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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.
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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.
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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, ähn lich
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.
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Es
hat sich gezeigt, dass derartige Schrauben geringeren Ausreißkräften standhalten
können als
Schrauben, die nicht mit den vorstehend geschilderten Ausnehmungen
versehen sind.
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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.
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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.
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Um
das Eindrehen der Schraube besonders zu erleichtern, kann man diese
zweckmäßig so gestalten,
dass vor der Teillänge
mit kontinuierlicher Volumenab nahme 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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In
den Figuren sind Ausführungsbeispiele der
Erfindung dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
Schraube mit durchgehend kontinuierlicher Abnahme des Volumens der
Ausnehmungen;
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2 eine
Schraube mit anfänglich
gleich bleibendem Volumen der Ausnehmungen und anschließender kontinuierlicher
Volumenabnahme;
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3 einen
Querschnitt längs
der Linie III-III aus 2 mit der Darstellung großvolumiger
Ausnehmungen;
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4 einen
Querschnitt längs
der Linie IV-IV aus 2 mit der Darstellung kleinvolumiger
Ausnehmungen;
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5 und 6 Diagramme
zur Darstellung der Abnahme des Volumens V der Ausnehmungen entlang
der Gewindelänge
L der Schraube, und zwar für
verschiedene Volumenabnahmecharakteristika;
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7a die
Darstellung normaler Ausnehmungen;
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7b die
Darstellung kürzerer
Ausnehmungen;
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7c die
Darstellung von Ausnehmungen mit angehobenem Grund;
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8a,
b, c die Darstellung von verschiedenen Querschnitten der Ausnehmungen;
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9 Ausnehmungen
mit unterschiedlich angewinkelten Wänden;
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10 eine
Schraube mit in einer axialen Reihe angeordneten Ausnehmungen mit
einer Schräglage
der Reihe;
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.