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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Drehstruktur für ein Verbindungselement
mit Gewinde gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Herkömmlicherweise
wird ein Verbindungselement mit Gewinde mit einem hexagonalen Kopf
im Wesentlichen weitgehend verwendet. Bei einem Schraubvorgang eines
solchen Verbindungselements mit Gewinde mit dem hexagonalen Kopf
ist indes ein Treibwinkel α (siehe 8)
60°, und
zwar wird eine Kraftkomponente erzeugt, welche Komponente nicht
auf ein Drehen des Verbindungselements mit Gewinde gerichtet ist. Deshalb
ist es schwierig, den hexagonalen Kopf kompakt bzw. raumsparend
oder in seinem Durchmesser und einer axialen Höhe reduziert herzustellen.
Wie in 10 gezeigt ist, korrespondiert
der Treibwinkel α,
der in einem Fall des hexagonalen Kopfs 100 60° ist, zu
einem Winkel zwischen der Richtung einer flächenorthogonalen Kraft N und
der Richtung einer effektiven Schraubkraft F, wobei die flächenorthogonale
Kraft N zu einer Kraft korrespondiert, die an einem Kraftangriffspunkt
Q (der zu einem Eckpunkt des Hexagons korrespondiert) angreift,
während
die effektive Schraubkraft F zu einer Kraft korrespondiert, die
zum Schrauben des Verbindungselements mit Gewinde wirksam ist. Ein
Schraub- bzw. Drehmoment T wird durch einen Ausdruck (1) ausgedrückt, in
dem "F" und "r" jeweils die effektive Schraubkraft
und einen Radius des hexagonalen Kopfs darstellen. In diesem Beispiel,
wie es aus einem Ausdruck (2) ersichtlich ist, ist die flächenorthogonale
Kraft N, die auf den Kraftangriffspunkt Q aufgebracht wird, doppelt
so groß wie
die effektive Schraubkraft F. Währenddessen
ist eine sich entwickelnde Reaktionskraft E, deren Richtung mit
einer radialen Richtung des hexagonalen Kopfs übereinstimmt, ungefähr 1,7 mal
größer als
die effektive Schraubkraft F. Falls der Radius r des hexagonalen
Kopfs ohne eine Reduzierung des Drehmoments T reduziert werden soll,
muss die effektive Schraubkraft F reziprok mit der Reduktion des
Radius r erhöht
werden. Zum Erhöhen
der effektiven Schraubkraft F müssen
die flächenorthogonale
Kraft N und die sich entwickelnde Reaktionskraft E erhöht werden.
Das heißt, es
wird notwendig werden, eine Betätigungskraft
für ein
Drehen des Schraubwerkzeuges zu erhöhen, um dadurch eine Gefahr
eines Erodierens bzw. Anfressens des Kraftangriffspunkts Q, das
heißt,
einen Eckabschnitt des hexagonalen Kopfs 100, zu verursachen. T = 6 × F × r (1) N = F/cos60° =
2F (2) E = F × tan60° ≈ 1,7F (3)
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Tabelle
3 zeigt Beispiele der Abmessungen s, e, k, die in 9 und 10 gezeigt
sind, und auch "e/d" und "k/d", die aus Werten
der Abmessungen s, e, k erhalten werden.
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Mit
Hinblick auf "Sechskantschraube" der JIS B1180 und "Sechskantschraube
mit Flanschring" der
JIS B1189, sind ihre Abmessungen s, e, k, wie in 9 und 10 gekennzeichnet,
in Beziehung mit einem nominalen Gewindedurchmesser, wie in Tabelle
3 gezeigt ist, speziell definiert. Die Abmessung s repräsentiert einen
Durchmesser eines Kreises, der in die Kontur des hexagonalen Kopfs
eingetragen ist. Die Abmessung e repräsentiert einen Durchmesser
eines Kreises, der um die hexagonale Kontur herumfährt. Die
Abmessung k repräsentiert
eine Höhe
des hexagonalen Kopfs. Ein Verhältnis
des Umfahrungskreisdurchmessers e in Beziehung zu dem nominalen
Gewindedurchmesser d wird durch "e/d" repräsentiert.
Ein Verhältnis
der Höhe
k des hexagonalen Kopfs in Beziehung zu dem nominalen Gewindedurchmesser
d wird durch "k/d" repräsentiert.
Wie aus Tabelle 3 ersichtlich ist, ist der Umfahrungskreisdurchmesser
e nicht kleiner als 1,55d, und die Höhe k des hexagonalen Kopfs
ist nicht kleiner als 0,6d.
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US-4 361 412 offenbart eine
Drehstruktur für
ein Verbindungselement mit Gewinde, das ein Passloch, das in einem
Schraubwerkzeug zum Drehen des Verbindungselements mit Gewinde vorgesehen
ist; und einen Passungsvorsprung aufweist, der in dem Verbindungselement
mit Gewinde vorgesehen ist, und der mit dem Passungsloch in Passeingriff
gebracht werden soll; wobei jedes von dem Passungsloch und -vorsprung
eine Kontur mit einer Vielzahl von Drehmomentübertragungsabschnitten hat,
die in gleichen Winkeln entfernt voneinander um eine Mittellinie
von jedem von dem Passungsloch und -vorsprung beabstandet sind und
die in einer radialen Richtung von jedem von dem Passungsloch und
-vorsprung nach außen
vorragen, so dass ein Drehmoment durch die Drehmomentübertragungsabschnitte
auf das Verbindungselement mit Gewinde übertragen wird, infolge einer
Drehung des Schraubwerkzeugs um die Mittellinie, wenn das Passungsloch
und -vorsprung in Passeingriff miteinander gehalten sind, wobei
jeder der Drehmomentübertragungsabschnitte
einen Eingriffsabschnitt hat, durch welchen das Schraubmoment auf
das Verbindungselement mit Gewinde übertragen wird, wobei eine
Tangente, die tangential zu dem Eingriffsabschnitt ist, im Wesentlichen
mit einer geraden Linie zusammenfällt, die in einem Querschnitt
senkrecht zu der Mittellinie durch die Mittellinie durchführt und wobei
das Verbindungselement mit Gewinde ein Außengewinde hat.
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Die
vorliegende Erfindung wurde vor dem vorangehend beschriebenen Hintergrund
mit einem Ziel eines Vorsehens einer Drehstruktur für ein Verbindungselement
mit Gewinde gemacht, die es möglich
macht, die Größe und Gewicht
eines Verbindungselements mit Gewinde zu reduzieren, ohne einem
Reduzieren des Schraubmoments, das auf das Verbindungselement mit
Gewinde aufgebracht wird.
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Diese
Aufgabe wird durch die Drehstruktur für ein Verbindungselement mit
Gewinde mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Die Erfindung wird, wie
es in den abhängigen
Ansprüchen
definiert ist, weiter entwickelt.
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In
der Drehstruktur für
ein Verbindungselement mit Gewinde hat jeder der Drehmomentübertragungsabschnitte
den Eingriffsabschnitt, durch welchen das Schraubmoment auf das
Verbindungselement mit Gewinde übertragen
wird, wobei die Tangente, die tangential zu dem Eingriffsabschnitt
ist, im Wesentlichen mit der geraden Linie zusammenfällt, die
in dem Querschnitt senkrecht zu der Mittellinie durch die Mittellinie
durchführt.
Bei dieser Anordnung ist der vorangehend beschriebene Treibwinkel α im Wesentlichen
0°, und
zwar fallen die Richtungen der flächenorthogonalen Kraft N und
der effektiven Schraubkraft F im Wesentlichen miteinander zusammen,
während
die sich entwickelnde Reaktionskraft E im Wesentlichen 0° ist. Deshalb
ist eine benötigte
Größe der flächenorthogonalen
Kraft N kleiner als jene, in dem Fall des hexagonalen Kopfs, der
in 8 gezeigt ist, um es dadurch möglich zu machen, die Betätigungskraft,
die zum Drehen des Schraubwerkzeugs erforderlich ist, und die entsprechende
Last, die auf jeden der Drehmomentübertragsabschnitte wirkt, zu
reduzieren. Das heißt,
es ist möglich,
den Durchmesser des Passungslochs oder -vorsprungs ohne ein Reduzieren
des Schraubmoments zu reduzieren, während eine Deformation des
Eingriffsabschnitts verhindert wird. Daher kann das Verbindungselement
mit Gewinde oder das Schraubwerkzeug mit einer Verminderung in seiner
Größe und Gewicht
hergestellt werden.
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Vorzugsweise
ist die flache Fläche
mit einer vorbestimmten Abmessung, in der Richtung der Tangente gemessen,
vorgesehen, und zwar ist der Eingriffsabschnitt vorgesehen, der
flach ist und sich in einer geraden Linie erstreckt, die im Wesentlichen
durch die Mittellinie führt.
Deshalb wird die effektive Kraft F über die flache Fläche verteilt,
was zu einer Reduzierung einer Flächenlast führt. Daher kann das Verbindungselement
mit Gewinde oder das Schraubwerkzeug mit einer weiteren Reduktion
in seiner Größe und Gewicht
hergestellt werden.
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Der
Passungsvorsprung, der in dem Verbindungselement mit Gewinde vorgesehen
ist, das das Außengewinde
hat, hat den maximalen Durchmesser Dmax, den minimalen Durchmesser
Dmin und die Höhe
k, die die Ausdrücke
(4), (5), (6) erfüllen.
Deshalb ist die Größe des Passungsvorsprungs
in Bezug auf den Hauptdurchmesser d des Außengewindes im Vergleich mit
einem konventionellen hexagonalen Kopf reduziert, während eine
Deformation oder Bruch von jedem Drehmomentübertragungsabschnitt vermieden
wird. Daher ist das Verbindungselement mit Gewinde mit einer Verminderung
in seiner Größe und Gewicht
vorgesehen.
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Obwohl
jedes von dem Passungsloch und -vorsprung ausgebildet sein kann,
um im Wesentlichen parallel zu der axialen Richtung zu sein, kann
jedes von dem Passungsloch und -vorsprung angepasst sein, um einen
geneigten Abschnitt oder einen abgeschrägten Abschnitt zu haben, die
im Interesse einer Vereinfachung seiner Herstellung bei einem Formungsprozess
und einer Vereinfachung seines Passeingriffs bei dem Schraubvorgang
mit Hinblick auf die Mittellinie eingeplant sind.
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Im
Allgemeinen ist die Anzahl der nach außen ragenden Drehmomentübertragungsabschnitte
in jedem von dem Passungsloch und -vorsprung zweckmäßigerweise
fünf oder
sechs. Jedoch kann die Anzahl kleiner als fünf oder größer als sechs sein.
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Der
Eingriffsabschnitt, dessen Tangente im Wesentlichen mit der geraden
Linie zusammenfällt,
die in dem Querschnitt senkrecht zu der Mittellinie durch die Mittellinie
durchführt,
ist vorzugsweise durch die flache Fläche vorgesehen, die, in der
Richtung der Tangente gemessen, eine vorbestimmte Abmessung hat,
wie in der zweiten Erfindung. Es wird bevorzugt, dass der Eingriffsabschnitt
von jedem der Drehmomentübertragungsabschnitte
durch ein Paar von Seitenwandflächen
vorgesehen ist, von denen jede eine Querschnittsform hat, die durch
eine gerade Linie repräsentiert
wird, die sich in Richtung der Mittellinie weg von dem radial äußeren Abschnitt
erstreckt. Jedoch muss nicht jede der Seitenwandflächen flach
sein, sondern kann gekrümmt sein,
um eine gebogene Form im Querschnitt zu haben, in der Art, dass
eine Linie, die tangential zu einem Abschnitt der Seitenwandfläche ist,
im Wesentlichen mit der geraden Linie zusammenfällt, die durch die Mittellinie
durchführt.
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Der
maximale Durchmesser Dmax ist angepasst, um nicht größer als
1,5d zu sein, und die Höhe
k ist angepasst, um kleiner als 0,45d zu sein, zum Zwecke eines
Kleinermachens dieser Dimensionen als jene einer konventionellen
Sechskantschraube. Die Höhe
k ist angepasst, um nicht kleiner als 0,3d zu sein, zum Zwecke eines
Größermachens
der Bruchfestigkeit des Kopfabschnitts, das heißt des Passungsvorsprungs,
als die Bruchfestigkeit des Außengewindeabschnitts,
wenn das Verbindungselement mit Gewinde geschraubt wird.
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Des
Weiteren ist der Passungsvorsprung vorzugsweise in dem Verbindungselement
mit Gewinde vorgesehen, wobei es wünschenswert ist, dass ein zentraler
Winkel θ1
von jedem der Drehmomentübertragungsabschnitte
und ein zentraler Winkel θ2
eines Abschnitts der Kontur zwischen jedem benachbarten Paar der Drehmomentübertragungsabschnitte
den Ausdruck (7), der nachstehend beschrieben ist, erfüllt. Als
ein Material des Schraubwerkzeuges ist zum Beispiel in "Steckschlüssel-Buchse" der JIS B4636 vorgeschrieben,
dass das Werkzeug aus SCM435 der JIS G4105 oder seines Äquivalents
geformt sein soll. Der SCM435 gehört zu einem Festigkeitsgrad 10.9,
und hat eine Zugfestigkeit von ungefähr 1040 N/mm2.
Indessen ist es alltäglich, dass
das Verbindungselement mit Gewinde aus einem Material gebildet ist,
das zu einem Festigkeitsgrad 8.8 gehört und eine Zugfestigkeit von
800 N/mm2 hat. Wo das Verbindungselement
mit Gewinde derart aufgebaut ist, dass der Ausdruck (7) erfüllt ist,
werden die Drehmomentübertragungsabschnitte
des Verbindungselements mit Gewinde an einem Gebrochenwerden gehindert.
Es sei vermerkt, dass der vorangehend beschriebene Ausdruck "Festigkeitsgrad", der in der folgenden
Beschreibung verwendet ist, in "Mechanischen
Eigenschaften von Stahlbolzen und Schrauben" der JIS B1051 definiert ist. 1,3 ≤ θ1/θ2 ≤ 1,4 (7)
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1 ist
ein Satz von Ansichten, die ein Verbindungselement mit Gewinde zeigen,
das eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei (a) eine ebene Ansicht ist,
betrachtet von einem Kopfabschnitt des Verbindungselements mit Gewinde,
während
(b) eine Querschnittsansicht ist, die entlang einer Linie B-B von
(a) genommen ist.
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2 ist
ein Satz von Ansichten, die ein Schraubwerkzeug zeigen, das zum
Schrauben des Verbindungselements mit Gewinde der 1 verwendet
wird, wobei (a) eine ebene Unteransicht ist, wenn von einem Buchsenabschnitt
des Schraubwerkzeugs gesehen, während
(b) eine Vorderansicht ist, wenn in einer Richtung senkrecht zu
der Mittellinie S betrachtet.
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3 ist
ein Satz von Ansichten, die eine andere Ausführungsform der Erfindung erklären und
zu 1 korrespondieren.
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4 ist
ein Satz von Ansichten, die eine noch andere Ausführungsform
der Erfindung erklären
und zu 1 korrespondieren.
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5 ist
ein Satz von Ansichten, die eine andere Ausführungsform der Erfindung erklären und
zu 1 korrespondieren.
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6 ist
ein Satz von Ansichten, die eine noch andere Ausführungsform
der Erfindung erklären
und zu 1 korrespondieren.
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7 ist
ein Satz von Ansichten, die eine noch andere Ausführungsform
der Erfindung erklären,
wobei (a) eine ebene Ansicht ist, wenn von ihrem Kopfabschnitt aus betrachtet,
während
(b) eine Vorderansicht ist, wenn in einer Richtung senkrecht zu
ihrer Mittellinie aus betrachtet.
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8 ist
eine Ansicht, die einen hexagonalen Kopf einer konventionellen Sechskantschraube
zeigt.
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9 ist
ein Satz von Ansichten, die Abmessungen s, e, k, d in "Sechskantschraube" der JIS B1180 zeigen.
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10 ist
ein Satz von Ansichten, die Abmessungen s, e, k, d in "Sechskantschraube
mit Flanschring" der
JIS B1189 zeigen.
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Es
werden im Detail Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung mit Bezug auf die Zeichnungen geschrieben.
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1 ist
ein Satz von Ansichten, die ein Verbindungselement mit Gewinde zeigen,
das eine Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung ist, wobei (a) eine ebene Ansicht ist,
wenn von einem Kopfabschnitt 12 des Verbindungselements
mit Gewinde 10 aus betrachtet, während (b) eine Querschnittsansicht
ist, die entlang einer Linie B-B in (a) genommen ist. Das Verbindungselement
mit Gewinde 10 hat ein Außengewinde 14, das
einstückig
ausgebildet ist, so dass das Außengewinde 14 benachbart
zu dem Kopfabschnitt 12 ist und konzentrisch mit einer
Mittellinie O ist. 2 zeigt ein Schraubwerkzeug 30 mit
einem Buchsenabschnitt 32, der in Passeingriff mit dem
Kopfabschnitt 12 gebracht werden soll. Das Verbindungselement
mit Gewinde 10 wird durch das Schraubwerkzeug 30 um
die Mittellinie O gedreht, um angezogen oder gelockert zu werden.
Der Kopfabschnitt 12 korrespondiert zu einem Passungsvorsprung,
und hat eine Kontur mit sechs Drehmomentübertragungsabschnitten 16,
die radial nach außen
vorstehen, und die mit gleichen Winkeln bei einem Winkelintervall
von 60° um
die Mittellinie O entfernt voneinander beabstandet sind. Wie in
der ebenen Ansicht von 1(a) gezeigt
ist, hat jeder der Drehmomentübertragungsabschnitte 16 eine
Außenwandfläche, die
in ihrem Querschnitt eine gebogene Form hat, deren Mittelpunkt mit
der Mittellinie O zusammenfällt.
Jeder der Drehmomentübertragungsabschnitte 16 hat
des Weiteren ein Paar von Seitenwandflächen 18, die zu einem
Eingriffsabschnitt korrespondieren. Jede der Seitenwandflächen 18 wird
in ihrem Querschnitt durch eine gerade Linie dargestellt, die sich
von der Außenwandfläche in Richtung
der Mittellinie O erstreckt. Ein Schnittwinkel, der durch diese
gerade Linie und eine gerade Linie, die durch die Mittellinie O
durchführt,
definiert ist, ist im Wesentlichen 0°. In der vorliegenden Ausführungsform
ist dieser Schnittwinkel nicht größer als ± 1°. Die Außenwandfläche von jedem Übertragungsabschnitt 16 ist
durch eine teilzylindrische Fläche
vorgesehen, welche parallel zu der Mittellinie O ist. Die Seitenwandflächen 18 von
jedem Übertragungsabschnitt 16 sind
durch flache Flächen
vorgesehen, welche parallel zu der Mittellinie O sind. Die Seitenwandflächen 18 von
jedem benachbarten Paar der Drehmomentübertragungsabschnitte 16 sind über ein
Paar von geneigten flachen Flächen 20 miteinander
verbunden, die symmetrisch zueinander nach innen geneigt sind, so
dass ein Abschnitt der Kontur zwischen jedem benachbarten Paar der
Drehmomentübertragungsabschnitte 16 eine
Nut 22 definiert, die eine fünfeckige Form in ihrem Querschnitt
hat. Es sei vermerkt, dass die Form, die durch die ebene Ansicht
von 1(a) repräsentiert wird, zu der Querschnittsform
in einer Ebene senkrecht zu der Mittellinie O korrespondiert.
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Der
Kopfabschnitt 12 hat einen maximalen Durchmesser Dmax,
einen minimalen Durchmesser Dmin und eine Höhe k, so dass der maximale
Durchmesser Dmax, der minimale Durchmesser Dmin und die Höhe k die
vorangehend beschriebenen Ausdrücke
(4), (5), (6) erfüllen,
welche ihre Beziehungen zu einem Hauptdurchmesser d des Außengewindes 14 darstellen.
Jeder der Drehmomentübertragungsabschnitte 16 liegt
einem zentralen Winkel θ1
gegenüber,
während
der Abschnitt der Kontur zwischen jedem benachbarten Paar der Drehmomentübertragsabschnitte 16 einem
zentralen Winkel θ2
gegenüber
liegt. Die zentralen Winkel θ1, θ2, wenn
um die Mittellinie O gemessen, erfüllen den vorangehend beschriebenen
Ausdruck (7). In 1, Dmax = 1,5d, Dmin 1,1d, k
= 0,35d, θ1/θ2 ≈ 1,4. Es sei
vermerkt, dass zweifach gepunktete Strichpunktlinien in 1 eine
Kontur des hexagonalen Kopfs 100 der Sechskantschraube
darstellen, die durch JIS B1180 definiert ist, für einen Vergleich mit der Kontur
des Kopfabschnitts 12 des Verbindungselements mit Gewinde 10.
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Andererseits
ist der Buchsenabschnitt 32 des Schraubwerkzeugs 30 durch
ein zylindrisches Element mit einem Passungsloch 34 vorgesehen,
dessen Boden durch eine Bodenwand des zylindrischen Elements definiert
ist. 2(a) ist eine ebene Bodenansicht,
wenn von dem Buchsenabschnitt 32 aus gesehen, während 2(b) eine Vorderansicht ist, wenn in der
Richtung senkrecht zu der Mittellinie S aus gesehen. Das Passungsloch 34 hat
eine Kontur mit sechs Drehmomentübertragungsabschnitten 36,
die radial nach außen
ragen, und die mit gleichen Winkeln bei einem Winkelintervall von
60° um die
Mittellinie S entfernt voneinander beabstandet sind. In der ebenen
Bodenansicht von 2(a) hat jeder der
Drehmomentübertragungsabschnitte 36 eine
Lüfterform,
und hat den Eingriffsabschnitt in der Form eines Paares von Seitenwandflächen 38,
wobei jede von diesen in ihrem Querschnitt durch eine gerade Linie
dargestellt ist, die sich in einer Richtung weg von dem radial äußeren Abschnitt in
Richtung der Mittellinie S erstreckt. Das Passungsloch 34 hat
Abmessungen, von denen jede angepasst ist, geringfügig größer als
eine entsprechende der Abmessungen des Kopfabschnitts 12 zu
sein, so dass das Passungsloch 34 auf den Kopfabschnitt 12 aufgesteckt
werden kann. In einem Schraubvorgang, in welchem das Verbindungselement
mit Gewinde 10 durch das Schraubwerkzeug 30 geschraubt
wird, wird der Buchsenabschnitt 32 konzentrisch auf den
Kopfabschnitt 12 derart aufgesteckt, dass die Drehmomentübertragungsabschnitte 16 des
Kopfabschnitts 12 in den jeweiligen Drehmomentübertragungsabschnitten 36 des
Passungslochs 34 empfangen werden. Der Buchsenabschnitt 32 des
Schraubwerkzeuges 30 wird dann um die Mittellinie S gedreht,
so dass das Drehmoment durch die Seitenwandflächen 38, 18 auf
das Verbindungselement mit Gewinde 10 übertragen wird.
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In
einer Drehstruktur für
ein Verbindungselement mit Gewinde, das durch das Verbindungselement
mit Gewinde 10 und das Schraubwerkzeug 30 gebildet
ist, die wie vorangehend beschrieben aufgebaut sind, hat jeder der
sechs Drehmomentübertragungsabschnitte 16, 36 die
Seitenwandflächen 18, 38,
durch die das Schraub- bzw. Drehmoment auf das Verbindungselement
mit Gewinde 10 übertragen
wird. Da jede der Seitenwandflächen 18, 38 auf
einer geraden Linie liegt, die durch die Mittellinie O, S in dem
Querschnitt senkrecht zu den Mittellinien O, S durchführt, fällt die
Richtung einer flächenorthogonalen
Kraft N, die durch das Schraubwerkzeug 30 auf einen Kraftangriffspunkt
Q aufgebracht wird, mit einer Umfangsrichtung um die Mittellinie
O zusammen, nämlich
die Richtung einer effektiven Schraubkraft F, die zum Schrauben
des Verbindungselements 10 wirksam ist, während eine
sich entwickelnde Komponentenkraft E im Wesentlichen null wird.
Deshalb wird eine erforderliche Größe der flächenorthogonalen Kraft N kleiner
als jene, in dem Fall des konventionellen hexagonalen Kopfes 100,
um es dadurch möglich
zu machen, die Betätigungskraft
zu reduzieren, die zum Drehen des Schraubwerkzeugs 30 erforderlich
ist, und entsprechend die Last zu reduzieren, die auf jeden der Drehmomentübertragungsabschnitte 16, 36 wirkt.
Das heißt,
es ist möglich,
den Durchmesser des Kopfabschnittes 12 des Verbindungselements 10 zu
reduzieren, und entsprechend die Größe und Gewicht des Kopfabschnitts 12 des
Verbindungselements 10 zu reduzieren, während eine vorbestimmte Größe des effektiven Schraubmoments
sichergestellt ist und eine Deformation der Seitenwandflächen 18, 38 verhindert
wird.
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Speziell
in der vorliegenden Ausführungsform,
in der jede der flachen Seitenwandflächen 18, 38 vorgesehen
sind, um auf der geraden Linie zu liegen, die durch die Mittellinien
O, S durchführt,
wird die effektive Schraubkraft F über die flachen Seitenwandflächen verteilt,
was zu einer Reduktion in einer Belastung führt, die auf einen Einheitsbereich
der Fläche
wirkt. Daher kann der Kopfabschnitt 12 des Verbindungselements
mit Gewinde 10 mit einer weiteren Reduktion in seiner Größe und Gewicht
hergestellt werden.
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Das
heißt,
in der vorliegenden Ausführungsform,
in welcher der Kopfabschnitt 12 des Verbindungselements
mit Gewinde 10 den maximalen Durchmesser Dmax von 1,5d
und die Höhe
k von 0,35d hat, ist die Größe des Kopfabschnitts 12 beträchtlich
kleiner als der konventionelle hexagonale Kopf 100, wie
aus 1 offensichtlich ist, wodurch das Verbindungselement 10 mit
einer Reduktion in seiner Größe und Gewicht
hergestellt werden kann.
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Bei
der Untersuchung der Höhe
k des Kopfabschnitts 12, werden die maximale Zugfestigkeit
Fmax des Außengewindes 14 und
die maximale Zugfestigkeit Fmax des Kopfabschnitts 12 jeweils
durch die folgenden Ausdrücke
(8), (9) ausgedrückt,
in welchem eine Zugfestigkeit Rm des Materials des Verbindungselements
mit Gewinde, ein effektiver Querschnittsbereich A(s) des Außengewindes 14,
eine Scherfestigkeit τB des Materials des Verbindungselements mit
Gewinde und eine Scherfläche
bzw. Schubfläche
Ask (= k × p × d) des
Kopfabschnitts 12 verwendet werden. Da es die maximale
Zugfestigkeit Fmax des Kopfabschnitts 12 erfordert, größer zu sein
als die maximale Zugfestigkeit Fmax des Außengewindes 14, und
zwar, da Fmax (Kopfabschnitt) > Fmax
(Gewinde), wird der folgende Ausdruck (10) erhalten. Die minimale
Höhe kmin
wird durch den folgenden Ausdruck (11) ausgedrückt. Fmax (Gewinde) = Rm × A(s) (8) Fmax (Kopfabschnitt) = τB × Ask (9) τB × k × Π × d > Rm × A(s) (10) kmin = (Rm × A(s))/(τB × Π × d)
=
A(s)/[(TB/Rm) × Π × d] (11)
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Tabelle
1 zeigt ein Beispiel des Verhältnisses
(τB/Rm) einer Scherfestigkeit τB zu
einer Zugfestigkeit Rm, in jedem Festigkeitsgrad eines Materials
für das
Verbindungselement mit Gewinde.
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Tabelle
2 zeigt eine minimale Höhe
kmin, in jedem Festigkeitsgrad des Materials, der durch Verwenden des
Verhältnisses
(τB/Rm) der Tabelle 1 erhalten wurde, und ebenfalls
ein Verhältnis
(kmin/d) beispielsweise in dem Festigkeitsgrad 12.9.
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Andererseits
ist das Verhältnis
(τB/Rm) der Scherfestigkeit τB zu
der Zugfestigkeit Rm des Materials des Verbindungselements in jedem
Festigkeitsgrad bestimmt, wie in der Tabelle 1 gezeigt ist, gemäß "Systematische Berechnung
von Hochleistungsschraubverbindungen", die in VDI 2230 des Vereins Deutscher
Ingenieure definiert ist. Die Tabelle 2 zeigt die minimale Höhe kmin,
die aus dem vorangehend beschriebenen Ausdruck (11) erhalten wird,
für jeden
Festigkeitsgrad in den Verbindungselementen mit Gewinde 10 mit
unterschiedlichen Durchmessern d. Die ganz rechte Spalte der Tabelle
2 zeigt das Verhältnis
(kmin/d) in dem Festigkeitsgrad 12.9. Deshalb sieht die
Höhe k
von 0,35d, wie in der vorliegenden Ausführungsform, einen ausreichenden Grad
der Scherfestigkeit vor, sogar in einem Fall des Festigkeitsgrades 12.9.
Im Fall des Festigkeitsgrades 8.8 oder 10.9, nämlich in
einer abgeschwächten
Bedingung, wird ein ausreichender Grad der Scherfestigkeit erreicht,
sogar wenn die Höhe
k ca. 0,3d ist.
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In
der vorliegenden Ausführungsform,
in welcher der Winkel θ1
von jedem Drehmomentübertragungsabschnitt 16 und
der Winkel θ2
von jeder Nut 22 die Beziehung erfüllt, die durch den vorangehend
beschriebenen Ausdruck (7) ausgedrückt ist, wird jeder Drehmomentübertragungsabschnitt 16 des
Verbindungselements mit Gewinde 10 vorteilhaft an einem
Zerbrechen gehindert. Wo das Material des Verbindungselements mit
Gewinde 10 zu dem Festigkeitsgrad 8.8 gehört, während das
Material des Schraubwerkzeugs 30, wie in "Steckschlüssel-Buchse" der JIS B4636 definiert
ist, SCM435 der JIS G4105 ist, der zu dem Festigkeitsgrad 10.9 gehört, und
zwar, wo die Zugfestigkeit des Materials des Verbindungselements
mit Gewinde 10 ungefähr 800
N/mm2 ist, während die Zugfestigkeit des
Materials des Schraubwerkzeugs 30 ungefähr 1040 N/mm2 ist, ist
die Bruchfestigkeit des Verbindungselements mit Gewinde 10 größer als
jene des Schraubwerkzeugs 30, falls der Ausdruck (7) erfüllt ist.
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Als
nächstes
werden andere Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung erläutert
werden. Es sei vermerkt, dass dieselben Bezugszeichen, wie in der
vorangehend beschriebenen Ausführungsform
verwendet, verwendet werden, um die im Wesentlichen gleichartigen
Abschnitte zu identifizieren, die nicht im Detail erläutert werden.
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3 zeigt
ein Verbindungselement mit Gewinde 40, in welchem fünf Drehmomentübertragungsabschnitte 16 mit
gleichen Winkeln entfernt voneinander um die Mittellinie O beabstandet
sind, wobei die Abmessungen Dmax, Dmin, k, θ1, θ2 gesetzt sind, um die vorangehend
beschriebenen Ausdrücke
(4), (5), (6) und (7) erfüllen.
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4 zeigt
ein Verbindungselement mit Gewinde 42, in welchem eine
Vertiefung 44 in dem Kopfabschnitt 12 des Verbindungselements
mit Gewinde 10 ausgebildet ist. Die Vertiefung 44 hat
sechs Nuten, die zu den Drehmomentübertragungsabschnitten 16 korrespondieren.
Dieses Verbindungselement mit Gewinde 42 kann durch Verwenden
zweier Arten von Schraubwerkzeugen geschraubt werden. Es sei vermerkt,
dass die Vertiefung 44 nicht erforderlich für die vorliegende
Erfindung ist und muss keinen Eingriffsabschnitt haben, der im Wesentlichen
mit einer geraden Linie zusammenfällt, die durch die Mittellinie
O durchläuft.
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5 und 6 zeigen
Verbindungselemente mit Gewinde 46, 48, wobei
in jedem von diesen die fünfeckigen
Nuten 22 durch U-förmige
Nuten 52 ersetzt sind, wobei jede eine im Wesentlichen
halbkreisförmige
Bodenfläche 50 hat,
die sanft von den flachen Seitenwandflächen 18 aus gebogen
ist. Jede der Nuten 52 hat der Breite nach gegenüberliegende
Kanten, die abgerundet sind. Jedes der Verbindungselemente mit Gewinde 46, 48 sieht
denselben Effekt vor, wie die Verbindungselemente mit Gewinde 10, 40.
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7 zeigt
einen Schraubenbolzen 60, auf welchen das Prinzip der vorliegenden
Erfindung angewandt ist. Der Schraubenbolzen 60 hat einen
Gewindeabschnitt 68, der ein Paar von Außengewinden 64, 66 hat,
und einen Kopfabschnitt 62, der als der Passungsvorsprung
dient, und der mit dem Gewindeabschnitt 68 koaxial ist.
Der Kopfabschnitt 62 hat in seiner ebenen Ansicht denselben
Aufbau als der vorangehend beschriebene Kopfabschnitt 12.
Daher hat, wie der Kopfabschnitt 12, der Kopfabschnitt 62 eine
Kontur mit sechs Drehmomentübertragsabschnitten 16,
von denen jeder ein Paar von Seitenwandflächen 18 hat. Jedoch
ist einer der Durchmesser Dmax, Dmin kleiner als der Hauptdurchmesser
d der Außengewinde 64, 66.
Auch in dieser Ausführungsform,
da das Drehmoment durch die flachen Seitenwandflächen 18 übertragen
wird, die auf den graden Linien liegen, die durch die Mittellinie
O in der ebenen Ansicht durchlaufen, nämlich, da die Richtung der
Kraft (= flächenorthogonale
Kraft N), die auf jede Seitenwandfläche 18 aufgebracht
wird, dieselbe ist als die Richtung der effektiven Schraubkraft
F, wird jede Seitenwandfläche 18 am
Deformiertwerden gehindert, sogar falls eine erforderliche Größe der Schraubkraft
F aufgrund der Reduzierung der Größe des Kopfabschnitts 62 erhöht wird.
Es sei vermerkt, dass 7(a) die ebene
Ansicht ist, wenn von dem Kopfabschnitt 62 aus betrachtet,
während 7(b) die Vorderansicht ist, wenn in der
Richtung senkrecht zu der Mittellinie betrachtet.
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Die
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wurden im Detail mit Bezug auf die Zeichnungen erläutert. Jedoch
ist jede der Ausführungsformen
lediglich eine ausgeführte
Form, und die vorliegende Erfindung kann mit verschiedenen Modifikationen
und Verbesserungen innerhalb des Schutzumfangs gemäß den beigelegten
Ansprüchen
ausgeführt
werden. Tabelle 1
| | Festigkeitsgrad |
| 8.8 | 10.9 | 12.9 |
| τB/Rm | 0,65 | 0,62 | 0,60 |
Tabelle 2
| Nominale
Größe des Gewindes | A(s) (mm2) | kmin(mm) | kmin/d |
| d (mm) | P | Festigkeitsgrad | Festigkeitsgrad |
| 8.8 | 10.9 | 12.9 | 12.9 |
| M3 | 0,5 | 5,03 | 0,82 | 0,86 | 0,89 | 0,30 |
| M4 | 0,7 | 8,78 | 1,08 | 1,13 | 1,17 | 0,29 |
| M5 | 0,8 | 14,2 | 1,39 | 1,46 | 1,51 | 0,30 |
| M6 | 1,0 | 20,1 | 1,64 | 1,72 | 1,78 | 0,30 |
| M8 | 1,0 | 39,2 | 2,40 | 2,52 | 2,60 | 0,33 |
| 1,25 | 36,6 | 2,24 | 2,35 | 2,43 | 0,30 |
| M10 | 1,25 | 61,2 | 3,00 | 3,14 | 3,25 | 0,33 |
| 1,5 | 58,0 | 2,84 | 2,98 | 3,08 | 0,31 |
| M12 | 1,25 | 92,1 | 3,76 | 3,94 | 4,07 | 0,34 |
| 1,75 | 84,3 | 3,44 | 3,61 | 3,73 | 0,31 |
| M14 | 1,5 | 125 | 4,37 | 4,59 | 4,74 | 0,34 |
| 2,0 | 115 | 4,02 | 4,22 | 4,36 | 0,31 |
| M16 | 1,5 | 167 | 5,11 | 5,36 | 5,54 | 0,35 |
| 2,0 | 157 | 4,81 | 5,04 | 5,21 | 0,33 |
Tabelle 3
| Nominale Größe des Gewindes | Sechskantschraube
(JIS B1180) | Sechskantschraube
mit Flanschring (JIS B1189) |
| s | e | k | e/d | k/d | s | e | k | e/d | k/d |
| M4 | 7 | 7,98 | 2,8 | 2,0 | 0,70 | 7 | 7,98 | 2,4 | 2,0 | 0,6 |
| M5 | 8 | 9,12 | 3,5 | 1,82 | 0,70 | 8 | 9,12 | 3,0 | 1,82 | 0,6 |
| M6 | 10 | 11,40 | 4,0 | 1,90 | 0,67 | 10 | 11,40 | 3,6 | 1,90 | 0,6 |
| M8 | 13 | 14,82 | 5,3 | 1,85 | 0,66 | 12 | 13,68 | 4,8 | 1,71 | 0,6 |
| M10 | 16 | 18,24 | 6,4 | 1,82 | 0,64 | 14 | 15,96 | 6 | 1,60 | 0,6 |
| M12 | 18 | 20,52 | 7,5 | 1,71 | 0,63 | 17 | 19,38 | 7,2 | 1,62 | 0,6 |
| M14 | 21 | 23,94 | 8,8 | 1,71 | 0,63 | 19 | 21,66 | 8,4 | 1,55 | 0,6 |
| M16 | 24 | 27,36 | 10,0 | 1,71 | 0,63 | 22 | 25,08 | 9,6 | 1,57 | 0,6 |