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Gewinde, insbesondere Einstell- und Meßgewinde Die Erfindung bezieht
sich auf Gewinde, insbesondere Einstell- und Meßgewinde, deren gleichmäßiger, zügiger
Gang auch bei größeren Temperaturunterschieden erhalten bleiben soll.
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Wegen des zu fordernden weichen, zügigen Ganges, aber auch aus Verschleiß-
und Fertigungsgründen wird bei Einstellgewinden im allgemeinen die Mutter aus einem
anderen Werkstoff gefertigt als der Bolzen. Im Gebrauch bei etwa gleichbleibenden
Temperaturen haben sich die auf Grund der gesammelten Erfahrungen heute üblichen
Werkstoffpaarungen für Gewinde der bekannten Konstruktionen durchaus bewäbrt. Da
aber verschiedene Werkstoffe in der Regel verschiedene Wärmeausdehnungskoeffizienten
haben, arbeiten diese Gewinde nur in einem recht begrenzten Temperaturintervall
einwandfrei. Ihre Gängigkeit ändert sich mit der Temperatur. Bei fortschreitender
Erwärmung oder Abkühlung wird von gewissen Temperaturen an ein solches Gewinde klemmen
oder wackeln, je nachdem, in welcher Weise die gepaarten Werkstoffe für Bolzen und
Mutter verwendet wurden. Um diesen Nachteil wenigstens in seinen extremen Auswirkungen
abzuschwächen, werden bisweilen gewisse Kunstgriffe angewendet, wie beispielsweise
Schlitzung der Gewindemutter, größeres Spiel im Gewinde unter Verwendung besonderer
Schmiermittel, Einfügen von Gewindeteilen aus Kunst- bzw. Preßstoffen u. a. m. Derartige
Maßnahmen bleiben aber stets Notbehelfe, die nicht geeignet und nicht in der Lage
sind, ein bei allen auftretenden Temperaturen einwandfrei arbeitendes Gewinde zu
schaffen. Wohl können sie den Temperaturbereich, in welchem
z. B.
ein Einstellgewinde gerade noch brauchbar ist, vergrößern, erkaufen den Gewinn aber
auf Kosten der Gewindepassung und des zügigen Ganges.
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Dieser Mangel macht sich bei all denjenigen Geräten mit Einstellgewinden
bemerkbar, die im Gebrauch beispielsweise bei Fertigungs- oder Laborarbeiten unter
den verschiedensten Wärmeverhältnissen eingesetzt werden müssen oder gleichermaßen
bei tropischem und arktischem Klima Verwendung finden. _ Man denke z. B. an Präzisionsmaschinen,
Nachrichtengeräte, Instrumente der verschiedensten Art, photographische Kameras,
Navigationsgeräte für Schiff-und Luftfahrt u. dgl. m.
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Die Erfindung offenbart, wie der Nachteil der Temperaturabhängigkeit
der Gewinde sicher zu vermeiden ist, und gibt die technische Regel an, nach der
Gewinde unabhängig von den verwendeten Werkstoffen für Mutter und Bolzen lediglich
durch die Formgebung vollständig temperaturkompensiert werden können. Gemäß der
Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Scheitelpunkte der Teilflankenwinkel
auf der Gewindeachse liegen, wobei die Gewindenut des Gewindebolzens und/oder der
Gewindezahn der Gewindemutter sich über höchstens die Länge eines Gewindeganges
erstrecken.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung noch näher beschrieben, wobei
weitere wesentliche Merkmale angegeben werden.
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In Fig. i ist das Profil eines symmetrischen Trapezgewindes dargestellt.
Es bedeutet a1 linearer Aus-
Nach dieser Formel
ist der Teilflankenwinkel nur von b, und r, abhängig, während die für Bolzen und
Mutter verwendeten Werkstoffe ohne Einfluß bleiben. Die Temperatureigenschaften
einer Gewindepaarung (Bolzen-Mutter) sind also nur gestaltabhängig. Somit ist jedes
nach dieser Formel
konstruierte Gewinde, also jeder Gewindegang, bei dem die Scheitelpunkte der Teilflankenwinkel
auf der Gewindeachse liegen, temperaturkompensiert. Die Gewindeflanken 3 und q.
von Bolzen und Mutter werden bei jeder auftretenden Temperatur mit gleichbleibender
Zügigkeit aufeinander gleiten. Um Klemmungen zwischen Bolzen und Mutter durch die
verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten a1 und a2 der Werkstoffe i und 2 zu vermeiden,
braucht nur dafür gesorgt zu sein, daß die Zwischenräume 5, 6 und 7 im Gewindegrund
entsprechend groß gewählt werden.
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Bei mit Fett oder Öl geschmierten Gewinden kann dem Dickerwerden des
Schmiermittels bei Kälte durch entsprechende Bemessung bzw. Überkompensation des
Gewindes Rechnung getragen werden.
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Für die Temperaturkompensierung ist es gleichgültig, ob es sich um
ein - wie in Fig. i dargestelltes -dehnungskoeffizient von Material i (z. B. Messing),
a2 linearer Ausdehnungskoeffizient von Material e (z. B. Aluminium), Po Bezugspunkt
in der Mitte der tragenden Gewindeflanke, :r, mittlerer Gewinderadius, b, mittlerer
Abstand zweier Gewindeflanken,
Teiliankenwinkel.
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Der Punkt Po liege bei einer angenommenen Normaltemperatur
to in der Mitte der tragenden Gewindeflanke, wie in Fig. i dargestellt. Zu
ihm gehören der mittlere Gewinderadius y, und der mittlere Flankenabstand b.. Das
Material i habe den linearen Ausdehnungskoeffizienten a1, das Material 2 habe denjenigen
von a2. Bei Temperaturänderungen wird sich der sowohl der Bolzengewindeflanke als
auch der Muttergewindeflanke zugeordnete Punkt Po in Abhängigkeit der beiden Ausdehnungskoeffizienten
a1 und a, zum Symmetriezentrum 0 hin verschieben. Bei einer Temperaturänderung um
to ändern sich r, und b, zu rtl - yo (i -I- alt), 7t2 - yo (i + a2t), btl = bo (i
-I- ah.t), bt2 = bo (_ .+. aßt).
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Der Punkt Po wandere also auf der Bolzengewindeflanke nach Ptl und
auf der Muttergewindeflanke nach Pt2. Berechnet man den Teilflankenwinkel
aus den Differenzen ytl - yt2 = Art und
so erhält man symmetrisches Trapezgewinde handelt oder um ein unsymmetrisches, also
um eines, bei dem die Teilflankenwinkel nicht gleich sind. Natürlich muß im letzteren
Falle jeder Teilflankenwinkel für sich nach der Formel
berechnet werden.
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In den Fig. 2 bis 5 sind Trapezgewinde im Profil dargestellt. Bei
den Fig. 2 und 3 ist für den Gewindebolzen das Material i, z. B. Messing, und für
die Mutter das Material 2, z. B. Aluminium, angenommen. Nach den Fig. q. und 5 wurden
die Werkstoffe i und 2 vertauscht, also besteht nunmehr der Bolzen aus Aluminium
und die Mutter aus Messing.
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Bei den Fig. 2 und q. schneiden sich die Verlängerungen der Gewindeflanken
3 und q. auf der Gewindeachse in 0. Der erfindungsgemäßen Forderung ist also genügt.
Daher sind diese Gewindeteile auch temperaturunabhängig. Anders liegen die Verhältnisse
bei den Fig. 3 und 5. Wie bereits aus den Figuren zu ersehen ist, gehören die Profile
zu ein und demselben Trapezgewinde. Die Flankenneigung entspricht also ebenfalls
der Formel
Die Verlängerungen der Gewindeflanken 3 und q, schneiden sich aber nicht auf der
Gewindeachse. Deshalb lassen sich diese Gewindestücke nicht temperaturkompensieren.
Vielmehr
würde das Gewinde nach Fig. 3 mit Bolzen aus Messing und
Mutter aus Aluminium bei Abkühlung klemmen und bei Erwärmung klappern. Das Gewinde
nach Fig. 5 würde bei Erwärmung klemmen.und bei Abkühlung klappern. Daraus ergeben
sich zwei wichtige Folgerungen für die Erfindung: i. Die Temperaturkompensation
gelingt nur, wenn der Bolzen die Gewindenut enthält und die Mutter den in diese
Gewindenut eingreifenden Gewindezahn; 2. der Gewindzahn darf sich nur über etwa
einen Gewindegang, also über etwa 36o° erstrecken.
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Damit eventuell auftretende Sekundäreinflüsse sich nicht hemmend auswirken
können, ist es zweckmäßig, den Gewindezahn nicht als vollen Gewindegang auszubilden,
sondern nur als etwa vier Fünftel hiervon.
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An dieser Stelle sei aber bereits darauf hingewiesen, daß in dieser
Beziehung Gewindezahn und Gewindenut vertauschbar sind. Es ist also gleichgültig,
ob in eine aus vielen Windungen bestehende Gewindenut ein aus nur etwa einem Gewindegang
bestehender Gewindezahn eingreift, oder umgekehrt, ein aus vielen Windungen bestehender
Gewindezahn sich in einer jeweils nur etwa eine Windung .umfassenden Gewindenut.
dreht. -In den Fig. 6 und 7 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Die in der Mitte aufgeschnitten gezeichnete Mutter nach Fig. 6 enthält den über
viele Windungen sich erstreckenden Gewindezahn 8, von dem in der Zeichnung drei
halbe Gänge zu sehen sind. Die tragenden Gewindeflanken 3 und q. genügen bezüglich
der Flankenwinkel gemäß der Erfindung der Formel
Den zu dieser Gewindemutter passenden Gewindebolzen zeigt Fig. 7. Dieser Bolzen
trägt zwischen den ebenfalls nach ' der Formel
ausgebildeten Flanken 3' und q.' die sich nicht ganz über einen Winkelbereich von
36o° erstreckende Gewindenut g. Beim Eindrehen dieses Bolzens in die Mutter der
Fig. 6 greift der Zahn 8 in. die Nut 9, die Muttergewindeflanken 3 und q. gleiten
auf den Bolzengewindeflanken 3' und q.', wobei die einmal vorhandene Gewindezügigkeit
bei allen auftretenden Temperaturen in gleicher Güte erhalten bleibt.
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Die Fig". 8 und 9 zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Hierbei ist eine lange Gewindenut 9 in den Bolzen der Fig. 8 eingeschnitten, in
die der Gewindezahn 8 der Fig.9, der kürzer als eine volle Umdrehung sein soll,
einschraubbar ist. Die Neigung der tragenden Flanken 3 und q. bzw. 3' und q.' ist
nach der Formel gemäß der Erfindung berechnet, so daß auch diese Gewindeausführung
temperaturunabhängig ist.
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Der Erfindungsgegenstand kann besonders zweckmäßig auch bei mehrgängigen
Gewinden verwendet werden. Dabei werden z. B. die Gewindenuten in den Bolzen eingeschnitten
und die entsprechenden Gewindezähne in der Mutter vorgesehen. Die Gewindezähne liegen
als Gewindestücke innerhalb einer einem Gewindegang entsprechenden »Ringzone«, d.
h. innerhalb eines ringförmigen Bereiches, welches von zwei Ebenen mit etwa dem
Abstand einer Gewindesteigung eines normalen eingängigen Gewindes begrenzt ist.
Bei symmetrisch um die Gewindeachse angeordneten mehrgängigen Gewinden ist, bezogen
auf die Gewindeachse, der Winkelabstand der einzelnen-Zahnanfänge etwa gleich dem
Quotienten aus 36o und der Anzahl der Gänge, z. B. bei einem dreigängigen Gewinde
beträgt dieser ungefähre Abstand 36o: 3 = i2o°, bei einem fünfgängigen Gewinde 36o
: 5 = 72° usf., wobei sich die Zahnabschnitte der einzelnen Gänge jeweils lediglich
über etwa das genannte Maß erstrecken, also über etwa i2o bzw. 72°.
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Bolzen und Mutter eines dreigängigen, temperaturkompensierten Gewindes
sind in den Fig. io und ii skizziert. In die drei symmetrisch in den Bolzen der
Fig. io geschnittenen Nutengänge g', 9" und g"' greifen die um etwa i2o° versetzt
in einer »Ringzone« der Gewindemutter liegenden Zahnstücke 8', 8" und 8"' ein. Sämtliche
Gewindeflanken haben die Neigung gemäß der Erfindung,-so daß sowohl bei Erwärmung
als auch bei Abkühlung und unabhängig von der Werkstoffpaarung einwandfreie zügige
Gängigkeit erhalten bleibt.
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Auch in bezug auf mehrgängige Gewinde sei darauf hingewiesen, daß
.der beabsichtigte Effekt gleichermaßen dann.eintritt, wenn die mehrgängigen Gewindezüge
über belieÜige Länge in die Gewindemutter eingeschnitten werden und ihre Zähne in
entsprechende Nutenstücke des Bolzens, die entsprechend der Fig. 7 ausgebildet sein
können und entsprechend der Fig. ii in einer »Ringzone« anzuordnen sind, eingreifen
und die Gewindeflanken tragend aneinanderliegen. Welcher Werkstoff für den Bolzen
und welcher für die Mutter verwendet wird, ist hierbei wie bei allen Ausführungsbeispielen
völlig gleichgültig.
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Ein Ausführungsbeispiel mit doppelter Gewindeführung ist in Fig. 12
schematisch gezeichnet. In den Bolzen b ist die Gewindenut 9 eingeschnitten. In
diese greifen zwei Gewindezähne 8 ein. Jeder Zahn 8 erstreckt sich über etwas weniger
als eine volle Umdrehung. Der Bolzen b besteht aus dem Werkstoff i, die beiden Zähne
8 bestehen aus dem Werkstoff 2. Jeder Zahn 8 stellt für sich mit dem Bolzen b ein
temperaturkompensiertes Gewinde dar, wie es im Zusammenhang mit den Fig. 8 und 9
bereits beschrieben wurde. Die Mutterringe aus dem Werkstoff 2 mit der Zahnung 8
sind mit Passung der Zähne in die Bolzennut in gewisser Entfernung voneinander in
ein Mutterrohr m unverrückbar _ eingelassen, welches aus demselben Material i wie
der Bolzen b gefertigt ist. '- Somit ist auch dieses Langgewinde, bei dem zwei verschiedene
Werkstoffe i und 2- aufeinander gleiten, gemäß der Erfindung temperaturkompensiert.
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Ein Gegenstück zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 12 ist in Fig. 13
schematisch dargestellt. Es besteht aus einem langen Muttergewinde, dessen Zähne
8 in zwei räumlich auseinanderliegenden Gewindenuten g gleiten, die den Flankenwinkel--gemäß
der Erfindung aufweisen und jede für sich etwa derart ausgebildet ist, wie Fig.
7 zeigt. Hierbei bestehen die Langmutter m und die Bolzenwelle
b aus dem Werkstoff i, während die Gewindenuten 9 in Ringscheiben
:aus
dem Werkstoff 2 eingeschnitten sind. Diese Ringscheiben sind auseinanderliegend
mit Gewindepassung auf der Bolzenwelle b verkeilt, so daß sich auch in diesem Falle
ein temperaturkompensiertes Langgewinde ergibt.
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Das in diesen Ausführungen als ein- bzw. dreigängiges Gewinde beschriebene
temperaturkompensierte Gewinde kann mit grundsätzlich gleichbleibender Wirkung auch
als Gewinde jeder anderen beliebigen Gangzahl ausgebildet werden.
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Sollte die zügige Gängigkeit eines gemäß der Erfindung konstruierten
Gewindes infolge extremer Umwelteinflüsse auf das verwendete Scbmiermittel beeinträchtigt
werden, so wäre diesem Übelstand in an sich bekannter Weise durch Überkompensation
zu begegnen.
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Schließlich sei auf einen weiteren wesentlichen Vorteil der Erfindung
besonders hingewiesen. Jedes nach der erfindungsgemäßen technischen Regel hergestellte
Gewinde behält seine einmal vorhandene Passung nicht zur im erwärmten oder abgeküblten
Zustand, sondern auch während aller bei Temperaturänderungen auftretenden thermischen
Einschwingvorgänge. Mit anderen Worten heißt das, ein solches Gewinde läßt sich
mit zügigem Gang auch dann noch bewegen, wenn es dauernden Temperaturschwankungen
beliebiger .Größe ausgesetzt ist.
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Die technische Regel dieser Erfindung ist nicht nur zur Temperaturkompensierung
von Gewinden geeig net, sondern kann gleich vorteilhaft auch bei anderen Einrichtungen
verwendet werden. So z. B. bei Kammlagern mit einem Auflaufring oder mit mehreren
Auflaufringen, die entsprechend den Ausführungsbeispielen für Gewinde nach Fig.
12 und 13 angeordnet sind, wobei gegebenenfalls in an sich bekannter Weise für Spannungsausgleich
zwischen den einzelnen Lagerringen, z. B. durch einen geeigneten Lastverteiler,
zu sorgen ist.