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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbindungselement gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, sowie eine Schraubverbindungvorrichtung gemäß Anspruch 6.
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Schraubverbindungsvorrichtungen sind in mannigfaltigen Bereichen des heutigen Lebens, wie beispielsweise dem Automobilsektor, dem Bausektor, dem Maschinenbausektor oder auch auf dem Gebiet des Stahlbaus zu finden. Ohne derartige Verbindungsvorrichtungen wären viele technische Anwendungen undenkbar oder nur unter erschwerten Bedingungen realisierbar.
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Vorgespannte, insbesondere hochfest vorgespannte Schraubenverbindungen (HV Garnituren) stellen ein sicheres und vielfältig einsetzbares Verbindungssystem für zahlreiche Anwendungen beispielsweise auf dem Gebiet des Stahlbaus dar. HV Garnituren größerer Abmessungen werden unter anderem in Windenergieanlagen als Ringflanschverbindungen eingesetzt. Mit zunehmendem Einsatz von hochfest vorgespannten Verbindungselementen steigen auch die Anforderungen an deren Wartung. Die Vorspannkraft im System spielt dabei eine bedeutende Rolle. In regelmäßigen Intervallen wird überprüft, ob die gewünschte Vorspannkraft noch im System verblieben ist.
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Als ein mögliches Beispiel für eine vorgespannte Schraubenverbindung sei eine Schraubverbindungsvorrichtung mit einem Verbindungselement in Form einer Schraube, welche einen Gewindeabschnitt aufweist, sowie mit zwei Sicherungs- bzw. Spanneinrichtungen in Form von Muttern genannt, welche sich auf dem Gewindeabschnitt bei einer Drehung der Schraube relativ zu derselben in einer axialen Richtung, welche durch die Schraubenmittelachse definiert ist, hin- und her bewegen können. In diesem Anwendungsbeispiel wird die Schraube in ein entsprechendes in einem Klemmpaket angebrachtes Loch eingeführt, bis sie mit einem Kopfende an einer Seite des Klemmpakets oder an einer zwischen dem Klemmpaket und Kopfende der Schraube angeordneten Unterlegscheibe ansteht. Der über die andere Seite des Klemmpakets hinausstehende Teil des Gewindeabschnitts der Schraube wird dann mit der ersten Sicherungs- bzw. Spanneinrichtung in Form der ersten Mutter versehen. Diese wird durch eine Drehbewegung entweder der Mutter oder der Schraube in Richtung des Klemmpakets bewegt, in Anlage an das Klemmpaket gebracht und unter eine vorbestimmte Spannung (Vorspannung) gesetzt, z.B. mittels eines Drehmomentschlüssels oder eines hydraulischen Drehmomentschraubers. Zur Sicherung wird auf das Gewinde eine zweite Mutter, welche als Kontermutter zur Sicherung dient, auch als Sicherungsmutter bezeichnet, aufgesetzt, welche in Anlage an die erste Mutter verbracht und mit einem vorbestimmten Drehmoment festgezogen wird. Dabei gelangt eine sich in radialer Richtung erstreckende Anlagefläche der zweiten Mutter, welche in einer Richtung zu dem Schraubenkopf hin angeordnet ist, mit einer Anlagefläche der ersten Mutter in Kontakt, welche in einer von dem Schraubenkopf abgewandten Richtung angeordnet ist. Auch die zweite Mutter wird, wie vorstehend erwähnt, in der Regel mit einem vorbestimmten Drehmoment angezogen, so dass eine Lockerung der Verbindungen erschwert wird. Die zweite Mutter dient insbesondere zur Sicherung gegen ein mögliches Lösen der ersten Mutter bei Betriebsbeanspruchung.
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Aufgrund von Vibrationen, Erschütterungen und anderweitigen Bewegungen des Klemmpakets kann es jedoch dazu kommen, dass sich die Muttern relativ zu der Schraube bewegen und damit die Verbindung gelockert wird.
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Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verbindungselement, insbesondere eine Schraube anzugeben, bei dem im Gegensatz zum Stand der Technik die Gefahr beseitigt wird, dass ein Lockern oder Lösen der Verbindung auftritt. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine entsprechende Schraubverbindungsvorrichtung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verbindungselement gemäß Anspruch 1 gelöst, wobei vorteilhafte Weiterbildungen in den abhängigen Ansprüchen erläutert sind. Der zweite Aspekt der Aufgabenstellung wird durch eine Schraubverbindungsvorrichtung gemäß Anspruch 6 gelöst. Weiterführende Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen erläutert.
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Nach Maßgabe der Erfindung wird ein Verbindungselement bzw. eine Schraubverbindungsvorrichtung geschaffen, die hohe Vorspannkräfte erlaubt und es dabei gleichzeitig ermöglicht, dass diese Vorspannkraft auch auf Dauer stabil, auch unter hohen Lasten, beibehalten wird. Insofern ergibt sich ein sehr hoher Sicherungsgrad für eine solche Schraubverbindungsvorrichtung, die vornehmlich auch sehr vorteilhaft unter hohen Belastungen, etwa in Windkraftanlagen, verwendet werden kann. Nach Maßgabe der Erfindung ist im bevorzugten Ausführungsbeispiel eine Schraube mit zwei Gewindeabschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser und unterschiedlicher Steigung vorgesehen, die mit zwei Muttern zusammenwirken, wobei das zu befestigende Klemmpaket, etwa zwei plattenförmige Bauelemente, zwischen dem Kopf der Schraube und den beiden Muttern gegebenenfalls unter Zwischenschaltung von Unterlegscheiben eingespannt ist.
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Durch die erfindungsgemäße Schraubverbindung ergibt sich ein sicheres und vielfältig einsetzbares System für sehr zahlreiche Anwendungen. Ein bevorzugter Anwendungsfall sind Windenergieanlagen, die groß aufgebaute Schraubenverbindungen mit entsprechender Sicherheit benötigen. Hierbei ist die Aufrechterhaltung der zuvor eingestellten Vorspannkraft sehr wesentlich, was mit den erfindungsgemäßen Maßnahmen erreicht wird.
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In Weiterbildung der Erfindung ist an einer Stirnfläche von mindestens einer Mutter, Kopfabschnitt und/oder Unterlegscheibe der Schraubverbindungsvorrichtung, die sich beim Anziehen der Schraubenverbindungen in Kontakt mit einer Gegenfläche befindet, eine reibkrafterhöhende Ausbildung bzw. Vorkehrung vorgesehen, die vorzugsweise dreidimensional in der Stirnfläche ausgebildet ist. Zweckmäßigerweise eignet sich hierzu eine Prägung in Form einer Riffelung oder Rillierung und dergleichen. Hierdurch wird beim Anziehen der Schraubenverbindung ein zusätzlicher Verkeilungseffekt durch Formschluss erzielt, welcher als Lösesicherung und somit für den Erhalt der einzustellenden Vorspannkraft sehr zweckmäßig ist. Dadurch wird die Dauerfestigkeit der Schraubverbindung erhöht. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann eine chemische Behandlung des Materials als reibkrafterhöhende Ausbildung bzw. Vorkehrung vorgesehen sein.
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In diesem Zusammenhang ist es vorteilhaft, die reiberhöhende bzw. reibkrafterhöhende Ausbildung an der Stirnfläche der zweiten Mutter vorzusehen, wobei die Ausbildung vorzugsweise ringartig die Aussparung in dieser Mutter umgibt und koaxial zur Achse der Mutter verläuft. In einer Variante kann entweder oder zugleich die reiberhöhende Ausbildung auch an der Stirnfläche des Kopfabschnitts vorgesehen sein, bevorzugt ringförmig und weiter bevorzugt radial im äußeren Bereich. Dies begünstigt, dass beim Anziehen und Festdrehen der Schraubverbindung auch ohne Fixierung des Kopfabschnitts durch ein Haltewerkzeug möglich ist, da sich der Kopfabschnitt bei der Verschraubung in die Gegenlage hineinprägt und dadurch das Kopfauflagereibmoment erhöht wird. Wenn eine oder mehrere Unterlegscheiben vorgesehen sind, ist es in diesem Zusammenhang auch vorteilhaft, die reiberhöhende bzw. reibkrafterhöhende Ausbildung zwischen der oder den Unterlegscheiben und dem Klemmpaket vorzusehen, und zwar bevorzugt ringförmig und weiter bevorzugt radial im äußeren Bereich. Um die Vorspannkraft ungehindert einzuleiten, ist es weiterhin bevorzugt, wenn keine reiberhöhende bzw. reibkrafterhöhende Ausbildung zwischen der ersten Mutter und der Unterlegscheibe und keine reiberhöhende bzw. reibkrafterhöhende Ausbildung zwischen dem Kopfabschnitt und der Unterlegscheibe vorgesehen sind.
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In weiterer Ausbildung der Erfindung sind an den Stirnflächen zwei in Anlage zueinander befindliche Bauelemente, das können die Muttern, das kann Mutter und Unterlegscheibe sein, jeweils koaxial umlaufend konisch bzw. kugelig ausgebildet versehen. Die konus- bzw. kugelförmigen Flächen in Anlage zueinander befindlicher Bauelemente sind zweckmäßigerweise komplementär zueinander ausgebildet, so dass sich ein gelenkiges System ergibt, das Biegemomente und Unebenheiten beispielsweise aufgrund von Fertigungstoleranzen ausgleichen kann. Vorteilhaft wird hierdurch eine biegemomentfreie Montage möglich und somit eine gleichmäßigere Einleitung der Vorspannkraft. Insbesondere kann die erste Mutter an der Stirnfläche kugelig oder kegelig und die Unterlegscheibe als Kugel- oder entsprechend Kegelpfanne ausgebildet sein. Zusätzlich oder alternativ hierzu kann der Schraubenkopf kugelig oder kegelig und die Unterlegscheibe als Kugel- oder entsprechend Kegelpfanne ausgebildet sein.
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In einer weiteren Variante, die auch zusätzlich zu den anderen Bauelementen bzw. Ausbildungen vorgesehen sein kann, ist insbesondere an einer Stirnseite einer der beiden Muttern und/oder des Kopfabschnitts, die sich in Kontakt mit einer Gegenfläche befindet, mindestens eine Ausbildung vorgesehen, die für einen linienförmigen und/oder punktförmigen Kontakt mit der Gegenfläche im Schraubverbund sorgt. Hierbei ist es vorteilhaft, die Ausbildung durch eine Ausbauchung, insbesondere ringförmige Ausbauchung, die koaxial beispielsweise um die Mutter umläuft, auszubilden. In weiterer zweckmäßiger Ausbildung sind hierbei mehrere ringförmige koaxiale Ausbuchtungen in Art von Ringen vorgesehen.
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Diese Maßnahmen begünstigen exakt definierte Anzugsmomente und damit exakt definierte Vorspannkräfte auf Dauer einzustellen.
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Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Verwendung einer der zuvor beschriebenen Vorrichtungen zur Verbindung von Flanschabschnitten zweier übereinander angeordneter Turmwandsegmente insbesondere einer Windkraftanlage vorgeschlagen. Mit den Maßnahmen der Erfindung kann in diesem Zusammenhang vorteilhaft auf den Einsatz von Muttern mit breiten Außendurchmessern verzichtet werden, da durch den Einsatz der Schraube mit gegenläufigen Gewindeabschnitten die Lösesicherung der ersten Mutter und damit die Dauerfestigkeit der Schraubverbindung erhöht wird. Die erfindungsgemäße Schraubverbindungsvorrichtung zur Fixierung der Flanschabschnitte zweier übereinander angeordneter Turmwandsegmente einer Windkraftanlage kann vorteilhaft näher an der Turmwandung angeordnet werden.
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Weitere Merkmale und Details werden in der Folge anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. Es zeigt:
- 1 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Schraubverbindungsvorrichtung.
- 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform einer Schraubverbindungsvorrichtung alternativ zu der in 1,
- 3 Ansichten, insbesondere auch eine Schnittansicht der in der Ausführungsform nach 2 dargestellten oberen Mutter,
- 4 ein Detail einer Stirnfläche der in 3 dargestellten Mutter,
- 5 eine Schnittansicht der unteren Mutter des in 2 dargestellten Klemmpakets,
- 6 eine Schnittansicht der mit der Mutter nach 5 zusammenwirkenden Unterlegscheibe,
- 7 eine weitere Modifikation eines Bauelements der Vorrichtung, sowie
- 8 eine weitere Modifikation zu 7.
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Eine erfindungsgemäße Schraubverbindungsvorrichtung 10 weist ein Verbindungselement in Form einer Schraube 12 mit einer sich in axialer Richtung erstreckenden Mittelachse M sowie einem Kopfabschnitt 14 und einem ersten mit einem Gewinde versehenen Gewindeabschnitt 16 auf. Weiterhin weist das Verbindungselement in Form der Schraube 12 einen zweiten mit einem Gewinde versehenen Gewindeabschnitt 18 auf, welcher ein zu dem Gewinde des Gewindeabschnitts 16 gegenläufiges Gewinde aufweist. Der zweite Gewindeabschnitt 18 ist an einem dem Kopfabschnitt 14 entgegen gesetzten Ende des ersten Gewindeabschnitts und somit an einem dem Kopfabschnitt 14 entgegen gesetzten Ende der Schraube 12 angeordnet. Der erste Gewindeabschnitt 16 ist in der vorliegend beschriebenen Ausführungsform integral mit dem zweiten Gewindeabschnitt 18 ausgebildet, wobei die Schraube 12 weiterhin einen zylinderförmig ausgebildeten Schaftabschnitt 20 aufweist, welcher zwischen dem Kopfabschnitt 14 und dem ersten Gewindeabschnitt 16 ausgebildet ist.
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Zwischen dem ersten Gewindeabschnitt 16 und dem zweiten Gewindeabschnitt 18 ist vorteilhaft ein zylinderförmiger Abschnitt 22 angeordnet, dessen Durchmesser kleiner als derjenige des zweiten Gewindeabschnitts ist. Alternativ zum zylinderförmigen Abschnitt 22 wäre ein Einstich oder dergleichen denkbar. Die Schraube 12 ist derart ausgebildet, dass der Schaftabschnitt 20 an einem ersten Ende mit dem Kopfabschnitt 14 in Verbindung steht, wohingegen er mit einem zweiten Ende mit dem ersten Gewindeabschnitt 16 in Verbindung steht. Der erste Gewindeabschnitt 16 steht mit seinem zweiten Ende mit dem zylinderförmigen Abschnitt 22 (mit dessen erstem Ende) in Verbindung, wohingegen das zweite Ende des zylinderförmigen Abschnitts 22 mit einem dem Kopfabschnitt 14 der Schraube 12 zugewandten Ende des zweiten Gewindeabschnittes 18 in Verbindung steht.
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Der Kopfabschnitt 14, der Schaftabschnitt 20, der erste Gewindeabschnitt 16, der zylinderförmige Abschnitt 22, sowie der zweite Gewindeabschnitt 18 sind integral miteinander ausgebildet, d.h. die gesamte Schraube 12 ist integral ausgebildet. Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass, obwohl in der beschriebenen Ausführungsform die gesamte Schraube 12 integral ausgebildet ist, in alternativen Ausführungsformen einzelne oder alle Abschnitte der Schraube 12 bedarfsweise als separate Teile gefertigt bzw. ausgebildet sein können. In diesem Fall kann beispielsweise der Kopfabschnitt 14 am Schaftabschnitt 20 und/oder der Schaftabschnitt 20 am ersten Gewindeabschnitt 16 und/oder der erste Gewindeabschnitt 16 an dem zylinderförmigen Abschnitt 22 und/oder der zylinderförmige Abschnitt 22 an dem zweiten Gewindeabschnitt 18 durch Schweißen, Kleben, Löten oder eine andere geeignete Verbindungstechnik angebracht sein.
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Zum Befestigen von zwei Gegenständen aneinander (welche in 1 als Klemmpaket 24 dargestellt sind, welches sich aus zwei plattenförmigen aneinander zu befestigenden Elementen 26 und 28 zusammensetzt), wird die Schraube 12 durch eine entsprechende in dem Klemmpaket 24 angebrachte Aussparung in Form einer Bohrung eingeführt und durch diese hindurch geführt, bis entweder der Kopfabschnitt 14 mit dem plattenförmigen Element 28, oder wie in der hier gezeigten Ausführungsform mit einer kopfseitigen Unterlegscheibe 30 in Kontakt gelangt, welche mit dem plattenförmigen Element 28 in Kontakt befindlich ist.
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Auf der dem Kopfabschnitt 14 abgewandten Seite der Schraube 12 kann eine weitere (zweite) Unterlegscheibe 32 auf dem Klemmpaket 24 derart angeordnet sein, dass sich die Schraube 12 durch die Zentralbohrung der zweiten Unterlegscheibe 32 hindurch erstreckt und die zweite Unterlegscheibe 32 in Kontakt mit dem Klemmpaket 24 befindlich ist.
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Dann wird auf den ersten Gewindeabschnitt 16, welcher einen größeren Gewindedurchmesser als der zweite Gewindeabschnitt 18 aufweist, eine erste Sicherungs- bzw. Spanneinrichtung insbesondere in Form einer ersten Mutter 34 aufgesetzt, welche mit ihrem Innengewinde in das Gewinde des ersten Gewindeabschnitts 16 eingreift, und durch eine Drehbewegung derselben in Richtung der zweiten Unterlegscheibe 32 und des Klemmpakets 24 verbracht. Die erste Mutter 34 wird, sobald sie in Anlage mit der zweiten Unterlegscheibe 32 gelangt ist, mit einem vorbestimmten Drehmoment festgezogen. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der erste Gewindeabschnitt 16 der vorliegend beschriebenen Ausführungsform hier beispielsweise ein Rechtsgewinde ist. Analog hierzu weist die erste Mutter 34 ein als Rechtsgewinde ausgebildetes Innengewinde auf.
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Zur Sicherung der ersten Mutter 34 wird eine zweite Sicherungs- bzw. Spanneinrichtung insbesondere in Form einer zweiten Mutter 36, welche als Kontermutter dient, auf den zweiten Gewindeabschnitt 18 (welcher einen geringeren Gewindedurchmesser hat als der erste Gewindeabschnitt 16) aufgesetzt. Dann wird die zweite Mutter 36 durch eine relativ zur Schraube 14 ausgeübte Drehbewegung in Richtung des Kopfabschnitts 14 auf die erste Mutter 34 zubewegt und, sobald sie mit der ersten Mutter 34 in Anlage gelangt ist mit einem vorbestimmten Drehmoment festgezogen. Der zweite Gewindeabschnitt 18 ist in diesem Beispiel nunmehr als Linksgewinde ausgebildet. Die zweite Mutter 36 weist ein hierzu korrespondierendes, als Linksgewinde ausgebildetes, Innengewinde auf.
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Die Gewindesteigung des ersten Gewindeabschnitts 16 ist in der beschriebenen Ausführungsform vorzugsweise gleich zu der Gewindesteigung des zweiten Gewindeabschnitts 18, wobei sich in alternativen Ausführungsformen die Gewindesteigungen des ersten Gewindeabschnitts 16 und des zweiten Gewindeabschnitts 18 unterscheiden können. Die beiden Muttern 34, 36 weisen Anlageflächen 38, 40 auf, an welchen sie in einem Befestigungszustand (d.h. in einem Zustand, in dem die beiden Elemente 26, 28 des Klemmpakets 24 aneinander befestigt sind) miteinander in Anlage gelangen. Die Anlagefläche 38 der ersten Mutter 34 ist auf der dem Kopfabschnitt 14 abgewandten Seite der ersten Mutter 34 ausgebildet, während die Anlagefläche 40 der zweiten Mutter 36 auf der dem Kopfabschnitt 14 zugewandten Seite der zweiten Mutter 36 ausgebildet ist.
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Um einen möglichen Gewindeüberstand des ersten Gewindeabschnitts 16 in axialer Richtung über die erste Mutter 34 hinaus kompensieren zu können, d.h. um sicherzustellen, dass die beiden Muttern 34, 36 auch dann an den Anlageflächen 38, 40 miteinander in Anlage gelangen, wenn der erste Gewindeabschnitt 16 (wie in 1 dargestellt ist) sich im Befestigungszustand in axialer Richtung über die erste Mutter 34 hinauserstreckt, weist die zweite Mutter 36 vorzugsweise einen Überstandsabschnitt 44 auf, der sich von dem dem Kopfabschnitt 14 zugewandten Ende der zweiten Mutter 36 axial in die dem Kopfabschnitt 14 abgewandte Richtung erstreckt. Der Überstandsabschnitt 44 weist in seiner Mitte eine Aussparung 45 (welche sich in axiale Richtung erstreckt) auf, deren Durchmesser größer ist als der Durchmesser des ersten Gewindeabschnitts 16, so dass der Überstandsabschnitt 44 das dem Kopfabschnitt 14 abgewandte Ende des ersten Gewindeabschnitts 16 aufnehmen kann, und somit für eine sichere Anlage der beiden Anlageflächen 38, 40 aneinander sorgen kann. An den Überstandsabschnitt 44 schließt sich in axialer Richtung in der vom Kopfabschnitt 14 abgewandten Richtung ein Gewindeabschnitt 42 der zweiten Mutter 36 an, welcher dazu ausgebildet ist, um mit dem zweiten Gewindeabschnitt 18 in Eingriff zu gelangen.
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Alternativ zu einer Konstruktion, welche den Überstandsabschnitt 44 aufweist, wäre es denkbar, eine erste Mutter 34 zu verwenden, welche in ihrer axialen Erstreckung über den ersten Gewindeabschnitt 16 hinaussteht. Bevorzugt weist dann die zweite Mutter 36 keinen Überstandabschnitt auf. Der Überstandabschnitt wäre dann sozusagen in die erste Mutter 34 integriert, wobei hier keine extra Aussparung gefertigt werden muss, da das Innengewinde der ersten Mutter 34 einen größen Durchmesser hat als das Gewinde des zweiten Gewindeabschnitts 18. Weiterhin wäre es denkbar, dass die erfindungsgemäße Schraubverbindungsvorrichtung 10 nicht zum Befestigen eines Klemmpakets 24 (d.h. mehrere Elemente, welche aneinander zu befestigen sind) dient, sondern dass beispielsweise am Kopfabschnitt 14 ein Haken, eine Öse oder eine ähnliche Befestigungsvorrichtung angeordnet ist, an welcher beliebige Gegenstände angeordnet, etwa aufgehängt werden können. Selbstverständlich kann in einer alternativen Ausführungsform der erste Gewindeabschnitt 16 mit einem Linksgewinde versehen sein, während der zweite Gewindeabschnitt 18 mit einem Rechtsgewinde versehen ist.
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Zusammenfassend lässt sich festhalten, dass eine hochfest vorgespannte Schraubverbindungsgarnitur in einer möglichen Ausführungsform aus einer Schraube 12 mit zwei gegensinnigen Gewindeabschnitten und zwei Muttern 34, 36 gebildet ist, wobei die Garnitur zum Klemmen eines Klemmpakets 24 bzw. Anbauteils planmäßig vorgespannt wird. Optional aber bevorzugt werden ein oder zwei der beschriebenen Unterlegscheiben 30, 32 verwendet. Die Vorspannkräfte und die dazu gehörigen Drehungen sind in der Regel normativ festgelegt, können bei Anforderung aber auch speziell definiert oder ermittelt werden. Im Betriebszustand (Befestigungszustand) ist bei Garnituren gemäß dem Stand der Technik ein Vorspannkraftverlust durch Einwirken äußerer Kräfte möglich, welcher durch eine leichte Lösbarkeit der Muttern oder durch Setzverluste in den Auflageflächen bedingt ist. Um diesem Effekt infolge äußerer Krafteinwirkung entgegenzuwirken und somit die erforderliche Vorspannkraft der Garnitur sicherzustellen, ist an einem Ende der Schraube 12 ein zweiter Gewindeabschnitt 18 mit einem Gewinde, welches zum ersten Gewindeabschnitt 16 eine gegenläufige Neigung hat, angebracht. Die Kontermutter in Form einer zweiten Mutter 36 mit einem eingesenkten Innenteil zur Überbrückung des Gewindeüberstandes wird gegen die eigentliche Mutter 34 verschraubt. Im Betriebszustand wird bei einem möglichen Lösevorgang durch Drehen der Mutter 34 die gegenläufige Kontermutter 36 über die Haftreibung zwischen den Anlageflächen 38, 40 der jeweiligen Muttern 34, 36 aktiviert und somit der Lösevorgang gehemmt. Die Mutter 34 wird demnach festgeklemmt.
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2 zeigt eine modifizierte Ausführungsform einer Schraubverbindung 10 mit ähnlichem Aufbau zu der Ausführungsform nach 1, so dass dieselben Bauelemente mit denselben Bezugszeichen der Einfachheit halber versehen sind. Zusätzlich enthält die Ausführungsform nach 2 Modifikationen, die im Folgenden beschrieben sind. Anzumerken ist, dass diese Modifikationen ohne Weiteres ganz oder teilweise auch in der Ausführungsform nach 1 ohne Weiteres verwirklicht werden können, was erfindungsgemäß inbegriffen ist.
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2 umfasst eine Schraube 12 mit einem Kopfabschnitt 14, welche an ihrem gegenüberliegenden Ende mit zwei unterschiedlichen Gewindeabschnitten 16 und 18 analog zur Ausführungsform nach 1 versehen ist. Zur Fixierung eines Klemmpakets 24 aus zwei Bauelementen 26 und 28 weist die Schraube 12 am gegenüberliegenden Ende des Kopfabschnitts 14 eine Unterlegscheibe 32, eine darauf aufgesetzte erste Mutter 34 und eine darauf aufgesetzte zweite Mutter 36 auf. Insoweit ist dieser Grundaufbau analog zur Ausführungsform nach 1.
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Im dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden das Klemmpaket 24 bildenden Bauelemente 26 und 28 durch Flanschabschnitte zweier übereinander angeordneter Turmwandsegmente z. B. einer Windkraftanlage gebildet. Schwankungen des Turms, z. B. infolge von Windböen, führen im Flanschbereich zur Ausbildung eines Spaltes 46 mit schwankender Breite und entsprechend zur Zugbeanspruchung der Schraube 12 insbesondere im Bereich ihres Schaftabschnittes 20. Imperfektionen im Flansch bspw. in Form eines Klaffens können auch bereits durch die Flanschfertigung bedingt sein.
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Bisher werden Schraubverbindungen mit relativ breiten Muttern, d. h. Muttern mit einem großen Außendurchmesser verwendet, wodurch dann auch ein größerer Reibwiderstand in der Auflagefläche aktiviert wird. Dies führt aber dazu, dass der Abstand der Schraubverbindung 10 zur Turmwandung entsprechend groß gewählt werden muss, was wiederum aufgrund des Hebels zu mehr Zugbeanspruchung der Schraube 12 führt.
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Mit den Maßnahmen der Erfindung kann vorteilhaft auf den Einsatz von Muttern mit breiten Außendurchmessern verzichtet werden, da durch den Einsatz der Schraube 12 mit gegenläufigen Gewindeabschnitten die Lösesicherung der ersten Mutter 34 und damit die Dauerfestigkeit der Schraubverbindung erhöht wird. Daher kann die erfindungsgemäße Schraubverbindungsvorrichtung zur Fixierung der Flanschabschnitte zweier übereinander angeordneter Turmwandsegmente einer Windkraftanlage näher an der Turmwandung angeordnet werden.
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Modifikationen sind vorgenommen im Bereich der Anlageflächen 38 und 40 beider Muttern 34 und 36 sowie im Bereich der Kontaktfläche 54 zwischen der ersten Mutter 34 und der Unterlegscheibe 32. Modifikationen können auch am Kopfabschnitt 14 an dessen Stirnseite vorgenommen sein, welche mit dem Klemmpaket 24 in Anlage steht, wenn die Schraubverbindung festgezogen ist.
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Die Modifikation der Schraubverbindungsvorrichtung 10 bezüglich der Kontaktstellen der beiden Muttern 34 und 36 wird am besten anhand der 3 und 4 beschrieben. Zur Erhöhung des Reibdrucks ist insbesondere an der Stirnfläche der zweiten Mutter 36, die in 3 mit 40 als Anlagefläche bezeichnet ist, eine Rillierung 50 vorgesehen, insbesondere im mittigen Bereich der Kontaktfläche, was zweckmäßig aber nicht zwingend ist. Diese Rillierung in Form einer Einprägung mit vorstehenden Bereichen dient der Erhöhung des Reibschlusses beim Verspannen der Schraubverbindung. Die Rillierung kann in unterschiedlicher Weise ausgebildet werden, wobei sich eine solche Rillierung beispielshalber aus der Detaildarstellung in 4 ergibt. Diese Rillierung befindet sich am stirnseitigen Ende bzw. der Anlagefläche der zweiten Mutter 36, kann alternativ auch an der gegenüberliegenden Anlagefläche 38 der ersten Mutter vorgesehen sein. Zweckmäßigerweise ist bei der in 2 dargestellten Ausführungsform die Rillierung jedoch im Bereich der Stirnfläche der zweiten Mutter 36 vorgesehen, da es sich hier ohnedies aufgrund des Überstandsabschnittes 44 mit einer mittigen Aussparung um eine Spezialschraube handelt. Diese Rillierung oder Riffelung erhöht den Reibkontakt und damit die Reibung beim Anziehen der zweiten Mutter 36, was sich sehr günstig auf den Festsitz der Schraubverbindung auswirkt.
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Die weitere Modifikation erschließt sich aus 2 und den Detaildarstellungen in den 5 und 6 bezüglich der ersten Mutter 34 und der Unterlegscheibe 32. Insbesondere handelt es sich hier um komplementäre kegel- bzw. konusförmige Kontaktflächen 54 auf Seiten der ersten Mutter 34 und 56 auf Seiten der Unterlegscheibe, wie sich deutlich aus 2 und den 5 und 6 ergibt. Dadurch ergeben sich beim Anzug der Schraubverbindung definierte Kontaktflächen bzw. Auflageflächen, was den kraftschlüssigen Verbund innerhalb der Schraubverbindung begünstigt und verstärkt. Insbesondere ergibt sich beim Anziehen der Mutter 34 in Kontaktierung mit der Beilagscheibe 32 aufgrund der konus- bzw. kegelförmigen Kontaktflächen ein erhöhter Druck in einem definierten Bereich, was eine feste und dauerhafte Verspannung begünstigt.
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Anstelle einer kegeligen bzw. konusförmigen Ausbildung der beiden Kontaktflächen 54 und 56 könnte beispielsweise auch nur die Kontaktfläche der Mutter 34 beispielsweise ballig im Bereich der Mitte der Kontaktfläche umlaufend ausgebildet sein, was bedarfsweise aber auch bei der Kontaktfläche der Unterlegscheibe möglich ist, wodurch eine definierte Kontaktfläche und damit ein bestimmter Anziehdruck beim Anspannen der Schraubverbindung gewährleistet werden kann. Die Winkelneigung der Kontaktflächen bei der Ausführungsform nach 5 und 6 beträgt etwa 30° jeweils zur senkrechten Ebene durch die Axialachse von Mutter oder Unterlegscheibe. Dieses Winkelmaß ist aber keinesfalls als einschränkend zu verstehen, sondern zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel. Der Winkelbereich liegt insgesamt bevorzugt im Bereich von bis zu 40°, bevorzugt von 20 bis 40°, kann aber auch dieses Winkelmaß entsprechend übersteigen. Bei Verwendung einer flachen Unterlegscheibe 32 ist die Neigung entsprechend 0°.
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Eine entsprechende Rillierung oder Riffelung kann bedarfsweise auch auf Seiten der Kontaktfläche des Kopfabschnitts 14 vorgesehen sein, wobei auch auf dieser Stirnseite ein balliger Abschnitt bzw. ein kugelsegmentförmiger Abschnitt insbesondere im Mittenbereich der Stirnfläche vorgesehen sein kann. Durch die Maßnahme der Rillierung bzw. Riffelung wird der Pressdruck zwischen Kopfabschnitt und Klemmpaket erhöht, so dass beim Anziehen der Schraubverbindung sichergestellt ist, dass die Schraube 12 nicht mitdreht und damit kein Werkzeug zum Festhalten der Schraube bei der Montage benutzt werden muss. Zum Vermeiden des Mitdrehens ist es vorteilhaft, die Rillierung bzw. Riffelung zumindest im äußeren Kopfbereich anzuordnen.
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Die 7 und 8 zeigen Modifikationen, die im Folgenden beschrieben werden. Die 7 und 8 zeigen jeweils nur Teilansichten einer Stirnfläche einer Mutter oder des Kopfabschnitts, hier dargestellt anhand eines Kopfabschnitts 14, wobei die Gegenfläche, mit der der Kopfabschnitt oder die Mutter zusammenwirkt, in den 7 und 8 nicht dargestellt ist. Die Ausführungsform nach 7 weist eine Ausbauchung 58 auf, die in diesem Beispiel als Ring koaxial die Achse 52 des Kopfabschnitts umläuft. Die ringförmige Ausbauchung 58 kann auch in einzelne Abschnitte, auch punktförmige Abschnitte, untergliedert sein.
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Bei der Ausführungsform nach 8 sind mehrere gewölbte Ausbauchungen 60 koaxial zueinander um die Achse 52 angeordnet. Beim Anzug der Schraubverbindung ergibt sich je nach Ausführung ein linienförmiger oder punktförmiger Kontakt, womit sich definierte Anlagen bilden, so dass sich exakt definierte Anzugsmomente und damit exakt definierte Vorspannkräfte einstellen lassen, wie es auch im Falle der Ausführungsform nach 2 der Fall ist.
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Obwohl die Erfindung anhand einer Ausführungsform mit einer festen Merkmalskombination beschrieben wurde, sind auch beliebige anderweitige Merkmalskombinationen, wie sie insbesondere durch die Unteransprüche angegeben werden, denkbar. Sämtliche Merkmalskombinationen, welche gegenüber dem Stand der Technik neu sind, werden als erfindungswesentlich beansprucht.
