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Die Erfindung betrifft eine Schraube nach dem Oberbegriff von Patenanspruch 1.
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Zur Kraftübertragung zwischen einem Werkzeug und einer solchen Schraube weist ein Schraubenkopf der Schraube eine Mehrzahl von radial zu einem Schaft der Schraube verlaufenden und zum Schaft axial abragenden Angriffselementen auf. Eine derartige Schraube ist aus der
US 4 430 035 bekannt. Bei gewindeformenden Schrauben, die zum Verbinden harter Materialien, wie beispielsweise Aluminiumstrangpressprofilen, Gussbauteilen oder Blechen aus Stahl oder Aluminium, verwendet werden sollen, müssen besonders hohe Kräfte zwischen dem Werkzeug und dem Schraubenkopf übertragen werden. Bei bekannten Schrauben erfolgt diese Kraftübertragung über die ebenfalls in axialer Richtung verlaufenden Flanken der Angriffselemente für das Werkzeug, wodurch hohe Materialspannungen im Schraubenkopf erzeugt werden. Dies kann beim Einschrauben der Schraube in ein Bauteil aus einem hochfesten Werkstoff nachteiligerweise zum Versagen des Schraubenkopfes führen.
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Bei der aus der
US 4 430 035 bekannten Schraube verlaufen weiterhin beide Flanken eines Angriffselements parallel zueinander. Während eine Mittellinie eines Angriffselements radial verläuft, kommt es daher zu einer Abweichung der Flanken von einem radialen Verlauf. Diese ist umso größer, je breiter das Angriffselement ist. Da die beim Einschrauben der Schraube ausgeübten Kräfte immer tangential bezüglich des Schaftes der Schraube wirken, verringert sich die tatsächlich wirksame Kraftkomponente auf eine Flanke, je näher der Angriffspunkt an einem Durchtrittspunkt der Schaftachse durch den Schraubenkopf liegt. Daher muss eine hohe Kraft aufgewendet werden, um ein gewünschtes Einschraubmoment zu erzielen.
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Für bestimmte Werkstoffe sind solche Schrauben also nicht verwendbar, obwohl der Schaft und das Gewinde der Schraube an sich stabil genug sind, um den beim Einschrauben auftretenden Kräften zu widerstehen.
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Die Verwendung derartiger Schrauben mit automatisierten Schraubwerkzeugen ist ebenfalls problematisch, da eine sehr exakte relative Positionierung zwischen Schraubwerkzeug und Schraube erfolgen muss, um eine Kraftübertragung zwischen Schraubwerkzeug und Schraube zu ermöglichen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Schraube nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1 so weiterzuentwickeln, dass eine verbesserte Kraftübertragung zwischen einem Werkzeug und dem Schraubenkopf ermöglicht und die Verwendung der Schraube mit automatisierten Schraubwerkzeugen erleichtert wird.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schraube mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, dass Flanken der Angriffselemente gegenüber der axialen Richtung eines Schaftes der Schraube schräg verlaufen. Eine Kraftübertragung zwischen einem Werkzeug und der Schraube findet also nicht mehr, wie bei aus dem Stand der Technik bekannten Schrauben, über in axialer Richtung des Schaftes verlaufende Wandungen statt, sondern vielmehr über die abgeschrägten Flanken der Angriffselemente. Daher treten im Schraubenkopf nur geringe Materialspannungen auf, so dass hohe Kräfte übertragen werden können. Insbesondere sind die beim Einschrauben der Schraube verursachten Spannungen im Übergangsbereich zwischen der Flanke und einer Grundfläche des Schraubenkopfes, die sich zwischen zwei Angriffselementen erstreckt, gering. Es können also hohe Momente auf die Schraube übertragen werden, ohne dass die Gefahr eines Bruchs der Angriffselemente besteht, der dem von Zahnrädern bekannten Zahnfußbruch entspricht.
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Aufgrund der einfachen Form des Schraubenkopfes ist die Schraube besonders zur Verwendung mit automatisierten Schraubwerkzeugen geeignet, da das Werkzeug sehr schnell in Wirkverbindung mit den Angriffselementen gebracht werden kann. Durch die Abschrägung der Flanken der Angriffselemente kann das Werkzeug beim Ansetzen aus einer nicht ideal zentrierten Position an den Flanken abgleiten, so dass sich die Schraube im Verhältnis zum Werkzeug selbst zentriert. Am Werkzeug treten während des Einschraubens nur geringe Belastungen auf, so dass das Werkzeug sehr haltbar ist. Weiterhin ist der Schraubenkopf so ausgelegt, dass ein komplementäres Werkzeug nicht breiter sein muss als der Schraubenkopf selbst. Damit ist die Verwendung der erfindungsgemäßen Schraube auch bei schlechter Zugänglichkeit der Einschraubstelle möglich. Sie kann beispielsweise an schmalen Flanschen von zu verschraubenden Bauteilen Einsatz finden. Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Schraubenkopfes ist es weiterhin möglich, Schrauben mit sehr geringer Kopfhöhe zu verwenden, was den Einsatz der Schraube bei geringem zur Verfügung stehenden Bauraum ermöglicht.
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In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Angriffselemente auf ihrer der Schaftachse zugewandten Seite eine geringere Querschnittsfläche auf, als auf der der Schaftachse abgewandten Seite. Bevorzugt verjüngen sich die Angriffselemente zu einem Durchtrittspunkt der Schaftachse hin. Hierdurch nähern sich die Flanken über ihre ganze Länge einem radialen Verlauf an. Die Kräfte, die durch ein Werkzeug auf den Schraubenkopf ausgeübt werden, wirken tangential bezüglich des Schaftes ein. Aufgrund des angenähert radialen Verlaufs der Flanken verlaufen die ausgeübten Kräfte also im wesentlichen senkrecht zu den Flanken. Damit wird ein optimales Verhältnis zwischen ausgeübter Kraft und aufgebrachtem Moment sichergestellt.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verlaufen die Angriffselemente vom Außenumfang des Schraubenkopfes in Richtung zum Durchtrittspunkt hin. Die effizienteste Kraftübertragung zwischen Werkzeug und Schraubenkopf findet dabei aufgrund des Hebelgesetzes direkt am Außenumfang des Kopfes statt. Daher können die zum Ausüben eines gewünschten Einschraubmoments benötigten Kräfte in dieser Ausführungsform so gering wie möglich gehalten werden.
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Bevorzugt enden die Angriffselemente hierbei vor dem Erreichen des Durchtrittspunktes. Es wird also in demjenigen Bereich der Angriffselemente auf Material verzichtet, in welchem aufgrund des geringen Abstands von der Drehachse der Schraube ohnehin nur eine geringe Momentenübertragung möglich wäre. Weiterhin wird hierdurch Raum im Zentrum des Schraubenkopfes geschaffen, in welchem in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung eine Aussparung zum Zentrieren eines automatisierten Schraubwerkzeugs vorgesehen ist. Die Aussparung kann gleichzeitig für den Eingriff eines weiteren Werkzeugs vorgesehen sein und beispielsweise eine an sich bekannte Innenmehrkantgeometrie aufweisen Ein Ein- oder Ausschrauben der Schraube kann somit mit verschiedenen Werkzeugen bewerkstelligt werden. Die Angriffselemente des Schraubenkopfes eignen sich dabei besonders zur Verwendung mit automatisierten Werkzeugen, während die Aussparung ein manuelles Lösen der Schraubverbindung erlaubt. Auch ein Prüfen der Schraubverbindung mittels eines manuell bedienten Werkzeuges ist über die Aussparung möglich.
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Bevorzugt ist ferner eine Außenkontur des Schraubenkopfes als Angriffselement für ein weiteres Werkzeug ausgebildet. Auch hierdurch wird eine Möglichkeit geschaffen, die Schraube manuell zu befestigen oder zu lösen. Beispielsweise kann der Schraubenkopf eine Außensechskantgeometrie aufweisen, so dass die Schraube besonders einfach mit üblichen Werkzeugen betätigt werden kann.
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Die Erfindung betrifft weiterhin einen Kraftwagen mit wenigstens zwei Bauteilen, welche durch eine Schraube der beschriebenen Art verbunden sind. Die Schraube kann aufgrund ihrer Eignung zum Verbinden hochfester Materialien Schweiß- oder Nietverbindungen im Kraftwagen ersetzen, wodurch die Herstellung eines solchen Kraftwagens kostengünstig möglich ist. Die Schraubverbindung ist zudem reversibel lösbar, was einfache Reparaturen an einem solchen Kraftwagen ermöglicht.
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Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Hierbei zeigen:
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1 eine Seitenansicht eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schraube,
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2 eine Draufsicht auf den Schraubenkopf des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Schraube gemäß 1,
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3 eine Schnittdarstellung der Schraube aus 1 entlang der Linie III-III und
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4 eine Schnittdarstellung des Schraubenkopfes aus 2 entlang der Linie IV-IV.
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Eine im Ganzen mit 10 bezeichnete Schraube umfasst einen Schaft 12 und einen Schraubenkopf 14. Der Schaft 12 weist einen Gewindebereich 16 auf, wobei das Gewinde des Gewindebereichs 16 als selbstschneidendes Gewinde ausgelegt ist. Um die Verwendung der Schraube zum Verbinden einer Vielzahl von Materialien, wie beispielsweise von Aluminiumguss, Aluminiumblech, höherfesten Stahlblechen oder von Verbundwerkstoffen, wie sie im Kraftfahrzeugbau Verwendung finden, zu ermöglichen, besteht die Schraube 10 aus Vergütungsstahl oder Einsatzstahl. Beim Einschrauben der Schraube 10 in solche Werkstoffe müssen besonders hohe Kräfte von einem Werkzeug auf die Schraube übertragen werden. Der Schraubenkopf 14 umfasst daher mehrere Angriffselemente 18 für ein Werkzeug, welche radial bezüglich der Achse 20 des Schaftes 12 verlaufen und axial bezüglich der Achse 20 abragen.
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Die Angriffselemente 18 entsprechen, wie besonders gut in der Draufsicht auf den Schraubenkopf 14 in 2 zu erkennen ist, den Zähnen einer Hirthschen Stirnverzahnung. Sie verlaufen vom Außenumfang 22 des Schraubenkopfs 14 auf den Durchtrittspunkt 24 der Achse 20 durch den Schraubenkopf 14 hin, enden jedoch, bevor sie den Durchtrittspunkt 24 erreichen. Die Flanken 26 der Angriffselemente 18 verlaufen nicht, wie bei üblichen Schrauben, parallel zur Achse 20, sondern sind abgeschrägt. Der Winkel zwischen den Flanken 26 der Angriffselemente 18 und den Bodenbereichen 28 des Schraubenkopfes 14 ist also größer als 90°. Der Öffnungswinkel der Flanken 26 eines Angriffselements 18 beträgt bevorzugt 10° bis 45°. Im Übergang zwischen den Flanken 26 und den Bodenbereichen 28 treten daher geringere Spannungen auf als bei normalen Schrauben, wodurch die Belastung des Schraubenkopfes 14 beim Einschrauben der Schraube reduziert wird.
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Symmetrisch um den Durchtrittspunkt 24 der Achse 20 durch den Schraubenkopf 14 weist der Schraubenkopf 14 eine Aussparung 30, in welche ein weiteres Werkzeug eingreifen kann, auf. Zum Ein- oder Ausschrauben der Schraube 10 können daher zwei unterschiedliche Werkzeuge verwendet werden. Ein erstes Werkzeug ist hierzu komplementär zu den Angriffselementen 18 des Schraubenkopfes 14 ausgebildet und tritt mit dem Schraubenkopf nach Art der Hirthschen Stirnverzahnung in Wirkverbindung. Damit sind besonders hohe Momente beim Einschrauben der Schraube möglich, so dass diese zum Verbinden von Bauteilen aus einer Vielzahl von Materialien verwendet werden kann. Hierzu eignen sich besonders automatisierte Schraubwerkzeuge. Damit wird die Verwendung der Schraube 10 im Karosseriebau für Kraftfahrzeuge ermöglicht. Sie kann beispielsweise dazu dienen, hochfeste Stahlbleche, Aluminiumgußteile, Aluminiumstrangpressprofile und dergleichen in automatisierten Fertigungslinien zu verbinden. Besonders gut geeignet ist die Schraube 10 zum Verbinden von unterschiedlichen Materialien. Die Bauteile müssen vor dem Verschrauben nicht vorgelocht werden, die Schraube 10 kann jedoch auch zum Verbinden von vorgelochten Bauteilen Anwendung finden. Dies ist insbesondere bei Verbindungen von drei oder mehr Blechbauteilen oder bei Verbindungen von höchstfesten Stahlbauteilen mit einer Zugfestigkeit größer 600 MPa zweckmäßig. Auch ein Einsatz der Schraube 10 in Verbindung mit einem Verkleben der Bauteile ist möglich, wobei die gute Zugfestigkeit der Schraubverbindung in Kombination mit der hohen Scherbelastbarkeit der Klebeverbindung eine besonders haltbare Verbindung der Bauteile ergibt.
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Die Aussparung 30 dient als Zentrierhilfe bei der Verwendung der Schraube 10 mit automatischen Schraubwerkzeugen, kann jedoch auch dazu ausgelegt werden, mit manuell betätigten Schraubwerkzeugen in Wirkverbindung zu treten und kann eine übliche Innenmehrkantgeometrie aufweisen. Da beim Lösen der Schraube 10 wesentlich geringere Kräfte auftreten als während des Einschraubens und des damit verbundenen Schneidens des Gewindes, müssen an den Eingriff 30 wesentlich geringere Anforderungen gestellt werden, so dass ein übliches Mehrkantwerkzeug hier vollständig ausreicht. Eine weitere Möglichkeit, die Schraube 10 manuell mit einem üblichen Werkzeug zu bedienen, ist durch eine Außensechskantkontur des Schraubenkopfes 14 gegeben.
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Wie weiterhin aus der Draufsicht in 2 zu erkennen ist, verlaufen die Kanten 32 zwischen den Flanken 26 der Angriffselemente 18 nicht parallel zu den Mittellinien 34 der Angriffselemente 18. Sie verjüngen sich vom Außenumfang des Schraubenkopfes 14 in Richtung zum Durchtrittspunkt 24 der Achse 20 durch den Schraubenkopf 14. Auch hierdurch wird das Auftreten von Spannungen im Material des Schraubenkopfes beim Einschrauben der Schraube vermieden, da die Kanten 32 durch die Verjüngung der Angriffselemente 18 sich einem radialen Verlauf annähern. Beim Einschrauben auftretende Kräfte stehen daher immer senkrecht auf den Flanken 26 der Angriffselemente 18 und damit tangential zur Achse 20 der Schraube 10.
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Wie in den Schnittdarstellungen in den 3 und 4 zu erkennen ist, weist der Schraubenkopf 14 im Übergangsbereich 36 zum Schaft 12 eine Hohlkehle 38 auf. Wird die Schraube 10 in ein Werkstück eingeschraubt, so wird durch das Gewinde 16 Material aus dem Werkstück verdrängt. Dieses kann in den Bereich der Hohlkehle 38 ausweichen und wird schließlich seitlich aus dem Einschraubbereich verdrängt, wodurch ein Verklemmen der Schraube 10 aufgrund des verdrängten Materials vermieden wird. Die Kraftübertragung über die Angriffselemente 18 des Schraubenkopfes ermöglicht dabei eine besonders tiefe Ausprägung der Hohlkehle 38, wodurch besonders viel Raum für verdrängtes Material zur Verfügung steht.
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Der Schraubenkopf 14 ist nicht auf die Verwendung in Schrauben mit der im Ausführungsbeispiel gezeigten Schaftgeometrie beschränkt, sondern kann mit beliebig geformten Schraubenschäften kombiniert werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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