DE3701574A1

DE3701574A1 - Schraubenkopf mit schlitz

Info

Publication number: DE3701574A1
Application number: DE19873701574
Authority: DE
Inventors: Helmut R W Wittmann
Original assignee: WITTMANN HELMUT RW
Current assignee: WITTMANN HELMUT RW
Priority date: 1987-01-21
Filing date: 1987-01-21
Publication date: 1988-08-04

Description

Die Erfindung betrifft einen Schraubenkopf mit Schlitz für verschie dene Schraubenkopftypen und Anwendungen, für Sicherungs- und Sicher heitsschraubenköpfe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Schraubenkopfformen mit Schlitz sind als lösbare Verbindungselemente in zahlreichen Ausführungen in der Verbindungstechnik bekannt.

1. Die häufigste Form ist der Schraubenkopf mit einfachem Längs schlitz. Diese Schlitzausbildung in den verschiedenen Kopftypen hat jedoch folgende Nachteile:
- a) den Schlitzabmessungen sind enge Grenzen gesetzt; besonders tiefe und breite Schlitze mindern die Festigkeit des Schrauben kopfes und die Verbindung des Schraubenkopfes zum Gewindeschaft erheblich,
- b) der einfache Längsschlitz, mit einer Regeltiefe die ca. ein viertel des Schaftdurchmessers entspricht, verhindert die volle Ausnutzung des besten Anziehmomentes, weil die zur Verfügung stehende Eingriffsfläche nur eine Drehmomentübertragung erlaubt, die rund 25 bis 30% der möglichen Kraftaufnahme von Schrauben schaft und Schraubenkopf beträgt,
- c) radiale Kräfte an der Drehwerkzeugspitze bewirken ein Dezen trieren und ein Abgleiten der Werkzeugspitze, auch nach einem genauen mittigen Ansatz,
- d) geringe Verwinkelungen zwischen Schraubenkopf- und Drehwerkzeug achse mindern die Eingriffsflächen der formschlüssigen Kraft übertragung zwischen den Werkzeug- und Schlitzflanken, und führen in der Regel zur Beschädigung der belasteten Schlitz flanken oder der Werkzeugspitze. Dieser Nachteil ist besonders bei Schraubenköpfen mit konvexer Stirnfläche zu beobachten.
- e) der offene Längsschlitz verhindert nicht den Einsatz von unge eigneten Werkzeugspitzen. Insbesondere die Verwendung zu schmaler Flachklingen hat beim Vorliegen zu großer Ein- oder Ausdrehmomente die Zerstörung von Schraubenschlitz und Flach klinge zur Folge,
- f) durch das vorhandene Spiel zwischen Klingen- und Schlitzbreite erfolgt der Kraftschluß überwiegend am Rand; der Kernbereich des Schlitzes ist an der kraftschlüssigen Übertragung des Drehmomentes nicht beteiligt. Eine Materialräumung im Kern bereich ist deshalb überflüssig,
- g) die Schlitzgröße ist ohne meßtechnische Hilfsmittel nicht genau abschätzbar. Die Auswahl des exakt passenden Werkzeugs ist bei der Vielzahl von Schraubenköpfen schwierig,
- h) Schraubenköpfe mit stark konvexen Kopfformen werden durch fachwidriges Einschlagen verformt. Der Schlitz ist teilweise oder ganz im Kernbereich verschlossen; der Einsatz des Werk zeugs ist nicht mehr möglich,
- i) beschädigte Schraubenköpfe können nur mit Hilfe von Spezial werkzeugen zur genauen Zentrierung des Bohrwerkzeugs aufge bohrt werden. Der durchlaufende Längsschlitz schneidet den Kernbereich und schließt eine Zentrierbohrung aus,
- j) die einfache Schlitzform ist nicht geeignet für eine Kennung oder Codierung von Merkmalen am Schraubenkopf; dies ist besonders im eingebauten Zustand oder nach einer Demontage bei einer Vielzahl von Schraubentypen nachteilig.
2. Schraubenkopfformen mit Kreuzschlitz vermeiden zwar den unter 1c beschriebenen Nachteil, besonders ungünstig bei dieser Kraftan griffsform ist jedoch, daß die Ein- und Ausdrehmomente im Kern bereich des Schraubenkopfes übertragen werden und hier die höch sten Pressungen an Werkzeug- und Schlitzflanken auftreten. Die Kreuzung der beiden Schlitze in der Achse vermindert zusätz lich die Eingriffsflächen um die Schlitzbreite und verstärkt den nachteiligen Effekt einer Überschreitung der Grenz-Flächenpressung.

Werkzeugklingen mit einer Zentrierspitze, die ein Abgleiten verhin dern, sind bereits bekannt (DE 26 41 914). Dieser Vorschlag erfordert eine komplizierte und empfindliche Werkzeugspitze und Schlitzform. Bekannte Sicherungsschrauben mit Abdrehteil sind nach einer selbst tätigen Lockerung nicht mehr nachziehbar. Eine andere bekannte Aus führung des Schraubenkopfes (EP 00 13 274) erlaubt zwar das Nach ziehen der Sicherungsschraube, erfordert aber eine für diesen Zweck recht komplizierte Kopfform und Drehwerkzeugspitze.

Übliche Sicherungsschrauben (Spektrum der Wissenschaft 8/1984, S. 107 Kraftangriffs-Formen, "Sicherheitskopf") unterliegen den gleichen Nachteilen wie bereits unter 1. beschrieben.

Die leichte Lösbarkeit einer Schraubenverbindung mit allgemein verbreitetem Werkzeug ist für wichtige Anwendungsbereiche sehr nachteilig.

Ein erhöhter Demontageschutz oder ein Dreh- und Verstellschutz ist besonders im öffentlichen Bereich, bei Anlagen und Geräten mit hohen Sicherheitsanforderungen, in der Wehrtechnik, bei Nuklearbetrieben, in der Datentechnik, in der Biogenetik, usw. dringend nötig. Diese Anwendungsbereiche erfordern aufbohrsichere Sicherheitsschrauben, die nur mit einem - je nach dem Grad der Sicherheitsanforderungen - hochspezialisiertem Werkzeug bedient werden können.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit einfachen geometrischen Kopf- und Schlitzformen für eine Vielzahl von Rotationskörpern, Schlitze für den axialen, formschlüssigen Einsatz eines Drehwerk zeugs herzustellen.

Nach einem einheitlichen Prinzip sollen zugleich - von den einfach sten Befestigungsschrauben bis zu den komplexen Sicherheitsschrauben- bekannte Anwendungen verbessert, und neue Einsatzbereiche erschlossen werden; und zwar durch folgende Merkmale:

a) keine Schwächung des idealen und minimalen Kernkopfes (Nietkopf) durch Einschnitte oder Einpressungen,
b) geringster Materialabtrag bzw. Materialverdrängung für die Schlitz formung,
c) sichere und einfache Zentrierung der Drehwerkzeugspitze und, für einfache Flachklingen, einen möglichst großen Abwinkelungsbereich zwischen Drehwerkzeug- und Schraubenkopfachse,
d) höchste Drehmomentübertragung für die größte Klemmkraft, bei geringsten Flankenpressungen und optimaler Festigkeitsausnutzung des Bolzensystems Kopf-Schaft,
e) Kennung bzw. ldentifizierungscode für die Auswahl, für die Zuord nung oder für das Sortieren von Schraubentypen während der Ferti gung oder nach einem Ausbau,
f) vielfältige Anwendungsmöglichkeiten als Befestigungs-, Bewegungs-, Dichtungs-, Einstell-, Spann-, Regel-, Verschluß-, Sicherungs- und Sicherheitsschraube,
g) serienmäßige Zentrierbohrung für Bohrwerkzeuge oder einen Aufbohr schutz im Kern bei hohen Sicherheitsanforderungen,
h) wirksamer Einsatz des Drehwerkzeugs unter allen denkbaren Einbau bedingungen,
i) Herstellung durch spanende oder spanlose Verfahren, vorzugsweise durch Kaltumformung,
j) leichte Zuordnung von Schraubenkopf und passendem Werkzeug, ver bunden mit einer Vereinheitlichung und Vereinfachung der Schlitz schrauben und der Drehwerkzeugklingen bei den einfachen Schrauben typen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Schraubenkopf mit Schlitz nach Anspruch 1 und den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 10.

Das Erfindungsprinzip beruht auf den Grundgedanken, daß bei einem axialen Eingriff des Drehwerkzeugs mit einer optimalen Klingenbreite - die dem Durchmesser des Schraubenkopfes entspricht - die wirksame Pressung der Drehwerkzeugspitze auf die Schlitzflanken zur Drehmoment übertragung immer in der Peripherie erfolgt. Bedingt durch das vor handene Spiel zwischen Klingen- und Schlitzbreite, werden die Dreh momente durch elastische bis plastische Materialverformungen in der Schlitzflankenperipherie übertragen. Der Kernbereich der Schlitz flanken ist an der Kraftübertragung nicht beteiligt und deshalb nicht erforderlich.

Es ist deshalb sinnvoll, die für den Formschluß nötigen Eingriffs flächen möglichst weit an den Rand des Schraubenkopfes zu verlegen. Bei dem größten Radius des Schwerpunktes der druckbeaufschlagten Fläche sind die größten Drehmomente bei den geringsten Flächen pressungen erzielbar; ein besonderer Vorteil bei weichen oder sprö den Werkstoffen. Durch die konsequente Anordnung der Schlitze in der Peripherie bleibt der Kernbereich des Schraubenkopfes frei für eine Zentrierbohrung oder einen Kernstift als Aufbohrschutz. Unabhängig von der äußeren Kopfform wird der Schlitzgrund, und damit die Schlitztiefe, durch den Kugelabschnitt nach Anspruch 3 begrenzt. Selbst bei hoher Schlitzzahl oder großer Schlitzbreite besteht immer eine sichere Verbindung zwischen Schaft und der Idealform eines Niet kopfes, ohne die festigkeitsmindernden Einschnitte im Kernbereich. Für die Fertigung ergeben sich außerdem geringster Materialaufwand, kleinste Verformungsarbeit oder Materialabtrag, längere Standzei ten der Fertigungswerkzeuge und kürzere Fertigungszeiten. Diese besonderen Vorteile lassen sich bei der Massenfertigung der ein fachen Schraubentypen erzielen.

Die Vorteile, wie die Selbstzentrierung der Werkzeugspitze oder die stufenlose Verwinkelung zwischen Werkzeug- und Schraubenkopfachse, ergeben sich durch die Wirkungslinie der Radialkomponenten einer axialen Andruckkraft der Werkzeugspitze auf die geneigten oder die gewölbten Schlitzgrundflächen.

Zur Herstellung einer nicht lösbaren Sicherungsschraube genügt es, alle Schlitzflanken bis auf den Schlitzgrund abzutragen, die der Eindrehrichtung entgegenstehen. Die Neigung der Abtragsfläche be wirkt eine axiale Auskoppelungskraft. Diese Sicherungsschraube ist nachziehbar, aber nur durch Zerstörung lösbar. Die Schraubenform mit Abschernoppen kann jedoch nur einmal eingedreht werden.

Die Sicherheitsschraube ist hingegen ein- und ausdrehbar. Die An wendung des Erfindungsprinzips auf die Herstellung von Sicherheits schrauben ist vorzugsweise für Senkschraubenköpfe vorgesehen. Sicherheitsschraubenköpfe sind nur mit einem Sonderwerkzeug drehbar, das für einen einzigen Schraubenkopf und dessen besonderer Schlitz anordnung vorgesehen ist.

Die Aufteilung der Schraubenkopfperipherie in Zonen und Sektoren, und die Staffelung der Schlitztiefen, kann sowohl in einfacher Teilung, z.B.: eine Zone, sechs Sektoren; als auch in zahlreichen Unterteilungen erfolgen. Für die Aufteilung der Peripherie in Zonen ist es zweckmäßig - insofern der Kernbereich der Hälfte des Kopfdurchmessers D entspricht - bei einer Zweiteilung die Grenze zwischen Zone A und B bei D _Mab=0,5 D (2,5)^0,5; und bei einer Dreiteilung in Zonen A; B; und C, bei D _Mab=0,5 D (3)^0,5 und D _Mbc=0,5 D (2)^0,5 festzulegen.

Diese Aufteilung ergibt gleiche Flächenpressungen bei jedem Schlitz element. Schlitzelemente werden durch die Zonen- und Sektorengrenzen umschrieben.

Aus der Vielzahl der Kombinationen scheiden die diametralen Schlitz stellungen aus, und auch jene Schlitzgruppierungen, die sich einsei tig in einer Kopfhälfte konzentrieren.

Für eine sichere Übertragung des Drehmomentes auf die Schlitzflanken wird die Verteilung der Schlitzelemente so gewählt, daß die Resultie renden der Einzelkräfte möglichst ein geschlossenes Krafteck bilden. Eine Schutzkappe gegen Verschmutzung, oder eine Siegelkappe gegen fremden Eingriff können, je nach Wahl, auf den Zapfen aufgedrückt werden. Diese Kappen können auch die beschriebene Kennung erhalten. Bei der großen Zahl von Kombinationsmöglichkeiten ist eine Kennung durch alphanumerische Zeichen erforderlich, die durch eine Farb kennung der Kappen ergänzt werden kann.

Ein vorgegebenes Drehmoment kann , entweder durch wenige Schlitz elemente mit großen Flankenflächen, oder durch viele Schlitzelemente mit kleinen Flankenflächen festgelegt werden.

Die Profilierung der Schlitzgrundflächen erhöht die Kombinations möglichkeiten um weitere Variationen. Grundlage ist ein beliebiges rechteckiges Schlitzelement. Das Flankenrechteck wird durch zwei diagonale Grundflächen unterteilt und erzeugt vier zunehmende Schlitz stufen. Bei, z.B. zwei Zonen, schließt die zugehörige komplementäre Werkzeugspitze im gleichen Sektor, mit bivalenter niederer Ziffer, immer die bivalente gleiche oder höhere Ziffer; aber bei den gleichen Ziffern 2 und 2′ schließt sie nicht, wegen der gegenläufigen Flächen.

Beispiel:

2 | 2 schließt 2 | 4; aber nicht 1 | 5
2 | 2 schließt nicht 2′ | 2

oder

4 | 2 | 2 | 5 schließt nicht 4 | 2′ | 2 | 5

bei polyvalenten Ziffern, die sich bei vier Zonen im gleichen Sektor ergeben.

Zur Darstellung werden einfache Kopfformen (Zylinder, Kegel, Kugel) bevorzugt, obwohl sich das Erfindungsprinzip mit jedem denkbaren Rotationskörper realisieren läßt, der aber zur Erläuterung nicht

erforderlich ist.

Einige bevorzugte Schraubenkopfformen sind in den Zeichnungen enthalten. Zur Erklärung und zur Konkretisierung der Erfindungs gedanken wird auf die Zeichnungen verwiesen.

Die Zeichnungen zeigen in:

Abb. 1 bis 4 einen Zylinderkopf in axonometrischer Darstellung mit einer einfachen Flachklingenspitze 10. Die radialen Schlitze 2 in Abb. 1 sind hier in diame traler Stellung gezeichnet. ln Abb. 1 bis 3 bezeich net der axiale Kreis die Kegelbohrung 8 und in Abb. 4 den Kernstift 9.

Abb. 5 bis 7 die verschiedenen Schlitzgrundflächen 12, 13, 14 und eine verbesserte Klingenspitze 11 durch Abfasung 19 und Ausrundung 20.

Abb. 8 und 9 die Selbstzentrierung und den Verwinkelungsbereich der Flachklinge, der hier 30 Grad beträgt.

Abb. 10 und 11 die Methode der Flankenauffächerung in Aufsicht. Der breite Schlitz fördert den Einsatz starker Flach klingen für die Übertragung hoher Drehmomente.

Abb. 12 und 13 Sicherungsschraubenköpfe mit zwei oder vier Flanken.

Abb. 14 in den Reihen R 1 bis R 4 die Aufsicht von Schrauben köpfen mit verschiedenen Schlitzkombinationen, und in R 5 Schlitzformen bei Sicherungsschrauben.

Abb. 15 und 16 zwei Abscherköpfe mit Einfach-18 und Kreuzklinge, und mit verschiedenen Abschernoppen 17.

Abb. 17 die Aufsicht eines Schlitzschraubenkopfes mit posi tiven Keilflanken 5 . Die Flankenneigung kann in anderen Fällen negativ sein.

Abb. 18 eine Reihe von Schraubenköpfen mit verschiedenen Schlitzformen in gleichen radialen Stellungen 2.

Abb. 19 zwanzig verschiedene Schraubenköpfe mit gleichen Schlitzformen aber verschiedenen radialen Stellungen 2. Die Einteilung der Peripherie erfolgte in nur eine Zone und in vierundzwanzig Sektoren (alle 15°).

Abb. 20 Schnitt und Aufsicht eines Sicherheitskopfes mit zwei Zonen 21, vierundzwanzig Sektoren 22 und vier Schlitztiefen 23; und die gewählte Kombination mit drei Schlitzelementen aus drei Sektoren mit drei Schlitztiefen.

Abb. 21 die Aufsicht eines Sicherheitskopfes wie in Abb. 20, jedoch mit drei Zonen und zweiundsiebzig Sektoren. Die Schlitzelemente sind hier nicht mehr im gleichen Sektor bei einer festgelegten Radialstellung zu sammengefaßt, sondern in jeder Zone in unterschied lichen Sektoren verteilt.

Abb. 22 einen Sicherheitskopf, der unterteilt ist wie in Abb. 20 beschrieben. Die Schlitzgrundflächen haben zusätzlich eine Profilierung 29 erhalten. Die Systemskizze verdeutlicht die Unterteilung 30 eines Schlitzelementes. Für zwei Schlitzelemente sind alle möglichen sechsunddreißig Kombinationen in einer Tabelle aufgezeichnet. Die Stufe 5 entspricht einem Schlitzgrund ohne Profilierung wie in Abb.19 und 20.

Die Herstellung erfolgt durch beliebige bekannte Verfahren, vorzugs weise durch Kaltumformung. Für die Herstellung von Sicherheitsschrau ben können auch spanende Verfahren erforderlich sein.

Claims

1. Schraubenkopf mit Schlitz, Schlitzmutter, Sicherungs- und Sicher heitsschraubenkopf mit Drehwerkzeugspitze, insbesondere Zylinder-, Senk-, Linsensenk-, Halbrund-, Schaft- und Stiftschraubenköpfe gekennzeichnet durch mindestens zwei peripher-diametrale Schlitze (1) oder mindestens drei peripher-radiale, in variablen Radialwinkeln verteilte, Schlitze (2), angeordnet in den Stirn- und Mantelbereich (3) einer, durch achsennormale Ebenen und/oder durch koaxiale Rotationsflächen begrenzten Kopfform, insbesondere Rotationskörper aus geraden Kreis zylinder-, geraden Kegel- und Kugelflächen; mit zwei zur Schrauben kopfachse symmetrischen und planparallelen Schlitzflanken (4) oder Keilflanken (5) mit kleinem Spreizwinkel, und einer Schlitzgrund fläche (6), die den ideellen axialen Kugelabschnitt des Kernkopfes (7) berührt, umhüllt oder geringfügig anschneidet; eine der Kopf- und Schlitzform entsprechenden, komplementären Drehwerkzeugspitze (10) mit einer Einfach-(11) oder Mehrfachklinge für den axialen Ansatz eines Drehwerkzeugs; und eine Kombination mit einer koaxialen Kegel bohrung (8), oder einem Kernstift (9) aus hartem Werkstoff in der Stirnfläche; und die wahlweise Verbindung mit beliebigen Dreh-, Hohl- und Gewindeschäften oder mit einem Außengewinde.

2. Schraubenkopf mit Schlitz nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen Schlitzgrund (12), der begrenzt ist durch mindestens zwei achsen symmetrische Ebenen, die mit der Schraubenkopfachse einen vorgegebe nen Winkel α bilden, oder den entsprechenden Abschnitten von Kegel flächen.

3. Schraubenkopf mit Schlitz nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch einen Schlitzgrund (13), der begrenzt ist durch eine - auf den Schaft bezogene - konvexe kreiszylindrische Fläche, mit einem Mindestradius, der dem 0,8-fachen des Schaftdurchmessers entspricht und dessen Mittelpunkt drei achtel des Schaftdurchmessers entfernt von der Schnittfläche Kopfauflage-Schaftmantelfläche, auf der Schaftachse liegt, oder den entsprechenden Abschnitten von Kugelflächen; und für stark konvexe Kopfformen durch einen Schlitzgrund (14), der begrenzt ist durch zwei achsensymmetrische, kreiszylindrische Flä chen, mit einem vorgegebenen Radius dessen zwei Mittelpunkte außer halb der Kopfform liegen, oder den entsprechenden Abschnitten von Torusflächen.

4. Schraubenkopf mit Schlitz nach einem der Ansprüche 2 und 3 gekennzeichnet durch aufgefächerte Schlitzflanken (15) mit einem vorgegebenen Radial winkel ψ, der erzeugt ist durch eine Drehung der Schlitzflanken um einen koaxialen Zylinder oder Kegel, deren Durchmesser den Schlitzbreiten entsprechen.

5. Schraubenkopf mit Schlitz nach einem der Ansprüche 2 bis 4 gekennzeichnet durch den einseitigen Abtrag (16), aller der Eindrehrichtung entgegenge setzt liegenden Eingriffsflächen, bis auf die Begrenzungsfläche des Schlitzgrundes (nicht lösbare Sicherungsschraube).

6. Schraubenkopf mit Schlitz nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch rechnerisch bestimmte Restflächen (17) des Kopfmaterials als Abscher fläche, zur Übertragung eines festgelegten Drehmomentes durch das vorgesehene Eindreh- und Abscherwerkzeug (18).

7. Schraubenkopf mit Schlitz nach einem der Ansprüche 2 und 3 gekennzeichnet durch eine Drehwerkzeugklinge (11) mit abgefasten Spitzen (19) und ausge rundetem Klingengrund (20).

8. Schraubenkopf mit Schlitz nach einem der Ansprüche 2 bis 4 gekennzeichnet durch die Kombination von gleichen oder verschiedenen Schlitzen in belie bigen diametralen Schlitzstellungen, für ein Codesystem zur Kenn zeichnung von z.B.: Größen, Werkstoffen, Güteklassen, Gewindeformen, Anziehmomenten, Anwendungsgebieten oder anderen Merkmalen.

9. Schraubenkopf mit Schlitz nach Anspruch 4 gekennzeichnet durch die Auswahl von adiametralen Radialschlitzen, in mindestens einer Randzone (21), in mindestens drei Sektoren (22) und in mindestens einer Schlitztiefe (23) aus den Kombinationsmöglichkeiten der ver schiedenen Schlitzelemente in der aufgeteilten Peripherie der Schraubenkopfstirnfläche in Zonen, Sektoren und in gestaffelten Schlitztiefen in mehreren achsennormalen Ebenen; einen Zentrier zapfen (24) mit Kennung (25), Kerbe (26) und einem konischen Frei stich (27), und einer Schutz- oder Siegelkappe (28), für ein System von lösbaren Sicherheitsschrauben.

10. Schraubenkopf mit Schlitz nach Anspruch 9 gekennzeichnet durch die Profilierung (29) des Schlitzgrundes der einzelnen Radialschlitze durch diagonal verlaufende Schlitzgrundebenen, vom Schlitzgrund zur Stirnfläche in jedem Schlitzelement, in vier möglichen Stufen: 1; 2; 2′; und 4; mit zunehmender Schlitzflankenfläche, entsprechend der Unterteilung (30) der Gesamtfläche der Flankenvierecke durch zwei Diagonalen in vier Felder; einschließlich der Kombination mit den Schlitzelementen nach Anspruch 9.