DE102004024218A1

DE102004024218A1 - Verschraubung ohne Gewindeauslauf

Info

Publication number: DE102004024218A1
Application number: DE200410024218
Authority: DE
Inventors: Malte Loeprecht
Original assignee: Audi AG
Current assignee: Audi AG
Priority date: 2004-05-15
Filing date: 2004-05-15
Publication date: 2005-12-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verschraubung, bestehend aus einem an einem Bauteil ausgebildeten Innengewinde und einer in das Innengewinde eingeschraubten Schraube, wobei das Innengewinde eine in Form einer Schraubenlinie verlaufende Gewindenut und das Außengewinde ein in Form einer Schraubenlinie verlaufendes, sich über den Kernzylinder der Schraube erhebendes Gewindeprofil aufweist. Es ist vorgesehen, dass die Querschnittsfläche und -kontur über die gesamte Länge des Gewindeprofils gleich ausgebildet sind und dass sich - in Richtung der Schraubenmittellängsachse gesehen - der Kernzylinder über das Ende des Außengewindes hinaus erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verschraubung nach Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verschraubungen werden in der Konstruktionstechnik in vielfältigster Weise eingesetzt. Insbesondere dann, wenn hoch belastete Bauteile in einer wieder lösbaren und passgenauen Weise miteinander verbunden werden sollen, sind Verschraubungen das Mittel der Wahl. Im Automobilbau werden Verschraubungen zur hochpräzisen und hochbelastbaren Verbindung von Fahrzeugbestandteilen oder von Bauteilen von Fahrzeugbestandteilen eingesetzt. Beispielsweise werden Teile des Fahrwerkes und/oder Teile des Motors eines Kraftfahrzeugs, auch Elemente des Motorblocks und damit verbundener Lagerungen, mittels Verschraubungen miteinander verbunden.
Verschraubungen bestehen hierbei aus einer Schraube mit einem Außengewinde, die einen im Wesentlichen zylinderförmigen Kern und ein auf diesem Kern in Form einer Schraubenlinie sich erhebendes Gewindeprofil aufweisen, sowie aus einem Bauteil, das ein hierzu passendes Innengewinde aufweist; also eine zylindrische Bohrung (Kernbohrung) mit einer in Form einer Schraubenlinie verlaufenden Gewindenut in der Bohrungswand. Im Regelfall werden in der Konstruktionstechnik und dem Maschinenbau Schrauben eingesetzt, die keine Spitze und kein selbstschneidendes Gewinde aufweisen, sondern bei denen sich das Außengewinde auf einem zylinderförmigen, endseitig stumpfen Zylinderkern erhebt. Solche Schrauben werden als Maschinenschrauben bezeichnet.
Zur korrekten Durchführung des Verschraubens, insbesondere zum beschädigungsfreien Ansetzen der das Außengewinde aufweisenden Schraube am ersten Gewindegang des das Innengewinde aufweisenden Bauteils (beispielsweise einer Mutter oder eines sonstigen zu verbindenden Bauteils), bedarf es einer gewissen Geschicklichkeit beziehungsweise einer konstruktiven Hilfe, damit ohne ein Verkreuzen der Innen- und Außenprofile der erste Schraubengang satt eingreift. So sind im Stand der Technik Zentrierhilfen bekannt, beispielsweise Verlängerungen des Kernzylinders, die mehr oder minder stumpf oder auch kegelförmig ausgebildet sind und ein sauberes Zentrieren im Ansatz des ersten Gewindeganges erleichtern sollen. Bei bekannten Schrauben verringert sich die Höhe des sich über dem Zylinderkern erhebenden Gewindeprofils zum Ende der Schraube hin, so dass das Gewindeprofil im letzten Gewindegang in Art einer Rampe oberflächengleich mit dem Zylinderkern ausläuft. Dies soll ein leichtes Ansetzen der Schraube am ersten Gewindegang des Innengewindes ermöglichen. Ferner wurden konstruktive Maßnahmen am ersten Gewindegang vorgesehen, um ein Einschrauben in geometrisch eindeutig vorgegebener Position zu ermöglichen. Beispielsweise ist aus der EP 0 625 644 B1 bekannt, das sich über den Kernzylinder der Schraube erhebende Gewindeprofil am Ansatz des ersten Gewindeganges mit einer schrägen Anfangsfläche auszubilden, die unter einem spitzen Winkel relativ zu der Mittellängsachse der Schraube verläuft und auf einen benachbarten Gewindegang des Gewindeprofils gerichtet ist. Vorzugsweise soll dieser spitze Winkel etwa 45° betragen. Diese Ausgestaltung verfolgt den Zweck, Schrauben in unzugänglicher Umgebung, beispielsweise in Kernreaktoren oder in sonstigen Einrichtungen, an denen die Schrauben mittels eines Roboters oder fernbedienter Manipulatoren über große Distanzen festgezogen oder gelöst werden müssen, fehlerfrei zu betätigen.
Bei den bekannten Verschraubungen wurde beobachtet, dass an dem das Innengewinde aufweisenden Bauteil Rissbildungen auftreten, die durch die Innengewindebohrung verlaufen. Die Ursache hierfür war bislang unklar.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Verschraubung bereitzustellen, die zu einer deutlichen Reduktion oder zum Ausschluss von Rissbildungen in dem das Innengewinde aufweisenden Bauteil führt und gleichwohl einfach bezüglich des Ansetzens der Schraube realisiert werden kann.
Hierzu wird vorgeschlagen, die Verschraubung aus einem an einem Bauteil ausgebildeten Innengewinde und einer in das Innengewinde eingeschraubten Schraube zu bilden, wobei die Querschnittsfläche und die Querschnittskontur des Gewindeprofils der Schraube über seine gesamte Länge gleich ausgebildet ist und sich – in Richtung der Schraubenmittellängsachse gesehen – der Kernzylinder über das Ende des Außengewindes hin erstreckt. Durch die Erstreckung des Kernzylinders über das Ende des Außengewindes hinaus ist ein einfaches Ansetzen der Schraube in dem das Innengewinde aufweisenden Bauteil sowie ein sauberer Ansatz des ersten Gewindeganges gewährleistet. Durch die Ausgestaltung des das Außengewinde bildenden Gewindeprofils in einer über die gesamte Länge querschnittsflächen- und querschnittskonturgleichen Weise liegt das aus dem Stand der Technik bekannte „Auslaufen" des Gewindeprofils im ersten Gewindegang nicht vor, das heißt, das Gewindeprofil endet abrupt in einer Querschnittsfläche, die – im Querschnitt gesehen – praktisch radial auf dem Kernzylinderumfang steht. Durch diese Ausgestaltung wird über das gesamte Gewindeprofil ein vollflächiger und kraftschlüssiger Kontakt zum Innengewinde gewährleistet. Dies bedeutet, dass die Ge windeflanken des Gewindeprofils an den Nutflanken des Innengewindes anliegen, und kein am Gewindeauslauf der aus dem Stand der Technik bekannten Schrauben entstehender, unbestimmter Kontakt auftritt. Es wird demzufolge vermieden, dass an dem Innengewinde nur eine sehr kleine, im ungünstigsten Fall punktförmige Kontaktfläche zu einem Teil des Gewindeprofils (nämlich am Gewindeauslauf der Schraube) besteht, an dem es unter einer an der Verschraubung anliegenden Querkraft zu merklichen Kontaktkraftänderungen, insbesondere Kontaktkraftspitzen, kommen kann. Eine solche Kontaktkraftänderung unter Querkraft führt nämlich zu merklichen Spannungsamplituden an der Nutflanke, insbesondere dann, wenn ein gewisses Spiel innerhalb der Verschraubung besteht. Durch diese erheblichen Spannungsamplituden kann es zu einer Materialüberlastung und überdies durch die Punktbelastung zu einer Kerbwirkung an dem das Innengewinde aufweisenden Bauteil kommen. Von dieser Kerbe kann im ungünstigen Fall eine Rissausbildung ausgehen. Insbesondere dann, wenn die für die Verschraubung verwendeten Bauelemente (Schraube und das das Innengewinde aufnehmende Bauteil) unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wie dies beispielsweise bei Leichtmetall-Motorblöcken und Stahlschrauben der Fall ist, wird der beschriebene Effekt durch ein größeres Spiel der Schraube im erwärmten Motorblock noch verstärkt. Bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung des Gewindeprofils sind die Kontaktverhältnisse, also das Verhältnis der Berührflächen des Gewindeprofils und der Gewindenut auch unter Querkraft selbst am letzten Gewindegang stabil, vollflächig und nie punktförmig. Selbst unter Wärmeausdehnung des das Innengewinde aufweisenden Bauteils kommt es unter Querkraft, wie sie etwa als Reaktionskraft von der Kurbelwelle auf die Hauptlager des Motors entsteht, nicht mehr zu einem Kippmoment mit dem beschriebenen nahezu punktförmigen Kontakt am letzten Gewindegang und der daraus resultierenden Kräfteüberhöhung.
Nach einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, den sich über das Außengewinde hinaus erstreckenden Abschnitt der Schraube als Zentrierhilfe auszubilden, beispielsweise durch ein Anschrägen der Außenflanken. Hierdurch wird ein einfaches, zentrisches Ansetzen gewährleistet.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das das Innengewinde aufweisende Bauteil aus Leichtmetall, insbesondere aus Aluminium, besteht. Wie bereits erwähnt, ist ein solches Bauteil einer Verschraubung insbesondere zur Verbindung von Teilen eines Kraftfahrzeuges besonders geeignet.
Nach einer weiteren Fortbildung der Erfindung ist das das Innengewinde aufweisende Bauteil ein Bauteil eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Motorbauteil, wie vorstehend beschrieben.
Wie ebenfalls vorstehend erwähnt, ist in einer weiteren Fortbildung der Erfindung vorgesehen, dass das das Außengewinde aufweisende Bauteil aus Stahl oder aus einem Werkstoff ausgebildet ist, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das das Innengewinde aufweise Bauteil. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien wirken sich – wie beschrieben – bei erfindungsgemäßer Ausgestaltung der Verschraubung nicht in einer zur Materialüberlastung führenden, punktkontakterzeugenden Weise aus. In einem weiten Bereich des Temperaturverlaufs der Verschraubung ist damit eine Materialüberlastung durch punktförmige Auflagen und aus der Querkraft resultierenden Amplitudenspannungen vermieden, die zur Materialüberlastungen führen können. Zwar wirken sich die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten durch eine Erhöhung oder Verkleinerung des Spiels zwischen Innen- und Außengewinde in radialer Richtung der Verschraubung aus. Aufgrund der definierten Auflage von Gewinde- und Nutflanken tritt gleichwohl keine schädliche Punktbelastung auf. Solche Verschraubungen sind insbesondere im Motorenbau vielfältig und universell einsetzbar.
Nachstehend wir die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen
1 ein Endstück einer erfindungsgemäßen Schraube in schematischer Darstellung und
2 eine schematische Darstellung des Wirkprinzips der erfindungsgemäßen Verschraubung unter Heranziehung des Standes der Technik.
1 zeigt einen Teil einer erfindungsgemäßen Schraube 1, nämlich deren Endstück 2. Über einem über seine Länge durchmessergleichen Kernzylinder 3 erhebt sich als Außengewinde 30 ein schraubenförmiges Gewindeprofil 4, das zwei Gewindeflanken 5, nämlich eine obere Gewindeflanke 6 und eine untere Gewindeflanke 7 aufweist. Die Gewindeflanken 5 werden außenumfangseitig begrenzt durch einen Gewindescheitel 8. Das schraubenförmige Gewindeprofil 4 bildet um den Kernzylinder 3 Gewindegänge 9. Endseitig wird der Kernzylinder 3 von einem Kernboden 10 begrenzt. Der Kernboden 10 ist im Durchmesser etwas kleiner als der Kernzylinder 3, so dass zwischen dem Kernboden 10 und dem Kernzylinder 3 eine graduelle Durchmesserreduktion auftritt, die eine Abschrägung 11 (in der Art einer Fase) bezüglich der Mittellängsachse 12 der Schraube 1 bildet, die als Zentrierhilfe 13 fungiert. Die dargestellten Gitternetzlinien folgen zur Verdeutlichung den Gewindegängen 9, nicht der konzentrischen Außenumfangstopografie des Kernzylinders 3. Am Ende 14 des letzten Gewindeganges 15 endet das Gewindeprofil 4 abrupt, also in einer Querschnittsfläche 16, die im Wesentlichen senkrecht auf der Außenumfangsfläche 17 des Kernzylinders 3 steht. Dadurch weist das Gewindeprofil 4 über dem Kernzylinder 3 über seine gesamte Länge dieselbe Querschnittsfläche und Querschnittskontur auf. Die Querschnittsfläche 16 fluchtet in der Seitenansicht der Schraube 1 mit der Mittellängsachse 12.
2 zeigt schematisch das Wirkprinzip einer bekannten und einer erfindungsgemäßen Verschraubung anhand eines einseitig dargestellten Schraubenabschnitts 18 einer Schraube 1 und eines einseitig dargestellten Bauteilabschnitts 19. Der Schraubenabschnitt 18 weist das Gewindeprofil 4 auf, das sich über den Kernzylinder 3 erhebt und das Außengewinde 30 bildet. Das Gewindeprofil 4 wird durch Gewindeflanken 5, nämlich obere Gewindeflanken 6 und untere Gewindeflanken 7 und den zwischen diesen liegenden Gewindescheitel 8 begrenzt. In schematischer Darstellung ist ein vorletzter Gewindegang 20 gezeigt. Ferner ist ein letzter Gewindegang 21 dargestellt, der zur Verdeutlichung und zur Abgrenzung der Erfindung vom Stand der Technik mit durchgezogener Linie den Stand der Technik und mit gepunkteter Linie die Erfindung wiedergibt. Der letzte Gewindegang 21 einer bekannten Schraube besitzt ebenfalls Gewindeflanken 5, die aber als kürzere obere Gewindeflanke 22 und kürzere untere Gewindeflanke 23 ausgebildet sind. Der im letzten Gewindegang 21 ausgebildete Gewindescheitel 24 ist demzufolge breiter als der im vorletzten Gewindegang 20 ausgebildete Gewindescheitel 8, erhebt sich aber nicht so hoch über den Kernzylinder 3. Die Querschnittsfläche im letzten Gewindegang 21 ist kleiner als die im vorletzten Gewindegang 20. Die Gewindegänge 20, 21 des einseitigen Schraubenabschnitts 18 greifen in Gewindenuten 25 des Bauteileabschnitts 19 ein. Die Gewindenuten 25 werden durch Nutflanken 26 sowie einen dazwischen befindlichen Nutgrund 27 gebildet und ergeben ein Innengewinde 31. Der Nutgrund 27 liegt zwischen den Nutflanken 26; zwischen den Gewindenuten 25 befinden sich Erhebungen 28.
Die Verschraubung der 2 wird nun einer in Richtung des Pfeiles R wirkenden, an der Schraube 1 angreifenden Kraft ausgesetzt, wie sie beispielsweise durch eine Schwingung hervorgerufen wird. Soweit das Gewindeprofil 4 vollständig in die Gewinde nut 25 eingreift, also sich die Gewindeflanken 5 und die Nutflanken 26 möglichst vollflächig und kraftschlüssig berühren, wie dies im vorletzten Gewindegang 20 und bei der Verschraubung der Fall ist, wird die auftretende Kraft über diese gesamte Berührfläche dem jeweils anderen Bauelement mitgeteilt. Eine zwischen Gewindeprofil 4 und Gewindenut 25 auftretende Kontaktkraft K₁ wird bei Volleingriff des vollen Gewindeprofils 4 in die zugehörige Gewindenut 25 über die Fläche der zugehörigen Nutflanke 26 aufgenommen und ist daher unschädlich.
Anders dagegen bei dem letzten Gewindegang 21 mit dem im Stand der Technik vorliegenden Gewindeauslauf: Dort wird eine durch die vorstehend beschriebene Kraft in Richtung des Pfeiles R auftretende Kontaktkraft K₂ nur über eine sehr viel kleinere Fläche vom einseitig dargestellten Schraubenabschnitt 18 der Schraube 1 auf den Bauteilabschnitt 19 übertragen, nämlich nur in einem Nutflankenabschnitt 29. Je nach Fortschreiten des Gewindeauslaufs, also mit Auslaufen des letzten Gewindeganges 21, wird dieser Nutflankenabschnitt 29, an dem eine Kraftübertragung stattfindet, kleiner. Hinzu tritt am Nutflankenabschnitt 29 eine erhebliche Kerbwirkung durch Auftreffen nur einer Gewindescheitelkante 32. Unter einer an der Schraube 1 im wesentlichen senkrecht zur Mittellängsachse 12 der Schraube 1 angreifenden Querkraft – insbesondere bei in der Richtung und/oder im Betrag wechselnder Querkraft – liegt die Gewindescheitelkante 32 am Nutflankenabschnitt aufgrund des Spiels zeitweilig an, zeitweilig liegt sie nicht an. Der Kontakt zwischen der Gewindescheitelkante 32 und dem Nutflankenabschnitt 29 öffnet und schließt sich also mit wechselnder Kraftrichtung. Dadurch entstehen hohe dynamische Kräfte an einer praktisch punktförmigen Auflagestelle zwischen der Gewindescheitelkante 32 und dem Nutflankenabschnitt 29. In dem das Innengewinde 31 aufweisenden Bauteil 19 kommt es unter Querkraft so zu hohen Amplitudenspannungen.
Diese im Stand der Technik nachteilige Erscheinung wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Verschraubung vermieden, wie sie mit gepunkteter Linie und am vorletzten Gewindegang 20 dargestellt ist. Das Gewindeprofil 4 bleibt nämlich bis zum letzten Gewindegang querschnittsflächen- und querschnittskonturgleich, so dass auch eine am letzten Gewindegang anliegende Kontaktkraft K₂ mit der vollen Fläche der Außenflanken 5 des Gewindeprofils 4 auf die Außenflanken 26 der Gewindenut 27 und das diese aufweisende Bauteil übertragen wird. Schädliche Punktbelastungen mit entsprechender Kerbwirkung und Amplitudenspannungen treten aufgrund des vollflächigen Eingriffs nicht auf.

1: Schraube
2: Endstück
3: Kernzylinder
4: Gewindeprofil
5: Gewindeflanke
6: obere Gewindeflanke
7: untere Gewindeflanke
8: Gewindescheitel
9: Gewindegänge
10: Kernboden
11: Abschrägung
12: Mittellängsachse
13: Zentrierhilfe
14: Ende
15: letzter Gewindegang
16: Querschnittsfläche
17: Außenumfangsfläche
18: Schraubenabschnitt
19: Bauteilabschnitt
20: vorletzter Gewindegang
21: letzter Gewindegang
22: kürzere obere Gewindeflanke
23: kürzere untere Gewindeflanke
24: Gewindescheitel
25: Gewindenut
26: Nutflanke
27: Nutgrund
28: Erhebung
29: Nutflankenabschnitt
30: Außengewinde
31: Innengewinde
32: Gewindescheitelkante
R: Kraftvektor
K₁: Kontaktkraft
K₂: Kontaktkraft

Claims

Verschraubung, bestehend aus einem an einem Bauteil ausgebildeten Innengewinde und einer in das Innengewinde eingeschraubten Schraube, wobei das Innengewinde eine in Form einer Schraubenlinie verlaufende Gewindenut und das Außengewinde ein in Form einer Schraubenlinie verlaufendes, sich über den Kernzylinder der Schraube erhebendes Gewindeprofil aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Querschnittsfläche und -kontur über die gesamte Länge des Gewindeprofils (4) gleich ausgebildet ist und dass sich – in Richtung der Schraubenmittellängsachse (12) gesehen – der Kernzylinder (3) über das Ende des Außengewindes (30) hinaus erstreckt.
Verschraubung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kernzylinder (3) der Schraube (1) in dem sich über das Außengewinde (30) hinaus erstreckenden Abschnitt als Zentrierhilfe (13) ausgebildet ist.
Verschraubung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Innengewinde (31) aufweisende Bauteil (19) aus Leichtmetall, insbesondere Aluminium, besteht.
Verschraubung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Innengenwinde (31) aufweisende Bauteil ein Bauteil eines Kraftfahrzeuges, insbesondere ein Motorbauteil, ist.
Verschraubung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das das Außengewinde (30) aufweisende Bauteil (18) aus Stahl oder aus einem Werkstoff besteht, der einen anderen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist als das das Innengewinde (31) aufweisende Bauteil (19).