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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ausbildung von
Gewinden eines mit Gewinde versehenen Bauteils, das vorgesehen ist,
als eines von zwei mit Gewinden versehenen Teilen in einer Schraubverbindung
umfaßt
zu sein, welche Schraubverbindung ein Teil mit einem Innengewinde
und ein Teil mit einem Außengewinde
umfaßt,
und wobei das Teil mit einem Innengewinde dazu vorgesehen ist, mit einer
Axialspannkraft vorgespannt zu werden, und wobei die Gewinde der
jeweiligen Teile anfangs gemäß dem ISO-Basisprofil
und/oder vereinheitlichten Basisprofil mit einem anfänglichen
Spiel sowohl in Radial- als auch in Axialrichtung ausgebildet sind, wenn
die Teile zusammengeschraubt werden und unbeansprucht sind. Die
Erfindung betrifft auch ein mit Gewinde versehenes Bauteil, das
gemäß dem Verfahren
ausgebildet ist, sowie eine Schraubverbindung, wobei mindestens
eines von den mit Gewinden versehenen Teilen der Verbindung aus
einem solchen mit Gewinde versehenen Bauteil besteht.
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Die
Verbindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung von Gewinden
eines mit Gewinde versehenen Bauteils, das vorgesehen ist, als eines von
zwei mit Gewinden versehenen Teilen einer Schraubverbindung umfaßt zu sein,
ein gemäß dem Verfahren
hergestelltes, mit Gewinde versehenes Bauteil und eine Schraubverbindung,
wobei mindestens eines von den mit Gewinden versehenen Teilen der
Verbindung aus einem solchen mit Gewinde versehenen Bauteil besteht.
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Mithin
kann das betreffende, mit Gewinde versehene Bauteil gemäß der Erfindung
entweder eine Schraube oder eine Mutter sein, und die gemäß der Erfindung
ausgebildeten, mit Gewinden versehenen Schrauben oder Muttern können entweder
miteinander zusammen oder zusammen mit standardgemäß ausgebildeten
Schrauben und Muttern verwendet werden.
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Gemäß dem ISO-Standard
(ISO/68) für
metrische Gewinde sowie für
Gewinde gemäß dem Vereinheitlichten
Amerikanischen Standard (ANSI/ASME B1.1, der sich auf ISO/68 bezieht),
wird ein so genanntes Basisprofil verwendet, das in 1 dargestellt
ist. Gemäß diesem
Basisprofil wird die Breite unter anderem durch den Gewindegang
der Schraube und die Gewinderillen der Mutter jeweils als halbe Teilung
(0,5P) gebildet, und der theoretische mittlere Durchmesser für Schraube
bzw. Mutter, d2 bzw. D2, wird
von der Erzeugenden bestimmt, welche das Basisdreieck auf der halben Höhe H desselben
schneidet. Im Folgenden wird des Weiteren eine Anzahl von Konzepten
und Ausdrücken
gemäß den Definitionen verwendet,
die in ISO/68 angegeben sind.
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Theoretisch
stimmen die mittleren Durchmesser für Schraube und Mutter gemäß dem Basisprofil
jeweils miteinander überein.
In der Praxis jedoch muß ein
Spiel zwischen Schraube und Mutter bestehen, damit sie zusammengefügt werden
können.
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Durch
Verwendung standardisierter Fertigungstoleranzen erhält man ein
Spiel, durch welches sich eine Auswechselbarkeit zwischen Schraube
und Mutter von unterschiedlichen Herstellern ergibt. Das Spiel wird
durch Verschieben des mittleren Durchmessers der Schraube nach innen
oder des mittleren Durchmessers der Mutter nach außen bereitgestellt. Dadurch
erhält
man sowohl ein radiales als auch ein axiales Spiel, siehe 2,
jedoch nimmt dadurch auch die Gewindeüberdeckung, d.h. das Stück, um welches
die Gewinde der Schraube und der Mutter einander in Radialrichtung überlappen,
entsprechend ab, wodurch der Oberflächendruck zwischen den Gewinden
zunimmt und sich die Festigkeit verschlechtert.
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Gemäß dem Gesetz
von Hooke streckt sich ein Körper
proportional der Kraft, die auf ihn ausgeübt wird. Eine solche Streckung
kann auch durch Erhitzen zustande gebracht werden. Bei einer Schraube
bedeutet eine Streckung, daß die
Gewindeteilung größer wird.
Wenn die Streckung der Schraube innerhalb der Höhe der Mutter größer als
das axiale Spiel zwischen den Flanken der Gewinde wird, nimmt die Überlagerung
zu, was dazu führt,
daß die
Mutter festklemmt.
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Das
Problem ist besonders bei hohen Vorspannkräften zu bemerken, wie das beim
hydraulischen Vorspannen einer sehr kräftigen Schraube mit dem Maß M18 und
darüber
der Fall ist, wobei die Gewindetoleranzen standardmäßig sind
und die Mutter eine größere Höhe als die
standardmäßige aufweist. Während des
Vorspannens ist die Mutter in dem Ende der Schraube, an welchem
das Vorspannwerkzeug zieht, nicht belastet, während das Vorspannwerkzeug
mit einer Axialspannkraft an der Schraube zieht. Eine sehr kräftige Schraube
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Kraft, die man beim Vorspannen nahe der Fließgrenze der Spannung erhält, größer als
bei gewöhnlichen
Schrauben ist, und daß sie dadurch
mehr Gewindegänge
benötigt,
um die Kraft unter diesen zu verteilen, so daß die Spannung pro Gewinde
nicht zu hoch wird, was zu einer größeren Mutternhöhe als der
standardmäßigen führt, d.h.
in der Größenordnung
von 100%. Die axiale Spannung der Schraube, die man innerhalb der
größeren Mutternhöhe erhält, muß jedoch
immer noch innerhalb des axialen Spiels der Mutter untergebracht
werden, um Überlagerung
zu vermeiden. Wenn eine sehr kräftige
Schraube verwendet wird, entsteht mithin eine erhöhte Festklemmgefahr,
wenn die standardmäßigen Gewindetoleranzen
nicht genug axiales Spiel ergeben. Mithin legt die Größe des Spiels
einen Grenzwert dafür
fest, wie sehr die Schraube vorgespannt werden kann. In 3 ist
schematisch dargestellt, wie die Gewindegänge einer vorgespannten Schraube
mit den Gewindegängen
einer darauf geschraubten Mutter zusammenwirken und das axiale Spiel,
das für
das Festklemmen erforderlich ist, nicht auftritt.
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Das
vorherrschende Verfahren zum Zustandebringen eines axialen Spiels
besteht gemäß dem Obigen
darin, der Schraube einen kleineren Durchmesser als der Mutter zu
geben. Jedoch ist es ungeeignet und gelegentlich sogar unmöglich, die
Differenz im mittleren Durchmesser zwischen Schraube und Mutter
zusätzlich
zu vergrößern, so
daß man
dadurch ein ausreichendes Axialspiel erhält, da sich dadurch die Überdeckung
der Gewinde verkleinert und sich in der oben erläuterten Weise ein höherer Oberflächendruck
zwischen den Gewinden einstellt.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die oben genannten Nachteile
zu beseitigen und eine Lösung
für die
oben genannten Probleme zu finden. Das erfolgt durch das Ausbilden
der Gewinde eines mit Gewinde versehenen Bauteils, beispielsweise
einer Schraube oder einer Mutter, welches die in dem Oberbegriff
von Anspruch 1 definierten neuen Merkmale aufweist, sowie durch
das Verfahren zur Herstellung von Gewinden eines mit Gewinde versehenen
Bauteils, das vorgesehen ist, als eines von zwei mit Gewinde versehenen
Teilen in einer Schraubverbindung umfaßt zu sein, und welches die
in Anspruch 10 definierten neuen Merkmale aufweist.
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Mithin
ist das Verfahren zur Ausbildung der Gewinde gemäß der Erfindung dadurch gekennzeichnet,
daß die
Gewinde des mit Gewinde versehenen Bauteils derart ausgebildet sind,
daß man
ein zusätzliches
axiales Spiel zwischen den zwei mit Gewinde versehenen Teilen in
Axialrichtung erhält,
wobei gleichzeitig das anfängliche
Spiel in Radialrichtung im Wesentlichen unverändert bleibt, und wobei das
Teil der Schraubverbindung, welches aus dem mit Gewinde versehenen
Bauteil besteht, kein ISO-Basisprofil/Vereinheitlichtes Basisprofil
mehr hat. Auf diese Weise erhält
man den Vorteil, daß sich die
Gewindeüberdeckung
aufrechterhalten läßt und man
das größte erzielbare
Aufeinandertreffen zwischen den zwei Teilen erhält, wodurch sich eine Möglichkeit
zu einer maximalen Kräfteübertragung
ergibt. Dadurch wird eine hohe Vorspannkraft für eine Schraube möglich, die
insbesondere bei Schrauben in sehr festem Material besonders vorteilhaft
ist. Die Erfindung ist jedoch nicht auf die Anwendung bei sehr kräftigen Schrauben
beschränkt,
sondern kann auch bei anderen Anwendungszwecken sehr vorteilhaft
verwendet werden.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung besteht das mit Gewinde versehene Bauteil aus dem
Teil mit Innengewinde, dessen Gewinde derart ausgebildet sind, daß das zusätzliche
axiale Spiel zusammen mit dem anfänglichen axialen Spiel wenigstens
der maximalen Längenzunahme
gleicht, welcher das Teil, das ein Außengewinde hat, bei der Vorspannung
innerhalb des Bereichs unterliegen soll, in dem die Teile zusammenwirken.
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Bei
einer anderen vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung besteht das mit Gewinde versehene Bauteil aus dem
Teil mit Außengewinde,
und die Gewinde des Teils mit Außengewinde sind derart ausgebildet,
daß das
zusätzliche
axiale Spiel zusammen mit dem anfänglichen axialen Spiel wenigstens der
maximalen Längenzunahme
entspricht, welcher das Teil, das ein Außengewinde hat, bei der Vorspannung
innerhalb des Bereichs unterliegen soll, in dem das Teil mit Außengewinde
mit dem Teil mit Innengewinde zusammenwirkt.
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Bei
einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die Breite des Gewindegangs
des mit Gewinde versehenen Bauteils um ein Maß vermindert, das dem gewünschten
zusätzlichen
axialen Spiel entspricht. Das kann entweder durch die Verkleinerung
der Breite des Gewindegangs erfolgen, die nur an einer Flanke desselben
auftritt, oder diese ist an den beiden Flanken desselben verteilt.
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Weiterhin
werden mit der vorliegenden Erfindung ein mit Gewinde versehenes
Bauteil, das gemäß dem Ausbildungsverfahren
ausgebildet ist, sowie eine Schraubverbindung mit mindestens einem solchen
mit Gewinde versehenen Bauteil geschaffen.
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Das
Verfahren bei der Herstellung von Gewinden gemäß der vorliegenden Erfindung
ist dadurch gekennzeichnet, daß die
Gewinde in zwei Schritten hergestellt werden, nämlich in einem ersten Schritt,
in welchem die Gewinde mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs in der gleichen
Weise wie bei der Herstellung von Gewinden gemäß dem ISO-Standard oder dem
Vereinheitlichtem Standard mit dem zugehörigen anfänglichen axialen und radialen
Spiel hergestellt werden, und einem zweiten Schritt, in welchem
das Schneidwerkzeug nur axial um eine zusätzliche Strecke sowie bei unveränderter
radialer Position vorgeschoben wird, um ein zusätzliches axiales Spiel zustande
zu bringen, das vorher festgelegt wurde, wobei die Strecke dem zusätzlichen
Spiel entspricht. Die Vorteile, die erzielt werden, wurden bereits
weiter oben beschrieben, man erhält
jedoch zusätzliche
Vorteile dadurch, daß Bauteile
mit dem neuen Gewinde gemäß der Erfindung,
das ein zusätzliches
axiales Spiel ergibt, einfach dadurch hergestellt werden können, daß das Fertigungsverfahren
mit den gleichen Vorrichtungen und einer sehr geringen Änderung
bei der Steuerung auf Bauteile mit gewöhnlichen Standardgewinden angewandt
wird. Die zwei Schritte können
ohne Pause direkt einer nach dem anderen folgen. Die Erfindung betrifft
auch ein mit Gewinde versehenes, gemäß dem Verfahren hergestelltes
Bauteil sowie eine Schraubverbindung, die mindestens ein solches
mit Gewinde versehenes Bauteil umfaßt.
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Im
Folgenden ist die Erfindung ausführlich
an Hand der anliegenden Zeichnungsfiguren offenbart, welche den
Stand der Technik sowie die Probleme dabei darstellen und auch ein
Ausführungsbeispiel der
vorliegenden Erfindung zeigen, und in denen:
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1 das
Basisprofil für
Gewinde gemäß dem ISO-Standard
und dem Vereinheitlichten Standard zeigt,
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2 in
einer seitlichen Teilansicht und im Querschnitt einer Schraubverbindung
schematisch zeigt, wie ein erweitertes axiales Spiel zwischen Schraube
und Mutter gemäß dem ISO-Standard
zustande gebracht wird,
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3 schematisch
darstellt, wie sich die Vorspannung einer Schraube auf das Spiel
zwischen Schraube und Mutter in einer Schraubverbindung auswirkt,
die in einer seitlichen Teilansicht und im Querschnitt zu sehen
ist,
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4 eine
seitliche Teilansicht und eine Querschnittsansicht eines Ausführungsbeispiels
einer Schraubverbindung mit gemäß der vorliegenden Erfindung
ausgebildeten Gewinden zeigt, und
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5 das
Fertigungsverfahren gemäß der vorliegenden
Erfindung darstellt.
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Wie
bereits in der Einführung
in die Beschreibung erwähnt
wurde, zeigt 1 das Basisprofil für Gewinde,
das ISO/68 und dem Vereinheitlichten Standard gemeinsam ist. Die
Schraube 1 ist hier das Teil, das sich unterhalb der Basisprofillinie
befindet, und die Mutter 2 ist das Teil, das sich oberhalb
der Basisprofillinie in der Figur befindet. P ist die Gewindeteilung,
H ist die Höhe
des Basisdreiecks jeweils für
Schraube und Mutter, d2 ist der mittlere
Durchmesser für
die Schraube und D2 ist der mittlere Durchmesser
für die
Mutter.
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In 2 ist
schematisch gezeigt, wie ein Spiel zwischen der Schraube 1 (dem
unteren Teil) und der Mutter 2 (dem oberen Teil) gemäß dem ISO-Standard
und dem Vereinheitlichten Standard entsprechend der vorherrschenden
Praxis, d.h. durch Verschieben des mittleren Durchmessers d2 der Schraube in Bezug auf den mittleren
Durchmesser D2 der Mutter, zustande gebracht
wird, was auch in der Einführung
in die Beschreibung berücksichtigt ist.
Hierbei nimmt auch die Gewindeüberdeckung, die
GTg gemäß dem Basisprofil
beträgt,
ab und wird zu GT1. In Radialrichtung erhält man ein
Spiel Sr, und in Axialrichtung erhält man ein
Spiel Sa, welches in dem dargestellten Fall an den zwei Flanken
des Gewindes verteilt ist, so daß das axiale Spiel an der jeweiligen
Flanke Sa/2 beträgt.
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In 3 ist
schematisch dargestellt, wie die Gewindegänge einer vorgespannten Schraube 1 mit den
Gewindegängen
einer aufgeschraubten Mutter 2 zusammenwirken, und das
erforderliche axiale Spiel ist dargestellt, so daß es nicht
zur Blockierung kommt. Links in der Darstellung ist zu sehen, wie
an einem Ende der Mutter ein nahezu totale Anlage gegen die rechte
Flanke 3 des Schraubengewindes erfolgt, d.h. kein Spiel
an der Flanke stattfindet, sondern das gesamte axiale Spiel 4 an
der gegenüberliegenden
Flanke erfolgt, während
an dem anderen Ende der Mutter, in der Darstellung rechts, die Anlage gegen
die linke Flanke 5 des Schraubengewindes stattfindet. In
dem mittleren Abschnitt der Mutter ist das axiale Spiel 4 gleichmäßig auf
beiden Flanken verteilt.
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In 4 ist
ein Ausführungsbeispiel
zur Ausbildung von Gewinden gemäß der vorliegenden
Erfindung gezeigt. Im Vergleich zu 2 hat man
ein größeres axiales
Gesamtspiel Sa' erhalten,
das je zur Hälfte
auf jede der jeweiligen Flanken verteilt ist und auch als anfängliches
axiales Spiel Sa beschrieben werden kann, zu dem ein zusätzliches
axiales Spiel ΔSa hinzukommt. Das hat man dadurch erhalten,
daß der
mittlere Durchmesser D2' für
die Mutter 2 um die Strecke α verschoben wurde, d.h. der
Abstand zwischen dem mittleren Durchmesser D2' der Mutter 2 und
dem mittleren Durchmesser d2 der Schraube 1 zugenommen
hat. Das konnte jedoch ohne Änderung
des radialen Spiels Sr erfolgen. Mithin
wurde die Gewindeüberdeckung
aufrechterhalten und ist immer noch gleich groß wie die Gewindeüberdeckung
in 2, d.h. GT1. Wäre statt
dessen in der in 2 dargestellten Weise ein größeres axiales
Spiel gemäß dem vorherrschenden
Verfahren vorgesehen worden, hätte
sich die Gewindeüberdeckung
in einer Weise vergrößert, die
der in 2 zu sehenden entspricht, wobei GT1 kleiner
als GTg ist. Wie ebenfalls in 4 zu
sehen ist, hat die Schraube das Basisprofil derselben gemäß dem ISO-Standard/Vereinheitlichten
Standard beibehalten, während
jedoch die modifizierte Mutter dieses Basisprofil nicht mehr beibehält.
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Schließlich ist
in 5 ein Ausführungsbeispiel
des Verfahrens bei der Herstellung von Gewinden eines mit Gewinde
versehenen Bauteils gezeigt, das vorgesehen ist, als eines von zwei
mit Gewinden versehenen Teilen in einer Schraubverbindung gemäß der vorliegenden
Erfindung umfaßt
zu sein. Die Schraubverbindung umfaßt ein Teil mit einem Innengewinde
in Form einer Mutter 2 und ein Teil mit einem Außengewinde
in Form einer Schraube 1. Als Beispiel ist in 5 ein
mit Gewinde versehenes Bauteil in Form einer Mutter 2 gezeigt.
Die Gewinde werden in zwei Schritten hergestellt, nämlich in
einem ersten Schritt, in welchem die Gewinde mit Hilfe eines Schneidwerkzeugs
in der gleichen Weise wie bei der Herstellung von Gewinden gemäß dem ISO-Standard
oder dem Vereinheitlichten Standard mit dem zugehörigen anfänglichen
axialen und radialen Spiel hergestellt werden, und einem zweiten
Schritt, in welchem das Schneidwerkzeug nur axial um eine zusätzliche
Strecke vorgeschoben wird, so daß die Breite des Gewindegangs
um ein Maß verkleinert wird,
welches dem gewünschten
zusätzlichen
axialen Spiel ΔSa entspricht. Dieser zweite Schritt mit axialer
Zuführung
findet bei unveränderter
radialer Position statt. In 5 ist dargestellt,
wie die Verkleinerung des Gewindegangs stattfindet, indem lediglich die
Flanke desselben verkleinert wird. Die Lage der Flanke nach dem
ersten Bearbeitungsschritt ist durch die gestrichelte Linie 8 dargestellt,
und die Lage der Flanke nach dem zweiten Bearbeitungsschritt ist durch
die durchgehende Linie 9 dargestellt. Mithin erfolgt die
gesamte Bearbeitung nur an einer der Flanken des Gewindegangs, es
können
jedoch auch beide Flanken bearbeitet werden, wenn das für günstig gehalten
wird. Es ist wichtig festzustellen, daß die radiale Position der
kegelstumpfförmigen
oberen Fläche 10 durch
die Bearbeitung in Schritt 2 nicht beeinträchtigt wird, das radiale Spiel
mithin unverändert bleibt
und die Gewindeüberdeckung
aufrechterhalten wird.
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Es
sollte hinzugefügt
werden, daß die
Basen der Gewinde in allen dargestellten Fällen gemäß dem Standard etwas gerundet
sind, was jedoch aus Gründen
der Eindeutigkeit nicht in den Zeichnungen gezeigt ist.
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In
den gezeigten Beispielen ist die Mutter als das Teil dargestellt,
welches mit dem Gewinde ausgebildet ist, das zu einem zusätzlichen
Spiel gemäß der Erfindung
führt,
jedoch natürlich
auch die Schraube, oder als Alternative beide Teile, in dieser Weise ausgebildet
werden können,
wenn das für
günstig
gehalten wird.
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Die
vorliegende Erfindung sollte nicht als durch die nur beispielhaft
offenbarten Ausführungsformen
beschränkt
betrachtet werden, sondern kann in einer Mehrzahl von Weisen, die
der Fachmann erkennen wird, innerhalb des Umfangs der anliegenden
Ansprüche
modifiziert und variiert werden.