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Dokumentenidentifikation DE102005022215A1 16.11.2006
Titel Gewindeformende Schraube
Anmelder EJOT GmbH & Co. KG, 57334 Bad Laasphe, DE
Erfinder Friederich, Heinz, Dr., 68649 Groß-Rohrheim, DE;
Achenbach, Michael, 35236 Breidenbach, DE
Vertreter Patent- und Rechtsanwälte Bardehle, Pagenberg, Dost, Altenburg, Geissler, 81679 München
DE-Anmeldedatum 13.05.2005
DE-Aktenzeichen 102005022215
Offenlegungstag 16.11.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 16.11.2006
IPC-Hauptklasse F16B 25/00(2006.01)A, F, I, 20060308, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft eine gewindeformende Schraube mit einem Gewindeschaft und einem an dessen Ende angeordneten Schraubenkopf, dessen Gewindeeingänge an ihren Gewindespitzen Ausnehmungen aufweisen, durch die die Gewindegänge unterbrochen sind. Das Volumen der einzelnen Ausnehmungen nimmt vom Gewindeumfang zum Gewindeende hin so ab, dass mindestens über eine Teillänge des Gewindes die Abnahme kontinuierlich erfolgt und im Bereich zum Gewindeende hin die Ausnehmungen in den Volumenwert 0 übergehen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf eine gewindeformende Schraube mit einem Gewindeschaft und einem an dessen Ende angeordneten Schraubenkopf, dessen Gewindegänge an ihren Gewindespitzen Ausnehmungen aufweisen, durch die die Gewindegänge unterbrochen sind.

Um das Eindrehen derartiger gewindeformender Schrauben in ein Werkstück insbesondere aus sprödem Material zu erleichtern, hat man bereits derartige Schrauben mit quer über die Gewindegänge verlaufenden Einkerbungen versehen, die an jedem Gewindegang eine Ausnehmung bilden. Eine derartige Schraube ist in der DE-PS 32 42 926 offenbart. Die Einkerbungen verlaufen hier schräg zur Schraubenachse und erstrecken sich über den Anfangsbereich der Schraube, abgewandt von dem Ende der Schraube mit dem Schraubenkopf. Eine ähnliche Gestaltung einer gewindeformenden Schraube mit breiteren Ausnehmungen an den Gewindespitzen ist in der US-PS 5,110,245 offenbart. Bei dieser Schraube sind pro Gewindegang jeweils mehrere Ausnehmungen vorgesehen, die aus einem gegenüber der Gewindespitze abgesenkten Grund und den Grund begrenzenden Seitenwänden bestehen. Bei dieser Schraube erstrecken sich die Ausnehmungen über die gesamte Länge des Gewindeschaftes.

Beim Eindrehen dieser Schraube in eine Bohrung eines Werkstücks bewirkt die Scharfkantigkeit der Ausnehmungen ein Einschneiden in das Material des Bauteils, wodurch das Eindrehen der Schraube einerseits erleichtert und andererseits dabei entstehende Späne aufgenommen werden können, was beim weiteren Eindrehen einer Schraube verhindert, dass hierdurch das Werkstück aufgesprengt werden kann. Es sind daher viele entsprechende Versuche gemacht worden, ähnlich gestaltete Schrauben vorzuschlagen, wie sich dies z.B. aus der europäischen Patentschrift 0 433 484, der europäischen Patentanmeldung 1 489 313, dem deutschen Gebrauchsmuster 298 14 010 und den US-Patentschriften 4,652,194 und 4,842,467 ergibt.

Es hat sich gezeigt, dass derartige Schrauben geringeren Ausreißkräften standhalten können als Schrauben, die nicht mit den vorstehend geschilderten Ausnehmungen versehen sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diesen Nachteil zu beseitigen, dabei aber die vorteilhafte Wirkung nicht zu verlieren, die Schrauben in sprödes Material ohne dessen Gefährdung eindrehen zu können. Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, dass das Volumen der einzelnen Ausnehmungen vom Gewindeanfang zum Gewindeende hin so abnimmt, dass mindestens über eine Teillänge des Gewindes die Abnahme kontinuierlich erfolgt und im Bereich zum Gewindeende hin die Ausnehmungen in den Volumenwert 0 übergehen.

Aufgrund dieser Gestaltung der Schraube ergibt sich für deren Eindrehen an ihrem Gewindeanfang eine gute Schneidwirkung mit gleichzeitiger Aufnahme der dabei entstehenden Späne. Mit fortschreitendem Eindrehen der Schraube in bereits geformtes Gewinde folgen Gewindegänge der Schraube in das geformte Gewinde nach, die diese geformten Gewindegänge mehr und mehr bis schließlich vollständig ausfüllen. Dadurch bieten sie der Schraube in den geformten Gewindegängen einen besonders großen Halt, da sich schließlich die Schraube über eine erhebliche Länge mit nur sich geringfügig und schließlich gar nicht mehr auswirkenden Ausnehmungen in dem geformten Gewinde festhalten kann. Das Ergebnis ist eine Verbindung, die hohe Ausreißkräfte aufnehmen kann und damit den bekannten Schraubengestaltungen erheblich überlegen ist.

Um das Eindrehen der Schraube besonders zu erleichtern, kann man diese zweckmäßig so gestalten, dass vor der Teillänge mit kontinuierlicher Volumenabnahme die Ausnehmungen über ein oder mehrere Gewindegänge mit gleichem Volumen aufeinander folgen. In diesem Falle übernimmt die Hauptarbeit des Eindrehens ein Bereich der Schraube, der vor der Teillänge mit kontinuierlicher Volumenabnahme liegt und der Ausnehmungen mit gleichem Volumen aufweist, so dass diesen Gewindegängen die Hauptarbeit des Einformens der Schraube und der Aufnahme der Späne übertragen werden kann.

Bei dieser Gestaltung ist es möglich, den Übergang vom Bereich mit gleich bleibendem Volumen der Ausnehmungen über einen Stufensprung der Volumenabnahme zu gestalten, womit dem Bereich mit gleichem Volumen der Ausnehmungen die Teillänge des Gewindes mit kontinuierlicher Volumenabnahme folgt, und zwar wegen des Stufensprungs mit relativ geringem Volumen der Ausnehmungen, so dass mit dem Eindringen dieses Bereiches sehr früh, bezogen auf den Einformvorgang, ein Kontakt der Schraube mit besonders größeren Anlageflächen gegenüber dem Muttergewinde hergestellt wird. Dadurch wird über die Länge der Schraube ein erheblicher Bereich für die Aufnahme von Auszugskräften zur Verfügung gestellt.

Für die Volumenabnahme der Ausnehmungen gibt es mehrere Möglichkeiten. Die Volumenabnahme kann linear, parabelförmig oder hyperbolisch erfolgen. Die jeweilige Wahl der Kurve der Volumenabnahme ergibt sich aus dem Material, in das die Schraube einzudrehen ist.

Es ist darüber hinaus besonders vorteilhaft, zum Gewindeende hin mindestens einen Gewindegang frei von Ausnehmungen zu halten. Dieser mindestens eine Gewindegang bzw. gegebenenfalls mehrere Gewindegänge ohne Ausnehmungen bietet dann in besonders günstiger Weise die Möglichkeit, hohe Auszugskräfte aufzunehmen, da die Gewindegänge in diesem Bereich von Ausnehmungen überhaupt nicht unterbrochen sind.

Für die Gestaltung der Volumenabnahme gibt es verschiedene Möglichkeiten. Einerseits ist es möglich, die Volumenabnahme durch Verkürzung der Ausnehmungen längs der Gewindegänge herbeizuführen, andererseits kann man die Volumenabnahme auch dadurch bewirken, dass der Grund der Ausnehmungen angehoben wird. Die jeweilige Gestaltung bzw. Kombination dieser beiden Methoden ist vom Material des Bauteils abhängig.

Für die Gestaltung der Ausnehmungen gibt es weiterhin eine besondere Möglichkeit der Formgebung, nämlich dadurch, dass der radiale Querschnitt der Ausnehmungen in Richtung der Gewindegänge durch Wände so begrenzt wird, dass die Ausnehmungen dreieckförmig, trapezförmig oder kreisförmig verlaufen. Diese Gestaltung hängt ebenfalls von der Wahl des Materials für das betreffende Bauteil ab.

Eine weitere Variation der Gestaltung der Ausnehmungen besteht darin, dass man die Winkel der Wände der Ausnehmungen unterschiedlich wählt. Weiterhin kann man die Anzahl der Ausnehmungen pro Gewindegang wahlweise variieren, um damit jeweils unterschiedliche Formgebungskräfte in Bezug auf das Material des Bauteils einzustellen.

Bei der Anbringung der Ausnehmungen bildet sich meist eine Reihe von Ausnehmungen längs der Achse der Schraube aus. Diese Reihe kann parallel zur Schraubenachse oder auch in einer Schräglage zur Schraubenachse liegen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die axiale Reihe der Ausnehmungen in einer Schräglage zur Schraubenachse verläuft, die der Eindrehrichtung der Schraube folgt. Dabei ergibt sich der positive Effekt, dass in der Folge der Ausnehmungen, die beim Eindrehen nacheinander auf das Material des Bauteils treffen, diejenigen Ausnehmungen mit kleinerem Volumen denjenigen mit größerem Volumen nachlaufen.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

1 eine Schraube mit durchgehend kontinuierlicher Abnahme des Volumens der Ausnehmungen;

2 eine Schraube mit anfänglich gleich bleibendem Volumen der Ausnehmungen und anschließender kontinuierlicher Volumenabnahme;

3 einen Querschnitt längs der Linie III-III aus 2 mit der Darstellung großvolumiger Ausnehmungen;

4 einen Querschnitt längs der Linie IV-IV aus 2 mit der Darstellung kleinvolumiger Ausnehmungen;

5 und 6 Diagramme zur Darstellung der Abnahme des Volumens V der Ausnehmungen entlang der Gewindelänge L der Schraube, und zwar für verschiedene Volumenabnahmecharakteristika;

7a die Darstellung normaler Ausnehmungen;

7b die Darstellung kürzerer Ausnehmungen;

7c die Darstellung von Ausnehmungen mit angehobenem Grund;

8a, b, c die Darstellung von verschiedenen Querschnitten der Ausnehmungen;

9 Ausnehmungen mit unterschiedlich angewinkelten Wänden;

10 eine Schraube mit in einer axialen Reihe angeordneten Ausnehmungen mit einer Schräglage der Reihe;

1 zeigt eine gewindeformende Schraube mit einem Gewindeschaft 1 und einem am Ende des Gewindeschafts 1 angeordneten Schraubenkopf 2. Der Gewindeschaft 1 weist die Gewindegänge 3 auf, die an ihren Gewindespitzen die Ausnehmungen 4 aufweisen und die die Gewindegänge 3 in ihrem Gewindeverlauf unterbrechen. Diese Ausnehmungen 4 dienen dazu, beim Eindrehen der Schraube in ein Werkstück, insbesondere ein solches aus sprödem Material, beim Einformen des Gewindes dieses gewissermaßen zu schneiden, was durch die relativ scharfen Kanten der Ausnehmungen erfolgt. Die Schraube wird dabei in bekannter Weise in eine Bohrung eines Bauteils eingedreht. Wie die 1 zeigt, nimmt die entlang der Gewindegänge gemessene Länge der Ausnehmungen 4 vom Gewindeanfang 5 zum Gewindeende im Bereich des Schraubenkopfes 2 ab, und zwar kontinuierlich, so dass beim Eindrehen der Schraube in ein Bauteil zunächst der Gewindeanfang 5 mit seinen relativ großen Ausnehmungen 4 in das betreffende Bauteil in bekannter Weise eindringt und dabei in dem Bauteil ein Muttergewinde einformt. Mit fortschreitendem Eindrehen gelangen in das so geformte Gewinde immer mehr Gewindegänge mit abnehmendem Volumen der Ausnehmungen 4 hinein, bis schließlich im Bereich des Schraubenendes in der Nähe des Schraubenkopfes 2 die Gewindegänge 3 der Schraube in ausgeformte Muttergewindegänge gelangen, in die die Gewindegänge 3 der Schraube praktisch vollständig bis auf die besonders volumenkleinen Ausnehmungen 4 hineinragen. Damit wird die Schraube über Gewindegänge 3 in dem ausgeformten Gewinde des Mutterstücks gehalten, das praktisch vollständig ein durchgängiges Schraubengewinde aufweist, womit die so eingedrehte Schraube erheblichen Belastungen ausgesetzt werden kann.

Der in der 2 dargestellte Gewindeschaft 6 weist gegenüber dem Gewindeschaft 1 nach 1 eine Unterschiedlichkeit auf, die darin besteht, dass der Anfang des Gewindes 7 mit relativ großvolumigen Ausnehmungen 8 versehen ist, die sich über mehrere Gewindegänge erstrecken, so dass also der Anfang des Gewindes des Gewindeschaftes 6 vollständig und gleichmäßig mit relativ großvolumigen Ausnehmungen 8 versehen ist. Diese großvolumigen Ausnehmungen 8 sind besonders gut dazu geeignet, das Gewinde in ein Bauteil als Muttergewinde einzuformen. Im Anschluss an den Bereich des Gewindes mit den großen Ausnehmungen 8 schließt sich eine Teillänge des Gewindeschaftes 6 an, die mit kontinuierlicher Volumenabnahme der Ausnehmungen 9 versehen ist. Infolgedessen gelangen in ein ausgeformtes Muttergewinde nach Einformen des Gewindeteils mit den Ausnehmungen 8 die folgenden Gewindegänge mit den Ausnehmungen 9, deren Volumen kontinuierlich in Richtung auf den Schraubenkopf 2 abnimmt, so dass sich über diese Teillänge des Gewindeschaftes 6 der gleiche Effekt ergibt, wie dies im Zusammenhang mit der Schraube gemäß 1 beschrieben ist.

In der 2 ist weiter dargestellt, dass die beiden letzten Gewindegänge vor dem Schraubenkopf 2 keinerlei Ausnehmungen aufweisen, so dass also eine voll eingedrehte Schraube mit diesen beiden Gewindegängen ohne Unterbrechung durch Ausnehmungen erhebliche Auszugskräfte aufzunehmen vermag.

3 zeigt einen Schnitt längs der Linie III-III aus 2, in der der betreffende Gewindegang mit insgesamt vier Ausnehmungen 8 versehen erscheint, die hier, wie in der 2 dargestellt, ein besonders großes Volumen besitzen.

4 zeigt dann in einem Schnitt längs der Linie IV-IV aus 2 den Gewindegang 10, in dem nur noch zwei Ausnehmungen 9 vorgesehen sind, die gegenüber den Ausnehmungen 8 ein wesentlich geringeres Volumen besitzen. Es ergibt sich somit einerseits längs des Schraubenschaftes 6 eine Verringerung des Volumens der Ausnehmungen 9 längs eines Gewindesganges nicht nur aufgrund der Verringerung des Volumens der Einzelausnehmung, sondern auch aufgrund der Verringerung der Zahl der Ausnehmungen 9, was den Effekt der Verringerung des Ausnehmungsvolumens in Richtung auf den Schraubenkopf verstärkt.

Aus den 3 und 4 geht hervor, dass die Anzahl der Ausnehmungen pro Gewindegang längs des Gewindes variiert werden kann. Es ist damit also möglich, je nach Belastungsanforderung an das Gewinde jeweils eine unterschiedliche Anzahl von Ausnehmungen in den Gewindegängen einzuformen.

In der 5 ist in einem Diagramm dargestellt, wie das Volumen V der einzelnen Ausnehmungen 4, 8, 9 längs der Gewindelänge L einer Schraube verläuft. Dabei ist dargestellt, wie in 1 gezeigt, dass vom Schraubenanfang bis zum Schraubenende die Abnahme des Volumens der einzelnen Ausnehmungen linear erfolgt (Linie 11). Weiterhin zeigt das Diagramm den abknickenden Verlauf des Volumens der Ausnehmungen längs des Gewindeschafts 6 gemäß der Linie 12, die zunächst in gleich bleibender Höhe des Volumens V verläuft, um dann in den schräg abwärts gerichteten Bereich überzugehen, durch den die kontinuierliche lineare Abnahme des Volumens der Ausnehmungen 4, 9 dargestellt wird. Schließlich zeigt die 5 den Stufensprung 13, über den der Bereich gleich bleibenden Volumens in den Bereich der kontinuierlichen Abnahme des Volumens 14 übergeht, wie dies bei dem Schraubenschaft 6 gemäß 2 der Fall ist.

In 6 ist ein entsprechendes Diagramm mit dem Volumen V und der Gewindelänge L dargestellt, in dem zwei verschiedene Kurven der Abnahme des Volumens der Ausnehmungen dargestellt ist. Dieses Ausnehmungsvolumen kann einerseits parabelförmig verlaufen (Linie 15), es kann aber auch hyperbolisch verlaufen (Linie 16).

Die Veränderung des Volumens der Ausnehmungen kann auf verschiedene Weise erfolgen, wozu auf die 7a, 7b und 7c verwiesen wird. Gemäß 7a handelt es sich um Ausnehmungen 17 mittleren Volumens. Bei der Darstellung gemäß 7b handelt es sich um längs der Gewindegänge verkürzte Ausnehmungen 18 und in 7c sind Ausnehmungen 19 mit angehobenem Grund dargestellt.

Eine weitere Variation der Gestaltung der Ausnehmungen ist den 8a, b und c dargestellt. Gemäß 8a haben die Ausnehmungen 20 einen dreieckförmigen Querschnitt. 8b zeigt Ausnehmungen 21 mit einem trapezförmigen Querschnitt und 8c zeigt Ausnehmungen 22 mit einem kreisförmig verlaufenden Querschnitt.

Eine weitere Variation in der Gestaltung der Ausnehmungen ist in der 9 dargestellt. Die hier gezeigte Ausnehmung 23 besitzt auf der einen Seite eine steile Wand 24 und auf der anderen Seite eine flache Wand 25, d.h. die Winkel der Ausnehmung 23 sind unterschiedlich.

10 zeigt eine Schraube mit Ausnehmungen, die in der Längsrichtung der Schraube auf einer Linie 26 aufeinander folgen, die hier schräg zur Schraubenachse verläuft. Diese Schräglage ist so gewählt, dass sie dem Eindrehen der Schraube entgegen kommt und damit das Eindrehen einer Schraube erleichtert.


Anspruch[de]
Gewindeformende Schraube mit einem Gewindeschaft (1, 6) und einem an dessen Ende angeordneten Schraubenkopf (2), dessen Gewindegänge (3, 10) an ihren Gewindespitzen Ausnehmungen (4, 8, 9, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) aufweisen, durch die die Gewindegänge (3, 10) unterbrochen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Volumen der einzelnen Ausnehmungen (4, 8, 9, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) vom Gewindeanfang (5, 7) zum Gewindeende hin so abnimmt, dass mindestens über eine Teillänge des Gewindes die Abnahme kontinuierlich erfolgt und im Bereich zum Gewindeende hin die Ausnehmungen in den Volumenwert 0 übergehen. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor der Teillänge mit kontinuierlicher Volumenabnahme die Ausnehmungen (8) über ein oder mehrere Gewindegänge mit gleichem Volumen aufeinander folgen. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Bereich mit gleich bleibendem Volumen der Ausnehmungen (9) über einen Stufensprung (13) der Volumenabnahme erfolgt. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenabnahme der Ausnehmungen (4, 11) linear erfolgt. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenabnahme der Ausnehmungen (15) parabelförmig erfolgt. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenabnahme der Ausnehmungen (16) hyperbolisch erfolgt. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zum Gewindeende hin mindestens ein Gewindegang frei von Ausnehmungen (4, 8, 9, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) gehalten ist. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenabnahme durch Verkürzung der Ausnehmungen (18) längs der Gewindegänge (3, 10) erfolgt. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Volumenabnahme durch Anhebung des Grundes der Ausnehmungen (19) erfolgt. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Querschnitt der Ausnehmungen (20, 21, 22) in Richtung der Gewindegänge durch Wände so begrenzt ist, dass die Ausnehmungen

a) dreieckförmig, oder

b) trapezförmig, oder

c) kreisförmig

verlaufen.
Schraube nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Winkel der Wände (24, 25) in einer Ausnehmung (23) unterschiedlich sind. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Ausnehmungen (4, 8, 9, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23) pro Gewindegang (3, 10) wahlweise variiert. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Reihe der Ausnehmungen in einer Schräglage (26) zur Schraubenachse verläuft.






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