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Diese Erfindung betrifft gewindeformende Verbindungselemente.
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Wegen der sich ergebenden mechanischen Eigenschaften und
Materialeigenschaften der Verbindungselementzusammenfügung ist es äußerst vorteilhaft, ein
gewindeformendes Verbindungselement vorzusehen. Insbesondere erzeugt ein
gewindeformendes Verbindungselement normalerweise eine zuverlässigere
Schraubverbindung zwischen dem Verbindungselement und dem Werkstück, weil das Material
verformt und nicht von einer Innenfläche einer durch das Werkstück gebildeten
Bohrung entfernt wird.
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In automatisierten Vorgängen des Einsetzens von Verbindungselementen ist es
wünschenswert, ein gewindeformendes Verbindungselement zur Verfügung zu
stellen, das die erforderliche Anfangseintriebskraft zum Gewindeformen minimiert
und die richtige Ausrichtung des Verbindungselementes mit der
Werkstückvorbohrung beibehält.
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In der DE-B-22 43 707 ist ein Schraubgewindeverbindungselement offenbart, das
einen Schaft, einen konischen Bereich und einen an der Spitze des konischen
Bereiches vorgesehenen zylindrischen Bereich umfaßt. An dem Schaft sind
Schraubgewindegänge vorgesehen. Der Schaft und der zylindrische Bereich sind als
koaxial dargestellt, wobei die Achse des konischen Bereiches parallel zur Achse
des Schaftes, jedoch versetzt zu derselben ist.
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Die mit den bekannten Schraubgewindeverbindungselementen verbundenen
Nachteile bestehen darin, daß die richtige Ausrichtung mit einer Vorbohrung nicht
gefördert wird und beim Einsetzen in eine Gewindebohrung die Neigung besteht,
daß eine Gewindeüberschneidung auftritt, was zum Überdrehen oder zur
Eliminierung der Gewindegänge aus der Bohrung führt.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein
Schraubgewindeverbindungselement vorzusehen, das die Eintriebskraft minimiert und bei dem die oben
beschriebenen Probleme reduziert sind.
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Erfindungsgemäß ist ein gewindeformendes Schraubverbindungselement
vorgesehen, umfassend ein Schaftteil, ein an dem Schaftteil ausgebildetes und
sich von diesem erstreckendes konisches Kopfteil; wobei das Schaftteil eine sich
dorthindurch erstreckende Schaftachse und das konische Kopfteil eine sich
dorthindurch erstreckende Kopfachse definiert; an dem Schaftteil ausgebildete
Schaftgewindegänge und an mindestens einem Teil des konischen Kopfteiles mindestens
partiell ausgebildete Gewindegänge; gekennzeichnet dadurch, daß das Kopfteil so
ausgebildet ist, daß die Kopfachse einen zu der Schaftachse schiefen Winkel
definiert; wobei die partiellen Gewindegänge als das Ergebnis von durch Rollen
geformten Gewindegängen an dem Verbindungselement angeordnet und
konfiguriert sind, um die Eintriebskraft zu minimieren und die richtige Ausrichtung
beizubehalten, wenn das Verbindungselement zu Beginn eingesetzt und in eine
gewindelose Vorbohrung in einem Werkstück eingetrieben wird, und auch um die
Gewindeüberschneidung zu verhindern, wenn das Verbindungselement entfernt
und wieder in das Werkstück eingesetzt wird.
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Die Organisation und Art und Weise der Arbeitsweise der Erfindung zusammen mit
den weiteren Zielen und Vorteilen derselben können am besten mittels eines
Beispieles unter Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung
zusammengenommen mit den beigefügten Zeichnungen verstanden werden, in denen gleiche
Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und in denen:
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Fig. 1 eine Seitenansicht eines Endteiles eines Verbindungselementrohlings ist, bei
dem ein Kopfteil ein Kegelstumpf ist, der schräg zu einem Schaftteil ausgebildet ist;
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Fig. 2 eine Teilschnittansicht von der Seite eines Verbindungselementes ist, bei
dem der in Fig. 1 dargestellte Rohling mit Gewindegängen ausgebildet ist und das
Verbindungselement teilweise mit einer Vorbohrung in einem Werkstück
ineinandergreift;
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Fig. 3 eine Schnittansicht im wesentlichen entlang der Linie 3-3 in Fig. 2 ist;
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Die Figuren 4 und 5 Ansichten ähnlich der Figuren 1 und 2 sind, die eine
modifizierte Form zeigen; und
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Die Figuren 6 und 7 Ansichten im wesentlichen entlang der Linien 6-6 und 7-7 der
Figuren 4 bzw. 5 sind.
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Obwohl diese Erfindung auch Ausführungen in verschiedenen Formen zugänglich
sein kann, wird eine spezifische bevorzugte Ausführungsform in den Zeichnungen
dargestellt und hierin ausführlich beschrieben mit dem Verständnis, daß die
vorliegende Offenbarung als ein Beispiel für die Prinzipien der Erfindung anzusehen ist
und nicht bezweckt, die Erfindung auf die dargestellte und hierin beschriebene
Ausführungsform zu beschränken.
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Es sollte beachtet werden, daß sich die Größenbeziehungen zwischen den
Elementen der dargestellten Ausführungsform in der praktischen Ausführung verändern
können oder in der Darstellung verändert sein können, um bestimmte Merkmale der
Erfindung hervorzuheben.
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Es wird nun auf die Zeichnungen Bezug genommen, in denen in allen Figuren
gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind, wobei in Fig. 1 ein
Teil eines Verbindungselementrohlings 20 dargestellt ist. Gleiche Teile in der in den
Figuren 4-7 gezeigten veränderten Form sind durch die gleichen Bezugszeichen mit
dem Suffix a bezeichnet. Der Verbindungselementrohling 20 hat ein Schaftteil 22
und ein an dessen Ende ausgebildetes Kopfteil 24. Eine Schaftachse 26 erstreckt
sich durch die Mitte des Schaftteiles 22 und eine Kopfachse erstreckt sich durch
die Mitte des Kopfteiles und in einem schiefen Winkel 30 zu der Schaftachse 26.
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Das Kopfteil 24 definiert einen Kegel 32 (angezeigt in Phantomlinie), der an dem
Ende des Schaftteiles 22 ausgebildet ist und sich mit demselben entlang einer
geneigten Grenze 34 verbindet. Eine Endfläche 36 des Kopfteiles 24 ist in einer
Ebene ausgebildet, die im wesentlichen senkrecht zu der Schaftachse 26 ist, wenn
der Kegel 32 abgeschnitten wird, was zu bevorzugen, jedoch für die Erfindung
nicht notwendig ist. Der gesamte Kegel 32 muß nicht ausgebildet und dann
abgestumpft werden, eher wird das Kopfteil 24 normalerweise in der in Fig. 1
dargestellten abgestumpften Form ausgebildet. Zur Vereinfachung der Bezugnahme auf
das Kopfteil 24 in dem Rest der Anmeldung wird eine linke Seite des Kopfteiles 24,
wie in Fig.1 dargestellt, als eine kurze Seite 38 gekennzeichnet, und eine rechte
Seite des Kopfteiles 24, wie in Fig. 1 dargestellt, wird als eine lange Seite 40
bezeichnet. Die kurze Seite 38 und die lange Seite 40 sind 180º voneinander
entfernt, wenn sie in der Ansicht des Rohlings oder Verbindungselementes
betrachtet werden, wie es in den Figuren 1 und 2 dargestellt ist.
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Wie in Fig. 1 angezeigt ist, sind die Kopfachse 28 und die Schaftachse 26 nicht
koaxial oder gar parallel, sondern sind in einem schiefen Winkel 30 ausgebildet und
ergeben deshalb eine äußere konische Fläche 42 des Kopfteiles, die in einem
Bereich von in bezug auf und um die Schaftachse 26 herum gemessenen Winkeln
ausgebildet wird. Das Kopfteil 24 ist in Wirklichkeit "geneigt", so daß die Kopf
achse 28 in bezug auf die Schaftachse 26 geneigt ist. Der Schnittpunkt 49
zwischen den Achsen 26 und 28 definiert den Grad der Exzentrizität zwischen der
Schaftachse 26 und der Kopfachse 28 an der Fläche 36, wie es am besten in Fig.
3 dargestellt ist. Dieser Bereich von Winkeln kann zum Beispiel durch Vergleichen
eines maximalen Winkels 44, der zwischen der kurzen Seite 38 und einer
angrenzenden Seite 46 des Schaftteiles 22 ausgebildet ist, und eines minimalen Winkels
48, der zwischen der langen Seite 40 und einer angrenzenden Seite 46 des
Schaftteiles 22 ausgebildet ist, gesehen werden. Da der Winkel 48 der langen Seite 40
kleiner als der Winkel 44 der kurzen Seite 38 ist, ist die lange Seite 40 eine steilere
Seite als die kurze Seite 38 in bezug auf den Schaft 46, der vorzugsweise, jedoch
nicht notwendigerweise in der Form ein gerader Zylinder ist. Die Exzentrizität der
Kopf- und Schaftachsen 28, 26 führt zu ungewöhnlichen Ergebnissen, wie es hierin
unten beschrieben wird.
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Wie in Fig. 4 gezeigt ist, die eine weitere Ausführungsform der Erfindung darstellt,
kann außerdem der Schnittpunkt der Kopfachse 26a und der Schaftachse 28a an
der Ebene 36a ohne jede Exzentrizität erscheinen. Im Fall der Fig. 4 wird
angemerkt daß das spiralförmige, exzentrische, gewindeformende Eingreifen an dem
Schnittpunkt 49a zu Beginn von Null fortschreitet und auf ein Maximum an dem
Schnittpunkt der Seiten 40a und 46a anwächst.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 wurde der Verbindungselementrohling 20 einem
Gewinderollvorgang unterzogen, um voneinander beabstandete Gewindegänge 50
auf dem Rohling 20 zu bilden, um das mit Gewinde versehene Verbindungsmittel
52 zu erzeugen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Das Gewindeverbindungselement
52 ist in einem Werkstück 54 mit einer gewindlosen Vorbohrung 56 angeordnet
und teilweise in dieses eingeschraubt, wobei das Verbindungselement 52 beginnt,
Gewindegänge in der Vorbohrung 56 zu formen. Es wird angemerkt daß als ein
Ergebnis des Formens des Verbindungselementgewindes 50 an dem Rohling 20,
das in Fig. 1 und Fig. 4 dargestellt und beschrieben ist, unter Verwenden
konventioneller Gewinderollwalzen, Kopfgewindegänge 58 nur um einen begrenzten
Umfangsbereich, der an die kurze Seite 38 des Kopfteiles 24 angrenzt, ausgebildet
werden. Diese Kopfgewindegänge 58 werden zusammen mit den voneinander
beabstandeten Gewindegängen 50 an dem Schaft 22 durch Rollen des
Verbindungselementrohlings 20 unter Verwenden konventioneller Gewinderollwalzen
(nicht dargestellt) gebildet. Da die kurze Seite 38 in einem Winkel 44 zu der
Schaftseite 46 ausgebildet ist, der größer als der zwischen der langen Seite 40 und der
Schaftseite 46 ausgebildete Winkel 48 ist, erstrecken sich die darauf ausgebildeten
Gewindegänge 58 im allgemeinen um eine begrenzte periphere Strecke um die
Außenfläche 42 des Kopfteiles 24 herum. Gegenüber den Gewindegängen 58 ist
eine halbkonische gewindelose Fläche 60, in der die Gewindegänge 58
verschwinden. Dieses gewindelose Flächenteil erstreckt sich über eine begrenzte periphere
Strecke, die an die Seite 40 angrenzt. Die Gewindegänge 58 können in
Abhängigkeit von der Form der verwendeten Gewinderollwalze an ihrer maximalen
Ausdehnung ganze oder partielle Gewindegänge haben.
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Fig. 3 ist eine Schnittansicht entlang der Linie 3-3 in Fig. 2, die die im wesentlichen
eiförmige Form des Verbindungselementes 52 zeigt wenn es so betrachtet wird.
Die Endfläche 36 des Kopfteiles 24 ist somit auch eiförmig und nicht einfach oval
oder elliptisch. Wie dargestellt ist, fördert die lange Seite 40 das Festklemmen des
Verbindungselementes 52 in der Vorbohrung 56. Die Drehung des
Verbindungselementes 52 in der Vorbohrung 56 erzeugt einen kurvenförmigen Eingriff der
gewindelosen Fläche 60 der langen Seite 40, die als eine stabile Stützfläche wirkt
an der Innenfläche der Vorbohrung 56. Die fortgesetzte Drehung drückt die an der
kurzen Seite 38 angrenzend ausgebildeten Gewindegänge 58 in das Material des
Werkstückes 54, was zum Formen zusammenwirkender Innengewindegänge 62 an
der Innenfläche 63 der Vorbohrung 56 führt.
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Dieses kurvenförmige Eingreifen kann außerdem durch einen spiralförmigen Weg
64 erkannt werden, der von der Kopfachse 28 um die Schaftachse 26 herum und
auf dieser gebündelt gezogen wird, wenn das Verbindungselement 52 um die
Schaftachse 26 gedreht wird. Wegen des Winkels 30 zwischen den Schaft- und
Kopfachsen 26, 28 folgt die Kopfachse 28 dem allgemein exzentrischen,
spiralförmigen Weg 64 um die Schaftachse 26. Der spiralgewindeformende Eingriff kann
ohne Nachteil für das Gewindebildungsvermögen umgekehrt werden, wie es durch
den Unterschied zwischen den Figuren 1 und 4 gezeigt ist. Die Exzentrizität des
Weges 64 verringert sich oder vergrößert sich im allgemeinen in Zusammenhang
mit der Schraubenlinie 70 des Gewindes 50 auf Null oder ein Maximum, wenn die
beabstandeten Gewindegänge 50 des Schaftes 22 vollständig mit den in der
Vorbohrung 56 ausgebildeten Innengewindegängen 62 ineinandergreifen. Somit drehen
die Kopfgewindegänge 58 während der anfänglichen Gewindeformung entweder in
einem ansteigenden oder abfallenden Spiralweg 64 in direkter Beziehung mit der
Schraubenlinie 70 der Schraubengewindegänge.
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Außerdem haben die Kopfgewindegänge 58 eine reduzierte Krümmung und einen
sehr begrenzten Umfangsbereich, (d. h., sie sind allgemein an der Spitze der Eiform
ausgebildet), wodurch sie anfänglich im wesentlichen einen Punktkontakt an der
Innenfläche 63 der Vorbohrung 56 erzeugen. Diese Bedingung schafft Entlastung
und Spielraum für eine minimale Eintriebskraft. Wenn das Eintreiben fortschreitet,
üben die Kopfgewindegänge 58 sowohl peripheren als auch radialen Außendruck
aus. Wie angemerkt wurde, ist der Übergang von den Kopfgewindegängen 58 zu
den Schaftgewindegängen 50 gleichmäßig, weil dieser Schnittpunkt eine
dreidimensionale Abwicklung ist (d. h., nicht senkrecht zur Schaftachse 26).
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Die Kopfgewindegänge 58 und die gewindelose Fläche 60 und die beabstandeten
Schaftgewindegänge 50 bilden zwei Zonen an dem Gewindeverbindungelement 52.
Eine erste Zone 66 umfaßt die gewindelose Fläche 60 und die Kopfgewindegänge
58. Die gewindelose Fläche 60 greift mit der Vorbohrung 56 ineinander, und wenn
das Verbindungselement 52 gedreht wird, beginnen die Kopfgewindegänge 58 den
anfänglichen gewindeformenden Prozeß in dem Werkstück 54. Wenn die Drehung
des Verbindungselementes 52 fortgesetzt wird, beenden die beabstandeten
Gewindegänge 58 in einer zweiten Zone 68 die Bildung der Werkstückgewindegänge 62,
die durch die Gewindegänge 58 in der ersten Zone 66 eingeleitet wurde.
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Wenn das Gewindeverbindungselement 52 aus der Gewindebohrung entfernt wird,
verhindert die Formgebung des Gewindeverbindungselementes 52 die
Gewindeüberschneidung, wenn dasselbe oder ein anderes, gleich aufgebautes
Gewindeverbindungselement 52 wieder in die Bohrung eingesetzt wird. Das Merkmal der
Gewindeüberschneidungsresistenz ist wichtig, um zu verhindern, daß die
Gewindegänge 58, 50 die geformten Innengewindegänge 62 überschneiden, was zum
Überdrehen oder Vernichten der Innengewindegänge 62 führen würde. Die
Gewindeüberschneidung wird durch die mechanischen Eigenschaften der oben
beschriebenen Formgebung des das Kopfteil 24 bildenden Kegelstumpfes und die
darauf ausgebildete Gewindestruktur vermieden. Da der Bereich um die kürzere
Seite 38 herum Gewindegänge 58 darauf aufnimmt und der Bereich um die längere
Seite 40 herum im wesentlichen kein Gewinde aufnimmt und stattdessen eine
gewindelose Fläche 60 besitzt, wird der Anfangspunktkontakteingriff der
Kopfgewindegänge 58 mit den geformten Innengewindegängen 62 erleichtert.
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Anders als die typischen gewindeformenden Verbindungselemente des Standes der
Technik kämmt die gewindelose Fläche 60 die Innengewindegänge 62, greift
jedoch nicht mit diesen in einer festen Schraubverbindung ineinander, wodurch ein
festklemmendes oder kurvenförmiges Eingreifen zum Unterstutzen der richtigen
Ausrichtung des Schaftes mit der Gewindebohrung und des anfangs notwendigen
Punkteingriffes der Gewindegänge 58 mit den Innengewindegängen 62 entwickelt
wird. Da der Übergang von den sich partiell auf dem Umfang erstreckenden
Kopfgewindegängen 58 zu den sich vollständig auf dem Umfang erstreckenden
Schaftgewindegängen 50 allmählich ist, besteht ein gleichmäßiger und allmählicher
Eingriff der vollständigen Gewindegänge sowohl des Schaftes 22 als auch des
Werkstückes 54 bei weiterer Drehung. Diese Eigenschaft der vorliegenden
Erfindung verhindert das Überlappen oder Überschneiden der Gewindegänge.
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Mit genauerer Spezifizierung in bezug auf die geometrischen Bereiche der
vorliegenden Erfindung kann der schiefe Winkel 30, der den Grad der Winkellage des
kegelstumpfförmigen Kopfteiles 24 definiert, im wesentlichen in der
Größenordnung von 2º bis im wesentlichen der Größenordnung von 20º liegen, ist jedoch
vorzugsweise ungefähr 5º. Der schiefe Winkel 30 kann somit größer oder kleiner
als 5º sein, sollte jedoch einen Spiral- oder Steigungswinkel 70 der Gewindegänge
50 nicht überschreiten. Der schiefe Winkel 30 entspricht der Axialbewegung, die
aus dem Eintreiben des Gewindeverbindungselementes 52 in ein Werkstück 54
resultiert. Ein Kegelwinkel 72 des kegelförmigen Kopfes 24 kann im wesentlichen
in der Größenordnung von 10º bis im wesentlichen zur Größenordnung von 50º
liegen und sollte den schiefen Winkel 30 überschreiten, um wirksam als eine
Eintrittsführung für das Gewindeverbindungselement 52 zu arbeiten.
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Obwohl bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung gezeigt und
beschrieben sind, ist in Betracht zu ziehen, daß Fachleute auf dem Gebiet
verschiedene Modifikationen der vorliegenden Erfindung ohne Abweichen vom
Schutzumfang der beigefügten Ansprüche finden können.