DE1151774B - Zylindrische Schrumpfgewindeverbindung, insbesondere fuer Tiefbohrrohre - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine zylindrische Schrumpfgewindeverbindung, insbesondere für Tiefbohrrohre, bei der die Gewinde sowohl des Bolzenteils als auch des Mutterteils auf zylindrischen Flächen vorgesehen sind.

Es ist eine Kegelgewindeverbindung mit auf das Bolzenteil aufgeschrumpften Mutterteil bekannt, bei der die Steigungen des Muttergewindes und des Bolzengewindes über die Gewindelänge zwar jeweils konstant sind, jedoch geringfügig voneinander abweichen. Um die beiden Gewinde in Eingriff zu bringen, wird das Mutterteil, das die kleinere Steigung besitzt, so weit erhitzt, bis sein Gewinde infolge der thermischen Ausdehnung des Materials die gleiche Steigung wie das andere Teil besitzt. In diesem Zustand werden die Gewinde in Eingriff gebracht. Beim nachfolgenden Abkühlen schrumpft das Mutterteil. Seine Materialteilchen bewegen sich dabei entlang von Radien einer Schrumpfungskugel, deren Mittelpunkt etwa in der Mitte der Gewindeverbindung auf deren Achse liegt. Bei dieser bekannten Kegelgewindeverbindung kann eine gewisse Abdichtung im Gewinde gegen Durchtritt von Wasser erzielt werden. Die Gewindegänge sind aber bei dieser Verbindung, in axialer Richtung gesehen, ungleichmäßig belastet, wobei die an den Außenrändern der Verbindung liegenden Gewindegänge weitaus die größte axiale Kraft aufnehmen müssen. Dies führt zu einer Keilwirkung zwischen den Gewindegängen, aus der Einrisse im Gewindegrund entstehen können.

Eine ähnliche Maßnahme ist auch von Stiftschrauben mit zylindrischem Gewinde bekannt. Zum Sichern der Schraube in ihrem Gewinde hat man bei normalem Gewindeprofil und konstanter Steigung beider Gewindeteile dem einen Gewinde eine von der Steigung des anderen Gewindes abweichende Steigung gegeben, so daß beim Einschrauben eine Verspannung entsteht. Im lose eingeschraubten Zustand besteht nur zwischen den an den Enden der im Eingriff stehenden Gewinde liegenden Gewindegänge eine Flankenberührung, während bei allen übrigen Flanken ein Spiel vorhanden ist. Beim festeren Einschrauben kommen dann infolge der Materialverformung immer mehr Flanken in gegenseitige Berührung, wobei jedoch die Flankenbelastung an den Enden der Gewindeverbindung am größten ist und zur Mitte hin abnimmt. Es entsteht also ein ähnlich ungleichmäßiger Belastungszustand wie bei der obenerwähnten geschrumpften Kegelgewindeverbindung.

Um die Nachteile dieser bekannten Gewindeverbindungen zu vermeiden, ist eine Gewindeverbindung vorgeschlagen worden, bei der die Belastung der Zylindrische Schrumpfgewindeverbindung, insbesondere für Tiefbohrrohre

Anmelder:

Bataafse Petroleum Maatschappij N.V., Den Haag

Vertreter: Dr.-Ing. F. Wuesthoff, Dipl.-Ing. G. Puls und Dipl.-Chem. Dr. rer. nat. E. Frhr. v. Pechmann, Patentanwälte, München 9, Schweigerstr. 2

Beanspruchte Priorität: Niederlande vom 31. Oktober 1955 (Nr. 201 628)

Herman Tobias van der Wissel, Den Haag, ist als Erfinder genannt worden

Gewindegänge über die Länge der Gewindeverbindung im wesentlichen gleichmäßig ist, so daß sie bei gegebenen Abmessungen höher belastet werden kann als die bekannten Gewindeverbindungen. Zu diesem Zweck sind nach diesem nicht vorveröffentlichten Vorschlag symmetrisch zu der etwa in Gewindemitte gedachten Querebene Abweichungen einzelner oder mehrerer Gewindegänge hinsichtlich des Abstandes von dieser Querebene, der Steigung und/oder des Flankendurchmessers vorgesehen. Dieser ältere Vorschlag befaßt sich jedoch nur mit Kegelgewindeverbindungen, wobei sich die Abweichungen auf ein normales Kegelgewinde mit konstanter Gewindegangform, Gewindesteigung und konstanter Konizität der Gewinde beziehen.
Es hat sich nun gezeigt, daß man diesen älteren Vorschlag mit Vorteil auch bei zylindrischen. Gewinden anwenden kann. Dabei geht die Erfindung von einem zylindrischen Schrumpfgewinde aus, bei dem im fest eingeschraubten Zustand die beiden Flanken jedes Gewindeganges der beiden Gewinde unterschiedlich belastet sind. Erfindungsgemäß sind bei diesem zylindrischen Schrumpfgewinde symmetrisch zu einer etwa in der Gewindemitte gedachten Gewindequerebene Abweichungen hinsichtlich des Abstandes von dieser Querebene, der Steigung und/ oder des Flankendurchmessers einzelner oder mehrerer Gewindegänge vorgesehen. Die Abweichungen beziehen sich auf ein normales zylindrisches Gewinde,

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Ια Fig. 1 erkennt man ein Bauteil 1 mit einem Bolzenabschnitt 2, auf den ein Bauteil 3 mit einem Mutterabschnitt 4 aufgeschrumpft ist. Das Bolzenteil 2 besitzt ein Gewinde 5, das in das Gewinde 6 des 5 Mutterteils eingreift. Die Längsachse der Gewindeverbindung ist bei 7 angedeutet. Die äußeren Flanken des Gewindes 5 berühren die inneren Flanken des Gewindes 6 und stehen unter einer spezifischen Belastung if. Zwischen den unbelasteten Flanken ver-

bei dem die Steigung, der Flankendurchmesser und
die Gewindegangform über die ganze Länge der Gewinde konstant sind. Es sollen darunter auch solche
Gewinde verstanden werden, die in sehr geringem
Maße kegelig sind, bei denen z.B. der Kegelwinkel
kleiner als 1° und über die Gewindelänge konstant ist.
Im folgenden sollen unter »äußeren Flanken« der
Gewinde diejenigen Flanken verstanden sein, die der
obengenannten Gewindequerebene jeweils abgewandt
sind. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen wird io bleibt ein schraubenlinienförmiger Spalt. Auf die ein zu der etwa in der Gewindemitte gedachten Quer- Gewindeverbindung können andere Kräfte, z. B. ebene symmetrischer, axialer Belastungszustand der äußere Kräfte und Schulterkräfte, wirken, die hier Gewindegänge erzielt, bei dem die Belastung samt- jedoch nicht angedeutet sind.

licher Gewindegänge praktisch die gleiche ist. Damit Die äußeren Kräfte werden als gegeben vorauswird eine die Bildung von Spannungsrissen am Ge- 15 gesetzt, während man die Kräfte K und etwa aufwindegrund hervorrufende Keilwirkung zwischen be- tretende Schulterkräfte unter Berücksichtigung der nachbarten Gängen unterbunden. Vor allem kann zulässigen Spannungen wählen kann. Bei dem in eine in dieser Weise ausgebildete Gewindeverbindung Fig. 1 dargestellten Zustand ist das Bolzenteil 2 inmerklich höher belastet werden, als es bei üblichen folge der Wirkung der axialen Komponenten der zylindrischen Gewindeverbindungen möglich ist, da 20 Kräften verkürzt, und das Mutterteil4 ist im Verpraktisch alle im Eingriff stehenden Gewindegänge gleich zum unbelasteten Zustand gelängt bzw. gedehnt; die Enden des Bolzenteils 2 sind hierbei näher an die Mitte M herangerückt, und die Enden des Mutterteils 4 haben sich von der Mitte M weiter ent-25 fernt. Zusätzlich rufen die radialen Komponenten der inneren Kräfte Verformungen hervor. Alle diese

Verformungen und relativen Verschiebungen lassen sich berechnen, wenn die Materialeigenschaften gegeben sind.

Fig. 2, 3 und 4 zeigen jeweils im Schnitt ein Stück des Gewindes eines unbelasteten Bolzenteils und eines unbelasteten kalten Mutterteils. In diesem Falle muß man von der Annahme ausgehen, daß unter Zugrundelegung einer Schrumpfverbindung die axialen

gleichermaßen an der Kräfteübertragung zwischen den Gewindeteilen teilnehmen. Diese Vorteile werden erreicht, ohne daß plastische Verformungen in den Gewindeteilen auftreten.

Im Hinblick auf die erzielten Ergebnisse ist es bedeutungslos, ob die Abweichungen gemäß der Erfindung dadurch hervorgrufen sind, daß nur das Bolzengewinde, nur das Muttergewinde oder beide Gewinde von der Form eines normalen zylindrischen Gewindes 3<> abweichen. Im Hinblick auf die Herstellung ist es jedoch erwünscht, daß entweder das Bolzenteil oder das Mutterteil mit einem normalen zylindrischen Gewinde versehen wird.

Bei einem zylindrischen Gewinde, bei dem im un- 35 Kräfte, die auf das Bolzenteil und das Mutterteil aufbelasteten Zustand die Steigung des Muttergewindes gebracht werden, weggenommen worden sind, so daß im kalten Zustand kleiner ist als diejenige des Bolzen- die Mitte M ihre Lage beibehält; infolgedessen ergibt gewindes, soll sich zweckmäßigerweise der Steigungs- sich in Fig. 2, 3 und 4 eine teilweise Überlappung unterschied in bezug auf die Gewindelänge ändern, zwischen dem Bolzengewinde und dem Mutter- und zwar als stetige Funktion der Gewindelänge, wo- 40 gewinde. Die axiale Überlappung der belasteten bei der Steigungsunterschied in der Mitte des Bolzen- Flanken ist in den Figuren bei a_v a₂, a_s, cr₄, a₅ und a_e gewindes und des Muttergewindes am größten ist. angedeutet; diese Überlappung ist im wesentlichen

Bei einer Gewindeverbindung, bei der das Bolzen- gleich dem zu berechnenden Gesamtwert der relativen teil und das Mutterteil im unbelasteten und im kalten Verschiebungen der belasteten Flanken des Bolzen-Zustand die gleiche Steigung aufweisen, ist gemäß 45 gewindes und des Muttergewindes gegenüber der der Erfindung an der Mitte des Bolzenteils und/oder Mitte M. Die Überlappung wird außerdem durch die des Mutterteils eine örtliche Änderung der Steigung radialen Komponenten der inneren Kräfte beeinflußt, vorgesehen, wobei der Unterschied zwischen den Fig. 2, 3 und 4 zeigen ein Mutterteil 4 mit einem

Flankendurchmessern des Bolzengewindes und des normalen zylindrischen Gewinde 6; die Linien 8 Muttergewindes an der Mitte des Gewindes größer ist 5o und 9, welche in der Querschnittsdarstellung die als an den Enden. Ferner können sowohl das Bolzen- Scheitel bzw. die Fußpunkte der Gewindegänge vergewinde als auch das Muttergewinde eine konstante binden, verlaufen geradlinig und parallel zu der Steigung aufweisen, wobei jedoch die Steigung des Achse 7. Überdies sind die axialen Überlappungen a_v Bolzengewindes etwas größer ist als diejenige des a₂, a₃, Ci₁, a_s und a₆ in Fig. 2, 3 und 4 die gleichen, Muttergewindes. In diesem Falle soll der Unterschied 55 was bedeutet, daß in sämtlichen Fällen die gleiche zwischen den Flankendurchmessern des Bolzen- Last berücksichtigt ist, so daß auch die Lage der

gewindes und des Muttergewindes an der Mitte des Gewindes kleiner sein als an den Enden.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an mehreren beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch zwei Bauteile, zwischen denen eine feste Schrumpfverbindung besteht;

Fig. 2, 3 und 4 zeigen verschiedene Ausbildungsformen unbelasteter Bolzen- und Muttergewinde im ⁶5 kalten Zustand;

Fig. 5 einen Schnitt durch eine mit einer Schulter versehene Schrumpfverbindung.

äußeren Flanken des Gewindes 5 des Bolzenteils 2 in Fig. 2, 3 und 4 die gleiche ist. Die relative Lage der inneren Flanken des Gewindes 6 und der äußeren Ausführungs- ⁶° Flanken des Gewindes 5 im unbelasteten Zustand ist von grundlegender Bedeutung, doch läßt sich die Lage der äußeren Flanken des Gewindes 6 und der inneren Flanken des Gewindes 5 innerhalb bestimmter Grenzen beliebig wählen.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Lage der inneren Flanken des Gewindes so gewählt, daß die Steigung des Gewindes 5 größer ist als diejenige des Gewindes 6, und die Linie 10, die in der

Querschnittsdarstellung die Fußpunkte des Gewindes 5 verbindet, verläuft geradlinig und parallel zu der Achse 7. Infolgedessen ist die Linie 11, welche in der Querschnittsdarstellung die Scheitel des Gewindes 5 verbindet, in Richtung nach rechts konvex, d. h., die Steigung des Gewindes 5 ändert sich allmählich, und der Steigungsunterschied zwischen dem Gewinde 5 und dem Gewinde 6 ändert sich ebenfalls allmählich, und der Steigungsunterschied zwischen dem Gewinde 5 und dem Gewinde 6 ist an der Mitte M am größten. Es liegt auf der Hand, daß man auch die Linie 11 geradlinig und die Linie 10 in Richtung nach links konvex verlaufen lassen kann oder daß die Linie 8 nach rechts konvex oder die Linie 9 nach links konvex sein kann. Zwei oder mehr Linien können auch gebogen sein; die in Fig. 2 angedeuteten Formen lassen sich jedoch verhältnismäßig leicht herstellen. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, sich die in Fig. 1 sichtbaren Spalte zwischen den unbelasteten Flanken als geschlossen vorzustellen, wobei diese Flanken im vorliegenden Falle keine Kräfte aufeinander übertragen bzw. nur Kräfte, die im Vergleich zu den Kräften K klein sind. Nachträglich kann man berechnen, wie weit die Spalte zwischen den unbelasteten Flanken in Fig. 2 werden. Auf diese Weise wird auch die Lage der inneren Flanken des Gewindes 5 bestimmt; zwar ergeben sich hierbei kompliziertere Abweichungen des Gewindes, doch läßt sich eine Gewindeverbindung mit abdichtender Wirkung herstellen.

Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die inneren Flanken des Gewindes 5 so angeordnet sind, daß dieses Gewinde 5 eine konstante Steigung p_t besitzt, die größer ist als die Steigung /?, des Gewindes 6. Bei dieser Konstruktion ist der Unterschied zwischen den Flankendurchmessern der Gewinde 5 und 6 an den Enden des Gewindes am größten; unter dem Flankendurchmesser ist das Doppelte des Abstandes zwischen der Achse 7 und der Mitte der Gewindeflanke zu verstehen. In Fig. 3 sind die Linien 10 und 11 in Richtung nach rechts konvex; alternativ können die Linien 8 und 9 nach links konvex sein, oder sowohl die Linien 8 und 9 als auch die Linien 10 und 11 können gebogen sein.

Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem die inneren Flanken des Gewindes 5 so angeordnet sind, daß dieses Gewinde 5 eine konstante Steigung besitzt, die ebenso groß ist wie die Steigung des Gewindes 6, wobei jedoch das Gewinde 5 an der Mitte M eine örtliche Änderung der Steigung aufweist, die gemäß Fig. 4 eine Gewinderille von größerer Steigung umfaßt, bei der es sich jedoch auch um eine Unterbrechung des Gewindes handeln kann; ferner kann das Gewinde 6 eine örtliche Änderung der Steigung aufweisen, oder eine solche örtliche Änderung der Steigung ist bei beiden Gewinden 5 und 6 vorgesehen. Bei dieser Konstruktion ist der Unterschied der Flankendurchmesser der Gewinde 5 und 6 an der Mitte M am größten.

Es liegt auf der Hand, daß die Gewinde auch andere Abweichungen aufweisen können, vorausgesetzt, daß die relative Lage der belasteten Flanken unverändert bleibt. Hierbei müssen wenigstens die Sollbelastung und die Materialeigenschaften ebenfalls unverändert bleiben.

Weiter oben wurde die Mitte M erwähnt; hierunter ist derjenige Punkt zu verstehen, an dem die inneren und die äußeren Flanken ineinander übergehen, was aus der Definition der inneren und äußeren Flanken folgt; es handelt sich somit um diejenige Stelle, an der die Druck- oder Zugspannung am größten ist. Bei einer Verbindung ohne Schultern stimmt die Mitte M mit der wahren Mitte des Schraubengewindes überein, wenn mindestens die größten Zug- und Druckkräfte, welche die Verbindung übertragen können, einander gleich sind. Aus dem Gleichgewicht der axialen Komponenten der verschiedenen Kräfte folgt

ίο jedoch, daß die Mitte M beim Vorhandensein von Schulterkräften und/oder äußeren Kräften im allgemeinen nicht mit der wahren Mitte m des Gewindes übereinzustimmen braucht. Dies geht aus Fig. 5 hervor, die ein Bolzenteil 15 zeigt, das eine Schulter 16 besitzt, sowie ein Mutterteil 17 mit einer Schulter 18. Die Schulterkraft ist bei L angedeutet. Die Mitte M liegt in einem größeren Abstand vom Ende des Mutterteils 17 und in einem kleineren Abstand vom Ende des Bolzenteils 15 als die wahre Mitte m.

Um eine gute Abdichtung zwischen den Schultern 16 und 18 zu erzielen, ist es erwünscht, daß sich die Linien 19 und 20, die in der Querschnittsdarstellung Verlängerungslinien der Schulter 16 und 18 bzw. der Flanke 21 bilden, wobei bei der Herstellung der Verbindung die erste Berührung zwischen dem Muttergewinde und dem Gewinde des Bolzens 15 an der Flanke 21 stattfindet, oberhalb der Achse 22 der Gewindeverbindung schneiden. Während des Abkühlens des vorgewärmten Mutterteils 17 bewegen sich alle Stellen des Mutterteils entlang Radien, die in dem auf der Rotationsachse des Mutterteils liegenden Schrumpfkugelmittelpunkt zusammenlaufen. In dem in Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel liegt der Schrumpfkugelmittelpunkt im Schnittpunkt zwisehen der Achse 22 und der mit einem Sehrumpfradius zusammenfallenden Linie 19. Jeder Punkt der Flanke 21 des Mutterteils verschiebt sich also beim Abkühlen in Richtung auf den Schrumpfkugelmittelpunkt. Diese Verschiebung kann, da die Verlängerungslinie 20 der Flanke 21 die Linie 19 oberhalb der Achse 22 und damit oberhalb des Schrumpfkugelmittelpunktes schneidet, in eine Verschiebung entlang der Linie 20 und eine Verschiebung senkrecht zu dieser Linie 20 zerlegt werden, welch letztere die Kräfte L zwischen den Schultern 16 und 18 sowie die Kräfte k zwischen den Flanken 21 zur Folge hat. In den Figuren sind die Abweichungen übertrieben groß dargestellt. In Wirklichkeit werden diese Abweichungen nur sehr klein sein, so daß das Bolzenteil und das Mutterteil durch die zur Erzeugung von Verformungen benötigten Kräfte nicht überlastet werden. Die Herstellung des Bolzengewindes und/oder des Muttergewindes einer Gewindeverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung bietet größere Schwierigkeiten als die Herstellung eines normalen Schraubengewindes. Diese Schwierigkeiten lassen sich jedoch überwinden, wenn man beim Schneiden des Gewindes auf einer Drehbank besondere Hilfsmittel benutzt. Beispielsweise kann man die gewünschten Abweichungen von der Kegelform mit Hilfe einer Kegeldreheinrichtung erzielen, welche die gewünschten Abweichungen aufweist. Ein kleiner konstanter Steigungsunterschied zwischen den beiden Gewinden läßt sich durch Verwendung geeigneter Wechselräder erzielen, wobei man z. B. für das eine Gewinde ein Wechselrad mit 400 Zähnen und für das andere Gewinde ein Wechselrad mit 401 Zähnen benutzt. Um bei einem zu schneidenden Gewinde die gewünschten Steigungs-

unterschiede hervorzurufen, kann man der mit dem Stahlhalter verbundenen Leitspindelmutter, die durch die Leitspindel bewegt wird, zusätzlich zu ihrer Translationsbewegung während ihrer Bewegung gegenüber der Leitspindelachse mit Hilfe einer Vorrichtung eine Drehbewegung erteilen, wobei diese Vorrichtung die genannte Drehbewegung steuert, denn wenn man die Leitspindelmutter in der gleichen Richtung dreht wie die Leitspindel, wird die Steigung verkleinert, und wenn man die Leitspindelmutter in der entgegengesetzten Richtung dreht, erhält man eine Vergrößerung der Steigung.

Claims (7)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Zylindrisches Schrumpfgewinde, insbesondere für unmittelbar aneinander anzuschließende Tiefbohrrohre, bei dem im fest eingeschraubten Zustand die beiden Flanken jedes Gewindeganges der beiden Gewinde unterschiedlich belastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß symmetrisch zu einer etwa in Gewindemitte gedachten Gewindequerebene Abweichungen hinsichtlich des Abstandes von dieser Querebene, der Steigung und/ oder des Flankendurchmessers einzelner oder mehrerer Gewindegänge vorgesehen sind.

2. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, bei dem im unbelasteten und kalten Zustand sich die Steigung des Muttergewindes von der des Bolzengewindes unterscheidet, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Steigungsunterschied in bezug auf die Gewindelänge ändert, und zwar als stetige Funktion der Gewindelänge, und daß die Steigung des Muttergewindes kleiner ist als diejenige des Bolzengewindes, wobei der Steigungsunterschied in der Mitte des Bolzengewindes und des Muttergewindes am größten ist.

3. Gewindeverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Steigungsunterschiedes stetig erfolgt.

4. Gewindeverbindung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Mutterteil ein normales zylindrisches Gewinde aufweist.

5. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, bei dem im unbelasteten und kalten Zustand der Verbindung sowohl das Bolzengewinde als auch das Muttergewinde eine konstante, jedoch unterschiedliche Steigung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß der Unterschied zwischen den Flankendurchmessern des Muttergewindes und des Bolzengewindes an der Mitte des Gewindes kleiner ist als an den Enden.

6. Gewindeverbindung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Änderung des Unterschiedes der Flankendurchmesser stetig erfolgt.

7. Gewindeverbindung nach Anspruch 1, bei der im unbelasteten und kalten Zustand der Verbindung das Bolzengewinde und das Muttergewinde die gleiche Steigung aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß an der Mitte des Bolzenteils und/oder des Mutterteils eine örtliche Änderung der Steigung vorgesehen ist und daß der Unterschied zwischen den Flankendurchmessern des Muttergewindes und des Bolzengewindes an der Mitte des Gewindes größer ist als an den Enden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
USA.-Patentschrift Nr. 1 817 808.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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