DE202012001847U1

DE202012001847U1 - Selbstfurchende Schraube

Info

Publication number: DE202012001847U1
Application number: DE202012001847U
Authority: DE
Original assignee: Ruia Global Fasteners AG
Current assignee: RT HOLDINGS III WG (US), LP SCS, LU
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-02-23
Publication date: 2012-03-05
Anticipated expiration: 2022-02-24
Also published as: WO2013123940A3; WO2013123940A2; MX2014010165A; CA2862996A1; US20150010375A1; EP2817523A2; TW201335492A

Abstract

Selbstfurchende Schraube (10) mit einem Kopf (12) und einem Außengewindeträger (16) mit einem Ende (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (18) zumindest über einen Teil (K) seiner Länge anschließend an das Ende (20) einen auf das Ende (20) hin abnehmenden Außendurchmesser aufweist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine selbstformende Schraube, die speziell für den Einsatz in unbehandelten Gusslöchern mit einer entsprechenden Entformungsschräge geeignet ist.
Selbstfurchende Schrauben, wie sie beispielsweise unter dem Markennamen „TAPTITE^®” auf dem Markt verfügbar sind, setzen sich immer mehr auf dem Markt durch, da sie ein großes Einsparpotential im Vergleich zu herkömmlichen Verschraubungen mit vorgeformten oder vorgeschnittenen Mutterngewinden bieten können. Der große Kostenvorteil in der Gesamtbetrachtung liegt darin, dass man sich die Bearbeitung des vorgegossenen Loches sowie das anschließende Gewindeformen beziehungsweise -schneiden sparen kann. Bei Anwendungen in gegossenen Teilen werden die selbstfurchenden Schrauben direkt in das konisch gegossene Gussloch (die Konizität ergibt sich aufgrund der durch den Gießprozess geforderten Entformungsschräge) geschraubt.
Aufgrund der zylindrischen Form der Schraube und der zwangsläufig immer konischen Form des Gussloches wegen der Entformungsschräge kommt es dabei nie zu einer optimalen Flankenüberdeckung. Bei sehr großen Einschraubtiefen kann es sogar vorkommen, dass die Überdeckung im oberen Bereich gegen 0 geht.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine selbstfurchende Schraube zur Verfügung zu stellen, die auch in konisch gegossenen Löchern eine möglichst optimale Flankenüberdeckung aufweist und allgemein die Ausreißkräfte selbstfurchender Schrauben in konisch gegossenen Löchern zu erhöhen.
Im Stand der Technik konnte immer nur ein möglichst guter Kompromiss bei der Verschraubung selbstfurchender Schrauben in Gusslöchern versucht werden. Im unteren Lochbereich wurde auf eine maximale Überdeckung ausgelegt und im oberen Bereich auf die sich durch die Konizität ergebende Überdeckung. Die Einschraubtiefen mussten dann so gewählt werden, dass sich im oberen Bereich noch eine technisch sinnvolle Überdeckung ergab, und nicht so tief, wie es zur Übertragung der Kräfte in weichen Materialien wie Guss eigentlich notwendig gewesen wäre. Entsprechend große Einschraubtiefen konnten daher bisher nur bei metrischen Standardverbindungen mit zylindrisch vorgefertigten oder zumindest zylindrisch vorgebohrten Einschraublöchern erreicht werden.
In den letzten Jahren kommt es vermehrt zu Problemen, da selbstfurchende Schrauben früher nur für untergeordnete Verbindungen genutzt wurden. Erst aufgrund des Kostendrucks auf dem heutigen Markt kommt es zu immer mehr Strukturanbindungen, bei denen die selbstfurchenden Schrauben auch überelastisch verschraubt werden sollen, und dann an die Grenzen der übertragbaren Ausreißkräfte kommen.
Bisher war hier also nur ein möglichst guter Kompromiss möglich. Man hat gemäß dem Stand der Technik auch versucht, möglichst geringe Entformungsschrägen vorzusehen, was dann jedoch wieder Probleme im Gießprozess bei der Entformung aufwirft. Weiter wurden im Stand der Technik teilweise Überdeckungen von über 100% vorgesehen, welche in weichem Material mit guter Schmierung manchmal realisierbar waren. Eine wirkliche Lösung dieses Problems hat der Stand der Technik aber nicht gekannt.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine selbstfurchende Schraube gelöst, welche zumindest über einen Teil ihrer Einschraubtiefe nicht zylindrisch ist, sondern eine Konizität entsprechend der Konizität des Gussloches aufweist.
Da nahezu alle Auslegungen für selbstfurchende Schrauben im Vorfeld anwendungstechnisch untersucht und ausgelegt werden müssen – Abstimmen des konischen Gussloches, Abstimmen der Einschraubtiefe, Abstimmen der Schmierung der Schraube etc. –, also individuell abgestimmt werden müssen, ist auch eine individuelle Anpassung der Schraubengeometrie auf eine bestimmte Applikation sinnvoll und möglich.
Hinzu kommt, dass sich bei den Gusslöchern ohnehin feste Winkel von rund 1,2° für die Entformungsschräge eingebürgert haben, sodass man für die meisten Anwendungsfälle die Konizität der Schrauben auf 1,2° festlegen kann.
Ist nun die Schraube im gleichen Maße konisch wie das Loch, lässt sich für eine bestimmte, vorher zu bestimmende Einschraubtiefe über die gesamte Einschraublänge eine gleichbleibende Flankenüberdeckung erreichen, wie dies sonst nur bei zylindrischen oder zylindrisch vorgebohrten Lochern möglich ist.
Um das Einschrauben der konischen Schrauben zu erleichtern, ist es besonders bevorzugt, dass die Flanken der Gewindegänge mit ansteigendem Durchmesser im Vergleich zu dem Gewindegang im Bereich des vorderen Endes der Schrauben schmaler beziehungsweise schlanker gestaltet werden. Man kann beispielsweise bei jeder Flanke den Flankenwinkel um 0,5° abnehmen lassen, oder die Fußbreite zwischen den Flanken des Gewindeganges um 1% verringern, um die durch die Konizität nötige Formarbeit und das daraus resultierende höhere Einschraubmoment zu kompensieren.
Des Weiteren ist es bevorzugt, um eine noch größere Eingriffstiefe zu realisieren und somit den Anteil an tragendem Mutternwerkstoff zu erhöhen, auf die Flankenspitzen zusätzliche kleine Erhöhungen aufzubringen. Dies gegebenenfalls in Verbindung mit der Verschmälerung beziehungsweise Verschlankung der Flanken bei steigendem Außendurchmesser des Außengewindes.
Im Einzelnen wird die Aufgabe der vorliegenden Erfindung durch eine selbstfurchende Schraube mit einem Kopf und einem Außengewindeträger mit einem Ende gelöst, dessen Außengewinde zumindest über einen Teil seiner Länge anschließend an das Ende einen auf das Ende hin abnehmenden Außendurchmesser aufweist.
Es ist dabei bevorzugt, wenn der Außendurchmesser des Außengewindes entsprechend der Entformungsschräge der Löcher abnimmt, in die die Schraube gesetzt werden soll. Dies erlaubt eine optimale Flankenüberdeckung.
Um nicht für jede Anwendung eine eigene Schraube konstruieren zu müssen, ist es bevorzugt, dass der Außendurchmesser des Außengewindes dergestalt abnimmt, dass eine Linie, die die Spitzen der Gewindegänge des Außengewindes verbindet, in Richtung auf das Ende hin mit einem Winkel von 1,0 bis 1,5 Winkelgrad, vorzugsweise 1,2 Winkelgrad auf die Rotationsachse des Außengewindes hin verläuft. Im Hinblick auf die übliche Entformungsschräge von 1,2° bei Gusslöchern kann dadurch eine immer noch nahezu optimale Flankenüberdeckung für die meisten Anwendungsfälle realisiert werden, ohne dass jeweils Spezialschrauben verwendet werden müssen.
Weiter ist es bevorzugt, wenn sich der Bereich abnehmenden Außendurchmessers etwa über die Hälfte des Außengewindes erstreckt.
Um das Einschraubmoment beim Furchen möglichst gering zu halten, ist es bevorzugt, wenn sich der Abstand der Gewindeflanken des Gewindeganges vom Ende der Schraube zum Kopf der Schraube hin vermindert.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich die Verminderung des Abstandes der Gewindeflanken des Gewindegangs auf den Bereich abnehmenden Außendurchmessers des Außengewindes beschränkt.
Hierbei ergibt sich eine besonders günstige Verringerung des Abstandes der Gewindeflanken, wenn dieser pro Umlauf um 0,1% bis 2% vorzugsweise 1% abnimmt.
Alternativ kann eine Verringerung des Einschraubmomentes beim Furchen auch dadurch erzielt werden, dass sich der Winkel der Gewindeflanken des Gewindeganges vom Ende der Schraube zum Kopf der Schraube hin vermindert.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn sich die Verminderung des Winkels der Gewindeflanken des Gewindeganges auf den Bereich abnehmenden Außendurchmessers des Außengewindes beschränkt.
Als besonders günstig hat es sich erwiesen, wenn der Winkel der Gewindeflanken des Gewindeganges pro Umlauf um 0,1° bis 1°, vorzugsweise um 0,5° abnimmt.
Um eine weitere Erhöhung der Ausreißkräfte der Schraube zu erzielen, kann an der Spitze jeden Gewindeganges ein steilerer Abschnitt mit wesentlich geringem Winkel zwischen den beiden Flanken vorgesehen sein.
Dabei ist es besonders bevorzugt, wenn der Winkel zwischen den Flanken des steileren Abschnittes nur etwa halb so groß ist, wie der Winkel zwischen den Flanken im kernnahen Bereich des Gewindeganges.
Im Folgenden wird die vorliegende Erfindung anhand des in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:
1 eine erfindungsgemäße selbstfurchende Schraube mit einem konischen Einschraubbereich von der Seite;
2 die Schraube der 1 vom Kopf her gesehen;
3 die Ausgestaltung des Gewindes einer erfindungsgemäßen Schraube im Detail und in Schnittdarstellung von der Seite; und
4 das Detail eines einzelnen Gewindeganges der 3, ebenfalls in Schnittdarstellung von der Seite.
1 zeigt eine erfindungsgemäße selbstfurchende Schraube 10 von der Seite. Diese umfasst einen üblichen Kopf 12 mit einem Außenkraftangriff 14 und einem Außengewindeträger 16 mit einem Außengewinde 18. Der Außengewindeträger 18 weist üblich ein zugespitztes Ende 20 auf.
Erfindungsgemäß ist jedoch hier vorgesehen, dass ein Bereich K zwischen dem Ende 20 und etwa der Mitte des Außengewindes 18, nicht wie sonst bei Schrauben üblich zylindrisch, sondern leicht konisch ausgebildet ist, wobei dieser Bereich mit einem Winkel von 1,2° auf das Ende 20 hin zuläuft, d. h. dass sich der Außendurchmesser des Außengewindeträgers 16 in diesem Bereich auf das Ende 20 hin vermindert. Dieser konische Bereich K erstreckt sich bevorzugt über den Einschraubbereich.
Dieser Einschraubbereich entspricht vorzugsweise der Gewindeüberdeckung.
Die 2 zeigt die Schraube der 1 von der Kopfseite.
Die 3 zeigt das Detail X aus der 1. Hier ist das erfindungsgemäße Gewinde 18 in dem konischen Einschraubbereich K im Detail entlang einer Ebene durch die Rotationsachse des Außengewindeträgers 16 geschnitten dargestellt.
Hierbei werden die einzelnen geschnittenen Gewindegänge 22 im Detail dargestellt. Das Detail verläuft ebenfalls wie 1, d. h. rechts ist das Ende 20 der Schraube 10 angeordnet, während links der Kopf 12 liegen würde.
Wie in 3 dargestellt, weist die erfindungsgemäße Schraube 10 in dem konischen Einschraubbereich K Gewindegänge 22 auf, die mit zunehmendem Außendurchmesser des Außengewindes 18 schmaler beziehungsweise schlanker werden. Hierzu wird bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel der Winkel zwischen den beiden Flanken 24, 26 des Gewindeganges 22 von Umlauf zu Umlauf geringer. Dargestellt ist hier die Abnahme von 60° über 59,5° bei dem kopfseitig nächstgelegenen Gewindegang auf 59° und schließlich 58,5°. In der gleichen Weise nimmt der Winkel zwischen den beiden Flanken 24, 26 in Richtung auf den Kopf hin pro Umlauf weiter um jeweils 0,5° ab. Die entsprechende Abnahme endet, und die Gewindegänge weisen dann eine konstant bleibende Breite beziehungsweise einen konstant bleibenden Flankenwinkel auf, sobald der abgeschrägte Bereich K endet und in das übliche zylindrische Schraubengewinde übergeht. Um die Widerstandsfähigkeit der dargestellten erfindungsgemäßen selbstfurchenden Schraube 10 gegen Ausreißen weiter zu verbessern, sind die hier dargestellten Gewindegänge 22 an ihrem äußeren Ende nicht mit einer abgerundeten oder winkelförmigen Spitze versehen, sondern gehen in einen schmaleren und steileren Ansatz 28 über, wie in 4 in größerem Detail dargestellt.
Dieser Ansatz 28 weist dann zwischen seinen beiden Flanken 30 und 32 einen Winkel auf, der lediglich dem halben Winkel zwischen den Flanken 24 und 26 entspricht.
Der Vorteil der vorstehend beschriebenen Erfindung liegt in der Realisierbarkeit einer gleichbleibenden Flankenüberdeckung in konisch gegossenen Löchern sowie bei Bedarf, durch die zusätzliche Flankenerhöhung 28 in der Erzielung einer weiteren Erhöhung der Ausreißkräfte.
Mit der erfindungsgemäßen selbstfurchenden Schraube lassen sich beliebig große Einschraubtiefen realisieren, sodass auch die Verwendung in höchst beanspruchten Applikationen möglich wird, die den selbstfurchenden Schrauben des Standes der Technik bisher aufgrund der nicht ausreichenden Performance verschlossen blieben. Hier wäre als Beispiel die Zylinderkopfverschraubung von Motoren zu nennen.
Erfindungsgemäß wird eine sonst immer zylindrisch ausgeformte selbstfurchende Schraube in dem Winkelverlauf ihres Außengewindes an die Gusslochgeometrie angepasst, und so eine optimale Überdeckung des Gewindes im zwangsläufig immer konischen Gussloch erreicht.

Claims

Selbstfurchende Schraube (10) mit einem Kopf (12) und einem Außengewindeträger (16) mit einem Ende (20), dadurch gekennzeichnet, dass das Außengewinde (18) zumindest über einen Teil (K) seiner Länge anschließend an das Ende (20) einen auf das Ende (20) hin abnehmenden Außendurchmesser aufweist.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Außengewindes (18) entsprechend der Entformungsschräge der Löcher abnimmt, in die die Schraube (10) gesetzt werden soll.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser des Außengewindes (18) dergestalt abnimmt, dass eine Linie, die die Spitzen (32) der Gewindegänge (22) des Außengewindes (18) verbindet in Richtung auf das Ende (20) hin mit einem Winkel von 1,0° bis 2,0°, vorzugsweise 1,2°, auf die Rotationsachse des Außengewindes (18) hin verläuft.
Selbstfurchende Schraube (10) nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Bereich (K) abnehmenden Außendurchmessers etwa über die komplette Einschraubtiefe (Gewindeüberdeckung) erstreckt.
Selbstfurchende Schraube (10) nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Abstand der Gewindeflanken (24, 26) des Gewindeganges (18) vom Ende (20) der Schraube (10) zum Kopf (12) der Schraube (10) hin vermindert.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verminderung des Abstandes der Gewindeflanken (24, 26) des Gewindeganges (22) auf den Bereich (K) abnehmenden Außendurchmessers des Außengewindes (18) beschränkt.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Gewindeflanken (24, 26) pro Umlauf um 0,1 bis 2%, vorzugsweise 1% abnimmt.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel zwischen den Gewindeflanken (24, 26) des Gewindeganges (22) vom Ende der Schraube (10) zum Kopf (12) der Schraube (10) hin vermindert.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Verminderung des Winkels zwischen den Gewindeflanken (24, 26) des Gewindeganges (22) auf den Bereich (K) abnehmenden Außendurchmessers des Außengewindes (18) beschränkt.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Winkel zwischen den Gewindeflanken (24, 26) des Gewindeganges (22) pro Umlauf um 0,1° bis 1°, vorzugsweise um 0,5° vermindert.
Selbstfurchende Schraube (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an der Spitze jeden Gewindeganges (22) ein steilerer Abschnitt (28) mit wesentlich geringerem Winkel zwischen den beiden Flanken (30, 32) angesetzt ist.
Selbstfurchende Schraube (10) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen den Flanken (30, 32) des steileren Abschnitts (28) nur etwa halb so groß ist, wie der Winkel zwischen den Flanken (24, 26) im kernnahen Bereich des Gewindeganges (22).