DE102004030711A1

DE102004030711A1 - Schraube

Info

Publication number: DE102004030711A1
Application number: DE200410030711
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Dipl.-Ing. Kizler; Christian Krenn; Frank Dipl.-Ing. Müller; Michael Piry
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2004-06-25
Filing date: 2004-06-25
Publication date: 2006-02-09

Abstract

Es wird eine Schraube (10) mit einem Schraubenkopf (12) und einem Schraubenschaft (14) vorgeschlagen, wobei der Schraubenschaft einen hinteren Gewindeabschnitt (20) nahe dem Schraubenkopf und einen vorderen Gewindeabschnitt (18) an dem dem Schraubenkopf abgewandten Ende aufweist. Die Schraube (10) der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindesteigung des hinteren Gewindeabschnitts (20) im Wesentlichen gleich der Gewindesteigung des vorderen Gewindeabschnitts (18) ist und dass die Flankenbreite des hinteren Gewindeabschnitts (209 größer als die Flankenbreite des vorderen Gewindeabschnitts (18) ist. Hierdurch wird eine dynamisch wirkende Betriebslast auf den vorderen Gewindeabschnitt (18) auf mehr Gewindegänge verteilt, sodass ein Brechen des Mutterwerkstoffs (14) in diesem Bereich vermieden werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Schrauben und Gewindebolzen bekannt, die zur Erhöhung der Festigkeit der Schraubverbindung zwei Gewindeabschnitte aufweisen.

So offenbaren zum Beispiel die Druckschriften DE-OS 14 00 824 ; DE 298 05 784 U1 ; US-A-4,913,527; EP 0 460 264 A1 ; EP 0 308 901 A1 ; US-A-2002/0110439 und US-A-4,175,555 jeweils eine Schraube zu unterschiedlichen Verwendungszwecken mit einem vorderen und einem hinteren Gewindeabschnitt, die mit zwei unterschiedlichen Gewindesteigungen versehen sind. Im Fall der EP 0 308 901 A1 und der US-A-2002/0110439 ist zusätzlich einer der zwei Gewindeabschnitte als Rechtsgewinde ausgebildet, während der andere der zwei Gewindeabschnitte als Linksgewinde ausgebildet ist.

In der WO-A-95/15727 ist ferner eine Knochenschraube offenbart, deren Gewindeabschnitt eine sich kontinuierliche von vorne nach hinten größer werdende Gewindesteigung aufweist.

Die US-A-5,569,009 beschreibt eine Schraube mit einem Hauptgewinde und einem Nebengewinde, die sich jeweils über die gesamte Länge des Schraubenschaftes erstrecken und sich mit ihren zwei unterschiedlichen Gewindesteigungen überlagern.

Es sind ferner zum Beispiel aus der US-A-4,068,958 und der US-A-4,078,471 Doppelgewindebolzen bekannt, die an zwei abgewandten Enden eines Bolzenschaftes jeweils einen Gewindeabschnitt mit unterschiedlichen Gewindesteigungen besitzen.

Allen oben beschriebenen herkömmlichen Schrauben oder Gewindebolzen ist gemeinsam, dass deren zwei Gewindeabschnitte jeweils unterschiedliche Gewindesteigungen aufweisen.

Bei speziellen Schraubverbindungen, wie zum Beispiel Zylinderkopfverschraubungen oder Grundlagerverschraubungen von Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, bei denen bei hohen Lastzuständen eine dynamisch wirkende Betriebskraft aus dem Mutterwerkstoff, mit dem die Schraube in Eingriff steht, in das dem Schraubenkopf abgewandte Ende des Schraubenschaftes eingeleitet wird, bricht der Mutterwerkstoff im Falle einer Überbelastung im Gewindekerbgrund an dieser Krafteinleitungsstelle. Dies ist insbesondere bei Verwendung von spröden Werkstoffen wie Aluminium und Magnesium aber auch Grauguss der Fall.

Die Ursache für solche Schäden ist der Steifigkeitssprung am Ort der Krafteinleitung: die ersten Gewindegänge übertragen deutlich mehr Lastanteil als die nachfolgenden. Zudem entsteht bei hohen Temperaturen an dem dem Schraubenkopf abgewandten Ende des Schraubenschaftes eine erhöhte statische Spannung wenn die Wärmeausdehnungszahl des Mutterwerkstoffs höher ist als der der Schraube.

Zur Lösung dieser Probleme ist es aus der Technik bekannt, entweder das vordere Ende des Schraubenschaftes auszukesseln, was ein elastischeres Ende des Schraubenschaftes bewirkt, oder den Mutterwerkstoff auszukesseln, was einen geänderten Kraftfluss bewirkt. Während das Auskesseln des Schraubenschaftendes kostspielig ist, da die Restwandstärke des Schraubenschaftes sehr gering sein muss, erfordert das Auskesseln des Mutterwerkstoffes viel Platz und kann deshalb in den meisten Fällen nicht angewendet werden.

Es ist daher eine Aufgabe der Erfindung, eine Schraube vorzusehen, welche die oben beschriebenen Probleme bei herkömmlichen Schrauben vermeidet. Die erfindungsgemäße Schraube soll insbesondere Brüche bei Einleitung großer dynamisch wirkender Betriebskräfte vermeiden und den Aufbau von statischen Spannungen bei Temperaturbelastung vermindern.

Diese Aufgabe wird durch eine Schraube mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bis 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die erfindungsgemäße Schraube weist einen Schraubenkopf und einen Schraubenschaft auf, wobei der Schraubenschaft einen hinteren Gewindeabschnitt nahe dem Schraubenkopf und einen vorderen Gewindeabschnitt an dem dem Schraubenkopf abgewandten Ende aufweist, die Gewindesteigung des hinteren Gewindeabschnitts im Wesentlichen gleich der Gewindesteigung des vorderen Gewindeabschnitts ist, und die Flankenbreite des hinteren Gewindeabschnitts größer als die Flankenbreite des vorderen Gewindeabschnitts ist.

Bei der so ausgebildeten Schraube, deren Flankenbreite im vorderen Gewindeabschnitt gegenüber jener im hinteren Gewindeabschnitt reduziert ist, werden bei Temperaturbelastungen an dem dem Schraubenkopf abgewandten Schraubenschaftende weniger statische Spannungen aufgebaut. Außerdem wird die eingeleitete Betriebslast auf mehr Gewindegänge verteilt, sodass ein Brechen des Mutterwerkstoffs selbst bei dynamisch wirkenden Betriebskräften vermieden werden kann. Die erfindungsgemäße Konstruktion ist außerdem wesentlich kostengünstiger als ein Auskesseln des Schraubenschaftes.

In einer Ausgestaltung der Erfindung erstreckt sich der vordere Gewindeabschnitt im Wesentlichen über die gesamte Einschraublänge des Schraubenschaftes in einen Mutterwerkstoff. Alternativ beträgt die Länge des vorderen Gewindeabschnitts etwa die Hälfte bis etwa das Doppelte des Gewindedurchmessers.

Vorzugsweise sind der Außendurchmesser und/oder der Kerndurchmesser des Schraubenschaftes im Bereich des vorderen Gewindeabschnitts um etwa 1% bis etwa 5%, besonders bevorzugt etwa 2%, gegenüber dem Außendurchmesser bzw. Kerndurchmesser im Bereich des hinteren Gewindeabschnitts reduziert.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung nimmt die Flankenbreite am vorderen Gewindeabschnitt von der dem Schraubenkopf zugewandten Seite zu der dem Schraubenkopf abgewandten Seite kontinuierlich ab.

Optional kann der Schraubenschaft ferner einen gewindefreien Abschnitt zwischen dem vorderen und dem hinteren Gewindeabschnitt aufweisen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Gewindesteigung des vorderen (und des hinteren) Gewindeabschnitts um etwa 0,3% bis etwa 1% größer als die Gewindesteigung eines Gegengewindes in einem Mutterwerkstoff, mit welchem die Schraube (10) in Eingriff gebracht werden soll.

Weitere Merkmale und Merkmalskombinationen ergeben sich aus der Beschreibung sowie den Zeichnungen. Ein konkretes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei zeigt die einzige Figur eine schematische Darstellung einer in einen Mutterwerkstoff eingeschraubten Schraube gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die Figur zeigt schematisch eine Schraube 10 der Erfindung, mit der ein Werkstück 24 an einem Mutterwerkstoff 22 befestigt ist. Dies kann zum Beispiel eine Zylinderkopfverschraubung oder eine Grundlagerverschraubung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeugs sein, bei der hohe dynamisch wirkende Betriebskräfte auftreten, weshalb die vorliegende Erfindung in diesem Fall besonders vorteilhaft einsetzbar ist.
Wie in der Figur gezeigt, weist die Schraube 10 insbesondere einen Schraubenkopf 12 beliebigen Typs und einen Schraubenschaft 14 auf. Der Schraubenschaft 14 ist an dem dem Schraubenkopf abgewandten Ende mit einer Schraubenkuppe 16 eines reduzierten Durchmessers versehen, um das Einführen des Schraubenschaftes 14 in ein Loch oder ein Gewindeloch zu erleichtern.
Der Schraubenschaft 14 weist einen hinteren Gewindeabschnitt 20 nahe dem Schraubenkopf 12 und einen vorderen Gewindeabschnitt 18 an dem dem Schraubenkopf abgewandten Ende des Schraubenschaftes 14 auf. Der Schraubenschaft 14 ist durch eine Bohrung 25 in dem zu befestigenden Werkstück 24 geführt und steht dann mit in eine Gewindebohrung 23 des Mutterwerkstoffes, an dem das Werkstück 24 befestigt werden soll, in Eingriff. Der Außendurchmesser des Schraubenkopfes 12 ist größer als der Innendurchmesser der Bohrung 25 des Werkstückes 24, der Innendurchmesser der Bohrung des Werkstückes 24 ist etwas größer als der Gewindedurchmesser des Schraubenschaftes, und der Gewindedurchmesser des Schraubenschaftes 14 ist im Wesentlichen gleich dem Gewindedurchmesser der Gewindebohrung 23 in dem Mutterwerkstoff.
Der vordere Gewindeabschnitt 18 des Schraubenschaftes 14 erstreckt sich zum Beispiel über die gesamte Einschraublänge des Schraubenschaftes 14 in der Gewindebohrung 23 in dem Mutterwerkstoff. Alternativ ist die Länge des vorderen Gewindeabschnitts 18 in einem Bereich zwischen etwa dem halben Gewindedurchmesser und etwa dem doppelten Gewindedurchmesser bemessen. Optional kann der Schraubenschaft 14 zwischen dem vorderen Gewindeabschnitt 18 und dem hinteren Gewindeabschnitt 20 ferner einen gewindefreien Abschnitt (nicht dargestellt) aufweisen.
Der vordere und der hintere Gewindeabschnitt 18, 20 besitzen im Gegensatz zu den eingangs beschriebenen herkömmlichen Schrauben mit zwei Gewindeabschnitten im Wesentlichen die gleiche Gewindesteigung. Allerdings ist die Flankenbreite des vorderen Gewindeabschnitts 18 gegenüber der Flankenbreite des hinteren Gewindeabschnitts 20 reduziert. Durch diese Maßnahme wird eine von dem Mutterwerkstoff 22 in das vordere Schraubenschaftende eingeleitete Betriebslast auf mehr Gewindegänge des vorderen Gewindeabschnitts 18 verteilt. Außerdem werden bei hohen Temperaturen weniger statische Spannungen an dem vorderen Schraubenschaftende aufgebaut. Daher kann ein Brechen des Schraubenschaftes 14 im Bereich des vorderen Gewindeabschnitts 18 auch bei hohen, dynamisch wirkenden Betriebskräften, wie sie beispielsweise bei Zylinderkopfverschraubungen von Verbrennungsmotoren auftreten, vermieden werden. Die bei der Montage der Schraube erforderliche Schraubkraft bleibt jedoch unverändert, sodass die Montageeigenschaft der Schraube 10 durch die erfindungsgemäße Konstruktion nicht verschlechtert wird.
Die Reduzierung der Flankenbreite des vorderen Gewindeabschnitts 18 gegenüber jener des hinteren Gewindeabschnitts 20 kann entweder stufenartig oder kontinuierlich vorgesehen sein.
Der Außendurchmesser und der Kerndurchmesser des Schraubenschaftes können im Bereich des vorderen und des hinteren Gewindeabschnitts 18, 20 gleich sein. Vorzugsweise sind jedoch der Außendurchmesser und/oder der Kerndurchmesser des vorderen Gewindeabschnitts 18 gegenüber jenen des hinteren Gewindeabschnitts um etwa 1 bis 5%, bevorzugt um etwa 2% reduziert. Auch hier kann die Änderung des Außendurchmessers und/oder des Kerndurchmessers entweder stufenartig oder kontinuierlich erfolgen.
Zur Erhöhung der Festigkeit der Schraubverbindung ist die Gewindesteigung des vorderen Gewindeabschnitts 18 (und damit auch des hinteren Gewindeabschnitts 20) so gewählt, dass sie um etwa 0,3 bis 1% größer als die Gewindesteigung der Gewindebohrung 23 im Mutterwerkstoff 22 ist.

Claims

Schraube (10) mit einem Schraubenkopf (12) und einem Schraubenschaft (14), wobei der Schraubenschaft einen hinteren Gewindeabschnitt (20) nahe dem Schraubenkopf und einen vorderen Gewindeabschnitt (18) an dem dem Schraubenkopf abgewandten Ende aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindesteigung des hinteren Gewindeabschnitts (20) im Wesentlichen gleich der Gewindesteigung des vorderen Gewindeabschnitts (18) ist, und dass die Flankenbreite des hinteren Gewindeabschnitts (20) größer als die Flankenbreite des vorderen Gewindeabschnitts (18) ist.
Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vordere Gewindeabschnitt (18) im Wesentlichen über die gesamte Einschraublänge des Schraubenschaftes (14) in einen Mutterwerkstoff (22) erstreckt.
Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der vordere Gewindeabschnitt (18) über eine Länge von etwa der Hälfte bis etwa dem Doppelten des Gewindedurchmessers erstreckt.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser und/oder der Kerndurchmesser des Schraubenschaftes (14) am vorderen Gewindeabschnitt (18) um etwa 1% bis etwa 5% gegenüber jenen des hinteren Gewindeabschnitts (20) reduziert sind.
Schraube nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser und/oder der Kerndurchmesser des Schraubenschaftes am vorderen Gewindeabschnitt (18) um etwa 2% gegenüber jenen des hinteren Gewindeabschnitts (20) reduziert sind.
Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Flankenbreite am vorderen Gewindeabschnitt (18) von der dem Schraubenkopf (12) zugewandten Seite zu der dem Schraubenkopf abgewandten Seite kontinuierlich abnimmt.
Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schraubenschaft (14) ferner einen gewindefreien Abschnitt zwischen dem vorderen und dem hinteren Gewindeabschnitt (18, 20) aufweist.
Schraube nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Gewindesteigung des vorderen und des hinteren Gewindeabschnitts (18, 20) um etwa 0,3% bis etwa 1% größer ist als die Gewindesteigung eines Gegengewindes in einem Mutterwerkstoff (22), mit welchem die Schraube (10) in Eingriff gebracht werden soll.