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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraube und Anordnungen, in denen eine solche Schraube verwendet wird.
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Um Bauteile justierbar miteinander zu verbinden, insbesondere, um zum Beispiel den Sturzwinkel eines Rades an einem Kraftfahrzeug einzustellen, ist es bekannt, Schrauben mit exzentrisch gelochten Unterlegscheiben zu verwenden. Diese Schrauben haben herkömmlicherweise in ihrem Schaft ein oder zwei Längsnuten, in die jeweils ein Vorsprung der Unterlegscheibe eingreift, so dass die Unterlegscheibe drehfest mit dem Schaft verbunden ist. So rotiert die Unterlegscheibe mit, wenn die Schraube um ihre Längsachse gedreht wird. Wenn die Unterlegscheibe ihrerseits unmittelbar in einer Fassung aufgenommen ist, kann durch Drehen von Schraube und Unterlegscheibe die Position des Schraubenschaftes justiert werden; wenn hingegen der Schraubenschaft in einer Bohrung mit geringem Spiel aufgenommen ist, kann durch eine Drehung von Schraube und Unterlegscheibe eine von außen gegen den Rand der Unterlegscheibe gedrückte Komponente justiert werden. Die Nuten verteuern die Schrauben, da ihre Fertigung, im Allgemeinen durch Fräsen, in den Prozess der Gewindeformung nicht integrierbar sind und einen zusätzlichen Arbeitsgang unter Verwendung anderer Werkzeuge erfordert. Darüber hinaus schwächen die Nuten deutlich den Schraubenschaft, so dass, um eine vorgegebene Belastbarkeit zu erreichen, die durch Nuten geschwächte Schraube einen größeren Nenndurchmesser haben muss als eine von Längsnuten freie Schraube.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist, eine für die Verwendung in einer justierbaren Anordnung geeignete Schraube zu schaffen, die preiswert zu fertigen ist und eine hohe Belastbarkeit bei niedrigem Nenndurchmesser aufweist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist, eine Schraubenanordnung zu schaffen, die für Justieraufgaben in einer zur Längsrichtung der Schraube senkrechten Richtung geeignet ist und niedrige Kosten mit einer hohen Belastbarkeit kombiniert.
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Die erstgenannte Aufgabe wird einer ersten Ausgestaltung der Erfindung zu Folge gelöst durch eine Schraube, die einen Schaft mit lobularem Querschnitt und einen in Bezug auf den Schaft exzentrischen Kopfbereich aufweist. Wenn der Schaft eng toleriert in einer Bohrung aufgenommen ist, kann ein Objekt mit Hilfe einer Drehung der Schraube justiert werden, indem eine Justieroberfläche des Objekts an einen Rand des Kopfbereichs anstößt und somit je nach Orientierung der Schraube einen unterschiedlichen Abstand von deren Drehachse einnimmt. Umgekehrt kann die Justieroberfläche auch ortsfest sein, dann stellt die Schraube selbst ein zu justierendes Objekt dar, bei dem sich die Position der Drehachse der Schraube entsprechend ihrer Orientierung einstellt.
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Der Kopfbereich kann einen zum Schaft koaxialen Kopf und eine zwischen Kopf und Schaft exzentrisch angeordnete erste Unterlegscheibe umfassen. Der Kopf ermöglicht es, ein Werkzeug zum Drehen oder zum drehfest halten der Schraube koaxial zu platzieren, während die Unterlegscheibe der axialen Verstellung dient.
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Diese erste Unterlegscheibe kann unmittelbar am Kopf der Schraube angeordnet und mit diesem einteilig ausgebildet sein.
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Einer alternativen Ausgestaltung zufolge wird die Aufgabe gelöst durch eine Anordnung mit einer Schraube, die einen Schaft mit lobularem Querschnitt aufweist, insbesondere einer Schraube wie oben beschrieben, und einer in Bezug auf den Schaft exzentrischen ersten Unterlegscheibe.
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Diese Unterlegscheibe kann drehfest auf den Schaft aufgeschoben sein. Sie kann entlang des Schafts verschiebbar sein; um eine schnelle Montage der Anordnung zu ermöglichen, kann die Unterlegscheibe auch an der Schraube verpresst sein.
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In beiden Fällen weist sie vorzugsweise ein exzentrisches, zu dem Querschnitt des Schafts komplementäres Loch auf, in das der Schaft drehfest einführbar ist.
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Um eine schnelle und fehlerfreie Platzierung der Unterlegscheibe an der Schraube zu erleichtern, sollte die Zahl der Orientierungen, die die Unterlegscheibe am Schaft einnehmen kann, möglichst klein sein. Kleiner als die Zahl der identischen Bögen, aus denen sich der lobulare Querschnitt zusammensetzt, kann die Zahl der Orientierungen nicht werden. Wenn die Unterlegscheibe keine sich in axialer Richtung erstreckende Spiegelsymmetrieebene aufweist, ist die Zahl der möglichen Orientierungen doppelt so groß. Deshalb sollte die Unterlegscheibe eine solche Spiegelsymmetrieebene aufweisen.
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Um eine Justage durch Drehen der Anordnung zu erleichtern, sollte ferner eine zweite Unterlegscheibe am Kopf der Schraube axial mit der ersten Unterlegscheibe fluchtend angeordnet sein. Insbesondere um eine solche fluchtende Anordnung herzustellen, ist die oben beschriebene Symmetrie der Unterlegscheibe hilfreich.
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Vorzugsweise ist der Querschnitt des Schafts trilobular. Zwar könnte die Zahl der bögenförmigen Abschnitte, aus denen sich der Rand des Querschnitts zusammensetzt, auch von drei verschieden sein, doch ist bei einer kleineren Zahl die Zahl und Ausdehnung der Flächen, auf denen Drehmoment zwischen Schaft und Unterlegscheibe übertragen werden kann, klein und deswegen die Gefahr einer Überbeanspruchung und einer daraus resultierenden Verformung hoch, und je größer die Zahl der Bögen wird, um so näher kommt die resultierende Querschnittsform der Kreisform, so dass eine geringe Deformation ausreicht, um den Formschluss zwischen Schaft und Unterlegscheibe zu zerstören und beide gegeneinander drehbar zu machen.
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Schrauben mit lobularem Schaftquerschnitt sind meist mit einem selbstschneidenden Gewinde mit kleinem Flankenwinkel ausgestattet. Erfindungsgemäß hingegen sollte der Flankenwinkel wenigstens 50° Grad betragen, um eine Drehmomentübertragung zwischen dem Schaft und einer darauf aufgesteckten, komplementär zum Schaftquerschnitt gelochten Unterlegscheibe zu ermöglichen, ohne dass das Gewinde der Schraube in die Unterlegscheibe schneidet oder von der Unterlegscheibe deformiert wird. Insbesondere kann der Flankenwinkel, kompatibel zu einem metrischen Gewinde, 60° oder, kompatibel zu einem Whitworth-Gewinde, 55° betragen.
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Ferner sollte, um die Schneidneigung zu vermindern, der Gewindescheitel des Gewindes der Schraube nicht zu scharf sein. Vorzugsweise hat er wenigstens an den Spitzen des lobularen Querschnitts eine Breite von wenigstens einem Achtel der Gewindetiefe. Abseits der Spitzen berührt das Gewinde die Unterlegscheibe nicht, so dass hier die Breite des Gewindescheitels für die Drehmomentbelastbarkeit ohne Bedeutung ist.
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Die zweitgenannte Aufgabe wird einer Ausgestaltung der Erfindung zu Folge gelöst durch eine Anordnung mit einer Schraube, die einen Schaft mit lobularem Querschnitt aufweist und bei der es sich um eine Schraube gemäß der oben beschriebenen ersten Ausgestaltung handeln kann, und einer in Bezug auf den Schaft exzentrischen ersten Unterlegscheibe.
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Zur Fixierung, beispielsweise an einer Radaufhängung eines Fahrzeugs, kann die Anordnung ferner eine zu der Schraube komplementäre Mutter umfassen.
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Obwohl das Schraubengewinde aufgrund des unrunden Schaftquerschnitts kein Regelgewinde, etwa nach DIN 13-xx ist, kann es in seinen Abmessungen angepasst sein, um mit einer Mutter gemäß einer solchen Norm zusammenzuwirken. Dies ermöglicht eine kostengünstige Realisierung der erfindungsgemäßen Anordnung, da herkömmliche, in großen Mengen billig verfügbare Muttern verwendet werden können.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren. Es zeigen:
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1 eine Schraube mit zugehöriger Unterlegscheibe gemäß der vorliegenden Erfindung in perspektivischer Ansicht;
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2 die Schraube und die Unterlegscheibe in einer Draufsicht in axialer Richtung;
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3 einen Schnitt durch das Gewinde der Schraube entlang der in 2 mit A bezeichneten Geraden;
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4 einen schematischen Längsschnitt durch eine Anordnung, in der zwei radial relativ zueinander justierbare Komponenten durch eine Schraube und Unterlegscheiben gemäß der Erfindung verbunden sind;
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5 eine Schraube und deren Unterlegscheibe in Seitenansicht bzw. im Schnitt gemäß einer zweiten Ausgestaltung der Erfindung; und
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6 eine Schraube und deren Unterlegscheibe in Seitenansicht gemäß einer dritten Ausgestaltung der Erfindung.
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1 zeigt in perspektivischer Ansicht eine Schraube 1 und eine zu dieser Schraube 1 passende Unterlegscheibe 2. Die Schraube 1 hat einen Kopf 3, an dessen vom Betrachter abgewandter Seite eine beliebige, an sich bekannte Kontur zum Ausüben eines Drehmoments, vorzugsweise ein Außen- oder Innensechskant, geformt ist. Koaxial zu dieser Kontur erstreckt sich ein Schaft 4, der im hier dargestellten Fall auf seiner gesamten Länge mit einem Außengewinde versehen ist und einen unrunden Querschnitt aufweist.
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Die Querschnittsform des Schafts 4 ist in 2 genauer zu erkennen, in der der Rand des Kerns des Schafts 4, d. h. eine gedachte Fläche, auf der der Grund des Gewindes verläuft, mit 5 und eine entsprechende vom Scheitel des Gewindes definierte Außenfläche mit 6 bezeichnet ist. Beide Kurven 5, 6 zeigen eine sogenannte trilobulare Querschnittsform, d. h. eine dreizählig rotationssymmetrische Form, die sich aus drei identischen Abschnitten mit entlang des Umfangs variierender Krümmung zusammensetzt. Der hier gezeigte trilobulare Querschnitt umfasst drei relativ schwach gekrümmte kreisbogenförmige Abschnitte 7, die über stark gekrümmte Abschnitte 8 miteinander verbunden sind, und kann konstruiert werden, indem drei Kreise von gleichem Durchmesser um die Ecken eines gleichseitigen Dreiecks geschlagen werden und die Ecken der daraus resultierenden Schnittfläche der drei Kreise abgerundet werden.
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In der Darstellung der 1 ist der Schaft 4 zu seinem freien Ende hin leicht zugespitzt; er kann aber auch auf seiner gesamten Länge einen gleichbleibenden Querschnitt haben.
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Ein Loch 9 mit einem zum Schaft 4 komplementären trilobularen Querschnitt ist in der kreisrunden Unterlegscheibe 2 exzentrisch angeordnet. Der freie Querschnitt des Lochs 9 ist nur geringfügig größer als der der Außenfläche 6, so dass die Schraube 1, wenn ihr Schaft 4 in das Loch 9 eingeführt ist, nur zusammen mit der Unterlegscheibe 2 drehbar ist.
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Eine Gerade A ist in 2 durch einen Mittelpunkt 10 der Unterlegscheibe und die Längsachse 11 des Schafts 4 gezeichnet. Die Linie A unterteilt den Kernrand 5 und die Außenfläche 6 des Schafts in zwei zueinander spiegelbildliche Hälften. Einer der drei stark gekrümmten Abschnitte 8 der Kurven 5, 6 ist dem Mittelpunkt 10 zugewandt, so dass die Kurve zwischen dem Mittelpunkt 10 und der Längsachse 11 diesen Abschnitt 8 kreuzt. Aufgrund dieser Symmetrie kann die Unterlegscheibe 2, wenn sie auf den Schaft 4 aufgeschoben ist, nur drei verschiedene Orientierungen annehmen, die anhand der Richtung, in der die Unterlegscheibe 2 am weitesten von Schaft 4 übersteht, leicht voneinander zu unterscheiden sind.
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3 zeigt einen Schnitt in Richtung der Längsachse 11 durch das Gewinde des Schafts 4 in einem stark gekrümmten Abschnitt 8, zum Beispiel durch denjenigen Abschnitt 8, der in der Ebene der Linie A dem Mittelpunkt 10 der Unterlegscheibe 2 zugewandt ist. Wie bei einem an sich bekannten M-Gewinde sind Gewindeflanken 12, 13 jeweils unter einem Winkel von 60° zur Längsachse 11 orientiert. Zwei radial nach außen aufeinander zulaufende Gewindeflanken 12, 13 sind im hier dargestellten Fall entlang der Außenfläche 6 durch einen sich geradlinig in radialer Richtung erstreckenden Gewindescheitel 14 verbunden, wohingegen ein Gewindegrund 15 zwischen den Enden von zur Längsachse 11 hin aufeinander zulaufenden Gewindeflanken 12, 13 im Querschnitt abgerundet ist. Die Breite b des Gewindescheitels 14 entspricht ca. einem Achtel der Gewindetiefe t, d. h. des in radialer Richtung gemessenen Abstands zwischen Schnittpunkten 16, 17 der radial nach außen bzw. nach innen verlängert gedachten Gewindeflanken 12, 13.
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Die Steigung h des Gewindes ist kleiner als die Dicke der Unterlegscheibe 2, so dass in jeder Position, die die Unterlegscheibe 2 entlang des Schaftes 4 einnehmen kann, ein Kontakt mit dem Gewindescheitel 14 über den gesamten Umfang des Lochs 9 hinweg möglich ist und Schraube 1 und Unterlegscheibe 2 somit an jeden beliebigen Punkt des Umfangs des Schafts 4 bzw. des Lochs 9 gegeneinander drücken können, ohne dass dadurch Drehmomente in anderer als zur Längsachse paralleler Richtung zwischen Schraube 1 und Unterlegscheibe 2 übertragen werden können.
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4 zeigt in einem schematischen Axialschnitt eine Anordnung, in der zwei Komponenten, hier schematisch dargestellt als ein Gelenkkopf 18 und die zwei den Gelenkkopf 18 umgreifenden Finger 19 einer Gelenkgabel, durch eine Schraube 1 und eine Unterlegscheibe 2 wie oben beschrieben justierbar verbunden sind. Der Gelenkkopf 18 hat eine Bohrung 20, in der der Schaft 4 mit der Schraube 1 mit geringem Spiel drehbar aufgenommen ist. Die beiden Finger 19 weisen jeweils eine Bohrung 21, deren Durchmesser deutlich größer ist als der der Bohrung 20, und an ihrer vom Gelenkkopf 18 abgewandten Außenseite jeweils eine zur Bohrung 21 konzentrische Vertiefung 22 von noch größerem Durchmesser auf. Der Durchmesser der Vertiefung 22 ist jeweils bemessen, um eine Unterlegscheibe 2 darin in einer zur Längsachse 11 orthogonalen Richtung im Wesentlichen unbeweglich, aber um die gemeinsame Achse von Bohrung 21 und Vertiefung 22 drehbar aufzunehmen. Der Rand der Vertiefung fungiert so als eine Justierfläche 29, an die der Rand der Unterlegscheibe 2 wenigstens punktuell anstößt, wobei der Radius des an die Justierfläche anstoßenden Punktes die Lage der Achse 11 bestimmt. Am linken Finger 19 ist eine erste Unterlegscheibe 2 in der Vertiefung 22, eingeklemmt zwischen dem Kopf 3 der Schraube und einer die Vertiefung 22 gegen die Bohrung 21 abgrenzenden Schulter 23, dargestellt. Eine zweite Unterlegscheibe 2 ist zwischen der Vertiefung 22 des rechten Fingers 19 und einer auf den Schaft 4 aufgeschraubten Mutter 24 gezeigt. Diese rechte Unterlegscheibe 2 ist auf den Schaft 4 in einer mit der linken Unterlegscheibe 2 fluchtenden Orientierung aufgesteckt und ist aufgrund des engen Eingriffs des Schafts 4 in ihr Loch 9 allenfalls mit einer Bewegungsfreiheit von wenigen Grad um die Längsachse 11 schwenkbar.
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Um die Schraube 1 zu justieren, wird zweckmäßigerweise die Mutter 24 so weit auf den Schaft 4 aufgeschraubt, dass die Unterlegscheiben 2 zwar noch nicht fest geklemmt sind, aber auch nicht mehr aus den Vertiefungen 22 entweichen können. So definieren die Mittelpunkte 10 der beiden Unterlegscheiben 2 eine in Bezug auf die Gelenkgabel ortsfeste Achse 25, um die sie zusammen mit der Schraube 1 drehbar sind und die mit der Achse der Bohrungen 21 und Vertiefungen 22 zusammenfällt.
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Um die Lage der Längsachse 11 zu justieren, genügt es, den Kopf 3 der Schraube 1 mit einem geeigneten Werkzeug zu fassen und zu drehen. Die formschlüssige Kopplung zwingt die Unterlegscheiben 2 zum Mitrotieren, so dass gleichzeitig mit der Drehung der Schraube 1 um ihre Längsachse 11 letztere auf einer Kreisbahn um die Achse 25 umläuft. Wenn auf diese Weise eine gewünschte Position der Achse 11 in den Bohrungen 21 gefunden ist, wird die Schraube 1 fixiert, indem die Mutter 24 festgezogen wird, während gleichzeitig der Kopf 3 der Schraube 1 drehfest gehalten wird.
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5 zeigt einer Abwandlung der Schraube 1, bei der der Schaft 4 in unmittelbarer Nähe zum Kopf 3 einen Abschnitt 26 mit vergrößertem Querschnitt aufweist. Auf diesen Abschnitt 26 ist eine der Unterlegscheiben 2 durch Aufpressen fixiert. Der Abschnitt 26 kann eine leicht geriffelte oder gezahnte Außenkontur haben, die sich beim Aufpressen entlang der Ränder des Lochs 9 in die Unterlegscheibe 2 eindrückt und so eine spielfreie, feste Verbindung zwischen Schraube 1 und Unterlegscheibe 2 herstellt. In solcher Weise fest miteinander verbundene Schrauben 1 und Unterlegscheiben 2 können von einem Schraubenhersteller vorkonfektioniert geliefert werden, um den Montageaufwand beim Verbauen der Schrauben zu minimieren.
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In der Ausgestaltung der 5 ist die getrennt von der Schraube 1 gefertigte und in Kontakt mit dem Kopf 3 befestigte Drehscheibe 2 entfallen, stattdessen ist die Unterlegscheibe 28 am Kopf 3 selbst einteilig ausgebildet, hier in Form eines kreisrunden Flansches, der zwischen einem Außensechskant 27 und dem Schaft 4 geformt ist und dessen Durchmesser und Exzentrizität dieselben sind wie die einer auf den Schaft 4 aufzusteckenden Unterlegscheibe 2 vom in 1 gezeigten Typ.
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Es versteht sich, dass die obige detaillierte Beschreibung und die Zeichnungen zwar bestimmte exemplarische Ausgestaltungen der Erfindung darstellen, dass sie aber nur zur Veranschaulichung gedacht sind und nicht als den Umfang der Erfindung einschränkend ausgelegt werden sollen. Diverse Abwandlungen der beschriebenen Ausgestaltungen sind möglich, ohne den Rahmen der nachfolgenden Ansprüche und deren Äquivalenzbereich zu verlassen. Insbesondere gehen aus dieser Beschreibung und den Figuren auch Merkmale der Ausführungsbeispiele hervor, die nicht in den Ansprüchen erwähnt sind. Solche Merkmale können auch in anderen als den hier spezifisch offenbarten Kombinationen auftreten. Die Tatsache, dass mehrere solche Merkmale in einem gleichen Satz oder in einer anderen Art von Textzusammenhang miteinander erwähnt sind, rechtfertigt daher nicht den Schluss, dass sie nur in der spezifisch offenbarten Kombination auftreten können; stattdessen ist grundsätzlich davon auszugehen, dass von mehreren solchen Merkmalen auch einzelne weggelassen oder abgewandelt werden können, sofern dies die Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht in Frage stellt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Schraube
- 2
- Unterlegscheibe
- 3
- Kopf
- 4
- Schaft
- 5
- Kernrand
- 6
- Außenfläche
- 7
- schwach gekrümmter Abschnitt
- 8
- stark gekrümmter Abschnitt
- 9
- Loch
- 10
- Mittelpunkt
- 11
- Längsachse
- 12
- Gewindeflanke
- 13
- Gewindeflanke
- 14
- Gewindescheitel
- 15
- Gewindegrund
- 16
- Schnittpunkt
- 17
- Schnittpunkt
- 18
- Gelenkkopf
- 19
- Finger
- 20
- Bohrung
- 21
- Bohrung
- 22
- Vertiefung
- 23
- Schulter
- 24
- Mutter
- 25
- Achse
- 26
- Abschnitt
- 27
- Außensechskant
- 28
- Unterlegscheibe
- 29
- Justieroberfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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