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Schraube erhöhter Tragfähigkeit bei Wechsellast In gekerbten Querschnitten
entsteht eine ungleichmäßige Verteilung der Beanspruchung über den Querschnitt mit
einer Spannungsspitze am Kerbgrund. Der Gewindeteil von Schrauben besteht aus derartigen
gekerbten Querschnitten, wobei die Kerbwirkung durch die Art der Lastübertragung
von der Mutter auf den Bolzen verstärkt wird. Die Dauerhaltbarkeit (= % Zugschwellhaltbarkeit)
der Schraube ist durch die Spannungsspitze im ersten tragenden Gewindegang festgelegt
und an sich infolge des überragenden Einflusses dieser Spannungsspitze unabhängig
von der Ausbildung des Schafts als Starrschaft oder als Dehnschaft. Sowie jedoch
federnde Zwischenglieder zwischen Kopf und Mutter eine Schraubenverbindung mit gegenseitiger
Verspannung ergeben, bewirkt die kleinere Federkonstante der Schraube mit Dehnschaft
eine Verringerung des Anteils der wechselnden Betriebslast, den die Schraube aufzunehmen
hat.
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Die bekannten Maßnahmen an der Schraube zur Erhöhung der Tragfähigkeit
der verspannten Schraubenverbimdungen bei Wechsellast sind bei gegebener Gewindeform
und Abmessung der Schraube sowie gegebenem Werkstoff von Mutter und Bolzen im wesentlichen:
r. Gleichmäßigere Verteilung derBelastung auf die tragenden Gewindegänge durch elastische
Gewindekämme, Kraftgleichfluß in Mutter und Bolzengewinde durch Halsmuttern u. ä.
m., verschiedene Gewindesteigung von Mutter und Bolzen iu. a.; a. Gleichmäßigere
Verteilung der Beanspruchung über den tragenden Kernquerschnitt a) durch günstige
Vorspannungen in
den höchstbeanspruchten Fasern durch Drül:-ken,
Walzen, Nitrieren, Aufbringen von Werkstoffschichten unter Vorspannung u. a., b)
durch Hohlbohren der Schraube; 3. Abbau des Anteils der wechselnden Betriebsbelastung,
den die Schraube in der Schraubenverbindung mit gegenseitiger Verspannung aufzunehmen
hat, durch-Verringerung der Federkonstanten der Schraube (Dehnschaft, Hohlschrauben,
im Schaft hohlgebohrte Schrauben).
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Von den hierbei bekannten Mitteln zum Abbau der Spannungsspitzen im
Gewindekerbgrund der gefährdeten Gewindegänge abweichend, wird nach der Erfindung
zur Erhöhung der Tragfähigkeit bei Wechsellast eine auf ganzer Länge oder auf Teillänge
von mindestens der Länge ihres gefährdeten Gewindes hohle Schraube (Mantelschraube)
nur auf Teillänge im wesentlichen im Bereich der gefährdeten Gewindegänge der Mantelschraube
durch einen eingesetzten Kernteil, vorzugsweise eine Kernschraube, axial mehr oder
weniger verspannt.
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An Hand der in den. Abb. r bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele
und der Schaubilder q. bis 7 soll die Erfindung weiter erläutert und gekennzeichnet
werden.
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Die Schraube ca der Abb. r ist in ihrem gewindetragenden Teil hohl.
Die Wandung der Bohrung b trägt am Schraubenende ein Innengewinde c. In die Bohrung
b ist ein Druckstift d passend eingesetzt. Gegen diesen wird der Gewindestifte vorgeschraubt,
bis in d und e die vorgesehene Druckkraft vorhanden ist. Dadurch wird
der Gewindequerschnitt von f mit dem anschließenden Schaftübergangsteil zügig gegen
den Druckstift d verspannt; die Wechselbelastung des Kernquerschnitts von f wird
bei Belastung um die Abnahme der in d herrschenden Druckkraft herabgesetzt.
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Schneidet man das Gewinde f unter der angegebenen oder einer noch
höheren Vorspannung der Schraube mit der normalen Steigung ein, so wird außerdem
die Last verteilung auf die einzelnen tragenden Gewindegänge von f günstiger, ein
wichtiger Vorteil, der eine erhöhte Belastbarkeit des hohlen Gewindeteils bewirkt
und sich bei Benutzung der bereits erzeugten Vorspannung ohne Mehraufwand ergibt.
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Der Schaft kann, wie in Abb. z strichpunktiert angedeutet; auch hohl
sein, oder er wird unterhalb der Bohrung b als Dehnschaft ausgebildet, was bei Biegung
am vorteilhaftesten ist.
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Die Abb. 2 zeigt eine Hohlschraube g mit den Bohrungen lt und
i sowie dem Innengewinde j. Durch die in das Innengewinde greifende Kopfschraube
h kann das Gewinde 1. der Hohlschraube im Kernquerschnitt und der anschließende
Schaftteil drückend in geeigneter Höhe vorgespannt werden. Der Schaft der Schraube
erhält im Bereich des 'Innengewindes j einen Außendurchmesser, der einen genügenden
Querschnitt ergibt. Die Bohrung i kann gleich dem Außendurchmesser des Innengewindes
sein, oder der Schaft kann hinter dem Innengewinde so weit eingezogen werden, .daß
hier keine unnötige Schaftverstärkung entsteht. Im Grenzfall kann der volle Dehnschaft
gewählt werden.
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Der als tragend zu rechnende Querschnitt in der Ebene des ersten tragenden
Gewindegangs von Z besteht aus dem Kernquerschnitt der Hohlschraube g und dem Kernquerschnitt
der Kernschraube h; er ist also wesentlich größer als bei der Hohlschraube g allein.
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Der Kopf der Kernschraube k trägt ein dem Gewinde Z gleiches Außengewinde
in. Beide Gewinde werden nach dem Einschrauben von 1, geschnitten. Das Außengewinde
1 überträgt nur einen Teil der Belastung. Durch Ausbildung der Spannmutter it als
Halsmutter läßt sich die Belastung auf 1 und nt günstiger verteilen. Die
Kernquerschnitte von l und j kann man nach-dieser Lastverteilung bemessen.
Da die Gesamtbelastung sich auf zwei Gewinde verteilt, wird die Spannungsspitze
im einzelnen Gewinde und Kernquerschnitt geringer.
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Durch Nachspannen der Kernschraube k nach Vorschrauben der Spannmutter
zt kann die Lastverteilung in it noch geändert werden.
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Ist eine Gegenmutter für n vorgesehen, so kann jedem der Außengewindel
und m je eine der Muttern zugeordnet werden. Dann können die Gewinde l und in verschieden
sein oder beliebige Stellung zueinander haben.
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Die Ausführung nach Abb. 3 stellt eine hohlgebohrte Paßschraube o
dar, die an dem Gewindeende durch einen Spannkörper p, der Zug und Druck übertragen
kann, zügig vorgespannt ist.
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Zum Einbau des Spannkörpers p wird die Schraube o unter Zugbelastung
gesetzt; dann werden in diesem Zustand die Innengewinde q und r geschnitten,
der Spannkörper p eingesehraubt und gesichert. Wird die zügige Belastung der Schraube
o aufgehoben, so steht der Spannkörper p unter Druck-, die Schraube o im Gewindeteil
unter Zugvorspannung. je nach der Höhe der Druckvorspannung ergibt sich beispielsweise
eine Vorspannung Null bei Teillast oder erst über der zulässigen Betriebsbelastung
der Schraube. Da nach Aufhebung der drückenden Vorspannung in p der .Spannkörper
zügig belastet an der Kraftaufnahme weiter teilnimmt,
so kann sich
die Vorspannung, beispielsweise durch Nachlassen im .Gewinde, verändern, ohne die
Kraftübertragung durch p auszuschalten. Die zügige Beanspruchung des Spannkörpers
nach Aufhebung der drückenden Vorbelastung stellt also eine Verstärkung oder einen
zusätzlichen Schutz der Schraube o im Gewindeteil, insbesondere bei zeitweiser Überlastung,
dar. Da weiterhin durch die zügige Vorspannung der Schraube o die Möglichkeit des
Fertigbearbeitens des Außengewindes der Schraube o mit normaler Steigung unter Vordehnung
gegeben ist, läßt sich auch eine günstigere Lastverteilung auf die tragenden Gewindegänge
von o erzielen. Insgesamt wird eine äußerst weitgehende wertvolle Ausnutzung des
Spannkörpers p und damit .des Kernraums der Schraube erreicht.
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Der Einfluß einer Ausbohrung und einer Zerlegung eines größeren Gewndekernquerschnitts
in zwei konzentrische Gewindekernquerschnitte läßt sich bereits an -dem Schaubild
der Spannungsverteilung gekerbter Ouerschnitte erkennen (Abb. q.). Die senkrecht
gestrichelte Fläche f" sei die Spannungsfläche des vollen Kernquerschnittes -des
Gewindes der Schraube mit den bekannten Spannungsspitzen.
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Schneidet man durch Hohlbohren des Gewindeteils der Schraube die Fläche
f= heraus und ersetzt sie durch die Spannungsfläche fli einer Kernschraube mit gleich
großer Spannungsspitze, so wird die gesamte Spannungsfläche f' (fv - M -i_
f )c > /v. Die Tragfähigkeit des hohlen Gewindekern-. querschnitts mit Kernschraube
muß also größer sein als die des hohlen, Gewindekernquerschnitts allein und auch
größer als die des vollen Kernquerschnitts der Schraube. Die Dauerhaltbarkeit -des
hohlen Kernquerschnitts ist infolge Fortfalls der flachen Spannungsfläche f= bei
gleichzeitigem Abbau der Spannungsspitze infolge der Ausbohrung höher als im vollen
Kernquerschnitt. (Der Abbau der Spannungsspitze ist in Abb. q. nicht eingezeichnet.)
Dieser Fall liegt bei .der Erfindung bzw. den Ausführungsbeispielen Abb. i bis 3
vor. Diese Erkenntnis allein genügt aber nicht.
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Da eine Schraube mit einer kleineren Federkonstanten bei einer bestimmten
Schlagarbeit geringer beansprucht wird, der von ihr aufgenommene Anteil der wechselnden
Betriebslast in der verspannten Schraubenverbindung geringer ist, so bewirkt eine
Veränderung der Federkonstanten der Schraube rückwirkend eine Veränderung des durch
die Kernschraube im hohlen Gewindeteil erzielbaren Gewinns. Er wird daher gemäß
Erfindung -,eine Erhöhung der Federkonstanten der Schraube vermieden oder möglichst
klein gehalten, durch Einbau einer Kernschraube auf Teillänge der Schraube begrenzt,
vorzugsweise auf den hohlen Gewindeteil.
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An den an sich bekannten Kraftlängungsschaubildern läßt sich dieser
Einfluß gut erkennen.
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Abb. 5 zeigt für eine einfach verspannte Schraubenverbindung, z. B.
einer Flanschverbind:ung, die Verteilung der Betriebsbelastung P auf Schraube und
Dichtungswelle der Flansche. P,; ist der Anteil der Betriebslast, der auf die hohle
Schraube mit der Federkonstanten
kommt. Die Flanschnachgebigkeit sei für CZ, vernachlässigt, um einfache Vergleichsbilder
zu erhalten.
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Wird ,die Hohlschraube mit einer bekannten durchgehenden Zugkernschraübe
versehen, in diese Schraubenverbindung eingebaut, so ändert sich .das Schaubild
gemäß Abb. 6.
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Die Federkonstante der zusammengesetzten Hohlschraube steigt infolge
der Verstärkung durch die durchgehende Kernschraube von C-, auf C", damit wird auch
P--" > P... Von P--" kommt jedoch nur der Anteil P"", auf die Hohlschraube selbst,
da sich P, im Verhältnis der zugehörigen Federkonstanten von Hohl- und Kernschraube
auf beide Sehrau ben verteilt. Wie ersichtlich, ist P"p, wenig kleiner als PZ_ der
einfachen Hohlschraube, so daß sich aus der Lastverteilung nur ein sehr kleiner
Gewinn an Tragfähigkeit bei Wechsellast durch den Einbau der durchgehenden Zugkernschraube
ergibt.
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Wird dagegen nach Erfindung in dieHohlschraube nur auf Teillänge,
vorzugsweise im Gewindeteil, eine Kernschraube eingebaut, die drückend oder zügig
vorgespannt wird, so steigt die Federkonstante der neuen Schraube nur von C, auf
CZ7 an, es wird P,-, C P" (Abb. 7). Ist das Verhältnis der Federkonstanten der Hohlschraube
im Gewindeteil und der Kernschraube das gleiche wie in dem Schaubild 6 für die Federkonstanten
von Hohlschraube und Kernschraube, so wird
wie aus den Schaubildern 6 und 7 entnommen werden kann.
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Der Verspannbereich des Gewindeteils mit Kernschraube ist ein nachgeschalteter
Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads. d. h. die Vorspannkraft V des einfachen
Verspannbereichs
tritt im höheren Verspannbereich als ruhende Betriebsbelastung
auf. Der Unterschied PZ;-PSp7 ist der Gewinn an Wechselbelastbarkeit der neuen Schraube
gemäß Erfindung durch die günstigere Lastverteilung gegenüber der bekannten Hohlschraube
(Vergleich der Schaubilder und7), während die Hohlschraube mit durchgehender Zugker
nschraube nur einen auf P, - P""" verringerten, also sehr geringen Gewinn aufweist
(Vergleich der Schau-1#ilder s und 6).
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Der Übersichtlichkeit wegen sind in dem Schaubild die Vorspannungen
V,, und V,", so gewählt, daß beide bei der Betriebsbelastung P, Null werden.
Praktisch wird man V,"" etwas größer wählen, so daß zuerst V7 = o wird.
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Ersetzt man den hohlgebohrten Schaft der Hohlschraube, die nur im
Gewindeteil eine kurze Kernschraube besitzt, durch einen derartigen Dehnschaft,
daß die Federkonstante der neuen Dehnschraube C1, bleibt, so gilt Schaubild 7 unverändert,
wozu jedoch die geringere Biegungsbeanspruchung infolge des kleineren Trägheitsmoments
des Dehnschafts tritt. Auch dieser Vorteil der Erfindung ist mit durchgehender Zugkernschraube
nicht erreichbar. Die Hohlschraube und die Hohlschraube mit durchgehender Zugkernschraube
lassen sich also vorteilhaft durch eine Dehnschraube gemäß Erfindung ersetzen.
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Vergleicht man eine normaleDehnschraube mit einer Dehnschraube mit
Kernschraube im Gewindeteil gemäß Abb. i bis 3, deren Federkonstanten gleich groß
und gleich C., sind, so ergibt sich aus Schaubild 7, daß in beiden Schrauben der
Wechs.ellastanteil des Verspannbereichs ersten Vorbelastungsgrads ich -roß wird.
Da aber gemäß Schauae t' bild d. der zusammengesetzte gekerbte Querschnitt eine
höhere Wechsellast als der volle gekerbte Querschnitt erträgt, ist auch für die
Dehnschraube mit Kernschraube im Gewindeteil eine höhere Wechsellast P als für die
normale Dehnschraube zulässig, eine überraschende Wirkung der Erfindung.
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Die günstigsten Größen der Vorspannung und der Querschnitte lassen
sich aus dem Schaubild der Spannungsverteilung über den Querschnitt und dem Kraftlängungsschaubild
erkennen. Wechselt die Kraft in den Schrauben ihre Richtung, so wird man vorteilhaft
diesen Richtungswechsel durch Wahl der Vorspannung im Verspannbereich höheren Vorbelastungsgrads
vor Auftreten der Betriebswechsellast oder nach Vollast be-Zinnen lassen, ersteres
beispielsweise bei der Ausführung Abb. 2, wobei die Vorspannung Jer Kernschraube
im Grenzfall Null werden ,iann, ohne die Wirkung der Erfindung zu verlieren, letzteres
bei der Ausführung Abb. 3.
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Ist beispielsweise eine eingebaute Schraube (Hohlschraube oder volle
Schaftschraube) infolge der Betriebswechsellast gebrochen, so wird die Wechselbelastbarkeit
der Schraube gemäß Erfindung erhöht, während man bisher in solchem Fall den Schaft
weitergehend verschwächte. Jetzt kann man sogar beide ?Mittel gleichzeitig anwenden,
wenn die Größe der Wechsellast Erzielung höchster Wechselbelastbarkeit erfordert.
Dabei bietet die geschaffene Möglichkeit, günstigere Verteilung der Belastung auf
die Gewindegänge durch Schneiden des Gewindes mit normaler Steigung unter Vordehnung
ohne Mehraufwand zu erreichen, eine weitere Sicherheit.
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Steigt die Belastung in Abb.7 über P, auf P;l, so wird in der Druckkernschraube
nach Abb. i infolge der aufgehobenen Vorspannung die Wechsellast der zu verstärkenden
Schraube um Pza = Pu -PP anwachsen. Bei der zügig beanspruchten Kernschraube
(Abb.2 und 3) wird dagegen P,zii. sich im Gewindeteil in gleicher Weise wie P2,
auf die beiden Schrauben verteilen, ein Vorteil dieser Kernschraubenart.
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Für Schrauben mit Gewinden an beiden Enden läßt sich jedes Ende in
der angegebenen Weise verstärken. Für sehr kurze Schrauben ist dieses nicht immer
ohne merkliche Erhöhung der Federkonstanten der Schraube durchführbar. Insbesondere
für diese kurzen Schrauben ist daher nur eine, aber durchgehende Druck- oder Zugkernschraube
zweckmäßig, deren Gegenhalte vorteilhaft an den Schraubenenden liegen. Gleichzeitig
werden aber zur Vermeidung der Nachteile der bekannten durchgehenden Kernschrauben
beide Schaftquerschnitte im Verhältnis der Belastbarkeit ihrer Gewindeteile so weit
verschwächt, daß sie zusammen keine Erhöhung der Federkonstanten im Schaft ergeben.
Damit werden wieder eine praktisch unveränderte Schaftfederung trotz erhöhter Wechselbelastbarkeit
des Gewindeteils und ein verminderter Biegungswiderstand erzielbar, so daß der Gewinn
durch den zusammengesetzten Querschnitt im Gewindeteil voll nutzbar gemacht werden
kann.
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Ersatz der Gewindekupplung zwischen Schraube und Spannkörper (Kernschraube)
durch andere passende Verbindungsarten soll zum Erfindungsbereich gehören. Beispielsweise
kann das Gewinde q in der Ausführung Abb. 3 durch ein Verschweißen oder durch Keilverbindungen
u. ä. m. ersetzt werden.
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Die beschriebenen Ausführungsbeispiele erläutern die Erfindung in
ihren Grundzügen. Die Beschränkung der Verstärkung der Schraube auf die schwächsten
Teile der
Schraube verändert den von der Schraube in der Schraubenverbindung
aufzunehmenden wechselnden Lastanteil gar nicht oder nur in geringem Maße, ergibt
den geringsten Werkstoffaufwand, so daß die erreichbaren Vorteile nicht durch Nachteile
gemindert werden. Wenn die Federungen der verstärkten und :der uriverstärkten Schraube
praktisch gleich sind, ist durch einen Einbau der verstärkten Schraube als Ersatz
der unverstärkten Schraube der durch die Schraubenverstärkung erreichbare Vorteil
ohne eine weitere Nachprüfung der sich ergebenden Lastverteilung gesichert.