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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Gewinde, und insbesondere
auf eine selbstschneidende Schraube bzw. Mutter gemäß Anspruch 1
und eine entsprechende Schraube sowie eine entsprechende Mutter
für ein
Befestigungssystem gemäß den Ansprüchen 14
und 20.
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Genauer
ist die Erfindung auf eine neuartige und verbesserte Gewindeformkonstruktion
gerichtet, die insbesondere ein nicht-dreieckiges bzw. nicht-trapezförmiges Gewindeprofil
aufweist, wobei jedes Gewinde Flankenflächen aufweist, die eine vordere
Gewindefläche
und eine hintere Gewindefläche
sind, wobei wenigstens eine der vorderen und hinteren Gewindeflächen mit
einer konvexen Krümmung
versehen ist, die einen ersten Radius aufweist. Ein solches Gewindeprofil
ist in
US-A-5 722 808 offenbart.
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Genauer
bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Gewindekonstruktion
für eine
gewindebildende Befestigungsvorrichtung, die entweder äußere oder
innere Gewinde umfasst, die für
eine verbesserte Verteilung der internen Kräfte sorgen, die in der Fügekomponente
bzw. dem Verankerungsmaterial erzeugt werden, welches die komplementär ausgebildeten
externen oder internen Gewinde enthält, die durch die gewindebildende
Befestigungsvorrichtung gebildet werden. Eine solche Befestigungsvorrichtung
kann verwendet werden, um die Leistungsfähigkeit einer zusammengefügten Struktur
zu verbessern, die ein Ankermaterial, das insbesondere als eine
geringe Formbarkeit aufweisend klassifiziert ist, sowie eine selbstschneidende
Schraube gemäß der Ausführungsform
der Erfindung umfasst.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Von
Fachleuten wird erkannt, dass herkömmliche selbstschneidende oder
gewindefurchende Schrauben des gewindeformenden Typs dann, wenn
sie verwendet werden, um in Materialien mit geringer Formbarkeit
ein passendes Innengewinde zu erzeugen, eine begrenzte Zuverlässigkeit
bei der Montage und dem Einsatz aufweisen.
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Wie
aus der Gewindebefestigungstechnik bekannt ist, ist die Konfiguration
eines Außengewindebefestigungselements
insbesondere dafür
ausgelegt, die komplementären
Innengewinde durch Materialverdrängung
zu erzeugen. Kurz und beispielhaft, wenn ein solches Außengewindebefestigungselement
in ein einfaches Vorbohrungsloch eingesetzt wird und zwischen dem
Außengewindebefestigungselement
und der Komponente, die das einfache Vorbohrungsloch enthält, eine
Rotation stattfindet, wird das Innengewinde mittels Kaltformung
oder Stauchen in der Oberfläche
des einfachen Vorbohrungsloches der Komponente ausgebildet. Somit
wird eine Nennaxialkraft in der Richtung, in der das externe Befestigungselement
bewegt wird, in Richtung zu der Oberfläche des einfachen Vorbohrungsloches
der Komponente abgelenkt. Wünschenswerterweise sollte
kein Komponentenmaterial durch die Kaltformung der Innengewinde
aus der Komponente geschnitten oder entfernt werden. Aus diesem
Grund sollte dann, wenn Materialien mit geringer Formbarkeit mittels
solcher gewindebildender Befestigungselemente zusammengefügt werden
sollen, ein Materialfluss in Richtung zur Befestigungselementachse vermieden
werden.
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Ferner
weisen herkömmliche
bekannte Gewindeformgeometrien einen dreieckigen oder trapezförmigen Querschnitt
auf, der einen Gewindeflankenwinkel von 60° oder weniger enthält. Die
Verwendung solcher Gewindeformgeometrien, um mittels selbstschneidender
bzw. gewindefurchender, gewindebildender Mittel ein passendes Innengewinde
in Ankermaterialien mit geringer Formbarkeit des Magnesiumlegierungstyps
oder Ähnlichem
zu erzeugen, ist dafür
bekannt, die strukturelle Integrität der Paarungsgewinde zu beeinflussen.
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Insbesondere
kann angenommen werden, dass das Innengewinde, das im Ankermaterial
erzeugt wird, an einem Abscheuern, einem Ausbruch der Schichten
des Ankermaterials und an der Erzeugung von Spänen und Splittern leidet, was
für die
Zusammenfügung
schädlich
ist. Abschnitte des Ankermaterials nahe dem Schraubeneintrittsende
der einfachen Vorbohrung werden erkennbar abbröckeln und verschleißen. Diese
Effekte sind in 7 dargestellt, die eine zusammengefügte Struktur 700 des Standes
der Technik genauer zeigt. Eine Schraube 710 mit einer
bekannten Gewindekonstruktionsgeometrie wird mit einem Ankermaterial 720 zusammengefügt, das
wie angenommen eine geringe Formbarkeit aufweist. Wie zu sehen ist,
fließt
das Ankermaterial aufgrund der Kräfte, die von der Schraube 710 in das
Ankermaterial 720 eingebracht werden, die Gewindeflanken
entlang abwärts,
wobei Ausbrüche 730 erzeugt
werden. Diese Ausbrüche 730 des
Ankermaterials 720 mit geringer Formbarkeit werden abbröckeln und
verschleißen,
insbesondere in Verbindungen, die während der Gebrauchsperiode
mehrmals bzw. periodisch z. B. zu Wartungszwecken gelöst werden.
Somit werden Späne
und Splitter erzeugt.
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Wenn
ferner das einfache Bohrloch eine Form aufweist, die allgemein als "Durchgangsloch" bezeichnet wird,
so dass das Loch in einen Hohlraum im Ankergussteil mündet, wobei
ein solcher Hohlraum zum Aufnehmen von Öl oder anderen ähnlichen
Flüssigkeiten
dient, oder wenn das einfache Bohrloch in eine Zone eindringt, die
elektronische Ausrüstung
enthält,
können
Einheitsanordnungsfehlfunktionen zusammen mit einer Möglichkeit
einer zerstörenden
Beschädigung
der zusammengefügten Einheit
auftreten.
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Es
wird ferner von Fachleuten erkannt, dass diese nachteiligen Merkmale
durch die Beanspruchungen und Spannungen hervorgerufen werden, die
in das Ankermaterial eingebracht werden, wenn die selbstschneidende
Schraube mittels einer Rotationsbewegung angewendet wird, die eine
Axialbewegung der Schraube relativ zum Ankervorbohrungsloch entwickelt.
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Die
obenbeschriebene gewindefurchende Schraube als ein Beispiel für die Erzeugung
komplementärer
Paarungsgewinde mittels Materialverdrängung kann auch leicht auf
eine gewindefurchende Mutter angewendet werden, die auf einen einfachen Bolzen
zu schrauben ist.
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Das
Europäische Patent 0 553 907 offenbart eine
gewindebildende Schraube
800, die in
8 gezeigt
ist, für
die Kaltformung von Innengewinden in einem Werkstück, das
aus einem Material mit geringer Formbarkeit besteht, wie z. B. Magnesium
und dergleichen. Die Schraube verwendet hauptsächlich Kompressionskräfte, um
die Innengewinde im Werkstück
auszubilden. Die Schraube weist einen Schaft auf, der ein Eintrittsende
und ein Kopfende aufweist. Am Schaft sind Außengewinde angeordnet. Die
Außengewinde
definieren eine Gewindekonfiguration mit einem Winkelmaß im Wesentlichen
innerhalb des Bereiches von 90° bis
120°. In
dieser Konfiguration wird eine vorherrschende Kompression des Ankermaterials
mit geringer Dichte während
der Ausbildung des Innengewindes während der Selbstschneideoperation
entwickelt. Während
einer solchen Bewegung in Richtung zu einem erhöhten Gewindeprofilwinkel (jenseits
demjenigen von 60°)
werden die Lastaufnahmefähigkeiten
der zusammengefügten Paarungsgewinde
verbessert, wobei die Probleme, die mit Splittern und Materialabbröckelungen
einhergehen, die die Anordnung verunreinigen können, nicht beseitigt werden.
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AUFGABE UND ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Gewinde für ein gewindebildendes Gewindebefestigungselement
zu schaffen, das eine Kraftverteilung in das Material einer Ankerkomponente
bewirkt, an der das Befestigungselement befestigt wird, so dass
ein Ausschneiden oder Entfernen von Material von der Ankerkomponente
durch die Kaltformung der Innen- oder Außengewinde im größtmöglichen
Ausmaß vermieden
wird.
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Es
ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, ein Gewindebefestigungselementsystem
zu schaffen, wobei die neuartige Gewindeprofilgeometrie auf der
Schraube durch Selbstschneideprinzipien eine Paarungsgewindekonstruktion
entwickelt, die nicht nur für
verbesserte Montageeigenschaften gegenüber alternativen bekannten
Systemen sorgt, sondern auch zu einer Reduktion und/oder Eliminierung
von Spänen,
Splittern und anderen Verunreinigungen führt, die auftreten, wenn ein
internes Paarungsgewinde in Komponenten gebildet wird, die aus Ankermaterialien
mit geringer Formbarkeit, wie z. B. Magnesiumlegierungen und dergleichen,
bestehen.
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Dementsprechend
weist ein Gewinde mit einem nicht-dreieckigen Gewindeprofil mit
vorderen und hinteren Gewindeflächen,
wobei wenigstens eine der vorderen und hinteren Gewindeflächen mit einer
konvexen Krümmung
mit einem ersten Radius versehen ist, eine Spitze des nicht-dreieckigen
Gewindeprofils auf, die ebenfalls eine konvexe Krümmung mit
einem zweiten Radius aufweist, wobei der Wert des ersten Radius
verschieden ist vom Wert des zweiten Radius.
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Der
erste Radius ist vorzugsweise größer als der
zweite Radius. Ein solches Gewinde kann in einer gewindefurchenden
Schraube oder Mutter verwendet werden, insbesondere für Materialien
mit einer geringen Formbarkeit, wie z. B. Magnesium oder eine damit
zusammengesetzte Legierung.
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Die
Basis bzw. der Fuß zwischen
zwei aufeinanderfolgenden nicht-dreieckigen Gewindeprofilen weist
eine konkave Krümmung
mit einem dritten Radius auf. Somit werden Kerbeffekte oder Beanspruchungskonzentrationen
reduziert, so dass die Schraube bzw. die Mutter, die mit dem Gewinde
gemäß der Erfindung
versehen ist, im Vergleich zu einer bekannten Schraube bzw. Mutter
mit entsprechenden Abmessungen mit einer höheren Beanspruchung belastet
werden kann.
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Der
Wert des dritten Radius ist vorzugsweise kleiner als der Wert des
ersten Radius und vorzugsweise kleiner als der Wert des zweiten
Radius.
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Ferner
ist der Übergang
von der wenigstens einen der vorderen und hinteren Gewindeflächen, die mit
einer konvexen Krümmung
versehen ist, zur Spitze des nicht-dreieckigen Gewindeprofils kontinuierlich.
Durch die Konfiguration des neuartigen Gewindes werden vorteilhaft
Kräfte
in die Paarungskomponente mit einer größeren Kraftkomponente senkrecht zur
Paarungskomponente eingebracht als bei herkömmlichen Gewinden. Es sind
somit hauptsächlich Kompressionskräfte vorhanden,
die auf das Paarungsmaterial wirken, und weniger Scherkräfte, während das
komplementäre
Gewinde im Paarungsmaterial ausgebildet wird, wenn das Gewindebefestigungselement
gemäß der Erfindung
befestigt wird. Da die Kompressionsfestigkeit des Materials mit
geringer Formbarkeit größer ist
als die Scherfestigkeit, können
solche Materialien leichter und mit geringeren zerstörenden Wirkungen
Kompressionskräfte aufnehmen
als Scherkräfte.
Ferner ist der Übergang von
der wenigstens einen der vorderen und hinteren Gewindeflächen, die
mit einer konvexen Krümmung versehen
ist, und der Basis bzw. dem Fuß zwischen zwei
aufeinanderfolgenden nicht-dreieckigen Gewindeprofilen kontinuierlich.
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In
einer ersten Ausführungsform
des neuartigen Gewindes sind die vorderen und die hinteren Gewindeflächen eines
nicht-dreieckigen Gewindeprofils symmetrisch zueinander geformt.
In anderen Ausführungsformen,
insbesondere in Bezug auf Materialien mit einer besseren Formbarkeit,
ist es auch möglich, dass
die vorderen und hinteren Gewindeflächen der nicht-dreieckigen
Gewindeprofile asymmetrisch zueinander sind. Im asymmetrischen Fall
ist es mit Bezug auf die Anwendungsbedürfnisse auch möglich, zumindest
teilweise eine flache oder sogar konkave Gewindefläche vorzusehen.
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Entsprechend
den Eigenschaften eines Gewindes gemäß der Erfindung liegt die Teilung
des Gewindes vorzugsweise im Bereich zwischen dem 0,15 bis 0,5-Fachen
des Nenndurchmessers des Gewindes. Im Fall einer Schraube mit lappenförmigem (nockenförmiger)
Querschnitt sei der Durchmesser der umschreibende Kreis des lappenförmigen Querschnitts.
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Gemäß diesem
bevorzugten Bereich für
die Teilung des Gewindes können
weitere Parameter, die ein Gewinde für eine Schraube oder eine Mutter
gemäß der Erfindung
definieren, wie folgt hergeleitet werden:
- – der erste
Radius des Gewindeprofils beträgt
vorzugsweise das 0,8 bis 1,2-Fache der Teilung des Gewindes;
- – die
Tiefe des Gewindeprofils beträgt
das 0,4 bis 0,65-Fache der Teilung des Gewindes;
- – der
zweite Radius der Gewindeprofile entspricht im Wesentlichen dem
0,1-Fachen der Teilung des Gewindes; und
- – der
dritte Radius des Gewindeprofils entspricht im Wesentlichen dem 0,08-Fachen
der Teilung des Gewindes.
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Durch
Anwenden der Lehre der vorliegenden Erfindung auf eine entsprechende
gewindefurchende Schraube oder eine gewindefurchende Mutter werden
eine Schraube und eine Mutter für
ein Gewindebefestigungssystem geschaffen. In einem solchen Gewindebefestigungssystem
enthält
die Schraube bzw. die Mutter ein nicht-dreieckiges externes bzw. internes
Gewinde, das gemäß der vorliegenden
Erfindung gestaltet ist.
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Die
Schraube eines solchen Befestigungssystems umfasst ein Außengewinde
gemäß der Erfindung
und weist eine kreisförmige
Querschnittsfläche
bzw. Querschnitt auf. Andererseits weist die entsprechende Mutter
ein Innengewinde mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche auf.
Es ist jedoch auch möglich,
dass die Gewinde der Schraube einen nicht kreisförmigen, vorzugsweise lappenförmigen Querschnitt
aufweisen, der vorzugsweise ein dreilappiger Querschnitt ist. Aufgrund
der Gestalt mit lappenförmigem
Querschnitt besteht eine höhere
Schwingungsfestigkeit, nachdem die Schraube, die entsprechend mit
dem Gewinde gemäß der Erfindung
versehen ist, in oder auf die Paarungskomponente geschraubt worden
ist.
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Für eine bessere
Handhabung im Gebrauch während
der Montage kann die Schraube einen Zapfenabschnitt an der Spitze
der Schraube aufweisen, um ein einfacheres Einsetzen der Schraube
in ein einfaches Vorbohrungsloch der Komponente zu unterstützen, in
das die Schraube eingeschraubt werden soll. Die Länge des
Zapfenabschnitts ist vorzugsweise gleich dem 2,0-Fachen der Teilung des Gewindes der
Schraube.
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Zusammengefasst,
die neuartige Eigenschaft des Schraubengewindeprofils sorgt dafür, dass
das Profil vorzugsweise nicht-dreieckig und/oder nicht-trapezförmig ist
und eine definierte und konstruierte gekrümmte Form aufweist, die aus wenigstens
zwei definierten Radien entwickelt ist, die in Übereinstimmung mit der vorliegenden
Erfindung sind. In Kombination sorgen die wenigstens zwei Radien
dafür,
dass die Montagebedingungen gemäß der Aufgabe
der Erfindung erreicht werden.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
obigen und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden
Erfindung werden deutlicher anhand der folgenden Beschreibung einer bevorzugten
Ausführungsform
desselben, in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. Es ist zu
beachten, dass in den Zeichnungen die Bezugszeichen mit der höchstwertigen
Ziffer die Nummer der jeweiligen Figur angeben. Alle Zeichnungen
sollen bestimmte Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung erläutern.
Es ist außerdem
zu beachten, dass im Fall unterschiedlicher Ausführungsformen nur die Unterschiede
genauer beschrieben werden. Selbstverständlich sind nicht alle Alternativen
und Optionen gezeigt, weshalb die vorliegende Erfindung nicht als
auf den Inhalt der beigefügten Zeichnungen
beschränkt
zu betrachten ist.
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Im
Folgenden wird die vorliegende Erfindung beispielhaft mit Bezug
auf die beigefügten
Zeichnungen genauer beschrieben, in welchen:
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1 eine
schematische Ansicht einer selbstschneidenden Schraube mit einem
Gewinde gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
schematische Querschnittsansicht des Körpers der Schraube ist, der
den bevorzugten lappenförmigen
Querschnitt der Schraube gemäß 1 aufweist;
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3 eine
vergrößerte Ansicht
eines Segments aus dem Gewindeprofil der Schraube der 1 zeigt;
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4 eine
genaue schematische Ansicht eines Gewindes der Schraube in 1 und
des Profilsegments in 3 ist, wobei bestimmte Gestaltungsparameter
dargestellt sind;
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5 eine
schematische Darstellung des Effekts des Gewindeprofils gemäß der vorliegenden
Erfindung und in Bezug auf die resultierenden Nennkräfte ist,
die in das Paarungskomponentenmaterial umgeleitet werden, wobei
das Gewindeprofil symmetrisch um eine Linie senkrecht zur Mittelachse
der Schraube ist;
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6 eine
schematische Darstellung des Effekts des Gewindeprofils gemäß der vorliegenden
Erfindung und in Bezug auf die resultierenden Nennkräfte ist,
die in das Paarungskomponentenmaterial umgeleitet werden, wobei
das Gewindeprofil asymmetrisch um eine Linie ist, die senkrecht
zur Mittelachse der Schraube ist;
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7 eine
Skizze des Standes der Technik ist, die die Probleme zeigt, die
mit trapezförmigen Gewinden
der bekannten Konfiguration einhergehen; und
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8 eine
Skizze des Standes der Technik für
ein Gewindeprofil gemäß dem
Europäischen Patent 0 553 907 ist
und das fortbestehende Problem zeigt, das mit Spänen, Splittern und Verunreinigungen
und dergleichen einhergeht.
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GENAUE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Obwohl
die Erfindung für
Ausführungsformen
in unterschiedlichen Formen offen ist, sind in den Zeichnungen spezifische
Ausführungsformen gezeigt
und genauer beschrieben, wobei klar ist, dass die vorliegende Offenbarung
als eine Veranschaulichung der Prinzipien der Erfindung zu betrachten
ist, und dass nicht beabsichtigt ist, die Erfindung auf das zu beschränken, was
hier gezeigt und beschrieben ist.
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Dementsprechend
wird mit Bezug auf 1 eine schematische Seitenansicht
einer gewindefurchenden Schraube 100 gezeigt, die ein Gewinde
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung aufweist. Die Schraube umfasst einen
Kopf 110, in welchem eine Aussparung 112 enthalten
ist, mit der dann, wenn die Aussparung mit einem geeigneten passenden
Antriebswerkzeug in Eingriff gebracht wird, über das Antriebswerkzeug eine
Rotationsbewegung um die Achse der Schraube 109 hervorgerufen
werden kann. Diese Rotationsbewegung stellt im Zusammenhang mit
der schraubenlinienförmigen
Schnecke, wie im Folgenden angegeben, die Mittel bereit, mit denen
die Schraube in das einfache Vorbohrungsloch im Paarungsankermaterial
getrieben wird (nicht gezeigt). Das Antriebsmittel, das zum Herbeifüh ren einer
Rotationsbewegung der Schraube verwendet wird, ist nicht auf ein
Aussparungsantriebssystem beschränkt.
Externe Antriebssysteme werden ebenfalls als geeignet betrachtet.
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Benachbart
zur Unterseite des Kopfes der Schraube und entlang der Länge der
Schraube ist ein Schraubenkörper 120 vorgesehen,
auf dem eine schraubenlinienförmige
Schnecke oder ein Schraubgewinde 130 enthalten ist. Die
Schnecke oder das Schraubgewinde ist so konstruiert, dass das Profil der
Schnecke eine Geometrie aufweist gemäß der vorliegenden Erfindung
und wie im Folgenden mit Bezug auf 3 zusammen
mit der vergrößerten Ansicht
eines Teils des Gewindeprofils 130, das im Kreis D der 1 enthalten
ist, genauer beschrieben.
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Die
Gewindeeintrittszone, die das ist, was vom Kopf der Schraube am
weitesten entfernt ist, und mit 140 bezeichnet ist, ist
mit einem Zapfen für ein
einfaches Einsetzen und einer Lochfindeeinrichtung während der
anfänglichen
Anwendung der Schraube versehen. Dieser Zapfen umfasst in dieser besonderen
Ausführungsform
zwei Gewindeteilungen 145. Die Gewindeteilung ist in diesem
Beispiel der Abstand zwischen einem ausgewählten Punkt des einen der Gewinde
und demselben Punkt auf einem benachbarten Gewinde.
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Die
Schraubgewindeteilung gemäß der Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist so gewählt, dass sie zwischen dem
0,15 und 0,5-Fachen des Schraubennennaußendurchmessers 108 liegt.
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Mit
anderen Worten, benachbart zum Kopf 110 folgt ein Schaft 120,
der das verbesserte Gewindeprofil 130 gemäß der vorliegenden
Erfindung aufweist, wie im Folgenden mit Bezug auf 3 und
zusammen mit der vergrößerten Ansicht
eines Teils des Gewindeprofils 130, die innerhalb des Kreises
D der 1 enthalten ist, genauer beschrieben wird. Das Gewindeprofil 130 umfasst
Gewindespitzen 132 und eine Gewindebasis bzw. Füße 134.
Die Schraube 100 der 1 weist
auf der gegenüberliegenden
Seite des Kopfes 110 ein Zapfenende 140 auf, das
für ein
einfaches Einführen
in ein entsprechendes Vorbohrungsloch der jeweiligen Anwendung ausgelegt ist,
was in 1 nicht gezeigt ist. Das Zapfenende 140 der
Schraube 100 umfasst in dieser Ausführungsform zwei Windungen oder
Gewindegänge
des Gewindeprofils 130 entsprechend der Länge der zwei
Teilungen der Schraube 100, wobei die Teilung durch den
Abstand der zwei aufeinanderfolgenden Gewindespitzen 132 bzw.
zweier aufeinanderfolgender Gewindefüße 134 definiert ist.
Gemäß der Erfindung
ist die Abmessung der Teilung des Gewindes aus einem Bereich zwischen
dem 0,15 bis 0,5-Fachen des Nenndurchmessers des Gewindes ausgewählt. Die
Konstruktion der Schraube 100 mit der Gewindekonfiguration
oder dem Profil 130 gemäß der vorliegenden
Erfindung kann einen lappenförmigen Querschnitt
aufweisen, oder eine beliebige andere Form, die als anwendbar betrachtet
wird, für
eine effiziente Ausbildung des Innengewindes während der Montage der Außengewindeschraube 100.
Der Umriss einer typischen Schraube mit lappenförmigen Querschnitt, die Lappen
aufweist, ist in der Draufsicht in 2 gezeigt.
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2 ist
eine schematische Ansicht, die eine lappenförmige Form zeigt, wobei drei
Lappen 210, 212, 214 vorhanden sind,
die um den Umfang des Querschnitts gleichmäßig beabstandet sind. Die Anzahl
der Lappen ist nicht auf drei beschränkt, da eine beliebige ungerade
Anzahl von Lappen anwendbar ist, um die Aufgabe der Befestigungsvorrichtung
bei der Anwendung in einer Magnesiumlegierung und anderen Materialien
mit geringer Formbarkeit zu unterstützen.
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Die
Vorteile der Konstruktion mit dem lappenförmigen Querschnitt für gewindebildende
selbstschneidende Schrauben sind in der Lehre von Phippard jr.,
US-Patent 3.195.156 und
den nachfolgenden internationalen Anmeldungen klar definiert. Zum Beispiel
bietet ein dreilappiger Querschnitt vorteilhaft eine bessere Widerstandsfähigkeit
gegenüber Schwingungen,
die in einigen Anwendungen auftreten, wie z. B. bei der Kraftfahrzeugmontage,
und Auswirkungen auf die Schraubverbindung haben, so dass diese
gelöst
wird.
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Mit
anderen Worten, 2 zeigt ein schematische Draufsicht
des Querschnitts 200 der Schraube 100 der 1 mit
einem lappenförmigen
Querschnitt.
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Aus
dem Querschnitt 200 wird deutlich, dass die Schraube 100 der 1 drei
Lappen 210, 212, 214 aufweist, die im
Wesentlichen so angeordnet sind, dass zwischen jeweils zwei Lappen
ein Winkel von 120° besteht.
Bezüglich
der Anzahl der Lappen sind Schrauben mit dem gezeigten Querschnitt
auch als dreilappige Schrauben bekannt. Der gestrichelte Kreis 220 entspricht
dem jeweiligen Umfang des dreilappigen Querschnitts. Der dreilappige
Querschnitt sorgt vorteilhaft für
eine bessere Widerstandsfähigkeit
gegenüber
Schwingungen, die in bestimmten Anwendungen auftreten, wie z. B.
bei der Kraftfahrzeugmontage, und Auswirkungen auf die Schraubverbindung
haben, so dass diese gelöst
wird.
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In 3 ist
das Gewindeprofil 300 der Schraube 100 der 1 genauer
gezeigt, was durch den Kreis D in 1 dargestellt
ist. Die strichpunktierte Linie 310 entspricht der Symmetrieachse
der Schraube. In 3 ist wieder das verbesserte
Gewindeprofil 300 für
die Verwendung der Schraube in Materialien mit geringer Formbarkeit
deutlich erkennbar. Es sind Gewindespitzen 342 und Gewindefüße 344 vorhanden,
die mittels symmetrischer Gewindeflächen 320 der ersten
Ausführungsform
einer Schraube gemäß der vorliegenden
Erfindung verbunden sind. Wenn bezüglich der Bewegungsrichtung,
die in 3 durch die Pfeilspitze an einem Ende der strichpunktierten
Linie 310 gezeigt ist, die Schraube in ein einfaches Vorbohrungsloch
eingesetzt wird, ist eine Gewindefläche, die in die Bewegungsrichtung
weist, eine vordere Gewindefläche 322,
wobei die gegenüberliegende
Gewindefläche eine
hintere Gewindefläche 324 ist.
Es ist zu beachten, wie hier im Folgenden zusammen mit einer weiteren
Ausführungsform
beschrieben wird, dass die Erfindung nicht auf eine symmetrische
Konstruktion der Gewindeflächen 320 beschränkt ist.
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In 4 ist
eine vergrößerte Querschnittsansicht
eines Schraubgewindes 400 eines Außengewindeschraubprofils gezeigt,
das gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruiert ist, d. h., das Schraubgewinde 400 entspricht
dem Gewindeprofil 130 der Schraube 100 in 1.
Der Querschnitt des Schraubgewindes 400 ist durch zwei
benachbarte Gewindewindungen bzw. Gewindegänge des Schraubgewindes 400 genommen,
das auf der Außenseite
der Schraube ausgebildet ist. Die Gewindeteilung p wird als Abstand
zwischen den Mitten 460 und 462 benachbarter Gewindegänge bezeichnet, was äquivalent
ist zu der Teilungsdefinition, wie oben in Verbindung mit zwei aufeinanderfolgenden
Gewindespitzen angedeutet worden ist. Die Tiefe des Gewindes TD
ist zwischen dem 0,4 bis 0,65-Fachen der Teilung p des Gewindes
festgelegt.
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Das
Gewindeprofil des Schraubgewindes 400 ist aus den Radien
R entwickelt, die so beschaffen sind, dass das Gewindeprofil symmetrisch
zur imaginären
Symmetrieachse PA ist. Der Wert der Radien R, der der erste Radius
des neuartigen Gewindes ist, ist zwischen dem 0,8 bis 1,2-Fachen
der Teilung p des Gewindes festgelegt.
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Das
Schraubgewinde 400 weist Gewindefläche 120 auf, die sich
vom Gewindefuß 444 ausgehend
erstrecken und an der Gewindespitze 442 enden. Die Gewindespitze 442 bildet
einen konvexen abgerundeten Übergang
zwischen den Gewindeflächen 420 an
der Gewindespitze 442, der wenigstens im Wesentlichen konvex
ist. Die abgerundeten Gewindespitzen 442 sind aus einem
Radius r1 entwickelt, der den zweiten Radius des neuartigen Gewindes
bildet und im Wesentlichen auf das 0,1-Fache der Teilung p des Gewindes
festgelegt ist. Der Radius r1 ist so beschaffen, dass die abgerundeten
Gewindespitzen 442 ebenfalls symmetrisch zur imaginären Symmetrieachse
PA sind. Die abgerundeten Gewindespitzen 442 kontrollieren
und minimieren vorteilhaft die Scherkräfte, die während der Kaltformung der komplementären Gewinde
im Material mit geringer Formbarkeit auftreten.
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Ferner
sind auch abgerundete Gewindefüße 444 vorhanden,
die einen konkaven abgerundeten Übergang
zwischen aufeinanderfolgenden Gewindeoberflächen 420 bilden. Die
abgerundeten Gewindefüße 444 sind
aus einem Radius r2 entwickelt, der den dritten Radius des neuartigen
Gewindes bildet und im Wesentlichen auf das 0,08-Fache der Teilung p
des Gewindes festgelegt ist. Der Radius r2 ist so beschaffen, dass
die abgerundeten Gewindefüße 444 ebenfalls
symmetrisch zur imaginären
Symmetrieachse PA sind.
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Es
klar, dass die Mitten der Radien r1 und r2 auf der Symmetrieachse
der Gewindespitzen 442 bzw. der Symmetrieachse der Gewindefüße 444 angeordnet
sind. Die Mitten der Radien R, die die konvexen Gewindefläche 420 definieren,
sind so angeordnet, dass zwei Bedingungen erfüllt sind:
Erstens, in Übergangspunkten
von einer Gewindespitze 442 zu einer Gewindefläche 420 sind
die Tangente, die auf dem Kreis mit dem Radius R konstruiert ist,
der die Gewindefläche 420 definiert,
und die Tangente, die auf dem Kreis mit dem Radius r1 konstruiert
ist, der die Gewindespitze 442 definiert, im Wesentlichen
gleich. Zweitens, in Übergangspunkten von
einem Gewindefuß 444 zu
einer Gewindefläche 420 sind
die Tangente, die auf dem Kreis mit dem Radius R konstruiert ist,
der die Gewindefläche 420 definiert,
und die Tangente, die auf dem Kreis mit dem Radius r2 konstruiert
ist, der die Gewindefüße 444 definiert,
im Wesentlichen gleich. In 4 sind die Radien
R so gezeichnet, dass gezeigt wird, dass die Mitten der Radien R
von den Gewindefläche 420 weiter
entfernt sind. Wenn die Übergangspunkte
an beiden Enden einer Gewindefläche 420 mit
einer Linie verbunden werden, die eine Sekante der Gewindefläche 420 ist,
dann kann der Mittelpunkt des Radius R auf der Symmetrieachse der
Sekante gefunden werden.
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In 4 ist
deutlich zu sehen, dass Übergänge zwischen
den Radien, die die Gewindespitzen 442, die Gewindefüße 444 und
die Gewindeflächen 420 des
neuartigen Schraubgewindes 400 definieren, so ausgeführt sind,
dass der gesamte Verlauf des Gewindeprofils kontinuierlich ist.
Mit anderen Worten, es gibt keine scharfen Biegungen oder Brüche im Verlauf
des Gewindeprofils. Durch Einbringen interner Kräfte mittels der neuartigen
gewindebildenden Schraube bzw. Mutter in die jeweilige Paarungskomponente
wird somit eine Beanspruchungskonzentration im Paarungsmaterial
so weit wie möglich vermieden.
Außerdem
weist die Radiusform der Gewindespitze und die konvexe Gewindeflächenprofilform
die Möglichkeit
zur Entwicklung interner Kräfte während des
Selbstschneidevorgangs des Paarungsgewindes im Ankermaterial auf,
die vorherrschend kompressiv sind. Dieses Merkmal minimiert die
Größe irgendwelcher
Scherkräfte,
die bei anderen Gewindeprofilentwürfen vorhanden sein können. Folglich
werden die zerstörenden
Einflüsse
der eingebrachten Scherkräfte
beim Erzeugen von Spänen, Graten,
Splittern und Ausbrüchen
von Schichten im Magnesiumslegierungs-Mutterankermaterial eliminiert.
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5 ist
eine schematische Darstellung der Richtung der Kräfte, die
die Kompression des Magnesiumlegierungsmaterials während der
Erzeugung des Paarungsmuttergewindes unter Verwendung von Selbstschneideprinzi pien
erzeugen. Sie zeigt die Vorteile, die unter Verwendung der neuartigen
Profilkonstruktion der vorliegenden Erfindung erreicht werden.
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Dieses
Diagramm zeigt ferner die Entwicklung des Radiusgewindeprofils,
die eine sanft gebogene Gewindekonstruktion ermöglicht, die längs der Länge des
Gewindeschraubenkörpers
bzw. des Schraubenschafts kontinuierlich ist. Diese kontinuierlich
gekrümmte
Konstruktion ist vorteilhaft bei der Beseitigung einer Mutternmaterialbeschädigung,
die bei unterbrochenen Kontaktoberflächen auftreten würde.
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Genauer
zeigt 5 ein Außengewinde 500 der
Schraube gemäß der ersten
Ausführungsform der
Erfindung, das verwendet wird, um ein Paarungsgewinde in einer Komponente
mittels Kaltformung auszubilden, sowie die Kräfte, die auf das Material der
Gewinde während
des Ausbildungsprozesses einwirken, welche als schwarze Pfeile gezeigt
sind. Zum Beispiel weist eine resultierende Kraft 505,
die auf die externen und internen Gewinde einwirkt, eine Radialkomponente 510 auf,
die längs
eines Radius des einfachen Vorbohrungsloches, das in der Komponente
ausgebildet ist, gerichtet ist, sowie eine Axialkomponente 520,
die längs
einer Achse der Längsrichtung
der Schraube gerichtet ist. Der Krümmung bis zur Spitze folgend
nimmt die Axialkomponente 520 ab und die kompressive Radiuskomponente 510 nimmt
zu.
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Wenn
das Gewinde der 5 in eine Komponente geschraubt
wird, die aus einem Material mit geringer Formbarkeit besteht, wie
z. B. Magnesium oder dergleichen, werden die obenbeschriebenen und
in 5 gezeigten Kräfte
die strukturelle Integrität
der so gebildeten Innengewinde nicht nachteilig beeinflussen. Ein
Abscheuern, ein Absplittern, ein Schichtausbruch und eine Abspanung
des Komponentenmaterials werden vorteilhaft vermieden. Ferner werden
keine Abschnitte des Komponentenmaterials neben dem Vorbohrungsloch
abbröckeln
oder abreißen.
Außerdem
bilden sich keine Splitter in der Nähe der Gewindespitzen der Innengewinde
und können
somit nicht wegbrechen. Die strukturelle Integrität der Innengewinde
wird nicht beschädigt
und es gibt keine Beeinträchtigung
beim Drehen der Schraubgewinde.
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Aufgrund
der kontinuierlichen Form des Gewindeprofils ist ferner die Vertei lung
der auftretenden Kräfte
ebenfalls kontinuierlich. Somit werden Beanspruchungsbrüche nahe
der Basis der Innengewinde vermieden. Die relativ erhöhte Größe der Radialkomponente
der resultierende Kraft, die auf die Innengewinde einwirkt, senkt
ferner die Neigung der Gewinde zum Brechen und Abscheren der Komponente.
Die Innengewinde weisen daher ein signifikant verbessertes Lastaufnahmepotential
und eine verbesserte Wiedernutzbarkeit auf.
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6 ist
eine Darstellung einer Abweichung, die bezüglich der vorliegenden Erfindung,
wie angedeutet, auftreten kann. Diese Abweichung erlaubt, dass das
Schraubgewindeprofil eine nicht-symmetrische Form aufweist. Es ist
jedoch klar zu beachten, dass die vordere Fläche des Profils in Übereinstimmung
mit allen in der vorliegenden Erfindung beschriebenen Elementen
ist, und dass die hintere Fläche
so beschaffen ist, dass sie eine kontinuierlich gekrümmte Form
längs der
Länge des
Gewindeschraubenschafts bereitstellt.
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6 ist
im Vergleich zu 5 ein Beispiel für eine asymmetrische
Gewindekonfiguration gemäß der vorliegenden
Erfindung. In 6 ist ein Außengewinde 600 einer
Ausführungsform
einer Schraube gezeigt, wobei die konvexe hintere Gewindefläche 624 viel
steiler ist als die konvexe vordere Gewindefläche 622. Wie aus der
Kraftumlenkungswirkung mittels der Gewindeflächenkonfiguration leicht deutlich
wird, wird somit die relative Größe der Axialkomponente 620 der
resultierenden Kraft 605 erhöht, während die relative Größe der Radialkomponente 610 der
resultierenden Kraft 605 reduziert wird. Die Axialkomponente 620,
die auf die Innengewinde einwirkt, erzeugt somit mehr Druck in Richtung
des Vorbohrungsloches bzw. der Schraube. Ein solches Gewindeprofil
ist daher in jeder Anwendung anwendbar, in der höhere Klemmkräfte benötigt werden
und die Formbarkeit des Mutternmaterials dies zulässt.
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Die
Nützlichkeit
der Lehre gemäß der Erfindung
besteht darin, das entsprechende Profil der internen und externen
Verhältnisse
zu Elementen in Beziehung zu setzen, die in einer gewöhnlichen
Terminologie als Mutter bzw. Bolzen definiert sind. Beliebige und
alle Montageprozesse, die die Konzepte nutzen, werden von der Fähigkeit
des neuartigen Befestigungssystems profitieren, höheren axial
ausgeübten
Kräften
standzuhalten als denjenigen herkömmlicher Systeme, die mit einem
Gewindeprofil konstruiert sind, das im Wesentlichen eine dreieckige Form
aufweist, während
alle anderen Faktoren gleich sind.
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Obwohl
eine bestimmte Ausführungsform der
Erfindung gezeigt und genauer beschrieben worden ist, ist für Fachleute
klar, dass Änderungen
und Modifikationen der vorliegenden Erfindung in ihren verschiedenen
Aspekten vorgenommen werden können,
ohne von der Erfindung abzuweichen, wobei einige solcher Änderungen
und Modifikationen Routineangelegenheiten des Ingenieur- und Gestaltungswesens
sind, und andere nur nach einem Studium offensichtlich sind. Der
Umfang der Erfindung ist daher durch die beigefügten Ansprüche definiert.