DE2452825C2

DE2452825C2 - Schraube

Info

Publication number: DE2452825C2
Application number: DE2452825A
Authority: DE
Inventors: Herman Gustave South Dartmouth Mass. Muenchinger
Original assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Current assignee: Research Engineering and Manufacturing Inc
Priority date: 1973-12-07
Filing date: 1974-11-07
Publication date: 1983-03-24
Also published as: FR2253938B1; CA1017663A; FR2253938A1; SE400617B; SE7413268L; JPS5728005B2; JPS5085758A; GB1441499A; CH583381A5; IT1023282B; ES432017A1; US3877339A; AU7566674A; DE2452825A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Kopfschraube mit einem axial vom Kopf ausgehenden Gewindeschaft, dessen Gewindegänge in Umfangsrichtung voneinander entfernte radiale Hocker und dazwischenliegende, gegenüber den Höckern zurückweichende Seiten aufweisen und mit einem an den Kopf angrenzenden Element, das eine Auflagefläche zur Anlage an einem mittels der Kopfschraube zu befestigenden Bauteil aufweist.

Eine derartige, selbstschneidende Schraube mit höckeriger Konfiguration ist aus der US-PS 31 95 156 bekannt. Der Schaft dieser Schraube besitzt eine Anzahl von über den Umfang verteilten gewindeformenden Höckern mit dazwischenliegenden bogenförmigen Seiten, die hinter den Höckern zurücktreten und für ein bestimmtes Unifangsspiel sorgen. Eine solche Schraube ist über den ganzen Gewindeschaft hinweg höckerig. Am Frontende der Schraube befinden sich Hocker mit progressiv größer werdendem, von der Schaftachse ausgehendem Radius, um in das Werkstück progressiv ein Gewinde mit kreisförmigem Querschnitt einzuarbeiten. Der dem Schraubenkopf zugekehrte Teil des höckerigen Gewindes hat wenig Einfluß auf das Gewindeschneiden, bildet aber den in das Werkstückgewinde eingreifenden Halteabschnitt. Da diese Schraube aus einem höckerigen Rohteil mit konventionellen Werkzeugen gerollt werden kann, läßt sie sich relativ leicht herstellen und hat aufgrund ihrer bewährten guten Eigenschaften weite Verbreitung gefunden.

Der Kontakt des Schraubengewindes im Bereich des Halteabschnittes mit dem passenden Werkstückgewinde konzentriert sich hauptsächlich auf die Hocker. Es sind gewöhnlich drei Hocker vorgesehen, weil diese Bauweise sich bewährt hat. Wird die Schraube mit relativ hohem Drehmoment angezogen, dann ergibt sich in jedem Falle eine stark ausgeprägte Belastungskonzentration. Wird die Schraube über ein für den Anwendungsfall empfohlenes Drehmoment hinweg festgezogen, dann findet im Bereich der Hocker am Innengewinde des Werkstückes eine progressive Zerstörung statt. Sobald die Zerstörung einmal begonnen hat, schreitet sie fast ohne zusätzliches Drehmoment fort. Es ist zwar auch eine Zerstörung des Schraubengewindes an den Höckern möglich, in den meisten Fällen jedoch ausgeschlossen, weil die Schrauben-Gewindegänge gehärtet sind, was beim Werkstück gewöhnlich nicht der Fall ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraube der genannten Art zu schaffen, die eine verringerte Belastungskonzentration am Hocker aufweist, sich ohne Gewindeschäden stärker festziehen läßt als konventionelle Schrauben, einen bisher für unmöglich gehaltenen Selbsthalteeffekt im Werkstückgewinde aufweist, und die mit einer verbesserten Anlagefläche gegenüber dem Werkstück ausgestattet ist.

Bei einer Kopfschraube mit den einleitend aufgeführten Merkmalen wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an der Auflagefläche dem Schaft zugekehrte, in Abständen über den Umfang verteilte und im wesentlichen zu den Höckern ausgerichtete axiale Vertiefungen und in Umfangsrichtung dazwischenliegende axiale Erhebungen vorgesehen sind.

Zwar ist aus der US-PS 29 56 470 eine Kopfschraube

mit Auflagefläche bekannt, an der sich dem Schaft zugekehrte, in Abständen über den Umfang verteilte Vertiefungen und dazwischenliegende Erhebungen befinden. Diese Ausgestaltung der Kopfunterseite dient aber nicht der Verringerung der Belastungskonzentration von Gewindehöckern und kann auch keine Anregung in dieser Richtung geben, weil gar keine Gewindehöcker vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Lösung hat viele Vorteile. Sie ermöglicht die Bildung einer größeren Flankenauflagefläche zwischen Schraube und Werkstückgewinde und führt auf diese Weise zu einer verringerten Belastungskonzentration im Höckerbereich der Schraube. Dadurch läßt sich die Schraube ohne Zerstörung fester anziehen als konventionelle Schrauben. Außerdem nähert sich das Schraubengewinde und das Innengewinde des Werkstückes einer wellenförmigen Wendelbahn, mit dem Resultat, daß nicht nur eine größere Zugbelastung möglich ist, sondern die Schraube vor allem einen besseren Widerstand gegen unbeabsichtigtes Lösen bietet.

Das die Anlagefläche gegenüber dem zu befestigenden Bauteil aufweisende Element kann entweder Bestandteil des Kopfes selbst oder eine dem Kopf unterlegte besondere Scheibe sein. Dieses Element besitzt über seinen Umfang verteilte und dem Schraubenschaft zugekehrte Vertiefungen, die im wesentlichen gegenüber den Höckern des Gewindeschaftes ausgerichtet sind. Der Gewindeschaft besitzt zwischen seinen Höckern zurückweichende Seiten, die so gestaltet sind, daß beim Einschrauben in ein passendes Werkstückgewindc mit kreisrundem Querschnitt das Schraubengewinde im wesentlichen an den Höckern lokalisiert wird.

Einige bevorzugte Ausfiihrungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf eine Zeichnung erläutert. Darin zeigt

F i g. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer gerade in ein Werkstück eingeschraubten und teilweise angezogenen erfindungsgemäßen Schraube,

F i g. 2 eine ähnliche Ansicht der Schraube von Fig. 1, jedoch im vollständig festgezogenen Zustand,

Fig. 3 einen Schnitt im Verlauf einer Linie 3-3 von Fig. 1,

Fig.4 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 5 einen Ausschnitt aus Fig. 2 in vergrößertem Maßstab,

F i g. 6 eine abgebrochene Seitenansicht einer gegenüber F i g. 1 abgewandelten erfindungsgemäßen Schraube,

Fig. 7 einen Schnitt im Verlauf einer Linie 7-7 von Pig. 6,

F i g. 8 eine abgebrochene Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung,

Fig. 9 einen Schnitt im Verlauf einer Linie 9-9 von Fig. 8,

Fig. 10 die Schraube von Fi g. 8 im gegenüber einem Werkstück festgezogenen Zustand,

Fig. 11 ein weiteres abgewandeltes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Schraube, und

Fig. 12 einen Schnitt im Verlauf einer Linie 12-12 von Fig. 11.

Die in Fig. 1 und 2 der Zeichnung dargestellte Schraube besitzt einen mit einem Außensechskant versehenen Kopf 2 (selbstverständlich sind auch andere bekannte Kopfkonfigurationen möglich) und einen axial dazu verlaufenden Gewindeschaft 4, dessen Gewinde 6 mit Höckern versehen ist. Wie die Querschnittsdarstellung von F i g. 3 zeigt, besitzt das Gewinde 6 insgesamt drei gleichmäßig über seinen Umfang verteilte Hocker 8, und zwischen zwei benachbarten Höckern 8 liegt jeweils eine kreisbogenförmige Seite 10, die gegenüber den Höckern 8 in Umfangsrichmng zurücktritt. Die Schraube kann ein Befestigungselement sein, welches sich in ein Werkstück 14 ein passendes Werkstückgewinde 12 mit zylindrischem Querschnitt selbst schneidet, ίο Das Gewinde 6 kann entweder gemäß US-Patent 31 95 156 ausgebildet sein oder eine andere höckerige Konfiguration aufweisen. Hier sei nur kurz gesagt, daß die Schraube sich beim Eindrehen in das Werkstück 14 mit Hilfe seiner gewindeformenden Hocker am Frontabschnitt der Schraube das Werkstückgewinde 12 selbst schneidet, und wenn die Schraube vollständig festgezogen ist, dann hält sie ein Bauteil 16 am Werkstück 14 fest. Ein Loch 15 im Bauteil 16 gibt dem Schraubengewinde 6 Luft.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß F i g. 1 —5 ist der Kopf 2 mit einem zwischen ihm selbst und dem Gewinde 6 angeordneten integralen Flansch 18 mit einer dem Gewindeschaft 4 zugekehrten Auflagefläche versehen, von denen letztere auf dem festgehaltenen Bauteil 16 aufliegt.

Die Auflagefläche 20 ist insgesamt wellenförmig gestaltet, nämlich in Form einer Anzahl von in Umfangsrichiung durch Vertiefungen 22 getrennten Erhebungen 24. Sämtliche Talpunkte der Vertiefungen jo 22 liegen in einer Flucht mit den Höckern 8 des Gewindeschaftes, und die Scheitelpunkte der Erhebungen 24 fluchten dann ihrerseits mit den Mitten der kreisbogenförmigen Seiten 10.

Beim Festziehen der Schraube berühren die Erhebungen 24 zunächst die Außenfläche 17 des Bauteils 16, und sobald sie fest angepreßt werden, dann pressen sich auch die Druckflanken jedes Höckers 8 gegen benachbarte Druckflankenabschnitte des Werkstückgewindes 12. Fig.4 läßt erkennen, daß dabei der Druckflankenabschnitt 26 jeder bogenförmigen Seite 10 einen Abstand vom benachbarten Druckflankenabschnitt 28 des Werkstückgewindes 12 behält, und dieser Abstand ist in der Mitte der Seiten 10 am größten. Deshalb konzentriert sich die Belastung auf die Hocker 8 und die Druckflankenbereiche des von ihnen berrührten, dazu passenden Innengewindes. Da die Berührungszonen der Hocker 8 relativ klein sind, entstehen Belastungskonzentrationen an diesen Stellen des Innengewindes, wenn die Auflagefläche 20 nach herkömmlicher Bauweise flach ist. Jedoch nicht bei Verwendung der wellenförmigen Auflagefläche 20. Verwendet man eine flache Auflagefläche unter dem Kopf, dann könnte es beim Festziehen der Schraube zu Zerstörungen an den Innengewindezonen kommen, die an den Höckern 8 anliegen.

Wenn jedoch die Schraube gemäß Fi g. 2 und 5 fest angezogen wird, dann flachen sich die Erhebungen 24 ab oder die Außenfläche 17 des Bauteils 16 deformiert sich dementsprechend, oder möglicherweise treten beide fen Effekte ein. Den Grund dafür liefern die Vertiefungen 22. Beim weiteren Festziehen der Schraube kann diese sich nämlich um ein gewisses Stück axial verschieben, und dieses Stück reicht aus, wesentliche Bereiche der Druckflankenabschnitte 26 an den Seiten 10 in Eingriff <■■". zu b'ingen mit den Druckflankenabschnitlen 28 des Werkstückgewindes 12, wie F i g. 5 zeigt. Dadurch vergrößert sich natürlich die gesamte im Eingriff befindliche Druckflankenzone zwischen Schraubenge-

winde 6 und Werkstückgewinde 12. Dadurch werden Belastungskonzentrationen verringert, und die effektive Zugfestigkeit der Schraube wird erhöht. Ferner erhöht sich das Drehmoment, bei dem die Schraube zerstört wird. )

Die Tiefe der Vertiefungen 22 sollte gleich oder größer sein als die Luft zwischen dem Schraubengewinde 6 an den Seiten 10 und dem Werkstückgewinde 12, verursacht durch den unrunden Zustand des Schraubengewindes. Der Abstand d (Fig. 1) zwischen den κι Scheitelpunkten der Erhebungen 24 und den Talpunkten der Vertiefungen 22 sollte gleich oder größer sein als die in Fig.4 mit d' bezeichnete axiale Gewindeluft. Man beachte dabei den vergrößerten Maßstab von Fig.4, der wegen der besseren Übersicht die Strecke rf'größer r, erscheinen läßt als sie in Wirklichkeit ist.

!m Verlauf dieser vorerwähnten Schrauben-Axialbewegung führt der von den Höckern 8 auf das Werkstückgewinde 12 übertragene Axialdruck werkstückseitig zu Verformungen 30, so daß, wie in F i g. 5 angedeutet, die Schraubenlinie des Gewindes wellenartig deformiert wird. Die Wellenform der Schraubenlinie ist aus Gründen der Anschaulichkeit übertrieben dargestellt. Auf jeden Fall ergibt die Wellenform der Schraubenlinie des Gewindes eine Verbindung zwisehen den beiden Gewindeteilen, die nicht nur eine größere Zugfestigkeit, sondern tatsächlich eine eingeformte Verriegelungsstellung gegenüber dem passenden Innengewinde bildet, weiche sich dem Lösen der Gewindegänge widersetzt. jo

Bei dem Ausführungsbeispiel von F i g. 6 und 7 ist der integrale Flansch 18a des Kopfes 2 etwas konisch gestaltet und mit einer ringförmigen Rille 32 hinterschnitten, die den Gewindeschaft 4 umgibt. Weil diese hinterschnittene Rille 32 die Elastizität des Flansches 18a erhöht, kann dieser sich beim Festziehen der Schraube gegenüber dem Werkstück elastisch verformen, wie dies ebenfalls bei dem Schraubengewinde 6 an den Höckern 8 der Fall ist. Im allgemeinen werden das Werkstück und/oder das Bauteil 16 bleibend deformiert. Jedes Element, zu denen die Schraube, das Werkstück und das festgehaltene Bauteil gehören, kann entweder elastisch oder bleibend verforml werden, was ganz abhängig ist von den verwendeten Materialien, ihren geometrischen Abmessungen, ihrer Härte und von anderen Faktoren. Auf jeden Fall dienen die Vertiefungen 22 zur Erhöhung der unter Flankenpressung stehenden Bereiche von Schraube und Werkstück.

Bei dem Ausführungsbeispiel der Schraube von F i g. 8—10 befindet sich die Auflagefläche 206 auf einer separaten Scheibe 186, die sich in Axialrichtung zwischen Kopf 2 und Gewindeschaft 6 befindet. Die Scheibe 186 läßt sich

ϋΟ£Γ dein Schr2übenkoⁿf 2 und dem Gewindeschaft 4 verdrehen, ist aber, wenn auch nicht unbedingt, so doch vorzugsweise, mit der Schraube verbunden; die Scheibe 186 kann aus einem elastischen Material von im allgemeinen konischer Form bestehen, und sie besitzt an ihrem Umfang mehrere Ausnehmungen 34, gemäß Fig. 9 sind es drei Stück. Dementsprechend ist die Unterseite des Kopfes 2 mit vorzugsweise integralen und in gleichmäßigen Abständen verteilten Vorsprüngen 36 versehen, welche in die Ausnehmungen 34 der Scheibe 186 eingreifen, um den Kopf 2 gemäß Fig. 10 mit der Scheibe 186 für Antriebszwecke zu koppeln. Gemäß F i g. 9 liegen die Vorsprünge 36 in der gleichen Flucht wie die Hocker 8 des Schraubengewindes 6.

Die Auflagefläche 20ό der Scheibe 186 aus den Fig. 8—10 hat aus den zuvor beschriebenen Gründen ebenfalls Ausnehmungen und Vorsprünge. Die Vorsprünge sind hier axial vorgetriebene Zähne 38, während die Ausnehmungen durch die in Umfangsrichtung dazwischenliegenden Abschnitte 40 der Auflagefläche 20b gebildet werden. Vorzugsweise liegen die Gipfelpunkte bzw. Spitzen der Zähne 38 in Umfangsrichtung mittag zwischen den dem Kopf zugekehrten Ausnehmungen 34, also in den vertieften Abschnitten zwischen den Zähnen 38.

Wird die Schraube von Fig. 8—10 anfangs in das Werkstück 14 hineingeschraubt, kann sich zunächst die Scheibe 186 um die Schraube drehen, bis die Zähne 38 die Außenfläche 17 des Bauteils 16 erfassen. Jetzt kann sich zeitweilig die Scheibe 186 nicht mehr drehen. Bei Weiterdrehung der Schraube erfassen die Vorsprünge 36 unter dem Schraubenkopf die ihnen zugeordneten Ausnehmungen 34 der Scheibe 186, damit die Scheibe ordnungsgemäß relativ zu dem höckerigen Gewinde 6 ausgerichtet wird. Jetzt liegen also die Zähne 38 in einer Flucht mit den kreisbogenförmigen Seiten 10 des Gewindeschaftes, während die vertieften Abschnitte 40 mit den entsprechenden Höckern 8 fluchten. Beim weiteren Festziehen der Schraube dreht sich die Scheibe 186 wieder mit und beißt sich tiefer im Bauteil 16 fest. Dabei ermöglichen die vertieften Abschnitte 40 eine Entlastung der Hocker 8, so daß sich zumindest wesentliche Anteile der Druckflankenabschnitte 26, 28 gegenseitig berühren, wenn die Schraube gemäß F i g. 10 vollständig festgezogen ist.

Bei dem in Fig. 11 und 12 dargestellten abgewandelten Ausführungsbeispiel ist der Kopf 2a der Schraube mit einer Scheibe 18c unterlegt, deren Auflagefläche 20 eine ähnliche sanfte Wellenform wie der Flansch 18 von F i g. 6 aufweist. Die Scheibe 18c ist zwar gegenüber dem Kopf 2a separat ausgebildet, aber zwischen dem in das Werkstück eingreifende Teil des Gewindes 6 und dem Schraubenkopf festgehalten. Der höckerige Gewindeschaft 4 durchragt eine höckerige Zentralbohrung 42 der Scheibe 18c, so daß eine Mitnahme der Scheibe durch die Schraube erfolgen kann. Statt der höckerigen Zentralbohrung 42 könnte dieses Loch auch eine andere geeignete geometrische Gestalt (beispielsweise Quadrat. Ellipse 11. dgl) besitzen, um die Kopplung zwischen Scheibe und Schraube in Rotationsrichtung zu ermöglichen. Auf jeden Fall ist die Scheibe 18c so gegenüber der Schraube positioniert, daß ihre Vertiefungen 22 zu den Höckern 8 und ihre Erhebungen 24 zu den bogenförmigen Seiten 10 ausgerichtet sind.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Kopfschraube mit einem axial vom Kopf ausgehenden Gewindeschaft, dessen Gewindegänge in Umfangsrichtung voneinander entfernte radiale Hocker und dazwischenliegende, gegenüber den Höckern zurückweichende Seiten aufweisen und mi; einem an den Kopf angrenzenden Element (18, 18a, i8b. 18c^das eine Auflagefläche zur Anlage an einem mittels der Kopfschraube zu befestigenden Bauteil ι ο aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an der Auflagefläche (20, 20b) dem Schaft (4) zugekehrte, in Abständen über den Umfang verteilte und im wesentlichen zu den Höckern (8) ausgerichtete axiale Vertiefungen (22, 40) und in Umfangsrichtung dazwischenliegende axiale Erhebungen (24, 38) vorgesehen sind.

2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche (20) unter Bildung der Vertiefungen (22) und Erhebungen (24) wellenförmig gestaltet ist.

3. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erhebungen als Zähne (38) und die Vertiefungen als in Umfangsrichtung liegende Abschnitte (40) der Auflagefläche {20b) ausgebildet sind (F ig. 8-10).

4. Schraube nach einem der Ansprüche 1—3, dadurch gekennzeichnet, daß das die Auflagefläche (20, 20b) bildende Element (18, 18a, 186, Mc) elastisch ist.

5. Schraube nach Anspruch 1, 2 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das die Auflagefläche bildende Element (18, 18a^ sich am Kopf (2) der Schraube befindet (F ig. 1,6).

6. Schraube nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das die Auflagefläche bildende Element ein Flansch (18a^mit einer seine Elastizität erhöhenden ringförmigen Rille (32) ist (F i g. 6).

7. Schraube nach Anspruch 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Auflagefläche an einer Scheibe {Mb)befindet, die axial zwischen dem Kopf (2) und mindestens einem Teil des Schraubengewindes (6) sitzt, bei nicht vollständig eingeschraubter Schraube gegenüber der Schraube verdrehbar ist und Einrichtungen (34) besitzt, die mit komplementären Einrichtungen (36) des Kopfes in der Weise zusammenwirken, daß die Vertiefungen (40) zur Ausrichtung gebracht sind, wenn die Schraube gegenüber dem zu fixierenden Bauteil (16) festgezogen ist(Fi g. 8-10).

8. Schraube nach einem der Ansprüche 1 — 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialentfernung ^zwischen hohen Abschnitten der Erhebungen (24, 38) und niedrigen Abschnitten der Vertiefungen (22, 40) mindestens im wesentlichen gleich dem Axialabstand (d') zwischen den Druckflankenabschnitten (26, 28) des Schraubengewindes und des dazu passenden Gewindes an den Seiten (10) zwischen den Höckern (8) ist, wenn die hohen Abschnitte das zu fixierende Bauteil(16)erfassen(Fig. 1,4).

9. Schraube nach einem der Ansprüche 1, 2,4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auflagefläche sich auf einer Scheibe {17c) befindet, die sich am Kopfende auf dem Schaft der Schraube befindet, und daß an Scheibe und Schraube zusammenwirkende t>> Elemente (42) vorhanden sind, um die Scheibe drehfest gegenüber der Schraube so zu positionieren, daß die Vertiefungen der Scheibe zu den Höckern der Schraube ausgerichtet sind (Fig. 11 und 12).