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Die Erfindung betrifft eine Loch- und gewindeformende Schraube mit einem Schraubenkopf, der eine Schraubenantriebsausbildung aufweist, einem Schraubenschaft, der einen mit einem Gewinde versehenen Halteabschnitt, einen mit einem Gewinde versehenen Furchabschnitt und einen sich vom Furchabschnitt bis zu einem Schraubenende erstreckenden Formabschnitt aufweist, der wenigstens in einem sich unmittelbar an das Schraubenende anschließenden Bereich gewindefrei und glatt ausgebildet ist und dessen Querschnitt in Richtung auf das Schraubenende abnimmt.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 040 024 A1 ist eine Loch- und gewindeformende Schraube bekannt, die ein bis zu einem Schraubenende durchgehendes Gewinde aufweist. Die Schraube ist für die Verbindung von Blechelementen vorgesehen, wobei das Schraubenende dafür vorgesehen ist, in den miteinander zu verbindenden Teilen ein Loch zu erzeugen. Die Schraube besteht aus zwei Schaftteilen, die mittels eines Schweißverfahrens miteinander verbunden sind. Derjenige Teil des Schraubenschafts, der die eigentliche Verbindung zwischen den beiden zu befestigenden Teilen übernimmt, besteht aus Edelstahl, so dass an dieser Stelle ein Schutz gegenüber Korrosion gegeben ist. Der vordere, von der Schraubenspitze ausgehende Teil besteht dagegen aus einem gehärteten Material, da dieser Teil dazu bestimmt ist, in den miteinander zu verbindenden Teilen ein Loch zu erzeugen.
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Aus der deutschen Offenlegungsschrift
DE 10 2010 000 702 A1 ist eine loch- und gewindeformende Schraube mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 bekannt. Mittels des Formabschnitts wird entweder ein Durchzug in den miteinander zu verbindenden Teilen hergestellt oder der Formabschnitt wird in oder auf eine bereits vorhandene Bohrung aufgesetzt.
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Mit der Erfindung soll eine loch- und gewindeformende Schraube verbessert werden.
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Erfindungsgemäß ist hierzu eine loch- und gewindeformende Schraube mit den Merkmalen von Anspruch 1 vorgesehen.
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Die erfindungsgemäße Schraube weist also einen Schraubenkopf, der eine Schraubenantriebsausbildung aufweist, einen Schraubenschaft, der einen mit einem Gewinde versehenen Halteabschnitt, einen mit einem Gewinde versehenen Furchabschnitt und einen sich vom Furchabschnitt bis zu einem Schraubenende erstreckenden Formabschnitt auf, der wenigstens in einem sich unmittelbar an das Schraubenende anschließenden Bereich gewindefrei und glatt ausgebildet ist und dessen Querschnitt in Richtung auf das Schraubenende abnimmt. Wenigstens ein sich unmittelbar an das Schraubenende anschließender Endbereich des Schraubenschafts ist aus einem zweiten Werkstoff und der übrige Bereich des Schraubenschafts und des Schraubenkopfes ist aus einem ersten Werkstoff gebildet, wobei der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff verschieden sind und wobei die beiden Bereiche des Schraubenschaftes miteinander verbunden sind, insbesondere mittels eines Schweißverfahrens.
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Die Ausbildung des Endbereichs des Schraubenschafts aus einem anderen Werkstoff als der übrige Schraubenschaft bringt erhebliche Vorteile mit sich. So kann speziell das Schraubenende, das für die Ausbildung eines Loches bzw. die Herstellung eines Durchzugs verantwortlich ist, aus einem speziell hierfür geeigneten Werkstoff hergestellt werden. Darüber hinaus kann auch noch die Furchzone aus dem zweiten Werkstoff bestehen, da im Formabschnitt und in der Furchzone die Hauptbeanspruchung der erfindungsgemäßen Schraube auftreten. Zu beachten ist dabei, dass mit der erfindungsgemäßen Schraube der Durchzug nicht spanend, sondern durch das Umformen des Werkstoffs der zu verbindenden Bauteile hergestellt wird. Nach dem Aufsetzen des Schraubenendes auf die miteinander zu verbindenden Bauteile oder nach dem Einsetzen des Schraubenendes in eine bereits vorhandene Bohrung, wird die Schraube mit Hilfe eines Schraubers oder dergleichen mit hoher Drehzahl drehangetrieben. Gleichzeitig wird die Schraube gegen die zu verbindenden Bauteile gedrückt. Das Schraubenende und der Formabschnitt dringen durch die zwangsläufig erfolgende Erwärmung der miteinander zu verbindenden Bauteile in diese ein und erzeugen einen Durchzug. Sobald der Durchzug erzeugt ist, verringert sich aufgrund des zunehmenden Widerstandes die Drehzahl der Schraube auf die übliche Schraubengeschwindigkeit. Gleichzeitig wird der Anpressdruck verringert. Nun greift der erste Gewindegang des Gewindes am Furchabschnitt in das obenliegende Bauteil ein, so dass ein Zwangsvorschub entsteht. Damit beginnt der Vorgang des Formens des Gewindes. Die Verschraubung wird abgeschlossen, wenn die Unterseite des Schraubenkopfes mit der gewünschten Vorspannung auf dem oberen der miteinander zu verbindenden Bauteile anliegt. Zur Herstellung des Durchzugs ist es sehr vorteilhaft, wenn der erste Werkstoff des Schraubenendes und der Werkstoff des oberen der zu verbindenden Bauteile aufeinander abgestimmt ist. Gerade weil mit der erfindungsgemäßen Schraube kein Schneidvorgang oder Bohrvorgang durchgeführt wird, ist die erfindungsgegebene Möglichkeit der Abstimmung der Werkstoffpaarung des ersten Werkstoffes des Schraubenendes und der Werkstoffe der zu verbindenden Bauteile einerseits sowie des zweiten Werkstoffs des übrigen Schraubenschafts und der Werkstoffe der zu verbindenden Bauteile andererseits äußerst vorteilhaft.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der vollständige Formabschnitt aus dem zweiten Werkstoff gebildet.
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Auf diese Weise kann das vollständige Ausformen des Durchzugs im Kontakt des zweiten Werkstoffs des Formabschnitts mit dem Werkstoff bzw. den Werkstoffen der zu verbindenden Bauteile erfolgen. Die Vorteile einer aufeinander abgestimmten Werkstoffpaarung können dadurch voll genutzt werden.
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In Weiterbildung der Erfindung sind der Formabschnitt und der Furchabschnitt aus dem zweiten Werkstoff gebildet.
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Die Hauptbeanspruchung der fließloch- und gewindeformenden Schraube liegt im Bereich der gegebenenfalls abgerundeten Spitze am Schraubenende, zusätzlich aber auch in dem Furchabschnitt, mit dem das Gewinde geformt wird. Es ist daher vorteilhaft, die Trennlinie zwischen dem ersten Werkstoff und dem zweiten Werkstoff unmittelbar nach dem Furchabschnitt anzuordnen, also am Übergang zwischen dem Furchabschnitt und dem Halteabschnitt.
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In Weiterbildung der Erfindung ist der Endbereich aus einem Stahl, insbesondere aus einem gehärteten Stahl, gebildet. Eine Ausbildung des Formabschnitts und des Furchabschnitts aus einem Stahl, insbesondere einem gehärteten Stahl, erlaubt es, höherfeste und hochfeste Bauteile zu fügen. Auch Edelstahlbauteile können mit der erfindungsgemäßen Schraube direkt verschraubt werden. Ein Formabschnitt und ein Furchabschnitt aus Stahl, insbesondere gehärtetem Stahl, ermöglichen auch größere Fügedicken bei den miteinander zu verbindenden Bauteilen.
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Beispielsweise kann der Endbereich aus einem Kohlenstoffstahl gebildet sein. Der übrige Schraubenschaft kann dann, wenn der Endbereich aus einem gehärteten Stahl, beispielsweise einem Kohlenstoffstahl, gebildet ist, aus einem Standardstahl bestehen. In jedem Fall können die Werkstoffpaarungen, nämlich einerseits der zweite Werkstoff des Endbereichs bzw. des Formabschnitts und des Furchabschnitts und der Werkstoff bzw. die Werkstoffe der miteinander zu verbindenden Bauteile und andererseits der erste Werkstoff des übrigen Schraubenschafts und der Werkstoff der miteinander zu verbindenden Bauteile optimal aufeinander abgestimmt werden. Die Abstimmung erfolgt hinsichtlich der vorzunehmenden Bearbeitungen. Wie ausgeführt, verursacht der Formabschnitt eine plastische Verformung der miteinander zu verbindenden Bauteile durch Formen eines Durchzugs. Der Furchabschnitt sorgt dann für das Einfurchen eines Gewindes, bewirkt also ebenfalls eine plastische Verformung. Der Gewindeabschnitt des Schraubenschafts sorgt dann für eine Verschraubung.
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In Weiterbildung der Erfindung kann der Endbereich aus einem ersten, nicht rostenden Edelstahl gebildet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung kann dann, wenn der Endbereich aus einem ersten, nicht rostenden Edelstahl gebildet ist, der übrige Bereich des Schraubenschafts aus einem zweiten, nicht rostenden Edelstahl gebildet sein.
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In Weiterbildung der Erfindung ist die Kombination von Nicht-Eisenmetallen mit Eisenmetallen vorgesehen. Beispielsweise kann der erste Werkstoff, aus dem der übrige Bereich des Schraubenschafts besteht, aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung gebildet sein. Der Endbereich bzw. der Formabschnitt und der Furchabschnitt können dann aus einem Stahl bestehen. Es ist aber auch möglich, dass der erste Werkstoff, aus dem der übrige Bereich des Schraubenschafts besteht, aus Kupfer oder einer Kupferlegierung gebildet ist. Auch in diesem Fall kann der Endbereich bzw. der Formabschnitt und der Furchabschnitt aus Stahl bestehen. Der erhebliche Vorteil einer Kombination von Nicht-Eisenmetallen mit Eisenmetallen liegt im verbesserten elektrischen Stromfluss durch den Schraubenschaft sowie auch im besseren Korrosionsverhalten von Nicht-Eisenmetallen. Wieder gilt, dass der erste Werkstoff und der zweite Werkstoff nicht nur auf den vorgesehenen Anwendungsfall, beispielsweise die Umgebungsbedingungen, sondern auch auf den Werkstoff oder die Werkstoffe der miteinander zu verbindenden Bauteile abgestimmt werden können.
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In Weiterbildung der Erfindung ist das Schraubenende abgerundet ausgebildet.
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Mit der erfindungsgemäßen Schraube wird der Durchzug mittels einer plastischen Verformung hergestellt. Eine Schneidwirkung des Schraubenendes tritt dabei nicht auf. Es ist dadurch auch nicht zu befürchten, dass nach einer Direktverschraubung mit der erfindungsgemäßen Schraube Späne vorhanden sind.
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In Weiterbildung der Erfindung weist ein Querschnitt des Schraubenschafts wenigstens im Furchabschnitt die Form eines Polygons, insbesondere eines Dreiecks, mit abgerundeten Ecken und konvexen Seiten auf.
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Ein solcher trilobularer bzw. polylobularer Querschnitt hat sich bei der erfindungsgemäßen Schraube als besonders vorteilhaft herausgestellt. Auch das Schraubenende bzw. der Formabschnitt und der Furchabschnitt können eine solche Querschnittsgestaltung aufweisen, gegebenenfalls auch der übrige Schraubenschaft.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der vorliegenden Ausführungsformen lassen sich dabei in beliebiger Weise kombinieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:
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1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Schraube,
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2 eine Schnittansicht auf die Schnittebene II-II in 1,
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3 eine nur teilweise dargestellte Schnittansicht auf die Schnittebene III-III in 1 und
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4 eine teilweise geschnittene Ansicht von zwei mit einer erfindungsgemäßen Schraube verbundenen Blechteilen.
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Die in 1 dargestellte erfindungsgemäße loch- und gewindeformende Schraube 10 weist einen Schraubenkopf 12 auf, der in seiner Stirnfläche 14 eine in 1 nicht erkennbare Vertiefung mit einer an und für sich konventionellen Schraubenantriebsausbildung aufweist. Es ist im Rahmen der Erfindung auch ohne weiteres möglich, dass die Schraubenantriebsausbildung als Vorsprung am Schraubenkopf 12 ausgebildet ist.
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Gegenüber der Stirnfläche 14 liegt eine Unterseite 16 des Schraubenkopfes. Diese Unterseite 16 ist dafür vorgesehen, mit einer ringförmigen Umfangsfläche flächig auf einer Oberseite von zwei zu verbindenden Bauteilen aufzuliegen. Lediglich am Übergang zwischen der Unterseite 16 und dem Schraubenschaft 18 ist eine sich in Richtung auf die Stirnfläche 14 erstreckende, rinnenförmige Vertiefung 20 vorgesehen, die um den Schraubenschaft 18 konzentrisch umläuft. In die Vertiefung 20 kann sich die Oberseite der zu verbindenden Bauteile ein Stück weit hinein erstrecken, um für einen besonders sicheren Halt der Schraube 10 zu sorgen.
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Ausgehend von der Unterseite 16 erstreckt sich der konzentrisch zum Schraubenkopf 12 angeordnete Schraubenschaft 18, der von der Unterseite 16 ausgehend zunächst zylindrisch ausgebildet ist und ein Gewinde 22 aufweist. Das Gewinde 22 läuft dann in einem relativ kurzen Abschnitt 24 aus, in dem die Höhe der Gewindegänge allmählich verringert wird. Bei diesem Abschnitt handelt es sich um den sogenannten Furchabschnitt 24, mit dem ein Gewinde in die zu verbindenden Bauteile eingefurcht wird.
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An den Furchabschnitt 24 schließt sich der gewindefreie und glatt ausgebildete Formabschnitt 26 an, der ausgehend vom Furchabschnitt 24 seinen Querschnitt allmählich verringert und in einem abgerundeten Schraubenende 28 ausläuft. Die in 1 zu erkennende Außenkontur 30 des Formabschnitts 26 verläuft durchgängig gekrümmt. Bis auf den Bereich des abgerundeten Schraubenendes 28 ist die Krümmung der Außenkontur 30 des Formabschnitts 26 konstant.
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Die 2 zeigt den Querschnitt des Formabschnitts 26 an der Schnittebene II-II in 1. Es ist zu erkennen, dass der Querschnitt durch den Schraubenschaft von einem Dreieck mit abgerundeten Ecken und konvex gekrümmten Seiten gebildet wird. Eine solche Form wird auch als trilobulare Form bezeichnet.
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Diese Querschnittsform ist bei der Schraube 10 der 1 sowohl im Bereich des Gewindes 22, im Bereich des Furchabschnitt 24 als auch, wie erläutert wurde, im vollständigen Formabschnitt 26 vorhanden. Im Bereich des Gewindes 22 sowie auch im Furchabschnitt 24 würde der in 2 dargestellte Querschnitt dann nicht nur am Kern des Schraubenschafts 18, sondern auch beim Außendurchmesser des Gewindes 22 zu finden sein.
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In 3 ist in vergrößertem Maßstab eine teilweise dargestellte Ansicht auf die Schnittebene III-III in 1 dargestellt. Zu erkennen ist der von der Unterseite 16 des Schraubenkopfes ausgehende Abschnitt des Schraubenschaftes 18 mit dem Gewinde 22, an den sich in Richtung auf das Schraubenende der Furchabschnitt 24 und der glatte Formabschnitt 26 anschließen. Es ist zu sehen, dass das Gewinde 22 ein Rundgewinde ist, bei dem die Gewindegänge sowohl an den Vorsprüngen als auch an den Vertiefungen abgerundet verlaufen. Auch im Furchabschnitt 24 ist das Gewinde mit abnehmender Gewindehöhe als Rundgewinde ausgebildet.
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In der Darstellung der 3 ist durch unterschiedliche Schraffuren dargestellt, dass der Furchabschnitt 24 und der Formabschnitt 26 aus einem zweiten Werkstoff bestehen, der von dem Werkstoff des übrigen Schraubenschaftes verschieden ist. Die beiden Werkstoffe sind im Bereich der Verbindungsfläche 32 durch ein Schweißverfahren miteinander verbunden. Typischerweise bestehen der Schraubenkopf 12 und den Schraubenschaft mit Ausnahme des Furchabschnitts 24 und des Formabschnitts 26 aus demselben Werkstoff und sind einstückig hergestellt. Lediglich der Furchabschnitt 24 und der Formabschnitt 26, gegebenenfalls sogar nur ein Bereich, der sich unmittelbar an das Schraubenende 28 anschließt, bestehen aus dem zweiten Werkstoff, der vom ersten Werkstoff verschieden ist.
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Zum Herstellen einer Verbindung wird die in 1 dargestellte Schraube mit dem Schraubenende 8 entweder in ein vorhandenes Loch in dem oberen der zu verbindenden Bauteile eingesteckt oder auf die nicht gelochten, zu verbindenden Bauteile aufgesetzt. Mit Hilfe eines Schraubers oder dergleichen wird die Schraube 10 dann mit hoher Drehzahl drehangetrieben. Der angenäherte trilobulare Dreiecksquerschnitt gemäß 2 mit den abgerundeten Ecken sorgt nach dem Eindringen des vorderen Schraubenendes 28, das sich zu diesem Zeitpunkt noch immer sehr schnell dreht und angedrückt wird, in das obere der zu verbindenden Bauteile für eine nur punktuelle Reibauflage am Umfang. Dadurch wird eine Verschweißung zwischen der Schraube 10 und dem oberen zu verbindenden Bauteil vermieden. Gleichzeitig werden die zu verbindenden Bauteile aber stark erhitzt, so dass der Formabschnitt 26 in die zu verbindenden Bauteile eindringen kann und diese plastisch verformt. Beim Eindringen des Formabschnitts 26 in die zu verbindenden Bauteile wird dadurch ein Durchzug erzeugt. Sobald der Formabschnitt 26 nahezu vollständig in die zu verbindenden Bauteile eingedrungen ist und den Durchzug erzeugt hat, verringert sich aufgrund des zunehmenden Widerstands die Drehzahl auf die übliche Schraubgeschwindigkeit. Gleichzeitig wird der Anpressdruck verringert. Nun greift der erste Gewindegang des Gewindes 22, also am Übergang zwischen dem Formabschnitt 26 und dem Furchabschnitt 24, in die zu verbindenden Bauteile ein, so dass ein Zwangsvorschub entsteht. Damit beginnt der Vorgang des Furchens oder Formens eines Gewindes in den zu verbindenden Bauteilen. Nachdem das Gewinde mittels des Furchabschnitts 24 geformt ist, wird die Schraube 10 mittels des Gewindes 22 einfach weiter eingedreht, bis die Unterseite 16 der Schraube 10 auf der Oberfläche der zu verbindenden Bauteile aufliegt.
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Die Höhe des Durchzugs und die Dicke der zu verbindenden Bauteile ist dabei in vorteilhafter Weise so auf die Länge des Schraubenschafts abgestimmt, dass der Formabschnitt 26 und der Furchabschnitt 24 nach Fertigstellen der Direktverschraubung nicht mehr in Kontakt mit den zu verbindenden Bauteilen stehen. Wenn beispielsweise der Formabschnitt 26 und der Furchabschnitt 24 aus einem gehärteten Kohlenstoffstahl bestehen und der übrigen Schraubenschaft 18 aus einem nicht rostenden Edelstahl, dann beeinträchtigt eine Korrosion des Formabschnitts 26 und des Furchabschnitts 24 nicht die zu verbindenden Bauteile und somit auch nicht die Qualität der Direktverschraubung mittels der erfindungsgemäßen Schraube 10. Gleiches gilt beispielsweise dann, wenn der Formabschnitt 26 und der Furchabschnitt 24 aus Stahl bestehen und der übrige Schraubenschaft 18 aus Kupfer oder Aluminium. Ein eventueller Stromfluss durch den übrigen Schraubenschaft 18 wird dann nicht durch das Material des Formabschnitts 26 und des Furchabschnitts 24 beeinträchtigt. Auch eine eventuelle Korrosion des Formabschnitts 26 und des Furchabschnitts 24 ist dann ohne Belang.
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Wie bereits anhand der 2 erläutert wurde, weist der vollständige Schraubenschaft 18 einschließlich des Furchabschnitts 24 und des Formabschnitts 26 den erwähnten trilobularen Querschnitt, also ein Dreiecksprofil mit abgerundeten Ecken, auf. Dieser Querschnitt hat den Vorteil, dass durch die nicht längs eines gesamten Umfangs, sondern nur punktuell auftretende Reibauflage eine niedrigere Reibung und somit ein geringeres Einschraubdrehmoment entsteht. Gleichzeitig weist der Werkstoff der miteinander zu verbindenden Bauteile in der auf diese Weise geformten Gewindebohrung die Neigung auf, nach innen zurückzufedern. Dadurch wird eine Art gewollte Selbsthemmung erzeugt, die dazu führt, dass die Schraubverbindung gegen ein ungewolltes Lösen gesichert ist.
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4 zeigt das Ergebnis einer Direktverschraubung mit einer erfindungsgemäßen Schraube gemäß einer weiteren Ausführungsform. Mittels einer Direktverschraubung wurden zwei Bleche 34, 36 miteinander verbunden, wobei das obere Blech 34 vorgelocht war, nicht jedoch das untere Blech 36. Es ist zu erkennen, dass in dem zweiten Blech 36, an dem das erste Blech 34 befestigt werden soll, ein Durchzug 38 gebildet wurde, der eine in axialer Richtung längere Wand bildet, in die das Gewinde 22 der erfindungsgemäßen Schraube 40 eingreift. In der Darstellung der 4 ist im Übrigen auch eine Vertiefung 42 im Schraubenkopf 12 mit einer Antriebsausbildung zu erkennen. Das Schraubenende 28 ist auch bei der erfindungsgemäßen Schraube 40 in 4 abgerundet ausgebildet, wobei dies in der Darstellung der 4 nicht ohne weiteres zu erkennen ist. Der glatte, nicht mit einem Gewinde versehene Formabschnitt 26 der Schraube 40 besteht nur in einem, sich unmittelbar an das Schraubenende anschließenden Bereich 44 aus einem zweiten Werkstoff, der von dem ersten Werkstoff des übrigen Schraubenschafts 18 verschieden ist. Ein zweiter Abschnitt 46 des Formabschnitts 26, der dann in den Furchabschnitt übergeht, besteht aus dem ersten Werkstoff und ist einstückig mit dem übrigen Schraubenschaft 18 hergestellt. Der Abschnitt 44 ist mit dem übrigen Schraubenschaft 18 im Bereich der Verbindungsfläche 32 durch ein Schweißverfahren verbunden.
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Es ist anhand der Darstellung der 4 gut zu erkennen, dass der Abschnitt 44 des Formabschnitts 26 beispielsweise aus einem sehr harten und widerstandsfähigen Material gebildet sein kann. Denn dieser Abschnitt 44 sorgt für die Erwärmung und die Ausbildung des Durchzugs 38 in dem unteren Blech 36. Dadurch ist es beispielsweise möglich, auch zwei hochfeste Bleche 34, 36 direkt miteinander zu verschrauben. Im verschraubten Zustand berührt der Abschnitt 44 die beiden Bleche 34, 36 aber nicht mehr. Es ist daher unerheblich, wenn der Abschnitt 44 korrodiert, da die Korrosion des Abschnitts 44 die Qualität der Direktverschraubung der Bleche 34, 36 mit der Schraube 40 nicht mehr beeinträchtigen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010040024 A1 [0002]
- DE 102010000702 A1 [0003]
