DE3201846A1

DE3201846A1 - Selbstformende schraube

Info

Publication number: DE3201846A1
Application number: DE19823201846
Authority: DE
Inventors: Hermann Grossberndt
Original assignee: Eberhard Jaeger GmbH and Co KG
Current assignee: Ejot Eberhard Jaeger GmbH and Co KG
Priority date: 1981-02-13
Filing date: 1982-01-22
Publication date: 1982-09-30
Also published as: ES271929U; DE8103990U1; IT1149606B; ES271929Y; SE8200709L; IT8219576A0; FR2500090A1; GB2106023A

Description

Beschreibung:

Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstformende Schraube mit mindestens einer vorspringende Gewindegänge bildenden Wendel, einem Flankenwinkel der vorspringenden Gewindegänge von weniger als 45 Winkelgraden (90-Grad-Einteilung des rechten Winkels) und Einschnürungen am Gewindekern zwischen benachbarten Gewindegängen, deren engste Stelle etwa in der Mitte zwischen zwei benachbarten Gewindegängen liegt, wobei sich der Kern ausgehend von den Fußenden benachbarter Gewindegänge verjüngt.

Eine Schraube dieser Art ist in der DE-PS 27 54 870 beschrieben und hat den Vorteil, daß sie in Kunststoffen einen besonders guten Halt findet. Die relativ dünnen Gew.indegänge können sich besonders leicht in den Kunststoff einformen. Die Einschnürung begünstigt den Fluß des beim Furchen der Gewindegänge verdrängten Materials. Beim Eindrehen von Schrauben in manche Materialien treten besondere Probleme auf, die auf den nachfolgend beschriebenen Zusammenhängen beruhen.

Zum Beispiel bei relativ harten Kunststoffen, insbesondere bei einigen Duroplasten, kann die große Tragtiefe .des Gewindes nicht voll ausgenutzt werden, weil die Umformkräfte für das notwendige tiefe Einschneiden in das

Material zu groß würden, was ein Brechen der Schraube schon beim. Eindrehen zur Folge haben kann. Je kleiner der Steigungswinkel einer Schraube ist, desto größer wird bei einem gegebenen Drehmoment am Schraubenkopf die Vor-Spannkraft im Kern der Schraube, weshalb der Steigungswinkel nicht zu klein sein soll, da andernfalls ein Abreißen der Schraube oder aber ein Abscheren des kunststoff materials zu befürchten ist. Das Anzugsmoment der Schraube soll wesentlich größer sein als das Eindrehmo-

'0 ment, jedoch mit Sicherheit unterhalb des Überdrehmomentes liegen, bei dem das Muttergewinde abgeschert wird. Die Schraube nach der genannten DE-PS hat einen verhältnismäßig großen Abstand zwischen benachbarten Gewindegängen. Bei sehr kurzen Schrauben hat dies zur Folge, daß eine starke Unsymmetrie derart eintritt, daß die Zahl der einander diametral gegenüberliegenden greifenden Gewindegänge prozentual stark verschieden ist; z.B. können längs einer Mantellinie der Bohrung drei Gewindegänge greifen und an der diametral gegenüberliegenden Mantellinie nur zwei Gewindegänge. Dies kann große Abweichungen der Schraubenachse zur Schraubenlochachse zur Folge haben.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine selbstfurchende Schraube der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie auch für relativ harte Werkstoffe, z.B. für duro- ·* plastische Kunststoffe, gut geeignet ist und so gestaltet werden kann, daß sie auch bei geringer Einschraubtiefe keine seitliche Versetzung zur Schraublochachse erfährt.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß das Verhältnis (Außendurchmesser/Kerndurchrnesser-Verhältnis) zwischen dem Außendurchmesser und dem an der engsten Stelle der Einschnürung gemessenen Kerndurchmesser kleiner als 1,5 und größer als 1,2 ist.

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Eine so ausgebildete Schraube hat bei großer Steigung der Gewindegänge einen relativ kleinen axialen Abstand benachbarter Gewindegänge und einen relativ großen Kerndurchmesser. Diese Anordnung ermöglicht unter Beibehaltung eines schlanken Wendelprofiles eine relativ geringe Höhe des Profiles. Es werden die Vorteile der bekannten Schraube für das Fließverhalten des Werkstoffes, in dem sich das Schraubloch befindet, beibehalten, jedoch bei relativ kleiner Eindringtiefe der Gewindegänge. Die geringere Eindringtiefe wird hinsichtlich der Tragkraft kompensiert, durch die größere Anzahl der Gewindegänge pro Längeneinheit des Gewindes. Diese größere Anzahl von Gewindegängen ergibt auch eine bessere Symmetrie hinsichtlich der Anzahl der greifenden Gewindegänge an einander gegenüberliegenden· Mantellinien von kurzen Schraublöchern.

Vorteilhafterweise ist der Flankenwinkel in an sich bekannter Weise etwa 30° (Anspruch 2). Auch ein solches Profil läßt sich im Zusammenhang mit der Erfindung leicht verwirklichen .

Vorteilhaft sind die im Anspruch 3 angegebenen Größen für das Verhältnis zwischen Außendurchmesser und axialem Abstand der Gewindegänge« Dieser axiale Abstand stimmt bei einem eingängigen Gewinde mit der Gewindesteigung überein. Bei einem zweigängigen Gewinde (Anspruch 5) ist dieser Abstand nur die Hälfte der Gewindesteigung. Es gilt allgemein .die Regel, daß die Steigung des Gewindes gleich dem Produkt aus dem Abstand benachbarter Gewindegänge und der Gangzahl des Gewindes ist. Zur Klarstellung sei hier bemerkt, daß unter einem "Gewindegang" eine Umdrehung der Wendel gemeint

JO ist, während unter der "Gangzahl" die Anzahl der parallelen Wendeln verstanden wird. Bei den angegebenen Verhältnissen liegt die Gewindesteigung bei einem eingängigen Gewinde zwischen 3,5 und 5,5 Winkelgraden und bei einem zweigängigen Gewinde'zwischen 7 und 11 Winkelgraden.

Besonders vorteilhaft ist die Profilierung des Bereiches zwischen zwei Gewindegängen gemäß den Ansprüchen 6 und 7. Die im Anspruch 6 angegebenen Verhältnisse geben einerseits genügend Raum für die Aufnahme von Material, das bei der Formung der Muttergewinde verdrängt wurde und vermeiden andererseits eine unzuträgliche Schwächung des Gewindekernes. Die Form nach Anspruch 7 ist besonders einfach und läßt sich bei spanloser Formgebung leicht herstellen.

Die Schraube kann gemäß Anspruch 8 auch mit Schneidkanten ausgerüstet sein, was insbesondere vorteilhaft ist für das Eindrehen der Schraube in relativ sprödes Material, das dann durch die Schneidkanten ausgeschabt wird, so daß die Formung des Muttergewindes nicht nur durch Verdr-ängung von Material erfolgt, im Zusammenhang mit sprödem Material des Muttergewindes sind auch Einkerbungen gemäß den Ansprüchen 9 und 10 vorteilhaft. Diese Einkerbungen wirken als Drainage für zerspantes Material. Dieses Material kann dann in die Einschnürung abfließen und den einerseits durch die Einschnürung und andererseits durch die Wand des Schraubloches begrenzten Hohlraum füllen.

Die erfindungsgemäße Schraube kann sowohl durch Kaltwalzen spanlos geformt werden (Anspruch 11) als auch, insbesondere bei großen Schraubendurchmessern, durch Abspanen von Material gebildet werden. Für die Herstellung durch Kaltwalzen ist das Gewindeprofil besonders günstig, da die Einschnürung zwischen benachbarten Gewindegängen den Materialfluß im Schraubenmaterial begünstigt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Schraube gemäß einer ersten Ausführungsform mit zweigängigem Gewinde, - 8 -

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Fig. 2 eine Seitenansicht des vorderen Endes einer Schraube mit Schneidkanten,

Fig. 3 eine Ansicht auf das Ende der Schraube nach Fig. 2,

Fig. 4 eine teilweise Seitenansicht einer zweigängigen Schraube mit gekerbten Gewindegängen,

Fig. 5 eine Ansicht auf das Ende der Schraube nach Fig. 4,

Fig. 6 ein Gewindeprofil, und

Fig. 7 eine Seitenansicht einer Schraube mit eingängigem Gewinde.

Die Schraube S₁ nach Fig. 1 hat einen Sechskantkopf 1 und einen Gewindeteil 2. Der Gewindeteil hat zwei parallele Wendeln 3, 4, die beide das gleiche Profil haben und vorspringende Gewindegänge bilden. Jede Wendel hat die Steigung h, die am Außendurchmesser ά_Ά der Gewindegänge gemessen wird. Zwischen benachbarten Gewindegängen befindet sich eine Einschnürung 5. Man kann auch von zwei Einschnürungswendeln 6a und 6b sprechen, die sich parallel zu den Wendeln 3, 4 längs des Gewindeteiles der Schraube erstrecken. Der Kerndurchmesser d„ der Schraube wird an der engsten Stelle gemessen, also im Grund der Einschnürung 5.

Der Steigungswinkel oL der Wendeln 3, 4 (und damit auch der Einschnürungswendel 6a, 6b) hängt mit dem Außendurchmesser d und der Steigung h zusammen nach der Beziehung tg oC = h : (OT · ^) .

Das Gewindeprofil wird nachfolgend anhand der Fig. 6 beschrieben. Zwei benachbarte Gewindegänge 7, 8 haben wegen

·. 9 —

der Zweigängigkeit des Gewindes naturgemäß nur den axialen Abstand h/2. Es ist ein Kennzeichen der Schraube, daß der Flankenwinkel T^ klein ist, vorzugsweise ca. 30 Winkelgrade beträgt bei einer Winkelteilung von 90 Winkelgraden für einen rechten Winkel. Die Einschnürung 5 zwischen benachbarten Gewindegängen 7, 8 ist im Profil gesehen durch zwei gerade Linien 9, 10 begrenzt, die an den Fußpunkten 11, 12 der Gewindegänge ansetzen und einen stumpfen Winkel / einschließen, der z.B. 150° betragen kann.

Der Kerndurchmesser d„ des Gewindes ist im Verhältnis zum

Außendurchmesser d verhältnismäßig groß, so daß die Gefahr des Abreißens der Schraube gering ist. Die vorspringenden Gewindegänge 7, 8 haben eine relativ geringe Höhe Die Schraube ist deshalb insbesondere für das Einschrauben in .J₅ relativ harte Materialien geeignet, in die ein allzu tiefes Eindrücken von Gewindegängen ohnehin nicht möglich ist.

Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser d„ am Fuß der vorspringenden Gewindegänge 7, 8 und dem Kerndurchmesser d_R beträgt bei dem gezeichneten Gewinde 1 : 0,93. Hierdurch erhält man einen genügend großen Raum 21 (siehe Fig. 6) für die Aufnahme von Material, das bei der Formung des Muttergewindes verdrängt oder zerspant wird.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 ist das gleiche Gewinde verwendet, wie es anhand der Fig. 1 und 6 beschrieben wurde. Zusätzlich zu der beschriebenen Ausführungsform sind im vorderen Bereich der Schraube S„ Schneidkanten 13, 14 vorgesehen. Diese Schneidkanten sind durch winkelförmige Einfräsungen 15, 16 gebildet. Diese sind so angeordnet, daß die Schneidkanten einander diametral gegenüberliegen. Beim Eindrehan der Schraube wird diese in Rjchturuj dos Pfeiles 17 gedreht, so daß die Schneidkanten 13, 14 vorauseilen und Material abschaben und so Gewindegänge in das die Wand des' Schraubloches bildende Material einschneiden. Eine solche Schraube ist besonders für sprödes Material geeig-

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net, das sich nicht ohne weiteres verdrängen läßt.

Bei der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 befinden sich in jedem Gewindegang der Schraube S₃ drei Kerben 18. Diese Kerben sind V-förmig. Der Grund der Kerbe reicht bis zu den Fußpunkten der vorspringenden Wendeln, also bis zu den in Fig. 6 gestrichelt eingezeichneten Linien 19.

Die Kerben 18 sind, wie Fig. 4 zeigt, längs Wendeln angeordnet, die sehr steil verlaufen und die vorspringenden Gewindegänge überqueren. Die Kerben sind längs drei solcher Wendeln angeordnet. Eine Wendel ist in Fig. 4 durch die strichpunktierte Linie 20 angedeutet. Ihre Neigung ist entgegengesetzt zur Neigung der Wendeln des Gewindes.

Wie schon in der Beschreibungseinleitung erwähnt, wirken die Kerben 18 als Drainageöffnungen, über die zerspantes Material, das beim Eindrehen der Schraube aus dem Werkstoff, der das Schraubloch begrenzt, anfällt, hindurchtreten kann. Dieses Material kann sich in dem Raum ablagern, der sich zwischen der Bohrlochwand und dem Kern der Schraube befindet, also in dem Raum 21, der in Fig. 6 einerseits durch

^O die Linien 9, 10 und andererseits durch die strichpunktierte Linie 22 symbolisiert ist.

Die Schraube S_ nach Fig. 7 hat das gleiche, in Fig. 6 dargestellte Gewindeprofil wie die Schrauben S₁ und S_?. Allerdings wird dieses Gewindeprofil bei der Schraube S_ durch ein eingängiges Gewinde gebildet. Dementsprechend sind bei der Schraube S- die Gewindesteigung h¹ zwischen zwei benachbarten Gewindegängen 7' und der Steigungswinkel'^ ' nur halb so groß wie die Gewindesteigung h und der Steigungs- winkelO^ bei den Schrauben S₁ und S«.

Bei der doppelgängigen Version (Schrauben S₁, S„) erhält man große Eindrehmomente, weil gleichzeitig zwei Gewinde geschnitten bzw. geformt werden müssen. Das Oberdrehmoment

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ist groß, weil die Ausscherkraft für das Muttergewinde mit großem Keilwinkel (Steigungswinkel) überwunden werden muß. Die Rädialkräfte und die Tangentialspannungen in einer rohrförmigen Mutter sind groß, weil gleichzeitig zwei diametrale Muttergewinde erzeugt werden. Die Vorspannung im Schraubenschaft und die Flächenpressung in den Gewindeflanken sind klein, da infolge des großen Keilwinkels (Steigungswinkels) bei gegebener Umfangskraft nur eine relativ kleine Vorspannkraft erzeugt wird. Die Selbsthemmung, d.h. der Widerstand gegen selbsttätiges Lösen, ist klein wegen des großen Steigungswinkels. Die Montagezeit ist kurz, weil wegen der großen Steigung mit wenigen Umdrehungen eine große Einschraubtiefe erreicht wird.

Bei der eingängigen Version ist das Eindrehmoment klein, weil nur ein Gewinde geschnitten bzw. geformt werden muß. Das Überdrehmoment hingegen ist groß, weil die Ausscherkraft für das Muttergewinde mit kleinem Keilwinkel (Steigungswinkel) überwunden werden muß. Die Radialkräfte und Tangentialspannungen in einer die Schraube umgebenden rohrförmigen Mutter sind nur halb so groß wie bei der doppelgängigen Version. Die Vorspannung im Schraubenschaft und die Flächenpressung in den Gewindeflanken ist groß, da wegen des kleinen Keilwinkels (Steigungswinkels) bei gegebener umfangskraft eine große Vorspannkraft erzeugt wird. Die Seibathemmung, d.h. der Widerstand gegen selbsttätiges Lösen, ist groß wegen des kleinen Steigungswinkels. Die Montagezeit ist bei gegebener Einschraubtiefe und gegebener Drehzahl beim Eindrehen der Schraube doppelt so groß wie bei der doppelgängigen Version.

Aus diesen Eigenschaften ergeben sich für die Verwendung der Schrauben folgende Konsequenzen.

Die doppelgängige Version wird man verwenden, wenn der Schraubendurchmesser klein ist, um zu praktikablen Anzugsmomenten zu gelangen. Wenn eine große Montagegeschwindig-

'VB¹QVeOO ·» β » i> W# Sit t

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koit gewünscht wird, wird man ebenfalls die doppelgängige V(UKion vorziehen/ sofern nicht deren Nachteile der Anwendung entgegenstehen. Die doppelgängige Version ist bei Werkstoffen mit geringer Druckbelastbarkeit vorteilhaft wegen der kleinen Vorspannung im Schraubenschaft und der kleinen Flächenpressung an den Gewindeflanken. Die doppelgängige Version ist ferner zweckmäßig bei kurzen Schrauben, da wegen der Doppelgängigkeit ein diametraler Kraftangriff möglich ist und so eine zentrische Einschraubung stattfindet.

Die eingängige Version ist vorzuziehen, wenn eine große Selbsthemmung gewünscht wird, die sich aus dem kleinen Steigungswinkel ergibt. Bei kleinen Wanddicken sind eingängige Schrauben deshalb von Vorteil, weil die Radialkräfte und Tnnyentialspnnnungen gering sind. Auch wenn kleine Anzugsmomonte gewünscht werden, wird man die eingängige Version vorziehen. Die eingängige Version ist besonders beim Zusammenwirken mit Werkstoffen mit hoher Druckbelastbarkeit geeignet, da, wie oben ausgeführt, die Vorspannung im Schraubenschaft und die Flächenpressung an den Gewindeflanken groß sind.

Leerseite

Claims

Ansprüche;

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15

AmJ Selbstformende Schraube mit mindestens einer vorspringende Gewindegänge bildenden Wendel, einem Plankenwinkel der vorspringenden Gewindegänge von weniger als 45 Winkelgraden (90-Grad-Einteilung des rechten Winkels) und Einschnürungen am Gewindekern zwischen benachbarten Gewindegängen, deren engste Stelle etwa in der Mitte zwischen zwei benachbarten Gewindegängen liegt, wobei sich der Kern ausgehend von den Fußenden benachbarter Gewindegänge verjüngt, dadurch gekennzeichnet daß das Verhältnis (Außendurchmesser/Kerndurchmesser-Verhältnis) zwischen dem Außendurchmesser {äpj und dem an der engsten Stelle der Einschnürung (5) gemessenen Kerndurchmesser (d_K) kleiner als 1,5 und größer als 1,2 ist.
2. Selbstformende Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flankenwinkel {y } in an sich bekannter Weise ca. 30 Winkelgrade beträgt.

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3. Selbstformende Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Außendurchmesser/ Kerndurchmesser-Verhältnis (d_Ä/d_K) ^ca· 1-c3 beträgt.
4. Selbstformende Schraube nach einem der' vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der",axiale Abstand (h/2; h") zwischen benachbarten Gewindegängen (7, 8; 7') das 0,24fache bis 0,3Ofache, vorzugsweise das ca. 0,27fache des Außendurchmessers (d_) beträgt»
5. Selbstformende Schraube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde aus zwei gleich profilierten parallelen Wendeln (3, 4) besteht.
6. Selbstformende Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis (d /d ) (Fußdurchmesser/Kerndurchmesser-Verhältnis) zwisehen dem Durchmesser (d„) am Fuß (11, 12) der vorspringenden Gewindegänge (7, 8; 7') und dem Kerndurchmesser (d ) im Bereich von 1,04 bis 1,10 liegt, vorzugsweise ca. 1,07 beträgt.
7. Selbstformende Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß am Gewindeprofil (Fig. 6) gesehen der Übergang (9, 10) vom Kerndurchmesser (d„) bis zu den Fußpunkten (11, 12) der vorspringenden Gewindegänge (7, 8f 7") im wesentlichen geradlinig ist.
8. Selbstformende Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Schneidkanten (13, 14) am vorderen Schraubenende, die vorzugsweise durch gleichmäßig über den Umfang verteilte Einfräsungen (15, 16) gebildet sind, z.B. durch zwei einander diametral gegenüberliegende Einfräsungenο
9. Selbstformende Schraube nach einem der.vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die vorspringenden

Gewindegänge Einkerbungen (18) aufweisen, vorzugsweise einen etwa V-förmigen Querschnitt haben, der bis zum Fuß (11, 12) des vorspringenden Gewindeprofxles reicht.
10. Selbstformende Schraube nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Kerben (18) längs steilen, die Gewindegänge überquerenden Wendeln (20) angeordnet sind, wobei am Umfang der Schraube mehrere Wendeln, z.B. drei um 120 Winkelgrade gegeneinander versetzte Wendeln, verlaufen, deren Nexgungsrichtung vorzugsweise entgegengesetzt zur Neigungsrichtung der Wendeln des Gewindes orientiert ist.
11. Selbstformende Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Kaltwalzen spanlos geformt ist.