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Die Erfindung bezieht sich auf ein
Spielzeugkonstruktionsset, aufweisend eine Schraube mit einem Schaft mit
einem Gewinde, um sie auf ein anderes der Elemente des
Spielzeugkonstruktionssets mit einem vorgeformten
Gewindeloch auf zuschrauben, so dass die Schraube einer
Kraft widerstehen kann, die im rechten Winkel zum
Schaft der Schraube in einem Abstand vom Element wirkt.
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Von Spielzeugkonstruktionssets dieser Art ist das
Zusammenschrauben von Elementen bekannt. Es gibt
Beispiele dafür, dass zusätzlich zu gewöhnlichen
Kupplungsmitteln, z.B. Kupplungszapfen und komplementären
Aufnahmemitteln, Elemente, die speziellen Belastungen
ausgesetzt sind, auch durch für diesen Zweck konstruierte
Schrauben miteinander gekoppelt werden. Diese Schrauben
werden in spezielle, vorgeformte Gewindelöcher in
anderen Bauelementen des Spielzeugkonstruktionssets
geschraubt. Die Verwendung von Schrauben zur Sicherung
von Rädem an Fahrzeugböden, die aus den Elementen des
Spielzeugkonstruktionssets gebaut wurden, ist ebenfalls
bekannt. Die wechselseitige verstärkte Befestigung der
Elemente ist in ihrem Bereich vollkommen
zufriedenstellend. Eine solche Belastung wird in der Schraube in
ihrer Längsrichtung absorbiert, und die
Dehnungsabsorptionseigenschaften der Schraube sind vollkommen
zufriedenstellend. Eine solche Schraube ist z.B. aus der US-
Patentbeschreibung 4 551 110 bekannt.
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Die Internationale Patentanmeldung WO-A-9009825
beschreibt eine Schraube, welche die Flexibilität eines
Elements blockiert. Auch hier wird die Dehnung in
Längsrichtung an die Schraube angelegt.
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Schrauben, die im rechten Winkel zur Längsrichtung des
Schafts belastet werden, haben jedoch eine
entscheidende Schwäche. Der Durchmesser des Gewindeteils der
Schraube wird durch die Abmessungen des Elements
bestimmt, in das die Schraube eingeführt wird. In bezug
auf die Gesamtstruktur sollen die Abmessungen dieses
Elements oft minimiert werden, so dass der Durchmesser
des Gewindeteils gleichermaßen minimiert wird. Das
Kraftmoment auf die Schraube wird teilweise durch die
Größe der Querkomponente der auf die Schraube wirkenden
Kraft bestimmt, teilweise durch den Abstand zwischen
dem Angriffspunkt der Kraft und dem Berührungspunkt des
Schafts mit dem Element (dem Arm, auf dem die Kraft
wirkt), in dem die Schraube befestigt ist. Durch die
Anforderung eines kleinen Durchmessers des Gewindeteils
brechen die z.B. als Radachsen verwendeten Schrauben
vorzugsweise im Bereich um die Oberfläche des Elements
herum, wenn die Schraube entweder großen statischen
Belastungen ausgesetzt ist, oder durch Aufprall, z.B.
beim Fallenlassen. Ein entsprechendes Problem tritt
auf, wenn die Schraube verwendet wird, um Kräfte in
Querrichtung der Schraube zu übertragen.
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Das Ziel der Erfindung ist es daher, ein
Spielzeugkonstruktionsset mit einer Schraube vorzusehen, wobei die
Schraube so konstruiert ist, dass sie Kräften, die im
rechten Winkel zur Längsrichtung der Schraube und in
einem Abstand vom Element des
Spielzeugkonstruktionssets wirken, in dem die Schraube in ein vorgeformtes
Gewindeloch eingebracht wird, besser widerstehen kann.
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Dieses Ziel wird mit einem Spielzeugkonstruktionsset
gemäß Patentanspruch 1 erreicht, da der Ort des
Eingriffsbereichs - in einem größeren radialen Abstand als
der Radius des Gewindebereichs - dazu führt, dass das
resultierende Kraftmoment verringert wird, da der
resultierende Arm kleiner ist.
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Der Eingriffsbereich besteht aus einer konischen
Eingriffsfläche auf der Schraube. Die konische
Eingriffsfläche kann vorteilhaft veranlasst werden, in eine
entsprechende konische Eingriffsfläche auf dem Element, in
das die Schraube eingebracht wird, einzugreifen. Die
konische Eingriffsfläche auf der Schraube kann
vorteilhaft einen Übergang zwischen dem kleinen Durchmesser
des Gewindeteils und einem Schaftteil mit einem
größeren Durchmesser als diesem Durchmesser bilden. Dies ist
insbesondere zweckmäßig, wenn letzterer keinen
besonderen Durchmesserbeschränkungen unterworfen ist.
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Spezielle Schrauben und Räder zur Verwendung in
Maschinen können eine Form haben, die große Ähnlichkeit mit
den erfindungsgemäßen Schrauben hat. Ein solches
Beispiel ist bekannt aus "La construction méchanique"
(1982), Edition de l'Usine Nouvelle, S. 48, Fig. 6,
worin ein Rändelrad beschrieben wird. Die Erfindung
bezieht sich jedoch auf hohle Kunststoffschrauben,
während diese bisherige Technik sich auf solide
Metallteile bezieht. Wenn die Biegefestigkeit einer Metallstange
erhöht werden soll, wird der Durchmesser vergrößert.
Ein Teil des Biegemoments kann auf die Zugkraft
übertragen werden, wenn die Stange mit einer abgestuften
Konfiguration zwischen zwei Stangenteilen mit
unterschiedlichen Durchmessern versehen ist. Die
Biegefestigkeit der Stange erreicht jedoch niemals jene einer
Stange mit einem gleichmäßigen Durchmesser, der dem
Durchmesser des dicksten Stangenteils entspricht. Dies
gilt nicht für hohle Kunststoffelemente, dem
technischen
Bereich der Erfindung, die Elemente mit einer
gewissen Wanddicke umfasst. Eine Erhöhung des
Durchmessers der Elemente führt daher nicht zur selben Erhöhung
der Biegefestigkeit. Im Gegenteil, eine abgestufte
Konfiguration zwischen zwei Abschnitten mit
unterschiedlichem Durchmesser führt zu einer Erhöhung der
Festigkeit, so dass die Festigkeit des betroffenen Abschnitts
die des Abschnitts mit dem größeren Durchmesser
übersteigt. Bei erfindungsgemäßen Kunststoffschrauben wird
eine direkte Erhöhung der Festigkeit in dem Abschnitt
mit der abgestuften Konfiguration zusätzlich zur
Momentenentlastung erzielt.
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Zwei komplementäre, konische Eingriffsbereiche auf der
Schraube bzw. dem Bauelement sind normalerweise zu
bevorzugen.
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Da für das Spielzeugkonstruktionsset in der bevorzugten
Ausführung normalerweise weitgehend Kunststoff
verwendet wird, der im Spritzgussverfahren hergestellt wurde,
ist die Steigung des Gewindes üblicherweise ziemlich
groß, so dass die Eingriffsflächen vorteilhaft mit
komplementären Vertiefungen und Vorsprüngen ausgebildet
werden können, so dass die Schraube in ihrer
eingeführten Position festgehalten wird, wenn sich die
Vertiefungen und Vorsprünge in Eingriff befinden. Dies ist
insbesondere zweckmäßig, wenn die verwendete Schraube
eine Radachse ist, da die Schraube, abhängig von der
Fahrzeugseite, auf der sie angebracht ist, einer Kraft
ausgesetzt wird, die durch die Reibung mit der Radnabe
verursacht wird, was ansonsten zur Folge hat, dass die
Schraube gelockert oder fester angezogen wird. Dies
wird durch die oben beschriebenen komplementären
Vertiefungen und Vorsprünge umgangen. Der Vorsprung kann
zweckmäßigerweise als runder Knopf geformt sein. Die
Vertiefung kann asymmetrisch mit einer steilen
Anschlagsf läche und einer geneigten Führungsfläche
ausgebildet sein. Ein ausreichendes Festhalten der Schraube
kann durch diese Merkmale erzielt werden, sogar wenn
das Gewinde auf der Schraube nur aus ca. einer Windung
besteht. Die Schraube kann hierbei mit einfachen
Werkzeugen im Spritzgussverfahren hergestellt werden.
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Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Verwendung
einer Schraube gemäß Patentanspruch 9.
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Die Erfindung wird nachfolgend genauer in Verbindung
mit bevorzugten Ausführungen und unter Bezugnahme auf
die Abbildung beschrieben, in der
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Fig. 1 eine Seitenansicht einer bevorzugten Ausführung
einer erfindungsgemäßen Schraube zur Verwendung in
einem Spielzeugkonstruktionsset ist,
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Fig. 2 eine schematische Ansicht der Verbindung
zwischen einer Schraube und einem Gewindeloch für die in
Fig. 1 dargestellte Schraube ist,
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Fig. 3 eine schematische Ansicht der Verbindung
zwischen einer Schraube und einem Gewindeloch für eine
erste alternative Ausführung einer erfindungsgemäßen
Schraube ist,
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Fig. 4 eine perspektivische Ansicht ist, die zeigt, wie
eine erfindungsgemäße Schraube zusammen mit einer
Radnabe in ein weiteres Bauelement des
Spielzeugkonstruktionssets eingebracht wird, und
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Fig. 5 eine schematische Ansicht einer alternativen
Anordnung des Ineinandergreifens der erfindungsgemäßen
Schraube und des Gewindelochs ist.
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Fig. 1 zeigt eine erfindungsgemäße Schraube. Sie weist
einen Schraubenkopf 12 auf, mit einem Schaft mit einem
Gewindeteil 24 mit einem Gewinde 25 an dem Ende, das
vom Schraubenkopf 12 weg weist. Der Gewindeteil 24
schließt unten mit einem konischen Abschnitt 22 ab, der
mit zwei diametral angeordneten Verriegelungslöchern 23
ausgebildet ist. Der konische Abschnitt 22 stellt einen
Grenzabschnitt zwischen dem Gewindeteil 24 mit einem
relativ kleinen Durchmesser und dem Rest des
Schraubenschafts mit einem größeren Durchmesser dar. Die
erfindungsgemäße Schraube 10 wird vorzugsweise aus
Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt und ist daher
normalerweise hohl. Der Schaftteil 14 der Schraube
zwischen dem Kopf 12 und der konischen Fläche 22 hat einen
größeren Durchmesser als der Gewindeteil 24. Der
Schaftabschnitt 14 weist einen ringförmigen Wulst 19 auf,
der mit einer Führungsfläche 21 und einer
Anschlagfläche 20 versehen ist. In einer bevorzugten Ausführung
geht der Schaft 14 über eine konische Führungsfläche 15
in den Schaftabschnitt 16 über, wobei der
Schaftabschnitt 16 denselben Durchmesser wie der Wulst 19 hat.
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Da die Schraube 10 die in Fig. 1 dargestellte Form hat,
kann eine Nabe 40, dargestellt in Fig. 4, aufgenommen
und drehbar auf dem Schaftteil 14, der sich zwischen
dem Wulst 19 und dem Kopf 12 befindet, gesichert
werden. Die Führungsfläche 21 ermöglicht eine solche
Aufnahme, während die Anschlagfläche 20 ein erneutes
Entfernen der Nabe 40 verhindert. Die Führungsfläche 15
und der Schaftabschnitt 14 entsprechen dem Loch in der
Nabe 40, und die komplementäre Führungsfläche (nicht
abgebildet) des Lochs kann vorteilhaft in bezug auf die
Außenseite der Nabe mit Aussparungen versehen werden,
um während des Zusammenbaus für eine bessere Führung
zwischen den Teilen zu sorgen.
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Der Kopf 12 auf der Schraube 10 hat vorzugsweise Rillen
in Längsrichtung, so dass die Schraube besser
festgehalten werden kann, wenn die Schraube 10 in ein anderes
Element geschraubt werden soll. Wie aus Fig. 4
hervorgeht, kann die Stirnfläche 11 des Schraubenkopfes 12
mit einer Öffnung ausgebildet sein, die ein speziell
konstruiertes Werkzeug aufnehmen kann, mit dem die
Schraube angezogen werden kann. In Fig. 4 ist
dargestellt, wie die Schraube in einem Gewindeloch 35 in
einem anderen Element 30 des Spielzeugkonstruktionssets
aufgenommen werden kann, wobei das Gewindeloch 35 einen
konischen Abschnitt aufweist, der komplementär zum
konischen Abschnitt 22 der Schraube ist und der mit zwei
diametral angeordneten Verriegelungsvorsprüngen 37
ausgebildet ist. Diese Verriegelungsvorsprünge können in
den Verriegelungslöchern 23 der Schraube aufgenommen
werden. Die Verriegelungsvorsprünge 37 haben
vorzugsweise die Form kleiner rotationssymmetrischer Knöpfe,
während die Löcher 23 asymmetrisch sind. Die Löcher
haben eine Führungsfläche, die zur Führung der
Vernegelungsvorsprünge 37 in den Eingriff dienen, und eine
Anschlagfläche, die einem weiteren Anziehen
entgegenwirkt. Dies ist u.a. möglich, da die Materialien
flexibel sind und da das Gewinde 25 eine große Steigung hat.
Fachleuten ist einsichtig, dass es ebenfalls möglich
ist, die Schraube mit Verriegelungsvorsprüngen zu
versehen, während der konische Abschnitt 36 auf dem
Spielzeugkonstruktionselement
30 dann mit komplementären
Verriegelungslöchern versehen ist.
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Die Schraube kann auch zu anderen Zwecken als genau als
Achse für ein Rad verwendet werden, die Prinzipien der
Erfindung werden jedoch vermutlich in dieser Verbindung
am besten veranschaulicht. Ein mit dem
Spielzeugkonstruktionsset gebautes Fahrzeug kann als aus mehreren
einzelnen Teilkörpern bestehender Körper angesehen
werden. Diese Teilkörper können z.B. der eigentliche
Fahrzeugboden mit einem Aufbau sowie jedes der vier Räder
sein. Wenn eine Last auf den gesamten Körper wirkt,
z.B. verursacht durch einen Fall, treten Torsionskräfte
zwischen den Teilkörpern im Körper auf. Während der
Fallbelastung werden diese Kräfte in Momente
umgewandelt, die zwischen den Teilkörpern wirken. Die Momente
hängen teilweise von der Größe der Kräfte, teilweise
von dem Arm, auf dem die Kräfte wirken, ab. Da die
Eingriffsfläche der Schraube (der konische Abschnitt 22 in
Fig. 1) in einem größeren radialen Abstand als der
Radius des Gewindeteils 24 von der Längsachse der
Schraube angeordnet sind, verschiebt sich der Angriffspunkt
der Kraft vom Ende 22a des Gewindeteils zum Übergang
22b zwischen dem konischen Bereich 22 und dem
Schaftabschnitt 14. Die Größe des Arms, auf dem die Kraft
wirkt, wird hierdurch verringert, während der
Angriffspunkt 22b eine Biegekraft, die in Querrichtung der
Schraube 10 in einem Abstand vom Bauelement 30 wirkt,
in eine Zugkraft umwandelt, die in Längsrichtung der
Schraube wirkt.
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Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführung der
erfindungsgemäßen Schraube, bei der eine konische Eingriffsfläche
22 zwischen dem Gewindeteil 24 der Schraube und dem
Rest des Schafts 14 der Schraube vorgesehen ist. Die
Schraube wird in das Element 30 geschraubt und dadurch
im Gewindeloch 35 und der Gewindekupplung 42
aufgenommen und festgehalten. Da es zwei komplementäre konische
Abschnitte 22 und 36 gibt, ist die Eingriffsfläche der
Schraube gleichermaßen eine kontinuierliche konische
Fläche. In der Praxis gibt es zwar oft eine Lücke
zwischen den beiden Flächen, durch die Flexibilität der
Schraube werden die Flächen 22 und 36 jedoch unter
externen, mechanischen Kräften zusammengedrückt.
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Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführung einer
erfindungsgemäßen Schraube, in der die Schraube durch ihren
Gewindeteil 24 mit dem Gewindeteil des Schraubenlochs 35
verschraubt ist. Der Schaft 14 der Schraube hat
denselben Durchmesser wie der Gewindeteil 24 der Schraube.
Eine Entlastung findet hier durch einen Wulst 41 mit
konischen Flächen statt, wobei die Eingriffsfläche 22
eine davon ist. Das Gewindeloch auf dem Element 30 en
det in einer stufenförmigen Erweiterung, so dass die
Eingriffsfläche hier nur durch eine ringförmige
Berührungslinie 37 gebildet wird. Diese Ausführung hat im
wesentlichen dieselbe technische Wirkung wie die in
Fig. 2 abgebildete Ausführung, da der Angriffspunkt 22b
auf der Berührungslinie 37 liegt.
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Fig. 5 zeigt eine alternative Ausführung der in Fig. 1
abgebildeten Schraube, bei der der Gewindeteil 24 der
Schraube über einen konischen Abschnitt 22 in den
Schaftabschnitt 14 der Schraube übergeht. Das
Bauelement 30, in das die Schraube geschraubt wurde, hat ein
Gewindeloch 35 mit einem gleichermaßen konischen
Abschnitt 36. Die Schraube ist über die Gewindekupplung
42 mit dem Bauelement 30 verbunden, und die zusätzliche
Befestigung zwischen der Schraube und dem Element wird
durch ein Paar Verriegelungsvorsprünge 39 realisiert,
die am Boden des Gewindelochs angeordnet sind und an
der Schraubenspitze in den beiden dort ausgebildeten
Verriegelungslöchern 43 aufgenommen werden können.
Dadurch wird gewährleistet, dass die durch ein auf die
Schraube montiertes Rad ausgeübte Kraft die Schraube
nicht vom Bauelement 30 löst. Dies könnte sonst
aufgrund der großen Steigung des Gewindes 25 geschehen.
Diese große Steigung wird durch die Forderung bestimmt,
dass die Schraube während des Spiels leicht zu
montieren sein soll und dass die Produktion der Schraube
erleichtert werden soll, wobei es möglich sein soll, sie
mit einfachen Werkzeugen herzustellen.