[0001] Die Erfindung betrifft ein Verbindungselement, insbesondere eine Kupplungsmuffe,
für eine Schraubverbindung von selbstbohrenden Injektionsankern bzw. zugeordneten
Teilen. Das Verbindungselement weist auf einer zylindrischen Grundfläche ausgebildet
ein Innengewinde auf, wobei der Injektionsanker bzw. das zugeordnete Teil ein entsprechendes,
auf einer zylindrischen Grundfläche ausgebildetes Außengewinde aufweist. Das zugeordnete
Teil kann insbesondere eine Bohrkrone für ein Ankerteil sein.
[0002] Derartige Injektionsanker bzw. allgemein Ankerelemente werden im Baubereich zu verschiedensten
Zwecken eingesetzt. Beispielsweise im Tunnelbau zur Sicherung einer Gewölbeausbildung.
Die Injektionsanker werden etwa radial zu dem Gewölbe in das umgebende Gestein eingetrieben
und dort durch eingespülten Beton verankert. Es sind darüber hinaus noch eine Reihe
verschiedener anderer Anwendungsmöglichkeiten gegeben.
[0003] Wesentlich ist, daß ein derartiger Injektionsanker im Zuge des Eintreibens in den
Boden bzw. eine Gesteinsschicht aus mehreren Ankerelementen zusammengesetzt wird,
die dann im Gestein oder dergleichen verbleiben. Die Ankerelemente werden durch Kupplungsmuffen
miteinander verbunden. Die Kupplungsmuffen besitzen ausgehend von beiden Enden ein
zylindrisches Innengewinde, so daß in beide Endbereiche der Kupplungsmuffe ein Ende
des Ankerelementes eingeschraubt werden kann. Die Innengewinde laufen etwa mittig
in der Kupplungsmuffe aus. Die Kupplungsmuffe bildet im Endbereich der Innengewinde
eine umlaufende Schulter aus, gegen welche die Stirnflächen der eingeschraubten Enden
der Ankerelemente stoßen.
[0004] Zur Verbindung von Bohrstangen und Bohrkronen ist es darüber hinaus bekannt, das
Ende der Bohrstange und die Aufnahme der Bohrkrone jeweils aneinander angepaßt konisch
auszubilden, mit einem Konuswinkel von 3°.
[0005] Hinsichtlich der erwähnten Verbindungselemente mit Innengewinde ist es auch bekannt,
für eine Verbindung zwischen einer Bohrstange und einer Bohrkrone das Gewinde mit
einem Freistich am Ende auszubilden, so daß die Stirnflächen des Bohrstangenendes
und der Bohrkrone an planen Flächen aufeinander schlagen, um die Stoßenergie bei
einem Bohrvorgang zu übertragen.
[0006] Allgemein ist es auch noch bekannt, bei Bewehrungsanschlüssen zur Übertragung überwiegend
ruhender Kräfte Kupplungsmuffen mit kegligem Feingewinde auf der gesamten Muffenlänge
auszubilden.
[0007] Letztgenannte Bewehrungsanschlüsse lassen sich zwar sehr schnell verschrauben, sind
auch relativ gut zu lösen, müssen jedoch innerhalb sehr enger Toleranzen mit hohem
Aufwand gefertigt werden.
[0008] Bei einer rein kraftschlüssigen Verbindung über die erwähnte Konusausgestaltung kann
ein Fressen zwischen den Konusflächen auftreten, so daß sich die Elemente nicht oder
nur sehr schwer voneinander lösen lassen. Andererseits sind die übertragbaren Kräfte
begrenzt. Es kann zu einem Durchdrehen kommen. Auch ist ein unbeabsichtigtes Lösen
nicht ausgeschlossen.
[0009] Bei der zunächst erwähnten Verbindungsart über zylindrisches Innen- und Außengewinde
ist zwar ein formschlüssiger Zusammenhalt gegeben, der ein unbeabsichtigtes Lösen
nicht zuläßt und darüber hinaus die Übertragung hoher Kräfte ermöglicht. Es ist jedoch
nicht auszuschließen, daß an der Verbindungsstelle, im Bereich der Stirnfläche des
Ankerendes, welche Fläche auf die erwähnte umlaufende Schulter in der Muffe trifft,
Relativbewegungen beim schlagenden Bohren auftreten. Hierdurch kann eine Erwärmung
an der Verbindungsstelle eintreten, die zu einer Festigkeitsminderung führt und in
der Kupplungsmuffe einen Dauerbruch auslösen kann. Es ist daher anzustreben, eine
vorgespannte Verbindung zwischen bspw. dem Ankerteil und der Kupplungsmuffe zu haben.
Andererseits sind insbesondere Injektionsanker und sie die verbindenden Kupplungsmuffen
verlorene Teile, die, wie erwähnt, in den Gestein oder dergleichen verbleiben. Es
wird daher auch angestrebt, diese Elemente möglichst preisgünstig auszubilden.
[0010] Ausgehend von dem aufgezeigten Stand der Technik stellt sich der Erfindung die Aufgabe,
ein Verbindungselement, insbesondere eine Kupplungsmuffe, für beispielsweise selbstbohrende
Injektionsanker anzugeben, das bei kostengünstiger Herstellbarkeit einen erhöhten
Gebrauchswert aufweist.
[0011] Diese Aufgabe ist durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
[0012] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß sich an die zylindrische Grundfläche des Innengewindes
eine konisch zulaufende Grundfläche anschließt, auf welcher sich das Innengewinde
fortsetzt. Bei unveränderter Ausbildung des einzuschraubenden Elementes, beispielsweise
des Endes eines Injektionsankers, wird hierdurch erreicht, daß beim Einschrauben zunächst
ein Verklemmen auftritt, wenn der Gewindeauslauf des Injektionsankers den Übergang
zu dem konisch zulaufenden Bereich in dem Innengewinde des Verbindungselementes erreicht.
Beim nachfolgenden schlagenden Bohren wird ein Endbereich des eingeschraubten Elementes
um ein gewisses Maß in den konischen Bereich eingetrieben, und zwar unter Anpassung
an den konischen Bereich durch eine Kaltverformung. Überraschenderweise hat sich
herausgestellt, daß trotz einer sicheren, spielfreien Verbindung gleichwohl ein Trennen
der Elemente durch Abschrauben nach einem Bohrvorgang, soweit erforderlich, möglich
ist. Aufgrund der Verformungsvorgänge stellt sich eine Vorspannung in der Gewindeverbindung
ein, verbunden mit einem sehr dichten Anliegen aneinander in den Gewindegängen.
Es entsteht eine metallische Dichtung, welche insbesondere bei den erwähnten Injektionsankern
vorteilhaft ist, die bekanntlich röhrenartig ausgebildet sind, zur Durchleitung von
etwa Spülflüssigkeit oder Betonmasse. In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, daß
die Gewindetiefe und die Gewindesteigung in dem zylindrischen Bereich und in dem konischen
Bereich gleich sind. Es wird in dem konischen Bereich die Gewindeprofilierung praktisch
in gleicher Weise wie in dem zylindrischen Bereich fortgeführt. Aufgrund der Ausbildung
des Gewindeprofils auf einer konischen Fläche ergibt sich jedoch eine gewisse Profilverzerrung.
Es ist auch vorteilhaft, daß der Konuswinkel in dem konischen Bereich größer ist
als der Grenzwinkel für Selbsthemmung der Werkstoffpaarung an der Verbindungsstelle.
Bei Stahl beträgt der Grenzwinkel bekanntlich etwa 6°. Es ist bevorzugt, in den konischen
Bereich den Konuswinkel deutlich über diesem Winkel für Selbsthemmung zu wählen. Für
die Werkstoffpaarung Stahl auf Stahl ist bevorzugt, einen Konuswinkel von etwa 10°
zu wählen. Bei einer Ausbildung des Verbindungselementes als Kupplungsmuffe ist diese
symmetrisch bezüglich eines etwa mittigen Querschnittes ausgebildet. Ausgehend von
diesem mittigen Querschnitt schließt sich in beiden Richtungen entsprechend zunächst
ein sich konisch erweiternder Bereich mit Innengewinde an und sodann ein zylindrischer
Bereich mit Innengewinde, wobei das Gewindeprofil in dem zylindrischen und dem konischen
Bereich jeweils dasselbe ist, und zwar auf beiden Seiten. Weiter bevorzugt ist, daß
das Innengewinde ein sogenanntes Kordelgewinde ist, wie es im einzelnen aus der beigefügten
Zeichnung hervorgeht, auf welche noch weiter unten eingegangen ist. Das Kordelgewinde
gleicht einem Tra pezgewinde mit abgerundeten Flanken. Im einzelnen ist der zylindrische
Bereich bevorzugt mit einer Länge ausgebildet, die etwa dem eineinhalbfachen des Gewindeaußendurchmessers
des Innengewindes in diesem Bereich entspricht. Der konische Bereich ist bevorzugt
mit einer Länge ausgebildet, die etwa 1/3 des Gewindeaußendurchmessers im zylindrischen
Bereich entspricht.
[0013] Nachstehend ist die Erfindung noch weiter im einzelnen anhand der beigefügten Zeichnung,
die jedoch lediglich Ausführungsbeispiele darstellt, erläutert. Hierbei zeigt:
Fig. 1 eine Kupplungsmuffe mit einseitig eingeschraubtem Ankerteil;
Fig. 2 eine vergrößerte Ausschnittsdarstellung des Innengewindes bei dem Gegenstand
gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein weiteres alternatives Verbindungselement, mit einseitig ausgebildetem zylindrischen
und konischem Gewindebereich.
[0014] Dargestellt und beschrieben ist eine Kupplungsmuffe 1 (Fig. 1), die mit einem Endbereich
eines im einzelnen nicht dargestellten Injektionsankers 2 verbunden ist, sowie eine
Einheitsübergangsmuffe 3 (Fig. 3), die weiter unten im einzelnen beschrieben ist.
[0015] Injektionsanker, bei welchen Kupplungsmuffen gemäß Fig. 1 bzw. Einheitsübergangsmuffen
gemäß Fig. 3 bevorzugt zum Einsatz kommen, sind beispielsweise aus der DE-OS 34 00
182 bekannt.
[0016] Die in Fig. 1 dargestellte Kupplungsmuffe 1 besitzt zwei innere zylindrische Bereiche
a, an welche sich jeweils ein konischer Bereich b anschließt. In dem zylindrischen
Bereich a ist eine Gewindeprofilierung auf einer zylindrischen Grundfläche ausgebildet
und in dem konichen Bereich b ist die Gewindeprofilierung auf einer konischen Grundfläche
ausgebildet. Die Gewindeprofilierung ist in beiden Bereichen hinsichtlich der geometrischen
Abmessungen, wie Gewindetiefe, Gewindesteigung und Querschnittsfläche einer Gewinderippe
gleich. Die Gewindeprofilierungen unterscheiden sich nur dadurch, daß eben in dem
konischen Bereich b die Gewindeprofilierung auf der konischen Fläche ausgebildet
ist.
[0017] Ein Konuswinkel alpha des konischen Bereiches b ist größer als der Grenzwinkel für
Selbsthemmung bei der zugrundeliegenden Werkstoffpaarung. Bei den Ausführungsbeispielen
bestehen die Kupplungsmuffe, die Einheitsübergangsmuffe und auch die Ankerteile jeweils
aus Stahlguß, für welche von einem Grenzwinkel für Selbstreibung von etwa 6° ausgegangen
wird. Bevorzugt ist der Winkel alpha des konischen Bereiches deutlich größer, beim
Ausführungsbeispiel etwa 10°. Bezüglich eines mittleren Querschnittes Q ist die Kupplungsmuffe
1 symmetrisch ausgebildet. Das Innengewinde 8 der Kupplungsmuffe 1 ist bevorzugt
ein Kordelgewinde, wie es im einzelnen in Fig. 2 dargestellt ist. Es handelt sich
im wesentlichen um ein Trapezgewinde mit abgerundeten übergängen 4 der Flanken 5 in
den zylindrischen Abschnitt 6.
[0018] Die in Fig. 3 dargestellte Übergangsmuffe 3 dient zur Verbindung eines (nicht dargestellten)
Ankerteiles 2 mit beispielsweise dem Abtrieb eines - gleichfalls nicht dargestellten
- Bohrhammers. Hierbei wird das Ankerteil 2 auf der in Fig. 3 linken Seite eingeschraubt,
während das Antriebsteil des Bohrhammers auf der in Fig. 3 rechten Seite in die Übergangsmuffe
eingeschraubt wird.
[0019] Wie beim Gegenstand gemäß Fig. 2 ist auch beim Gegenstand gemäß Fig. 3 das Innengewinde
8 auf der linken Seite der Übergangsmuffe 3 in einen zylindrischen Bereich a und einen
konischen Bereich b aufgeteilt.
[0020] Während die Länge des Abschnittes a beim Gegenstand gemäß Fig. 1 etwa dem 1 1/2-fachen
des Gewindeaußendurchmessers c entspricht, ist diese Länge beim Gegenstand gemäß Fig.
3 etwas größer gewählt. Sie entspricht etwa dem 1,8-fachen. Die Länge des Bereiches
b entspricht etwa einem Drittel bis der Hälfte der Länge eines Außendurchmessers des
Innengewindes 8 im Bereich des Abschnittes a. Die Länge dieses Abschnittes ist aber
weniger von Bedeutung, wie weiter unten noch im einzelnen ausgeführt ist, da sie nicht
voll ausgenutzt ist. Es ist jedoch von Bedeutung, daß sie mindestens die Länge eines
Gewindeganges übertrifft.
[0021] Die beschriebene Gewindeausbildung kann auch bei einer Bohrkrone ausgebildet sein,
die als vorderstes Element auf einen Injektionsanker ausgeschraubt wird. Insofern
ist im Rahmen dieser Anmeldung die Bezeichnung Verbindungselement auch als Endelement,
bspw. als Bohrkrone zu verstehen.
[0022] Beim Aufschrauben des Verbindungselementes auf das Ende eines Injektionsankers 2
oder dergleichen kann das Verbindungselement ohne weiteres soweit aufgeschraubt werden,
bis das eingeschraubte Ende des Injektionsankers an den Übergang zu dem konischen
Bereich stößt. Es stellt sich dann zunächst ein punktförmges Verklemmen in diesen
Bereich ein. Durch den dann anzuschließenden Bohrhammer wird der Injektionsanker 2
und das Verbindungselement im folgenden drehend schlagendbeansprucht. Dies führt
zu einem Umformvorgang im vorderen Bereich des Injektionsankerendes. Im Wege einer
Kaltverformung paßt sich das Ende des Injektionsankers 2 an den konischen Bereich
b des Innengewindes 8 an.
[0023] In Fig. 1 ist dies dadurch angedeutet, daß der letzte Gewindegang 10 des Injektionsankers
2 sich in dem konischen Bereich b befindet. Dies stimmt überein mit dem in der Praxis
gefundenen Ergebnis, daß dieser Umformvorgang etwa auf der Länge eines Gewindeganges
auftritt.
[0024] Nachdem eine feste Kupplung vorliegt, wird die Schlagenergie ausschließlich über
den Kontakt in den Gewindegängen, durch die spielfrei verspannten Flanken erreicht.
Wesentlich ist hierbei, daß zwangsläufig auch eine metallische Dichtung entsteht.
Die Injektionsanker sind, wie sich bspw. aus Fig. 1 ergibt, mit einem inneren Kanal
7 ausgebildet, zur Durchleitung von Spülflüssigkeit oder einer Betonmasse. Bei Undichtigkeiten
im Bereich der Kupplungsmuffe 1 oder auch der Übergangsmuffe 3 kann Spülflüssigkeit
oder Betonmasse an unerwünschten Stellen austreten. Dies ist durch die hier beschriebene
Ausbildung gleichzeitig zuverlässig verhindert.
[0025] Überraschenderweise läßt sich die Gewindeverbindung auch gut lösen. Hierbei ist der
erwähnte große Konuswinkel von vorzugsweise ca. 10° mit von Bedeutung. Ein Fressen
des Gewindes kann durch ein gutes Fetten der Stangenenden verhindert werden. Gleichzeitig
wirkt sich in dieser Beziehung aber auch die Verfestigung an dem Endbereich des Injektionsankers
2 vorteilhaft aus, durch die Kaltverformung und auch eine gewisse Verfestigung des
entsprechenden Bereiches des Innengewindes 8 der Kupplungsmuffe 1 oder der Übergangsmuffe
3.
[0026] Die in der vorstehenden Beschreibung, der Zeichnung und den Ansprüchen offenbarten
Merkmalen der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für
die Verwirklichung der Erfindung von Bedeutung sein.
1. Verbindungselement, insbesondere Kupplungsmuffe (1), für eine Schraubverbindung
von selbstbohrenden Injektionsankern (2) bzw. zugeordneten Teilen, mit einem auf einer
zylindrischen Grundfläche (zylindrischer Bereich a) ausgebildeten Innengewinde (8),
wobei der Injektionsanker (2) bzw. der zugeordnete Teil ein entsprechendes, auf einer
zylindrischen Grundfläche ausgebildetes Außengewinde (9) aufweist, dadurch gekennzeichnet,
daß an die zylindrische Grundfläche (Bereich a) des Innengewindes (8) eine konisch
zulaufende Grundfläche (b) anschließt, auf welcher sich das Innengewinde (8) fortsetzt.
2. Verbindungselement, insbesondere nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gewindetiefe
und Gewindesteigung in dem zylindrischen Bereich (a) und dem konischen Bereich (b)
gleich sind.
3. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein Konuswinkel (alpha) größer ist als der Grenzwinkel
für Selbsthemmung der Verbindungs-Werkstoffpaarung.
4. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
bei Ausbildung einer Kupplungsmuffe, dadurch gekennzeichnet, daß die Kupplungsmuffe
(1) bezüglich eines etwa mittigen Querschnitts (Q) symmetrisch ausgebildet ist.
5. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Innengewinde (8) ein Kordelgewinde ist.
6. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden, Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der zylindrische Bereich (a) mit mindestens einer etwa
dem 1 1/2-fachen des Gewindeaußendurchmesser (c) des Innengewindes (8) entsprechenden
Länge ausgebildet ist.
7. Verbindungselement, insbesondere nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der konische Bereich (b) mit einer etwa einem Drittel
des Gewindeaußendurchmessers entsprechenden Länge ausgebildet ist.