DE202009003471U1

DE202009003471U1 - Schraube

Info

Publication number: DE202009003471U1
Application number: DE200920003471
Authority: DE
Original assignee: Acument GmbH and Co OHG
Current assignee: Rt Holdings Iii Wg (us) Lp Scs Lu
Priority date: 2009-03-11
Filing date: 2009-03-11
Publication date: 2009-05-20
Anticipated expiration: 2019-03-12

Abstract

Schraube (10) mit einem Kopf (12) und einem daran anschließenden Schaft (14) mit einem Außengewinde (16), dadurch gekennzeichnet, dass direkt unter dem Kopf (12) eine sich radial nach innen in den Schaft (14) erstreckende Nut (18) vorgesehen ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraube, die einen im Durchmesser verkleinerten Kopf aufweist und insbesondere für die Verwendung als Zylinderkopfschraube geeignet ist.
Im Zuge der zunehmenden Miniaturisierung und Gewichtseinsparung bei der Automobilindustrie ist es zunehmend nicht mehr möglich, Schrauben, insbesondere Zylinderkopfschrauben, mit dem normgemäß zu dem Schaftdurchmesser gehörenden Kopfdurchmesser zu verwenden. Vielmehr neigt man dazu, „kleinere" Köpfe, also Köpfe mit einem geringeren Durchmesser, zu verwenden. Eine Verkleinerung des Schaftes ist nicht möglich, da das Gewinde dann den auftretenden Kräfte nicht mehr gewachsen ist.
Es entsteht dann das Problem, dass der Übergang zwischen Kopf und Schaft stets einen bestimmten Radius aufweisen muss, damit keine Kerbspannungen auftreten. Dies macht es normalerweise erforderlich, eine Beilagscheibe mit einer entsprechenden Fase vorzusehen.
Die Herstellung einer solchen Fase ist jedoch üblicherweise mit zusätzlichem Herstellungsaufwand verbunden. Sieht man eine solche Fase jedoch nicht vor, so würde die Scheibe ohne Fase den Unterkopfradius beim Verschrauben verquetschen oder beschädigen und damit wieder eine Angriffsmöglichkeit für die Kerbwirkung im Dauerschwingversuch, also unter dynamischer Belastung bieten.
Die Verwendung von Beilagscheiben mit Fase hat darüber hinaus den Nachteil, dass dadurch die zur Verfügung stehende Auflagefläche, die bereits aufgrund des wegen der Platzrestriktionen gewählten kleineren Kopfes stark vermindert ist, weiter reduziert würde. Dadurch werden die maximal zulässigen Drucklasten für normale Beilagscheiben und gegebenenfalls auch für die schaftseitige Stirnfläche des Schraubenkopfes überschritten. Dadurch wird es wiederum erforderlich, härtere (= teuere) Materialien für die Beilagscheibe und gegebenenfalls auch für den Schraubenkopf zu verwenden.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine solche Schraube dergestalt weiterzubilden, dass normale Beilagscheiben ohne spezielle Fase für den Unterkopfradius verwendet werden können, und damit auch die Flächenpressung zwischen Kopfunterseite und Beilagscheibe auf das zulässige Maß beschränken zu können.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass direkt unter dem Kopf eine sich radial nach innen in den Schaft erstreckende Nut vorgesehen ist.
Es ist dabei besonders bevorzugt, dass sich schaftseitig von der Nut ein Zentrierbund befindet, dessen Außendurchmesser auf den Innendurchmesser der Beilagscheibe abgestimmt ist. Auf diese Weise kann auch bei den erfindungsgemäßen Schrauben sichergestellt werden, dass die Beilagscheibe zu der Schraube ordnungsgemäß zentriert ist.
Weiter ist es besonders bevorzugt, wenn der Radienübergang zwischen dem Schaft und der schaftseitigen Stirnfläche des Kopfes vollständig innerhalb der Nut angeordnet ist. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass auch bei Verwendung von Beilagscheiben ganz ohne Fase eine Beschädigung des Übergangsradius auf jeden Fall verhindert wird, und damit auch das Risiko eines Kerbwirkungsbruches unter dem Kopf ausgeschlossen ist.
Eine besonders preiswerte Herstellung der erfindungsgemäßen Schrauben ergibt sich, wenn die Nut und gegebenenfalls der Zentrierbund gleichzeitig mit dem Rollen der Schraube hergestellt wird.
Die Herstellungsweise lässt sich noch weiter verbessern, wenn die Schraube mit einem Dünnschaft versehen ist, und dieser durch eine spezielle Rollierung mit der Nut versehen wird, während gleichzeitig der Zentrierbund dadurch aufgeworfen wird.
Um die bei der Rollierung zu verdrängende Materialmenge zu begrenzen, kann der Dünnschaft im Bereich in der Nähe des Kopfes ursprünglich dicker ausgebildet sein.
Die Vorteile der vorliegenden Erfindung lassen sich nicht nur im Zusammenhang mit entsprechenden Beilagscheiben ohne Fase nutzen. In gleicher Weise sind die erfindungsgemäßen Schrauben vorteilhaft, wenn sie in eine Bohrung in einem Werkstück eingesetzt werden sollen, und die Anbringung einer entsprechenden Fase an dieser Bohrung nicht oder nur mit großem Aufwand möglich ist.
Im Folgenden soll die vorliegende Erfindung anhand des in der beigefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Es zeigt:
1 die Darstellung einer erfindungsgemäßen Schraube mit Beilagscheibe von der Seite;
2 das Detail X der 1 ohne Beilagscheibe; und
3 das Detail X1 der 2.
1 zeigt eine erfindungsgemäße Schraube 10 mit einem Kopf 12 und einem daran anschließenden Schaft 14 mit einem Außengewinde 16 und einer aufgesteckten Beilagscheibe 17 von der Seite. Im Übergang zwischen dem Kopf 12 und dem Schaft 14 ist eine Nut 18 radial nach innen eingewalzt, so dass der Durchmesser des Schaftes 14 direkt unter dem Kopf 12 entsprechend vermindert ist. Schaftseitig schließt sich an die Nut 18 ein Zentrierbund 20 an, der bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schraube 10 mit einer Beilagscheibe 17 der Zentrierung der Beilagscheibe 17 dient. Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Schraube 10 direkt auf einem Werkstück dient er der Zentrierung des Werkstücks. Der Übergang zwischen der Kopfunterseite (schaftseitige Stirnfläche des Kopfes 12) und dem Schaft 14 ist dabei wie im Stand der Technik üblich, als Unterkopfradius oder so genannter Übergangsradius (Radienübergang zwischen Schaft und Kopfauflagefläche) 22 ausgebildet. Dieser Übergangsradius dient dazu, Kerbwirkungen zwischen Kopf und Schaft zu verhindern, die bei langfristiger dynamischer Beanspruchung auftreten könnten und ohne einen solchen Radius zum Abreißen des Schaftes 14 vom Kopf 12 führen könnten.
Bei der vorliegenden Erfindung ist der Radius 22 jedoch in der Nut 18 „versenkt", sodass an einer mit der erfindungsgemäßen Schraube zusammenwirkenden Beilagscheibe oder Werkstückoberfläche keine Abschrägung (Fase) zum Schutz dieses Übergangsradius vorgesehen werden muss, wie dies bei dem Stand der Technik erforderlich ist, um ein Verquetschen oder eine Beschädigung des Übergangsradius beim Anziehen der Schraube zu verhindern. Eine solche Beschädigung würde nämlich erst recht zum massiven Auftreten von Kerbwirkungen an der beschädigten Stelle führen.
2 zeigt den Bereich zwischen Schraubenkopf 12 und Außengewinde 16 ohne Beilagscheibe in detaillierterer Form. Die gleichen Bezugszeichen verweisen wieder auf die gleichen Elemente der erfindungsgemäßen Schraube.
Die Gestaltung der erfindungsgemäßen Nut ist als Detail X1 in 3 nochmals vergrößert dargestellt.
Wie der 3 zu entnehmen ist, ist der Übergangsradius 22 zwischen dem Kopf 12 und dem Schaft 14 vollständig innerhalb des Außendurchmessers des Zentrierbundes 20 angeordnet, sodass eine Beschädigung dieses empfindlichen Übergangsradius beispielsweise durch eine nicht ausgebildete Fase an der Beilagscheibe 17 oder einem zu verschraubenden Werkstück mit Sicherheit ausgeschlossen ist.
Die hier dargestellte Schraube 10 weist zwar einen Schaft 14 nach der Norm M10, also auch ein entsprechendes Außengewinde 16 auf, der Kopf 12 entspricht jedoch der Normgröße für M9, da diese Schraube als Zylinderkopfschraube in extrem engen Platzverhältnissen eingesetzt werden soll.
Bei diesem Einsatzzweck war es mit Schrauben gemäß dem Stand der Technik erforderlich, die zu verwendende Beilagscheibe aufwendig mit einer großen Fase am inneren Loch zu versehen, um den Unterkopfradius der Schraube aufnehmen zu können. Gleichzeitig steht durch den lediglich für M9 gestalteten Schraubenkopf 12 eine ungewöhnlich geringe Auflagefläche für den Schraubenkopf 12 auf der Beilagscheibe 17 zur Verfügung. Wenn nun noch zusätzliche Scheibenfläche durch die erforderliche Fase wegfällt, wird die Flächenpressung in dem relativ geringen Aufla gebereich zwischen Kopf 12 und Scheibe 17 unzulässig hoch. Dies ergibt sich aus folgender Berechnung:
Beilagscheibe mit erforderlicher Fase:

Innendurchmesser, der nicht zum Tragen kommt: 11,3 mm (Schaft 10 mm + 2 × Übergangsradius von 0,6 mm + Sicherheit 0,1 mm) + Bauteiltoleranz 0,2 mm = 11,5 mm

Da die vorliegende Schraube jedoch die Kräfte einer normalen M10-Schraube aufnehmen soll, muss sie mit einer Vorspannkraft von 63,5 kN angezogen werden können. Da die entsprechende Schraube aber nur über einen M9-Normkopf verfügt, ist der Außendurchmesser der Kopfauflagefläche auf 13,4 mm beschränkt. Zieht man davon den oben berechneten Lochdurchmesser mit Fase von 11,5 mm ab, verbleibt lediglich eine tragende Fläche von 37,16 mm². Somit ergibt sich eine Flächenpressung im Auflagebereich von 1708,96 MPa.
Die üblicherweise verwendeten Materialien gestatten jedoch äußerstenfalls eine Oberflächenpressung von 1220 bis 1350 MPa.
Auch hier schafft die vorliegende Erfindung Abhilfe. Dadurch, dass die Übergangsradien auf beiden Seiten in der Nut 18 „verschwinden" kann der wegfallende Innendurchmesser bei der tragenden Oberfläche der Beilagscheibe 17 von den oben beschriebenen 11,5 mm auf 10,3 mm vermindert werden. Dadurch erhöht sich die Auflagefläche auf 57,70 mm² und die Flächenpressung wird auf 1100,46 MPa herabgesetzt. Dieses liegt deutlich innerhalb des zulässigen Bereichs von maximal 1220 bis 1350 MPa.
Auf diese Weise können erfindungsgemäß auch besondere Maßnahmen wie Härten oder eine spezielle Materialauswahl vermieden werden, da die zulässigen Flächenpressungen nicht mehr überschritten werden.
Das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel bezog sich auf eine Schraube M10 mit Kopf M9. Analog lässt sich dies natürlich auch auf alle anderen Schraubengrößen übertragen.
Es ist dabei zu beachten, dass aufgrund der drohenden Kerbwirkung der Unterkopfradius keinesfalls vermindert werden kann. Die vorliegende Erfindung bietet daher die einzige Lösung, wenn man gezwungen ist, aus Platzgründen eine Schraube mit einem Kopf 12 zu verwenden, der normalerweise zu einem um 1 mm geringeren Gewindedurchmesser gehören würde.
Die Fertigung einer solchen Schraube kann dann noch dadurch erleichtert werden, dass als Ausgangspunkt eine Schraube M10 (mit Kopf M9) mit einem so genannten Dünnschaft (Vorwalzmaßdurchmesser circa 8,9 mm) verwendet wird, und eine spezielle Rollierung (Verdrängen/Verwalzen von Material im Schaftbereich) unter dem Kopf durchgeführt wird, wobei durch die Rollierung ein Zentrierbund mit einem Außendurchmesser von 10 mm geschaffen wird, der damit dem Innendurchmesser der Scheibe 17 (= Außendurchmesser des gewählten M10-Gewindes) von 10 mm entspricht.
Der Dünnschaft kann dabei gegebenenfalls im Bereich unter dem Kopf 12 leicht verdickt sein, damit beim Walzen des Zentrierbundes 20 nicht zu viel Material aus dem dünnen Schaft verdrückt werden muss. Es besteht nämlich die Gefahr, dass der Dünnschaft dann zu dünn wird und unter axialer Belastung ein Versagen in dem rollierten Bereich auftreten kann.
Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Nut 18 wird im Übergangsbereich zwischen Kopf und Schaft genügend Platz für den erforderlichen Unterkopf-Übergangsradius geschaffen. Dieser Übergangsradius kann dann groß genug gewählt werden, um zum einen sicher hergestellt zu werden, keinen übermäßigen Werkzeugverschleiß zu verursachen und insbesondere keine zu großen Kerbspannungen auftreten zu lassen. Durch solche Kerbspannungen würde nämlich eine Kerbwirkung bei dynamischer Belastung auftreten, die nach einiger Belastungsdauer zur Gefahr eines Abbrechens des Schaftes vom Kopf führt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt der Unterkopfradius 0,4 bis 0,6 mm. Dies bedeutet, dass der maximale Durchmesser des Radienauslaufes in die Auflagefläche des Kopfes 12 10,1 mm beträgt (Schaftdurchmesser im Bereich der Nut 18 8,9 mm + 2 × 0,6 mm Übergangsradius = 10,1 mm). Dies entspricht somit dem Minimalmaß für das Loch der Beilagscheibe, da diese mit Toleranz über das M10-Gewinde mit 10 mm Außendurchmesser passen muss. Es kann somit eine Beilag scheibe ohne Fase oder nur mit einem minimalen Kantenbruch genutzt werden. Dadurch ist die Herstellung der entsprechenden Beilagscheibe deutlich günstiger und die Flächenpressung auf die Beilagscheibe kann gegenüber dem Stand der Technik wie oben berechnet, soweit verringert werden, dass die Beilagscheibe aus normalen handelsüblichen Materialien hergestellt werden kann.
Der Vorteil der Erfindung liegt also zum einen in der Reduzierung der Flächenpressung der Schraubenkopfunterseite beziehungsweise Beilagscheibe/Werkstückoberfläche und zum anderen in einer erheblichen Kosteneinsparung, da die Beilagscheibe oder Werkstückoberfläche nicht aufwendig mit einer geeigneten Fase versehen werden muss.
Erfindungsgemäß können Nutdurchmesser und Zentrierbunddurchmesser unabhängig vom Schaftdurchmesser (Vollschaft oder Dünnschaft) leicht angepasst werden. Bei der Wahl des Unterkopfradius ist man nicht mehr auf eine Größe beschränkt, die durch die Scheibe vorgegeben ist. Vielmehr kann erfindungsgemäß der Unterkopfradius so groß gewählt werden, wie es nötig ist, um eine ausreichende Dauerhaltbarkeit gegen die Kerbwirkung zu gewährleisten. Die Nut 18 kann in ihrer Größe entsprechend angepasst werden. Die erfindungsgemäß verwendbaren Unterlegscheiben ohne Fase können einfacher und billiger hergestellt werden.
Die Flächenpressung kann schließlich erfindungsgemäß soweit reduziert werden, dass weichere (billigere) Scheiben genutzt werden können.

Claims

Schraube (10) mit einem Kopf (12) und einem daran anschließenden Schaft (14) mit einem Außengewinde (16), dadurch gekennzeichnet, dass direkt unter dem Kopf (12) eine sich radial nach innen in den Schaft (14) erstreckende Nut (18) vorgesehen ist.
Schraube (10) nach Anspruch 1 zur Montage mit einer Beilagscheibe (17) oder einem Werkstück, dadurch gekennzeichnet, dass sich schaftseitig von der Nut (18) ein Zentrierbund (20) befindet, dessen Außendurchmesser auf den Innendurchmesser der Beilagscheibe (17) oder des Werkstücks abgestimmt ist.
Schraube (10) nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Radienübergang (22) zwischen dem Schaft (14) und der schaftseitigen Stirnfläche des Kopfes (12), dadurch gekennzeichnet, dass sich der Radienübergang (22) vollständig innerhalb der Nut (18) befindet.
Schraube (10) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Nut (18) und gegebenenfalls der Zentrierbund (20) gleichzeitig mit dem Rollen der Schraube (10) hergestellt sind.
Schraube (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraube (10) mit einem Dünnschaft versehen ist, und dieser durch eine spezielle Rollierung mit der Nut (18) versehen ist, wodurch gleichzeitig der Zentrierbund (20) aufgeworfen ist.
Schraube (10) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Dünnschaft im Bereich in der Nähe des Kopfes (12) ursprünglich dicker ausgebildet ist.