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Schraubverbindung zwischen Mutter und axial vorge-
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spanntem Bolzen Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraubverbindung
zwischen Mutter und axial vorgespanntem Bolzen, gemäß Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Es ist vielfach, insbesondere für dichtende Flanschverbindungen von
Behältern, üblich, die Bolzen der Schraubenflanschverbindung vorzuspannen, um bei
den Flanschen eine ausreichende Dichtheit unter Betriebsbeanspruchung zu erreichen
und/oder die Schraubenbolzen eindeutig unter Zugbeanspruchung zu halten. Das Vorspannen
erfolgt bei kleinen Schrauben in der Regel durch Anziehen der Mutter mit kontrolliertem
Drehmoment. Größere Schrauben können nur noch durch ein Recken des Schraubenbolzens,
das unabhängig vom Anziehen der Mutter erfolgt, vorgespannt werden (etwa ab Gewinde
M40 Je nach Genauigkeitsanforderung an den Vorspanngrad). Am gebräuchlichsten ist
hierfür die Anwendung hydraulischer Spannvorrichtungen; sie werden im Kernkraftwerksbau
fast ausschließlich angewandt. In anderen Bereichen, z.B. im Turbinenbau, wird auch
noch mit dem thermischen Längen der Schrauben gearbeitet.
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Bei Primärkreiskomponenten eines Leichtwasser- wie auch Schwerwasserreaktors
müssen die Flanschschrauben relativ hoch vorgespannt werden, z-..B. bis zu ca. 70
% der Werkstoffstreckgrenze. Für die Schrauben eines Reaktordruckbehälters (RDB)
der z.Zt. üblichen Leistungsgröße von 700 bis 1300 MWe, die Gewindemaße von ca.
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M 190 bis M 220 aufweisen, ergibt sich das Problem,
daß
die durch das Spannen aufgebrachte Dehnung des Bolzengewindes, gerechnet über die
Eingriffslänge der Mutter, unter Umständen größer wird als das zwischen Bolzengewinde
und Mutterngewinde vorhandene axiale Spiel. Dies hätte dann zur Folge, daß die Mutter
beim Aufschrauben blockiert wird oder zumindest sehr schwer gängig ist und Gewindebeschädigungen
auftreten können.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubverbindung der
eingangs genannten Art so auszubilden, daß die geschilderten Schwierigkeiten der
Schwergängigkeit oder des Blockierens einer Mutter beim Aufschrauben auf einen axial
vorgespannten Bolzen vermieden sind, insbesondere bei der Deckelflanschverbindung
von Reaktordruckbehältern, wo ein Nacharbeiten der Gewindegänge zur Beseitigung
der Schwergängigkeit oder des Blockierens der Muttern, wenn im Hinblick auf die
Tragfähigkeit des Gewindes überhaupt zulässig, mit einem relativ großen Aufwand
verbunden ist.
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Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe durch die im Kennzeichen
des Anspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in
den Ansprüchen 2 bis 4 beschrieben.
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Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile sind vor allem darin zu
sehen, daß das Gewindespiel hersteller-oder montageseitig nicht in unerwünschtem
Maße (unter Schwächung des tragenden Querschnitts) vergrößert zu werden braucht.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn man die Korrektur der Gewindegänge gemäß Anspruch
1 bzw. 2 im Sinne von Anspruch 3 so vornimmt, daß die Mutter sowohl bei vorgespanntem
als auch bei entspanntem Bolzen vollständig aufschraubbar ist. D.h., die Anpassung
von unverformtem Mutterngewinde und gestrecktem Bolzenge-
winde
muß nicht unbedingt vollständig erfolgen, sondern kann auch so gewählt werden, daß
nur das Defizit zwischen dem axialen Mindestspiel (Grundspiel) einerseits und der
Dehnung der Eingriffslänge des Gewindes plus einem notwendigen Restspiel für die
Bewegung der Mutter andererseits ausgeglichen wird. Dies ist vor allem dann zweckmäßig,
wenn Schraube und Spannvorrichtung so gestaltet sind, daß die Mutter aus Platzgründen
schon vor dem Ansetzen der Spannvorrichtung auf den Bolzen aufgeschraubt werden
muß. Prinzipiell ist es den Herstellern der hydraulischen Schraubenspannvorrichtungen
jedoch auch möglich, diese so zu gestalten, daß die Mutter vor dem Verspannen des
Bolzens nur teilweise oder überhaupt erst im gespannten Zustand aufgeschraubt zu
werden braucht. Dies wäre z.B. bei einem verjüngten Bolzenschaftende möglich, auf
welches die Mutter ohne vollen Gewindeeingriff aufgesetzt werden kann und an welchem
die Spannorgane der Schraubenspannvorrichtung oberhalb der Mutter angreifen können0
In aller Regel werden Schraubverbindungen aus Gründen der Herstellbarkeit mit konstanter
Gewindesteigung ausgeführt. Dementsprechend wird man eine Korrektur der Gewindesteigung
von Mutter und/oder Bolzen normalerweise gemäß Anspruch 2, vorzugsweise in Kombination
mit Anspruch 3, vornehmen, d.h.
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die Gewindesteigung von Mutter und Bolzen wird, wenn auch voneinander
verschieden, über die ganze Gewindelänge konstant gehalten. Prinzipiell lassen sich
derartige Gewindekorrekturen jedoch auch bei nicht über die Gewindelänge konstanten
Steigungen anwenden, Durch die geschilderten unterschiedlichen Gewindesteigungen
von Mutter und Bolzen kann man außerdem einen beanspruchungsmäßig günstigen Nebeneffekt
erreichen.
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Beim normalen Gewinde werden die vom Bolzenschaft her gesellell ersten
Gewirldegänge stärker belastet bzw. ver-
formt als die nachfolgenden,
bedingt t1n rch, daß die Mutter unter Druck steht, also der Abstand der Gewindegänge
verkürzt wird, der Schraubenbolzen hingegen gedehnt wird, so da die Gewindegänge
nicht mehr gleichmäßig ineinandergreifen. Die ersten Gewindegänge miissen also bereits
eine wesentliche Verformung erleiden, bevor die nachfolgenden Gewindegänge zum Tragen
kommen.
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Eine von vorneherein größere Steigung des Mutterngewindes bewirkt
folglich, daß die Lastübertragung auf nacEfolgende Gewinde gänge bereits ohne entsprechend
große Deformation der ersten Gewindegänge erfolgen kann. Durch eine jeweils auf
den Grad der Vorspannung (bzw. Betriebsspannung) abgestimmte Veränderung einer der
beiden oder beider Gewindesteigungen läßt sich also eine optimierte Lastverteilung
erreichen. Das eröffnet wiederum die Möglichkeit, die Tragfähigkeit des Gewindes
durch Vergrößerung der Mutternhöhe noch weiter zu steigern, vergleiche Anspruch
4, was andererseits wegen der aufgrund der größeren Gewindeeingriffslänge nun auch
vergrößerten Dehnlänge eine weitere Vergrößerung des Unterschieds in den Gewindesteigungen
von Muttern- und Bolzengewinde erforderlich macht, um bei vorgespanntem Bolzen ein
Restgewindespiel einzuhalten.
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Im folgenden wird anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels
der Erfindung diese noch näher erläutert. Darin zeigt in vereinfachter Darstellung:
Fig.
1 in einem Ausschnitt die Konturen der Gewindeflanken der üblichen Anordnung eines
(nicht gespannten) Bolzens und der darauf sitzenden Mutter, wobei das Gewindespiel
und - schraffiert - das Feld der Fertigungstoleranzen von Bolzen und Mutter in etwa
aßstabsgerecht eingetragen sind; Fig. 2 den Ausschnitt A aus Fig. 1, vergrößert,
woraus die Spiele und Toleranzfelder deutlicher erkennbar sind; Fig. 3 einen Eingriff
Bolzen - Mutter in einem im Vergleich zu Fig. 1 verkleinerten Maßstab auf größerer
Eingriffslänge der Mutter, wobei die Gewindegänge der Mutter erfindungsgemäß nach
einer Korrekturfunktion sz = n . a P2 3 n (P2 - P) ausgebildet sind, und zwar im
nicht vorgespannten Zustand des Bolzens; Fig. 4 den Gegenstand nach Fig. 3, jedoch
bei gespanntem Bolzen und unbelasteter Mutter; und Fig. 5 den Gegenstand nach Fig.
3 im gespannten Zustand des Bolzens und bei belasteter Mutter, woraus die gleichmäßigere
Lastverteilung erkennbar ist.
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In Fig. 3 bis 5 sind der übersichtlichen Darstellung wegen die Fertigungs-Toleranzbänder
T7 und T2 aus Fig.1 und 2 weggelassen.
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Auf den Bolzen 1 einer Reaktordruckbehälter-Deckelverschraubung mit
einem metrischen Gewinde von z.B. M 210 und der Gewindeachse z sowie der Salben
Ganghöhe p1/2 ist die Mutter 2 aufgeschraubt (Fig. 1). Der tragende Gewindeeingriff
erfolgt zwischen den Gewindeflanken f1 des Bolzens 1 und f2 der Mutter 2, deren
axiales Mindestspiel amin (Grundspiel) aufgeteilt auf die beiden Gewindeflanken
zu 2 x amin/2 dargestellt ist. Das zwischen den Gewindeflanken f1, f2 bestehende
halbe axiale
Maximalspiel, das durch die zulässigen Fertigungstole
ranzen T1 des Bolzens 1 und T2 der Mutter 2 bedingt ist, ist mit amax/2 bezeichnet.
Der Flankenwinkel a) beträgt bei einem metrischen Gewinde, wie dargestellt, 600.
Das axiale Mindestspiel amin/2 und das axiale Maximalspiel amin/2 beziehen sich
auf die halbe Gewindesteigung.
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Fig. 2 zeigt noch einmal vergrößert das halbe axiale Mindestspiel
amin/2 (spannungsloser Zustand), das bei bekannten vorgespannten Bolzen-Muttern-Verbindungen
vorhanden sein muß, damit sich die Mutter auf dem vorgespannten Bolzen drehen läßt.
D.h., amin muß wegen der Streckung des Bolzens größer sein als das für das Aufschrauben
einer Mutter auf einen nicht vorgespannten Bolzen erforderliche Spiel rmin, so wie
weiter unten anhand der Fig. 3 näher erläutert. Fig. 2 zeigt ferner die beiden Toleranzfelder
T7 der Bolzengewindeflanken f1 und T2 der Muttern-Gewindeflanken f2, welche zusammengenommen
das halbe axiale Mindestspiel amin/2 zum halben axialen Maximal spiel amin/2 ergänzen.
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Letzteres darf nicht zu groß werden, damit ein möglichst gleichmäßiges
Tragen der Gewindegänge gewährleistet ist und der tragende Querschnitt nicht über
Gebühr geschwächt wird. Durch die Erfindung ist es nun ermöglicht, diese Anforderungen
zu verfüllen, d.h. eine Schraubbarkeit der Mutter 2 auf einem Bolzen 1 größerer
Stärke und Vorspannung sowie bei einer größeren Eingriffslänge zu gewährleisten,
ohne daß das Gewindespiel vergrößert und damit der tragende Gewindequerschnitt verringert
werden müßten. Hierzu wird im folgenden auf Fig. 3 bis 5 Bezug genommen.
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Aus Fig. 3 erkennt man, daß die Ganghöhe oder Gewindesteigung p1 des
Bolzens 1 kleiner ist als die Gang-
höhe p2 der auf ihn aufgeschraubten
Mutter 2, p2 ist also größer als Pl, wobei jedoch p2 und Pl in Richtung der Gewindeachse
z je für sich konstant sind, so daß sich die Gewindeeingriffslänge des Bolzens 1
aus n . P1 und die Gewindelänge der Mutter 2 aus n . p2 ergibt. Wenn man beim untersten
Gewindegang, wo die Gewindeflanken £2u' f10 bis auf ein Restspiel rmin/2 praktisch
aneinanderliegen, beginnt, so vergleichmäßigt sich der Abstand der oberen und unteren
Flankenpaare zunächst und verändert sich dann zum oberen Bereich der Gewindehöhe
derart, daß nun der geringste axiale Flankenabstand 1u - 2o =rmin/2 zwischen den
im oberen Bereich gelegenen Flanken 1u' f20 besteht. In diesem nicht gespannten
Zustand kann die Mutter 2 auf dem Bolzen 1 mithin gedreht werden.
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Wenn nun - wie in Fig. 4 dargestellt - mittels einer hydraulischen
Spannvorrichtung oder dergleichen der Bolzen 1 axial gereckt wird, wird auch die
Ganghöhe des Bolzens gedehnt; d.h., im unteren Gewindebereich nähern sich die Unterseiten
1u der Gewindeprofile des Bolzens den Oberseiten f20 der Gewindeprofile der Mutter,
und im oberen Bereich nähern sich die Oberseiten f10 der Bolzen-Gewindeprofile den
Unterseiten f2u der Mutterngewindeprofile. Will man nun, daß auch in diesem gereckten
Zustand die Mutter 2 mit ihrem Gewinde auf dem Gewinde des Bolzens 1 gedreht werden
kann, so dürfen die axialen Spiele zwischen fl, und f20 am unteren Gewindeende und
f10 sowie 2u am oberen Gewindeende zusammengenommen das zum Bewegen der Mutter notwendige
Restspiel rmin nicht unterschreiten. Dann gilt die Beziehung amin + n (P2- P1) >
dges + rmin d.h., die Summe aus der resultierenden Dehnung dges
der
Eingriffslänge n p des Bolzengewindes und dem zur Bewegung der Mutter notwendigen
Restspiel rmin muß kleiner sein als die oder darf höchstens gleich sein der Summe
aus dem axialen Mindestspiel oder Grundspiel amin und der über die Gewindeeingriffslänge
vorgesehenen n-fachen Steigungsdifferenz n .- (p2 P7 P1) In Fig. 5 ist ein Zustand
des Bolzens 1 und der auf ihn aufgeschraubten Mutter 2 dargestellt, bei dem der
Bolzen 1 gereckt ist, die Mutter 2 in diesem gereckten Zustand des Bolzens durch
einen Schrauber nachgestellt worden ist (so daß sie z.B. auf den zugehörigen Sitzflächen
des Deckelflansches eines Reaktordruckbehälters aufsitzt), wobei nach der Muttern-Nachstellung
die hydraulischen Spannkräfte für den Bolzen 1 aufgehoben worden sind und sich dieser
mithin mit seinen nach unten weisenden Gewindeflanken f7U an die anliegenden Gewindeflanken
f20 der Mutter 2 anlegt bzw. anpreßt.
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Die unter Belastung bleibende Gesamtdehnung ist in Fig. 5 mit
diejenige pro Ganghöhe mit p* (z) bezeichnet. Wegen der unterschiedlichen Deformation
der einzelnen Gewindegänge kann man hier streng genommen nicht mehr von p*" für
die Eingriffslänge sprechen.
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Abschließend sei für das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 bis 5 beispielhaft
eine Bemessung in Tabellenform angegeben, mit der sich die gewünschten Resultate
erzielen lassen.
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Gewinde von Bolzen 1 und Mutter 2: M 220 Ganghöhe Pl des Bolzens 1:
8 mm Ganghöhe p2 der Mutter 2: 8,008 mm Anzahl n der Gewindegänge der Mutter 2:
33 amin: 0,37 mm rmin (Bolzen gespannt): 0,10 mm Bolzendehnung d im Eingriffsbereich:
0,5 mm hydraulische Vorspannkraft: max. 13 # 106 N bleibende Vorspannung: 10 # 106
N 4 Patentansprüche 5 Figuren