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Die Erfindung betrifft eine Bohrschraube zum Durchdringen und Verbinden von Bauteilen unterschiedlicher Materialien.
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STAND DER TECHNIK
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Ein in Holzbauweise errichtetes Gebäude beinhaltet die verschiedensten Holzkonstruktionen. Die Verbindung der einzelnen Holzbauteile erfolgt dabei oftmals im Zusammenspiel mit Bauteilen aus anderen Werkstoffen. So werden die Holzbauteile beispielsweise mittels Metallblechen verbunden. Schrauben, die zur Verbindung ausschließlich von Holzbauteilen verwendet werden, eignen sich hierfür nicht, da die Metallbleche auch von den Schrauben durchdrungen werden müssen und ein Vorbohren der Metallbleche zu aufwendig wäre. Daher werden Bohrschrauben eingesetzt, die mit einer Bohrspitze ausgebildet sind, die sich selbstschneidend durch das Metallblech arbeitet.
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Die US 2010 / 0 183 400 A1 beschreibt eine selbstbohrende Schraube mit einem Schraubenkopf an einem Ende und einer Bohrspitze am anderen Ende eines stabförmigen Schraubenschaftes. Die Bohrspitze ist von einer Nut durchsetzt, die sich über eine hinter der Bohrspitze befindlichen Verjüngung erstreckt und auf einen gewindefreien Abschnitt trifft. Oberhalb des gewindefreien Abschnitts befindet sich ein Gewinde, in den die Nut führt. Die Bohrspitze kann sich sehr schnell zusetzen, da nur wenig Platz für Bohrmehl und Späne vorhanden ist.
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Die
DE 21 26 914 A beschreibt eine Schraube zur Befestigung einer dünnen Materiallage an einer dickeren Lage, die durch Isoliermaterial festgelegter Dicke voneinander getrennt sind, wobei die Schraube einen Schaft mit einem Kopf und einer Bohrspitze besitzt. Es sind keine Mittel zum Abtransport von Bohrabtrag vorgesehen.
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Aus der
EP 0 849 474 A1 ist eine Bohrschraube bekannt. Diese umfasst eine Bohrspitze, einen vorderen Schaftabschnitt, einen hinteren Schaftabschnitt und einen Schraubkopf und kann durch zwei Holzbauteile unter Einschluss eines Metallblechs selbstschneidend hindurchgetrieben werden. Die Bohrschraube gräbt sich auch eine Bohrung im Holz. Nach dem Durchstoßen des Metallblechs bildet sich in der Blechbohrung ein Schraubgewinde, der vordere Abschnitt der Bohrschraube bohrt und verankert sich in dem vorderen Holzbauteil, und der hintere Schaftabschnitt verankert sich in dem hinteren Holzbohrloch.
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Ein Nachteil dieser Bohrschraube besteht darin, dass nicht genügend Raum zur Aufnahme von Bohrmehl oder Materialspänen zur Verfügung steht, wodurch sich ein verstärkter Widerstand beim Eindrehen der Schraube ergibt. Auch die Vorschubgeschwindigkeit wird beeinträchtigt, wenn die Gewindegänge durch Materialabtrag überdeckt werden.
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Aus der
EP 0 988 427 B1 ist ein Verbindungselement zum Verbinden von wenigstens zwei Holzbauteilen und einer Knotenplatte bekannt. Die Knotenplatte ist in der Regel aus Metall beschaffen.
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Das beschriebene Verbindungselement besitzt einen stabförmigen Schaft der an seinem einen Ende einen, in den Holzbauteilen eine Bohrung herstellendes Bohrteil und an seinem anderen Ende einen Werkzeugangriff für einen Drehantrieb aufweist. In diesem Bereich trägt der Schaft auch ein Gewinde zur Verankerung in einem Holzbauteil und eine sich über einen Teilbereich des Schaftes erstreckende Spannut. Der durch die Bohrspitze erzeugte Materialabtrag sammelt und staut sich direkt hinter der Bohrspitze, wodurch sich ein verstärkter Widerstand beim Eindrehen der Schraube ergibt.
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AUFGABENSTELLUNG
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Bohrschraube der beschriebenen Art zu verbessern. Sowohl deren Bohrleistung als auch das Verankerungsverhalten soll verbessert werden.
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Diese Aufgabe wird durch eine Bohrschraube gemäß dem vorgeschlagenen Anspruch 1 gelöst.
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Weitere vorteilhafte Einzelheiten und Ausgestaltungen der Erfindung sowie Weiterbildungen und Varianten sind aus den Unteransprüchen und der nachfolgend erläuterten Zeichnung ersichtlich.
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VORTEILE DER ERFINDUNG
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Gemäß der Erfindung wird eine Bohrschraube zum Durchdringen und Verbinden von Bauteilen unterschiedlicher Materialien wie Holzbaumaterialien als auch Metall, die in einer bestimmten Reihenfolge als Konstruktionsbauteile in Bohrrichtung einander folgen, ohne vorbohren zu müssen, vorgeschlagen, mit einem Schraubenkopf an einem Ende und einer Bohrspitze am anderen Ende eines stabförmigen Schraubenschaftes, der mindestens einen Abschnitt mit einem Gewinde für die Verankerung in einem Bauteil und mindestens einen Abschnitt mit einer Nut für die Aufnahme des durch die Bohrspitze erzeugten Materialabtrags umfasst, wobei der Schraubenschaft unmittelbar hinter der Bohrspitze eine Verjüngung aufweist.
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Die erfindungsgemäße Bohrschraube zeichnet sich dadurch aus, dass hinter der Verjüngung ein Abschnitt mit einem zweiten Gewinde, das sich unmittelbar der Verjüngung anschließt und zwischen dem zweiten Gewinde und dem ersten Gewinde ein gewindefreier Abschnitt angeordnet ist, wobei sich die Nut über die Bohrspitze zwischen den Schneiden erstreckt und in die Verjüngung eintritt und dort dicht unter dem zweiten Gewinde einen Nutaustritt besitzt, wobei sich eine zweite Nut mindestens über den Abschnitt mit dem zweiten Gewinde hinter der Verjüngung erstreckt, welches einen größeren Durchmesser als der Bohrdurchmesser der Bohrspitze (7) besitzt und wobei der Nuteintritt der zweiten Nut im Abschnitt der Verjüngung und der Nutaustritt im gewindefreien Abschnitt liegt.
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Die Erfindung ermöglicht es, sowohl Holzbaumaterialien als auch Metall zu durchdringen, die in einer bestimmten Reihenfolge als Konstruktionsbauteile in Bohrrichtung einander folgen, ohne vorbohren zu müssen. Die Erfindung eignet sich insbesondere dann zum Einsatz, wenn ein Metallblech zwischen zwei Holzbauteilen eingeschlossen ist und diese miteinander zu verbinden sind, wie dies an einem s.g. Knotenpunkt im Ingenieurbau üblich ist. Durch die erfindungsgemäße Gewindeanordnung und dessen Geometrie wird sowohl ein Formschluss im Holzwerkstoff als auch im metallischen Bauteil erreicht, sodass die Verbindung insgesamt berechnet werden kann. Die Bohrspitze kann durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung nicht mehr mit Materialabtrag zugestopft werden und bleibt somit stets wirksam. Das Bohrergebnis wird signifikant verbessert und es wird nur wenig Druckkraft notwendig, um der Bohrschraube einen Vorschub zu geben. Dies wird bereits durch eine relativ lange Bohrspitze erreicht, die einen ziemlich großen Raum bietet, in dem Bohrmehl aufgenommen wird. Der reduzierte Bereich bietet zusätzlich Platz für Bohrmehl und Späne. Das sehr schwach ausgeprägte Gewinde unterstützt den Vorschub. Die darin befindliche lange Nut oder eine entsprechend ausgeprägte Kerbe transportiert zusätzlich das Bohrmehl aus dem reduzierten Bereich, was die Bohrkapazität noch weiter erhöht, wenn die Bohrspitze auf das metallische Bauteil trifft. Letztlich ist das Spitzengewinde so klein gehalten, dass es das metallische Bauteil nicht aufweitet und ein Formschluss gewährleistet ist. Das Gewinde am Kopfbereich ist etwas größer gewählt, damit es beim Eintauchen in den Holzwerkstoff sofort zieht und sich anschließend im Holz verankert.
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Indem vorgesehen ist, dass sich eine erste Nut über die Bohrspitze erstreckt und in die Verjüngung eintritt. Damit wird ein erster Übergang zu einem großen Aufnahmeraum für den erzeugten Materialabtrag geschaffen. Unterstützt wird dies dadurch, dass sich eine zweite Nut mindestens über den Abschnitt mit dem zweiten Gewinde hinter der Verjüngung erstreckt und dadurch, dass der Nuteintritt der zweiten Nut im Abschnitt der Verjüngung und deren Nutaustritt im gewindefreien Abschnitt liegt.
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Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass sich um die Verjüngung eine Ringkammer erstreckt, die zusammen mit der ersten Nut und der zweiten Nut einen zusammenhängenden Aufnahmespeicher bildet. Dies stellt sicher, dass das beim Durchbohren des Holzwerkstoffes erzeugte Bohrmehl von der Bohrspitze wegtransportiert werden kann und hier Platz für die beim Durchbohren des metallischen Werkstoffes erzeugten Späne geschaffen wird.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Bohrdurchmesser der Bohrspitze kleiner als der Außendurchmesser des zweiten Gewindes ausgebildet ist, wobei eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, dass die der Bohrspitze nahe Gewindeflanke eine in den Kern des Schaftes einlaufende Gewindewurzel besitzt. Dadurch ist sichergestellt, dass das Gewinde im Metallteil keine Schneidarbeit leistet, sondern sich durch dieses hindurchfurcht.
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Eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das erste Gewinde einen größeren Gewindedurchmesser besitzt als die voreilende Bohrspitze und das zweite Gewinde. Das hier als zweites bezeichnete Gewinde eilt dem ersten Gewinde beim Einschraubvorgang vor. Damit trifft das erste Gewinde stets auf soviel Material, dass es eine ausreichende Verankerung bewirken kann. Dabei ist es ebenso wichtig, dass der Kenndurchmesser des ersten Gewindes und des zweiten Gewindes annähernd gleich sind und dass die beiden Gewinde eine gleiche Steigung besitzen.
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AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
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Es gibt verschiedene Möglichkeiten die Lehre der vorliegenden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und weiterzubilden. Dazu ist einerseits auf die nachgeordneten Ansprüche und andererseits auf die nachfolgende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläuterung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Zeichnung, werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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In der Zeichnung zeigen:
- 1 eine Seitenansicht der erfindungsgemäßen Bohrschraube,
- 2 eine um die Bohrachse mit etwa 90° gegen den Uhrzeigersinn verdrehte Seitenansicht der Bohrschraube,
- 3 eine um die Bohrachse mit etwa 90° im Uhrzeigersinn verdrehte Seitenansicht der Bohrschraube,
- 4 eine Draufsicht auf die Bohrschraube,
- 5 das in 1 mit V gekennzeichnete Detail in einer Vergrößerung,
- 6 das in 1 mit VI gekennzeichnete Detail in einer Vergrößerung,
- 7 das in 1 mit VII gekennzeichnete Detail in einer Vergrößerung,
- 8 eine Einbausituation der erfindungsgemäßen Bohrschraube und
- 9 eine Vergrößerung des in 8 mit IX gekennzeichneten Details.
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Die erfindungsgemäße Bohrschraube 1 weist einen stabförmigen Schraubenschaft 3 auf, an dessen einem Ende ein Schraubenkopf 5 und am anderen Ende eine Bohrspitze 7 angeordnet ist. Im Schraubenkopf 5 ist ein Drehantriebseingriff 6 für einen Schrauberbit vorhanden, um die Bohrschraube 1 in die Bauteile 50, 51 und 52 (siehe 8) einzudrehen.
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Unterhalb des Schraubenkopfes 5 befindet sich ein erstes Gewinde 8. Direkt daran schließt sich in Richtung der Bohrspitze 7 ein gewindefreier Abschnitt 15 an, der in einen Abschnitt übergeht, auf dem sich ein zweites Gewinde 9 befindet. Zwischen dem zweiten Gewinde 9 und der Bohrspitze 7 ist der Schraubenschaft 3 stark im Durchmesser reduziert, sodass hier eine Verjüngung 20 ausgebildet ist. Durch die Verjüngung 20 wird eine Ringkammer 18 gebildet, die zur Aufnahme von Materialabtrag dient, welcher von der Bohrspitze 7 erzeugt wird.
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In der Bohrspitze 7 ist zwischen den Schneiden eine erste Spannut 13 vorgesehen, die sich bis in die Verjüngung 20 hinein erstreckt und dort dicht unter dem zweiten Gewinde 9 einen Nutaustritt 14 besitzt. Noch im Bereich der Verjüngung 20 befindet sich der Nuteintritt 11 einer zweiten Nut 10, die sich über das zweite Gewinde 9 hinaus in den darüberliegenden gewindefreien Abschnitt 15 erstreckt und dort mit ihrem Nutaustritt 12 endet.
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Der Spitzenwinkel α der Bohrspitze 7 besitzt in Abhängigkeit der Länge, des Durchmessers und des Schneidenverlaufs idealerweise 100°. Bei Veränderung des Spannutverlaufs ist eine Veränderung des Spitzenwinkels α um etwa ± 10° von Vorteil.
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Um ein relativ großes Aufnahmevolumen für den Materialabtrag zu schaffen, ist bereits die Bohrspitze 7 relativ lang ausgebildet. Im Zusammenspiel mit dem durch die Ringkammer 18 gebildeten Aufnahmevolumen und der zweiten Nut 10 im Bereich des zweiten Gewindes 9 steht ein Gesamtspeicher für den Materialabtrag zur Verfügung, der bei weitem das mögliche Abtragsvolumen übersteigt. Dies insbesondere deshalb, weil durch die erste Nut 13, die Ringkammer 18 und die zweite Nut 10 ein zusammenhängender Aufnahmespeicher gebildet ist. Das Längenverhältnis zwischen Bohrspitze 7 und Verjüngung 20 kann zwischen 0,9 und 2,3 liegen, je nachdem wie das Verhältnis zwischen Bohrdurchmesser und Durchmesser der Verjüngung 20, also das Aufnahmevolumen der Ringkammer 18 ist. Hier hat sich ein Verhältnis zwischen 1,2 und 1,4 bewährt.
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Das zweite Gewinde 9 schließt sich unmittelbar der Verjüngung 20 an. Das zweite Gewinde 9 besitzt einen größeren Durchmesser als der Bohrdurchmesser der Bohrspitze 7. Der Gewindedurchmesser muss allerdings in einem bestimmten Verhältnis zum Bohrdurchmesser stehen, damit durch das Gewinde 9 keine erneute Schneidleistung mehr erfolgt. Vielmehr soll sich das Gewinde 9 in das voreilende Bohrloch im metallischen Bauteil 51 durchfurchen, sodass die höher liegenden Gewindeflanken 9c mit dem metallischen Bauteil einen Formschluss bilden und dieses untergreifen. Unterstützt wird dies dadurch, dass die unterste Gewindeflanke 9a an zumindest einer Stelle schlanker ausgebildet ist und in eine in den Schaftkern einlaufende Gewindewurzel 9b besitzt. Idealerweise liegt das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des zweiten Gewindes 9 und dem Bohrdurchmesser der Bohrspitze 7 zwischen 1,02 und 1,12.
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Der gewindefreie Abschnitt 15 soll sich gegenüber der Bohr- und Verankerungsleistung möglichst neutral verhalten und besitzt daher einen geringeren Durchmesser als die beiden Gewinde, die diesen Abschnitt einschließen.
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Das erste Gewinde 8 ist so im Durchmesser gewählt, dass es beim Eintauchen in das Holzbauteil 50 sofort zieht und sich abschließend im Holz verankert. Hier hat sich ein Verhältnis zwischen Gewindedurchmesser und Durchmesser der Bohrspitze 7 von von 1,1 bis 1,2 als vorteilhaft erwiesen. Die Bohrspitze 7 als voreilender Arbeitsabschnitt, ist maßgeblich am Verankerungsverhalten der Bohrschraube 1 verantwortlich, weshalb die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Bohrschraubengeometrie und das Freihalten der Bohrspitze von Materialabtrag entscheidend hieran beteiligt sind.
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In den 8 und 9 ist eine Einbausituation der erfindungsgemäßen Bohrschraube 1 wiedergegeben. Die Bohrschraube 1 wird mit ihrer Bohrspitze 7 auf der Außenseite 55 des ersten Holzbauteils 50 aufgesetzt und mit einem geeigneten Schrauber sowie einem angemessenem Vorschub in Rotation versetzt. Dabei arbeitet sich die Bohrspitze 7 durch das erste Holzbauteil 50 durch. Das dabei erzeugte Bohrmehl wird über die erste Spannut 13 in die Ringkammer 18 der Verjüngung 20 befördert, sodass die Schneiden der Bohrspitze 7 frei bleiben. Das nacheilende, vom Schraubenkopf her gesehen zweite Gewinde 9 schneidet sich in das erste Holzbauteil 50 ein, da der Gewindedurchmesser größer als der Bohrdurchmesser ist. Dabei auftretender Materialabtrag setzt sich hinter dem Gewinde im gewindefreien Bereich 15 ab. Dann trifft die Bohrspitze 7 auf das metallische Bauteil 51 und bohrt unter Abtrag von Metallspänen ein Durchtrittsloch, bevor sie in das zweite Holzbauteil 52 eingreift. Die Metallspäne werden über die erste Nut 13 in die Ringnut 18 der Verjüngung 20 der zweiten Nut 10 zugeführt, so dass in der Bohrspitze 7 ausreichend Platz für den Materialabtrag aus dem zweiten Holzbauteil 52 geschaffen wird. Das der Bohrspitze 7 direkt nachfolgende zweite Gewinde 9 leistet im metallischen Bauteil 51 keine wesentliche Schneidleistung, sondern furcht sich durch dieses hindurch und untergreift mit seiner Gewindeflanke 9c die Unterseite 51a des metallischen Bauteils 51.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Bohrschraube
- 3
- Schraubenschaft
- 5
- Schraubenkopf
- 6
- Drehantriebseingriff
- 7
- Bohrspitze
- 8
- erstes Gewinde
- 9
- zweites Gewinde
- 9a
- unterste Gewindeflanke
- 9b
- Gewindewurzel
- 9c
- obere Gewindeflanken
- 10
- zweite Spannut
- 11
- Nuteintritt von 10
- 12
- Nutaustritt von 10
- 13
- erste Spannut in 7
- 14
- Nutaustritt von 13
- 15
- gewindefreier Abschnitt
- 18
- Ringkammer
- 20
- Verjüngung
- 50
- erstes Holzbauteil
- 51
- metallisches Bauteil
- 51a
- Unterseite von 51
- 52
- zweites Holzbauteil
- 55
- Außenseite von 50
- α
- Spitzenwinkel von 7
