DE19732652A1 - Schraube mit selbstfurchendem Gewinde - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Kaltwalzen geformte Schraube zum Eindrehen in Kunststoff mit selbstfurchendem Gewinde, deren Gewinde­ gänge im Querschnitt etwa messerklingenartig gestaltet sind.

Derartige Schrauben werden in großem Umfang verwendet. Als Beispiel sei auf die Schraube gemäß der DE-PS 27 54 870 verwiesen. Beim Eindrehen einer derartigen Schraube in Kunststoff wird dieser von den in den Kunst­ stoff eindringenden Gewindegängen verdrängt, wofür der Gewindequerschnitt einen ausreichenden Freiraum zur Verfügung stellen muß, und zwar einen Abstand zwischen einer die Schrauben aufnehmenden Bohrung und dem Kerndurchmesser der Schrauben. Bei der bekannten Schraube geschieht dies zusätzlich dadurch, daß der Gewindegrund eine Einschnürung aufweist. Dies bedeutet, daß das von dem Gewinde verdrängte Kunststoffmaterial den Weg von dem Bereich des in den Kunststoff eingedrungenen Gewindeganges in den Gewindegrund zurücklegen muß. Das verdrängte Kunststoffmaterial verliert dabei die direkte, enge Verbindung mit dem unverdrängten Kunst­ stoffmaterial, womit seine Fähigkeit, zur Auszugskraft beizutragen, vermin­ dert wird. Unter Auszugskraft ist diejenige Kraft zu verstehen, die zum Ausreißen der eingedrehten Schraube erforderlich ist.

Es ist weiterhin in der EP-PS 133 773 eine Schraube zum Eindrehen in Kunststoff mit selbstfurchendem Gewinde beschrieben, bei der zur Erhöhung des Lösemomentes die Gewindeflanken in deren Axialschnitt auf der einen Seite geradlinig und auf der anderen Seite mit einem Knick nach außen versehen sind. Mit dieser Gewindegestaltung kann beim Verdrängen des Kunststoffes dem Verbindungsverlust zwischen verdrängtem und unverdräng­ tem Kunststoff nicht entgegengewirkt werden. Weiter zeigt die EP-PS 476 831 ebenfalls eine unsymmetrische Gestaltung des Gewindes einer Schraube zum Eindrehen in Kunststoff mit selbstfurchendem Gewinde, wobei diese Gestaltung darauf hinausläuft, die Gewindegänge in deren Axialschnitt auf der einen Seite geradlinig und auf der anderen Seite in einem Bogen in den Gewindegrund einlaufen zu lassen, wobei also im Bereich des Bogens sich der Flankenwinkel des Gewindes ständig vergrößert. Hierdurch soll die Verdrängung des Kunststoffmaterials im Sinne der Erhöhung der Auszugs­ kraft verbessert werden.

Ergänzend sei auf das DE-GBM 79 25 469 verwiesen, in dem ein mit einem Gewinde versehener Schweißstift offenbart ist, bei dem das Gewinde dazu dient, ein mit einer Öffnung versehenes Werkstück auf den Schweißstift aufzudrücken und das Werkstück dadurch festzuhalten, daß scharfkantig ausgebildete Gewindespitzen sich in das Material des Werkstückes eindrücken und dieses gegen eine Auszugskraft festzuhalten. Die Scharfkantigkeit des Gewindes wird bei dem bekannten Schweißstift dadurch herbeigeführt, daß seitlich an die Gewindespitze eine umlaufende Phase angedrückt ist, die scharfkantig in die eine Gewindeflanke übergeht. Dabei ergibt sich zwangs­ läufig an der Gewindespitze ein besonders großer Flankenwinkel von etwa 75°. Aufgrund dieser Gestaltung ist das an dem bekannten Schweißstift vorgesehene Gewinde für eine Schraube zum Eindrehen in Kunststoff mit selbstfurchendem Gewinde ungeeignet, da Schrauben zum Eindrehen in Kunststoff nur dann eine ausreichende Eindringtiefe der Gewindegänge gewährleisten, wenn der Querschnitt der Gewindegänge etwa messerklingen­ artig ausgebildet ist (siehe oben genannte DE-PS 27 54 870).

Eine der Gestaltung des DE-GBM 79 25 469 ähnliche Gewindeform für eine Holzschraube zeigt die europäische Patentanmeldung 102 605, allerdings ohne scharfkantige Gewindespitze, die somit keinerlei Eigenschaften aufweist, die sie für das Eindrehen in Kunststoff geeignet machen könnte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das selbstfurchende Gewinde einer durch Kaltwalzen geformten Schraube hinsichtlich des Axialschnitts durch die Gewindegänge so zu gestalten, daß das beim Eindrehen der Schraube in Kunststoff verdrängte Kunststoffmaterial in besonders günstiger Weise abfließen kann.

Erfindungsgemäß geschieht dies dadurch, daß eine Flankenfläche der Gewin­ degänge etwa im mittleren Drittel einen Knick nach innen zu aufweist und einen äußeren Flankenwinkel von etwa 30° (zwischen dem Knick und der Gewindespitze) und einen inneren Flankenwinkel (zwischen dem Knick und dem Gewindegrund) bildet, wobei der innere Flankenwinkel im Mittel im wesentlichen gleich oder größer ist als 1/3 des äußeren Flankenwinkels.

Aufgrund des nach innen zu weisenden Knicks der Flankenfläche der Gewin­ degänge wird das von den Gewindegängen verdrängte Kunststoffmaterial in den Bereich des inneren Flankenwinkels gedrängt, wobei dieser Bereich wegen des nach innen zu weisenden Knicks und des dadurch relativ weit nach außen reichenden Freiraums sich direkt an das verdrängte Kunststoff­ material anschließt, das sich dabei von der Bohrungswandung ohne Material­ stau vorwölbt, so daß das verdrängte Kunststoffmaterial wegen des kurzen Verdrängungsweges nur minimal erwärmt wird und in direkter enger Ver­ bindung mit dem unverdrängten und somit unbeeinträchtigten Kunststoff­ verbleibt. Damit kann dieses, in seinen Eigenschaften weitgehend erhaltene, verdrängte Kunststoffmaterial im Bereich des inneren Flankenwinkels der Auszugskraft entgegenwirken und trägt somit wesentlich zu der Belastbarkeit der betreffenden Schraubverbindung bei.

Es ist möglich, den Knick jeweils nur auf einer Flankenfläche eines Gewin­ deganges vorzusehen, wobei also über das gesamte Gewinde der Knick durchgehend einseitig angeordnet ist. Man kann aber auch den Knick jeweils auf beiden Flankenhälften eines Gewindeganges vorsehen. Die Anordnung des Knicks auf nur einer Flankenfläche hängt von dem Kunststoffmaterial ab, in das die betreffende Schraube einzudrehen ist. Handelt es sich um wär­ meempfindliches Kunststoffmaterial, so ordnet man den Knick vorteilhaft auf derjenigen Flankenfläche an, die dem Schraubenkopf abgewandt ist (Rück­ flanke). In diesem Falle ergibt sich eine Verformung von Kunststoffmaterial im wesentlichen auf der Seite der Rückflanke, wo das verformte Kunststoff­ material in den durch den Knick gegebenen Freiraum einfließt, so daß auf der dem Schraubenkopf zugewandten Flankenfläche (Lastflanke) weitgehend unerwärmtes Kunststoffmaterial für die Aufnahme der auf die Schraube wirkenden Kräfte zur Verfügung steht. Handelt es sich dagegen um tempera­ turbeständiges Kunststoffmaterial (wie sich dies insbesondere aufgrund einer Glasfaserverstärkung ergibt), so ordnet man den Knick vorteilhaft auf der Lastflanke an, da sich in diesem Falle vor der Lastflanke in erheblichem Umfang beim Eindrehen der Schraube verdrängtes Kunststoffmaterial anhäuft, das dann aufgrund seiner Menge und gegebenenfalls wegen der Verstärkung durch seinen Füllstoff der von der Schraube ausgehenden Belastung beson­ ders gut standhält.

Der äußere Flankenwinkel kann die Gewindegänge in deren Axialschnitt symmetrisch oder unsymmetrisch begrenzen. Die symmetrische Begrenzung begünstigt die Herstellung der für das Kaltwalzen notwendigen Walzbacken, die unsymmetrische Begrenzung liefert bei bestimmten Kunststoffmaterialien erhöhte Auszugskräfte.

Die Gestaltung der Flankenflächen im Bereich des inneren Flankenwinkels kann so gewählt werden, daß die Flankenflächen im Axialschnitt vom Knick ab geradlinig oder konkav gewölbt verlaufen. Die Wahl dieser Gestaltung hängt von dem Kunststoff ab, in den die Schraube eingedreht werden soll.

Auch bzgl. der Gestaltung des inneren Flankenwinkels der Gewindegänge ist es möglich, durch diesen die Gewindegänge in deren Axialschnitt symme­ trisch oder unsymmetrisch zu begrenzen. Die Wahl dieser Begrenzung hängt ebenfalls im wesentlichen von dem Kunststoff ab, in den die Schraube einzudrehen ist.

Um die Stabilität der Gewindegänge zu erhöhen und den Materialfluß bei der Herstellung der Schraube durch Kaltwalzen zu verbessern, gestaltet man die Schraube zweckmäßig so, daß die Flankenflächen im Bereich des Gewin­ defußes unter Vergrößerung des inneren Flankenwinkels in den Gewinde­ grund als Verbreiterung des Gewindefußes übergehen. Die Verbreiterung bildet dabei einen gegenüber dem äußeren Flankenwinkel im Mittel größeren Flankenwinkel. Dabei kann die Verbreiterung im Axialschnitt geradlinig verlaufen, es ist aber auch möglich, die Verbreiterung im Axialschnitt konkav gewölbt verlaufen zu lassen.

Zweckmäßig werden die Gestaltung der Schraube und das Kunststoffmaterial sowie der Durchmesser der die Schraube aufnehmenden Bohrung aufeinander abgestimmt, wozu eine Reihe von Formgebungen, wie vorstehend beispiels­ weise beschrieben, verwendet werden können. Dabei ist darauf zu achten, daß bei eingedrehter Schraube der Knick in den Flankenflächen von Kunst­ stoffmaterial umgeben ist. Zweckmäßig liegt der Knick bei einem Durch­ messer, der etwa gleich oder größer als der Bohrungsdurchmesser ist. Hierfür hat sich eine Lage des Knicks etwa in der Mitte der Flankenflächen als günstig ergeben. Dabei kann, auch zur Erleichterung der Schraubenher­ stellung, der innere Flankenwinkel so gewählt werden, daß dieser gleich oder größer als die Hälfte des äußeren Flankenwinkels ist, sofern der hierdurch gegebene Freiraum ausreichend groß für das Einfließen von verdrängtem Kunststoff ist.

In den Figuren sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine Schraube im Schnitt,

Fig. 2-10 vergrößerte Querschnitte von besonders gestalteten Gewin­ degängen, und zwar

Fig. 2 Gewindegänge, bei denen beide Flankenflächen eines Gewindeganges einen Knick enthalten, mit aufnehmendem Kunststoffmaterial,

Fig. 3 Gewindegänge mit einem Knick auf nur einer Flankenflä­ che,

Fig. 4 Gewindegänge mit einem Knick auf nur einer Flanken­ fläche und unsymmetrischem äußeren Flankenwinkel,

Fig. 5 eine Abwandlung der Gestaltung gemäß Fig. 4 mit un­ symmetrisch gestaltetem inneren Flankenwinkel,

Fig. 6 Gewindegänge mit im Axialschnitt konkav gewölbt ver­ laufenden symmetrischen Flankenflächen im Bereich des inneren Flankenwinkels,

Fig. 7 Gewindegänge mit unsymmetrisch verlaufenden Flanken­ flächen im Bereich des inneren Flankenwinkels,

Fig. 8 Gewindegänge mit einer Verbreiterung des inneren Flan­ kenwinkels im Bereich des Gewindefußes,

Fig. 9 eine Abwandlung gegenüber der Anordnung gemäß Fig. 8 mit konkaver Verbreiterung,

Fig. 10 Gewindegänge mit einer Verbreiterung der Flankenflächen im Bereich des Gewindefußes im Zusammenhang mit einem unsymmetrischen äußeren Flankenwinkel.

In der Fig. 1 ist eine durch Kaltwalzen geformte Schraube mit dem Schrau­ benkopf 1 und dem Gewindeschaft 2 dargestellt, der die Gewindegänge 3 aufweist. Bezüglich des Querschnitts der Gewindegänge 3 wird auf die Erläuterung zu Fig. 2 verwiesen. In der Fig. 1 ist noch durch die strich­ punktierten Linien 4 die innere Wandung einer Bohrung in einem Kunststoff­ teil angedeutet. Aus der Lage der strichpunktierten Linien 4 ergibt sich, daß die Gewindegänge 3 mehr als 1/3 ihrer Höhe in das Material eines nicht dargestellten Kunststoffteils eindringen. Dabei kreuzt die Linie 4 etwa die Stelle des Knicks 5 (siehe Fig. 2) in der Flankenfläche der Gewindegänge 3. Es sei jedoch daraufhingewiesen, daß die Lage der die Wandung einer Bohrung darstellenden Linie 4 auch anders gewählt werden kann, was von dem betreffenden Kunststoffmaterial abhängt, in das die Schraube einzudre­ hen ist.

In der Fig. 2 sind Gewindegänge 3 dargestellt, die im Axialschnitt sym­ metrisch ausgestaltet sind, was sich daraus ergibt, daß sowohl auf der Flankenfläche 14/15 als auch auf der Flankenfläche 11/13 ein Knick vor­ gesehen ist, nämlich der Knick 16 und der Knick 5. Der Knick 5 wie auch der Knick 16, bilden die Grenze zwischen dem äußeren Flankenwinkel c' (zwischen dem Knick 5 bzw. 16 und der Gewindespitze 27) und dem inneren Flankenwinkel β (zwischen dem Knick 5 bzw. 16 und dem Gewin­ degrund 7). Sowohl der äußere Flankenwinkel α als auch der innere Flan­ kenwinkel β begrenzen die Gewindegänge 3 symmetrisch. Aus der Fig. 2 geht weiterhin hervor, wie die Gewindegänge 3 in das Kunststoffmaterial 26 eindringen, das zu irgendeinem Bauteil gehört. Aufgrund dieses Eindringens der Gewindegänge 3 bilden sich die Wülste 9 neben den Gewindeflanken 14/15 und 11/13 aus. Das Kunststoffmaterial 26 wird dabei verdrängt in Richtung auf den Gewindegrund 7, wobei sich aufgrund der Schlankheit der Gewindegänge 3 nur eine minimale Verdrängung des Kunststoffmaterials 26 ergibt. Das Abknicken der Gewindeflanken 14/15 und 11/13 etwa im Be­ reich der Linie 4 führt zu einem zusätzlichen, beiderseitigen Freiraum, der durch die gestrichelte Linie 12 deutlich gemacht ist. Die gestrichelte Linie 12 bildet die gedachte Fortsetzung der Flankenflächen 13 bzw. 15 im Bereich des inneren Flankenwinkels β. Der zwischen dem Gewindegrund 7 und den Wülsten 9 vorhandene Freiraum 10 wird durch das Abknicken der Flankenflächen 13 bzw. 15, d. h. den Übergang in den kleineren Flankenwin­ kel β, entsprechend vergrößert.

In der Fig. 3 ist eine gegenüber der Gestaltung nach Fig. 2 abgewandelte Formgebung der Gewindegänge 3 dargestellt. Gemäß Fig. 3 sind die Gewindegänge 3 im Axialschnitt unsymmetrisch gestaltet, was sich daraus ergibt, daß die Flankenfläche 6 durchgehend bis zum Gewindegrund 7 gradlinig verläuft, während die andere Flankenfläche 8 den Knick 5 auf­ weist.

Fig. 4 zeigt eine weitere Abwandlung der Darstellung gemäß Fig. 3. Bei der Fig. 4 handelt es sich um Gewindegänge 3, bei denen die eine Flan­ kenfläche 18 geradlinig und die andere Flankenfläche 17 mit einem Knick verläuft, wobei sich im Unterschied zu Fig. 3 im Bereich des äußeren Flankenwinkels α Unsymmetrie ergibt.

In Fig. 5 ist eine Abwandlung gegenüber der Gestaltung gemäß Fig. 4 gezeigt. Die Gewindegänge 3 gemäß Fig. 5 sind nämlich einseitig im Bereich des inneren Flankenwinkels β mit einer konkaven Wölbung 19 versehen. Abgesehen davon stimmen die Gewindegänge 3 gemäß Fig. 5 mit denjenigen gemäß Fig. 4 überein.

Das Gewinde gemäß Fig. 6 ist ähnlich demjenigen gemäß Fig. 2. Es weist nämlich einen symmetrischen äußeren Flankenwinkel α und im Bereich des inneren Flankenwinkels β konkav verlaufende Wölbungen 20 und 21 auf.

Fig. 7 zeigt eine Abwandlung der Darstellung gemäß Fig. 6, wobei die Gewindegänge 3 im Bereich des inneren Flankenwinkels β mit nur einer konkav verlaufenden Wölbung 21 versehen sind. Auf der gegenüberliegenden Seite der Gewindegänge 3 weisen diese eine geradlinig verlaufende Flanken­ fläche 14 im Bereich des inneren Flankenwinkels β auf, d. h. die Gestaltung nach Fig. 7 entspricht insoweit der Gestaltung gemäß Fig. 2.

Fig. 8 zeigt eine Abwandlung der Gestaltung gemäß Fig. 2. Die Schraube gemäß Fig. 8 weist im Bereich des Gewindefußes die Verbreiterungen 22 und 23 auf, die hier jeweils geradlinig verlaufen. Die Verbreiterungen 22 und 23 kann man auch konkav gewölbt ausbilden. Dies ist in Fig. 9 gezeigt, in der eine Schraube mit den Gewindegängen 3 dargestellt ist, bei denen der Übergang in den Gewindefuß auf beiden Seiten des Gewindegan­ ges 3 in konkaven Wölbungen 24 und 25 verläuft.

Fig. 10 zeigt eine Gestaltung ähnlich derjenigen gemäß Fig. 4 mit asym­ metrischem äußeren Flankenwinkel α, wobei die Übergänge in den Flanken­ fuß jeweils als geradlinig verlaufende Verbreiterung 22 und 23 ausgebildet sind.

Claims (13)

1. Durch Kaltwalzen geformte Schraube zum Eindrehen in Kunststoff mit selbstfurchendem Gewinde, deren Gewindegänge (3) im Querschnitt etwa messerklingenartig gestaltet sind, dadurch gekennzeichnet, daß eine Flankenfläche (6, 8; 11/13, 14/15; 17,18) der Gewindegänge (3) etwa im mittleren Drittel einen Knick (5, 16) nach innen zu aufweist und einen äußeren Flankenwinkel (α) von etwa 30° (zwischen dem Knick 5, 16 und der Gewindespitze 27) und einen inneren Flankenwinkel (β) (zwi­ schen dem Knick 5, 16 und dem Gewindegrund 7) bildet, wobei der innere Flankenwinkel (β) im Mittel im wesentlichen gleich oder größer ist als 1/3 des äußeren Flankenwinkels (α).

2. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Knick (5) jeweils nur auf einer Flankenfläche (8) eines Gewindeganges (3) vorgesehen ist.

3. Schraube nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Knick (5, 16) jeweils auf beiden Flankenflächen (11/13, 14/15) eines Gewinde­ ganges (3) vorgesehen ist.

4. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Flankenwinkel (α) die Gewindegänge (3) in deren Axi­ alschnitt symmetrisch oder unsymmetrisch begrenzt.

5. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenflächen (11, 14) im Bereich des inneren Flankenwinkels (β) im Axialschnitt geradlinig verlaufen.

6. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenflächen (19; 20, 21) im Bereich des inneren Flankenwin­ kels (β) vom Knick (5, 16) ab konkav gewölbt verlaufen.

7. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der innere Flankenwinkel (β) die Gewindegänge (3) in deren Axialschnitt symmetrisch oder unsymmetrisch begrenzt.

8. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Flankenflächen (11 , 14; 17, 18) im Bereich des Gewindefußes unter Vergrößerung des inneren Flankenwinkels (β) in den Gewinde­ grund (7) als Verbreiterung (22, 23; 24, 25) des Gewindefußes übergehen.

9. Schraube nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ver­ breiterung (22, 23; 24, 25) einen gegenüber dem äußeren Flankenwinkel (α) im Mittel größeren Flankenwinkel bildet.

10. Schraube nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterung (22, 23) im Axialschnitt geradlinig verläuft.

11. Schraube nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterung (24, 25) im Axialschnitt konkav gewölbt verläuft.

12. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeich­ net, daß die Flankenflächen (11/13; 14/15) der Gewindegänge (3) etwa in der Mitte den Knick (5, 16) nach innen zu aufweisen.

13. Schraube nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeich­ net, daß sich der bzw. die Gewindegänge (3) mit dem Knick (5, 16) sich nur über einen Teil des Gewindes der Schraube erstrecken.