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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein neues System zum Halten und Festziehen von Schrauben zur Erreichung
einer schnellen und sicheren Kopplung zwischen einer Schraube und
einem Schraubendreher oder einem Befestigungswerkzeug, wobei praktisch
keine Chance dafür
gegeben sein soll, dass sich die Schraube zufällig vom Schraubendreher oder
dem Befestigungswerkzeug löst.
Des weiteren soll die Drehkraftübertragung
in diesem Zusammenhang verbessert werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen
erforderlich sind, um die genannte Kopplung aufrecht zu erhalten,
um auf diese Weise die Kopplungsvorgänge mit Schrauben, insbesondere
während
automatischer Montagevorgänge
leichter zu machen, welche mit Hilfe elektrischer Schraubendreher
mit Drehkraftregulierung im Falle des Einsatzes von Robotern in
Industriebetrieben durchgeführt werden
sowie für
spezielle manuelle Anwendungsfälle.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht
darin, ein System zu entwickeln, das einen Schraubenkopf aufweist,
der mit einem Zapfenloch abgeschrägter Konfiguration und kreisrundem
Querschnitt versehen ist sowie mit einem oder mehreren Zapfen, die
sich in Richtung auf die Schraubenlängsachse erstrecken. Die kreisförmigen Wände dies
Zapfenloches bilden in Bezug auf die Schraubenlängsachse einen Konuswinkel,
während
die frontseitigen Zapfenwände
der Schraube ebenfalls einen Konuswinkel in Bezug auf die genannte
Längsachse
bilden. Die spezielle konische oder abgeschrägte Konfiguration des Zapfenloches,
das in Übereinstimmung
mit der Kopfspitze des Schraubendrehers oder Befestigungswerkzeugs ausgebildet
ist, bietet in Bezug auf die bekannten Systeme dieser Art wesentliche
Vorteile, nämlich:
a) ein Gehäuse,
das durch den seitlichen Keileffekt der Zapfen entsteht, ermöglicht einen
verlässlichen,
graduell steigenden Kopplungsdruck zwischen der Schraube und dem
Schraubendreher oder Befestigungswerkzeug; b) einen breiteren Berührungsoberflächenbereich
zwischen Schraubenkopf und Schraubendreher oder Kopfspitze des Befestigungswerkzeugs,
der eine gleichmäßigere Verteilung
mechanischer Spannungen und einen geringeren Verschleiß im Schraubenkopf
sowie in der Kopfspitze des Schraubendrehers oder Befestigungswerkzeugs bewirkt;
c) eine Materialersparnis bei der Herstellung der Schrauben im Vergleich
zu dem bekannten "philips" oder "pozidriv"; d) vollständige Sicherheit
beim Ein- und Ausdrehen der Schrauben, wobei keine zusätzlichen
Anstrengungen erforderlich sind und damit Fehler in der Befestigungsdrehkraft
vermieden werden; e) ein größerer Wirkungsgrad
und eine längere Lebensdauer
der Zapfenlochform und der Schraubendreher sowie der Befestigungswerkzeuge;
und f) Erleichterung bei der Herstellung von Schraubverbindungen
an schwer zugänglichen
Stellen.
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Im obigen wurde beschrieben, dass
das Zapfenloch, das im Schraubenkopf hergestellt wird, einen kreisrunden
Querschnitt mit einer Anzahl Zapfen, vorzugsweise zwischen zwei
und sechs Zapfen, aufweist, die sich in Richtung auf die Schraubenlängsachse
erstrecken. Der Querschnitt des Zapfenloches nimmt längs der
Schraubenlängsachse
nach unten zu allmählich
ab, wobei sich die Breite der Zapfen ebenfalls verringert. Die Schnitte
des Zapfenloches, die zwischen zwei Zapfen liegen sind kreisförmig mit
einem vorbestimmten Konuswinkel, dessen Wert konstant bleibt, und
zwar unabhängig
von der Anzahl und der Dicke der Zapfen, wobei die Vorderflächen dieser
Zapfen in Bezug auf die Schraubenlängsachse einen Winkel bilden,
der sich entsprechend dem Schraubennenndurchmesser ändert, und die
Seitenflächen
dieser Zapfen mit der Schraubenlängsachse
ebenfalls einen Winkel einschließen.
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Diese Konfiguration des erfindungsgemäßen Systems
bietet im Vergleich zu bekannten Systemen dieser Art erhebliche
Vorteile, weshalb das erfindungsgemäße System für Anwendungen ein spezielles
neues System darstellt, bei dem eine sichere Kopplung zwischen Schraube
und Schraubendreher oder Befestigungswerkzeug erforderlich ist,
wie dies beispielsweise bei mit Robotern arbeitenden Systemen oder
manuellen Anwendungsfällen
der Fall ist, die einen schwierigen Zugang zu den Schraubverbindungen
bieten.
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Der Anmelder hat herausgefunden,
dass das erfindungsgemäße System
zum Halten und Festziehen von Schrauben die Bedienungsperson daran hindert,
eine Axialkraft aufzubringen, wenn die Schraube eingeschraubt wird.
Beim manuellen Arbeiten ist diese Anstrengung besonders lästig für den Fall,
dass der Installationsort schwierig zugänglich ist.
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Die herkömmlichen Schrauben haben oftmals
den Nachteil, abgesehen von der Kopfform und den in den Köpfen hergestellten
Aussparungen zum Einsetzen des Schraubendreherkopfes, dass sich oftmals
die Schrauben lösen,
wodurch zeitliche Verluste und Beschädigungen an diesen Schrauben
auftreten.
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Dieses Problem ist im Falle von industriellen, automatisierten
Anwendungen besonders relevant, da die Schrauben und das Schraubwerkzeug
durch automatische Maschinen ge handhabt werden. Daher ist das Vorhandensein
einer leicht und sicher herstellbaren Kopplung zwischen Schraube
und Werkzeug besonders wichtig.
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Aus dem Stand der Technik sind Versuche, dieses
Ziel zu erreichen, bekannt. Insbesondere offenbart die
US-PS 2,445,525 ein Koppelsystem zwischen
Schraube und Schraubendreher, bei dem der Schraubenkopf einen axialen
Schlitz mit einer Anzahl Stegen identischer Querschnittsfläche, die
durch dreieckförmige
Querspalten getrennt ist aufweist, wobei ein Schraubendreherkopf
zu dem genannten Schraubenkopf passt. Die Aussparung kommt mit dem
Schraubgewindekörper
in Eingriff um auf diese Weise den mechanischen Widerstand und die
Lebensdauer zu beeinträchtigen.
Andererseits werden keine speziellen Konuswinkelwerte vorgegeben,
sondern im Gegenteil, besagte Konuswinkel werden für die vorliegende
Erfindung angegeben. US-Patent 2,239,440 beschreibt ein Koppelsystem
zwischen Schraube und Schraubendreher, bei dem jedoch die Aussparungskonfiguration
keine Möglichkeit
für ein leichtes
und sicheres Koppeln zwischen der Schraube und dem Schraubendreher
bietet. US-Patent 2,592,462 beschreibt ein Koppelsystem zwischen Schraube
und Schraubendreher, bei dem der Schraubenkopf ebenfalls eine kreuzartige
Aussparung aufweist, die breit genug ist, um sich für jeden beliebigen
Schraubendreher zu eignen, so dass ebenfalls keine leichte und sichere
Kopplung zwischen Schraube und Schraubendreher geboten wird.
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Darüber hinaus offenbart die Britische
Druckschrift 148246 die Ausbildung eines Schraubenkopfes mit Hilfe
eines Stempels, der gegen den Schraubenkopf drückt und eine konische Aussparung
erzeugt, die auf ihrer seitlichen Oberfläche Rippen und Nuten besitzt.
Aufgrund der Art und Weise wie dieser Formgebungsprozess ausgeführt wird,
ergibt sich jedoch eine ziemlich begrenzte Keilwirkung, da die Werkzeugspitze
die Bodenoberfläche
der Aussparung im Schraubenkopf berührt, wenn sie den Formhohlraum
vollständig
füllt.
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Demnach beschreibt keines der oben
genannten Patente eine leichte und Sichere Kopplung zwischen der
Schraube und dem Schraubendreher, wobei der Schraubendreherkopf
eine bestimmte Konfiguration aufweist, die genau zu einem Schraubenkopfzapfenloch
passt, wie dies bei der vorliegenden Erfindung der Fall ist.
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Die Erfindung wird nachfolgend beschrieben.
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Das erfindungsgemäße System zum Halten und Festziehen
von Schrauben weist die Merkmale gemäß Anspruch 1 auf.
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Die besagten Zapfenlochzapfen wirken durch
ein Eingriffsfestziehmoment, das durch Berührung mit dem Schraubendreher
oder Befestigungswerkzeugkopfkeilen, die die Befestigungsdrehkraft übertragen,
erzeugt wird, wobei die Zapfenloch-Keilberührung einen erheblich größeren Flächenkontakt bewirkt,
und zwar aufgrund der Tatsache, dass die mechanischen Spannungen
im Schraubenkopf wesentlich kleiner sind als bei den bekannten Schrauben.
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Darüberhinaus wird durch die Zapfenlochstanzung,
die im Schraubenkopf des erfindungsgemäßen Systems stattfindet durch
Verformungskontakt ein Konuswinkel erzeugt, der mit Hilfe des erreichten
Seitenflächenkeileffektes
eine schnelle und sichere Kopplung zwischen Schraubendreher oder Befestigungswerkzeug
bewirkt, so dass praktisch keinerlei Druck in Richtung auf die Schraubenlängsachse
ausgeübt
werden muß,
wie er normalerweise bei bekannten Schrauben dieser Art stattfindet,
und gleichzeitig werden aufgrund der Kopplungssicherheit Verschleißwirkungen
an der Schraube und dem Schraubendreher oder dem Befestigungswerkzeug erheblich
verringert, so dass bei der Erzeugung der vorbestimmten Drehkraft
Fehler ausgeschlossen werden.
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Es sei darauf hingewiesen, dass für Schraubenköpfe mit
Zapfenlöchern
die vier Zapfen, neben speziellen Schraubendrehern oder Befestigungswerkzeugen
auch übliche „philips"- oder „pozidriv"- Schraubendreher verwendet werden können, während für eine andere
Anzahl von Zapfen erforderlich ist, erfindungsgemäße Schraubendreher
oder Befestigungswerkzeuge zu benutzen.
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Der Anmelder hat entsprechende mechanische
Versuche für
verschiedene Anzahl Zapfen, unterschiedliche Konuswinkel α dieser Zapfen
und unterschiedliche Konuswinkel β des
kreisförmigen Schnittes
durchgeführt,
wobei die genannten Winkel mit der zur Anmeldung gelangenden Tiefe
des Zapfenloches des Schraubenkopfes korrespondierten. Darüber hinaus
wurden alle obengenannten Parameter zu unterschiedlichen Schraubenkopfaußendurchmessern
und ihren entsprechenden Nenndurchmessern in Beziehung gesetzt.
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Auf der Grundlage der vom Anmelder
durchgeführten
Versuche wurden die bevorzugten Werte für die verschiedenen Parameter,
welche das Design des erfindungsgemäßen Zapfenloches festlegen, das
im Schraubenkopf ausgeführt
wird, wie folgt bestimmt:
- a) Für Zapfenlöcher mit
drei bis fünf
Zapfen soll der Konuswinkel α zwischen
5 bis 12,5° vorweisen,
vorzugsweise zwischen 7,5 und 11,5° liegen; der Konuswinkel β des Kreisschnittes
soll im Wertebereich zwischen 20 und 30°, vorzugsweise zwischen 23 und
23,5° liegen;
die Konizität
A des Zapfenlochbodens soll zwischen 25 bis 35°, vorzugsweise zwischen 28 und
29° liegen;
der C-Winkel, der von den Seitenflächen des Zapfens gebildet wird,
soll zwischen 15 bis 35°,
vorzugsweise 30 bis 30,5° liegen;
der Abstand D soll im Längenbereich
zwischen 0,5 bis 7 mm, vorzugsweise zwischen 0,65 und 6,5 mm liegen;
der Abstand d soll im Bereich zwischen 0,8 und 9 mm, vorzugsweise
zwischen 0,9 und 8,2 mm liegen; und der Abstand e soll zwischen
0,2 mm und 4 mm, vorzugsweise 0,27 und 4,0 mm liegen.
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In keinem Fall jedoch sollte sich
die Tiefe des Zapfenloches auf den mechanischen Widerstand der Schraube
negativ auswirken.
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Die Hinterschneidungen in der Schraubendreherspitze
oder der Befestigungswerkzeugspitze müssen zu den Zapfen des Schraubenkopfzapfenloches
passen, und die Flügel
der Schraubendreherspitze oder Befestigungswerkzeugkopfspitze müssen zu
den Abschnitten zwischen aufeinanderfolgenden Zapfen des Schraubenkopfzapfenloches
passen.
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Ein beigefügter Zeichnungssatz betrifft
bevorzugte Ausführungsbeispiele
der Erfindung:
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1 zeigt
eine Draufsicht des erfindungsgemäßen Systems an dem Schraubenkopf
für eine bevorzugte
Ausführungsform
aus drei Zapfen (2) mit entsprechenden Zwischenräumen oder
Kreisschnitten (3);
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2 bis 4 zeigen Querschnittsansichten des
erfindungsgemäßen Systems,
wie in 1 dargestellt,
mit den Konuswinkeln α, β, A und C;
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5 zeigt
eine Schraubendreherkopfspitze oder Befestigungswerkzeugkopfspitze
(4), die zu dem erfindungsgemäßen System, wie in 1 gezeigt, paßt;
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6 zeigt
zwei Querschnittsansichten der Schraubendreherkopfspitze oder Befestigungswerkzeugkopfspitze
(4) mit den entsprechenden Zapfen 5;
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7 und 8 zeigen eine Stanzzapfenlochform
zur Bildung des Schraubenkopfzapfenloches von 1,
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9 zeigt
eine Draufsicht des Zapfenloches (1), ausgebildet im Schraubenkopf
für die
bevorzugte Ausführungsform
von vier Zapfen (2) mit den entsprechenden Kreisschnitten
(3);
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10 bis 12 zeigen die Querschnitte
des in 9 dargestellten
Schraubenkopfes mit den Konuswinkeln α, β, A und C;
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13 zeigt
eine Schraubendreherkopfspitze oder Befestigungswerkzeugkopfspitze
(4), die zu dem in 9 gezeigten
Schraubenkopf paßt;
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15 und 16 zeigen eine Stanzzapfenlochform
zur Herstellung des Schraubenkopfzapfenloches von 9. Die in den 1 bis 8 dargestellte bevorzugte
Ausführungsform
der Erfindung bezieht sich auf den Fall, bei dem das Zapfenloch 1,
das in dem Schraubenkopf ausgebildet ist, drei Zapfen 2 aufweist.
In diesem Fall beträgt
der Konuswinkel α der
Zapfen 2 7,5 bis 7,7° oder
9,5 bis 9,75° oder
10,5 bis 10,75°,
und zwar in Abhängigkeit
von dem Zapfentyp 2. Der Konuswinkel β der Kreisschnitte beträgt zwischen
23 und 23,5° und
der A-Winkel des Zapfenlochbodens beträgt zwischen 28 und 29°. Der Zapfen 2 hat
eine Breite, die in Richtung auf die Schraubenlängsachse proportional zu der
entsprechenden Befestigungsdrehkraft jedes Radiuspunktes abnimmt. Diese
Breite variiert zwischen 0,4/0,42 mm bis 3,05/3,09 mm in Übereinstimmung
mit dem entsprechenden Zapfentyp. Der C-Winkel beträgt zwischen 30
und 30,5°.
Der Abstand D variiert von 0,65/0,68 mm bis 5,85/5,89 mm in Übereinstimmung
mit dem entsprechenden Zapfentyp. Der Durchmesser d variiert von
0,9/0,95 bis 8,0/8,1 mm in Übereinstimmung mit
dem entsprechenden Zapfentyp.
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Eine andere bevorzugte Ausführungsform der
Erfindung, die in den 9 bis 16 dargestellt ist, entspricht
dem Fall, bei dem das Zapfenloch 1, das im Schraubenkopf
ausgebildet ist, vier Zapfen 2 aufweist. In diesem Fall
behalten die α-, β-, A- und C-Winkel
die selben Werte wie bei der vorangehenden bevorzugten Ausführungsform,
bei der drei Zapfen 2 Verwendung finden. Die Breite der
Zapfen 2 verringert sich in Richtung auf die Schraubenlängsachse
proportional zu der entsprechenden Befestigungsdrehkraft an jedem
Radius. Der besagte Breitenwert variiert von 0,35/0,37 mm bis 2,7/274
mm entsprechend dem Zapfentyp. Der Abschnitt D variiert von 0,7/0,73
mm bis 6,0/6,04 mm entsprechend dem Zapfentyp. Der Durchmesser d
variiert von 0,9/0,95 bis 8,8/10,0 mm ebenfalls entsprechend dem
Zapfentyp.
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Die bevorzugten Ausführungsformen
sind nicht als Beschränkung
in Bezug auf die Herstellung und Benutzung der Schrauben-, Schraubendreher-Systeme
und/oder der entsprechenden passenden Werkzeuge für diese
Fälle zu
verstehen, bei denen vorteilhafterweise eine Anzahl Zapfen Verwendung
findet, die unter drei oder über
vier liegt, solange die Designparameter, wie in den beigefügten Ansprüchen zum
Ausdruck gebracht, insbesondere die grundsätzlichen Konuswinkel, beibehalten
werden, so dass das System unter den gennanten Bedingungen, die
sich auf die Sicherheit und den mechanischen Widerstand beziehen,
arbeiten kann.