TW202413812A - 用於直接螺接至構件中的螺釘 - Google Patents

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拉夫 勃可巴克
芮妮 哥柏
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德克 瑞柯
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克里斯托夫 辛納
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Abstract

本發明係關於一種用於直接螺接至構件、特別是由輕金屬材料製成的構件中的螺釘（10），其包括頭部及桿部，其中前述桿部配設有螺紋（20），前述螺紋的螺紋外半徑（R A）從具有恆定的支承區域半徑（R T）的圓柱形支承區域（TB）開始在尖端區域（SB）的範圍內朝向螺釘尖端（12）而減小，其中前述螺紋（20）具有朝向前述螺釘尖端（12）的導引側面（46、56）及朝向前述螺釘頭（18）的負載側面（42、52），其中前述導引側面（46、56）及前述負載側面（42、52）藉由螺紋尖端（44、54）連接，其中前述螺紋尖端（44、54）從前述導引側面（46、56）到前述負載側面（42、52）的輪廓線遵循沿定義前述螺紋尖端的橢圓（SE）的橢圓路徑，其中前述橢圓（SE）的半長軸的頂點（SP）處於前述螺紋尖端中，前述橢圓（SE）具有與前述負載側面（42、52）的過渡點（UP1、UP2）以及與前述導引側面（46、56）的過渡點（UP1、UP2），其中在與前述負載側面（42、52）的過渡點（UP1、UP2）處與前述橢圓的切線（T1）與前述橢圓（SE）的半長軸（HA）形成負載側面角（LF），在與前述導引側面（46、56）的過渡點（UP2）與前述橢圓（SE）的切線（T2）與前述橢圓的半長軸（HA）形成導引側面角（FF），並且前述螺紋尖端以某種方式設計，使得在前述過渡點（UP1、UP2）處正交於前述切線（T1、T2）的正交線與前述半長軸（HA）相交於交點（BP1；BP2），其特徵在於，前述交點（BP1；BP2）與前述過渡點（UP1、UP2）之間的距離小於前述頂點（SP）與前述交點（BP1；BP2）之間的距離的90%。

Description

用於直接螺接至構件中的螺釘
本發明係關於一種用於直接螺接至構件、特別是由輕金屬材料製成的構件中的螺釘。
EP 1 053 405 B1揭示過一種具有自攻螺紋的螺釘，其中此螺釘在前端處具有開溝區段，其具有橢圓形橫截面並且具有包括尖銳的螺紋尖端的螺紋輪廓。
WO 95/14863 A1揭示過一種具有放置到螺紋線上的成型元件的自攻螺釘。此螺釘應減小在螺母材料中的螺紋成型過程中原則上會隨著擰入深度的增加而增大的擰入扭矩。
上述螺釘在前部區域中具有成型區域，此等成型區域徑向延伸越過基本上從桿部連續至尖端的基本螺紋，此等成型區域沿周向受到限制並且相對較短。此螺釘在支承區域中具有校準凸起，這個校準凸起僅略微突出於支承螺紋，特別是小於0.08 mm。
藉由此螺釘減少開溝過程中的摩擦並且同時仍實現良好的固定性能。難以可靠地製造此校準凸起，特別是藉由軋製工藝，因為在軋製過程中無法充分提供形成校準凸起所需的材料。
因此，本發明的目的是在保持較小的攻絲扭矩的情況下進一步提高螺釘的固定性能。
本發明用以達成上述目的的解決手段在於請求項1的特徵及其前言部分特徵。
用於直接螺接至構件、特別是由輕金屬材料製成的構件中的螺釘以已知的方式包括具有驅動器的頭部及桿部，其中前述桿部配設有螺紋。前述螺紋的螺紋外半徑從圓柱形支承區域開始在尖端區域的範圍內朝向螺釘尖端而減小，使得這個螺紋在與頭部間隔一定距離的末端處的螺紋外半徑小於在支承區域中的螺紋外半徑。這個尖端區域始於最靠近支承區域的位置並且延伸至螺釘尖端，在這個位置上，螺紋外半徑小於支承區域半徑。
藉由尖端區域中的螺紋在構件的螺母材料中產生螺母螺紋，將支承區域中的螺紋擰入這個構件中。
前述螺紋具有朝向前述螺釘尖端的導引側面及朝向前述螺釘頭的負載側面。
前述導引側面及前述負載側面藉由螺紋尖端連接，其中前述螺紋尖端從導引側面到負載側面的由螺紋橫截面而產生的輪廓線遵循沿定義前述螺紋尖端的橢圓的橢圓路徑。
根據本發明，前述螺紋以某種方式設計，使得在處於與前述負載側面的過渡部中的接觸點處與前述橢圓的切線與前述橢圓的半長軸形成特別是至多為30°的負載側面角，在處於與前述導引側面的過渡部中的接觸點處與前述橢圓的切線與前述橢圓的半長軸形成特別是至多為30°的導引側面角。
此外，前述螺紋尖端以某種方式設計，使得在前述過渡點處正交於前述切線的正交線與前述半長軸相交於交點。
根據本發明，前述螺紋尖端進一步以某種方式設計，使得相應過渡點與相應交點之間的距離小於相應交點到螺紋尖端的頂點的距離。過渡點與交點之間的距離理想小於交點到螺紋尖端的頂點的距離的90%。
從橢圓形螺紋尖端到螺紋側面的過渡部特別是切向延伸。因此，這個過渡部較為流暢，被螺紋尖端排擠的材料可以沿螺紋側面低摩擦地進一步流動，從而可以減小攻絲扭矩。螺紋尖端以足夠鈍的方式構建，以便僅出現輕微磨損。如此就能減小針對開溝過程的變形力以及擰入扭矩。
根據一種理想的技術手段，前述橢圓的數值偏心率Epsilon在0.5到1之間。
藉由螺紋尖端的橢圓形設計，在最外側的螺紋尖端處提供堅固的形狀結構，使得這個螺紋尖端具有良好的開溝特性。此外，在從最外側的螺紋尖端朝螺紋根部的方向進一步延伸至側面的過程中，隨著與頂端的距離的增大，被排擠的材料受到的阻力越來越小。據此減小螺母材料變形所需的徑向力，從而使螺紋更易於透入螺母材料中。
根據一種特別理想的改進手段，前述螺紋以某種方式設計，使得貼靠在相應過渡點處的兩條切線相交並形成交角，即小於25°且至多為60°、特別是小於60°、特別是小於45°的基本側面角。
因此，相應切線與半長軸形成負載側面角及導引側面加。這個半長軸平行於螺釘中軸線的法線平面或者與其形成小於25°的角。
因此，導引側面及負載側面相當於基本側面角。這個基本側面角理想在25°到45°之間。如此就能提高擰入性能，特別是在高強度的輕金屬材料中。
導引側面處的過渡點與半長軸的距離大於1/3*tan (導引側面角)*螺紋高度。負載側面處的過渡點與半長軸的距離大於1/3*tan (負載側面角)*螺紋高度。
這個螺紋高度是基本螺紋外半徑與一半螺紋根徑的差。借助此設計實現螺紋側面的相對較窄的設計。
進一步理想地，前述螺紋尖端可以以某種方式進一步改進，使得相應過渡點與螺紋尖端處的半長軸的頂點的連線與這個半長軸形成小於55°的頂點角。
此舉確保螺紋尖端相應細長地延伸，從而可以提高對螺母材料的透入性能。
這個螺紋區段理想可以從其橢圓部過渡至導引側面及/或負載側面的直線區段，其中這個導引側面及/或負載側面特別是與切線疊合。
在本發明的一種改進手段中，前述導引側面及/或負載側面可以沿橢圓路徑延伸，其曲率以與螺紋尖端處的橢圓曲率朝向相反方向的方式構建。在此情況下，這個曲率可以緊鄰螺紋尖端或導引側面及/或負載側面的直線區段。
導引側面及/或負載側面的橢圓路徑的偏心率理想小於定義螺紋尖端的橢圓的偏心率。據此實現螺紋朝螺紋根部的方向的顯著加寬，從而提高螺紋的抗剪強度及穩定性。
根據本發明的另一有利的改進手段，定義螺紋尖端的橢圓的半長軸相對於關於螺釘中軸線的法線平面以形成不超過10°的角的方式朝導引側面的方向傾斜。
相鄰螺紋側面在其螺紋高度的90%處的間距特別是大於導程的0.7倍。此外，在其螺紋高度的90%處，側面寬度可以小於螺紋高度的0.5倍。如此就能提供足夠小的螺紋尖端寬度。
根據本發明的一種理想的改進手段，前述螺紋在尖端區域中具有至少五個沿徑向延伸的凸起。此等凸起沿周向受到限制。這意味著凸起之間存在局部最小值。
進一步理想地，螺紋的凸起在螺釘尖端的範圍內的橫截面以某種方式設計，使得此等凸起在螺紋尖端處呈橢圓形。因此，在凸起的區域中，導引側面及負載側面亦藉由螺紋尖端連接，其輪廓線在橫截面中呈橢圓形。
除了螺紋在支承區域中的螺紋尖端外，此等凸起亦可以具有橢圓形形狀。藉由對支承區域中的螺紋形狀進行適配，可以改善基本螺紋與開溝的螺母螺紋的接觸，其中基本上有助於對螺紋進行開溝的凸起亦獲得有所提高的開溝特性。
螺紋外半徑沿螺旋線局部遵循基本螺紋走向。藉由尖端區域內的位於此等凸起之間的螺紋外半徑的局部最小值對這個基本螺紋走向進行內插。在螺紋與內插基本螺紋走向一致的區域中，螺紋被稱為基本螺紋，其具有從螺釘尖端到支承區域半徑不斷增大的基本螺紋外半徑。
在某種程度上可以說，基本螺紋以與無凸起的螺紋一樣的方式延伸。基本螺紋外半徑理想在尖端區域內嚴格地單調減小、特別是線性減小並且在支承區域中相當於支承區域半徑。
支承區域中的基本螺紋外半徑基於支承區域中的圓柱形包絡線的包絡外徑而得出。支承區域半徑在支承區域的螺紋與藉由凸起在尖端區域中預開溝的螺紋嚙合的整個區域內是恆定的。借此，根據本發明，在外螺紋的圓柱形部分中未設有凸起，因為此等凸起因其在這個區域中無法可靠地製造會對擰入性能產生負面影響。
前述螺紋在此等凸起的區域中具有與基本螺紋外半徑相比有所變化的螺紋外半徑，其相應地相對於基本螺紋外半徑有所增大。因此，每個凸起在周向上沿螺旋線均具有最大螺紋外半徑，其相當於與凸起所對應的凸起最大半徑。此舉確保螺紋外半徑在這個凸起的範圍內沿螺旋線而增大或減小。
根據本發明，至少兩個凸起構建為校準凸起，其中，此等校準凸起的凸起最大半徑大小相同並且同時亦大於支承區域半徑。此等校準凸起的凸起最大半徑定義校準半徑。
藉由至少兩個校準凸起使得首先僅最靠近螺釘尖端的校準凸起提供開溝效率。至少一個進一步間隔開的校準凸起不提供或僅提供顯著降低的開溝效率，直至朝螺釘尖端的方向更靠近的校準凸起受到磨損。在此情況下，朝支承區域的方向的後續校準凸起承擔開溝功能，直至朝螺桿尖端的方向更靠近的校準凸起受到磨損。如此一來，藉由較長的擰入行程以及與此相關的較高開溝效率，支承螺紋可以與構件中預成型的螺紋線嚙合，這個螺紋線盡可能以定義的方式預成型。據此減小擰入扭矩。
此外，藉由根據本發明的螺釘使擰入扭矩保持較小並且限制在較小的範圍內，因為只有在至少一個靠近螺釘尖端的校準凸起受到磨損時，才會由校準凸起提供附加的開溝效率。
校準凸起位於基本螺紋外半徑有所減小的區域中，因此，與支承區域半徑相比，相對於基本螺紋外半徑的差值更大。即使校準半徑（即校準凸起的凸起最大半徑）與支承區域半徑之間的差值很小，亦可以更可靠地製造此等校準凸起，因為如此就能提供用於形成校準凸起的材料。校準投凸起的凸起最大半徑（即校準半徑）與支承區域半徑之間的差值理想非常小，特別是小於0.1 mm。
理想可以設有至少三個具有相同凸起最大半徑的校準凸起。因此，存在一個最靠近螺釘尖端的仍提供較低的開溝效率的校準凸起以及另外兩個進一步遠離螺釘尖端而佈置的校準凸起。在相應最靠近螺釘尖端的校準凸起磨損後，可以藉由進一步間隔開的校準凸起對構件中的螺紋線進行精確成型。構件材料及螺母材料硬度越高，此設計就越為有利。
此外，在校準凸起與最前方的螺釘尖端之間佈置有至少三個預成型凸起，此等預成型凸起的相應凸起最大半徑小於校準凸起的凸起最大半徑，即校準半徑。此外，相應預成型凸起的凸起最大半徑朝螺釘尖端的方向而減小。如此就能逐漸對螺母材料進行成型。在此情況下，連續的凸起的凸起最大半徑的差值理想以某種方式選擇，使得每個預成型凸起必須提供大致相同的開溝效率。
根據一種理想的技術手段，基本螺紋外半徑從螺釘尖端開始在尖端區域內以與預成型凸起的凸起最大半徑增大相同的方式增大。凸起最大半徑的內插曲線特別是平行於局部最小值的內插曲線。
理想在支承區域半徑與朝螺釘尖端的方向的第一凸起最大半徑之間存在螺紋外半徑的局部最小值，在這個局部最小值處，螺紋外半徑小於支承區域半徑。這表明，在朝頭部的方向位於支承區域前方的凸起亦會降低到基本螺紋的水平，這個基本螺紋在該處的螺紋外徑小於支承區域半徑。據此，從支承區域開始朝螺釘尖端的方向的第一凸起完全位於尖端區域中。
第一局部最小值處的螺紋外半徑與支承區域半徑的比率理想小於0.996。借此實現螺紋外半徑的足夠大的差值，從而提供足夠的材料以形成凸起。
根據另一有利的技術手段，前述螺紋以某種方式設計，使得校準半徑超出最小平均值的百分比與校準半徑超出支承區域半徑的百分比的比率大於1.4。
最小平均值是第一局部最小值處的螺紋外半徑與第二局部最小值處的螺紋外半徑的平均值。第一局部最小值位於支承區域與朝尖端的方向最靠近支承區域的第一凸起之間，第二局部最小值位於第一凸起與朝尖端的方向最靠近的凸起之間。
作為凸起最大半徑分布的線性增大的替代手段，凸起最大半徑朝尖端的方向的增大曲線亦可以是遞減的。如此就能適配開溝性能及構件材料的硬度。
此等凸起之間的局部最小值可以相當於基本螺紋外半徑並且在至少部分地延伸越過螺釘尖端的開溝區域內朝螺釘尖端的方向持續減小，特性是線性減小。
如果此等凸起之間的螺紋外半徑的局部最小值相當於基本螺紋外半徑，則據此簡化螺釘的製造並增大拔出力，因為螺紋成型的尖端區域中的螺紋亦可以為抗拔出性做出貢獻。
螺紋沿徑向藉由螺紋尖端界定。螺紋通常借助其螺紋尖端沿螺紋螺旋而延伸，其中螺紋尖端處的確定螺紋外半徑的點的位置就其在法線平面（平面圖）內的角度而言有所變化，這個角度被稱為環繞角。
因此，這個環繞角是表示相對於螺釘軸正交於螺紋螺旋的正交線的螺紋外半徑與在螺釘自由端處定義的、特別是螺紋始端處的起始正交線所形成的角度。從螺紋始端處的起始正交線開始，每轉一圈，這個環繞角增大360°。
根據凸起的一種理想的技術手段，在凸起環繞角的第一環繞角位置上，螺紋外半徑可以相當於基本螺紋外半徑。在此情況下，隨著環繞角的增大，在凸起最大值處的環繞角位置上，這個螺紋外半徑相當於凸起最大半徑。隨著環繞角的進一步增大，在凸起末端處的環繞角位置上，這個螺紋外半徑相當於基本螺紋外半徑。據此實現螺紋外半徑到基本螺紋外半徑的增減。如此就能在基本螺紋外半徑仍有所增大的區域中提高承載能力。
根據凸起的一種理想的改進手段，螺紋外半徑從基本螺紋外半徑開始在凸起環繞角的範圍內單調增大，接著再單調減小至基本螺紋外半徑。如此能簡單地製造凸起並實現定義的開溝特性。特別是沿一條抛物線實現增大及減小，這個抛物線的頂點位於凸起最大半徑處。
基本螺紋外半徑理想在兩個沿螺旋線以抛物線的方式延伸的凸起之間朝頭部的方向線性增大。
根據本發明的另一有利的改進手段，一個預成型凸起的凸起最大半徑大於朝螺釘頭的方向的下一凸起的始端處的下一螺紋外半徑。在凸起的始端處，螺紋外半徑的增大曲線與基本螺紋的走向相比具有更大的斜率。藉由此等凸起的佈局確保任一預成型凸起僅須在部分區域內提供開溝效率，從而減小攻絲扭矩並且減少凸起的磨損。
根據本發明的另一有利的改進手段，在相對於螺釘中軸線的法線平面內，兩個相鄰的凸起最大半徑之間的凸起環繞角相當於角距離alpha，其中360° / n -10° ＜ alpha ＜ 360° / n +10°，其中n介於2、3或4之間，凸起的角距離小於210°/n。據此定義在這個凸起環繞角內相對較短的凸起，從而減少凸起最大半徑區域中的摩擦。如此就能減小擰入扭矩。
此等凸起不僅可以朝螺紋外半徑的方向向外延伸，而且可以具有沿螺釘的縱向的延伸度，其大於基本螺紋沿螺釘的縱向的延伸度。特別是在兩側就是如此。
借此亦可以藉由預成型凸起逐漸增大螺母螺紋的寬度。
螺紋在尖端區域內的長度特別是小於五圈。因此，特別是在螺接至盲孔中時，螺釘長度的絕大部分可以發揮支承作用。
根據另一有利的改進手段，螺紋根徑從尖端開始在尖端區域內有所增大，直至其相當於支承區域中的螺紋根徑。如此就能提高根據本發明的螺釘的可製造性。
螺紋根徑的相對增大可以小於基本螺紋半徑的增大。
螺紋線的斜率理想約為5°-7°，其相當於基本螺紋外半徑每圈增大3%至5%。特別是在凸起最大半徑成比例地增大時，因增大幅度較小，螺母螺紋可以逐漸成型至螺母材料中。
前述螺釘理想由鋼製成。
圖1為根據本發明的螺釘100的前端的透視圖，這個螺釘具有圓柱形支承區域及錐形尖端區域。螺紋外半徑R A從螺紋200的支承區域TB開始在尖端區域SB內不斷減小，從而形成錐形包絡曲線。螺紋200的螺紋輪廓相當於圖5中所描述的螺紋輪廓。藉由結合圖5所描述的螺紋輪廓，藉由橢圓形螺紋尖端、特別是藉由尖端區域，減小擰入由輕金屬材料、特別是鋁製成的構件中的預鑽孔或芯孔中時的攻絲扭矩。
圖2a為用於螺接至由輕金屬材料製成的構件中的根據本發明的螺釘10的側視圖。螺釘10包括被稱為螺釘尖端12的前端及位於螺釘10的另一末端處的頭部18。這個螺釘具有包括支承區域TB的螺紋20，其中在支承區域TB中，螺紋20在螺旋線的範圍內具有恆定的螺紋外半徑R A，即支承區域半徑R T，其相當於支承區域TB中的外徑的一半。支承區域半徑R T理想基於螺釘的標稱外徑而得出。因此，支承區域半徑R T相當於標稱外徑的一半。支承區域TB朝螺釘尖端12的方向鄰接尖端區域SB，螺紋20的螺紋外半徑R A在這個尖端區域內沿螺旋線有所變化並因此減小至螺釘尖端12。在尖端區域SB中，螺紋20具有沿周向界定且沿徑向延伸的凸起14.2、14.5、14.8、16.1、16.2（亦稱為14.X、16.X）。在此等凸起14.X、16.X的區域內，螺紋20以有所變化的螺紋外半徑R A而延伸。從螺桿尖端12開始，螺紋外半徑R A基本上有所增大並形成螺紋20，這個螺紋基本上包括具有基本螺紋外半徑R AB的基本螺紋，其中基本螺紋外半徑R AB線性增大。此外，這個螺紋亦具有凸起14.X、16.X，其凸起外半徑R AE相對於基本螺紋外半徑R AB有所增大。
在尖端區域SB中的局部凸起14.X、16.X中，至少兩個凸起16.X具有凸起最大半徑R E10max、R E11max，這個凸起最大半徑對於兩個凸起16.1、16.2而言是相同並且相當於校準半徑R K，這個校準半徑大於支承區域半徑R T。此等凸起被稱為校準凸起16.X，因為至少沿螺旋線朝頭部方向進一步遠離的校準凸起16.X無需再執行過多的成型工作來生產螺母螺紋，而是應確保減少預成型螺紋可能存在的任何誤差，特別是在螺紋尖端區域中。特別是應減少因相應朝螺釘尖端12的方向接近的校準凸起16.X的磨損而產生的這類誤差。如此就能減小支承區域TB的隨後旋入開溝的螺紋線中的螺紋20的摩擦，以便可以將擰入扭矩保持在較小的範圍內。
為了螺紋成型的目的，在校準凸起16.X與最前方的尖端12之間佈置有至少三個預成型凸起14.X，此等預成型凸起就其相應的凸起最大半徑R E1max、...、R E9max而言均小於校準半徑R K。在本實施例中，設有9個預成型凸起14.X。因凸起最大半徑R E1max至R E9max、即在凸起14.X的局部最大值處的螺紋外半徑RA朝支承區域TB的方向在尖端區域SB內有所增大，以有所增大的深度將螺母螺紋成型至螺母材料中。特別是在圖3a所示圖式中可以清楚地看到凸起最大半徑R E1max的增大，在這個圖式中，相應凸起最大半徑R E1max至R E9max的增大曲線借助內插曲線R AEmax來表示。
圖2b為螺釘10的螺釘尖端12的透視圖，與圖1所示實施手段類似，螺紋20從螺釘尖端12開始，沿其螺旋線朝頭部的方向延伸。
從螺紋20上的起點S開始，例如從螺紋20的始端開始，螺紋半徑在第二預成型凸起14.2的凸起最大半徑所在的角位置WP E2max處的角度在投影到相對於螺釘中軸線MA的法平面上時與始端處的半徑形成環繞角U。每旋轉一圈，環繞角U增大360°，其中隨著環繞角U的增大，螺紋外半徑在相應角位置處的位置沿螺釘中軸線朝頭部的方向移動。法平面的俯視圖在圖2c中示出。
在本實例中，兩個相鄰凸起的最大值之間（例如角位置WP E2max與WP E3max之間）的環繞角距離alpha為120°，因此，相異於圖2a所示實施手段，沿軸向彼此疊置的凸起不會沿周向相對彼此而發生偏移。作為替代手段，相鄰兩個凸起14.X、16.X的最大值之間的環繞角距離alpha例如亦可以為125°，因此，此等凸起不會沿周方發生偏移。
此外，每個凸起均延伸越過環繞角距離beta。因此，每個凸起14.X、16.X都具有一個凸起14.X、16.X開始的角位置WP及凸起結束的另一角位置WP。第三凸起14.3例如在角位置WP E3 開始處開始並且在角位置WP E3 結束處延伸至第三凸起14.3的末端。
兩個相鄰凸起的環繞角距離alpha理想為凸起的環繞角距離beta的兩倍以上。
圖3a示意性地示出螺紋尖端的最外側點處的螺紋線GL在螺旋線的範圍內沿其在環繞角內的展開圖的走向。從圖中可以看出，在尖端區域SB內，螺紋外半徑R A朝支承區域TB的方向大幅增大。基本螺紋外半徑的大幅增大作為基本螺紋線BL以短虛線示出。這個短虛線示出「基本螺紋」的走向，即螺紋20在沒有局部凸起14.X、16.X的情況下的走向。
實線示出實際螺紋線GL沿基本螺紋在此等凸起的範圍內的走向，此等凸起就其螺紋外半徑而言突出於基本螺紋線。此等凸起在凸起最大半徑R AEmax處具有其局部最大值。在本示例中，R AEmax在尖端區域內的增大與基本螺紋線平行。
從圖中可以看出，此等凸起沿周向設計得較短並且僅在不超過pi/3(60°)的較短角度範圍內延伸。兩個凸起之間（例如WP E2 結束與WP E3 開始之間）的環繞角距離約為pi/3(60°)。
螺紋在螺釘10的尖端區域SB中，即在特別是基本螺紋的螺紋外半徑R A不斷增大（在本實例中線性增大）的區域中，具有三個校準凸起16.X。
三個校準凸起16.X具有相同的凸起最大半徑R E10max、R E11max、R E12max，其相當於校準半徑R K。校準凸起16.X的校準半徑R K以及相應凸起最大半徑R E10max、R E11max、R E12max大於螺紋在螺釘支承區域TB中的支承螺紋半徑R T。
因校準凸起16.X位於尖端區域SB中的半徑增大區域中，與支承區域TB相比，基本螺紋半徑R AB與校準半徑R K之間的差較大。這使得校準凸起16.X亦能夠採用軋製工藝可靠地以足夠的精度進行製造。據此，在直接螺接至輕金屬中時，更可靠地減小此螺釘的攻絲扭矩。
凸起的周向延伸大致相當於或理想小於60°的環繞角距離。據此，僅在較小的螺旋角度內引起摩擦，從而可以使擰入扭矩保持較小。
圖3b為圖3a所示圖式的局部放大圖，重點關注校準凸起16.X。在這個放大圖中清楚地看到，即使就最靠近支承區域TB的凸起而言，與基本螺紋BL的螺紋外半徑差仍然遠大於支承區域TB中的外半徑差，在這個支承區域中，這個差值僅為R K-R T並且根據本發明，理想小於0.1 mm。
如此就能按照根據本發明的技術原理採用軋製工藝來更精確地製造校準凸起16.X，以便實現螺母螺紋的盡可能精確的結構。
在最靠近支承區域的校準凸起16.3與這個支承區域之間，環繞角位置WP E12 結束處的螺紋外半徑R A具有局部最小值螺紋外半徑R A(WP E12 結束)。
這個局部最小值處的螺紋外半徑R A(WP E12 結束)與支承區域半徑R T的比率理想小於0.996。
此外，在第二校準凸起16.2的末端處，即在環繞角位置WP E11 結束處，產生另一局部最小值螺紋外半徑R A(WP E11 結束)。
螺紋特別是以某種方式設計，使得校準半徑R K超出最小平均值的百分比與校準半徑R K超出支承區域半徑R T的百分比的比率大於1.4。
最小平均值是第一局部最小值處的螺紋外半徑R A(WP E12 結束)與第二局部最小值處的螺紋外半徑R A(WP E11 結束)的平均值。
因此，螺紋的設計滿足下述公式：
((R K/ ((R A(WP E12 結束) + R A(WP E11 結束))/2)) – 1) / ((R K/ R T)-1) ＞ 1.4
圖4示出凸起沿軸向的延伸度。
圖4為螺紋20在從支承區域TB到尖端區域SB的過渡部中的剖視示意圖A-A。螺紋20從其螺紋基線GG開始在校準凸起的區域中具有朝向頭部的螺紋側面（即負載側面52），其與具有橢圓形輪廓的螺紋尖端54銜接。而後，螺紋尖端54朝螺釘尖端的方向再次與螺紋側面（即導引側面56）銜接。基本螺紋的輪廓用虛線來表示，如果該處無凸起，則剖切平面中存在這個基本螺紋。在此情況下，在支承區域TB中，實際走向相當於基本螺紋的走向，其中這個基本螺紋具有負載側面42、螺紋尖端44及導引側面46。
校準凸起54沿周向受限地突出於基本螺紋的走向。校準凸起在其局部最大值處具有凸起最大半徑R AEmax，其在本實例中相當於校準半徑R K。如圖4所示，與以虛線的形式示出的基本螺紋走向相異，這個凸起亦沿軸向延伸越過基本螺紋，其中這個凸起理想在軋製過程中一同被軋製。
從圖3b中亦可以看出，在角位置WP11 AEmax處，即在基本螺紋高度仍有所增大的區域中，基本螺紋與校準高度R K之間的差遠大於支承區域TB中相對於支承區域半徑R T的差。如此就能更可靠地製造凸起54。
這個基本螺紋在支承區域中具有呈橢圓形的螺紋尖端44。這個螺紋尖端設計在圖5中詳細說明。
螺紋尖端54具有橫截面呈橢圓形的走向，其設計及效果將結合圖6進行詳細說明。
藉由橢圓形螺紋尖端的有所提高的對磨損的耐抗性，結合尖端區域中的校準區域的根據本發明的設計，能夠特別可靠地對螺母螺紋進行精確成型。
螺紋尖端在支承區域中的橢圓形輪廓尤其適於與凸起的橫截面形狀適配，從而增大擰緊狀態下的接觸面，從而又可以增大拔出力。這個凸起的螺紋尖端的形狀類似於基本螺紋，下面將參照圖6對此進行詳細說明。
圖5示出作為螺紋線在支承區域TB中的橫截面的螺紋輪廓，其可能出現在圖1、圖2a或圖2b所示螺釘設計中。這個螺紋輪廓具有橫截面呈橢圓形的螺紋尖端44。這個螺紋形狀亦基本上存在於螺釘的尖端區域SB內的基本螺紋中。在凸起設置在尖端區域中的情況下，這個螺紋形狀亦處於凸起之間的螺紋區域中。
螺紋尖端44在橫截面中的輪廓為橢圓SE。螺紋尖端44朝螺釘尖端的方向與導引側面46銜接，朝螺釘頭的方向與負載側面42銜接。螺紋尖端的頂點SP位於橢圓SE在與其半長軸HA的交點處的頂點上。
螺紋尖端44在過渡點UP1處與負載側面42銜接，在過渡點UP2處與導引側面46銜接。過渡點UP1及UP2是螺紋輪廓離開定義螺紋尖端44的橢圓路徑SE的點。
在過渡點UP1及UP2處，可以分別施加定義側面角的切線T1、T2。
與半長軸HA形成負載側面角LF的切線T1貼靠在過渡點UP1處。
與過渡點UP1處的切線T1的正交線在交點BP1處與半長軸相交。螺紋尖頭理想以某種方式設計，使得交點BP1與過渡點UP1之間的距離小於頂點SP與交點BP1之間距離的90%。借此實現螺紋尖端針對排擠期間的良好材料流的足夠曲率，從而減少螺紋尖端在開溝過程中的磨損。
此外，螺紋尖端理想以某種方式成形，使得過渡點UP1與頂點SP的連線VL1與半長軸HA頂點角VL1-HA。該頂角VL1-HA尤其小於45°，在本實施例中約為35°。
螺紋尖頭44的設計方式是，適用於UP1的關係亦適用於前緣的UP2。
切線T2位於過渡點UP2，該點與半長軸HA的前緣夾角FF相交。
與過渡點UP2處的切線T2的正交線在交點BP2處與半長軸相交。螺紋尖端理想設計成交點BP2與過渡點UP2之間的距離小於頂點SP與交點BP2之間距離的90%。如此，螺紋尖頭就有足夠的弧度，使材料在移位過程中流動順暢，從而減少螺紋尖頭在開槽過程中的磨損。
此外，螺紋尖頭的形狀理想是過渡點UP2與頂點SP的連線VL2與半長軸HA形成頂點角VL1-HA。頂點角VL1-HA特別是小於45°，在本實施例中約為25°。
此外，亦可以確定一個基本側面角，其由負載側面角LF及導引側面角FF的總和而得出。在本實施例中，這個基本側面角為35°。
螺紋理想以某種方式設計，使相對於切線T1的穿過頂點的平行線與螺紋基線相交於垂足FP1。根據本發明，垂足FP1距半長軸的距離A1至多為過渡點UP1距半長軸的距離A2的三倍。
在所描述的實施方式中，螺紋以某種方式設計，使得距離A1大致為過渡點距半長軸HA的距離A2的兩倍。如此就能實現細長的螺紋形狀。
在本實施方式中，導引側面46以及負載側面42的側面曲線至少部分藉由橢圓輪廓而確定。此等側面橢圓FE1、FE2的偏心率遠小於確定螺紋尖端的橢圓SE。
圖6示出螺釘10的尖端區域SB中的另一螺紋形狀的螺紋橫截面，其中開溝區域的螺紋尖端54在凸起的區域中示出。橢圓形螺紋尖端54有助於改善開溝特性，從而減少如此設計的校準凸起的磨損。此外，凸起輪廓與具有螺紋尖端34的基本螺紋的螺紋橫截面對置，正如就此而言在基本螺紋均勻地不斷延伸的情況下在穿過螺紋與凸起的交線處會存在的那樣。
頂點SP在此位於遠離螺釘中軸線的凸起處的凸起最大半徑處。
沿尖端橢圓的走向類似於圖5所示尖端橢圓的走向。
因螺紋在支承區域中具有與基本螺紋相同的輪廓，在支承區域TB中，在凸起區域中的過渡點UP1處相對於定義螺紋尖端的橢圓的切線T1平行於在支承區域TB中的與負載側面的過渡部處相對於橢圓的切線T1。借此，這兩個切線與半長軸HA形成同一負載側面角。參照導引側面，針對切線T2亦類似地適用上述手段。
就此而言，凸起的橫截面輪廓基本上相當於支承區域的輪廓。就這個凸起而言，僅螺紋側面遵循切線T1、T2的區域較長。由此對相對於支承區域有所增大的螺紋線進行預開溝，支承區域中的螺紋可以借助平行於預開溝的螺母螺紋的側面區域與這個螺紋線嚙合。
最靠近支承區域的校準凸起亦如此設計，但其中基本螺紋與凸起之間的差值大於支承區域中的螺紋與凸起之間的差值。如此就能確保可靠地製造凸起，其中仍然產生僅略大一些的預成型螺母螺紋。
10,100:螺釘 20,200:螺紋 TB:支承區域 SB:尖端區域 14.X,14.2,14.5,14.8:凸起 14.3:第三凸起 16.X:校準凸起（凸起） 16.1:凸起 16.2:第二校準凸起（第二凸起、凸起） 16.3:第一校準凸起（校準凸起） 12:螺釘尖端 R A:螺紋外半徑 R AB:基本螺紋外半徑（基本螺紋半徑） R AE:凸起外半徑 18:螺釘頭 MA:螺釘中軸線 R T:支承區域半徑 alpha:環繞角距離 U:環繞角 WP E2,WP E3:角位置 WP E2max,WP E3max:凸起最大半徑所在的角位置 S:起點 beta:環繞角距離 R K:校準半徑 R AEmax,R E8max,R E2max:凸起最大半徑 GG:螺紋基線 BL:基本螺紋線（基本螺紋） GL:螺紋線 WP E11,WP E12:環繞角位置 42,52:負載側面 44,54:螺紋尖端 46,56:導引側面 A-A:剖視示意圖 T1,T2:切線 FP1:垂足 A1,A2:距離 HA:半長軸 SE:橢圓 SP:頂點 BP1,BP2:交點 FE1,FE2:側面橢圓 UP1,UP2:過渡點 VL1-HA,VL2-HA:頂點角 34:螺紋尖端
本發明的其他優點、特徵及應用手段參見下述結合圖式所示實施例所作的說明。
其中： 〔圖1〕為根據本發明的螺釘的前端的透視圖； 〔圖2a〕為螺釘在支承區域及尖端區域中的側視圖； 〔圖2b〕為透視圖； 〔圖2c〕為尖端的俯視圖； 〔圖3a〕為螺紋線及（內插）螺紋根徑的圖式； 〔圖3b〕為圖3a的局部放大圖； 〔圖4〕為螺紋的局部剖視圖； 〔圖5〕為支承螺紋的輪廓曲線的橫截面圖；以及 〔圖6〕為校準凸起的螺紋輪廓曲線的橫截面圖。
T1,T2:切線
FP1:垂足
A1,A2:距離
HA:半長軸
SE:橢圓
SP:頂點
BP1,BP2:交點
FE1,FE2:側面橢圓
UP1,UP2:過渡點
VL1-HA,VL2-HA:頂點角
42:負載側面
44:螺紋尖端
46:導引側面

Claims (28)

  1. 一種用於直接螺接至構件、特別是由輕金屬材料製成的構件中的螺釘（10），其包括：頭部及桿部，其中該桿部配設有螺紋（20），該螺紋的螺紋外半徑（R A）從具有恆定的支承區域半徑（R T）的圓柱形支承區域（TB）開始在尖端區域（SB）的範圍內朝向螺釘尖端（12）而減小，其中該螺紋（20）具有朝向該螺釘尖端（12）的導引側面（46、56）及朝向該螺釘頭（18）的負載側面（42、52），其中該導引側面（46、56）及該負載側面（42、52）藉由螺紋尖端（44、54）連接，其中該螺紋尖端（44、54）從該導引側面（46、56）到該負載側面（42、52）的輪廓線遵循沿定義該螺紋尖端的橢圓（SE）的橢圓路徑，其中該橢圓（SE）的半長軸的頂點（SP）處於該螺紋尖端中，該橢圓（SE）具有與該負載側面（42、52）的過渡點（UP1、UP2）以及與該導引側面（46、56）的過渡點（UP1、UP2），其中在與該負載側面（42、52）的過渡點（UP1、UP2）處與該橢圓的切線（T1）與該橢圓（SE）的半長軸（HA）形成負載側面角（LF），在與該導引側面（46、56）的過渡點（UP2）與該橢圓（SE）的切線（T2）與該橢圓的半長軸（HA）形成導引側面角（FF），並且該螺紋尖端以某種方式設計，使得在該過渡點（UP1、UP2）處正交於該切線（T1、T2）的正交線與該半長軸（HA）相交於交點（BP1；BP2），其特徵係：該交點（BP1；BP2）與該過渡點（UP1、UP2）之間的距離小於該頂點（SP）與該交點（BP1；BP2）之間的距離的90%。
  2. 如請求項1所述之螺釘，其中，與該負載側面（42、52）的過渡點（UP1）與該半長軸（HA）的距離大於1/3*螺紋高度* tan (負載側面角)，與該導引側面（46、56）的過渡點（UP2）與該半長軸（HA）的距離大於1/3*螺紋高度* tan (導引側面角)。
  3. 如請求項1或2所述之螺釘，其中，該過渡點（UP1；UP2）與該螺紋尖端處的半長軸（HA）的頂點（SP）的連線（VL1；VL2）與該半長軸（HA）形成小於55°、特別是小於45°的頂點角（VL1-HA、VL2-HA）。
  4. 如請求項1至3中任一項所述之螺釘，其中，該負載側面角（LF）及該導引側面角（FF）至多為30°。
  5. 如請求項1至4中任一項所述之螺釘，其中，從該橢圓形螺紋尖端（34、44）到該螺紋側面（32、36；42、46）的過渡部切向延伸。
  6. 如請求項5所述之螺釘，其中，該導引側面（46、56）及/或該負載側面（42、52）沿橢圓路徑延伸，該橢圓路徑以與形成該螺紋尖端（44、54）的橢圓（SE）朝向相反方向的方式彎曲。
  7. 如請求項1至6中任一項所述之螺釘，其中，該導引側面（46、56）及/或該負載側面（42、52）從該相應過渡點（UP1、UP2）起沿橢圓路徑延伸，該橢圓路徑以與形成該螺紋尖端（44、54）的橢圓（SE）朝向相反方向的方式彎曲。
  8. 如請求項6或7中任一項所述之螺釘，其中，該導引側面（46、56）及/或該負載側面（42、52）的橢圓路徑的數值偏心率小於定義該螺紋尖端的橢圓的數值偏心率。
  9. 如請求項1至8中任一項所述之螺釘，其中，定義該螺紋尖端的橢圓（SE）的半長軸（HA）相對於該關於螺釘中軸線的法線平面以形成不超過10°的角的方式朝該導引側面（46、56）的方向傾斜。
  10. 如請求項1至9中任一項所述之螺釘，其中，相鄰螺紋側面在該螺紋高度的90%處的間距大於導程的0.7倍，在該處，側面寬度小於該螺紋高度的0.5倍。
  11. 如請求項1至10中任一項所述之螺釘，其中，該螺紋（20）在該尖端區域（SB）中具有至少五個沿周向受到限制的、沿徑向延伸的凸起（14.X、16.X），其中在該凸起（14.X、16.X）的區域中，該螺紋外半徑（R A）以某種方式發生變化，從而產生對應於凸起的凸起最大半徑（R E1max、R E2max、…、R E9max），其中至少兩個凸起——校準凸起（16.X）——的凸起最大半徑（R E10max、R E11max、R E12max）大小相同並且相當於校準半徑（R K），該校準半徑大於該支承區域半徑（R T），其中在該校準凸起（16.X）與該最前方的螺釘尖端（12）之間佈置有至少三個預成型凸起（14.X），該預成型凸起的相應凸起最大半徑（R AEmax）小於該校準凸起（16.X）的凸起最大半徑（R AEmax），此外，該預成型凸起（14.X）的凸起最大半徑（R AEmax）朝該螺釘尖端（12）的方向而減小。
  12. 如請求項11所述之螺釘，其中，在該支承區域半徑（R T）與朝該螺釘尖端（12）的方向的第一凸起之間存在該螺紋外半徑（R A）的局部最小值，其小於該支承區域半徑（R T）。
  13. 如請求項12所述之螺釘，其中，該第一局部最小值處的螺紋外半徑（R A(WP E12 結束)）與該支承區域半徑（R T）的比率小於0.996。
  14. 如請求項12或13所述之螺釘，其中，該螺紋以某種方式設計，使得該校準半徑（R K）超出最小平均值（(R A(WP E12 結束) + R A(WP E11 結束))/2）的百分比與該校準半徑（R K）超出該支承區域半徑（R T）的百分比的比率大於1.4，其中該最小平均值由處於支承區域與第一校準凸起（16.3）之間的第一局部最小值處的螺紋外半徑（R A(WP E12 結束)）與處於該第一校準凸起（16.3）與第二凸起（16.2）之間的第二局部最小值處的螺紋外半徑（R A(WP E11 結束)）的平均值構成。
  15. 如請求項14所述之螺釘，其中，從該尖端（12）開始在該尖端區域的範圍內，該預成型凸起（14.X）的相應凸起最大半徑（R AEmax）的增大與處於該預成型凸起（14.X）之間的局部最小值處的螺紋外半徑（R A）的增大一致。
  16. 如請求項11至15中任一項所述之螺釘，其中，該凸起最大半徑（R AEmax）從該螺釘尖端開始以遞減的方式增大。
  17. 如請求項11至16中任一項所述之螺釘，其中，在凸起（14.X、16.X）中，在環繞角（U）的第一環繞角位置（WP EX 開始）上，該螺紋外半徑（R A）處於該基本螺紋外半徑（R AB）的水平，在進一步增大情況下，該螺紋外半徑（R A）相當於該凸起最大半徑（R AEmax），並且在進一步增大的情況下，在該凸起末端處的環繞角（U）的環繞角位置（WP EX 結束）上，該螺紋外半徑相當於該基本螺紋外半徑（R AB）。
  18. 如請求項17所述之螺釘，其中，在凸起（14.X、16.X）中，該螺紋外半徑（R A）在環繞角距離（beta）內從該基本螺紋外半徑（R AB）開始不斷增大並且隨後又有所減小，直至其再次相當於該基本螺紋外半徑（R AB），特別是遵循抛物線走向。
  19. 如請求項11至18中任一項所述之螺釘，其中，在兩個相鄰的預成型凸起（14.X）之間的螺紋（20）中，該基本螺紋外半徑（R AB）從該螺釘尖端開始線性增大。
  20. 如請求項11至19中任一項所述之螺釘，其中，該支承區域半徑（R T）大於校準半徑（R K）的90%。
  21. 如請求項11至20中任一項所述之螺釘，其中，該校準半徑（R K）至多比該支承區域半徑（R T）大0.1 mm。
  22. 如請求項11至21中任一項所述之螺釘，其中，一個預成型凸起的凸起最大半徑（R AEmax）大於朝該頭部（18）的方向的下一凸起的始端處的下一螺紋外半徑（R A）。
  23. 如請求項11至22中任一項所述之螺釘，其中，在相對於螺釘中軸線的法線平面內兩個相鄰的凸起最大值之間的環繞角（U）相當於環繞角距離（alpha），其中360° / n -10° ＜ alpha ＜ 360° / n +10°，其中n介於2、3或4之間，凸起的角距離（beta）小於210°/n。
  24. 如請求項11至23中任一項所述之螺釘，其中，該凸起（14.X、16.X）亦沿軸向特別是在兩側延伸越過該基本螺紋。
  25. 如請求項11至24中任一項所述之螺釘，其中，該螺紋（20）在該尖端區域（SB）內的長度小於五圈。
  26. 如請求項11至25中任一項所述之螺釘，其中，該螺紋線的斜率約為5°-7°，其相當於該基本螺紋外半徑每圈增大3%至5%。
  27. 如請求項11至26中任一項所述之螺釘，其中，螺紋根徑（D K）從該尖端（12）開始在該尖端區域（SB）內有所增大。
  28. 如請求項27所述之螺釘，其中，從該螺釘尖端（12）開始朝該頭部的方向，該螺紋根徑（D K）的相對增大小於該基本螺紋半徑（R AB）的增大。
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