DE613646C - Spannverfahren fuer auf Zug beanspruchte Schraubenbolzen - Google Patents

Description

Bei den zum Zusammenpressen von zwei oder mehr Teilen dienenden Schrauben wird in der Regel die Tragmutter unter allmählich bis zur Höchstlast steigender Belastung auf dem Bolzen vorgeschraubt. Hierbei entstehen große Reibungskräfte im tragenden Gewinde und in der Auflage der Mutter. Der Reibungsbeiwert ändert sich u. a. in Abhängigkeit vom Werkstoff und der Beschaffenheit der gleitenden Flächen, ergibt einerseits wechselnde zusätzliche Verdrehungsbeanspruchungen in der Schraube sowie ein Abnutzen oder Fressen der Tragflächen bei hohen Belastungen, andererseits einen veränderlichen Wirkungsgrad der Anzugskraft. Man kann daher bei dem üblichen Anziehen von Hand mittels Schraubenschlüssels aus dem Anzugsmoment für das Drehen der Tragmutter oder des Bolzens nicht mit hinreichender Genauigkeit auf die Größe der axialen Belastung der Schraube schließen, wozu noch die Unsicherheit über die Größe dieses Anzugsmoments tritt.

Einer übermäßigen oder ungleichmäßigen Beanspruchung der einzelnen Schraubenbolzen suchte man zu begegnen u. a. durch Schraubenschlüssel mit bestimmtem Höchstanzugsmoment, durch Vorschreiben und Messen der Längung der Schraubenbolzen beim Anziehen, durch Bolzen mit Ansätzen oder l/nterlegscheiben mit Anschlägen zur Begrenzung der Längung, durch federnde Unterlegstücke mit Anzeigevorrichtung. Diese Vorschläge sind entweder wegen der kleinen Werte der Längung der Schraubenbolzen beim Anziehen und der im Verhältnis dazu großen Toleranzen bei der Herstellung und Messung von vornherein zu ungenau oder für die Verwendung in der rauhen Wirklichkeit nicht einfach und sicher genug, außerdem bleibt das Grundübel, das Vorschrauben der Mutter bei Höchstlast, bestehen.

Diesen letzteren Nachteil beseitigen die Verfahren, bei denen die Mutter ihre erforderliche Stellung auf dem Bolzen erhält, wenn dieser auf irgendeine bekannte Art bereits gedehnt worden ist.

Zu diesen bekannten Verfahren gehört beispielsweise das elektrische Erwärmen der Bolzen mit Einstellen der Mutter auf dem erwärmten verlängerten Bolzen. Erst nach dem Erkalten stehen der Bolzen und die Verbindung unter Höchstspannung. · Es ist hierbei jedoch erforderlich, daß der die gewünschte Vorspannung ergebende Abstand der Auflageflächen von Bolzen und Tragmutter vor dem Erwärmen genau ermittelt und nach dem Erwärmen genau eingestellt wird. Die insbesondere bei normalen Bolzenlängen erzielbare Genauigkeit und Sicherheit der tatsächlich erreichten Vorspannung ist jedoch ungenügend, das Arbeitsverfahren im ganzen zu empfindlich und zu umständlich.

Man hat auch schon mechanische Spannvorrichtungen zum Vorspannen der Schrauben für Sonderzwecke vorgeschlagen, dabei aber diese Spannvorrichtungen als feste Bestandteile der einzelnen Schraubenverbindung eingebaut, so daß sie, auch abgesehen von

ihrem in den meisten Fällen nicht zulässigen Raumbedarf, unerträglich teuer werden.

Die Erfindung gibt diesem Bekannten gegenüber eine einfach, genau, sicher und wirtschaftlich wirkende Lösung für das Instellungbringett der Gewinideträger zueinander und zu ihrer Auflage ohne oder mit geringer Belastung der Tragflächen der Gewindeträger während ihrer Bewegung zueinander. ίο Nach der Erfindung spannt eine werkzeugartige, mit Zug- oder Druckmitteln oder mit beiden wirkende Spannvorrichtung den einzelnen Bolzen, der bereits eingebaut ist, bis zu einer regelbaren zulässigen Belastung des Bolzens unter gleichzeitigem Zusammenpressen der zu verbindenden zwei oder mehr Teile durch den Bolzen und die Spannvorrichtung. Hierauf wird die Tragmutter, welche bereits auf dem Bolzen aufgeschraubt ist oder erst aufgebracht wird, auf dem Bolzen durch Drehen der Mutter oder des Bolzens derart eingestellt, daß sie ohne oder mit geringer Spannung auf ihrer Auflage liegt. Wird nun das Werkzeug entspannt, so wird die Belastung von der Spannvorrichtung auf die Tragmutter übergeschaltet, weil die Mutter die Rückdehnung des gespannten Bolzens zwischen Mutter und Bolzenauflage verhindert. Die Mutter ist demnach erst bei völlig entspanntem bzw. abgebautem Werkzeug, voll belastet.

Das Verfahren und das Werkzeug gemäß der Erfindung werden ergänzt und in der Wirkung erweitert, indem die von dem Spannwerkzeug ausgeübte Belastung des zu dehnenden Gewindeträgers zum mindestens in der Höchstlast meßbar gemacht wird, beispielsweise in Abhängigkeit von der Größe der federnden Formänderung (z. B. Dehnen, Kürzen, Verbiegen) bestimmter Spannglieder des Spannwerkzeugs festgestellt wird, unabhängig von der Größe der Dehnung des zu dehnenden Gewindeträgers selbst, u. a. durch eine Anzeige- oder Meßvorrichtung, die ihren Impuls von der beim Spannen eintretenden Bewegung von Teilen bestimmter Glieder der Spannvorrichtung zueinander erhält.

An den in den Abb. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung weitenerläutert werden.

Abb. ι zeigt eine zentrisch oberhalb der Tragmutter angeordnete Spannvorrichtung mit Meßeinrichtung.

Die Tragmutter 1 wird nach Einbringen des Bolzens 2 leicht angespannt. Der Schlüssel 3 bleibt aufgesteckt. Das Federglied 4 wird auf das Bolzenende aufgeschraubt, Hülse 5 aufgesetzt und die Spannmutter 6 auf das obere Gewinde des Federglieds 4 aufgebracht und vorgeschraubt. Das Federglied 4 wird dabei gespannt, überträgt die aufgeschraubte Belastung auf den Bolzen 2. Ein an passender Stelle des Federglieds einzusetzender Keil 7, in der Nut 8 der Hülse gleitend, verhindert ein Verdrehen des Federgliedes durch die 6g Reibung in den Gewindegängen der Spannmutter 6. Die Hülse 5 stützt sich gegen den Flansch 9, so daß die Federspannung durch die Hülse 5 auf den Flansch 9, durch den Bolzenkppf auf den Flansch 10 übertragen, beide Flanschen aneinanderpreßt. Ein Ausschnitt 11 in der Hülse 5 ermöglicht die Drehung des Schlüssels 3.

Bei Raummangel nach der Wandung der zu verbindenden Teile hin wird auch auf dieser Seite ein Ausschnitt vorgesehen, so daß die Hülse nur mit zwei seitlichen Füßen auf dem Flansch ruht.

Das Federglied 4 ist bis auf die Bodenwand hohl gebohrt. In der Bohrung sitzt ein in die Bodenwand eingeschraubter Bolzen 12. Der Unterschied in der Größe der Dehnung des belasteten Federgliedes 4 und diesem unbelasteten Bolzen 12 ergibt ein Maß für die Zugkraft, da die Dehnung des Federgliedes verhältnisgleich der Zugkraft ist. Kann man das Federglied genügend weich gestalten, was z. B. bei Ausführung als; Wendelfeder, insbesondere als Druckfeder, ausführbar ist, so ist eine unmittelbare Ablesung bei nicht zu hohen Genauigkeitsanforderungen möglich. Zwingt der verfügbare Raum zur Verwendung von steiferen Federgliedern, beispielsweise von rohrartigen oder bolzenartigen Federgliedern, oder sind größere Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, so wird eine Übersetzung eingeschaltet. Dazu ist in diesem Beispiel in der Hohlbohrung des Federglieds ein Winkelhebel 13 gelagert, dessen kurzer Arm gegen den Bolzen 12 drückt, während sein langer Arm mit seinem als Zeiger ausgebildeten Ende sich unterhalb der auf der Kappe 14 angeordneten Skala bewegt.

Die Stellung des Zeigers gibt in jedem Augenblick die vorhandene Belastung oder Spannung an. Durch Vorschrauben der Spannmutter wird die gewünschte Belastung eingestellt, ablesbar an der Skala. Damit wird eine Überlastung beim Spannen vermeidbar. Schraubt man darauf die Tragmutter 11 mittels des Schlüssels 3 bis zur Anlage auf dem Flansch 9 vor und entspannt das Federglied 4, so wird die Belastung unter Aufrechterhalten der Vorspannung des Bolzens auf die Tragmutter übergeschaltet. Diese ist bei völliger Entspannung des Federglieds voll belastet.

Wir haben also eine Bewegung von tragenden Flächen unter im wesentlichen voller Last — nur diese ist für Überbeanspruchung entscheidend — nur bei den Teilen des Spann-Werkzeuges. Diese können geschmiert werden, als Werkzeug aus geeignetstem Werkstoff in

bester Weise hergestellt werden, d. h. ihre Bewegungswiderstände, Fehlergrenzen u. dgl. m. sind praktisch unveränderlich und können geringer gehalten werden als bei normalen Schrauben. Der Wirkungsgrad der Spannvorrichtung kann durch Eichung festgelegt werden. Damit wird es auch zulässig, die Größe eines Anzugsmoments als Maßstab für die erreichte axiale Belastung des Gewindeträgers zu benutzen, was einfache Ausführungen der Spannvorrichtung ermöglicht.

Die größere Weichheit des Federglieds bei Belastung (größere Federung) gegenüber dem zu dehnenden Gewindeträger kann beispielsweise durch die Formgebung des Federglieds oder durch höhere Beanspruchung des Federglieds oder durch Werkstoffe mit geringerem Elastizitätsmodul für das Federglied erreicht werden, so daß z. B. auch glatte rohrähnliche oder bolzenartige Federglieder verwendbar sind. Diese größere Weichheit ermöglicht u. a. größere Anzugswinkel der Spannmutter, damit ein feinfühligeres Anziehen, geringere Baumaße, eine verkleinerte Übersetzung für eine vorhandene Anzeigevorrichtung, größere Meßwege. Welche dieser Möglichkeiten man ausnutzt, wird von Fall zu Fall verschieden sein können.

Die Hülse 5 kann zugleich mit Teil 4 oder allein als auf Druck beanspruchtes Federglied ausgeführt sein, wobei die Spannmutter mittelbar oder unmittelbar am zu dehnenden Bolzen angreifen kann.

Die Ausführung nach Abb. 2 ist besonders für Bolzen größeren Durchmessers und bei geringem Raum oberhalb der Mutter geeignet. Auf die Bodenplatte des ausgebohrten Bolzens 15 stützt sich ein Druckstift 16, dessen Verlängerung eine auf Druck beanspruchte Wendelfeder 17 bildet. Auf diese Druckfeder 17 drückt eine in dem Bügel 18 angeordnete Schraube 19. Diese Schraube dient zur Erzeugung der benötigten Spannkraft; welche einerseits durch den Druckstift 16 den Bolzen 15 dehnt, andererseits durch den Bügel 18 und den Bolzenkopf die Flanschen 9 und 10 zusammenpreßt. Die Kraftmessung erfolgt durch die Längenänderung der Druckfeder. Die Größe der Bolzendehnung sowie die Verkürzung des Druckstifts 16, die Federung des Bügels 18, sind damit ohne Einfluß auf die Genauigkeit des Messens.

Ist die Tragmutter aus irgendeinem Grunde nicht drehbar, so wird der Bolzen zwecks Einstellens der Tragmutter gedreht.

Die Anzeigevorrichtung besteht aus den Lagerarmen 20 und 21, die an den Enden der Druckfeder befestigt sind. An diesen Lagerarmen ist der Zeiger 22 angelenkt, welcher sich über einer Skala 23, die nach Eichung der Druckfeder eingestellt wird, bewegt.

An Stelle der Druckfeder können auch anders ausgebildete Federglieder treten, z. B. eine Meßdose mit Manometer als Anzeigevorrichtung, der gegebenenfalls ein regelbares Druckmittel zugeführt werden kann, um dadurch die Spannwirkung der Schraube 19 zu ersetzen.

In Abb. 3 ist der Bügel 24 gleichzeitig das federnde Zwischenglied. In dem hohlgebohrten Bolzen 15 sitzt der Druckstift 25, dessen Kopfende mit Gewinde versehen ist. Auf dieses Kopfende ist eine Kapselmutter 26 geschraubt, durch deren Drehung der Bolzen und der Bügel gespannt, die Flanschen zusammengepreßt werden. In diesem Zustand wird die Tragmutter 1 vorgeschraubt, darauf die Spannmutter 26 zurückgedreht. Die Schrauben verbindung sitzt nunmehr unter voller Spannung.

Die auf den Bolzen übertragene Kraft wird gemessen durch die Größe der Veränderung des Abstandes der Punkte 27 und 28 des Bügels. Die Anzeigevorrichtung besteht aus den liebeln 29 und 30, die einerseits an den Punkten 2"j und 28 angelenkt sind, andererseits an dem Zeiger 31 derart angreifen, daß dieser, als Doppelhebel wirkend, jede Veränderung des Abstandes der Punkte 27, 28 des Bügels in einem um ein Mehrfaches vergrößerten Zeigerausschlag über der Skala 32 wiedergibt;

Die Anzeigevorrichtung kann in irgendeiner bekannten Art, beispielsweise mechanisch, optisch, hydraulisch oder elektrisch wirkend ausgeführt sein.

Abb. 4 zeigt eine Ausführung mit Übertragung der Spannkraft auf den Bolzen unter Benutzung von Hebeln.

Auf den Bolzen 2 mit leicht vorgeschraubter Tragmutter 1 wird das Zugstück 33 unter gleichzeitigem Aufstecken des Ringschlüssels 34 so aufgeschraubt, daß die offene Seite das Einbringen des Hubdaumens des Hebels 35 gestattet. Dieser Hebel ist drehbar in dem Teil 36 gelagert. Der Teil 36 stützt sich beim Spannen auf den Flansch 9. Eine Zugfeder 37 mit Gewindezapfen 38 an dem einen Ende, mit eingeschraubtem Augbolzen 39 an dem anderen Ende, ist mittels des Augbolzens an dem unteren Ende des Teils 36 schwenkbar angelenkt, während eine auf den Gewindezapfen 38 geschraubte Mutter 40 sich gegen den langen Arm des Doppelhebels 35 stützt. Durch Vorschrauben der Mutter 40 wird einerseits die Zugfeder 37 gespannt, andererseits der Doppelhebel 35 gedreht. Die Dehnung der Zugfeder hat den Zweck, den Weg der Mutter 40 zu vergrößern, das Anziehen feinfühliger zu gestalten, daneben die Messung zu erleichtern, während die Bewegung des Hebels 35 die Dehnung des Bolzens 2 ergibt. Durch Eichen und Messen der Feder-

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längung kann die Bolzenbelastung unabhängig von der Dehnung des Bolzens und der Federung der übrigen Glieder der Vorrichtung ermittelt werden.

Da die Hebelübersetzung eine große Längung des Federgliedes ohne zu große Abmessungen ermöglicht, so ergeben sich genügend große Meßwege für ein unmittelbares Ablesen. Zu diesem Zweck ist an dem unteren ίο Federende der Boden der Hülse 41 befestigt. Diese Hülse besitzt am oberen Ende einen Schlitz 42, durch den ein am oberen Federende befestigter, als Zeiger ausgebildeter Stift 43 greift. Beim Spannen der Zugfeder 37 gibt dieser Zeiger durch seine Stellung zu einer an der Hülse neben dem Schlitz befindlichen geeichten Skala die dehnende Kraft an. Durch die Eichung wird die Reibung am Lagerbolzen des Doppelhebels 35 mitberücksichtigt. Der \^rorteil dieser Ausführung liegt neben der einfachen Anzeigevorrichtung -in der geringen Bauhöhe oberhalb der Tragmutter 1, in dem 'einfachen An- und Abbauen sowie in der infolge der Hebelübersetzung geringeren Kraft zum Spannen des Werkzeugs. Bei Anwendung einer Meßdose als Federglied ergeben sich dadurch kleinere Meßdosen oder bei Flüssigkeitsdruck geringere Drücke.

Die durch die Erfindung ermöglichte gleich hohe oder in gewünschter Art verschiedene Belastung der einzelnen Schrauben bietet besondere Vorteile, z. B. beim Kuppeln von Wellen für ein genaues Ausrichten der Wellen. Dabei wird oft ein gleichzeitiges Vorspannen von zwei sich gegenüberliegenden Schrauben besonders empfehlenswert sein. Stehen dazu nicht zwei Spannvorrichtungen zur Verfügung, so wird man umschichtig arbeiten. Zuerst wird die eine Schraube mit etwas geringerer Vorspannung mittels des Werkzeugs gespannt, darauf die zweite Schraube mit voller Vorspannung und anschließend die erste Schraube durch das Werkzeug voll angespannt und die Tragmutter erneut leicht vorgeschraubt.« In besonderen Fällen kann nunmehr die zweite Schraube auf ihre Spannung nachgeprüft werden, indem das Spannwerkzeug wieder angesetzt wird und bei voller Spannung die Tragmutter gelöst und dann leicht angezogen wird, so daß sie ihre Arbeitsstellung ohne oder mit verhältnismäßig geringer Belastung einnimmt.

Daß die Erfindung das Nachprüfen bereits

angezogener Schrauben ermöglicht, ist besonders wertvoll. Man kann damit sämtliche Schrauben zuerst in üblicher Art vorläufig anziehen und wendet darauf zur Nachprüfung und zur Beseitigung der dabei festgestellten Unregelmäßigkeiten in der Vorspannung der einzelnen Schrauben oder zur Erhöhung der Vorspannung die Erfindung an. Dieser Weg ist einfacher als das ebenfalls ausführbare unischichtige zweimalige Spannen der Schrauben mittels des Spannwerkzeugs. Man kann ihn bei Flanschen mit Dichtungseinlagen, bei verzogenen Gehäuseflanschen, bei hängenden Rohrleitungen u. dgl. m. vorteilhaft beschreiten. Dabei wird der Zustand der Schraubenbolzen, ob sie kalt oder warm, ob sie bereits bleibend gedehnt sind oder nicht, nur auf die Höhe der aufzubringenden Belastung von Einfluß sein. Daß das Nachziehen der Schrauben ohne Beseitigung der Vorspannung in der Verbindung erfolgt, ergibt ein einwandfreies Nachziehen der Schrauben im Betriebe, und zwar in gleicher Zuverlässigkeit wie beim ersten Anziehen.

Die Kenntnis des Belastungszustands der Schrauben nach dem Anziehen erleichtert die Feststellung der Ursache. bei auftretenden Mangeln der Schraubenverbindung und die Wiederherstellung eines als richtig festgestellten Belastungszustandes, wodurch die Sicherheit und Zuverlässigkeit der Schraubenverbindung wesentlich gesteigert werden.

Man kann nunmehr auch die Überlastung einzelner Schrauben, z. B. in einer Verbindung mit Schrauben verschiedener Dehnlänge (Stiftschrauben und Durchgangsschrauben) vermeiden, indem die Schrauben kürzerer go Dehnlänge (Stiftschrauben) geringer vorgespannt werden. Bei. verzogenen Flanschen kann man durch die Höhe der erforderlichen und zulässigen Vorspannung sicher die Grenze der Verwendbarkeit dieser Flansche bestimmen.

Da ein Bewegen der Tragmutter unter voller Belastung durch die Erfindung vermeidbar ist, so braucht man in der Wahl der Werkstoffe nicht mehr auf die Gefahr des Fressens bei Bewegung unter Last Rücksicht zu nehmen, auch die Höhe der Belastung ist nicht mehr von dem zulässigen Flächendruck bei Bewegung abhängig, was z. B. für Leichtmetall wesentlich ist. Wenn notwendig, läßt sich die zusätzliche Verdrehungsbeanspruchung· des Schraubenbolzens vermeiden, die zulässige Zugbelastung also erhöhen.

Die Bedienung des Spannwerkzeugs ist einfach, das Ergebnis zuverlässig, weil die Verbindung ohne vorheriges genaues Messen der zu verbindenden Teile und der Gewindeträger für eine gewünschte Vorspannung in erforderlicher Genauigkeit und Gleichmäßigkeit selbst von ungeübten Leuten herstellbar und auch leicht wieder lösbar gemacht werden kann, wobei durch Anbau einer Anzeigevorrichtung jederzeit die Belastung feststellbar ist, eine überbelastung also sicher vermeidbar ist.

Die Verweridungs- und Ausführungsmög-Henkelten sind groß. Sie konnten nur an einzelnen Beispielen angedeutet werden. Die

Erfindung läßt sich den Umständen des einzelnen Falls anpassen, beispielsweise den Raumverhältnissen und Werkstoffen, der gewünschten Genauigkeit, der erforderlichen Unempfindlichkeit gegen rauhe Behandlung, der notwendigen Einfachheit und gegebenenfalls Vielseitigkeit.

Claims (5)

1. Patentansprüche:

   to i. Spannverfahren für auf Zug beanspruchte· Schraubenbolzen, bei denen die Gewindeträger zum Zusammenpressen von zwei oder mehr Teilen, insbesondere Flanschen, bei durch andere Mittel gedehntem Bolzen aufeinander eingestellt werden, dadurch gekennzeichnet, daß eine werkzeugartige, mit Zug- oder Druckmitteln oder mit beiden wirkende Spannvorrichtung den eingebauten Bolzen mit einer regelbaren Belastung federnd vorspannt unter gleichzeitigem Druck auf die zu verbindenden Teile, dann bei gedehntem Bolzen die Gewindeträger gegeneinander und zur richtigen Anlage am Werkstück verschraubt und beim Entspannen bzw. Entfernen des Werkzeugs durch die verhinderte Wiederverkürzung des gedehnten Bolzens belastet werden.
2. 2. Werkzeug für das Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ein- oder Mehrzahl vorhandenen, als Zug- oder Druckmittel oder beides wirkenden federnd beanspruchten Vorspanner bei gleicher Belastung weicher als der zu dehnende Gewindebolzen sind.
3. 3. Werkzeug nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer oder mehrere von den vorhandenen als Zugoder Druckmittel oder -beides wirkenden federnd beanspruchten Vorspanner in an sich bekannter Weise als Anzeiger für die den einzelnen Gewindeträger dehnende Kraft dienen, indem unabhängig von der Größe der Dehnung des Gewindeträgers die federnde Formänderung (Längenänderung, Durchbiegung usw.) des Vorspanners oder der Vorspanner oder eines Teiles davon als Ursprungsmeßgröße benutzt wird.
4. 4. Werkzeug für Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ein- oder Mehrzahl vorhandenen als Zug- oder Druckmittel wirkenden federnd beanspruchten Vorspanner zentrisch zum zu dehnenden Gewindeträger angeordnet sind, dabei unmittelbar oder mittelbar einerseits ziehend an dem zu dehnenden Gewindeträger angreifen, andererseits sich auf den nächsten der zu verbindenden Teile abstützen.
5. 5. Werkzeug für Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die in Ein- oder Mehrzahl vorhandenen federnd beanspruchten Vorspanner sich unmittelbar oder mittelbar einerseits gegen die Bodenfläche einer in dem zu dehnenden Gewindeträger axial angeordneten Sackbohrung, andererseits gegen den der zu verbindenden Teile abstützen, der als Auflage für die Tragmutter dient.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen