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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Schraube, umfassend
- - einen Schraubenkopf und
- - einen Schraubenschaft, der sich von einem schraubenkopfseitigen Schaftanfang bis zu seinem schraubenkopfabgewandten Schaftende erstreckt und ein Außengewinde einer vorgegebenen Gewindelänge trägt,
wobei der Schraubenschaft eine schaftendseitig offene, das Außengewinde in axialer Richtung um wenigstens 20% dessen Kerndurchmessers durchsetzende Ausnehmung mit einem eingangsseitigen Durchmesser zwischen 60% und 90% des Kerndurchmessers aufweist.
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Die Erfindung bezieht sich weiter auf eine Schraubverbindung, umfassend eine derartige Schraube sowie einen Basiskörper mit einem korrespondierenden Innengewinde, in welches die Schraube mit einem vorgegebenen Anzugsmoment, welches eine Spannungsbeaufschlagung der miteinander wechselwirkenden Gewindegänge hervorruft, eingeschraubt und festgezogen ist.
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Stand der Technik
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Schraubverbindungen sind zur Verbindung zweier oder mehrerer Bauteile allgemein bekannt. Sie umfassen stets eine Schraube mit einem Außengewinde sowie einen Basiskörper mit einem korrespondierenden Innengewinde, in welches die Schraube eingeschraubt ist. In der Regel wird eine solche Schraubverbindung benutzt, um ein eine Durchgangsbohrung aufweisendes Fixierteil am Basiskörper zu fixieren. Das Fixierteil, dessen Durchgangsbohrung vom Schraubenschaft durchsetzt wird, wird beim Anziehen der Schraube zwischen dem Schraubenkopf und dem Basiskörper geklemmt.
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Beispielsweise finden derartige Schraubverbindungen Anwendung bei der Fixierung eines Zylinderkopfs als Fixierteil an einem Motorblock als Basiskörper. Aus Gründen der Gewichtseinsparung werden Motorblöcke von modernen Kraftfahrzeugen häufig aus leichtem Aluminium gefertigt. Die zur Fixierung des Zylinderkopfs verwendeten Schrauben sind aus Gründen der damit verbundenen Empfindlichkeit jedoch in der Regel nicht aus Aluminium, sondern typischerweise aus Stahl gefertigt. Bei der Montage werden die Schrauben mit einem vorgegebenen Anzugsmoment angezogen, wobei die aneinander anliegenden Flanken des Außengewindes der Schraube einerseits und des Innengewindes im Motorblock andererseits mit einer entsprechenden mechanischen Spannung beaufschlagt werden. Beim Betrieb des Motors kommt es zu einer starken Aufheizung des Komplexes gegenüber dem Zeitpunkt der Montage. Dies kann insofern problematisch sein, als der Wärmeausdehnungskoeffizient (in Axialrichtung der Schraube) von Aluminium deutlich größer ist als derjenige von Stahl. Das Innengewinde im Motorblock längt sich dabei stärker als das Außengewinde der Schraube. Hierdurch wird die Schraube unter axiale Zugspannung gesetzt. Diese Zugspannung wird jedoch nicht gleichmäßig verteilt über die Windungen des Gewindes abgestützt; vielmehr liegt der Großteil der Zugspannung zwischen dem am Schraubenkopf ansetzenden Schaftanfang und dem schaftendseitigen Gewindeende an. Im Bereich der letzten Windungen des Außengewindes liegt also eine nahezu die gesamte auf der Schraube lastende Zugspannung vereinende Spannungsspitze vor. Diese lokal auf das Innengewinde des Motorblocks wirkende Spannungsspitze kann zu lokaler Rissbildung und daher zur Zerstörung des Motorblocks führen.
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Ein ähnlicher Effekt ist auch ohne Temperaturunterschiede bereits dann zu beobachten, wenn der (in Axialrichtung der Schraube) axiale Elastizitätskoeffizient von Schraube und Basiskörper unterschiedlich ist, insbesondere wenn der axiale Elastizitätskoeffizient des Basiskörpers kleiner als derjenige der Schraube ist. Dies ist bei der o.g. Materialpaarung Stahl (Schraube) und Aluminium (Basiskörper) ebenfalls der Fall.
Aus der
WO 2000/000750 A1 ist es bekannt, das Außengewinde der Schraube zum Schaftende hin zu variieren, um eine gleichmäßigere Verteilung der Zugspannung über die Gewindeflanken zu erreichen. Die Fertigung derartiger Spezialgewinde ist jedoch mit erheblichen Mehrkosten verbunden.
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Aus der eingangs genannten, gattungsbildenden Druckschrift sind Schrauben bekannt, die aus Gründen der Gewichtseinsparung einen über nahezu seine gesamte Länge hohlgebohrten Schaft aufweisen. Derartige Schrauben sind jedoch aufgrund ihrer geringen Wandungsdicke zu instabil, um damit hochfeste Schraubverbindungen zu realisieren. Entsprechend schlägt die genannte Druckschrift vor, den Hohlraum des Schraubenschaftes im Fall höherer mechanischer Anforderungen mit einem leichten Material, wie beispielsweise Aluminium oder Kunststoff zu füllen. Derartige mehrkomponentige Schrauben sind jedoch in der Herstellung extrem teuer. Zudem steht zu befürchten, dass sich im Fall starker Temperaturschwankungen, wie sie beispielsweise im Bereich eines Motorblocks betriebsbedingt auftreten, die Füllung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten aus dem Schraubenschaft löst.
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Aufgabenstellung
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einfach zu fertigende, kostengünstige Schrauben zur Realisierung von Schraubverbindungen, insbesondere thermisch beanspruchten Schraubverbindungen unterschiedlicher Materialien, zur Verfügung zu stellen.
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Darlegung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ausnehmung das Außengewinde in axialer Richtung um höchstens 50% der Gewindelänge durchsetzt.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.
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Die Erfindung sieht eine gezielte Schwächung des Schraubenschaftes im Bereich des schaftendseitigen Gewindeendes vor. Dies ist der Bereich, der gemäß obiger Erläuterung bei unterschiedlicher Wärmeausdehnung und/oder Elastizität von Innen- und Außengewinde einer besonderen Belastung unterliegt. Die Schwächung der Schraube, insbesondere die Reduzierung ihrer Steifigkeit in diesem Bereich sorgt dafür, dass die Spannungsspitze eher zu einem Verziehen der Schraube im fraglichen Bereich als zur Rissbildung im Basiskörper führt. Verzieht sich die Schraube, führt dies zu einer teilweisen Übergabe der Last auf die benachbarten Windungen. Insgesamt wird also eine Vergleichmäßigung der Lastverteilung über einen größeren Teil der Gewindelänge erreicht. Dies bedeutet den Abbau der schädlichen Spannungsspitzen, sodass keine Rissbildung im Basiskörper mehr zu befürchten ist. Ähnliches gilt für Schraubverbindungen von Materialien mit unterschiedlichen axialen Elastizitätskoeffizienten.
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Dieser Effekt wird sich zwar auch bei den gattungsgemäßen Schrauben einstellen. Da deren Ausnehmung im Schraubenschaft sich jedoch explizit über eine größere Länge des Schraubenschaftes als die Gewindelänge erstreckt, sind die gattungsgemäßen Schrauben, wie eingangs bereits erwähnt, für die Realisierung hochfester Schraubverbindungen nicht geeignet. Die besondere Wirkung der Erfindung, den Zielkonflikt zwischen einerseits der gezielten Schwächung der Schraube und andererseits dem Erhalt einer hinreichenden Gesamtstärke der Schraube zu überwinden, ist in der speziellen Beschränkung der Schaftschwächung auf die schaftendseitige Hälfte der Gewindelänge zu sehen.
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Hinsichtlich der Herstellung hat sich die Ausbildung der Ausnehmung im Schraubenschaft als Profilbohrung als besonders günstig erwiesen. Insbesondere bei tieferen Ausnehmungen hat sich diese Fertigungstechnik bewährt.
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Alternativ und insbesondere günstig bei flacheren Ausnehmungen ist die spanlose Ausbildung der Ausnehmung als ein durch Fließpressen erzeugtes Loch. Die Vermeidung eines zusätzlichen, spanenden Prozesses wirkt sich insbesondere kostenreduzierend aus.
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Hinsichtlich Form und Dimensionierung hat sich ein weites Spektrum an Variationen innerhalb der eingangs angegebenen Randbedingungen als wirksam erwiesen. Gleichwohl stehen im Hinblick auf eine Maximierung der Effizienz der erfindungsgemäßen Maßnahmen Tiefe und (Eingangs-) Durchmesser der Ausnehmung in einem vorzugsweise zu berücksichtigenden Abhängigkeitsverhältnis zueinander. Insbesondere sollte im Fall einer nur geringen lokalen Schwächung der Schraube aufgrund eines geringen Durchmessers der Ausnehmung eine größere Tiefe der Schwächungszone realisiert werden. Umgekehrt sollte bei geringerer Tiefe der Ausnehmung ein größerer (eingangsseitiger) Durchmesser realisiert werden. So hat es sich als günstig erwiesen, dass in Fällen, in denen der eingangsseitige Durchmesser gering ist, insbesondere in der Nähe des oben genannten Grenzwertes liegt, die Ausnehmung das Außengewinde in axialer Richtung um mindestens 50% dessen Kerndurchmessers durchsetzt. Umgekehrt hat es sich als günstig herausgestellt, dass in Fällen einer nur geringen Tiefe, insbesondere im Bereich des oben genannten Grenzwertes, der eingangsseitige Durchmesser der Ausnehmung wenigstens 70% des Kerndurchmessers beträgt. Es sei jedoch ausdrücklich darauf hingewiesen, dass Studien der Erfinder ergeben haben, dass Ausnehmungsvariationen über den gesamten oben genannten Dimensionierungsbereich zu Verbesserungen der Rissbildungs-Vermeidung im Basiskörper von mindestens 15% führen.
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Auch hinsichtlich der konkreten Form der Ausnehmung kann ein weites Spektrum an Variationen realisiert werden. In besonders einfachen Fällen hat die Ausnehmung eine zylindrische Form. Solche Ausnehmungen sind kostengünstig zu fertigen. Allerdings können sie den Nachteil einer Kerbwirkung an der Kante des Ausnehmungsbodens beinhalten.
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Als günstiger hat es sich daher erwiesen, wenn der Durchmesser der Ausnehmung zu deren geschlossenem Ende hin monoton abnimmt. Derartige Formen führen zu einer graduellen Abnahme der Schwächung der Schraube, sodass sich an keiner Stelle ein Steifigkeitssprung ergibt, der eine neue Spannungsspitze provozieren könnte.
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Als besonders günstig hat sich eine Form erwiesen, bei der die Ausnehmung eingangsseitig zunächst zylindrisch ausgebildet ist und ihr Durchmesser im Anschluss zu ihrem geschlossenen Ende hin streng monoton abnimmt. Man beachte, dass auch eine solche Form mit bereichsweise konstantem Durchmesser von der Begrifflichkeit einer monotonen (jedoch nicht streng monotonen) Durchmesserabnahme umfasst ist.
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An ihrem geschlossenen Ende ist die Ausnehmung bevorzugt kalottenförmig ausgebildet. In den streng monoton verlaufenden Bereichen kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Ausnehmung zu deren geschlossenem Ende hin paraboloid abnimmt. Alternativ oder (in einem anderen Bereich) zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Durchmesser der Ausnehmung zu deren geschlossenem Ende hin linear abnimmt.
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Überlänge zwischen unterschiedlich geformten Ausnehmungsbereichen sind bevorzugt nicht als scharfe Absätze, sondern als Radien im mm-Bereich realisiert.
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Wie bereits eingangs erwähnt, sind erfindungsgemäße Schrauben besonders geeignet zur Optimierung im Übrigen gattungsgemäßer Schraubverbindungen, bei denen der Basiskörper einen größeren axialen Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder einen kleineren axialen Elastizitätskoeffizienten aufweist als die Schraube.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden, speziellen Beschreibung und den Zeichnungen.
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Figurenliste
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Es zeigen:
- 1: eine schematisierte Schnittdarstellung einer erfindungsgemäßen Schraubverbindung,
- 2: eine Schraubverbindung nach dem Stand der Technik in zwei unterschiedlichen Temperaturzuständen,
- 3: die erfindungsgemäße Schraube der Schraubverbindung von 1,
- 4: eine alternative Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Schraube,
- 5: vier Formvarianten der Ausnehmung im Schaft einer erfindungsgemäßen Schraube sowie
- 6: drei weitere Formvarianten der Ausnehmung im Schaft einer erfindungsgemäßen Schraube.
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Ausführliche Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
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Gleiche Bezugszeichen in den Figuren deuten auf gleiche oder analoge Elemente hin.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Schraubverbindung 100, umfassend eine Schraube 10, die in einen Basiskörper 20 eingeschraubt ist, um ein plattenförmiges Fixierteil 30 am Basiskörper 20 zu fixieren. Die Schraube 10 besteht im Wesentlichen aus einem Schraubenkopf 12 und einem Schraubenschaft 14, der ein Außengewinde 16 trägt. Das Außengewinde 16 erstreckt sich nicht über die gesamte Länge des Schraubenschaftes 14; vielmehr weist der Schraubenschaft 14 schaftanfangsseitig einen gewindefreien Hals 141 auf. Schaftendseitig erstreckt sich das Außengewinde 16 bei der dargestellten Ausführungsform bis zum Schaftende.
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Schaftendseitig ist erfindungsgemäß eine Ausnehmung 18 konzentrisch in den Schraubenschaft 14 eingebracht. Auf Form und Dimensionierung der Ausnehmung 18 soll weiter unten noch detaillierter eingegangen werden.
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Die Schraube 10 ist in ein Innengewinde 22 des Basiskörpers 20 eingeschraubt. Die Kraft, mit der die einzelnen Gewindeflanken des Außengewindes 16 an den korrespondierenden Flanken des Innengewindes 22 anliegen, sind über die dessen im Wesentlichen gleichverteilt. Diese Gleichverteilung, die auch im Fall unterschiedlicher Materialien von Schraube 10 und Basiskörper 20 selbst bei erheblichen Temperaturschwankungen erhalten bleibt, ist das Ergebnis der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Schraube 10, insbesondere die Wirkung der Ausnehmung 18.
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Dies lässt sich am einfachsten anhand von 2 erläutern, die eine Schraubverbindung 100 nach dem Stand der Technik in zwei unterschiedlichen Temperaturzuständen zeigt. Die Schraube 10 ist beispielsweise aus Stahl gefertigt. Der Basiskörper 20 ist beispielsweise aus Aluminium, jedenfalls aus einem Material mit höherem axialen Wärmeausdehnungskoeffizient und/oder niedrigerem Elastizitätskoeffizienten als die Schraube 10, gefertigt. 2a zeigt in grober Schematisierung die Schraubverbindung 100 im kalten Montagezustand. Die Flankenbelastung der Gewinde 16, 22 ist im Wesentlichen über die Länge des Außengewindes 16 gleichverteilt. 2b zeigt einen demgegenüber deutlich erhitzten Zustand, in dem sich der Basiskörper 20 zumindest in axialer Richtung deutlich stärker gedehnt hat als die Schraube 10. Entsprechend wird die Schraube 10 verstärkt auf Zug belastet. Dabei unterliegen insbesondere die schaftendseitig letzten Windungen einer besonderen Belastung, wie in 2b durch die Belastungspfeile dargestellt. Diese Lastspitzen werden an den korrespondierenden Flanken des Innengewindes 22 abgestützt, wodurch der Basiskörper 20 hier eine besondere Belastung erfährt, die zu Rissen führen kann.
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Bei der erfindungsgemäßen Schraube 10 von 1, die in 3 isoliert dargestellt ist, ist der Schaft 14 jedoch im schaftendnahen Bereich geschwächt, sodass die Schraube 10 hier in Axialrichtung der thermisch induzierten Zugkraft nachgeben kann. Entsprechend verzieht sich das Außengewinde 16, sodass die Last gleichmäßig über eine größere Anzahl von Gewindeflanken verteilt wird. Die Entstehung von Spannungsspitzen und somit von Rissen im Basiskörper 20 wird hierdurch vermieden.
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3 zeigt die erfindungsgemäße Schraube 10 isoliert zur Verdeutlichung der Dimensionen ihrer einzelnen Elemente. Die Länge des Außengewindes 16 wird mit L bezeichnet. Die Tiefe der Ausnehmung 18, die sich vom Schaftende bis zum Grund der Ausnehmung erstreckt, wird mit T bezeichnet. Eine erfindungsrelevante Dimension ist die Durchsetzungslänge I, d.h. diejenige Länge, über die das Außengewinde 16 von seinem schaftseitigen Ende her von der Ausnehmung 18 durchsetzt wird. Bei der Ausführungsform von 3 ist die Durchsetzungslänge I gleich der Ausnehmungstiefe T. Erfindungsgemäß ist die Durchsetzungslänge I in jedem Fall kleiner als die halbe Gewindelänge, d.h. kleiner als L/2.
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Bei der Ausführungsform von 4 hingegen erstreckt sich der Schraubenschaft 14 mit einem Fuß 142 über das schaftendseitige Ende des Außengewindes 16 hinaus. Bei einer solchen Ausführungsform ist die Gesamttiefe T der Ausnehmung 18 um die Länge des Schaftfußes 142 größer als die erfindungsrelevante Durchsetzungslänge I.
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Erheblicher Spielraum für den Fachmann besteht in der speziellen Formgebung und sonstigen Dimensionierung der Ausnehmung 18, insbesondere im Hinblick auf die Verhältnisse zwischen dem Kerndurchmesser D des Außengewindes 16, dem Eingangsdurchmesser d der Ausnehmung 18 und der oben erläuterten Durchsetzungslänge I.
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Bei den in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsformen setzt sich die Form der Ausnehmung 18 aus einem eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181, einem sich anschließenden, paraboloiden Teil 182 und einem den Ausnehmungsgrund bildenden, kalottenförmigen Teil 183 zusammen. Der Ausnehmungsdurchmesser nimmt somit monoton mit der Tiefe der Ausnehmung ab. Dies führt zu einer graduellen Steigerung der Steifigkeit des Schraubenschaftes 14 und insbesondere zu einem stetigen Übergang der Steifigkeit zwischen dem von der Ausnehmung durchsetzten Abschnitt zu dem aus Vollmaterial gefertigten Abschnitt des Schaftes 14. Auf diese Weise werden Lastsprünge zuverlässig vermieden.
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5 zeigt rein beispielhaft vier Varianten der Formgebung der Ausnehmung 18. 5a zeigt eine in der Länge gestauchte Variante der oben im Zusammenhang mit den 3 und 4 erläuterten Formgebung. 5b zeigt eine besonders einfache Formgebung, lediglich bestehend aus einem zylindrischen Teil 181. 5c zeigt eine Ausnehmung 18, bestehend aus einem eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181, an den sich ein linearer Teil 184, d.h. ein Teil mit linear abnehmendem Durchmesser, anschließt. 5d schließlich zeigt eine Ausnehmung 18, umfassend einen eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181 und zwei sich anschließende, lineare Teile 184 mit unterschiedlichen Durchmessergradienten. Die eher breiten als tiefen Formgebungen von 5 eignen sich insbesondere zur spanlosen Herstellung, insbesondere durch Fließpressen.
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Die eher tiefen als breiten Formen von 6 sind hingegen eher zur Herstellung durch Profilbohren geeignet. 6a zeigt eine rein zylindrische Ausnehmungsform, analog 5b. 6b zeigt eine Ausnehmung 18 mit eingangsseitigem, zylindrischem Teil 181 und sich anschließendem, linearem Teil 184, analog 5c. 6c schließlich zeigt eine Ausnehmung 18 mit einem eingangsseitigen, zylindrischen Teil 181, einem sich anschließenden, linearen Teil 184 und einer kalottenförmigen Spitze 183.
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Natürlich stellen die in der speziellen Beschreibung diskutierten und in den Figuren gezeigten Ausführungsformen nur illustrative Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung dar. Dem Fachmann ist im Lichte der hiesigen Offenbarung ein breites Spektrum an Variationsmöglichkeiten an die Hand gegeben. Dies gilt insbesondere für die spezielle Ausgestaltung der Ausnehmungsformen. Anstelle der explizit genannten paraboloiden Formen können auch exponentialfunktionsartige Formen oder allgemein durch Funktionen höherer Ordnung beschreibbare Formen realisiert werden. Der Fachmann wird auch verstehen, dass sämtliche Formangaben nicht streng mathematisch, sondern im Sinne einer praktischen Umsetzbarkeit zu verstehen sind. So werden „zylindrische“ Ausnehmungsformen regelmäßig keine unendlich scharfen Ecken, sondern sanftere Radien aufweisen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Schraube
- 12
- Schraubenkopf
- 14
- Schraubenschaft
- 141
- Hals von 14
- 142
- Fuß von 14
- 16
- Außengewinde
- 18
- Ausnehmung
- 181
- zylindrischer Teil von 18
- 182
- paraboloider Teil von 18
- 183
- kalottenartiger Teil von 18
- 184
- linearer Teil von 18
- 20
- Basiskörper
- 22
- Innengewinde
- 30
- Fixierteil
- 100
- Schraubverbindung
- L
- Gewindelänge
- I
- Durchsetzungslänge
- T
- Ausnehmungstiefe
- D
- Kerndurchmesser von 16
- d
- Eingangsdurchmesser von 18
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012109682 A1 [0003]
- WO 2000/000750 A1 [0006]
