cas p, die Federkonstanten der bei Anwachsen
der Betriebslast P abnehmend belasteten Teile, l' ,, I'sp, die Vorspannkräfte in
den beide@i Verspannbereichen.
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Pz" Pzsp, die Belastungsänderung der Cz,-bzu-. Czsil,-Teile bei der
Betriebslast Pe, Pa,, Pas p, die Belastungsänderung der Cu-1>zw. C-asp,-Teile bei
der Betriebslast Pe.
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Die Beifügung sp gibt die Zugehörigkeit zum Verspannbereich höheren
Vorbelastungsgrads an; angedeutet sind in ABI). 3 noch zuin Vergleich Cz und Pz
der einfach verspannten üblichen Schraubenverbindung gleicher Schraubenahinessung.
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Eine in der verspannten Verbindung auftretende Betriebslast
P, die die Teile f und voneinander zu entfernen sucht, vergrößert
unter Abnahme der Vorspannung L', die Belastung der Cz,=1'eile, zu denen Schraube
und hülse gehören, im Verspannbereich niederen Vorbelastungsgrads tun 1'z,. Da sich
dieser Belastungszuwachs in dem nachgeschalteten Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads
auf die zur Federkonstanten Casp, gehörende Hülse und die zur Federkonstanten Czsp,
ge-
hörende Schraube im Verhältnis dieser Federkonstanten verteilt, so bleibt
als wechselnde Belastungszunahme der Schraube der Anteil Pzsh,, als wechselnde Belastungsabnahme
der Hülse der Anteil Pasp, wirksam. Durch geeignete Wahl der a,-ederkonstanten mit
den \"eränderlichen 1#, i und E kann der Anteil I'zsp, bei gegebenem P gewünscht
klein gehalten «-erden.
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Da die @-er.spaniiung höheren Vor-Belastungsgrads einer bestimmten
Schraubenlänge gegen einen zusätzlichen Querschnitt (Hülse) die Federkonstante Cz,
im Verspannbereich niederen Vorbelastungsgrads und damit Pz, erhöht, so ist eine
Verspannlänge höheren V orbelastungsgrads auf möglichst kurzer Teillänge vorteilhafter
als die gleiche Verspannung auf der Gesamtlänge der Schraube. Sie erhöht die Federkonstante
Cz, des Verspannbereichs niederen Vorbelastungsgrads nur auf einem Teilabschnitt
der Schraubenlänge, ermöglicht somit auf diesem Teilabschnitt die Wahl eines günstigsten
Behältnisses der Federkonstanten Czsp und Casp des \"erspannbereichs höheren Vorbelastungsgrads
bei verminderter 1'cüclkwirkutig auf Cz,.
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Die Grölte der zulässigen Belastung von gegeneinander verspannten
Teilen bei festgelegten Federkonstanten, also auch festgelegten Querschnitten. hängt
von dem Teil finit den kleinsten' zulässigen Wechselbeanspruchungen ab. Daher ist
es in dem vorliegenden Fall erwünscht, daß die zulässigen Wechselbeanspruchungen
der Hülse mindestens gleich, besser höher liegen als die des Gewindeteils der Schraube.
Die zulässige Wechselbeanspruchung der Hülse ist in den Ausführungen Abb. i und
2 wesentlich von der Größe der Spannungsspitze im Gewindegrund abhängig. Diese Spannungsspitze
«-ird bei gegebener Gewindeform verringert A) durch verringerte Biege- und Schubbeanspruchung
der Gewindekämme, B) durch gleichmäßigere Verteilung der Beanspruchung über den
tragenden Kernquerschnitt, C) durch geeigneten Werkstoff.
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Bei der Hülse liegt im Gegensatz zu bekannten Mitteln (Halsmuttern,
elastischere Gewinde, ungleicher Gewindesteigung von Mutter und Bolzen, Oberflächendrücken,
Nitrieren des Gewindes. Hohlbohren der Schraube u. a.) eine gleichzeitige Benutzung.
der unter A bis C angegebenen Möglich--
Leiten vor. Der drückend
verspannte Gewindeteil der Hülse ergibt Aa) gleichmäßigere Verteilung der Belastung
auf die Gewindegänge der Kupplung Spannmutter-Hülse als in der üblichen Kupplung
Tragmutter-Schraubenbolzen infolgeder drückenden Vorbelastung (bzw. fehlenden Zugbelastung)
der Hülse, b) einen größeren Außendurchmesser des Hülsengewindes als bei dem Schraubengewinde,
demnach erhöhte Tragfähigkeit bei gleicher Biege- und Schubbeanspruchung der Kämme
am Gewindegrund, B a) Entlastung der höchstbeanspruchten Fasern infolge der Druckvorspannung
im Gewindeteil der Hülse, b) gleichmäßigere Verteilung der Belastung über den Kernquerschnitt
durch die Bohrung der Hülse, c) eine Steigerung der Dauerhaltbarkeit durch die gleichzeitig
mit der Druckvorspannung vorhandene, radial nach innen drückende Kraftkomponente
der Flankenbelastung des Gewindes, C) Möglichkeit der Wahl des geeignetsten Werkstoffs
für den Gewindeteil der Hülse unabhängig vom Werkstoff des Schraubenbolzens.
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Die zulässige Nennbeanspruchung des Gewindequerschnitts der Hülse,
zugeordnet dem Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads, kann nach obigem größer
als die zulässige Nennbeanspruchung des zügig beanspruchten Gewindequerschnitts
des Schraubenbolzens werden. Es ist damit auch nicht stets erforderlich, in Abb.
i den Hülsenquerschnitt lediglich aus Gründen der Wechselbeanspruchung im Gewindegrund
größer als den Kernquerschnitt des Gewindes der Schraube zu halten, um so mehr als
mit abnehmendem Kernquerschnitt der Hülse der Raumbedarf abnimmt. Durch Verkleinerung
des Querschnitts des glatten Hülsenschafts gegenüber dem Kernquerschnitt des Hülsengewindes
lassen sich die Beanspruchungsverhältnisse noch verbessern.
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Die höchste Gesamtbelastung (ruhend -;-wechselnd) ist in Hülse und
Schraube gleich, wenn die V orspannungen in beiden Verspannbereiehen gleichzeitig
Null werden, wie in dem Schaubild 3 der Übersichtlichkeit wegen angenommen. Auch
hierbei ist der drückend belastete Hülsenteil dem zügig belasteten Gewindeteil der
Schraube in bezug auf Gesamtbelastbarkeit bereits bei gleichen Ouerschnitten überlegen.
Aus praktischen Gründen wird man die Vorspannung im Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads
so hoch legen, daß die volle Entspannung in diesem V erspannbereich etwas später
eintritt als im Verspannbereich niederen Vorbelastungsgrads. Diese Maßnahme hat
lediglich eine kleine Steigerung der Gesamtbelastung der Schraube bei ihrer vollen
Entspannung zur Folge.
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Die Abb. z zeigt eine Ausführung, bei der nur ein Teil der Dehnlänge
der Schraube im Verspannbereich höheren Vöfbelastungsgrads liegt, um den Anteil
der wechselnden Betriebslast, der von dem Gewindeteil der Schraube aufzunehmen ist,
stärker als bei der Ausführung Abb. i und stärker als im Schraubenschaft herabsetzen
zu können. In Abb. 2 trägt die Hülse d außen das Bolzengewinde für die Spannmutter
la, innen das MuttergewindefürdasSchraubengewindeb. ZurHerstellung der Verspannung
zwischen Schraube und Hülse wird die Hülse mit Hilfe der Schlitze j bis zum Anschlag
ihres Schaftteils k an dem Bund i der Schraube und bis zu der gewünschten Vorspannung
vorgeschraubt. Alsdann erfolgt das Aneinanderpressen der Flansche f und g durch
die Spannrnutter da. Dabei nimmt die Schraubenbelastung zu unter Abnahme
der Vorspannung zwischen den -Flanschen f und g und den Teilend und
1. Die Wirkung ist demnach grundsätzlich die gleiche wie vorstehend bei der
Ausführung Abb. i beschrieben.
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Infolge der Einordnung nur eines Teils der Schraubenlänge in den Verspannbereich
höheren Vorbelastungsgrads wird aber der Anteil Pz der Betriebsbelastung, der auf
den. Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads als wechselnde Belastung einwirkt,
nur wenig größer als bei der normalen Schraubenverbindung,während er sich andererseits
etwa im Verhältnis der OOuerschnitte von Schraubenkern und Hülsenkern (bei gleichem
E und gleicher Länge!) oder genauer im Verhältnis der Federkonstanten der gegeneinander
verspannten Längen von Schrauben und Hülsen auf die genannten Querschnitte verteilt.
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Man braucht die verspannte Hülsenlänge nicht übertrieben kürz zu halten,
da die Abnahme von Pz bei im Verhältnis zur Gesamtdehnlänge kleiner Länge der Schraube,
die gegen die Hülse verspannt ist, sich nur noch wenig bemerkbar macht; außerdem
führen sehr kurze Hülsenlängen u. U. zu anderen Nachteilen. Bekannt ist der nachteilige
Einfluß einer zu- kurzen Gewinderille oberhalb des Bundes 1.
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Ein Kraft-Längungs-Schaubild für eine Schraubenverbindung nachAbb.2
zeigt Schaubild4.. GegenüberSchaubild3liegtderwesentliche Unterschied darin, daß
zwar infolge des nur auf eine Teillänge der Schraube sich erstreckenden Verspannbereichs
höheren Vorbelastungsgrads, also kurzer Federlänge, die Federkonstanten Czsp und
Casp des Verspannbereichs höheren Vorbelastungsgrads an sich größer-sind.-als die
gleichen Federkonstanten
im Schaubild 3, aber infolge ihrer kürzeren
Einflußlänge auf die Federkonstante im Verspannbereich niederen Vorbelastungsgrads
diese Federkonstante wesentlich kleiner als Czl im Schaubild 3 ist, so daß auch
Pz. < Pzi wird. Daraus bereits ist die größere Wirksamkeit des Verspannbereichs
höheren Vorbelastungsgrads auf Teillänge der Schraube ersichtlich, ihre größere
Unabhängigkeit in der Wahl des Hülsenquerschnitts zur Erreichung einer gewünschten
Lastverteilung, wobei die Tragfähigkeit des Bolzengewindes bei Wechsellast die zulässige
Lasthöhe bestimmen kann. Hierfür sind die Bedingungen in Abb. 2 noch günstiger als
für Abb. i bereits dargelegt.
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Wird in Abb. i die Mutter c, mit dem Gewindeteil e der Hülse zu einer
Hülse mit Innen- und Außengewinde vereinigt, so kann zweckmäßig, insbesondere bei
längeren Hülsen, der gewindefreie Hülsenteil als getrennter Teil ausgeführt werden.
Dieses ergibt die Möglichkeit, eine Hülse von gleichbleibender Höhe lt =
cl -;- e bei verschiedenen erforderlichen Gesamthülsenlängen anzufertigen. In Abb.
2 würde entsprechend der Schaftteil k von d abgetrennt werden. Eine bundartige Verstärkung
an der Trendfläche ergibt beim Vorschrauben der Hülsenmutter eine größere Auflagefläche.
Das Außen- und das Innengewinde kann wie in Abb. 2 axial in gleicher Höhe oder bei
vorhandenem axialem Raum gegeneinander nach oben oder unten verschoben angeordnet
werden, wobei eine Verschiebung nach oben u. U. stärkere Kernquerschnitte für das
Hülsenaußengewinde erfordert.
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In der Ausführung Abb. i kann die Mutter cl oder c2 durch einen Schraubenkopf
oder die Mutter c_ durch Gewinde im Flansch f ersetzt werden.
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Ein besonderer Vorteil der Erfindung entsteht, wenn die Vorspannung
im Verspannbereich niederen Vorbelastungsgrads durch irgendeinen Umstand, beispielsweise
durch Ausblasen der Dichtung, verlorengeht. Dann hat eine einfach verspannte Schraubenverbindung
die volle wechselnde Betriebslast aufzunehmen, während bei der Doppelverspannung
die Verspannung höheren Vorbelastungsgrads weiterbesteht, die Betriebslast sich
auf Schraube und Hülse bis zur vollen Entspannung verteilt, die Schraube entlastet
wird. Diese Sicherung allein ergibt bereits einen hinreichenden Vorteil zur Anwendung
der auf der ganzen Länge gemäß Erfindung verspannten Schraube im Sonderfall. Dabei
wird die angegebene Wirkung besonders gesichert, wenn eine dauernde Verformung der
Gewindekämme bei Überlastung zuerst im Gewinde größeren Durchmessers stattfindet.
In diesem Sinne ist eine höhere Beanspruchung der Gewindekämme des größeren Gewindedurchmessers
kein Nachteil, sondern eher ein Vorteil.