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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet von Befestigungselementen
und insbesondere ein Gewindebefestigungselement mit mindestens einer
Gewindegangform, die mehrere Buckel umfasst, um verbesserte Einführ- und
Auszieheigenschaften zu gewährleisten.
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Auf
dem Gebiet der Befestigungselemente, insbesondere der Gewindebefestigungselemente,
ist eine große
Auswahl an Konfigurationen bekannt und derzeit erhältlich.
Im Allgemeinen weisen Gewindebefestigungselemente einen Gewindeschaft,
an welchem ein oder mehrere Gewindegänge ausgebildet sind, auf.
Die Gewindegänge
erzeugen eine spiralförmige,
geneigte Ebene, welche passende Flächen einer oder mehrerer mechanischer
Komponenten berührt,
wenn das Befestigungselement zum Einführen oder Entfernen gedreht
wird. Verschiedene Ausgestaltungsformen von Gewindebefestigungselementen
wurden speziell zum Gebrauch mit verschiedenen Materialien, wie
zum Beispiel Holz, Metallen, Verbundmaterialien, Beton und so weiter,
ausgeführt.
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Bei
den meisten herkömmlichen
Gewindebefestigungselementen ist an dem Ende des Gewindeschafts
ein Kopf gebildet, um die Drehung des Befestigungselements in und
aus einer Anwendung zu erleichtern. Der Schaft selbst bietet eine
untere Spitze gegenüber
dem Kopf, wobei der Schraubengewindegang um den Schaft herum ausgebildet
ist. Die Eigenschaften des Gewindegangs bestimmen sowohl das Drehmoment,
das erforderlich ist, um das Befestigungselement in die Anwendung
einzuführen,
das Drehmoment, das erforderlich ist, um das Befestigungselement
zu entfernen, als auch die Kraft, die einem Herausziehen des Befestigungselements
widersteht, sobald es in Position ist. Bei den meisten herkömmlichen
Anwendungen ist das Gewinde in seiner Form über den gesamten Schaft hinweg
einheitlich, wobei eine Reduzierung der Höhe bei bestimmten Anwendungsfällen vorgesehen
ist, wie zum Beispiel für
Holz- oder Metallschrauben.
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Es
wurden Sonderbefestigungselemente entwickelt, die verschiedene Merkmale
entlang dem Gewindegang aufweisen. Zum Beispiel wurden Schrauben
entwickelt, die Rippen oder Vertiefungen entlang dem Gewindegang
aufweisen, wie zum Beispiel zum Eindringen in bestimmte Materialien
während
des Einführens.
Im Allgemeinen haben diese Ausgestaltungsformen jedoch weniger Flexibilität und keine
optimale Leistung im Gebrauch geboten. Es gibt deshalb immer noch
einen Bedarf an verbesserten Befestigungselementen, welche durch
kreative Gewindeganggestaltung an bestimmte Zwecke und Materialien
angepasst werden können.
Es gibt einen besonderen Bedarf an Befestigungselementen, die relativ
einheitliche oder konstante Einführdrehmomenteigenschaften
mit exzellentem Ausziehwiderstand bieten und welche auf unkomplizierte
und günstige
Weise hergestellt werden können.
Des Weiteren besteht Bedarf an einer Technik, die ermöglicht, die
Höhen verschiedener
Teile einer Gewindegangform entlang ihrer Längen sowie die Höhenänderungsraten
zu ändern.
Die
US-A- 5 110 245 (vgl.
den Oberbegriff von Anspruch 1) zeigt ein entsprechend ausgebildetes
Gewindebefestigungselement.
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KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Die
durch Anspruch 1 definierte vorliegende Erfindung stellt ein hinsichtlich
Schneideigenschaften verbessertes Befestigungselement bereit. Das
Befestigungselement weist einen Gewindegang auf, der mehrere Buckel
(Buckelteile) enthält,
die durch Aussparungen (Basisteile) voneinander getrennt sind. Die
Buckel können
entlang der gesamten Länge
des Gewindegangs identisch sein oder sie können variieren, um die gewünschten
Eigenschaften bereitzustellen. Zum Beispiel braucht der Einlauf
der Buckel nicht mit dem Auslauf identisch zu sein, und der Einlauf und
der Auslauf der Buckel entlang der Länge der Gewindegänge kann
variieren. Ebenso können
die Länge,
die Höhe
und die Form der Buckel entlang der Länge der Gewindegänge variieren.
Wenn mehr als ein Gewindegang vorgesehen ist, können Überlappungen zwischen den am
Gewindegang vorgesehenen Buckeln vorgesehen werden, um ein allgemein gleichförmiges Drehmoment
beim Einführen
des Befestigungselements in einer Anwendung aufrechtzuerhalten.
Die Aussparungen zwischen den Buckeln bieten des Weiteren Stellen,
an denen sich bestimmte Materialien ansammeln können, wie zum Beispiel Kaltflusskunststoffe,
Gips oder Beton usw. Der Auslauf der Buckel kann so ausgebildet
sein, dass er einen verbesserten Ausziehwiderstand bereitstellt.
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Die
gemäß den vorliegenden
Techniken ausgeführten
Befestigungselemente können
in den verschiedensten Anwendungen verwendet werden. Sie eigenen
sich jedoch besonders gut für
Anwendungen, bei denen das Befestigungselement direkt mit einem
oder mehreren zu befestigenden Materialien mitwirkt, wie zum Beispiel
Beton, Metalle, Kunststoffe, Holz und andere Verbundmaterialien.
Die Gesamtkonfiguration der Gewindegänge und Buckel kann speziell
an solche Materialien und an die gewünschte Höhe an Einführdrehmoment, Ausziehwiderstand
usw. angepasst werden. Die Befestigungselemente sind des Weiteren
besonders gut zur Massenfertigung, wie zum Beispiel durch Walzgewindeformvorgänge, geeignet.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
vorhergehenden und andere Vorteile der Erfindung werden bei Lektüre der folgenden
ausführlichen
Beschreibung und bei Bezugnahme auf die Zeichnungen ersichtlich;
darin zeigen:
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1 eine
perspektivische Ansicht eines Gewindebefestigungselements gemäß den Aspekten der
vorliegenden Technik;
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1A,
eine Schnittansicht des in 1 veranschaulichten
Befestigungselements, die die Konfiguration der Buckel zeigt, die
in den beiden Gewindegängen
der Ausführungsform
von 1 ausgebildet sind;
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2 ein
Schema, das ein beispielhaftes Gewinde eines solchen wie in 1 veranschaulichten
Befestigungselements zeigt;
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3 ein
Schema, das eine beispielhafte Konfiguration zweier Gewindegänge für ein Befestigungselement,
wie zum Beispiel jenes, welches in 1 veranschaulicht
ist, gemäß besonderen
Aspekten der vorliegenden Technik zeigt;
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4 ein
Schema, das die Entwicklung von Eigenschaften eines Gewindgangs
für ein
Befestigungselement des in 1 veranschaulichten
Typs gemäß den Aspekten
der vorliegenden Technik zeigt;
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5 eine
schematische Darstellung ähnlich
der der 2, 3 und 4,
die eine besonders bevorzugte Konfiguration eines Befestigungselements
mit zwei Gewindegängen
gemäß Aspekten der
vorliegenden Technik zeigt;
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6 eine
Draufsicht zweier Gewindegänge,
die vertikal auseinandergezogen gezeigt sind und die Überlappung
zwischen Teilen der Gewindegänge veranschaulicht;
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7 eine
Draufsicht eines Teils eines Werkzeugs, das beim Bilden eines Formwerkzeugs zur
maschinellen Herstellung der Befestigungselemente eines solchen Typs,
wie er in 6 veranschaulicht ist, bei einem
Gewindewalzvorgang verwendet werden kann;
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8 einen
Aufriss einer Fläche
eines beispielhaften Formwerkzeugs, die unter Verwendung eines Werkzeugs,
wie zum Beispiel dem in 7 dargestellten, hergestellt
wurde;
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9 ein
Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte bei einem Herstellungsprozess
zur Erzeugung von Befestigungselementen gemäß der vorliegenden Technik
durch Funkenerosion von Formwerkzeugen und Walzformen von Gewindegängen mit
mehreren Buckeln veranschaulicht;
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10 eine
perspektivische Ansicht einer alternativen Konfiguration für ein Befestigungselement, welches
einen einzigen Gewindegang aufweist, gemäß den Aspekten der vorliegenden
Technik;
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11 eine
graphische Darstellung von Drehmomenten, die beim Einführen eines
Befestigungselements mit zwei Gewindegängen angetroffen werden, gemäß den Aspekten
der vorliegenden Technik;
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12 eine
perspektivische Ansicht einer Gewindegangform eines Gewindebefestigungselements
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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12A eine Schnittansicht der Gewindegangform von 12 allgemein
entlang Linie 12A-12A von 12;
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12B eine Schnittansicht der Gewindegangform von 12 allgemein
entlang Linie 12B-12B von 12;
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13 eine
Draufsicht der Gewindegangform von 12; und
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14 eine
Seitenansicht der Gewindegangform von 12.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG BESTIMMTER AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Nunmehr
auf die Figuren und zuerst auf 1 Bezug
nehmend, wird ein beispielhaftes Befestigungselement, das nicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist, dargestellt und allgemein durch die Bezugszahl 10 bezeichnet.
Das Befestigungselement 10 enthält einen Kopf 12,
eine Spitze 14 und einen Gewindeschaftabschnitt 16.
Es kann bei dem Befestigungselement jeder geeignete Kopf- und Spitzenteil
eingesetzt werden, wie zum Beispiel der in 1 gezeigte
Sechskantkopf. Der Durchmesser des Spitzenteils kann dem des Gewindeschaftteils ähneln oder
profiliert sein, wie beispielsweise zur Erleichterung des Einführens in
gewisse Materialien.
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Bei
der veranschaulichten Ausführungsform weist
das Befestigungselement 10 ein oder mehrere Gewindegänge auf,
die gemäß Aspekten
der vorliegenden Technik konfiguriert sind. Bei der in 1 veranschaulichten
Ausführungsform
sind zwei solche Gewindegänge 18 und 20 vorgesehen
und weisen ähnliche
oder identische Konfigurationen auf, wobei sie um 180 Grad an entsprechenden
Stellen entlang dem Schaft 16 versetzt sind. Wie unten
beschrieben, können
die Konfigurationen auch zwischen den mehreren Gewindegängen verschieden
sein, wo solche mehreren Gewindegänge vorgesehen sind, und die Konfigurationen
können
sich entlang der Länge
jedes Gewindegangs entwickeln. Selbst wenn ein einziger Gewindegang
vorgesehen ist, wie unten besprochen, können sich entlang dem einzigen
Gewindegang ausgebildete Merkmale zwischen der Spitze 14 und dem
Kopf 12 entwickeln. Im Allgemeinen weist jeder Gewindegang
eine Basis 22 und eine Reihe von Buckeln 24 auf,
die sich von der Basis erheben. Die besonderen Formen der an den
Gewindegängen
vorgesehenen Basen und Buckel und derzeit bevorzugte Verfahren zum
Ausbilden dieser Merkmale werden unten ausführlicher beschrieben. 1A zeigt
eine Schnittansicht des Befestigungselements von 1. Wie
in 1A gezeigt, sind die entlang dem Schaft des Befestigungselements
ausgebildeten Buckel 24 bezüglich einander so positioniert,
dass sie ein gewünschtes
Muster zum Eintritt und Austritt der Buckel in ein zu befestigendes
Material bieten. Insbesondere sind die am Gewindegang 18 ausgebildeten
Buckel 24 so positioniert, dass sie zwischen Buckeln am Gewindegang 20 ausgebildeten
Aussparungen entsprechen. Wie unten ausführlicher beschrieben, hat sich
herausgestellt, dass die dargestellte Konfiguration einander entsprechender
Stellen für
Aussparungen und Buckel an dem Befestigungselement mit zwei Gewindegängen das
Einführen
erleichtert, den Ausziehwiderstand verbessert und Stellen bereitstellt,
an denen Material sich absetzen oder fließen kann. Des Weiteren geht
aus 1A hervor, dass bei der derzeit bevorzugten Konfiguration
zwei Buckel 24 für
jede Umdrehung von Gewindegängen 18 und 20 angeordnet
sind, wobei die Buckel um 180 Grad voneinander versetzt sind.
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2 zeigt
ein beispielhaftes Gewindeprofil für einen der Gewindegänge in einem
Befestigungselement der in 1 dargestellten
Art. In dem Schema von 2 bezieht sich die Bezugszahl 26 auf
den Grund des Gewindes, während
sich die Bezugszahl 28 auf das Gewindescheitelprofil selbst
bezieht. Der Darstellung halber sind Profile mit mehreren Basen veranschaulicht,
einschließlich
einer ersten Basis 30, einer zweiten Basis 32 und
einer dritten Basis 34. Entlang der Länge des Gewindeprofils 28 können diese
Basen als aufeinander folgende Merkmale N, N + 1 und N + 2 bezeichnet
werden. Ebenso ist eine Reihe von Buckeln zwischen den Basen ausgebildet, einschließlich einem
ersten Buckel 36 neben der Basis 30, einem zweiten
Buckel 38 neben der Basis 32 und einem dritten
Buckel 40 neben der Basis 34. Diese Buckel können auch
als aufeinander folgende Merkmale N, N + 1 und N + 2 bezeichnet
werden. Bei der in 2 dargestellten Ausführungsform
sind alle Basen 30, 32 und 34 allgemein
miteinander identisch, während
auch alle Buckel 36, 38 und 40 miteinander
identisch sind. Das heißt,
die Länge,
die Höhe und
die Form und benachbarte Merkmale jeder dieser Basen und Buckel
sind zwischen den aufeinander folgenden Höhen N, N + 1 und N + 2 ähnlich.
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Obgleich
die identischen Merkmale entlang der Länge des Gewindeprofils in bestimmten
Anwendungen hoch wünschenswert
sein können,
gestattet die vorliegende Technik auch das Variieren der Merkmale
entlang der Länge
des Gewindegangs. Bei der in 2 dargestellten
Ausführungsform
weist zum Beispiel jeder Buckel ein Einlaufprofil und ein Auslaufprofil
auf, das auf bestimmte Anwendungen speziell zugeschnitten sein kann,
um beispielsweise ein gewünschtes
Einführdrehmoment
und einen gewünschten
Ausziehwiderstand bereitzustellen. Bei der in 2 dargestellten
Ausführungsform
weist der Buckel 36 auf dem Niveau N einen Einlauf 42 und
einen Auslauf 44 auf, während
die Buckel 38 und 40 auf dem Niveau N + 1 und
N + 2 Einläufe 46 bzw. 50 und
Ausläufe 48 bzw. 52 aufweisen.
Wie unten ausführlicher
beschrieben, können
diese Merkmale entlang der Länge
des Befestigungselements geändert werden,
um unterschiedliche Eigenschaften bereitzustellen, so zum Beispiel
ein geringes Einführdrehmoment
in der Nähe
der Spitze des Befestigungselements mit einem größeren Einführdrehmoment, wenn das Befestigungselement
allmählich
eingeführt wird,
oder umgekehrt. Ebenso kann der Ausziehwiderstand durch Ändern der
gleichen Einlauf- und Auslaufprofile geändert werden. Wie für den Fachmann
auf der Hand liegt, kann das Einlaufprofil im Allgemeinen eine größere Wirkung
auf das Einführdrehmoment
haben, während
das Auslaufprofil eine größere Wirkung
auf den Ausziehwiderstand haben kann.
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Andere
Merkmale des in 2 dargestellten Gewindeprofils 28 können auch
an bestimmte Anwendungen angepasst werden. Zum Beispiel weist jede
Basis 30, 32 und 34 eine Länge, wie
zum Beispiel die für
die Basis 32 dargestellte Länge 54, auf, die entlang
der Länge
des Befestigungselements geändert
werden kann. Das heißt,
Basen auf den Niveaus N + 1 und N + 2 können sich, falls gewünscht, voneinander
unterscheiden. Ebenso weist jeder Buckel 36, 38 und 40 eine
vorbestimmte Länge
auf, die durch die Bezugszahl 56 für den Buckel 38 dargestellt
ist und entlang der Länge
des Befestigungselements zwischen dem jeweiligen Einlauf- und Auslaufprofil
angepasst und variiert werden kann. Des Weiteren kann die Höhe der Basen,
wie durch die Bezugszahl 58 dargestellt, genauso wie die
Höhe 60 der Buckel
geändert
werden. Des Weiteren können
andere Merkmale, wie zum Beispiel die Konfiguration und die Form
der Buckel und der Basen, geändert werden
oder entwickeln sich entlang der Länge des Befestigungselements,
wie unten ausführlicher
beschrieben.
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Wenn
mehr als ein Gewindegang am Befestigungselement vorgesehen ist,
wiederholen sich die Merkmale entlang jedem Gewindegang einfach
oder entwickeln sich getrennt entlang ihren Längen, und die Merkmale können allgemein
so positioniert sein, dass sie einander auf vorbestimmte Weise entlang der
Länge des
Schafts entsprechen. 3 zeigt zum Beispiel Profile
eines Paars Gewindegänge 62 und 64,
die jeweils Basen und Buckel darstellen, wie oben unter Bezugnahme
auf 2 beschrieben. Neben dem möglichen Anpassen oder speziellen
Auslegen der Buckel und Basen entlang der Länge jedes Gewindegangs können die
Positionen dieser Merkmale auf entsprechende Weise vorgesehen werden,
um zum Beispiel eine Überlappung 66 zwischen
den Einlauf- und
Auslaufbereichen oder anderen Bereichen der Gewindegänge und
Abstände 68 zwischen
solchen Merkmalen vorzusehen. Wenn zwei Gewindegänge vorgesehen sind, können zum
Beispiel Auslaufteile von Buckeln von einem Gewindegang so positioniert
werden, dass sie Einlaufteilen von Buckeln vom zweiten Gewindegang
entsprechen. Somit kann durch Ändern
des in das zu befestigende Material getriebenen Buckels zwischen
den beiden Gewindegängen
ein relativ gleichförmiges
Einführdrehmoment
erreicht werden. Gleichzeitig unterstützen die mehreren Ausläufe der
Buckel von jedem Gewindegang zusammen den Widerstand gegen das Herausziehen.
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4 zeigt
eine beispielhafte Ausführungsform
eines Gewindegangprofils, bei dem sich Merkmale, zu denen Basen
und Buckel zählen,
entlang der Länge
des Gewindegangs entwickeln. Wie in 4 gezeigt,
ist eine erste Basis 30 auf einem Niveau N entlang dem
Gewindegang durch einen Einlauf 42 mit einem ersten Buckel 36 auf
dem Niveau N verbunden. Dann ist der Buckel 36 durch einen
Auslauf 44 mit einer zweiten Basis 32 auf dem
Niveau N + 1 verbunden. Mit fortlaufendem Gewindegang verbinden
die Buckel 38 und 40 die Basen 32 und 34 durch
Einläufe 46 bzw. 50,
wobei die Buckel 38 und 40 die Ausläufe 48 bzw. 52 abschließen. Auf
jedem Niveau N, N + 1 und N + 2 können dann verschiedene Winkel
und Formen für
die Einläufe
und Ausläufe
vorgesehen sein, um die oben beschriebenen gewünschten Einführ- und
Ausziehwiderstandseigenschaften bereitzustellen.
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Wie
in 5 dargestellt, entsprechen bei einer besonders
bevorzugten vorliegenden Konfiguration die Einlaufprofile eines
Befestigungselements mit zwei Gewindegängen hinsichtlich der Position
um den Schaft herum Positionen der Auslaufprofile des zweiten Gewindegangs.
Wie in 5 gezeigt, hat sich des Weiteren herausgestellt,
dass ein relativ flacher Einlaufwinkel, wie zum Beispiel 15 Grad,
das Einführen
des Befestigungselements in Anwendungen erleichtert. Es hat sich
herausgestellt, dass bei Auslaufwinkeln, die relativ steil sind,
beispielsweise in einem Bereich von 45 Grad bei der in 5 dargestellten
Ausführungsform,
der Ausziehwiderstand hervorragend ist. Wie oben erwähnt, müssen die
Einlauf- und Auslaufprofile nicht miteinander identisch sein, und
es kann sich herausgestellen, dass optimierte Profile, wie zum Beispiel
eine Konfiguration von 15 Grad/45 Grad von 5, für bestimmte
Anwendungen optimal sind.
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6 zeigt
ein Paar Gewindegänge
für ein Befestigungselement
der in 1 gezeigten Art, die mit Basen und Buckeln versehen
sind, welche einander hinsichtlich Position und Überlappung entsprechen, wie
in 3 allgemein dargestellt. Bezugszahlen am ersten
Gewindegang 62 sind so bezeichnet, dass sie den in 2 dargestellten
Merkmalen entsprechen, einschließlich der Basen 30, 32 und 34 und
der Buckel 36 und 38. Ähnliche oder identische Basen
und Buckel sind entlang dem zweiten Gewindegang 64 vorgesehen.
In der Draufsicht von 6 ist jedoch zu sehen, dass
sich die allgemein durch die Bezugszahl 70 bezeichnete
Form jedes Gewindegangs entlang der Länge des Gewindegangs zwischen
der Spitze und dem Kopf des Befestigungselements entwickeln kann.
Zum Beispiel kann die Breite 72 jedes Buckels entlang der
Länge des
Gewindegangs identisch sein oder variieren. Ebenso kann die Einlaufform 74 modifiziert
werden, um die gewünschten
Leistungsmerkmale, insbesondere das Einführdrehmoment, zu gewährleisten.
Die Auslaufform 76 kann auf ähnliche Weise speziell ausgelegt
sein. Im Allgemeinen können
diese Merkmale konturiert, abgewinkelt oder auf andere Weise ausgeführt sein
und brauchen entlang der Länge
der Gewindegänge
nicht identisch zu sein, wie oben erwähnt.
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Es
können
zur Herstellung von Befestigungselementen gemäß den oben beschriebenen Merkmalen
verschiedene Techniken eingesetzt werden. Bei einem derzeit bevorzugten
Verfahren wird Funkenerosion (EDM-electric-discharge machining) eingesetzt,
um Formwerkzeuge zu schaffen, die dann zum Gewindewalzen von Befestigungselementrohlingen
verwendet werden. Zur Erleichterung der Schaffung der Formwerkzeuge
werden EDM-Verfahren verwendet, um die Merkmale zu erzeugen, die sich
entlang der Länge
eines Walzgewindeformwerkzeugs der in der Technik allgemein bekannten
Art entwickeln. 7 zeigt einen beispielhaften
maschinellen Bearbeitungsprozess für ein EDM-Werkzeug, das bei
dieser Technik verwendet wird. Wie in 7 gezeigt,
kann das allgemein durch die Bezugszahl 78 gezeigte Werkzeug
aus irgendeinem geeigneten Material hergestellt sein, in der Regel
aus Graphit für EDM-Verfahren.
Das Werkzeug weist Buckel 80, die den Buckeln, die an dem
sich ergebenden Befestigungselement gebildet werden, allgemein ähneln, und
Basen 82, auf, die den am Befestigungselement erwünschten
Basen ähneln.
Wenn ein Entwickeln der Merkmale entlang der Länge der Gewindegänge erwünscht ist,
werden diese sich ähnlich
entlang der Länge
der am EDM-Werkzeug ausgebildeten Buckel und Basen entwickeln. Das
Erzeugen der Buckel und Basen erfolgt auf irgendeine geeignete Weise,
wie zum Beispiel durch Fräsvorgänge gemäß der Darstellung
in 7. Bei der Ausführungsform von 7 werden
die Merkmale durch Stirnfräsen
entlang Werkzeugaufsätzen 84, 86, 88 und 90 gebildet, um
die Gewindegangprofile und die die Gewindegänge trennenden Zwischenräume zu bilden. Ähnliche maschinelle
Bearbeitungsvorgänge
werden nach Bedarf in Abhängigkeit
von der Größe des sich
ergebenden Formwerkzeugs entlang der gesamten Fläche des EDM-Werkzeugs durchgeführt.
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8 zeigt
ein Formwerkzeug zum Gewindewalzen eines Befestigungselements, das
durch Verwendung eines Werkzeugs, wie des in 7 gezeigten,
hergestellt wurde. Für
den Fachmann liegt auf der Hand, dass solche Gewindewalzwerkzeuge, die
in 8 allgemein durch die Bezugszahl 92 bezeichnet
werden, einen Schärfabschnitt 94 und
einen Gewindeformabschnitt 96 enthalten. Nuten oder Rillungen
sind entlang dem Formwerkzeug ausgebildet, wie in 8 gestrichelt
gezeigt, um das Ziehen des Befestigungselementrohlings entlang dem
Formwerkzeug zu erleichtern. Des Weiteren liegt für den Fachmann
auf der Hand, dass solche Formwerkzeuge in der Regel in Paaren eingesetzt
werden, wobei ein Formwerkzeug stationär ist und das zweite Formwerkzeug
schwingt, um den Befestigungselementrohling dazwischen zu ziehen
und zu drehen und das Gewinde zu formen. Durch ein Tauch-EDM-Verfahren werden
dann Merkmale entlang dem Formwerkzeug gebildet, die den Buckeln
und Basen des Befestigungselementgewindegangs entsprechen. Durch
Verwendung eines Werkzeugs 78, wie des in 7 gezeigten,
weist ein Formwerkzeug gemäß der Darstellung
in 8 dann eine Reihe von linearen Aussparungen auf,
einschließlich
im Verhältnis tieferen
Aussparungen 98, die den gewünschten Buckeln entlang den
Gewindegängen
entsprechen, und im Verhältnis
flacheren Aussparungen 100, die den Basen entlang dem Gewindegangprofil
entsprechen. Es hat sich herausgestellt, dass die Verwendung von Tauch-EDM-Verfahren zur Bildung
der Formwerkzeuge für
die vorliegenden Befestigungselementprofile die Herstellung der
Formwerkzeuge und die Bildung der gewünschten Profile entlang dem
Befestigungselement, insbesondere wo diese Profile variiert werden
können,
stark erleichtert.
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9 ist
ein Flussdiagramm, das beispielhafte Schritte in einem Verfahren
zum Bilden von Formwerkzeugen und Befestigungselementen gemäß Aspekten
der oben beschriebenen Technik darstellt. Das in 9 allgemein
durch die Bezugszahl 102 bezeichnete Verfahren beginnt
mit der maschinellen Bearbeitung des EDM-Werkzeugs in Schritt 104.
Schritt 104 kann wieder irgend welche geeigneten maschinellen Bearbeitungsprozesse,
wie zum Beispiel Fräsen
der am sich ergebenden Befestigungselement gewünschten Merkmale, enthalten.
In Schritt 106 werden die Gewindewalzformwerkzeuge durch
Tauch-EDM-Prozesse gebildet, um die progressiven Gewindeformaussparungen
zu erzeugen, wie oben unter Bezugnahme auf 8 beschrieben. In
Schritt 108 werden Befestigungselementrohlinge gebildet.
Wie für
den Fachmann auf der Hand liegt, enthalten solche Rohlinge in der
Regel ein Schaftmaß ohne
Gewinde, um ausreichend Material für das Gewinde bereitzustellen,
das während
des Gewindewalzvorgangs von dem Schaft gestaucht wird. Schließlich wird
in Schritt 110 das mehrere Buckel aufweisende Gewinde durch
Verwendung von speziell ausgeführten
Formwerkzeugen, wie zum Beispiel den in 8 dargestellten,
auf die Rohlinge ausgewalzt.
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10 zeigt
eine alternative Ausführungsform
gemäß Aspekten
der vorhergehenden Technik, wobei ein einzelner Gewindegang vorgesehen
ist. Während
die zwei Gewindegänge
aufweisende Konfiguration in bestimmten Anwendungen hervorragende
Drehmomenteigenschaften bereitstellt, können Aspekte der vorliegenden
Technik mit einem einzigen Gewindegang mit einbezogen werden. Somit
beziehen sich bei der Ausführungsform
von 10 die Bezugszahlen anstatt auf getrennte Gewindegänge 18 und 20 auf
Windungen des gleichen Gewindegangs. zur Verbesserung des Einführdrehmoments
und Ausziehwiderstands können
die vorhergehenden Lehren bezüglich
des Vorhandenseins von Buckeln 24 und der Konfiguration
der Buckel, Unterschieden zwischen Buckeln, Unterschieden zwischen
Einlauf- und Auslaufprofilen usw. in das einen einzigen Gewindegang
aufweisende Befestigungselement mit aufgenommen werden.
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Wie
oben erwähnt,
gewährleistet
die vorliegende Technik ein hervorragendes Einführdrehmoment und einen hohen
Widerstand gegen Herausziehen. 11 zeigt
ein beispielhaftes Einführdrehmoment
eines Befestigungselements mit zwei Gewindegängen mit entsprechend positionierten
Buckeln und Aussparungen, wie oben beschrieben. Wie in 11 gezeigt,
bezieht sich die Bezugszahl 120 auf eine Drehmomentkurve
für Einführdrehmomente,
wenn das Befestigungselement in ein Basismaterial eingeführt wird.
Wie in der Figur dargestellt, beginnt die Drehmomentkurve auf einem
ziemlich niedrigen Niveau 122, wenn das Einführen des
Befestigungselements beginnt. Danach erhöht sich das Drehmoment etwas
in einem mittleren Bereich 124, bleibt im Vergleich zu
herkömmlichen
Befestigungselementen mit Lappen jedoch relativ konstant. Obgleich
dort, wo die Buckel beginnen, in das Material einzutreten, eine gewisse
Welligkeit angetroffen werden kann, hat sich herausgestellt, dass
solche Änderungen
des Einführdrehmoments äußerst minimal
sind. Wie auch oben erwähnt,
stellt die vorliegende Technik ein Befestigungselement mit hervorragendem
Widerstand gegen Herausziehen bereit. Es hat sich insbesondere herausgestellt,
dass durch die vorliegende Technik Verhältnisse über 1:1 (das heißt Auszieh-
zu Einführdrehmoment)
erhalten werden können.
Obgleich herkömmliche
Befestigungselemente Verhältnisse
in einem Bereich von 0,8:1 erzielen können, haben Versuche darauf
hingedeutet, dass gemäß den vorhergehenden
Lehren konfigurierte zwei Gewindegänge aufweisende Befestigungselemente
Verhältnisse
in einem Bereich von 1,1:1 (in Materialien wie zum Beispiel Polyamid)
und darüber
erzielen können.
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Die
Leistungsmerkmale einer Gewindegangform können durch die Höhen und
Breiten der verschiedenen Teile der Gewindegangform sowie durch ihre
jeweiligen Änderungsraten
definiert werden. Eine Ausführungsform
einer Gewindegangform 130 für ein Gewindebefestigungselement
gemäß der vorliegenden
Erfindung wird in den 12–14 dargestellt.
Die Gewindegangform 130 dieser Ausführungsform zeigt das Vermögen der
oben beschriebenen Technik, die Höhen und Breiten verschiedener Teile
einer Gewindegangform sowie ihre jeweiligen Änderungsraten variieren zu
können.
Bei der dargestellten Ausführungsform
weist die Gewindegangform 130 zwei symmetrische Teile 132 auf.
Die Gewindegangform 130 kann jedoch auch unsymmetrisch
sein. Die dargestellte Gewindegangform 130 weist eine Reihe
von Buckeln 134 auf, die sich von einer Reihe von Basen 136 aus
erstrecken. Die Reihe von Basen 136 verstärkt die
Reihe von Buckeln 134 und wirkt möglicherweise nicht mit einem
Werkstück zusammen,
wenn das Befestigungselement in das Werkstück geschraubt wird. Darüber hinaus
stellt die Reihe von Basen 136 ein Volumen für Befestigungselementmaterialfluss
während
des Gewindewalzvorgangs bereit. Die entlang dem Schaft der Befestigungselemente
gebildeten Buckel 134 sind bezüglich einander so positioniert,
dass sie ein gewünschtes Muster
für den
Eintritt und Austritt der Buckel in ein Material bereitstellen.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist jeder Buckel 134 eine entsprechende Basis 136 auf. Die
Reihe von Buckeln 134 und Basen 136 weist einen
Scheitel 138 auf. Für
Bezugszwecke weist jedes Buckel-134- und Basis-136-Paar
ein erstes Ende 140 und ein zweites Ende 142 auf.
Das zweite Ende 142 eines Buckel- und Basis-Paars ist das erste
Ende 140 eines nachfolgenden Buckel-134- und Basis-136-Paars
usw. Wie unten ausführlicher
beschrieben, kann das Gewindebefestigungselement mit einer mehrere
Ausrichtungen um den Schaft des Befestigungselements herum aufweisenden
Gewindegangform 130 hergestellt werden. In einer ersten Ausrichtung
wird das Befestigungselement mit sich spiralförmig um das Befestigungselement
herum erstreckenden Gewindegangform 130 hergestellt, so dass
die ersten Enden 140 zur Spitze des Befestigungselements
ausgerichtet sind. In einer zweiten Ausrichtung wird das Gewindebefestigungselement mit
einer sich in einer entgegengesetzten Richtung spiralförmig um
das Befestigungselement herum erstreckenden Gewindegangform 130 hergestellt,
so dass die zweiten Enden 142 der Gewindegangform zur Spitze
hin ausgerichtet sind. Es hat sich herausgestellt, dass das Ausrichten
der Gewindegangform 130 in der ersten Ausrichtung wünschenswerte
Eigenschaften für
das Einführen
des Gewindebefestigungselements in bestimmte Materialien, wie zum Beispiel
Beton, bereitstellt, während
das Ausrichten der Gewindegangform in der zweiten Ausrichtung wünschenswerte
Eigenschaften für
das Einführen des
Gewindebefestigungselements in andere Materialien als Beton, wie
zum Beispiel Aluminium und andere harte Materialien, bereitstellt.
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In
der ersten Ausrichtung der Gewindegangform 130 breitet
sich die Gewindegangform 130 beim Einführen des Befestigungselements
in einer ersten Richtung aus, wie durch den ersten Pfeil 144 dargestellt.
In der zweiten Ausrichtung der Gewindegangform 130 breitet
sich die Gewindegangform 130 beim Einführen des Befestigungselements
in einer zweiten Richtung aus, wie durch den zweiten Pfeil 146 dargestellt.
Bei der dargestellten Ausführungsform
wird dem Material beim Einführen
des Befestigungselements ein kontinuierliches scharfes Merkmal verliehen,
indem mehrere Buckel 134 entlang der Länge des Befestigungselements
angeordnet werden. Bei der dargestellten Ausführungsform weist jeder Buckel
mindestens eine Schnittfläche,
die zum Schneiden in einer ersten Richtung ausgerichtet ist, und mindestens
eine Schnittfläche,
die zum Schneiden in einer zweiten Richtung ausgerichtet ist, auf,
wobei die zweite Richtung entgegengesetzt zur ersten Richtung verläuft.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist jeder Buckel 134 einen ersten Teil 148,
einen zweiten Teil 150 und einen dritten Teil 152 auf.
Der erste Teil 148 ist der Einlaufteil des Buckels 134 und
der dritte Teil 152 ist der Auslaufteil, wenn die Gewindegangform 130 in
der ersten Ausrichtung ausgerichtet ist. In der ersten Ausrichtung
bilden der erste Teil 148 und der zweite Teil 150 jedes
Buckels 134 gemeinsam ein erstes Schneidmerkmal 153 entlang
dem Scheitel 138 der Gewindegangform 130. Neben
dem ersten Schneidmerkmal 153 definieren der erste und
der zweite Teil erste Schneidkanten 154. Die ersten Schneidkanten 154 erstrecken
sich von dem ersten Schneidmerkmal 153 zum Grund 26 des
Gewindes an jedem symmetrischen Teil 132 der Gewindegangform 130.
Das erste Schneidmerkmal 153 erhält eine Kante, wenn der zweite
und der dritte Teil des Buckels während des Einführens des
Befestigungselements in das Material verschlissen werden. Die ersten
Schneidkanten 154 werden zum Gewindeschneiden des Materials
verwendet. Bei der dargestellten Ausführungsform erstrecken sich
die ersten Schneidkanten 154 vom Grund zum Scheitel 138 und
sind zur ersten Ausbreitungsrichtung 144 der Gewindegangform 130 geneigt.
Darüber
hinaus sind bei dieser Ausführungsform
die ersten Schneidkanten 154 aufgrund der allgemein nicht
linearen Form des dritten Teils und der allgemein linearen Form
des zweiten Teils gekrümmt.
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Der
dritte Teil 152 ist der Einlaufteil des Buckels 134 und
der erste Teil 148 ist der Auslaufteil, wenn die Gewindegangform 130 in
der zweiten Ausrichtung ausgerichtet ist. Der zweite Teil 150 und
der dritte Teil 152 bilden des Weiteren zusammen ein zweites
Schneidmerkmal 152 und zweite Schneidkanten 156.
Die zweiten Schneidkanten 156 erstrecken sich von dem zweiten
Schneidmerkmal 155 zur Basis 26 des Gewindes an
jedem symmetrischen Teil 132 der Gewindegangform 130.
Das zweite Schneidmerkmal 155 und die zweiten Schneidkanten 156 sind
Schneidflächen,
wenn die Gewindegangform in der zweiten Ausrichtung ausgerichtet
ist. Durch Vorsehen mehrerer Buckel 134 entlang der Länge des Befestigungselements,
die bei Ausrichtung in irgendeiner Richtung jeweils Schneidmerkmale
und Schneidkanten aufweisen, wird dem Material beim Einführen des
Befestigungselements ein kontinuierliches scharfes Merkmal verliehen.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
variieren die Höhen
und Breiten der verschiedenen Teile der Gewindegangform 130 zwischen
den verschiedenen Teilen jedes Buckels 134 und jeder Basis 136. Wie
am besten in den 12A und 12B dargestellt,
weist der Scheitel 138 eine erste Höhe 158 entlang der
Basis 136 und eine zweite Höhe 160 entlang dem
zweiten Teil 150 jedes Buckels 134 auf. Die erste
Höhe 158 ist
niedriger als die zweite Höhe 160.
Die zweite Höhe 160 definiert
den Außendurchmesser des
Gewindebefestigungselements. Wie am besten in den 12 und 14 dargestellt,
erhebt sich die Höhe
des Scheitels 138 durch den ersten Teil 148 jedes
Buckels 134 zum zweiten Teil 150. Bei der dargestellten
Ausführungsform
verläuft
die Höhenänderungsrate
des ersten Teils 148 vorzugsweise nicht linear, zumindest
im Bereich des ersten Teils 148 neben dem zweiten Teil 150 des
Buckels 134. Die nicht lineare Höhenänderung des ersten Teils 148 erzeugt eine
schärfere
Schneidkante im ersten Schneidmerkmal 153 als bei einer
linearen Höhenänderung
der Fall wäre.
Die Höhe
des dritten Teils 152 jedes Buckels 134 verringert
sich zur Basis 136 neben dem dritten Teil 152 des
Buckels 134. Die Höhenänderungsrate
des dritten Teils verläuft
nicht linear. Darüber
hinaus ist bei der dargestellten Ausführungsform die Höhenänderungsrate
des dritten Teils größer als die
Höhenänderung
des ersten Teils. Die verschiedenen Höhenänderungsraten des ersten und
des dritten Teils erzeugen verschiedene Schneideigenschaften zwischen
dem ersten und dem zweiten Schneidmerkmal.
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Wie
am besten in den 12A und 12B dargestellt,
weist jede Basis 136 eine erste Breite 162 auf,
und der zweite Teil des Buckels 134 weist eine zweite Breite 164 auf.
Die erste Breite 162 ist geringer als die zweite Breite 164.
Wie am besten in 14 dargestellt, erhöht sich
die Breite des ersten Teils 148 des Buckels 134 zum
zweiten Teil 150 des Buckels 134. Bei dieser Ausführungsform
verläuft
die Breitenänderungsrate
des ersten Teils 148 vorzugsweise nicht linear. Die Breite
des dritten Teils 152 jedes Buckels 134 verringert
sich zur Basis 136 neben dem dritten Teil 152 des
Buckels 134. Bei dieser Ausführungsform verläuft auch
die Breitenänderungsrate des
dritten Teils 152 vorzugsweise nicht linear. Bei der dargestellten
Ausführungsform
ist die Breitenänderungsrate
des dritten Teils 152 jedes Buckels 134 des Weiteren
größer als
die des ersten Teils 148 des Buckels 134, wodurch
weitere Unterschiede bei den Einführdrehmoment- und Ausziehfestigkeitseigenschaften
des Befestigungselements in der ersten und zweiten Ausrichtung ermöglicht werden.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
weist jeder Teil des Buckels 134 und jede Basis 136 ein Paar
symmetrischer Flächen 166 auf,
die sich an ihren Außenflächen befinden.
Wie in 12A am besten dargestellt, ist
jede Fläche 166 jeder
Basis 136 bezüglich
ihres symmetrischen Gegenstücks
abgewinkelt. Bei dieser Ausführungsform
sind die Flächen jeder
Basis 136 in einem Winkel 168 von ca. 30 Grad abgewinkelt.
Wie am besten in 12B dargestellt, ist des Weiteren
jede Fläche 166 des
zweiten Teils jedes Buckels 134 vom Scheitel 138 abgewinkelt.
Bei dieser Ausführungsform
sind die Flächen
jeder Basis 136 in einem Winkel 170 von ca. 30
Grad abgewinkelt. Sowohl der erste als auch der zweite Winkel können von
diesen Werten abweichen. Der Winkel der Flächen 166 sowie die
Höhe des
Scheitels 138 im ersten Teil 148 jedes Buckels 134 vergrößern sich
in Richtung des zweiten Teils 150 des Buckels 134.
Bei der dargestellten Ausführungsform
wird über
jeder Fläche 166 jeder
Basis 136 unter der Höhe
des zweiten Teils 150 des Buckels 134 ein Hohlvolumen 172 hergestellt.
Während
des Einführens
des Befestigungselements in das Material erzeugte Trümmerteilchen
werden im Hohlvolumen 172 gesammelt, ohne dass sich dies
negativ auf das zum Antrieb der Schraube und Schneiden des Gewindes
in das Material erforderliche Drehmoment auswirkt. Die untere erste
Höhe 158 und
die erste Breite 162 der Basis 136 verringern
des Weiteren die Reiboberfläche
zwischen dem Befestigungselement und dem Material, wodurch auch
das Einführdrehmoment
verringert wird. Durch Einstellen der Dickenänderungsrate des ersten Teils 148 des
Buckels 134 wird das zum Installieren des Gewindebefestigungselements
in das Objektmaterial erforderliche Drehmoment direkt beeinflusst.
Darüber
hinaus definiert der Winkel 170 des zweiten Teils 150 den
fertig gestellten Gewindeflankenwinkel des Gewindelochs in dem Material.
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Obgleich
die Erfindung für
verschiedene Modifikationen und alternative Formen empfänglich ist, sind
in den Zeichnungen beispielhaft bestimmte Ausführungsformen gezeigt und hier
ausführlich
beschrieben worden. Es versteht sich jedoch, dass die Erfindung
nicht auf die offenbarten besonderen Formen beschränkt ist.
Stattdessen soll die Erfindung alle Modifikationen, die in den durch
die folgenden angehängten
Ansprüche
definierten Schutzbereich der Erfindung fallen, mit umfassen.