DE2906295A1

DE2906295A1 - Schraube

Info

Publication number: DE2906295A1
Application number: DE19792906295
Authority: DE
Inventors: Charles Edward Gutshall
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1979-02-10
Filing date: 1979-02-19
Publication date: 1980-08-28
Also published as: GB2042120B; AU524810B2; GB2042120A; FR2449225A1; AU4427179A

Description

Charles Edward Gutshall

Schraube

Die Erfindung betrifft eine aus einem länglichen, zylindrischen Körper vorbestimmten Durchmessers gewalzte Schraube mit einem ein Kopfende und ein Eindringende aufweisenden Schaft und einem schraubenförmigen Gewindegang auf dem Schaft.

Es ist bekannt, daß bei mit einem Schraubengewinde versehenen Befestigungselementen mit einer Schraube die Haltekraft in weichen, faserigen oder geringe Dichte aufweisenden Materialien wie Holz oder Kunststoff vergrößert werden kann, indem ein relativ grober Schraubengang vorgesehen wird. Auf diese Weise

wird die Anzahl der Punkte, in denen das Werkstück durch den Schraubengang eingeschnitten wird, verringert, wodurch der Scherwiderstand des Werkstückmaterials zwischen angrenzenden Windungen des Schraubenganges erhöht wird. Bei der Erhöhung der Gewindesteigung wird jedoch die Schraubfestigkeit des Befestigungselementes herabgesetzt, da die vergrößerte Länge des Schaftes des Befestigungselementes zwischen aneinandergrenzenden Windungen zur Haltekraft des Befestigungselementes nicht anders als durch Reibungseingriff an dem Werkstück beiträgt.

Bei vielen früheren Bemühungen zur Schaffung eines mit Schraubengewinde versehenen Befestigungselementes, wie sie beispielsweise in den US-Patenten 410 698 und 3 207 023 beschrieben worden sind, ist ein zweiter schraubenförmiger Gewindegang von wesentlich geringerer Höhe als der erste Gewindegang vorgesehen, wobei die Windungen des zweiten Gewindeganges zwischen den Windungen des ersten Gewindeganges liegen. Obgleich durch diese Ausbildungen die Haltekraft der Schrauben verbessert worden ist, besitzen sie noch gewisse Nachteile.

Gemäß dem US-Patent 410 698 ist eine relativ breite, flache oder konvexe schraubenförmige Rippe zwischen aneinandergrenzenden Windungen des Hauptgewindeganges vorgesehen. Falls eine solche Schraube in eine Führungsöffnung eingesetzt wird, die einen ungefähr dem Durchmesser der zusätzlichen Rippe entsprechenden Durchmesser besitzt, ist die Haltekraft der Schraube lediglich leicht verbessert, da nur die Reibungskraft zwischen dem Werkstück und der Außenfläche der Rippe zu der Haltekraft der Schraube beiträgt. Wenn andererseits jedoch die Schraube in eine Führungsöffnung geringeren Durchmessers eingesetzt wird, um so die Rippe in Kontakt mit den

Wänden des Werkstückes zu bringen,, wobei das Werkstück zusammengepreßt wird, so wird das Eintreib-Drehmoment der Schraube vergrößert und es wird zusätzlich die Neigung zum Spalten des Werkstückes aufgrund der durch die Schraube ausgeübten Radialkräfte vergrößert.

Bei der Schraube gem. dem US-Patent 3 207 023 bringt deren Herstellung gewisse Schwierigkeiten während des Gewindegangwalzens zur Herstellung der Schraube mit sich. Aufgrund der bei diesem Arbeitsgang vorhandenem gegensätzlichen axialen Kräfte neigt der Schraubenkörper dazu, verlängert zu werden, wodurch in gewissen Fällen die Benutzung von Körpern unterschiedlichen Durchmessers erforderlich ist, um verschiedene Schraubenlängen herzustellen, die den gleichen Nominaldurchmesser aufweisen. Weiterhin erzeugt dabei die Schraubenherstellung in konventionellen Schraubenwalzanlagen schlecht bearbeitete Schraubengangspitzen großen Durchmessers an beiden Enden des Schraubteiles.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine verbesserte Schraube für die Benutzung in weichem, faserigem oder geringe Dichtigkeit aufweisendem Material wie Holz oder Kunststoff zu schaffen, die die erwähnten Nachteile der bekannten Schrauben nicht aufweist.

Dieses wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß der Spitzendurchmesser des Gewindeganges größer als der Durchmesser des Körpers und der Durchmesser des Gewindefußes des Gewindeganges kleiner als der Durchmesser des Körpers ist, daß der Gewindegang im Längsachsenschnitt der Schraube eine unsymmetrische Kontur besitzt, wobei die dem Schraubenkopf zugewandte Flanke des Gewindeganges steiler und mehr senkrecht in bezug auf die Schraubenachse verläuft als die dem Sindringende zugewandte

-A-

Flanke, daß der Schaft eine schraubenförmig verlaufende, aneinandergrenzende Umläufe des Gewindeganges voneinander trennende Oberfläche besitzt, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Körpers ist, und daß sich an der Verbindung zwischen der schraubenförmigen Oberfläche und dem Gewindegang Höhenrippen befinden, die sich weiter als die schraubenförmxge Oberfläche radial nach außen erstrecken.

Es wird somit eine verbesserte Schraube geschaffen, die einen besonders breiten Gewindegang aufweist, der eine große Haltekraft in weichen, faserigen oder geringe Dichtigkeit aufweisenden Materialien bewirkt und aus einem zylindrischen Körper von gleichmäßigem vorbestimmtem Durchmesser unabhängig von der Schraubenlänge gewalzt werden kann. Zusätzlich zu ihrer großen Haltekraft ist die erfindungsgemäße Schraube dabei so ausgelegt, daß der Winkel der Haltekraft, die beim Anziehen der Schraube in dem Werkstück erzeugt wird, in Richtung auf annähernde Parallelität mit der Schraubenachse verxingert wird, wodurch die Neigung zu radialen Brüchen des Werkstückes, in das die Schraube eingedreht wird, reduziert wird.

Die erfindungsgemäße Schraube besitzt also einen schraubenförmigen Gewindegang, der von einem zylindrischen Körper vorbestimmten Durchmessers ausgewalzt wird, wobei ein dabei unberührter Abschnitt des Körpers zwischen aufeinanderfolgenden Windungen des Schraubengangs verbleibt. Der Schraubengang ist dabei so ausgebildet, daß er eine Gewindespitze aufweist, die im Durchmesser größer ist als der Körper und daß er einen Gewindefuß besitzt, der im Durchmesser kleiner ist als der Körper. Die Kontur des Gewindeganges im Axialschnitt der Schraube ist unsymmetrisch hinsichtlich einer rechtwinklig zur Schraubenachse und durch die Gewindespitze verlaufende Linie, wobei die dem Schraubenkopf zugewandte Flanke der Schraube

mehr rechtwinklig zu der Schraubenachse verläuft als die dem Eindringende der Schraube zugewandte Flanke. An jeder Verbindung zwischen dem Gewindefuß des Gewindeganges und dem angrenzenden unberührten Abschnitt des Körpers befindet sich dabei eine nach außen weisende schraubenförmige Höhenrippe oder Spitze, die als zusätzlicher Gewindegang wirkt, um so die Haltekraft der Schraube zu verbessern.

Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispxel der Schraube ist vorgesehen, daß der äußere, die Gewindespitze mitumfassende Teil des Gewindeganges in Richtung auf den Schraubenkopf geneigt ist, wodurch die dem Schraubenkopf zugewandte Planke des Gewindeganges im wesentliehen konkav ausgebildet ist. Hierdurch wird der Haltekraftwinkel weiter verringert und die Haltekraft der Schraube verbessert, während die radial oder nach außen gerichteten Kräfte, die zu einem Spalten des Werkstückes führen könnten, minimalisiert werden.

Zweckmäßxgerweise ist dabei vorgesehen, daß der äußere Teil des Gewindeganges von einer senkrecht zur Schraubenachse verlaufenden Linie aus um einen Winkel von etwa 10 - 25° in Richtung auf den Schraubenkopf geneigt ist.

Ebenso hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß der genannte äußere Teil des Gewindeganges etwa 25 - 30 % des radialen Abstands von Gewindespitze bis Gewindefuß ausmacht.

Eine gute Wirkung hinsichtlich der radialen Kräfte und der llaltekräfte wird auch dadurch erreicht, daß die Kontur der Flanken des Gewindeganges an dessen Füßen zum Teil durch Kreisbögen definiert ist, wobei der den Fuß der dem Schraubenkopf zugewandten Flanke definierende Kreisbogen einen geringeren Radius als der den Fuß der dem Eindringende zugewandten Flanke

0*0035/02t*

definierende Kreisbogen hat.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt:

Pig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Schraube,

Fig. 2 in vergrößertem Maßstab einen Teil der in Fig. 1 gezeigten Schraube, wobei ebenfalls ein Teil einer geeigneten Walzbacke zum Walzen des Schraubenganges der Schraube im Querschnitt gezeigt ist,

Fig. 3 einen vergrößerten Abschnitt einer anderen erfindungsgemäßen Ausbildung, wobei im Schnitt ebenfalls ein Teil einer Walzbacke zum Auswalzen des Schraubenganges gezeigt ist, und

Fig. 4 in vergrößertem Maßstab ein Detail einer

noch weiteren Ausbildung einer erfindungsgemäßen Schraube, wobei ebenfalls im Querschnitt ein Werkzeug zum Neigen der Gewindespitzen der Gewindegänge in Richtung auf den Schraubenkopf gezeigt ist.

Gem. den Zeichnungen umfaßt eine typische Ausbildung des erfindungsgemäßen Befestigungselementes eine Schraube 10 mit einem länglichen Schaft 11, an dessen einem Ende ein konventioneller Kopf mit Einrichtungen, wie dem Schlitz 13, zum Drehen der Schraube in üblicher Weise vorgesehen ist. Das

$30035/0268

r n

entgegengesetzte oder Eindringende 14 der Schraube ist vorzugsweise spita,. um so die Einführung in ein Führungsloch in einem Werkstück zu erleichtern. Der Schaft 11 ist mit einem schraubenförmigen Gewindegang 16 versehen, der entlang der Schraubenlänge mehrere Windungen aufweist.

Die Schraube 10 ist durch eine konventionelle Walzoperation hergestelltj, wobei eine Walzbacke 17, von der ein Teil im Querschnitt gezeigt ist, die Schraube von einem zylindrischen Körper mit vorgegebenem Durchmesser D ausformt. Die Walzbacke ist so konstruiert, daß während der Walzoperation, in der der Gewindegang 16 erzeugt wird, ein Abschnitt 18 des Körpers zwischen angrenzenden Windungen des Gewindeganges 16 von der Walzbacke unberührt bleibt« Es ist somit ersichtliche daß der Abschnitt 18 eine schraubenförmige Oberfläche 19 mit dem Durchmesser D besitzt, der dem Durchmesser des Körpers entspricht, von dem die Schraube geformt wird«

Der von der Walzbacke 17 erzeugte schraubenförmige Gewindegang 16 besitzt eine Gewindespitze 20 mit einem den Durchmesser D überschreitenden Durchmesser und zwei Gewindefüße 22, 23 von kleineren Durchmesser als dem Durchmesser D. Zwischen benachbarten Gewinde-Formabschnitten 24 und 26 weist die Walzbacke 17 eine Nut 27 auf, deren Tiefe größer ist als der radiale Abstand zwischen den Gewindefüßen 22,23 des Gewindeganges 16 und der Oberfläche 19 des Körpers, von dem die Schraube geformt wird. Dementsprechend kommt während der Walzoperation der zuschnitt 18 zwischen aneinandergrenzenden Windungen des Gewindeganges in radialer Richtung nicht in Kontakt mit der Walzbacke. Die Nut 27 in der Walzbacke 17 besitzt geneigte Seitenwände 28, die typischerweise unter einem Winkel von 15° verlaufen und es gestatten, daß das Metall oder das andere Material, aus dem die Schraube gebildet wird,

030638/02S«

jenseits der Oberfläche 19 nach außen fließt und dabei eine schraubenförmige Höhenrippe 21 an der Verbindung zwischen der Oberfläche 19 und den Gewindefüßen 22 und 23 des Schraubenganges 16 erzeugt. Wenn die Schraube 10 in eine Führungsöffnung mit einem Durchmesser D in einem Werkstück eingesetzt wird, kommt die Höhenrippe 21 mit den Wänden der Führungsöffnung in Eingriff, wodurch der Herausziehwiderstand der Schraube vergrößert wird.

Gemäß der erfindungsgemäßen Ausbildung ist die Kontur des Schraubenganges 16 in der Nähe der Gewindefüße kreisförmig und durch Kreisbögen mit Radien R₁ und R„ definiert, die beide den geringeren Durchmesser des Schraubenganges an den Gewindefußen 22 und 23 jeweils berühren, während an den anderen Enden die Kreisbögen die Flanken 31,32 berühren, die die Gewindespitze 20 des Gewindeganges 16 definieren. Der Radius R. ist dabei in geeigneter Weise fünfmal so groß wie der radiale Abstand zwischen den Gewindefüßen 22,23 und der Oberfläche 19, während der Radius R₂ in geeigneter Weise dreimal so groß ist wie dieser Abstand oder 60% des Radius R., beträgt. Die kreisförmigen Abschnitte 33 und 34 der Walzbacke 17, die die Kontur des Gewindefußes des Gewindeganges 16 erzeugen, bewirken, daß das Material während des Walzformens von dem Körper glatt nach oben gewalzt wird, so daß die Gewindespitze 20 des Schraubenganges 16 glatt und ohne Abspaltungen oder andere Unregelmäßigkeiten geformt werden kann.

Die Steigung des Gewindeganges 16 der Schraube 10 kann durch Einstellen der Breite der Oberfläche 19 zwischen benachbarten Windungen des Schraubenganges bestimmt werden. In Fig. 3, die einen Grenzfall darstellt, ist die Oberfläche 19a auf eine rudimentäre Breite derart reduziert worden, daß die Höhen-

9-90035/0-26«

rippen 21a direkt aneinandergrenzen. In einem solchen Fall kann es wünschenswert sein, die Walzbacke 17a mit geeignet geformten Flanken 36 zu versehen, um so die Vollständigkeit jeder Höhenrippe zu erhalten.

Wie beispielsweise in Fig. 3 gezeigt, besitzt der Gewindegang 16a im Längsschnitt durch die Schraubenlängsachse eine unsymmetrische Kontur mit Bezug auf eine rechtwinklig durch die Schraubenachse und durch die Gewindespitze des Gewindeganges gehende Linie. Die Flanke 32a des Gewindeganges 16a, die dem Schraubenkopf 12 zugewandt ist, verläuft mehr in Richtung eines rechten Winkels zu der Schraubenlängsachse als die dem Eindringende der Schraube zugewandte Flanke 31a. Mit anderen Worten ist der in Fig. 3 gezeigte Winkel b größer als der Winkel a. Bei einer typischen Ausgestaltung ist der Winkel a vorzugsweise etwa 15°, während der Winkel b etwa beträgt, wobei der eingeschlossene Spitzenwinkel des Gewindeganges 16a ungefähr 45° ist. Die mehr rechtwinklig verlaufende Flanke 32a des Gewindeganges 16a erzeugt einen Winkel der Haltekraft, die beim Eindrehen der Schraube in ein Werkstück erzeugt wird, der mehr in der Nähe einer Parallele zur Schraubenlängsachse liegt, wodurch die Radialkräfte, die durch die Schraube auf das Werkstück ausgeübt werden, reduziert werden. Beispielsweise ist in einem bevorzugtem Ausführungsbeispiel, in dem der Winkel a 15° beträgt, der Arbeits- oder Haltewinkel ebenfalls 15°. Zum Vergleich dazu ist bei einer Schraube mit symmetrischer Gewindespitze, die einen Winkel von 45° einschließt, der Winkel der Arbeitskraft 22,5° und umfaßt eine radiale Kraftkomponente, die doppelt so groß ist wie die, die durch das bevorzugte Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Schrauben ausgeübt wird.

In Fig. 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung

- 10 -

03003SIQ268

angegeben, bei dem die Körperoberfläche 19b zwischen benachbarten Höhenrippen 21b eine Breite besitzt, die zwischen der gem. den Fig. 2 und 3 liegt. Das Ausführungsbeispiel gem. Fig. 4 ist weiterhin modifiziert durch eine zweite Walzoperation, bei der eine Walzbacke 3 7 verwendet wird, durch die die vorgeformte Gewindespitze des Gewindeganges 16b in Richtung auf den Schraubenkopf geneigt wird. Die Walzbacke 3 ist dabei so ausgebildet, daß der geneigte Teil des Gewindeganges ungefähr 25 - 30% des gesamten Abstandes zwischen Gewindefuß und -spitze beträgt. Es ist ersichtlich, daß durch Neigen der Gewindespitze des Gewindeganges dessen dem Schraubenkopf zugewandte Flanke 38 eine konkave Ausbildung annimmt, wodurch der Winkel der durch die Schraube beim Eindrehen ausgeübten Kraft weiterhin abnimmt. Dementsprechend wird beim Eindrehen der Schraube das an die konkave Fläche des Schraubenganges angrenzende Material axial zusammengedrückt, wodurch eine größere Haltbarkeit erreicht wird, während die radialen Kräfte, die zum Brechen des Werkstückes, in das die Schraube eingesetzt wird, führen, herabgesetzt werden.

Jedes Ausmaß einer Neigung des Gewindespitzenteils des Schraubenganges 16b in Richtung auf den Schraubenkopf verbessert die Haltekraft der Schraube, ohne die durch sie ausgeübte Radialkraft zu vergrößern. Es wird jedoch bevorzugt, daß die Gewindespitze des Schraubenganges 16b um einen Winkel von etwa 10 - 25° zu der Senkrechten auf die Schraubenachse geneigt verläuft.

Es versteht sich, daß die Erfindung nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern daß für den Fachmann noch eine Vielzahl von Variationen und Modifikationen möglich ist, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

- 11 -

$30035/0268

Claims

Patentansprüche

Aus einem länglichen, zylindrischen Körper vorbestimmten Durchmessers gewalzte Schraube mit einem ein Kopfende und ein Eindringende aufweisenden Schaft und einem schraubenförmigen Gewindegang auf dem Schaft, dadurch gekennzeichnet , daß der Spitzendurchraesser des Gewindeganges (16,16a,16b) größer als der Durchmesser des Körpers und der Durchmesser des Gewindefußes (22,23) des Gewindeganges kleiner als der Durchmesser des Körpers ist,

daß der Gewindegang (16,16a,16b) im Längsachsenschnitt der Schraube eine unsymmetrische Kontur besitzt, wobei die dem Schraubenkopf (12) zugewandte Flanke (32,32a,38) des Gewindeganges steiler und mehr senkrecht in bezug auf die Schraubenachse verläuft als die dem Eindringende (14) zugewandte Flanke (31,31a), daß der Schaft (11) eine schraubenförmig verlaufende, aneinandergrenzende Umläufe des Gewindeganges (16,16a,16b) voneinander trennende Oberfläche (19) besitzt, deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser des Körpers ist,

und daß sich an der Verbindung zwischen der schraubenförmigen Oberfläche (19) und dem Gewindegang (16,16a_f16b) Höhenrippen (21_?21a,21b) befinden, die sich weiter als die schraubenförmige Oberfläche (19) radial nach außen erstrecken«
2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere, die Gewindespitze (20) mitumfassende Teil des

— ΙΟΙ £t

030Ö3&/02&S

Gewindeganges (16b) in Richtung auf den Schraubenkopf (12) geneigt ist, wodurch die dem Schraubenkopf zugewandte Planke (38) des Gewindeganges im wesentlichen konkav ausgebildet ist.
3. Schraube nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß

der äußere Teil des Gewindeganges (16b) von einer senkrecht zur Schraubenachse verlaufenden Linie aus um einen Winkel von etwa 10 - 25° in Richtung auf den Schraubenkopf (12) geneigt ist.
4. Schraube nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Teil des Gewindeganges (16b) etwa 25 - 30% des radialen Abstandes von Gewindespitze (20) bis Gewindefuß (22,23) ausmacht.
5. Schraube nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontur der Flanken (31,32) des Gewindeganges (16,16a,16b) an dessen Füßen (22,23) zum Teil durch Kreisbögen definiert ist, wobei der den Fuß (23) der dem Schraubenkopf (12) zugewandten Flanke (32) definierende Kreisbogen einen geringeren Radius (R ) als der den Fuß (22) der dem Eindringende (14) zugewandten Flanke (31) definierende Kreisbogen (Radius R.,) hat.