DE102012109682A1

DE102012109682A1 - Schraube

Info

Publication number: DE102012109682A1
Application number: DE201210109682
Authority: DE
Inventors: Martin Roth
Original assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Current assignee: Dr Ing HCF Porsche AG
Priority date: 2012-10-11
Filing date: 2012-10-11
Publication date: 2014-04-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraube (1) mit einem Schraubenkopf (2) und einem Schraubenschaft (3), wobei der Schraubenkopf (2) mit einer Aufnahme (5) für ein Schraubwerkzeug und der Schraubenschaft (3) mit einem Außengewinde (7) versehen ist. Bei einer solchen Schraube ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der Schraubenkopf (2) durch ein radial inneres Kopfteil (9), das mit dem Schraubenschaft (3) verbunden ist, und einen radial äußeren Abstützring (10) gebildet ist, wobei das Kopfteil (9) die Aufnahme (5) für das Schraubwerkzeug aufweist und radial außen, in Richtung des Schraubenschafts (3) sich verjüngend ausgebildet ist und der Abstützring (10) radial innen, in Richtung des Schraubenschafts (3) sich erweiternd ausgebildet ist, wobei sich das Kopfteil (9) und der Abstützring (10) im Bereich der Verjüngung (11) und Erweiterung (12) kontaktieren, wobei ferner der Abstützring (10) aus einem Material besteht, das ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als das Material des Kopfteils (9) und des Schraubenschafts (3). Eine solche Schraube weist, bei einfacher Gestaltung und Herstellbarkeit, ein relativ geringes Gewicht auf.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraube mit einem Schraubenkopf und einem Schraubenschaft, wobei der Schraubenkopf mit einer Aufnahme für ein Schraubwerkzeug und der Schraubenschaft mit einem Außengewinde versehen ist.
Derartige Schrauben sind in unterschiedlichster Gestaltung aus der Praxis bekannt. Sie haben auch in eine Vielzahl von industriellen Normen Eingang gefunden.
Insbesondere im Fahrzeug- und Flugzeugbau ist man bestrebt, gewichtsreduzierte Schrauben zu verwenden, die somit nicht ausschließlich aus Stahl bestehen.
In der DE 295 11 752 U1 ist eine einteilige Schraube beschrieben, die aus Leichtmetall oder einem anderen Leichtbauwerkstoff hergestellt ist.
In der DE 10 2010 055 732 A1 ist eine Schraube aus einem Verbundwerkstoff beschrieben. Die Schraube weist ein Befestigungselement aus Metall auf, das einen länglichen hohlen Mantel besitzt, der mit einem Außengewinde versehen ist. Das Befestigungselement umfasst ferner ein Kernelement aus einem Verbundwerkstoffmaterial einschließlich Kunststoff, Fiberglas, Karbonfaser oder dergleichen. Das Kernelement füllt die zentrale Bohrung des Mantels und umkapselt einen Flansch des Mantels, um einen Kopf des Befestigungselements zu bilden, der eine Aufnahme für ein Schraubwerkzeug aufweist. Eine solche Schraube weist eine relativ komplizierte Gestaltung und Herstellbarkeit auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Schraube zu schaffen, die, bei einfacher Gestaltung und Herstellbarkeit, ein relativ geringes Gewicht aufweist.
Gelöst wird die Aufgabe bei einer Schraube der eingangs genannten Art dadurch, dass der Schraubenkopf durch ein radial inneres Kopfteil, das mit dem Schraubenschaft verbunden ist, und einen radial äußeren Abstützring gebildet ist, wobei das Kopfteil die Aufnahme für das Schraubwerkzeug aufweist und radial außen, in Richtung des Schafts sich verjüngend ausgebildet ist und der Abstützring radial innen, in Richtung des Schafts sich erweiternd ausgebildet ist, wobei sich das Kopfteil und der Abstützring im Bereich der Verjüngung und Erweiterung kontaktieren, wobei ferner der Abstützring aus einem Material besteht, das ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist, als das Material des Kopfteils und des Schraubenschafts.
Bei der Schraube ergibt sich somit eine Gewichtsreduktion gegenüber einer herkömmlichen, aus einem einzigen Material hergestellten, insbesondere aus Stahl bestehenden Schraube dadurch, dass für den äußeren Abstützring ein Material mit einem spezifischen Gewicht verwendet wird, das geringer ist als das Material des Kopfteils und des Schraubenschafts.
Bei der Schraube sind somit die miteinander zusammenwirkenden Kontaktflächen von innerem Kopfteil und äußeren Abstützring konisch zulaufend bezüglich der Längsmittelachse, somit der Einschraubachse der Schraube angeordnet.
Vorzugsweise besteht der Abstützring aus Aluminium. Insbesondere findet eine Aluminiumlegierung Verwendung.
Das Kopfteil und der Schraubenschaft sind insbesondere einteilig ausgebildet. Kopfteil und Schraubenschaft bestehen vorzugsweise aus demselben Material. Hierbei handelt es sich insbesondere um Stahl.
Das Gewicht der Schraube kann weiter reduziert werden, wenn der Schraubenschaft, ausgehend von einem dem Kopfteil abgewandten Ende des Schraubenschafts, ein Sackloch durchsetzt. Ist es erforderlich, den Schraubenschaft im Bereich der an das Sackloch angrenzenden Wandungen zu verstärken, kann vorgesehen sein, dass das Sackloch, insbesondere über die gesamte Tiefe des Sacklochs, mit einer Füllung versehen ist. Bezüglich der Füllung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn diese ein relativ geringes spezifisches Gewicht aufweist. Unter diesem Aspekt wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Füllung aus Aluminium, einer Aluminiumlegierung oder aus Kunststoff besteht. Die Füllung kann unterschiedlich gestaltet sein. Sie ist beispielsweise durch ein Bauteil gebildet, das in das Sackloch eingesteckt oder eingetrieben wird. Grundsätzlich könnte die Füllung auch in das Sackloch eingegossen werden.
Gemäß einer konkreten, bevorzugten Gestaltung von Kopfteil und Abstützring ist vorgesehen, dass das Kopfteil radial außen, in Richtung des Schafts, sich konisch verjüngend ausgebildet ist und der Abstützring radial innen, in Richtung des Schraubenschafts sich konisch erweiternd ausgebildet ist. Demzufolge kontaktieren sich das Kopfteil und der Abstützring in deren konischen Bereichen.
Unter dem Aspekt der gewichtsreduzierten Ausführung des Abstützrings und einer ausreichend großen Abstützfläche des Abstützrings an einem zu verschraubenden Gegenstand ist vorgesehen, dass der Abstützring einen dreieckigen Querschnitt aufweist, insbesondere den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist. Hierdurch ergibt sich überdies eine ausreichend große Kontaktfläche zwischen Abstützring und Kopfteil im Bereich deren Erweiterung und Verjüngung. Es wird als besonders vorteilhaft angesehen, wenn ein Konizitätswinkel zwischen dem jeweiligen konischen Bereich von Kopfteil bzw. Abstützring und einer Längsmittelachse der Schraube 15 bis 30°, insbesondere 20° bis 30° beträgt.
Bei der Schraube ist insbesondere vorgesehen, dass das Kopfteil und der Abstützring separate Bauteile sind. Sie werden somit separat hergestellt, und es reicht aus, um zur funktionsfähigen Schraube zu gelangen, wenn das innere Kopfteil mit Schraubenschaft in den Abstützring eingesteckt ist und das Kopfteil am Abstützring anliegt. Damit die Schraube aber besonders einfach als Einheit gehandhabt werden kann, wird es als bevorzugt angesehen, wenn das Kopfteil zusammen mit dem Schraubenschaft nicht nur in den Abstützring eingesteckt ist, sondern das Kopfteil und der Abstützring form- oder reibschlüssig miteinander verbunden sind. Grundsätzlich wäre es im Sinne der Erfindung aber denkbar, die Schraube so zu gestalten, dass sie ein einziges Bauteil darstellt.
Das Kopfteil und der Abstützring sind insbesondere derart in Achsrichtung der Schraube bemessen, dass das Kopfteil und der Abstützring dieselbe Erstreckung in Achsrichtung der Schraube aufweisen. Somit stellt sich der Schraubenkopf nach außen hin als homogenes Gebilde dar.
Die im Kopfteil vorgesehene Aufnahme für das Werkzeug zum Drehen der Schraube um dessen Längsachse kann unterschiedlich gestaltet sein. Es bieten sich die gängigen Ausbildungen der Aufnahme an, beispielsweise als schlitzförmige, kreuzschlitzförmige Aufnahme, Torx-Aufnahme usw.
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, der beigefügten Zeichnung und der Beschreibung der in der Zeichnung wiedergegebenen, bevorzugten beiden Ausführungsbeispiele, ohne auf diese beschränkt zu sein. Es zeigt:
1 einen Längsmittelschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schraube, wobei die Schraube in zwei miteinander verbundene Gegenstände eingeschraubt ist,
2 einen Längsmittelschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schraube, wobei die Schraube in zwei miteinander verbundene Gegenstände eingeschraubt ist.
1 zeigt eine Schraube 1 mit einem Schraubenkopf 2 und einem Schraubenschaft 3. Der Schraubenschaft 3 ist im Bereich einer Stirnfläche 4 mit einer Aufnahme 5 für ein Schraubwerkzeug versehen, mittels dessen die Schraube 1 um deren Längsachse 6 gedreht werden kann. Die Aufnahme 5 ist als Sackloch ausgebildet und weist einen sechskantförmigen Querschnitt zur Aufnahme des als Sechskant ausgebildeten Schraubwerkzeugs auf. Der Schraubenschaft 3 ist mit einem Außengewinde 7 versehen, das sich von einer Stirnfläche 8 der Schraube 1, die der Stirnfläche 4 abgewandt ist, etwa über die halbe Länge der Schraube 1 erstreckt.
Der Schraubenkopf 2 ist durch ein radial inneres Kopfteil 9, das ein Bauteil mit dem Schraubenschaft 3 bildet, und durch einen radial äußeren Abstützring 10 gebildet. Das Kopfteil 9 und der Schraubenschaft 3 bestehen aus Stahl, der Abstützring 10 aus Aluminium bzw. einer Aluminiumlegierung.
Das Kopfteil 9 weist die Stirnfläche 4 auf und es ist dort die Aufnahme 5 in das Kopfteil 9 angebracht. Das Kopfteil 9 ist, radial außen, in Richtung des Schraubenschafts 3 sich verjüngend ausgebildet, und es ist der Abstützring 10, radial innen, in Richtung des Schraubenschafts 3 sich erweiternd ausgebildet. Hierbei kontaktieren sich das Kopfteil 9 und der Abstützring 10 im Bereich einer konisch verlaufenden äußeren Fläche 11 des Kopfteils 9 und einer konisch verlaufenden Fläche 12 des Abstützrings 10. Diese Flächen 10 und 11 verlaufen jeweils unter einem Winkel von 20° zur Längsmittelachse 6 der Schraube 1.
Das Kopfteil 9 und der Abstützring 10 stellen separate Bauteile dar. Diese sind durch ausreichend weites Aufschieben vom Abstützring 10 auf Kopfteil 9 reibschlüssig miteinander verbunden. Das Kopfteil 9 und der Abstützring 10 weisen in Richtung der Längsachse 6 der Schraube 1 dieselbe Erstreckung auf.
Der Abstützring 10 besitzt einen Querschnitt in Form eines gleichschenkligen Dreiecks. Einer der beiden gleichen Schenkel des Dreiecks definiert die Fläche 12 des Abstützrings 10. Ein Basisschenkel des dreieckigen Querschnitts definiert eine Anlagefläche 13 zum Anlegen an einen zu verschraubenden Gegenstand.
Ausgehend von der Stirnfläche 8 des Schraubenschafts 3 durchsetzt den Schraubenschaft 3 ein Sackloch 14. Dieses erstreckt sich über eine größere Länge des Schraubenschafts 3 als das Außengewindes 7. Das gesamte Volumen des Sacklochs 14 nimmt eine Füllung 15 ein. Diese besteht genauso wie der Abstützring 10 aus Leichtmetall, somit vorzugsweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung.
1 verdeutlicht ferner zwei miteinander zu verbindende Gegenstände 16 und 17. Der eine Gegenstand 16 ist als Platte ausgebildet, die eine Durchgangsbohrung 18 zum Durchstecken des Schraubenschafts 3 der Schraube 1 aufweist. Der andere Gegenstand 17 ist mit einer Durchgangsbohrung oder einer Sackbohrung 19 versehen, die ein Innengewinde 20 aufweist. Die beiden Gegenstände 16, 17 werden mit in Flucht befindlichen Bohrungen 18 und 19 angeordnet und die Schraube 1 durch die Durchgangsbohrung 18 des Gegenstandes 16 gesteckt und in die Sackbohrung 19 des Gegenstands 17 eingeschraubt. 1 zeigt den verschraubten Zustand, bei dem der Abstützring 10 mit seiner Anlagefläche 13 eine diesem zugewandte Auflagefläche 21 der Platte 16 kontaktiert.
2 zeigt eine gegenüber der Ausführungsform nach 1 modifizierte Schraube. Mit dieser übereinstimmende Teile bzw. Einzelheiten sind in der 2 der Einfachheit halber mit denselben Bezugsziffern bezeichnet.
2 veranschaulicht, dass die Stirnfläche 4 konkav ausgebildet ist. Hierdurch ist eine zusätzliche Volumenreduktion am oberen Kopfende des Kopfteils 9 möglich. Die Aufnahme 5 weist einen tiefen elliptischen Grund 22 für das Schraubwerkzeug auf. Diese Ausbildung des Grundes 22 ist unter dem Aspekt der Volumenreduktion und Reduzierung der Kerbwirkung von Vorteil. Im Bereich des dem Schraubenschaft 3 abgewandten Endes, veranschaulicht durch die Stirnfläche 23 ist der Außendurchmesser des Abstützrings 10 nur geringfügig größer als dessen Innendurchmesser. Dieser Außendurchmesser und Innendurchmesser kann durchaus gleich sein, womit diese Stirnfläche als geschlossene Linie gebildet ist. Die Außenlinie 24 des Abstützrings 10 ist konkav gestaltet. Durch diese konkave Außenkontur lässt sich eine weitere Volumenreduktion erreichen. Die dieser Außenfläche 24 abgewandte innere Fläche 11 des Abstützrings 10 ist beispielsweise gleichfalls konkav ausgebildet. Statt dieser konkaven Außenkontur kann durchaus eine gerade oder konvexe Außenkontur Verwendung finden, bei entsprechender komplementärer Kontur der Fläche 12 des inneren Kopfteils 9. Ziel ist die Kontaktflächen 11 und 12 von Abstützring 10 und Kopfteil 9 möglichst steil anzuordnen, um eine Volumenreduktion des Schraubenkopfes 2 zu optimieren und somit das Gewicht der Schraube zu minimieren. Der Schaftbereich zwischen dem Außengewinde 7 und dem Kopfteil 9 weist bevorzugt einen Durchmesser auf, der im Bereich des Außengewindes 7 im Wesentlichen mit dem Kerndurchmesser des Gewindes übereinstimmt und sich von dort in einem weichen Radius zum Kopfteil 9 vergrößert.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 29511752 U1 [0004]
DE 102010055732 A1 [0005]

Claims

Schraube (1) mit einem Schraubenkopf (2) und einem Schraubenschaft (3), wobei der Schraubenkopf (2) mit einer Aufnahme (5) für ein Schraubwerkzeug und der Schraubenschaft (3) mit einem Außengewinde (7) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenkopf (2) durch ein radial inneres Kopfteil (9), das mit dem Schraubenschaft (3) verbunden ist, und einen radial äußeren Abstützring (10) gebildet ist, wobei das Kopfteil (9) die Aufnahme (5) für das Schraubwerkzeug aufweist und radial außen, in Richtung des Schraubenschafts (3) sich verjüngend ausgebildet ist und der Abstützring (10) radial innen, in Richtung des Schraubenschafts (3) sich erweiternd ausgebildet ist, wobei sich das Kopfteil (9) und der Abstützring (10) im Bereich der Verjüngung (11) und Erweiterung (12) kontaktieren, wobei ferner der Abstützring (10) aus einem Material besteht, das ein geringeres spezifisches Gewicht aufweist als das Material des Kopfteils (9) und des Schraubenschafts (3).
Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützring (10) aus einem Leichtmetall, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung besteht.
Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (9) und der Schraubenschaft (3) aus demselben Material bestehen, insbesondere aus einem gegenüber einem Leichtmetall schwereren Metall.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (9) und der Schraubenschaft (3) aus Stahl bestehen.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass den Schraubenschaft (3), ausgehend von einem dem Kopfteil (9) abgewandten Ende (8) des Schraubenschafts (3), ein Sackloch (14) durchsetzt.
Schraube nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch (14), vorzugsweise über die gesamte Tiefe des Sacklochs (14), mit einer Füllung (15) versehen ist.
Schraube nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (15) das gesamte Volumen des Sacklochs (14) einnimmt.
Schraube nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (15) aus einer Aluminiumlegierung oder aus Kunststoff besteht.
Schraube nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Füllung (15) durch ein Bauteil gebildet ist, das in das Sackloch (14) eingesteckt oder eingetrieben ist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (9) radial außen, in Richtung des Schraubenschafts (3), sich konisch verjüngend ausgebildet ist und der Abstützring (10) radial innen, in Richtung des Schraubenschafts (3), sich konisch erweiternd ausgebildet ist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützring (10) einen dreieckigen Querschnitt aufweist, insbesondere den Querschnitt eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist.
Schraube nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass ein Konizitätswinkel zwischen dem jeweiligen konischen Bereich (11 bzw. 12) vom Kopfteil (9) bzw. Abstützring (10) und einer Längsmittelachse (6) der Schraube (1) 15 bis 30°, insbesondere 20° bis 30° beträgt.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (9) und der Abstützring (10) separate Bauteile sind.
Schraube nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (9) und der Abstützring (10) form- oder reibschlüssig miteinander verbunden sind.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Kopfteil (9) und der Abstützring (10) dieselbe Erstreckung in Achsrichtung der Schraube (1) aufweisen.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das innere Kopfteil (9) im Bereich dessen dem Schraubenschaft (3) abgewandten Endes konkav ausgebildet ist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme (5) für das Schraubwerkzeug einen Grund (22) aufweist, der in Richtung des Schraubenschafts (3) gewölbt ist, insbesondere einen tiefen elliptischen Grund (22) aufweist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Abstützrings (10) im Bereich dessen dem Schraubenschaft (3) abgewandten Endes (23) geringfügig größer oder gleich dem Innendurchmesser des Abstützrings (10) im Bereich dessen dem Schraubenschaft (3) abgewandten Endes (23) ist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützring (10) auf dessen dem inneren Kopfteil (9) abgewandten Seite (24) eine konkave Außenkontur aufweist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstützring (10) auf dessen dem inneren Kopfteil (9) zugewandten Seite (11) eine konkave, gerade oder konvexe Außenkontur aufweist.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Schraubenschafts (3), im Übergang von dessen Außengewinde (7) zum inneren Kopfteil (9), im Bereich des Außengewindes (7) in etwa dem Kerndurchmesser des Gewindes entspricht und sich von dort, zum inneren Kopfteil (9) hin, stetig vergrößert.