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Schwach beanspruchte Gewindeverbindung und Verfahren zu
ihrem Zusammenbau
Die Erfindung betrifft eine schwach beanspruchte Verbindung
zwi-
schen einem Bolzen und dgl. und einem Bauteil, in das der Bolzen
eingeschraubt ist, und betrifft insbesondere das Verfahren zur
Herstellung
dieser Verbindung.
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Es ist üblich gewesen, die Gewindegänge eines geraden (im
Gegen-
satz zu einem konischen) Bolzens in Bezug auf die Gewindegänge
der
Öffnung, in die der Bolzen eingesetzt wird, derart zu be-
messen,
dass die Gewindegänge des Bolzens, die von dem freien
Bolzenende entfernt
liegen, mit den Gewindegängen an der Innen-
seite der Öffnung
in feste Anlage kommen. In der Praxis tritt. eine Vergemmung
und Pressung der Gewindegänge auf, durch die
starke örtliche Torsionsbeanspruchungen
hervorgerufen werden,
die in manchen Fällen gross genug sein
können, dass der Bolzen in seinem Gewindeteil beim Einsetzen abgeschert wird oder
so . stark geschwächt wird, dass er dann später im praktischen Betrieb zu Bruch
geht. Die Theorie ist bisher gewesen, dass der Bolzen, je fester er eingeschraubt
wird, umso länger fest bleibt. Im Hinblick darauf ist es Aufgabe der Erfindung,
ein Verfahren zu schaffen, mittels dessen ein Bolzen oder ein ähnliches Bauteil
in ein anderes Bauteil eingeschraubt und. wirksam darin gesichert werden kann, ohne
einen Festsitz in den Gewindegängen zur Sicherung heranziehen zu müssen, das heisst
also ohne unnötigerweise festes Anziehen und dadurch übermässige Beanspruchung der
Bauteile.
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Viele Metalle und andere Werkstoffe haben eine wesentlich grössere
Zugfestigkeit als Scherfestigkeit. Daher ist eine weitere Aufgabe der Erfindung
die Schaffung eines Verfahrens, bei dem ein Teil einer Gewindeverbindung einer auf
Drehung wirksamen Kraft unterworfen wird, um es in das andere Teil hineinzuschrauben,
und bei dem praktisch die gesamte, auf Verdrehung wirksame Kraft, die normalerweise
in eine Scherwirkung umgewandelt würde, durch eine Zugbeanspruchung aufgenommen
wird.
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In bestimmten Anwendungsfällen, wie beispielsweise bei Ventilen und
dgl., ist es manchmal erforderlich, nach einer gewissen Zeit- . spanne
(zur Wartung oder Neueinstellung beispielsweise), einen Bolzen herauszuschrauben,
der in irgendein Teil hineingeschraubt gewesen ist. Wenn jedoch die übliche Gewindestauchung
vorher.,
angewandt worden ist, so ist es häufig unmöglich, den Bolzen
herauszuschrauben, ohne ihn dabei abzuscheren.
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Es ist daher eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur
Herstellung einer niedrig beanspruchten Gewindeverbindung .(zur Verwendung in Ventilen
und ähnlichen Eizeugnissen) zu schaffen, die extrem widerstandsfähig gegenüber einem
Lösen im Betrieb ist und die wiederholt festgezogen und gelöst werden kann, ohne
dass die Gewindegänge dabei beschädigt werden.
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Es ist für manche Zwecke üblich gewesen, Gewindeverbindungen zu verwenden,
die einen sogenannten "wahlweisen Sitz" aufweisen. iYenn auch diese Anordnung einen
ausgezeichnet festen Sitz zumindest entlang einem beträchtlichen Teil der Gesamtlänge
des Gewindeteils ergibt, so 'erhöht sie doch in sehr beträchtlichem 'lasse die Kosten
für die Verbindung und bringt auch gewisse Er-. satzteilprobleme mit sich, wenn
einmal eines der beiden Gewindeteile im Betrieb ausfällt und ersetzt werden
muss.
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Es ist demgemäss eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine verlässliche
und verhältnismässig billige Gewindeverbindung zu schaffen, die ohne "wahlweisen
Sitz" ausgeführt werden kann. Weitere Aufgaben, Merkaale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden, mehr ins einzelne gehenden Beschreibung . der Zeichnung.
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Fig. 1 ist eine Seitenansicht eines die Merkmale der Erfindung aufweisenden
Gewindebolzens.
rig. 2 ist ein Schnitt durch ein Gewindeteil zum
Einschrauben des Bolzens gemäss Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt den in das Gewindeteil eingeschraubten Bolzen. Fig. 4
ist eine vergrösserte Teilsehnittdarstellung des rechteckigen, in Fig. 3 strichpunktiert
umrandeten Bereichs IV.
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Fig. 5 zeigt im Längsschnitt und teils in Ansicht ein Ventil, das
eine niedrig beanspruchte Gewindeverbindung gemäss der Erfindung aufweist.
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Fig. 6 zeigt in Seitenansicht eine abgewandelte Ausführungsform eines
erfindungsgemässen Gewindebolzens. In Fig..1 ist mit 10 insgesamt ein Bolzen bezeichnet,
der einen unteren Gewindeteil 11, einen hinterschnittenen Teil 12, durch den eine-Einschnürung
13 entsteht., einen nach oben-aussen konischen Abschnitt 14 und ein Teil 15 aufweist,
welch letzteres einen grösseren Durchmesser hat als der Innendurchmesser der Gewindegänge
des Gewindeteils 1i. Obgleich dies kein wesentlicher Teil der Erfindung ist, besitzt
der in Fig. 1 dargestellte Bolzen noch einen weiteren hinterschnittenen Abschnitt
16, der zwischen dem Schaftteil 15 und einem oberen Gewindeteil 17 liegt. Die Gewindegänge
der Teile 11 und 17 können normale Maschinengewinde sein und sollten den gleichen
Durchmesser aufweisen.
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Fig. 2 zeigt einen Gegenstand 20 mit einer Gewindebohrung 21, die
einen ausgebohrten, jedoch nicht mit Gewinde versehenen Bodenteil.' 22 aufweist.
Die Bohrung 21 besitzt einen mit 23 bezeichneten
Gewindeabschnitt,
der in einen nach oben und aussen konisch vor-.laufenden Abschnitt 24 am offenen
Ende 25 der Bohrung ausläuft. Der Winkel des konischen _.,bschnitts
24 ist genau gleich dem 7inkel des konischen Abschnitts 14 des Bolzens 10.
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Es ist darauf hinzuweisen, dass die Gewindegänge 26 in dem
koni-,schon .abschnitt 24 wesentlich flacher sind als die Gewindegänge
in dem Gewindeabschnitt 23. Es ist ausserdem hervorzuheben, dass
diese
Gewindegänge 26 für die Verwirklichung der Erfindung nicht
unbedingt notwendig
sind, sondern dass vielmehr der konische Abschnitt 24 auch frei von Gewinde sein
kann. Aus herstellungstechnischen, praktischen Gründen ist es jedoch bequemer, den
Gewindeabschnitt des Teils 20 durch Bohren der Bohrung, Herstellung des konischen
Abschnitts an deren offenem Ende, Gewindeschneiden in der Bohrung und sodann erneuter
Formgebung des konischen Abschnitts zu erzeugen. Bei diesen Gewindeschneidvorgang
entstehen flache Gewindegänge in den konischen Abschnitt 24, die aber die
Wirksamkeit
der erfindungsgemässen Gewindeverbindung nicht be-
einträchtigen. Die
Fig. 3 und 4 zeigen, wie die konischen Kegelstumpfabsehnitte 14 und 24 aneinander
zur :Anlage kommen, wenn der Bolzen 10 in die Bohrung 21 eingeschraubt
wird: Wenn der Bolzen 10 gegenüber
dem Teil 20 verdreht wird, so kommen die
konischen Teile 14, 24
in gegenseitige Flächenanlage, bevor das untere
Ende 2? des Bol-
zens den Grund 22 der Bohrung 21 erreicht. Bei weiterer
Drehbe-
wegung des Bolzens gegenüber den Teil 20 bewegt sich der Gewinde-
abschnitt
11 des Bolzens 10 noch in axialer Richtung etwas weiter
-in
Richtung auf den Boden 22 der Bohrung 21, wobei der konische .Abschnitt 14 sich
an dem konischen Abschnitt 24 festzieht und die Axialbewegung des konischen Abschnitts
14 verhindert. Infolgedessen werden der hinterschnittene Abschnitt 10 und der Gewindeabschnitt
11 unter axiale Spannung gebracht. Wenn der Bolzen weiter angezogen
wird, so werden nennenswerte Beanspruchungen, die anderenfalls sich In Form von
Seherbeanapruchungen im Gewindeabschnitt 11 äussern würden, umgewandelt
In Zugbeanspruchungen in dem Ge-
windeabschnitt il und in dem hinterschnittenen
Abschnitt 12. Jedoch ist dies vorteilhaft, weil das Material des Bolzens eine wesentlich
grössere Zugfestigkeit als Scherfestigkeit aufweist. Fig. 5 zeigt ein Ventil mit
einem Ventilsitz 30, einem hin- und herversohiebbaren Ventil@31, einer Hubbegrenzungaglocke
32, einer Mutter 33, einer Hülse 34 und einer Feder 35. Der Bolzen 10 ver-bindet
die Hubbegrenzungsglocke 32 mit dem Sitz 30. Der Sitz 30 besitzt eine zentrische
Bohrung 21, die derjenigen, die In Fig. 2 gezeigt ist, entspricht, und bewirkt zusammen
mit dem,Bolzen 10 die Erzeugung einer niedrig beanspruchten Schraubverbindung In
der bereits beschriebenen Weise. Diese Anordnung ist für den Ventilbau insbesondere
Vorteilhaft, weil die niedrig beanspruchte Schraubverbindung gegenüber einem Losarbeiten
im Betrieb extrem widerstandsfähig ist. Die Schraubverbindung muss deshalb sehr
sicher sein, weil der Bolzen 10 die verschiedenen Ventilteile In
Betrieb
des Ventils zusammenhält. In manchen Anwendungsfällen des dargestellten und beschriebenen
Ventils kann das,Ventil unter Umständen 600 bis 800 mal pro Minute öffnen
und schliessen, mit
zumindest 300 bis 400.kräftigen Stössen des Ventils
31 gegen den
Anschlag.,32. Wenn der Bolzen bricht oder sich lockert,
so entsteht eine überaus grosse Gefahr für die Pumpe. Obgleich die Verbindung also
sehr sicher sein muss, muss es auch möglich sein, den Bolzen aus dem Sitz herauszuschrauben,
um das Ventil zu warten.
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Fig. 6 zeigt eine abgewandelte .-usführungsform eines Bolzens, der
einen mit dem oberen Ende des Bolzens einstückigen Sechskantkopf 40 aufweist. 17eitere
vorteilhafte Ausführungsformen sind leicht auffindbar.
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Obgleich der Winkel der konischen Abschnitte 14, 24 beträchtlich geändert
werden kann, ist vorzugsweise der Konuswinkel begrenzt auf den Bereich von etwa
0,02 bis 0,1 mm pro mm Länge (i/4 bis 1 1/4 Zoll pro Fuss). Innerhalb dieses Bereichs
können ausgezeichnete Ergebnisse erzielt werden, ohne Rücksicht auf den Durchmesser
des Bolzens oder der Gewindeöffnung. Es ist jedoch wichtig, dass die aneinander
zur ::nIage kommenden konischen Oberflächen im Querschnittgenaue, echte Kreise sind
und dass sie genau konzentrisch zueinander liegen. Durch die Einhaltung dieser Bedingungen
wird eine Flächenanlage, statt einer pnnlttlürmigen Anlage, zwischen den konischen
Oberflächen gewährleistet, und dies ist für die Verwirklichung der Erfindung wichtig.
Im Betrieb passen die Gewindegänge 11 verhältnismässig lose in den Gewindeabschnitt
23 hinein,"wodurch das leichte Einschrauben von Hand oder auf andere Art und Weise
ermöglicht wird. Sodann wird vorzugsweise der Schaftabschnitt 15
mit einer Hülse um-
schlossen, die eine Vielzahl von
Klauen aufweist, die gemeinsam: den Schaftabschnitt 15 fest erfassen. Die Verbindung
kann angezogen werden unter Verwendung einer Drehbank oder irgendeiner ande-ren
geeigneten Einrichtung zur Verdrehung dieser Hülse und des Bolzens gegenüber dem
Gegenstand, in den der Bolzen eingeschraubt werden soll.
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Bei Erhöhung der Drehkraft ist der untere Gewindeabschnitt 11 bestrebt,
den konischen Abschnitt 14 allmählich fest anzuziehen. Bei weiterer Vergrösserung
der Drehkraft wird die Einschnürung 13 munter Zugspannung gesetzt, wodurch
der konische Abschnitt 14 unter eine im wesentlichen axiale Spannung gebracht wird.
Für jegliches elastische Material ist eine Maximalbelastung bekannt, bis zu der
das Material belastet oder beansprucht werden kann, bei der es, wenn die Belastung
oder Spannung beendigt wird", wieder in seine ursprüngliche Form und Grösse zurückkehrt.
Diese Belastung ist als Elastizitätsgrenze des Materials bekannt. Gemäss der Erfindung
kann der Bolzen fest angezogen sein lange vor Erreichung der Elastizitätsgrenze
des Materials. Dementsprechend. steht der untere Gewindeabschnitt 11 wie auch die
Einschnürung 13 unter einer Spannung, die erheblich unter der Elastizitätsgrenze
des Materials liegt. Dieser Teil des Bolzens wirkt wie eine Zugfeder, und jegliche
Tendenz des konischen Abschnitts 14, infolge von Vibrationen oder anderen Einflüssen
locker zu werden, wird durch den unteren Gewindeabschnitt 11 verhindert, der nicht
bis zu seinem Maximalwert gespannt worden ist und der eine Elastizität aufweist,
die ausreichend ist, um diejenige Kraft auszuüben,
welche_notwendig
ist, um die konischen Anlageflächen in fester
gegenseitiger
Anlage zu halten.
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Es ist möglich, die Drehkraft, oder das Drehmoment,
das erforder-.lieh ist, um den Werkstoff des Bolzens bis zu seiner
Elastizitäts-_grenze zu belasten, zu bestimmen. Wenn man diese Drehkraft,
oder
-dieses Drehmoment, kennt, so ist es möglich, ein niedrigeres,
zu-
lässiges Drehmoment festzulegen, bei dem das Bolzenmaterial
nur« bis beträchtlich unterhalb seiner Elastizitätsgrenze belastet wird,
wobei
aber die Wirksamkeit des Bolzens als eine unter Spannung stehende
Feder aufrechterhalten wird. Hierdurch wird der Konus-
sitz zu allen
Zeiten fest angezogen gehalten, gestattet aber
trotzdem eine wiederholte
aerausnahme und Wiederanziehung des
Bolzens ohne eine Beschädigung des
Bolzens oder seiner Gewinde-
gänge. Das gewählte niedrigere, zulässige Drehmoment
muss nicht
nur ausreichend gering sein, um eine Belastung des Bolzenwerkstoffs
über seine Elastizitätsgrenze hinaus zu verhindern, sondern
auch
niedrig genug, um zu verhindern, dass das Material des Sitzes
über
seine ylastizitätsgrenze hinaus belastet wird. Auch muss
dieses Drehmoment
niedrig genug sein, dass durch irgendwelche zu-
sätzliche Arbeitsbelastungen,
die in der Praxis auftreten können, hervorgerufene Belastungen noch
aufgenommen werden können.
Obgleich der eingeschnürte Abschnitt
13 einen Durchmesser haben
kann, der einige Tausendstel Zoll kleiner ist
als der Kerndurch-
messer des Gewindeabschnitts des Bolzens, so ist er nichts
desto
weniger kräftiger unter jeglicher Art von Beanspruchung als der
mit
Gewinde versehene Teil, und zwar infolge der Tatsache, dass
-dieser
Abschnitt des Bolzens eine glatte und ununterbrochene ' .Oberfläche (wegfall der
Kerbwirkung) hat. Der mit-Gewinde versehene Abschnitt trägt infolge des Vorhandenseins
des Gewindes selbst eine Reihe von in etwa V-förmigen Nuten, und die innen liegenden
Spitzen dieser Nuten führen zu einer Kerbwirkung, die durch eine Spannungsspitze
gekennzeichnet ist. Wenn also eine ausreichende Belastung aufgebracht würde, um
den Bolzen zum Bruch zu bringen, so würde dieser Bruch durch Abscheren am Grund
eines dieser Gewindegänge erfolgen, gewöhnlich an dem obersten Gewindegang, der
der Einsehnürung 13 am nächsten liegt, oder an der unteren Gewindelinie, an der
der Abschnitt 17 an den eingesdnürten Abschnitt 16 angrenzt. Dementsprechend ist
es ein wichtiges Merkmal der Erfindung, dass beim Zusammensetzen der beiden Teile
nur ein Drehmoment aufgebracht wird, das vorher derart festgelegt ist, dass bei
Aufbringung desselben die Werkstoffe, oder der schwächere der Werkstoffe, nur bis
zu einem Punkt nennenswert unterhalb seiner glastizitätsgrenze belastet werden bzw.
wird, so dass der Konussitz bei 14 fest angezogen und bei seiner praktischen Anwendung
fest angezogen gehalten werden kann, selbst unter ungünstigen Bedingungen, und zwar
unter Aufbringung eines vergleichsweise geringen Drehmoments auf den Bolzen.
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Die in der folgenden Tabelle angegebenen Bereiche des zulässigen Drehmoments
für unterschiedliche Bolzengrössen und für verschiedene Metalle sind illustrativ
für die zulässigen Drehmomentbereichi, die sich in der Praxis als zu hervorragenden
Ergebnissen :Führend herausgestellt haben.
| Zulässiges Drehmoment in m/kg . |
| Bolzen- und-Sitz-Werkstoff |
| Durchmesser des Rostfreier Stahl, Monel |
| Schaftteils 15 5270 bis 6330 kgcm2 6100 kg/cm2 |
| Zugfestigkeit Zugfestigkeit |
| 9,525 mm 2,77 - 3,46 2,49 - 3,10 |
| 11,11 " 3,46 - 4,15 3,10 - 3,73 |
| 12,7 " 4,15 - 4,84 3,73 - 4,35 |
| 15987 " 5,53 - 6991 4998 - 6,21 |
| 19,05 n 6,61 - 7,6o 5,6o - 6,84 |
| 22,22 " 8,30 - 9,68 7,47 - 8,70 |
| 25,40 " 11,10 - 12,40 9,45 - 11,18 |
Für andere Werkstoffe ändert sich das Drehmoment entsprechend der.
physikalischen
Festigkeit des verwendeten Werkstoffs.
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Es ist wohl verständlich, dass die durch die in der obi-gen
Tabelle lediglich beispielsweise angegebenen Bolzengrössen und
die
angegebenen Werkstoffe in keiner Weise eingeschränkt werden
soll.
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Wie bereits weiter oben angeführt, muss der Bolzen nicht so fest eingeschraubt
werdeh, dass die Elastizitätsgrenze des Bolzens
überschritten wird,
oder' aber so fest, dass die konische Bohrung - eine bleibende
Veformung erleidet. Ausserdem ist es nicht aus-
reichend, den Bolzen
lediglich hand- oder fingerfest einzudrehen
und dann unter Verwendung
irgendeines Werkzeugs weiter anzudrehen
durch Aufbringung überhaupt
irgendeines Drehmoments, gerade so*
lang, wie die Elastizitätsgrenze
des Bolzens nicht überschrittenwird. Wenn der Bolzen gemäss der Erfindung festgezogen
wird, so steht das Mass des Festhaltens nicht nur speziell in Beziehung mit der
Elastizitätsgrenze des Bolzenwerkstoffs, sondern auch
mit der Grösse
des Drehmoments, das aufgebracht, werden kann, ohne dass der konische Teil der Bohrung,
in die der Bolzen eingeschraubt wird, bleibend verformt wird. In dieser Verbindung
ist es wichtig' zu vermerken, dass es leichter sein kann, den konischen l.bohnitt@
der Bohrung zu deformieren, als die Elastizitätsgrerize des Bol= zens zu überschreiten,
als wenn der Sitz aus einem arideren, schwächeren Werkstoff als der Bolzen hergestellt
wird. Aber selbst dann, wenn der Sitz und der Hizen aus demselben Werkstoff bestehen,
kann es leichter sein, den konischen Abschnitt der Bohrung bleibend zu verformen,
als die Elastizitätsgrenze des Bolzens zu überschreiten. Beispielsweise können beide
aus rostfreies Stahl hergestellt wer-
den, ,jedoch kann der Sitz ein 'Gussteil
sein, während der Bolzen aus gewalztem Material besteht. In diesem Falle kann die
Elastizitätsgrenze des Werkstoffes des Sitzes niedriger sein als diejenige des Werkstoffes
des Bolzens. Es ist auch wichtig hervorzuheben, dass die in der obigen Tabelle angegebenen
zulässigen Anziehdrehmonente nicht höher sind, als zum. festen Anziehen der Verbindung
erforderlich ist. Es Wird daher noch eine Reserve an Festigkeit beibehalten, um
eine beträchtliche Betriebsbelastung des Bolzens aufnehmen zu können. Die angegebenen
zulässigen Drehmomente betragen etwa 50 % derjenigen Drehmomente, die aufgebracht
würden, wenn
.ein üblicher Festsitz verwendet werden würde.