DE19613919C1 - Kopfschraube - Google Patents

Description

Die Anmeldung betrifft eine Kopfschraube nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Sind derartige Schrauben von dem Muttergewindeteil aus dyna­ misch belastet, so sind die an dem freien Schaftende liegenden Gewindegänge, und zwar insbesondere der letzte Gewindegang, kraftmäßig am höchsten belastet. Solche Belastungsfälle liegen beispielsweise bei Zylinderkopf- und Grundlagerverschraubungen von Verbrennungsmotoren mit Bezug auf die Zünddruckkräfte vor. In diesen Fällen kann es durch eine Überlastung in dem Mutter­ werkstoff in den höchstbelasteten Gewindegängen zu Anrissen in dem Gewindekerbgrund des Mutterwerkstoffes kommen.

Es ist bereits bekannt, in solchen Fällen durch kraftentlasten­ de Formgebungen der Schraube in dem höchstbelasteten Gewindebe­ reich und/oder dem Muttergewindebereich der Gefahr eines Gewin­ deanrisses entgegenzuwirken (EP 00 53 467 A1, DE-PS 6 86 521, DE 25 57 629 A1, Hase, Reinhart: "Die Lastverteilung im Gewin­ deeingriff und ihre Beeinflussung" in Werkstatt und Betrieb 110, 1977, 7, S. 439-444, Bild 1, S. 441, Sp. 2, Abs. 2, 9).

Hiervon ausgehend beschäftigt sich die Erfindung mit dem Pro­ blem, die Gewindeanrißgefahr durch andere Maßnahmen, die insbe­ sondere entgegen der vorgenannten bekannten Maßnahme kein be­ sonderes Bauvolumen für sich benötigen, zu beseitigen.

Bei der gattungsgemäßen Definition der erfindungsgemäßen Kopf­ schraube soll die Materialeigenschaft "Nachgiebigkeit" im Sinne einer Plastizität oder Duktilität verstanden werden, das heißt hohe Nachgiebigkeit ist gleichbedeutend mit einem weichen oder fließfähigen Material, während ein Material mit geringer Nach­ giebigkeit sich hart oder spröde verhält.

Eine erfindungsgemäße Lösung des Problemes stellt eine gat­ tungsgemäße Kopfschraubenausführung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dar.

Die Erfindung beruht dabei auf dem Gedanken, denjenigen Schrau­ benbereich, der in dem höchstbelasteten Muttergewindebereich liegt, weicher, das heißt nachgiebiger bezüglich des Schraubma­ terials auszulegen als den axial übrigen Bereich der Schraube.

Dies kann auf verschiedene Arten geschehen. Besonders vorteil­ hafte und zweckmäßige Möglichkeiten sind Gegenstand der Un­ teransprüche. Im Zusammenhang mit einem noch zu beschreibenden und in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel wird hierauf noch näher eingegangen werden.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Schraubverbindung im Längsschnitt,

Fig. 2 ein Diagramm der Verteilung der Schraubenkraft über die eingeschraubte Länge des Schaftes der Schraube nach Fig. 1.

Eine Kopfschraube 1 ist in das Muttergewinde eines ersten Bau­ teiles 2 eingeschraubt. Der Kopf der Kopfschraube 1 verspannt dabei ein zweites Bauteil 3 gegen das erste Bauteil 2.

Das erste Bauteil 2 ist von dem dem Kopf der Schraube 1 abge­ wandten Ende aus dynamischen Kräften ausgesetzt. Diese Kräfte können beispielsweise von den Zünddrücken der Verbrennungsräume eines Verbrennungsmotors ausgehen.

In dem Diagramm der Verteilung der Schraubenkraft über die Län­ ge des Schaftes nach Fig. 2 sind drei Kräftekurven angegeben. Davon gibt die Kurve A den statischen Kraftverlauf allein aus der Schraubenmontage an. Die Kurve B gibt den Verlauf aus dyna­ mischer Belastung der Verschraubung wieder, wie er beispiels­ weise bei einer Zünddruckbelastung bei einem Verbrennungsmotor auftritt. Die Kurve C stellt die Überlagerungskurve aus den Kurven A und B dar. Aus der Differenz der Diagrammlinie A ge­ genüber der Kurve C ist deutlich erkennbar, daß die maximale dynamische Belastung des Gewindes im Bereich der letzten Gewin­ degänge des Gewindeeingriffes vorliegt.

Das Material des ersten Bauteiles 2, in dem sich das Mutterge­ winde befindet, kann beispielsweise aus Aluminium oder Gußeisen bestehen. Das Material der Schraube kann Stahl sein. Ein wei­ cher Endbereich einer solchen Stahl-Schraube kann beispielswei­ se durch ein Weichglühen nach dem Vergüten der Schraube vor oder nach der Herstellung des Gewindes erreicht werden. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die Schraube überhaupt nur teilweise zu vergüten.

Der weiche Bereich kann auf einen Endbereich der Schraube be­ schränkt sein, der etwa 2 bis 15 Gewindegänge umfaßt bzw. das 0,1 bis 2-fache des Schraubengewinde-Außendurchmessers, vor­ zugsweise etwa das 1-fache des Gewindedurchmessers messen kann. Dabei gelten die geringeren Werte für kurze und die höheren Werte für tiefere Einschraublängen einer Schraube.

Die Nachgiebigkeit des Schraubenmaterials kann vom freien Ende der Schraube aus kontinuierlich über einen bestimmten axialen Bereich in Richtung des Schraubenkopfes verändert, das heißt verringert werden. Es ist aber auch möglich, die Veränderung in Stufen vorzunehmen, wobei unter Umständen eine einzige Stufe mit einem weicheren Bereich am freien Ende des Schraubenschaftes bereits ausreicht.

Ein gegenüber dem übrigen Schaft weicherer Endbereich kann auch durch Vorsehen eines anderen Materials in diesem Bereich er­ reicht werden. Dabei kann dieses Material hülsenartig auf einen Kern des übrigen Schraubenmaterials aufgezogen oder als Überzug aufgebracht werden.

Das abweichende Material kann zweckmäßigerweise durch Reib­ schweißen mit dem übrigen Schraubenmaterial verbunden werden. So kann beispielsweise der weichere Materialbereich aus Alumi­ nium bestehen und über Reibschweißen angebunden sein.

Ein angeschweißtes Schaftende kann bei einer Stahlschraube auch aus einem nicht härtbaren, kohlenstoffarmen Stahl bestehen. Aus einem derart vorbereiteten Schraubenrohling kann die Schraube gefertigt werden, anschließend ein Gewinde gerollt und sodann die Schraube als Ganzes gehärtet werden, wobei das Schaftende dabei weich bleibt.

Claims (9)

1. Kopfschraube mit einem Gewinde zum Einschrauben in ein Muttergewinde eines ersten Bauteiles zur Befestigung eines zweiten von dem Kopf der Schraube gehaltenen Bauteiles auf dem ersten Bauteil, die zumindest in einem axial begrenzten Endbereich ihres Gewindes zu dessen freiem Ende hin zunehmend nachgiebig ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachgiebigkeitsunterschied durch Plastizität oder Duktilität des Schraubenwerkstoffes gegeben ist.

2. Kopfschraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeit des Schraubenmaterials zumindest am freien Ende des Schraubenschaftes gegenüber derjenigen des Muttergewindes höher ist.

3. Kopfschraube nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Nachgiebigkeit des Schraubenwerkstoffes in dem Gewin­ debereich axial gestuft zunimmt, wobei zumindest ein zum freien Schaftende hin liegender Axialbereich mit erhöhter Nachgiebigkeit vorliegt.

4. Kopfschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schraube aus Stahl besteht und in Längsrichtung un­ terschiedlich gehärtet und/oder wärmebehandelt ist.

5. Kopfschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Nachgiebigkeitsunterschied des Schraubenmaterials in dem Gewindebereich durch unterschiedliche miteinander verbun­ dene Ausgangsmaterialien gegeben ist.

6. Kopfschraube nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein unterschiedliches Material als Hülse oder Überzug auf einen Grundmaterialkern der Schraube aufgebracht ist.

7. Kopfschraube nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedliche Materialien miteinander reibverschweißt sind.

8. Kopfschraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Gewinde-Endbereich der Schraube aus einem nicht härt­ baren Stahl besteht, während der übrige Bereich der Schraube durch härtbaren Stahl gegeben ist, und daß die fertige Schrau­ be bezüglich ihres härtbaren Materialanteils gehärtet ist.

9. Kopfschraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der axiale aus nachgiebigerem bzw. weicherem Material be­ stehende Endbereich 2 bis 15 Gewindegänge oder das 0,1 bis 2,0-fache, vorzugsweise etwa das 1-fache des Gewindeaußen­ durchmessers mißt.