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Dokumentenidentifikation DE3717949C2 28.02.1991
Titel Gewindeformende Schraube
Anmelder ITW-Ateco GmbH, 2000 Norderstedt, DE
Erfinder Isenberg, Rainer, 5860 Iserlohn, DE;
Hufnagel, Wolfgang, 2807 Achim, DE
Vertreter Hauck, H., Dipl.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing., 8000 München; Graalfs, E., Dipl.-Ing., 2000 Hamburg; Wehnert, W., Dipl.-Ing., 8000 München; Döring, W., Dipl.-Wirtsch.-Ing. Dr.-Ing., Pat.-Anwälte, 4000 Düsseldorf; Reichert, H., Rechtsanw., 2000 Hamburg
DE-Anmeldedatum 27.05.1987
DE-Aktenzeichen 3717949
Offenlegungstag 08.12.1988
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 28.02.1991
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.02.1991
IPC-Hauptklasse F16B 25/08
IPC-Nebenklasse F16B 25/10   F16B 5/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine gewindeformende Schraube nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE-PS 22 43 707 ist eine gewindeformende Schraube bekanntgeworden, die zwischen einem zylindrischen Gewindeschaft und einem zum Gewindeschaft koaxialen Führungszapfen einen sich zum Schraubenende hin verjüngenden Aufdornabschnitt mit unrunder Querschnittsfläche aufweist. Die Achse des Aufdornabschnitts ist gegenüber der Achse des Gewindeschaftes versetzt. Dadurch bildet sich ein erstes und ein zweites Segment im Aufdornabschnitt, wobei das erste Segment an allen Stellen einen größeren radialen Abstand von der Schraubenachse hat als das andere Segment. Im ersten Segment sind Teilgewindegänge geformt, während das andere Segment im wesentlichen glatt bleibt. Mit der bekannten Schraube wird erreicht, daß das erforderliche Drehmoment zur Anbringung der Schraube verringert wird und ein gerades Einführen der Schraube in das Material unterstützt wird. Die Leichtigkeit, mit der die Schraube in das Werkstück eingeschraubt werden kann, hängt nicht zuletzt von dem spezifisch ausgeformten Aufdornabschnitt ab.

Bei verhältnismäßig dünnen Blechen ist wichtig, daß das Verhältnis zwischen Antriebsdrehmoment und Durchziehdrehmoment klein ist. Für einen gegebenen Anwendungsfall soll im Idealfall das Antriebsdrehmoment sehr niedrig und das zum Durchziehen (Überdrehen) erforderliche Drehmoment relativ hoch sein. Um dies erreichen zu können, muß die Schraube beim Eindrehen möglichst viel Werkstoff zusammenhängend zu einem Gewindeansatz auspressen. Aus der DE-PS 29 07 360 ist bekanntgeworden, anstelle des Führungszapfens oder dergleichen eine konische Bohrspitze vorzusehen und im Aufdornabschnitt mehrere über den ganzen Umfang der Schraube verlaufende, jedoch der Tiefe nach nur zum Teil ausgebildete Teilgewindegänge vorzusehen. Das erste Segment des Aufdornabschnitts soll in seinem radial äußersten Teil in Richtung zu dem zweiten Bereich hin und einem Winkel von höchstens etwa 6° zur Schraubenachse verlaufen.

Eine derartige Schraube ist sehr wirksam. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß bei äußerst dünnen Blechen das Verhältnis von Antriebs- zu Durchziehdrehmoment noch verbesserbar ist. Die Gefahr, daß eine Schraube im sehr feinen Blech überdreht wird, ist besonders hoch, insbesondere wenn die Schrauben mit automatisch arbeitenden Schraubendrehern verarbeitet werden.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Blechschraube zu schaffen, die besonders für sehr feine Bleche geeignet ist und bei einem leichten Eindrehmoment ein hohes Anzugsmoment und ein hohes Überdrehmoment ermöglicht.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Anspruches 1 gelöst.

Die erfindungsgemäße Schraube weist im Aufdornabschnitt zum ersten Bereich hin mehrere der Tiefe nach nur zum Teil ausgebildete Teilgewindegänge auf. Der Flankenwinkel beträgt 40 bis 60° und der Radius des ersten Segments des Aufdornabschnitts zwischen 75% und 85% des Radius des zweiten Segments.. Es hat sich gezeigt, daß dadurch die axialen Kräfte, welche über das Drehmoment im geformten Gewinde wirken, verringert werden. Gleichzeitig erhöht sich die Anzahl der im Eingriff befindlichen Flanken und somit die Kraftaufnahmefähigkeit des geformten Gewindes.

Aus dem eingangs beschriebenen Stand der Technik ist bekannt, den Radius des ersten Segmentes kleiner zu wählen als der des zweiten Segmentes. Während des Eindrehvorgangs der Schraube stützt sich das zweite Segment mit dem größeren Radius an der Lochwandung ab, während das erste Segment mit dem kleineren Radius das Aufdornen oder Aufbördeln bewirkt. Bei der erfindungsgemäßen Schraube ist für das erste Segment des Aufdornabschnitts ein relativ kleiner Durchmesser vorgesehen, der ein wirksames Aufbördeln zur Folge hat. Es stellt sich daher ein verhältnismäßig großer axialer mit dem Gewinde des ersten Bereichs in Eingriff tretender Flanschbereich ein.

Erstes und zweites Segment des Aufdornabschnitts gehen im Querschnitt durch annähernd gerade Linien ineinander über. Es ist zwar denkbar, erstes und zweites Segment im Querschnitt so auszuformen, daß sich ein eiförmiges Gebilde ergibt. Hierfür ist jedoch eine relativ aufwendige Bearbeitung der Matrize zum Formen des Rohlings erforderlich. Die Matrize zum Herstellen eines Rohlings gemäß dem erfindungsgemäßen Merkmal ist demgegenüber weitaus unaufwendiger zu fertigen.

In einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Kerndurchmesser etwa dem eines metrischen Gewindes entspricht. Üblicherweise haben Blechschrauben einen Kerndurchmesser, der geringer ist als es dem metrischen Gewinde entspricht. Der verhältnismäßig große Kerndurchmesser bei der erfindungsgemäßen Schraube verbessert den Sitz der Schraube in sehr dünnem Blech.

Einige Vorteile der erfindungsgemäßen Schraube sind bereits angeführt worden. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß eine symmetrische Lastverteilung im geformten Gegengewinde (Muttergewinde) erhalten wird. Ferner wird das Überdrehmoment erhöht und damit die Verbesserung der Montagesicherheit. Bei herkömmlichen Schrauben besteht die Gefahr, daß der automatische Schrauber mit Drehmomentbegrenzung frühzeitig abschaltet, weil das Erreichen des Überdrehmoments mit Sicherheit vermieden werden muß. Diese Gefahr wird bei der erfindungsgemäßen Schraube vermieden, da ein sehr großer Abstand zwischen Antriebsmoment bzw. Nennmoment und Überdrehmoment besteht. Bei der erfindungsgemäßen Schraube wird infolge der relativ großen Steigung eine Verkürzung der Schraubzeiten erzielt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in Zeichnungen dargestellten Beispielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt perspektivisch eine Schraube nach der Erfindung (wobei die Gewindegänge nicht bezeichnet sind).

Fig. 2 zeigt eine Seitenansicht einer Schraube nach Fig. 1 vor dem Einsetzen in zwei Werkstoffplatten.

Fig. 3 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 2, jedoch beim teilweisen Eindrehen der Schraube.

Fig. 4 zeigt eine ähnliche Darstellung wie Fig. 3, jedoch nach dem Einschraubvorgang.

Fig. 5 zeigt eine Einzelheit eines Schraubenrohlings in Seitenansicht.

Fig. 6 zeigt einzelne Querschnitte durch den Rohling nach Fig. 5 entlang den Linien S 1 bis S 5.

Fig. 7 bis 9 zeigen schematisch eine Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Schraube während des Eindrehvorgangs.

Fig. 10 zeigt eine Seitenansicht des unteren Teils einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Schraube.

Fig. 11 zeigt die Schraube nach Fig. 10 oder 11 von unten gesehen.

Fig. 12 zeigt die Schraube nach Fig. 10 um 90° gedreht.

Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellte Schraube 14 weist einen Schaft 16 mit einem Gewindeabschnitt 20 auf, einen Kopf 18 sowie einen zylindrischen Führungszapfen 22 geringeren Durchmessers, der koaxial zum Gewindeschaft 16ausgerichtet ist. Das Gewinde des Gewindeabschnitts 20 ist ein Mehrganggewinde.

Zwischen dem Führungszapfen 22 und dem Gewindeschaft 16 ist ein konischer Aufbördelungs- oder Aufdornabschnitt 24 angeordnet. Dieser geht näher aus den Fig. 5 und 6 hervor. Man erkennt, daß ein erstes und zweites Segment a bzw. b vorgesehen ist, wobei das Segment a exzentrisch zur Achse 28 der Schraube 14 angeordnet ist. Die konzentrische Achse ist mit 26 bezeichnet. In Fig. 6 sind die unterschiedlichen Schnitte dargestellt, die entlang der Linien S 1 bis S 5 gelegt sind. Wie aus diesen Figuren, jedoch auch aus den Fig. 7 und 8 hervorgeht, ist der Radius der Krümmungen im Segment a in den einzelnen Querschnitten S 1 bis S 5 nicht nur kleiner als der Radius im Segment b, und zwar etwa 75 bis 85%, vorzugsweise etwa 80% kleiner, sondern es ergibt sich auch eine Unrundkeit entsprechend dem Übergang der beiden unterschiedlichen Radien.

Ferner ist der Aufdornabschnitt 24 ebenfalls mit einem mehrgängigen Gewinde versehen, das in das Gewinde des Gewindeschafts 16 übergeht. Das Gewinde des Aufdornabschnitts 24 besteht aus im wesentlichen nur im ersten Segment umlaufenden Gewindegängen, die der Tiefe nach jedoch nur teilweise ausgeführt sind. In Richtung Gewindeschaft erstrecken sich mindestens 1 bis 2 vollständig herumlaufende Gewindegänge. Das Gewinde im Aufdornabschnitt 24 ist mit 44 bezeichnet.

In Fig. 2 ist die Schraube 14 zu Beginn des Eintritts in eine in einem Blech 32 vorgesehene Bohrung gezeigt. In Fig. 2 ist ferner ein Blech 34 gezeigt, daß mit Hilfe des Schraubenkopfes 18 gegen das Blech 32 geklemmt werden soll. Die Bohrung 30 im Blech 32 kann durch Stanzen oder auf andere Weise gebildet sein. Wird eine Drehung und ein axialer Druck auf die Schraube 14 ausgeübt, wird anfangs Material des Bleches 32 in axialer Richtung flanschförmig verdrängt (Fig. 3). In Fig. 4 ist der durchgezogene axiale Flansch 36 fertiggestellt, wobei sich die Gewindegänge des Gewindeabschnitts 20 des Schafts 16 eingedrückt und komplementäre Gewindegänge entlang der Innenwand des durchgezogenen Flansches 36 gebildet haben. Durch weitere Drehung der Schraube 14 kann die Klemmfläche des Kopfes 18 in Anlage auf das Blech 34 gebracht werden.

Aus den Fig. 7 bis 9 geht die Wirkungsweise des Aufdornabschnitts 24 deutlicher hervor. Die Ansichten gemäß Fig. 7 bis 9 sind vom Eintrittsende der Schraube her gesehen, wenn sie im Werkstück in die durch den Richtungspfeil 38 angezeigte Richtung gedreht wird.

Es sei angenommen, daß der in den Fig. 7 bis 8 gezeigte Querschnitt A einem der Querschnitte S 1 bis S 5 nach den Fig. 5 und 6 entspricht. Die Verdrängungskräfte wirken in gegenüberliegenden Zonen kleinerer und größerer Radien. Der kleinere ist mit 41 und der größere mit 43 bezeichnet. Auf das Verhältnis der beiden Radien wurde weiter oben bereits hingewiesen. Während der Drehung der Schraube in der durch den Richtungspfeil 38 angegebenen Richtung werden Verdrängungskräfte durch die begrenzte Zone des kleineren Radius auf das Werkstück ausgeübt, wobei die Zonen 40, 42 mit dem Werkstück außer Eingriff sind. Sie werden gebildet durch annähernd gerade Übergänge zwischen den Radien. Eine derartige Ausformung läßt sich besonders einfach herstellen.

Der gezeigte progressive begrenzte Eingriff der Fläche 41 mit dem Werkstück wird im wesentlichen durch die unrunden und im wesentlichen exzentrischen Flächen erzielt, wie sie durch die Querschnitte S 1 bis S 4 bestimmt sind. Das bereits erwähnte mehrgängige Gewinde 44 unterstützt die Verdrängungswirkung der Schraube. Hierzu wird zusätzlich angemerkt, daß eine relativ große Gewindesteigung vorgesehen ist mit der Formel P ≤ 0,25 × D × n, wobei D der Gewindedurchmesser und n 2 bis maximal 4 ist.

Der Sitz der Schraube im aufgebördelten Abschnitt wird noch dadurch verbessert, daß der Kerndurchmesser des Gewindeabschnitts 16 verhältnismäßig groß ist. Er entspricht annähernd dem eines metrischen Gewindes.

In den Fig. 10 bis 12 ist eine abgewandelte Ausführungsform dargestellt. Eine Schraube 14a weist einen Schaft 16a mit einem Gewindeabschnitt 20a auf, der ebenfalls ein Mehrganggewinde ist entsprechend der vorstehend beschriebenen Ausführungsform. Der Unterschied der Schraube 14a zur Schraube 14 nach der vorstehend beschriebenen Ausführungsform liegt im Führungszapfen 22a, der als Bohrungsspitze ausgebildet ist. Zwischen dem als Bohrer ausgebildeten Führungszapfen 22a und dem Gewindeabschnitt 20a ist ein konischer exzentrischer Aufdornabschnitt 24a angeordnet. Seine Wirkungsweise wurde bereits weiter oben beschrieben.


Anspruch[de]
  1. 1. Gewindeformende Schraube mit einem an seinem Ende einen Kopf aufweisenden Schaft, der drei Axialbereiche aufweist, nämlich einen den Kopf einschließenden ersten Bereich, der einen mit einem Gewinde versehenen Haltebereich bildet, einem von dem anderen Ende des Schafts ausgehenden zweiten Bereich, der einen zu dem ersten Bereich koaxialen Führungsbereich bildet und einen maximalen Durchmesser hat, der kleiner ist als der Durchmesser des ersten Bereichs, und einen zwischen dem ersten und dem zweiten Bereich liegenden dritten Bereich, der einen sich zu dem zweiten Bereich hin im wesentlichen konisch verjüngenden Aufdornabschnitt bildet und ein an das Gewinde des ersten Bereichs anschließendes und die gleiche Steigung wie dieses habendes Teilgewinde aus mehreren der Tiefe nach nur zum Teil ausgebildeten Teilgewindegängen aufweist, wobei der Aufdornabschnitt zwei einander gegenüberliegende Umfangssegmente aufweist, von denen das eine Segment an allen Umfangsstellen einen größeren radialen Abstand von der Schraubenachse hat als das andere Segment und das Teilgewinde im wesentlichen nur in einem Segment ausgebildet ist und sich vollständig über seine Länge erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde im Aufdornabschnitt (24) und im ersten Bereich zwei- oder mehrgängig geformt ist, der Flankenwinkel 40 bis 60° beträgt und der Radius des ersten Segments (a) annähernd zwischen 75 und 85%, vorzugsweise etwa 80%, des Radius des zweiten Segments (b) ist, und daß erstes und zweites Segment (a, b) des Aufdornabschnittes (24) im Querschnitt durch annähernd gerade Linien (40, 42) ineinander übergehen.
  2. 2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kerndurchmesser etwa dem eines metrischen Gewindes entspricht.
  3. 3. Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichent, daß der Führungsbereich von einem zylindrischen Führungszapfen (22) gebildet ist.
  4. 4. Schraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Führungsbereich von einer Bohrspitze (22a) gebildet ist.






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