DE19960287C1 - Selbstfurchende Schraube - Google Patents
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Abstract
Selbstfurchende Schraube mit gewalzten Gewindegängen, bei denen die Winkelhalbierende des durch Lastflanke und Rückflanke gebildeten Gewindeganges eine vom Schraubenkopf weggerichtete Schräglage zur Senkrechten zur Schraubenachse aufweist, wobei die Lastflanke gerade zum Gewindegrund verläuft und die Rückflanke von der Gewindespitze zunächst gerade und von etwa 1/3 ihrer Höhe über einen Knick in eine gerade Abwinkelung mit einem Winkel übergeht, der größer als der zur Senkrechten gemessene Winkel der Rückflanke ist und zwischen 30 DEG und 50 DEG liegt, wobei das Durchmesserverhältnis von Gewinde-Kerndurchmesser zu Gewinde-Außendurchmesser größer als 0,7 und das Verhältnis von Gewindesteigung zu Gewinde-Außendurchmesser kleiner als 0,25 ist.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine selbstfurchende Schraube mit gewalzten
Gewindegängen, bei denen die Winkelhalbierende des durch Lastflanke und
Rückflanke gebildeten Gewindeganges eine vom Schraubenkopf weggerichtete
Schräglage zur Senkrechten zur Schraubenachse aufweist.
Eine derartige Schraube ist aus der EP 0 501 519 A1
bekannt. Die Besonderheit dieser bekannten Schraube besteht darin, daß sowohl
die Lastflanke (dem Schraubenkopf zugeführte Gewindeflanke) als auch die
Rückflanke (der Lastflanke gegenüberliegende Flanke) ihrer Gewindegänge über
Rundungen in den Gewindegrund einlaufen. Diese gerundete Gestaltung wird in
der Einleitung der Druckschrift im Gegensatz zu der darin zitierten DE 32 35 352 A1
als vorteilhaft herausgestellt. Beim Gegenstand dieser DE 32 35 352 A1 ist
der Übergang des Flankenprofils in den Kernbereich des Gewindes unstetig
ausgebildet, dieser Übergang besteht nämlich aus einem Knick. In der weiterhin
in der europäischen Patentanmeldung zitierten DE 32 07 975 A1 ist
demgegenüber eine selbstfurchende Schraube offenbart, bei der sich der
Flankenwinkel der Gewindegänge von der Flankenspitze bis zum Gewindegrund
stetig vergrößert, was eine schädigungsfreie Umformung des Kunststoffs
begünstigen soll, in den die betreffende Schraube einzudrehen ist. Ergänzend wird
in der europäischen Patentanmeldung zu der Schraube gemäß der DE 32 07 975 A1
darauf hingewiesen, daß bei der darin beschriebenen für das Einschrauben im
Kunststoff bestimmten Schraube die Gewindegänge nicht asymmetrisch
verlaufen, d. h. die zwischen Lastflanke und Rückflanke liegende
Winkelhalbierende der Gewindegänge verläuft senkrecht zur Schraubenachse.
Es ist weiterhin eine vorzugsweise zur Verwendung bei Spanplatten geschaffene,
selbstfurchende Schraube aus der EP 0 713 017 A2
bekannt, bei der der Querschnitt der Gewindegänge im Bereich der Lastflanke
einen Knick aufweist, und zwar derart, daß von der Gewindespitze her nach dem
Knick die Lastflanke mit einem größeren Winkel gegenüber der Senkrechten zur
Schraubenachse verläuft. Außerdem verläuft bei dieser Schraube die
Winkelhalbierende zwischen Lastflanke und Rückflanke im Bereich zwischen der
Gewindespitze und dem Knick in einer zum Schraubenkopf hin gerichteten
Schräglage. Hierdurch bilden die Gewindegänge dieser Schraube bei ihrem
Anziehen bzw. bei Belastung eine der Senkrechten angenäherte Auflagefläche,
wobei sich der Gewindegang besonders stark gegen ihn drückendes
Material des betreffenden Bauteils stemmt. Die Folge ist, daß die einzelnen
Gewindegänge durch praktisch parallel zur Schraubenachse verlaufende Kräfte
auf Biegung beansprucht werden, was die Belastbarkeit dieser Schraube
entsprechend verringert.
Eine ähnliche Gestaltung weisen selbstfurchende Schrauben auf, wie sie in der
EP 0 133 773 A1 und der DE 36 15 271 A1 offenbart sind,
da bei diesen bekannten Schrauben im Bereich zwischen Gewindespitze und
einem Knick in der Lastflanke die auf die Gewindegänge auftreffenden Kräfte bei
Belastung praktisch parallel zur Schraubenachse verlaufen. Besonders ausgeprägt
ist dies bei der Schraube gemäß der DE 36 15 271 A1, bei der die Lastflanke im
Bereich zwischen Gewindespitze und Knick senkrecht zur Schraubenachse
verläuft. Die beiden bekannten Schrauben sind also beim Anziehen der Schrauben
und damit in bezug auf hohe Biegebelastungen der Gewindegänge besonders
empfindlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs beschriebene Schraube
so zu gestalten, daß ihre Herstellung durch Gewindewalzen verbessert und
darüber hinaus ihre Belastbarkeit und Haltekraft vergrößert wird. Die
geometrische Gestaltung der Schraube ist dabei so zu wählen, daß ein optimiertes
Einschraubverhalten in dem jeweiligen metallischen Werkstoff erreicht wird.
Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß die Lastflanke gerade zum
Gewindegrund verläuft und die Rückflanke von der Gewindespitze zunächst
gerade und von etwa 1/3 ihrer Höhe über einen Knick in eine gerade
Abwinkelung mit einem Winkel übergeht, der größer als der zur Senkrechten
gemessenen Winkel der Rückflanke ist und zwischen 30° und 50° liegt, wobei das
Durchmesserverhältnis von Gewinde-Kerndurchmeser zu Gewinde-
Außendurchmesser größer als 0,7 und das Verhältnis von Gewindesteigung zu
Gewinde-Außendurchmesser kleiner als 0,25 ist.
Aufgrund des von den Gewindespitzen zum Gewindegrund im wesentlichen
geradlinigen Verlaufs im Bereich der Lastflanke und auch der einen Knick
enthaltenden Rückflanke läßt sich die Schraube mit Walzbacken walzen, deren
Rillen im Querschnitt jeweils einen entsprechenden geradlinigen Verlauf
aufweisen, was für die Herstellung der Walzbacken einen erheblichen Vorteil
gegenüber in diesem Bereich abgerundeten Walzbacken darstellt. Darüber hinaus
hat sich gezeigt, daß die mit einem Durchmesserverhältnis von Gewinde-
Kerndurchmesser zu Gewinde-Außendurchmesser von größer als 0,7 gegebene
Dimensionierung zu einer Verkürzung der Gewindegänge führt, so daß diese nur
über eine relativ geringe radiale Höhe Biegebelastungen beim Anziehen der
Schraube und bei Belastung durch das betreffende Bauteil ausgesetzt sind, die
zudem noch dadurch gut aufgefangen werden, daß die Abwinkelung sich über den
Bereich erstreckt, der eine starke Abstützung der Gewindegänge gegen Abknicken
erfordert. Dabei läßt der erst bei 1/3 der Höhe der Gewindegänge liegende Knick
ausreichend Raum im äußeren Bereich der Gewindegänge für das Abfließen des
verdrängten Materials des betreffenden Bauteils, so daß dieses Abfließen nicht
behindert wird.
Auf der Lastflanke der Gewindegänge ergibt sich beim Anziehen der Schraube
aufgrund von deren durchgehend geraden schrägen Verlauf eine auf diese Flanke
auftreffende Kraft, die wegen der Schräglage der Lastflanke entsprechend schräg
in die Schraube und damit deren Kern eingeleitet wird, der aufgrund seines relativ
großen Durchmessers in der Lage ist, hohe Kräfte aufzunehmen. Umgekehrt
verläuft der Druck im Material des Bauteils ebenfalls in Schrägrichtung, d. h. in
das die Einschraubstelle umgebende Material, wo dieser Druck ohne weiteres
aufgefangen werden kann. Der gradlinig schräge Verlauf der Lastflanke
ermöglicht dabei eine gleichmäßige Druckverteilung über die gesamte Höhe der
Gewindelastflanke, so daß hierdurch immer eine maximale Kontaktfläche und
maximale Reibung beim Anziehen der Schraube ermöglicht wird, ohne das
Material zu schädigen. Aufgrund des Verhältnisses von Gewindesteigung zu
Gewindeaußendurchmesser, das kleiner als 0,25 gewählt ist, ergibt sich ein
Gewinde mit eng zueinander liegenden Gewindegängen, so daß über eine
bestimmte Länge im betreffenden Bauteil eine relativ große Zahl von
Gewindegängen verankert wird. Dies hat entsprechend hohe Ausreiß- und
Haltekräfte zur Folge.
Vorteilhaft wird der Winkel zwischen der Winkelhalbierenden (zwischen
Lastflanke und Rückflanke) und der Senkrechten zur Schraubenachse so gewählt,
daß er im Bereich zwischen 5° und 15° liegt. Die sich hieraus ergebende
Schräglage der Gewindegänge führt auch bei kleinen Flankenwinkeln (gemessen
zwischen Lastflanke und Rückflanke) zu einer ausreichenden Schräglage der
Lastflanke mit der Folge einer günstigen Einleitung von auf die Lastflanke
wirkenden Kräften in den Kern der Schraube. Die Schräglage und der gerade
Verlauf der Lastflanke sind also für die Reibung der eingedrehten Schraube
gegenüber dem Bauteil verantwortlich, die ausreichend groß sein muß, damit das
Überdrehmoment, bei dem die Schraube das Gewinde im Bauteil ausreißen
würde, nicht ohne weiteres erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Schraube ist besonders geeignet, in Stahl eingedreht zu
werden, wozu die Schraube natürlich selbst ebenfalls aus Stahl besteht. In diesem
Fall hat sich ein Flankenwinkel zwischen Last- und Rückflanke von 38° bis 48°
als günstig ergeben, da hierdurch ein optimales Verhältnis von verdrängtem
Volumen und Beanspruchbarkeit des Werkstoffes geschaffen wird. Wird die
erfindungsgemäße Schraube aus Stahl in Leichtmetall eingedreht, so ist in diesem
Falle ein Flankenwinkel zwischen Last- und Rückflanke von 32° bis 42°
zweckmäßig.
Es ist auch möglich, die Schraube aus Aluminium, insbesondere aus einer harten
Aluminiumlegierung, auszubilden, die dann ebenfalls zum Eindrehen in
Leichtmetall geeignet ist. In diesem Fall wählt man den Flankenwinkel zwischen
Last- und Rückflanke zweckmäßig zwischen 58° und 68°.
Eine besonders günstige Schräglage der Winkelhalbierenden ergibt sich dann,
wenn diese mit etwa 1/6 des Flankenwinkels zwischen Last- und Rückflanke
gewählt wird.
In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen
Fig. 1 eine Schraube mit Schraubenkopf und selbstfurchendem Gewinde,
Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil des Gewindes aus Fig. 1 in vergrößerter
Darstellung,
Fig. 3 einen Schnitt durch das Gewinde ähnlich demjenigen gemäß Fig. 2
mit einem Flankenwinkel von 45°,
Fig. 4 einen ähnlichen Schnittwinkel eines Gewindes mit einem
Flankenwinkel von 33°,
Fig. 5 einen Schnitt durch ein Gewinde mit einem Flankenwinkel von 60°.
In der Fig. 1 ist eine selbstfurchende Schraube mit dem Schraubenkopf 1 und dem
Kern 2 dargestellt, auf den das Gewinde 3 aufgewalzt ist. Es handelt sich dabei
um ein eingängiges Gewinde mit den einzelnen Gewindegängen 4, die eine vom
Schraubenkopf 1 weggerichtete Schräglage zur Senkrechten 5 in bezug auf die
Schraubenachse 6 aufweisen. In den Schraubenkopf 1 ist ein Schraubenantrieb 7
eingeprägt, bei dem es sich um eine bekannte Gestaltung handelt.
In der Fig. 2 ist das Gewinde 3 gemäß Fig. 1 in vergrößerter Darstellung im
Schnitt gezeigt. Die einzelnen Gewindegänge 4 weisen die zu dem Schraubenkopf
1 weisende Lastflanke 8 und die gegenüberliegende Rückflanke 9 auf. Die
Lastflanke 8 erstreckt sich von der Gewindespitze 10 gerade zum Gewindegrund
11. Die der Lastflanke 8 gegenüberliegende Rückflanke 9 geht über den Knick 12
in die Abwinkelung 13 über. Die Lastflanke 8 mit ihrem Flankenwinkel γ und die
Rückflanke 9 mit ihrem Flankenwinkel δ, jeweils bezogen auf die Senkrechte 5,
bilden den Flankenwinkel β, der hier 39° beträgt. Die Winkelhalbierende 15 des
Flankenwinkels β, die wesentlich die Schräglage der Gewindegänge 4 bestimmt,
bildet zu der Senkrechten 5 den Winkel ε. Die Abwinkelung 13 verläuft in bezug
auf die Senkrechte 5 zur Schraubenachse 6 in einem Winkel α, der größer ist als
der Rückflankenwinkel δ gemessen zwischen der Senkrechten 5 und der
Rückflanke 9.
In die Fig. 2 ist noch die Steigung P (Abstand zwischen zwei benachbarten
Gewindegängen 4), der Außendurchmesser D des Gewindes und der
Kerndurchmesser K des Gewindes eingetragen. Bei dem in Fig. 2 dargestellten
Gewinde beträgt das Durchmesserverhältnis von Gewindekerndurchmesser K zu
Gewindeaußendurchmesser D 0,8, das Verhältnis von Gewindesteigung P zu
Gewindeaußendurchmesser D beträgt 0,17. Der Flankenwinkel β beträgt hier 39°.
In den Fig. 3 bis 5 sind Varianten des Gewindes gemäß Fig. 2 dargestellt. Bei dem
Gewinde gemäß Fig. 3 beträgt der Flankenwinkel β 45°, bei dem Gewinde gemäß
Fig. 4 beträgt der Flankenwinkel β 33° und bei dem Gewinde gemäß Fig. 5 der
Flankenwinkel β 60°.
Bezüglich der Gestaltung der Gewinde gemäß den Fig. 2 bis 4 sei noch darauf
hingewiesen, daß der Gewindegrund 11 jeweils zylindrisch verläuft.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die in den Fig. 2 bis 5 in vergrößerter
Darstellung wiedergegebenen Gewindeausführungsbeispiele Bereiche von jeweils
günstigen Flankenwinkeln β darstellen, die für bestimmte Anwendungsfälle, wie
oben im einzelnen dargelegt, Verwendung finden können.
Der Knick 12 im Bereich der Rückflanke 9 liegt bei dem Gewinde gemäß Fig. 2
bis 5 bei 1/3 der Höhe der Gewindegänge 4, wobei diese Höhe vom
Gewindegrund 11 in Richtung Gewindespitze 10 gemessen ist. Die vom Knick 12
ausgehende Abwinkelung 13 verläuft beim Gewinde gemäß den Fig. 2 bis 5
jeweils in dem Winkel α (siehe Fig. 2), der 45° beträgt.
Claims (6)
1. Selbstfurchende Schraube mit gewalzten Gewindegängen (4), bei denen
die Winkelhalbierende (15) des durch Lastflanke (8) und Rückflanke (9)
gebildeten Gewindeganges (4) eine vom Schraubenkopf (1) weggerichtete
Schräglage zur Senkrechten (5) zur Schraubenachse (6) aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß die Lastflanke (8) gerade zum
Gewindegrund (11) verläuft und die Rückflanke (9) von der
Gewindespitze (10) zunächst gerade und von etwa 1/3 ihrer Höhe über
einen Knick (12) in eine gerade Abwinkelung (13) mit einem Winkel (α)
übergeht, der größer als der zur Senkrechten (5) gemessene Winkel (δ) der
Rückflanke (9) ist und zwischen 30° und 50° liegt, wobei das
Durchmesserverhältnis von Gewinde-Kerndurchmesser (K) zu Gewinde-
Außendurchmesser (D) größer als 0,7 und das Verhältnis von
Gewindesteigung (P) zu Gewinde-Außendurchmesser (D) kleiner als 0,25
ist.
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglage
(ε) der Winkelhalbierenden (15) im Bereich zwischen 5° und 15° liegt.
3. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schräglage
(ε) der Winkelhalbierenden (15) etwa 1/6 des Flankenwinkels (β)
zwischen Lastflanke (8) und Rückflanke (9) beträgt.
4. Schraube aus Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Eindrehen in
Stahl, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Lastflanke (8) und
Rückflanke (9) gemessene Flankenwinkel (β) 38°-48° beträgt.
5. Schraube aus Stahl nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum Eindrehen in
Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen Lastflanke (8)
und Rückflanke (9) gemessene Flankenwinkel (β) 32°-42° beträgt.
6. Schraube aus Aluminium nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zum
Eindrehen in Leichtmetall, dadurch gekennzeichnet, daß der zwischen
Lastflanke (8) und Rückflanke (9) gemessene Flankenwinkel (β) 58°-68°
beträgt.
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