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Dokumentenidentifikation DE69207140T2 15.05.1996
EP-Veröffentlichungsnummer 0537807
Titel Befestigungsmittel mit kleeblattförmiger Ausnehmung und Werkzeug-Einführ-Schrägen
Anmelder Textron Inc., Providence, R.I., US
Erfinder Seidl, Richard James, Rockford, Illinois 61107, US
Vertreter Andrejewski und Kollegen, 45127 Essen
DE-Aktenzeichen 69207140
Vertragsstaaten BE, CH, DE, DK, ES, GB, IT, LI, LU, NL, SE
Sprache des Dokument En
EP-Anmeldetag 31.07.1992
EP-Aktenzeichen 922023858
EP-Offenlegungsdatum 21.04.1993
EP date of grant 27.12.1995
Veröffentlichungstag im Patentblatt 15.05.1996
IPC-Hauptklasse F16B 23/00

Beschreibung[de]
Hintergrund der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf elektrisch eingedrehte Schrauben und im einzelnen auf Schrauben mit verbesserten Schraubeneinsätzen für elektrisch und von Hand betätigte Anwendungen.

An Montagelinien mit hohem Durchsatzvolumen, wie sie in der Massenproduktion eingesetzt werden, werden elektrische Einschraubwerkzeuge gewöhnlich in kontinuierlicher Drehung gehalten, ohne daß sie zwischen den einzelnen Einschraubvorgängen angehalten werden. Mehrlappige Schraubeneinsätze und Einschraubwerkzeugsysteme waren sehr leistungsfähig, indem sie die angewandte Kraft in ein Antriebsmoment umwandelten, wie es in den US- Patentschriften 3,584,667 und 4,269,246 beschrieben wird, insbesondere im Vergleich mit den früheren Sechskanteinsätzen, wie sie z.B. in der US- Patentschrift 2,777,353 beschrieben werden.

Eine Koppelung nach dem Stand der Technik zum Eindrehen von Schrauben findet sich in der US-Patentschrift Nr. 4,983,731 und derdeutschen Offenlegungsschrift 3808534. Bei dem in der deutschen Offenlegungsschrift erläuterten Einschraubsystem sind am Schraubenkopf zwischen den konischen Flächen flache Abschnitte vorhanden, so daß ein automatisch angetriebenes Werkzeug leicht von dem Kopf abprallen kann, bevor ein richtiger Eingriff zustandegekommen ist. Die in der US-Patentschrift Nr. 4,938,731 gezeigte Koppelung hat eine spezielle Konstruktion, bei der die einzelnen Lappen spitz zulaufende Flächen aufweisen, d. h. Flächen, bei denen der oberste Teil nicht am Anfang des Lappens beginnt und dann radial nach innen bis zu einer Abbruchfläche verläuft, sondern in der Mitte des Lappens liegt.

Beim Einsatz von kontinuierlich drehenden elektrisch angetriebenen Werkzeugen ist es besonders wichtig, daß das Werkzeug in dem Moment, in dem es in die Wände des Schraubeneinsatzes eingreift, präzise mit diesem ausgerichtet ist, um Schäden durch Reibung und Verformungen des Einsat zes und auch am Werkzeug zu verhindern. Wenn die jeweiligen Auflageflächen am Werkzeug und am Schraubeneinsatz, auf die die Antriebskraft einwirkt, nicht ganz oder nicht ausreichend miteinander im Eingriff sind, verursachen die dadurch entstehenden "Aufprall"-Stöße des sich drehenden Antriebswerkzeugs gegen die ungenau ausgerichtete Schraube besonders schwerwiegende Schäden. Bei der besseren Drehmomentübertragung durch mehrlappige Einsatz- und Antriebssysteme ist es wichtig, daß alle Antriebslappen in den Aufnahmenuten des Einsatzes liegen, bevor einer der Antriebslappen gegen einen bestimmten Einsatzlappen drückt. Für die Unversehrtheit der Schraube und der hergestellten Verbindung, aber auch im Hinblick auf einen geringeren Verschleiß des Antriebswerkzeugs und geringere Schäden am Schraubeneinsatz ist es also wichtig, daß die Spitze des Antriebswerkzeugs in die Nuten des Einsatzes eingeführt wird und darin eine gute axiale Eingrifftiefe hat, bevor die Lappen der Antriebsspitze mit den Wandflächen des Einsatzlappens, auf die die Antriebskraft einwirkt, praktisch gleichzeitig in Eingriff gebracht und angetrieben werden.

Eine grundlegende Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist daher die Bereitstellung einer Schraube mit einem verbes serten Einsatz, der eine ausreichende Eingriffstiefe der Antriebswerkzeugspitze gewährleistet, bevor das Drehmoment übertragen wird.

Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.

Zusammenfassung der Erfindung

Ein eingesenkter Schraubeneinsatz in einer Schraube oder einem ähnlichen Teil wird von einem passenden Antriebswerkzeug, das in dem Einsatz aufgenommen wird, angetrieben. Die Einsatzvertiefung hat einen mehrlappigen Querschnitt, der durch eine abwechselnde Reihe von ringförmig angeordneten nebeneinanderliegenden Einsatznuten und Einsatzlappen gebildet wird, die parallel zu einer allgemeinen zentralen Achse von einer Eintrittsöffnung in die von einem umlaufenden Stützansatz umschriebene Vertiefung verlaufen. Jeder Einsatzlappen wird durch eine Führungsfläche an diesem Lappen abgestumpft, die schräg von der genannten Öffnung an einer in radialer Richtung außenliegenden Kante einer benachbarten Einsatznut in die Vertiefung reicht, und, einen für das Werkzeugspiel eingesenkten Teil auf der Führungsfläche bildet.

Die Führungsfläche verläuft von dem für das Werkzeugspiel eingesenkten Teil bis zu einem Abbruch der Führungsfläche in der Vertiefung, die von der Vertiefungsöffnung in axialer Richtung eingesenkt ist, und ermöglicht eine nockenartige Führung der Antriebslappen am Antriebswerkzeug auf der geneigten Führungsfläche in die jeweiligen Einsatznuten, und verhindert einen antreibenden Eingriff der Antriebslappen mit den Einsatzlappen, bis die Antriebslap pen in den Einsatznuten durch diese nockenartige Führung eine ausreichende Tiefe in axialer Richtung erreicht haben, um das Drehmoment wirksam und ausgeglichen zu übertragen.

In bevorzugten Ausführungsbeispielen verlaufen die Führungsflächen an den Einsatzlappen von den jeweils benachbarten Einsatznuten über die Einsatzlappen zu den jeweils danebenliegenden nächsten Einsatznuten, so daß die Führungsflächen die Einsatzlappen vollständig abstumpfen. Jede Führungsfläche kann eine planare Fläche aufweisen, die eine aus zwei Winkeln zusammengesetzte Führungsrampe bildet, welche zusammen die nockenartige Führung und das verzögerte Einführen der Antriebslappen in die Einsatznuten fördern, bis eine ausreichende Tiefe der Antriebslappen erreicht ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht eines Ausführungs beispiels des Antriebswerkzeugs und einer Schraube nach der vorliegenden Erfindung; sie zeigt den Moment, in dem sich das Antriebswerkzeug der antreibenden Eingriffsposition der Schraube nähert;

Fig. 2 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht der Schraube und des Einsatzes der Fig. 1;

Fig. 3 ist eine Schnittansicht der Schraube und des Einsatzes durch eine Ebene entlang der Linie 3-3 in Fig. 2;

Fig. 4 ist eine Draufsicht auf den Eingriff des Antriebswerkzeugs und des Schraubeneinsatzes aus Fig. 1, der die anfängliche schlechte Ausrichtung der jeweiligen Werkzeug- und Einsatzlappen in dem Einsatz vor dem Eingriff der Werkzeugspitze zeigt;

Fig. 5 ist eine Draufsicht ähnlich der in Fig. 4, die die relative Ausrichtung der jeweiligen Werkzeug- und Einsatzlappen bei angetriebener Drehung der Schraube zeigt;

Fig. 6 ist eine vergrößerte fragmentarische Seitenansicht der Einsatzlappen der Schraube in den Figuren 1-5, die außerdem in Form eines Diagramms den Eintrittsweg eines Werkzeuglappens in den Einsatz der Schraube zeigt;

Fig. 7 ist eine vergrößerte fragmentarische Ansicht eines Lappens des Schraubeneinsatzes, ähnlich wie in Fig. 6, der die Neigung einer Werkzeugführungsfläche zeigt, die auf dem Einsatzlappen gebildet wurde; uhd

Fig. 8 ist eine fragmentarische Ansicht, ähnlich wie in Fig. 7, die einen zweiten Neigungswinkel der Werkzeugführungsfläche zeigt.

Ausführliche Beschreibung des dargestellten Ausführungsbeispiels

Bezugnehmend auf Fig. 1; hier wird eine Schraube nach der vorliegenden Erfindung gezeigt, die allgemein mit der Bezugszahl 10 bezeichnet wird, und eine sich nähernde Antriebswerkzeugwelle 14. Die Schraube 10 hat einen Kopfabschnitt 16 und einen Schaftabschnitt 18 mit Gewinde. In dem Kopfabschnitt 16 ist ein Schraubeinsatz oder eine Vertiefung gebildet, die allgemein mit der Bezugszahl 20 bezeichnet wird. Wie am besten in Fig. 3 zu sehen ist, hat der Schraubeinsatz 20 eine mehrlappige Konfiguration, in die ein entsprechendes mehrlappiges Ende einer Spitze 22 des Werkzeugs 14 zur Übertragung des Drehmoments, welches die Schraube 10 in die zu befestigende Bauemheit (nicht dargestellt) hineintreibt, eingeführt wird. Die mehrlappige Konfiguration der Einsatzvertiefung 20 wird durch eine abwechselnde ringförmige Anordnung von benachbarten, in radialer Richtung angeordneten offenen Nuten 24 und konvex geformten Lappen 26, die allgemein parallel zu der zentralen Achse 28 verlaufen, gebildet. Die dargestellte mehrlappige Konfiguration ist in der Branche als TORX System bekannt und wird in der oben erwähnten US-Patenschrift Nr. 3,584,667 beschrieben. Fig. 5 zeigt am besten, wie die Antriebslappen 23 der Werkzeugspitze 22 eng mit den Einsatznuten 24 übereinstimmen, so daß sie in diese eingeführt werden können, und sich die Antriebslappen 23 in der Drehung in der richtigen relativen Ausrichtung zur Übertragung des Drehmoments auf die Schraube 10 gegen die Einsatzlappen 26 abstützen. In einem elektrisch angetriebenen Werkzeug wird die Antriebsspitze 22 vorzugsweise kontinuierlich mit beispielsweise etwa 500 min&supmin;¹ gedreht, wie durch den Pfeil A angedeutet wird, mit einer repräsentativen Endlast von etwa 50 psi, die auf die Werkzeugwelle 14 einwirkt, wie durch Pfeil A' in Fig. 1 angedeutet wird. Die am Anfang beliebige Fehlausrichtung erlaubt jedoch kein Einführen der Antriebslappen 23 in die Einsatznuten 24. Auch mit einem von Hand betätigten Werkzeug 14 kann das Eingreifen der Spitze 22 und der Antriebslappen 23 in die Einsatznuten 24 anfänglich relativ ungenau sein, wie es die Fig. 4 zeigt, jedoch bewirkt die normalerweise von Hand einwirkende Endlast, daß sich das Werkzeug 14 in eine ausgerichtete Position dreht, wie nachfolgend ausführlicher beschrieben wird.

Um einen vorzeitigen antreibenden Eingriff der Antriebslappen 23 gegen die Einsatzlappen 26 solange zu verhindern, bis die Antriebslappen 23 in den Einsatznuten 24 aufgenommen wurden, wie die Fig. 5 zeigt, sind die Einsatzlappen 26 jeweils entlang der jeweiligen Führungsflächen 27, die in den Einsatz 20 von der Öffnungsweite des Einsatzes, 21, eingesenkt sind, abgestumpft. Jede Führungsfläche 27 an dem Einsatzlappen 26 ist an der Einsatzöffnung 21 abgeschrägt, beginnend an einer in radialer Richtung außenliegenden Kante einer Einsatznut 24, die an den betreffenden Einsatzlappen 26 angrenzt. Wenn jeder sich nähernde Antriebslappen 23 zu Beginn in die Führungsfläche 27 eingreift, wobei er zunächst noch mit der Einsatznut 24 falsch ausgerichtet ist, wird durch das schrittweise Fortschreiten der kontinuierlichen Drehbewegung des Antriebslappens 23 eine gleitende Abwärtsbewegung des Antriebslappens 23 durch Nockenwirkung entlang der Führungsfläche 27 auf dem vom Richtungspfeil B angezeigten Weg bewirkt, wie am besten in Fig. 6 zu sehen ist. Alle sechs Antriebslappen 23 folgen gleichzeitig entsprechenden Wegen B entlang den entsprechenden Führungsflächen 27, obwohl der Einfachheit halber nur ein Antriebslappen 23 und ein Weg B dargestellt sind.

Um zu verhindern, daß einer oder mehrere Antriebslappen 23 an einer flachen, an die Einsatzöffnung 21 angrenzenden Stelle vorzeitig in einen Einsatzlappen 26 eingreifen, was zu einem Aufeinanderprallen und damit einer Beschädigung sowohl der Antriebsspitze 22 als auch des Einsatzes 20 führen würde, beginnt bei jeder der abgeschrägten Führungsflächen 27 die Abstumpfung des betreffenden Einsatzlappens 26 unmittelbar an der Einsatzöffnung 21. Die Abstumpfung bildet einen für das Werkzeugspiel eingesenkten Teil 29 der Führungsfläche 27, um die in radialer Richtung außenliegende Kante der angrenzenden Einsatznut 24 zu definieren, wie in Fig. 6 gezeigt wird. Das heißt, auch wenn alle sechs Antriebslappen 23 am Anfang, beim ersten Eintreten der Spitze 14 in den Einsatzaufbau 21, mit den entsprechenden Einsatznuten 24 ausgerichtet sind, kann aufgrund des Dreh- Spiels zum Antriebslappen 23, das durch den eingesenkten Spiel-Abschnitt 29 der Führungsfläche 27 entsteht, kein Antriebslappen 23 in den unmittelbar benachbarten Einsatzlappen 26 eingreifen oder auf diesen ein Drehmoment ausüben, wie in Fig. 6 gezeigt wird. Der eingesenkte Teil 29, der ein Werkzeugspiel zuläßt, verhindert jede Drehmomentübertragung zu dem Lappen 26; statt dessen leitet er die nockengeführte Abwärtsbewegung des Antriebslappens 23 entlang dem Weg B ein, der zu der nächsten benachbarten Einsatznut 24 führt. Wenn sich der drehende Antriebslappen 23 auf dem nockengeführten Weg B weiterbewegt und die eingesenkte Endkante 31 der Führungsfläche 27 erreicht, nähern sich alle sechs Antriebslappen 23 der radialen und axialen Ausrichtung mit den jeweils nächsten Einsatznuten 24, so daß der letzte Schritt der nockengeführten Abwärtsbewegung für ein zwar abruptes aber kurzes Absinken der sechs Antriebslappen 23 durch die Einsatznuten 24 entlang dem durch B' angedeuteten Weg in axialer Richtung sorgt. Erst nachdem sie über den Wegabschnitt B' abgesenkt wurden, befinden sich die sechs Antriebslappen 23 in den aufeinanderfolgenden Positionen des vollen Einschubs in den jeweiligen Einsatznuten 24, um einen das Drehmoment übertragenden Eingriff zu ermöglichen, wie durch Pfeil C angezeigt wird, und liegen gleichzeitig an den sechs jeweils benachbarten Einsatzlappen 26 an, wodurch die Drehung der Schraube bewirkt wird, wie durch die Position der durchgezogenen Linie des Einschraubeinsatzes in Fig. 6 angedeutet wird. Hierbei ist am wichtigsten, daß das Absinken des Antriebsiappens 23 in axialer Richtung entlang dem Weg B' bis zum vollen Einschub aller sechs Antriebslappen 23 in die Einsatznuten 24 eine wesentliche dimensionale Eingriffstiefe der sechs Antriebslappen mit den jeweiligen sechs Einsatzlappen 26 herstellt, wie durch D angedeutet wird. Die Eingriffstiefe D gewährleistet, daß die gleichzeitige mehrlappige Drehmomentübertragung ausreichend über die Einsatzlappen 26 verteilt wird, so daß eine ausgeglichene Drehung der Schraube erreicht wird, die praktisch unabhängig ist von der Masse und dem Widerstand der herzustellenden Verbindung. Außerdem wird ein Abschälen oder Aufreiben der Schraubeneinsätze und eine Beschädigung der Spitze 22 und der Antriebslappen 23 selbst durch die über die Eingriffstiefe D wirksam verteilte Drehmomentübertragung verhindert.

Ein weiterer Vorteil im Einsatz besteht darin, daß durch die vielen abgeschrägten Führungsflächen 27 die problemlose Wiederausrichtung zwischen der Werkzeugspitze und dem Schraubeneinsatz 20 gefördert wird, insbesondere geführt durch den zusammengesetzten Winkel der Flächen 27, wie in den Figuren 7 und 8 angedeutet wird. Wenn sich die Spitze 22 der Einsatzöffnung 21 aus einer konzentrisch schlecht ausgerichteten Lage nähert, wird ein einzelner Einsatzlappen 23 beim ersten Eingreifen in den für das Werkzeugspiel eingesenkten Abschnitt 29 in eine nockengeführte Abwärtsbewegung entlang der Führungsfläche 27 gezwungen und es ent steht kein Aufprall oder Stoß gegen eine axiale Fläche eines Einsatzlappens durch falsche Ausrichtung. Die nockengeführte Einführbewegung am Anfang des Eingriffs des konzentrisch falsch ausgerichteten Antriebslappens 23 führt dadurch die übrigen Einsatzlappen in einer kontinuierlichen drehenden Bewegung in eine nach und nach bessere konzentrische Ausrichtung mit den jeweils anderen Führungsflächen 27.

Zwar kann der Neigungswinkel der Führungsflächen 27 varia bel an die relativen Abmessungen sowohl des Schraubeneinsatzes 10 als auch der Antriebsspitze 22 angepaßt werden; es wurden jedoch auch gute Ergebnisse durch eine vorgefertigte Neigung mit einem Winkel von etwa 15º, bezogen auf die Linie T in einer Ebene P an der Einsatzmündung 21, senkrecht zur zentralen Achse 28 und den Umfang der Einsatzmündung an einer in radialer Richtung außenliegenden Kante der benachbarten Einsatznut 2 berührend, erzielt, wie in Fig. 7 zu sehen ist. Vorzugsweise setzt sich die Abschrägung der Führungsflächen 27 durch Bilden eines zusätzlichen zweiten Winkels von etwa 15º zu einer Linie in derselben Ebene P an der Einsatzöffnung 21, wo die Linie entlang einem Radius R der Einsatzöffnung 21 verläuft, zusammen, wie in Fig. 8 gezeigt wird.

In den Ansprüchen wird definiert, wofür ein Patentschutz angestrebt wird (Artikel 84); es wurden hierin bestimmte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beschrieben; jedoch dürfte dem Fachmann klar sein, daß größere und kleinere Änderungen verschiedener Aspekte vorgenommen werden können, ohne daß vom breiten Schutzumfang der Erfindung abgewichen wird. Der Umfang der Erfindung ist also nicht durch ein bestimmtes Ausführungsbeispiel eingeschränkt, sondern wird in den Ansprüchen im Anhang definiert.


Anspruch[de]

1. Schraube mit einem eingesenkten Schraubeinsatz (20), in dem ein passendes sich drehendes Antriebswerkzeug (22) aufgenommen wird, mit einer Einsatzvertiefung (20) mit mehrlappigem Querschnitt, gebildet durch eine abwechselnde ringförmige Anordnung von benachbarten Einsatznuten (24) und Einsatzlappen (26), die parallel entlang einer allgemein zentralen Achse (28) von einer Öffnung (21), die an der Peripherie von einem umlaufenden Stützansatz umgeben ist, in die Vertiefung verlaufen, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Einsatzlappen (26) durch eine Führungsfläche (27) an diesem Lappen abgestumpft wird, die zu der genannten Öffnung (21) hin abgeschrägt ist, und daß die genannte Führungsfläche (27) an einer in radialer Richtung außenliegenden Fläche einer benachbarten der genannten Nuten (24) beginnt, und die genannte Führungsfläche (27) bis in die genannte Vertiefung (20) reicht, um einen eingesenkten Teil (29) der genannten Führungsfläche (27) für das Werkzeugspiel zu bilden, wobei der genannte Werkzeugspiel-Abschnitt (29) von der genannten in radialer Richtung außenliegenden Fläche der genannten benachbarten Nut (24) verläuft, und die genannte Führungsfläche (27) sich von dort bis zu einem Endpunkt (31) in der genannten Vertiefung (20) erstreckt, die in axialer Richtung von der genannten Öffnung (21) eingesenkt wurde, um eine nockengeführte Führung der Antriebslappen (23) des genannten Werkzeugs (22) auf der abgeschrägten Führungsfläche (27) in die genannten Einsatznuten (24) zu bewirken, und einen antreibenden Eingriff der genannten Antriebslappen (23) mit den genannten Einsatzlappen (26) zu verhindern, bis durch die genannte nockengeführte Führung eine ausreichende Tiefe(D) der genannten Antriebslappen (23) in den genannten Einsatznuten (24) in axialer Richtung erreicht ist.

2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Führungsfläche (27) von der genannten benachbarten Einsatznut (24) über den genann ten Einsatzlappen (26) zu einer nächsten der genannten Einsatznuten (24) verläuft.

3. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Führungsfläche (27) eine planare Fläche ist, die einen Winkel von etwa 15º zu einer Linie (T, Fig. 7) in einer Ebene (P) an der genannten Vertiefungsöffnung (21) bildet, senkrecht zu der genannten zentralen Achse (28), und einen Umfang der genannten Vertiefungsöffnung an einer in radialer Richtung außenliegenden Kante der genannten benachbarten Einsatznut berührt.

4. Schraube nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichneü, daß die genannte Führungsfläche (27) außerdem eine Winkel von etwa 15º zu einer Linie (R, Fig. 8) in der genannten Ebene (P) an der genannten Vertiefungsöffnung (21) senkrecht zu der genannten zentralen Achse (28) bildet, entlang einem Radius (R) der genannten Vertiefungsöffnung (21).

5. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Führungsfläche (27) von einer Fläche gebildet wird, die einen Winkel zu einer Linie (T, Fig. 7) bildet, im wesentlichen in einer Ebene (P) an der genannten Vertiefungsöffnung (21) und im wesentlichen senkrecht zu der genannten zentralen Achse (28) verlaufend, und die genannte Führungsfläche (27) außerdem einen Winkel (z.B. 15º) zu einer Linie (R, Fig. 8) in der genannten Ebene (P), ebenfalls an der genannten Vertiefungsöffnung (21), bildet.







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