DE102008026310A1

DE102008026310A1 - Kraftangriff einer Schraube

Info

Publication number: DE102008026310A1
Application number: DE200810026310
Authority: DE
Inventors: Frank Dr. Hoffmeister
Original assignee: Schrauben Betzer GmbH and Co KG
Current assignee: Schrauben Betzer GmbH and Co KG
Priority date: 2008-05-31
Filing date: 2008-05-31
Publication date: 2009-12-24

Abstract

Die Erfindung schlägt einen Schraubenkopf vor, mit vier Schlitzen, die jeweils . radial von der Mitte des Schraubenkopfes nach außen verlaufen, . zwei als Ufer oder Schlitzränder bezeichnete Längsseiten, . einen als Schlitzgrund bezeichneten tiefsten Bereich zwischen den Ufern . sowie ein radial äußeres Stirnende aufweisen und die . in der Mitte des Schraubenkopfes ineinander übergehen, wobei . wenigstens zwei Schlitze einander im Winkel von 180° gegenüberliegen, . die Ufer jedes Schlitzes zueinander symmetrisch verlaufen, . eine Einsenkung am Stirnende von der Oberfläche des Schraubenkopfes parallel zur Schraubenlängsachse bis zum Schlitzgrund verläuft, . im Bereich der Mitte des Schraubenkopfes die Ufer zweier winklig zueinander angeordnete Schlitze in einem Bogen ineinander übergehen, . der Grund des kreuzschlitzförmigen Einschnitts eine V-förmige Senke bildet, . die als Schlitzbreite bezeichnete Distanz zwischen den beiden Ufern mit d bezeichnet ist, die Länge zweier erster gegenüberliegender Schlitze mit D1 bezeichnet ist und die Länge zweier zweiter gegenüberliegender Schlitze mit D2 bezeichnet ist, wobei gilt: D1 2 1 + 2 . d, . die Verbindungslinie zwischen den beiden Ufern am Stirnende des Schlitzes bogenförmig mit einem Radius R1 verrundet ist, wobei gilt: R1 = 0,5 . d, . der Übergang zwischen zwei winklig aneinandergrenzenden Schlitzen bogenförmig mit einem Radius R2 verrundet ist, wobei gilt: d 2 <= 0,5 . d.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftangriff einer Schraube, also die Ausgestaltung des Schraubenkopfes im Hinblick auf die Zusammenwirkung mit einem Verschraubungswerkzeug. Insbesondere für kleinere Schraubengrößen, wie sie beispielsweise in der Elektroindustrie verwendet werden und die einen kleinen Gewindedurchmesser bis höchstens etwa 12 mm aufweisen, soll ein Kraftangriff geschaffen werden, der einerseits eine möglichst preisgünstige Serienfertigung der Schrauben ermöglicht, mit langen Standzeiten der verwendeten Werkzeuge, und es soll zum Herstellen sowie zum Lösen der Verschraubung eine sichere Führung des Werkzeugs und die Übertragung hoher Drehmomente sichergestellt sein.
Diese Aufgabe wird durch einen Schraubenkopf mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die Erfindung schlägt mit anderen Worten ein Bündel von Maßnahmen vor: Grundsätzlich ist der Krafteingriff des Schraubenkopfes in Art eines Kreuzschlitzes ausgestaltet, also mit vier Schlitzen, die jeweils radial von der Mitte des Schraubenkopfes nach außen verlaufen und von denen wenigstens zwei Schlitze einander im Winkel von 180° gegenüberliegen. Auf diese Weise können auch herkömmliche Schlitzschraubendreher verwendet werden, um die erfindungsgemäß ausgestaltete Schraube zu montieren oder zu demontieren. Insbesondere wenn die Schlitze gleichmäßig in einem Winkel von jeweils 90° zueinander versetzt angeordnet sind, können auch herkömmliche Kreuzschraubendreher verwendet werden, um die erfindungsgemäß ausgestaltete Schraube zu betätigen.
Die beiden Ufer, also die beiden Schlitzränder bzw. Längsseiten eines jeden Schlitzes verlaufen zueinander symmetrisch, so dass gleiche Krafteinwirkungen zum Montieren sowie auch zum Lösen der Schraube übertragbar sind und zudem durch diese besonders einfache Geometrie sowohl das Werkzeug besonders preisgünstig ist, mit welchem die Einsenkungen in die Schraubenköpfe bei der Herstellung der Schrauben eingebracht werden, also auch die Herstellung der Verschraubungswerkzeuge möglichst einfach und wirtschaftlich vorteilhaft ist.
Am Stirnende, also am radial äußeren Ende verläuft die Einsenkung des Schlitzes parallel zur Schraubenlängsachse. An das als bei aus der Praxis bekannten Kreuzschlitz-Kraftangriffen mit V-förmig schräg verlaufenden Stirnenden wird somit vorteilhaft der so genannte cam-out-Effekt vermieden, also das Herausführen des Verschraubungswerkzeugs aus dem Schraubenkopf. Zudem wird die für die Kraftübertragung wirksame Kontaktfläche zwischen Verschraubungswerkzeug und dem Kraftangriff der Schraube nur geringfügig verringert, wenn das Verschraubungswerkzeug nicht vollständig in die Einsenkung des Schraubenkopfes eingeführt wird. Bei den aus der Praxis bekannten Kreuzschlitz-Verschraubungswerkzeugen hingegen ist die Spitze des Verschraubungswerkzeugs spitz zulaufend ausgestaltet. Wenn das Verschraubungswerkzeug aus dem Schraubenkopf herausgezogen wird, ergibt sich daher schon nach einer kurzen solchen Bewegung eine sehr große Verringerung der einander kontaktierenden Flächen zwischen Verschraubungswerkzeug und Schraubenkopf. Insbesondere kann bei derartigen Kreuzschlitz-Verschraubungswerkzeugen, wie sie aus der Praxis bekannt sind und den zugehörigen Schrauben das Verschraubungswerkzeug zumindest teilweise in den Schraubenkopf eingeführt werden, wobei aufgrund der V-förmigen Querschnittsgeometrie des Kraftangriffs und der Spitze vom Verschraubungswerkzeug in einem derartig teilweise eingedrungenen Zustand des Verschraubungswerkzeugs nicht sichergestellt ist, dass überhaupt eine Kraft übertragende Kontaktierung des Verschraubungswerkzeugs mit dem Schraubenkopf erfolgt. Bei dem vorschlagsgemäßen Kraftangriff hingegen ist bei Verwendung eines komplementären Verschraubungswerkzeuges, welches ebenfalls an seinem freien Ende kreuzförmig ausgestaltet ist, eine Ausgestaltung dieses Kreuzes möglich, bei welchem die vier das Kreuz bildenden Stege an ihren radial äußeren Kanten achsparallel verlaufen und nicht V-förmig schräg gestellt. Auf diese Weise ist bereits bei einer geringen Eindringtiefe des Verschraubungswerkzeuges in den vorschlagsgemäß ausgestalteten Schraubenkopf sichergestellt, dass eine Kraftübertragung vom Verschraubungswerkzeug auf den Schraubenkopf gewährleistet ist.
Im mittleren Bereich des Schraubenkopfes, wo die Ufer der winklig zueinander angeordneten Schlitze ineinander übergehen, geschieht dies vorschlagsgemäß nicht scharfkantig oder eckig, sondern vielmehr verrundet mit einer bogenförmigen Linie. Auf diese Weise kann einerseits das zugeordnete mit komplementärer Formgebung ausgestaltete Verschraubungswerkzeug besonders kerbarm gestaltet werden und hohe Verschraubungskräfte ermöglichen und auf der anderen Seite wird bei der Herstellung der Schraube durch die gerundete Geometrie vermieden, dass an bestimmten Punkten besonders hohe Kräfte zwischen einerseits dem so genannten Stempel auftreten und andererseits im Schraubenkopf selbst, wenn mittels dieses Stempels die Einsenkung in den Schraubenkopf eingeprägt wird. Auf diese Weise werden hohe Standzeiten des Stempels und somit eine preisgünstige Fertigung der Schrauben ermöglicht. Durch die gerundete Formgebung wird zudem ein optimaler Materialfluss bei der Kaltverformung des Schraubenkopfes ermöglicht, so dass vor Produktionsgeschwindigkeiten und auch auf diese Weise wiederum eine möglichst wirtschaftliche Fertigung der Schrauben unterstützt werden.
Vorteilhaft kann der Grund des kreuzförmigen Einschnitts im Schraubenkopf eine V-förmige Senke bilden. Während die Stirnenden der Einsenkung parallel zur Längsachse der Schraube verlaufen, ist der Grund der Einsenkung vorteilhaft V-förmig ausgestaltet, so dass beim Herstellungsprozess der Stempel mit einer Spitze ausgestaltet und mit dieser nahezu punktförmig zuerst auf das Material des Schraubenkopfes auftrifft. Durch diese Ausgestaltung wird dann im folgenden Kaltverformungsprozess der Materialfluss des Schraubenkopfes begünstigt und eine problemlose Herstellung unterstützt, bei der das Herstellungswerkzeug, also der vorerwähnte Stempel, eine hohe Standzeit aufweist und aufgrund der den Materialfluss berücksichtigenden Geometrie des Schraubenkopfes hohe Produktionsgeschwindigkeiten bzw. kurze Taktzeiten ermöglicht werden.
Die Geometrie der als Kreuzschlitz ausgestalteten Einsenkung im Schraubenkopf ist einerseits durch die Länge des jeweiligen Schlitzes bestimmt, andererseits durch dessen Breite, was schließlich auch die Ausgestaltung der Stirnenden und der – wie bereits erwähnt: verrundeten – Übergänge zwischen den einzelnen Schlitzen wesentlich dafür sind, wie stabil der Schraubenkopf zur Übertragung hoher Kräfte ausgestaltet ist. Zu wenig Material stehen zu lassen würde bedeuten, das beispielsweise beim Lösen fest sitzender Schrauben der Schraubenkopf durch das Verschraubungswerkzeug regelrecht gesprengt werden könnte. Zu schmal ausgestaltete Schlitze hingegen könnten zu Verformungen am Verschraubungswerkzeug führen, so dass die in machen Anwendungsfällen erforderlichen hohen Schraubkräfte nicht aufgebracht werden können, um beispielsweise fest sitzende Schrauben lösen zu können. Aus diesem Grund ist vorschlagsgemäß die Geometrie des Kraftangriffs durch die folgenden drei Randbedingungen festgelegt:
Erstens ist um die kreuzschlitzartige Einsenkung herum ein geschlossener umlaufender Materialring des Schraubenkopfes vorgesehen, der im Gegensatz zu offenen endenden Schlitzen für eine erhöhte Stabilität des Schraubenkopfes sorgt. Dabei können die Schlitze unterschiedlich oder gleich lang sein: so werden in einer ersten Alternative gleichmäßige Verhältnisse für einen Kreuzschlitzschraubendreher geschaffen, wenn die vier Schlitze gleich lang sind. Gemäß einer zweiten Alternative können wahlweise ein handelsüblicher Kreuzschlitzschraubendreher oder auch ein Schlitzschraubendreher verwendet werden, wenn nämlich zwei gegenüberliegende Schlitze eine besonders große Gesamtlänge bilden, die zur Aufnahme Schlitzschraubendrehers geeignet ist und größer ist als die Gesamtlänge der beiden anderen Schlitze. Diese geometrische Beziehung kann ausgedrückt werden als D₁ ≤ D₂ ≤ D₁ + 2d, wobei D₁ den Durchmesser eines inneren Kreises bezeichnet, der durch die beiden kleineren, einander gegenüberliegenden Schlitze definiert wird, während D₂ den Durchmesser eines äußeren Kreises bezeichnet, der durch die beiden kleineren, einander gegenüberliegenden Schlitze definiert wird. In einem Grenzfall können beide Kreise gleich groß sein, wenn nämlich alle Schlitze gleich lang sind. Mit d ist die Schlitzbreite bezeichnet.
Zweitens sind am Stirnende jedes Schlitzes die beiden Ufer des Schlitzes bogenförmig miteinander verbunden und zwar in einem Halbkreis, was formal als R₁ = 0,5d ausgedrückt wird. Diese verrundete Formgebung begünstigt einerseits den Materialfluss bei der Herstellung der Schraube, insbesondere beim Einprägen der Einsenkung des Krafteingriffs in den Schraubenkopf, und es begünstigt weiterhin eine möglichst lange Standzeit des dabei verwendeten Stempels. Schließlich begünstigt diese verrundete Geometrie auch das Einführen des Verschraubungswerkzeugs in die Einsenkung des Schraubenkopfes, so dass das Arbeiten mit der vorschlagsgemäß ausgestalteten Schraube besonders einfach und zeitsparend erfolgen kann.
Drittens ist auch die bereits vorerwähnte Verrundung im Übergang zwischen zwei winklig aneinander grenzenden Schlitzen bogenförmig, insbesondere kreisbogenförmig ausgestaltet, wo bei für den dabei verwendeten Radius R₂ die mathematische Beziehung gilt d ≥ R₂ ≥ 0,5d. Auch hier gelten die vorgenannten Vorteile der verrundeten Formgebung in der Weise, dass die Herstellung besonders einfach und schnell erfolgen kann, das verwendete Werkzeug eine besonders lange Standzeit erzielen kann und beim späteren Betätigen der Schraube, sei es zur Montage oder zur Demontage, das Einführen des Verschraubungswerkzeugs besonders einfach und zeitsparend erfolgen kann.
Vorteilhaft kann die Schlitzbreite im Verhältnis zur Schlitzlänge derart festgelegt werden, das gilt: ¼ D₁ ≤ d ≤ 1/5 D₁ _. Die Schlitzbreite beträgt also zwischen ¼ und 1/5 des Kreuzschlitzdurchmessers, also der Gesamtlänge D₁ zweier gegenüberliegender Schlitze. Durch dieses Verhältnis wird eine optimale Ausgewogenheit erzielt zwischen einerseits der möglichen Breite für die Klinge bzw. Spitze des Verschraubungswerkzeugs und dem Material im Schraubenkopf, um durch eine möglichst hohe Stabilität dieser beiden Elemente das Übertragen hoher Momente zu ermöglichen.
Vorteilhaft kann die V-förmige Ausgestaltung am Grund der Einsenkung einen Winkel von wenigstens 120° betragen. Dadurch, dass dieser Winkel insbesondere vorteilhaft größer als 120° sein kann, wird die Einsenkungstiefe am Stirnende der vier Schlitze in einem möglichst großen Maß ermöglicht, so dass dort, wo besonders hohe Drehmomente übertragen werden können, also im größten Abstand von der Schraubenmittelachse, eine besonders große Kontaktfläche zur Verfügung gestellt wird.
In der Mitte des Schraubenkopfes, wo die vier Schlitze ineinander übergehen, kann vorteilhaft eine zusätzliche Vertiefung in der Einsenkung vorgesehen sein, so dass komplementär dazu das Verschraubungswerkzeug in seiner Mitte, also an seiner Spitze, einen Zapfen aufweisen kann. Diese kann zur besonders vorteilhaften Führung und Zentrierung des Verschraubungs werkzeuges dienen, so dass ein besonders sicherer Verbund zwischen Verschraubungswerkzeug und Schraubenkopf ermöglicht wird. Dies ist beispielsweise insbesondere vorteilhaft, wenn automatisierte Verschraubungen vorgesehen sind und auf diese Weise minimale Toleranzen ausgeglichen und das Verschraubungswerkzeug zuverlässig in den Schraubenkopf eingeführt werden kann.
Mit der vorschlagsgemäßen Geometrie des Kreuzschlitzes wird ein Schraubenkopf ermöglicht, der sehr flach ausgestaltet werden kann, also Gewicht sparend und wegen des reduzierten Materialeinsatzes besonders wirtschaftlich ist, und welcher dennoch eine gute Kraftübertragung zwischen dem Verschraubungswerkzeug und der Schraube bzw. deren Kraftangriff sicherstellt.
Der vorliegende Vorschlag wird nachfolgend anhand der rein schematischen Darstellungen näher erläutert. Dabei zeigen die
1–3 jeweils in Seitenansicht und in Draufsicht drei unterschiedliche Ausführungsbeispiele eines vorschlagsgemäß ausgestalteten Schraubenkopfes und
4 ein zugehöriges Verschraubungswerkzeug in gegenüber den 1–3 vergrößertem Maßstab.
In 1S ist ein Schraubenkopf in Seitenansicht gezeigt, während 1T denselben Schraubenkopf in Draufsicht zeigt. Daraus ist der Durchmesser D1 ersichtlich, den die Länge zweier kleinerer Schlitze definiert, sowie ein demgegenüber größerer Durchmesser D2, den die Länge der beiden anderen, größeren Schlitze definiert. 1T zeigt die Schlitzbreite d sowie den Radius R1 am Stirnende eines Schlitzes, wobei dieser Radius R1 der halben Schlitzbreite d entspricht. Weiterhin ist aus 1T der Radius R2 erkennbar, der den Übergangsradius zwischen zwei benachbarten, d. h. winklig aneinander grenzenden Schlitzen darstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel der 1 gilt: R2 = d·0,75, sowie: D1 = 4·d und D2 = 6·d.
Auch beim Ausführungsbeispiel der 2 gilt D1 = 4·d, und R1 = 0,5·d. zudem. Allerdings ergibt sich hier eine etwas andere Geometrie dadurch, dass gilt: D1 = D2, und R2 = 0,5·d.
Auch beim Ausführungsbeispiel der 3 gilt wie bei 2 D1 = D2. Ansonsten ist die kreuzschlitzförmige Einsenkung im Schraubenkopf insofern schmaler ausgestaltet als hier gilt: D1 = 5·d. Die Schlitzbreite ist also, bei ansonsten gleichem Durchmesser D1, schmaler als bei den beiden erstgenannten Ausführungsbeispielen.
Auch hier gilt – wie bei beiden vorgenannten Ausführungsbeispielen: R1 = 0,5 × d, und es gilt – wie beim Ausführungsbeispiel der 2: R2 = 0,5 × d.
Das zugehörige Stempelwerkzeug, um die Einsenkungen des Kreuzschlitzes in den Schraubenkopf einzuprägen, entspricht in seiner Formgebung dem Verschraubungswerkzeug, wie es in 4 dargestellt ist. Der Grund der Einsenkung ist schwach V-förmig gepfeilt und aufgrund der perspektivischen Blickrichtung auf das Verschraubungswerkzeug von 4 ergibt sich dort der Eindruck, die V-förmige Pfeilung an der Spitze des Verschraubungswerkzeuges sei spitzer, also mit einem kleineren Winkel ausgeführt, als es dem V-förmigen Verlauf am Grund der Einsenkung der zugehörigen Schraubenköpfe entspräche. Dies liegt allerdings nur an der perspektivischen Blickrichtung, tatsächlich entspricht der Winkel des V-förmigen Verlaufs bei der Spitze des Verschraubungswerkzeugs den Winkel am Grund der Einsenkung am Schraubenkopf.
Die verrundeten Formen des Verschraubungswerkzeuges von 4 und die dementsprechend gleiche Ausgestaltung des Stempels, der zur Herstellung der Kraftangriffe in den Schraubenköpfen verwendet wird, ermöglichen ein unkompliziertes Ein führen des Verschraubungswerkzeugs bzw. eine lange Standzeit des Stempels und die Übertragung hoher Drehmomente von dem Werkzeug auf die Schraube.
Aufgrund des Prägevorgangs und des fließenden, kalt verformten metallischen Materials des Schraubenkopfes können sich an der äußeren Oberfläche des Schraubenkopfes geringfügige Abweichungen von der dargestellten Geometrie ergeben. Am Schraubengrund jedoch wird die dargestellte und beschriebene Geometrie in optimaler Weise verwirklicht.

Claims

Schraubenkopf, mit vier Schlitzen, die jeweils • radial von der Mitte des Schraubenkopfes nach außen verlaufen, • zwei als Ufer oder Schlitzränder bezeichnete Längsseiten, • einen als Schlitzgrund bezeichneten tiefsten Bereich zwischen den Ufern, • sowie ein radial äußeres Stirnende aufweisen, und die • in der Mitte des Schraubenkopfes ineinander übergehen, wobei • wenigstens zwei Schlitze einander im Winkel von 180° gegenüberliegen, • die Ufer jedes Schlitzes zueinander symmetrisch verlaufen, • eine Einsenkung am Stirnende von der Oberfläche des Schraubenkopfes parallel zur Schraubenlängsachse bis zum Schlitzgrund verläuft, • im Bereich der Mitte des Schraubenkopfes die Ufer zweier winklig zueinander angeordnete Schlitze in einem Bogen ineinander übergehen, • der Grund des kreuzschlitzförmigen Einschnitts eine V-förmige Senke bildet, • die als Schlitzbreite bezeichnete Distanz zwischen den beiden Ufern mit d bezeichnet ist, die Länge zweier erster gegenüberliegender Schlitze mit D₁ bezeichnet ist, und die Länge zweier zweiter gegenüberliegender Schlitze mit D2 bezeichnet ist, wobei gilt: D₁ ≤ D2 ≤ D1 + 2·d, • die Verbindungslinie zwischen den beiden Ufern am Stirnende des Schlitzes bogenförmig mit einem Radius R₁ verrundet ist, wobei gilt: R₁ = 0,5·d, • der Übergang zwischen zwei winklig aneinandergrenzenden Schlitzen bogenförmig mit einem Radius R2 verrundet ist, wobei gilt: d ≤ R2 ≤ 0,5·d.
Schraubenkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitzbreite im Verhältnis zur Schlitzlänge wie folgt festgelegt ist: ¼ D₁ ≤ d ≤ 1/5 D₁.
Schraubenkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Grund des kreuzschlitzförmigen Einschnitts eine V-förmige Senke bildet, deren V-Winkel wenigstens 120° beträgt.
Schraubenkopf nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Mitte des Schraubenkopfes, wo die vier Schlitze ineinander übergehen, eine zusätzliche Vertiefung vorgesehen ist.