Schraubverbindungen müssen mit einer angepasst gewählten Vorspannung beaufschlagt werden, um eine hinsichtlich ihrer Belastbarkeit optimale Ver- bindung zu ergeben. Bei konventionellen Schrauben-Muttereinheiten sind sowohl die Schraube als auch die Mutter mit Gewinden versehen, welche dieselben Steigungen aufweisen. Bei Verwendung einer solchen Schrauben- Muttereinheit treten jedoch technische Probleme auf, die in der Praxis die Belastbarkeit einer solchen Schraubverbindung stark reduzieren können.

Eine wesentliche Schwierigkeit tritt bereits beim Beaufschlagen der Schraubverbindung mit der erforderlichen Spannung auf. Wird diese Span- nung durch konventionelles Anziehen der Mutter oder ggf. der Schraube er- zeugt, so entsteht aufgrund von Reibung zwischen Schraube, Mutter und zu verbindenden Werkstücken zusätzlich zur gewünschten Spannung auch ein tordierendes Moment in der Schraube, welches dazu führt, dass die Festig- keitsgrenze der Schraube und/oder der Mutter erreicht wird, bevor die erfor- derliche Spannung erzielt ist. Dieses Problem wird vermieden durch den Einsatz geeigneter, insbesondere hydraulischer Spannvorrichtungen, wie sie beispielsweise von der US 4,246,810 offenbart werden. Diese bauen die ge- forderte Spannung der Schraube auf, ohne ein tordierendes Moment zu er- zeugen. Die hydraulisch vorgespannte Schraube wird in der vorgespannten Position durch im wesentlichen torsionsfreies Feststellen der Mutter fixiert.

Danach kann die hydraulische Vorspannung entfallen.

Es verbleibt bei diesem Verfahren bei der gewählten Schrauben- Muttereinheit mit im unbelasteten Zustand im wesentlichen identischen Schrauben-und Muttergewindesteigungen jedoch das folgende Problem : Aufgrund der Zugbelastung der Schraube durch die hydraulische Vorspann- einrichtung längt sich die Schraube, was zu einer Zunahme der Gewinde- steigung der Schraube führt. Die Gewindesteigung der vorgespannten Schraube ist demzufolge nur noch ungenau an die Gewindesteigung der Mutter angepasst. Wird die Spannvorrichtung entfernt, d. h. übernimmt die Mutter die Abstützung der Vorspannung der Schraube, so werden nicht alle Gewindegänge der Schrauben-Muttereinheit gleichmässig belastet, wie es bei identischen Gewindesteigungen von Schraube und Mutter der Fall wäre, sondern im wesentlichen nur die ersten Gewindegänge (vom Schraubenkopf aus gesehen, siehe Fig. 1). Dies kann im praktischen Einsatz solcher, durch hydraulische Spanneinrichtungen vorgespannter Schrauben- Muttereinheiten dazu führen, dass die ersten Gewindegänge der Schrauben- Muttereinheit bei der Lastübernahme, d. h. beim Entfernen der hydrauli- schen Vorspannung, beschädigt werden. Dies kann bis zum vollständigen Ausfall der Schrauben-Muttereinheit führen.

Wie bereits ausgeführt, tritt bei konventionellen vorgespannten Verschrau- bungen mit identischen Gewindesteigungen von Schraube und Mutter im Moment der Lastübernahme eine plastisch-elastische Verformung der tra- genden Gewindegänge auf. Diese Verformung führt weiterhin zu einem Ver- lust an Vorspannung, sogenannten Setzkraftverlusten, welcher wiederum zu einer verringerten Spannung der Verschraubung und damit zu einer verrin- gerten Belastbarkeit der Verschraubung führt.

Das oben ausgeführte Problem der Beschädigung der Gewindeeinheit im Moment der Lastübernahme kann in der Praxis dazu führen, dass Schraub- verbindungen nicht mit der theoretisch möglichen Spannung beaufschlagt werden können und daher eine verringerte Festigkeit aufweisen. Eine Lö- sung dieses Problems ist auch von grossem wirtschaftlichem Interesse, da bei einer Vielzahl technischer Einrichtungen stark gespannte Schraubver- bindungen zum Einsatz kommen, welche mittels der Methode der axial wir- kenden Vorspannung, d. h. mittels Vorspannkrafteinleitung montiert werden.

Zur Überwindung dieses bekannten Problems wurden bisher im wesentli- chen speziell ausgeformte Muttern verwendet. Beispielsweise werden Mut- tern mit konisch ausgesenktem Gewinde eingesetzt. Dadurch werden die am stärksten belasteten ersten (vom Schraubenkopf aus gesehen) Gewindegänge nur an den Spitzen belastet. Dies hat eine stärkere plastisch-elastische Ver- formung dieser Gewindegänge zur Folge, wodurch die weiteren Gewindegän- ge verstärkt zum Tragen herangezogen werden sollen.

Solche Muttern sind im allgemeinen jedoch einerseits aufwendig in der Ferti- gung, andererseits kann bei erhöhten Vorspannungen eine so grosse Fehl- anpassung der Gewindesteigungen von vorgespannter Schraube und unbe- lasteter Mutter auftreten, dass ein Verschrauben des gepaarten Gewindes nicht oder nur noch schwer möglich ist. Zudem muss die Mutter mit den verändert ausgebildeten Gewindegängen voran aufgeschraubt werden.

Ein erhöhtes Gewindespiel der Schrauben-Muttereinheit ermöglicht ein Ver- schrauben des gepaarten Gewindes auch bei der oben erwähnten grossen Fehlanpassung von Schrauben-und Mutter-Gewindesteigung, kann aber wiederum die Tragfähigkeit und Dauerbelastbarkeit der Schrauben- Muttereinheit reduzieren.

Die vorliegende Erfindung hat zum Ziel, das Problem der Gewindebeschädi- gung bei der Lastübernahme in einer axial vorgespannten Schrauben- Muttereinheit im Moment axialen Entspannung, d. h. der Vorspannkraftent- lastung und der damit einhergehenden Lastübernahme durch die Schrau- ben-Muttereinheit zu lösen oder wenigstens wesentlich zu verbessern.

Erfindungsgemäss wird dies erreicht durch eine Anpassung von Schrauben- und Muttergewinde dergestalt, dass die Gewindesteigung der axial vorge- spannten Schraube im wesentlichen, vorzugsweise genau derjenigen der un- belasteten Mutter entspricht. Dadurch wird eine weitgehend homogene Be- lastung aller tragenden Gewindegänge im Moment der axialen Entspannung und der damit einhergehenden Lastübernahme durch die Schrauben- Muttereinheit erreicht und das Problem der Lastübernahme durch nur die ersten Gewindegänge (vom Schraubenkopf aus gesehen) mit daraus resultie- render Überlastung derselben vermieden.

Dies bedeutet in der Praxis, dass eine erfindungsgemäss realisierte Schrau- ben-Muttereinheit durch eine axial wirkende Spanneinrichtung mit einer höheren Vorspannung beaufschlagt werden kann als eine konventionelle Schrauben-Muttereinheit mit einander im unbelasteten Zustand angepass- ten Steigungen von Schraube und Mutter. Folglich ermöglicht es die Ver- wendung einer erfindungsgemässen Schrauben-Muttereinheit, Schraubver- bindungen mit einer Spannung zu beaufschlagen, welche die Festigkeit und Belastbarkeit der verwendeten Materialien von Schraube und Mutter weiter- gehend ausnutzt als es bei Verwendung einer konventionellen (s. o.) Schrau- ben-Muttereinheit möglich wäre.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Schrauben-Muttereinheit gemäss Anspruch 1 ergibt sich aus Anspruch 9, welche zur Anwendung kommt, falls eine Verschraubbarkeit der Gewindepaarung im ungespannten Zustand er- forderlich ist. Bekannt ist, bei stark unterschiedlichen Gewindesteigungen von Schraube und Mutter einer Schrauben-Muttereinheit eine Verschraub- barkeit mittels eines erhöhten Gewindespiels zu erreichen, was jedoch die Tragfähigkeit und Dauerbelastbarkeit der Schraubverbindung herabsetzten kann, wie oben bereits ausgeführt wurde.

Demgegenüber kann eine deutliche Verbesserung erzielt werden durch Ver- wendung einer Schrauben-Muttereinheit gemäss Anspruch 1 unter Anwen- dung des in Anspruch 9 beanspruchten Verfahrens.

Ganz allgemein wird das Problem der Verschraubbarkeit von stark vorge- spannten Schrauben-Muttereinheiten ohne Tragfähigkeits-und Dauerbe- lastbarkeitsverlust gelöst durch die Verwendung einer Schrauben- Muttereinheit gemäss Anspruch 1, wobei diese Schrauben-Muttereinheit im bereits vorgespannten Zustand, d. h. bei erfindungsgemäss einander ange- passten Gewindesteigungen von vorgespannter Schraube und unbelasteter Mutter verschraubt wird. Dieses Verfahren ermöglicht es, eine erfindungs- gemässe Schrauben-Muttereinheit mit einer Vorspannung zu beaufschlagen, welche die Festigkeit der verwendeten Materialien von Schraube und Mutter weitestgehend ausnutzt, und umgeht das oftmals damit einhergehende Problem der mangelnden Verschraubbarkeit einer solchen stark vorge- spannten Schrauben-Muttereinheit. Das oben ausgeführte Verfahren wird in Anspruch 9 beansprucht.

Die in Anspruch 10 beschriebene Schrauben-Muttereinheit stellt eine vor- teilhafte Weiterentwicklung der Schrauben-Muttereinheit gemäss Anspruch 1 dar, welche eine Anwendung des Verfahrens aus Anspruch 9 zulässt. Die Verwendung einer gemäss Anspruch 10 ausgeführten Schrauben- Muttereinheit ermöglicht es, die Mutter auf die ungespannte Schraube auf- zustecken, daran anschliessend die Schraube mittels einer axial wirkenden Vorspanneinrichtung vorzuspannen, was erfindungsgemäss zu einer Anpas- sung der Gewindesteigungen von Schrauben-und Muttergewinde und damit einhergehend zu einer im wesentlichen problemlosen Verschraubbarkeit der Schrauben-Muttereinheit führt. Eine Ausführung der Schrauben- Muttereinheit gemäss Anspruch 10 ermöglicht es, die Schrauben- Muttereinheit mit einer Vorspannung zu beaufschlagen, durch welche die Festigkeitreserven des Materials im wesentlichen ausgenutzt werden, jedoch ohne sowohl die Verschraubbarkeit als auch die Dauerbelastbarkeit und Tragfähigkeit der Schrauben-Muttereinheit zu verringern, und führt zu einer erhöhten Belastbarkeit der Schrauben-Muttereinheit im Moment der axialen Entspannung und der damit verbundenen Lastübernahme.

Weiterhin weist die erfindungsgemässe Schrauben-Muttereinheit deutlich verringerte Setzkraftverluste auf. Die plastisch-elastische Verformung der tragenden Gewindegänge wird drastisch verringert, da aufgrund der Anpas- sung der Gewindesteigungen von vorgespannter Schraube und/oder komp- rimierter Mutter von vornherein eine gleichmässige Lastverteilung auf eine grosse Zahl von Gewindegängen erzielt wird, die sich dementsprechend im Moment der Lastübernahme nur noch geringfügig verformen.

Dies bedeutet in der Praxis, dass bei Verwendung einer Schrauben- Muttereinheit gemäss Anspruch 10 sehr hohe Vorspannungen von Schraub- verbindungen realisiert werden können, die bislang zwar theoretisch, auf- grund der Festigkeit und Belastbarkeit der verwendeten Schrauben- Muttereinheit denkbar waren, praktisch jedoch wegen der damit einherge- henden starken Gewindefehlanpassung von vorgespannter Schraube und unbelasteter Mutter nicht zu realisieren waren. Dies stellt einen weiteren praktischen Vorteil der erfindungsgemässen Schrauben-Muttereinheit ge- mäss Anspruch 10 dar.

Weitere Merkmale und Vorteile finden sich in den Unteransprüchen sowie der nun folgenden, nicht einschränkend zu verstehenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher er- läutert werden. In dieser zeigen : Erläuterung der Zeichnung Fig ein axiales Teilschnittbild einer Schrauben-und Muttereinheit ge- mäss Anspruch 1 im ungespannten Zustand, Fig. 2 : einen axialen Schnitt durch eine Schraube mit aufgesetzter axial wir- kender Spannvorrichtung, die Abnahme des vorgespannten Gewindes erfolgt mittels eines Stempels, Fig. 3 : einen axialen Schnitt durch eine Schraube mit aufgesetzter axial wir- kender Spannvorrichtung im ungespannten Zustand, Fig. 4 : eine Darstellung entsprechend Fig. 3 einer Schraube mit aufgesetzter axial wirkender Spannvorrichtung nach Beaufschlagung mit der er- forderlichen Vorspannung, wobei die Mutter nicht mehr auf dem zu verbindenden Werkstück aufliegt, Fig. 5 : eine Darstellung entsprechend Fig. 3 einer Schraube mit aufgesetzter axial wirkender Spannvorrichtung im vorgespannten Zustand nach Beidrehen der Mutter, Fig. 6 : eine Schrauben-und Muttereinheit gemäss Anspruch 1 im vorge- spannten Zustand, wobei alle Gewindegänge anliegen und bei Last- übernahme zum Tragen kommen, und Fig. 7 : eine Aufsicht einer Schrauben-Muttereinheit gemäss Anspruch 10, wobei die Mutter auf denjenigen Teil der Schraube aufgesteckt ist, der einen dazu geeigneten Durchmesser aufweist und ein Beaufschlagen der Schraube mittels der axial wirkenden Vorspanneinrichtung er- laubt.

Im folgenden wird eine bevorzugte Realisierung der beanspruchten Erfin- dung anhand der beigefügten Zeichnung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemässe Schrauben-Muttereinheit im unge- spannten Zustand. Die gezeigte Schrauben-Muttereinheit besteht aus einer Schraube 1, welche vorzugsweise ein Normgewinde mit einem Schrauben- Gewindedurchmesser Ds und einer Gewindesteigung s aufweist, und einer Mutter 2, welche einen an die Schraube angepassten Mutter- Gewindedurchmesser DM und eine Gewindesteigung m aufweist. Die Mutter- Gewindesteigung m ist grösser gewählt als die Schrauben-Gewindesteigung s, und zwar um den Betrag ds grösser. Die Symmetrieachse ist mit 8 ge- kennzeichnet, der erste tragende Gewindegang vom Schraubenkopf aus ge- sehen (wie im beschreibenden Teil verwendet) ist mit 9 bezeichnet.

Fig. 2 zeigt eine Möglichkeit, die zur Anpassung des Muttergewindes an die Steigung s + ds der vorgespannten Schraube 1 erforderliche Mutter- Gewindesteigung m zu ermitteln. In Fig. 2 wird die Schraube durch eine auf- gesetzte hydraulische Vorspanneinrichtung 3 gelängt. Die hydraulische Vor- spanneinrichtung kann beispielsweise der in US 4,246,810 offenbarten ent- sprechen. Die Vorspannung wird derart gewählt, dass sich die erforderliche Längung der Schraube 1 ergibt. Die Gewindesteigung der entspannten Schraube Längung wiederum ist ihrerseits so gewählt, dass insgesamt die erforderliche Vorspannung der Schraubverbindung realisiert werden kann.

Die resultierende Zunahme ds der Schrauben-Gewindesteigung wird be- stimmt mittels Abdruck des gedehnten Schraubengewindes in einen Stempel 5 und anschliessender messtechnischer Auswertung. Die Symmetrieachse ist wiederum mit 8 gekennzeichnet.

Die Mutter 2 wird bei der Fertigung mit einem Gewinde mit der Steigung m versehen, wobei m im wesentlichen, insbesondere um das Mass ds grösser gewählt ist als die Schrauben-Gewindesteigung s. Das axiale Gewindespiel des Muttergewindes 6 (siehe Fig. 6) wird passend gewählt, dass ein Ver- schrauben der Schrauben-Muttereinheit auch im ungespannten Zustand möglich ist.

Fig. 3,4 und 5 zeigen den Vorgang der Beaufschlagung der Schrauben- Muttereinheit mit der erforderlichen Spannung. Die Mutter 2 wird torsions- frei auf die Schraube 1 aufgeschraubt, bis sie am zu verbindenden Werk- stück 4 aufliegt. Dann wird die hydraulische Spannvorrichtung 3 auf die Schraube 1 aufgeschraubt. Dies ist in Fig. 3 dargestellt. Auch hier ist die Symmetrieachse mit 8 gekennzeichnet.

Fig. 4 zeigt die Schraube 1 im durch die hydraulische Spannvorrichtung 3 vorgespannten Zustand. Durch die Längung hat sich die Mutter 2 vom Werkstück 4 abgehoben. Gleichzeitig haben sich die Mutter- Gewindesteigung m und die Gewindesteigung s + ds der vorgespannten Schraube 1 einander angeglichen, so dass sie im wesentlichen gleich sind.

Die Symmetrieachse ist mit 8 gekennzeichnet.

Fig. 5 zeigt die hydraulisch vorgespannte Schraube nach im wesentlichen torsionsfreien Anziehen der Mutter 2, so dass diese wieder am zu verbinden- den Werkstück aufliegt.

Fig. 6 zeigt die durch die Dehnung der Schraube erfolgte Anpassung von Schrauben-und Muttergewinde. Im vorgespannten Zustand kommen alle Gewindegänge zur Anlage. Die Symmetrieachse ist mit 8 gekennzeichnet.

Nach dem Anziehen der Mutter 2 kann die hydraulische Spanneinrichtung 3 entfernt werden. Dadurch, dass die Gewindesteigung m der Mutter 2 im we- sentlichen gleich der Gewindesteigung der vorgespannten Schraube 1 ist, kommen im Moment der hydraulischen Entspannung alle Gewindegänge der Mutter zum Tragen.

Das in Anspruch 3 formulierte Verfahren ermöglicht es, die erfindungsge- mässe Schrauben-Muttereinheit kontrolliert mit der erforderlichen Vorspan- nung zu beaufschlagen, so dass sich eine Längung der Schraube ergibt, aus welcher eine Gewindesteigung s + ds der Schraube resultiert, die der Gewin- desteigung m der Mutter gleich ist.

Die praktische Realisierung der in den Ansprüchen 4,5,6,7 und 8 bean- spruchten Ausführungen der erfindungsgemässen Schrauben-Muttereinheit ergeben sich direkt aus den erwähnten Ansprüchen und bedürfen keiner weiteren Erläuterung.

Das in Anspruch 9 formulierte Verfahren zur Verwendung der erfindungs- gemässen Schrauben-Muttereinheit kann anhand der praktischen Realisie- rung der Schrauben-Muttereinheit gemäss Anspruch 10 illustriert werden.

Eine solche Schrauben-Muttereinheit erlaubt es, die Schraube 1 mit der ge- wünschten bzw. erforderlichen Vorspannung zu Beaufschlagen und daran anschliessend die Mutter 2 in ihre spätere tragende Position (siehe Fig. 5) auf die vorgespannte Schraube 1 aufzuschrauben.

Eine mögliche Realisierung der in Anspruch 10 beschriebenen Schrauben- Muttereinheit wird anhand von Fig. 7 illustriert. Der Durchmesser der Schraube 1 wird auf einem Abschnitt 7 an ihrem oberen Ende verringert auf einen kleineren Durchmesser DA, so dass die Mutter 2 auf diesen Abschnitt 7 aufgesteckt werden kann. Am Abschnitt 7 wird die hydraulische Spannvor- richtung 3 befestigt, beispielsweise über ein Aussengewinde am Abschnitt 7, oder auch über ein vom oberen Ende der Schraube 1 zugängliches Innenge- winde im Abschnitt 7, dergestalt, dass die Schraube 1 mit der gewünschten bzw. geforderten Vorspannung beaufschlagt werden kann und die Mutter 2 auf die vorgespannte Schraube 1 in ihre spätere tragende Position wie in Fig.

5 gezeigt aufgeschraubt werden kann. Danach erfolgt die hydraulische Ent- spannung der Schraube.

Neben der Anpassung der Gewindesteigungen von Mutter 2 und Schraube 1 ermöglicht es das erfindungsgemässe Verfahren, auch Fehlanpassungen der Gewindegeometrieen vom Mutter 2 und Schraube lgezielt durch Längung der Schraube 1 und/oder Kompression der Mutter 2 auszugleichen. Insbe- sondere kann es vorteilhaft sein, im Fertigungsprozess gezielt eine Fehlan- passung der Gewindegeometrieen von Mutter 2 und Schraube 1 im unbe- lasteten Zustand vorzugeben, welche durch Längung der Schraube 1 und/oder Kompression der Mutter 2 ausgeglichen wird, so dass die erfin- dungsgemässen Vorteile realisiert werden, insbesondere eine noch gleich- mässigere Lastverteilung auf alle Gewindegänge der Schrauben- Muttereinheit erzielt wird.

Im Rahmen dieser Patentanmeldung ist unter dem Begriff"Gewindegang"ein solcher Abschnitt einer mit Gewinde versehenen Schraube 1 oder Mutter 2 zu verstehen, der einer Windung des Gewindes entspricht. Dementspre- chend bedeutet die Formulierung"alle Gewindegänge"die gesamte (insbe- sondere tragende) Länge des Gewindes der Schrauben-Muttereinheit.

Die erfindungsgemässe Schrauben-Muttereinheit kann auch dahingehend abgeändert werden, dass sie für eine axiale Druckspannung in der Schraube 1 vorgesehen ist. Insbesondere kann eine Schraube 1 ebenfalls mit einer ex- ternen, axial wirkenden Spannvorrichtung 3 mit einer Druckvorspannung beaufschlagt werden. Alles bislang über den Fall einer mit einer Zugvor- spannung beaufschlagten Schrauben-Muttereinheit Gesagte wird in diesem Fall sinngemäss auf eine mit einer Druckvorspannung beaufschlagte Schrauben-Muttereinheit übertragen.