DE19749845A1 - Befestigungsschraube mit selbstfurchendem Gewinde - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine durch Kaltwalzen geformte Schraube mit selbstfurchendem eingängigen Gewinde für das Einschrauben insbesondere in thermoplastische Kunststoffe mit im wesentlichen durchgehend zylindrischem Gewindegrund und Gewindezähnen, die einen durchgehend gleich hohen Scheitel aufweisen, wobei die Freiräume zwischen benachbarten Gewindezäh­ nen längs des Gewindes gleich gestaltet sind.

Eine derartige Schraube ist aus der DE-PS 39 26 000 bekannt. Diese Schraube, zu der in der Patentschrift ausdrücklich darauf hingewiesen wird, daß sie sich besonders gut für Ein- und Verstelleinrichtungen eigene, also für sogenannte Bewegungsgewinde, soll ein qualitativ hochwertiges Gewinde aufweisen, mit dem sich ein kontinuierliches und gut dosierbares Einschraub­ moment erzielen läßt. Der Verformungsaufwand beim Herstellen der Schrau­ be durch Kaltwalzen soll dabei geringer sein als bei herkömmlichen Schrau­ benarten. Um diese Aufgabe zu lösen, besitzt die Schraube einen Scheitel­ winkel von etwa 40°, was das Fließen des Schraubenmaterials im Prozeß des Kaltwalzens erleichtert.

Durch die vorliegende Erfindung soll eine Schraube geschaffen werden, die im Gegensatz zur Wirkung eines Bewegungsgewindes für das Einschrauben insbesondere in thermoplastische Kunststoffe zum Zwecke einer Befestigung besonders geeignet ist. Beim Eindrehen derartiger Schrauben in Kunststoff wird dieser von den in den Kunststoff eindringenden Gewindezähnen ver­ drängt, wofür der Gewindequerschnitt einen ausreichenden Freiraum zur Verfügung stellen muß. Das von den Gewindezähnen verdrängte Kunststoff­ material quetscht sich dabei in diesen Freiraum. Gemäß der DE-PS 27 54 870 Spalte 2, Abs. 1 ging man dabei von dem Gedanken aus, möglichst tief in das betreffende aus Kunststoff bestehende Werkstück einzudringen (große Tragtiefe), wozu bei einem Flankenwinkel von etwa 30° dann ein entsprechend großer Freiraum zur Verfügung gestellt werden muß. Bei der Schraube gemäß der DE-PS 27 54 870 weist hierzu der Gewindegrund eine Einschnürung auf, so daß für das von den Gewindezähnen verdrängte Kunststoffmaterial ein entsprechend großer Freiraum zur Verfügung steht. Das von den Gewindezähnen verdrängte Kunststoffmaterial muß dabei von dem Bereich des in den Kunststoff eingedrungenen Gewindezahnes einen Weg in den Gewindegrund zurücklegen, auf dem das verdrängte Kunststoff­ material wegen der Länge dieses Weges die direkte enge Verbindung mit dem unverdrängten Kunststoffmaterial verliert, womit seine Fähigkeit, zur Auszugskraft beizutragen, vermindert wird. Unter Auszugskraft ist diejenige Kraft zu verstehen, die zum Ausreißen der eingedrehten Schraube erforder­ lich ist. Ein großer Freiraum für die Aufnahme von verdrängtem Kunststoff­ material hat allerdings einen entsprechend geringen Gewindegrunddurchmesser (Kerndurchmesser) zur Folge, was dazu führen kann, daß beim Eindrehen einer solchen Schraube, insbesondere wenn sie über eine größere Zahl von Gewindegängen eingedreht wird, diese durch das auf sie wirkende Drehmo­ ment überlastet wird und abreißt.

Der Gedanke der Kunststoffmaterialverdrängung steht auch im Fordergrund bei der Gestaltung der Schraube gemäß der europäischen Patentschrift 0 589 399. Mit dieser Schraube, die ausdrücklich für eine große Tragtiefe der Gewindeflanken konzipiert ist, soll eine derartige Materialverdrängung er­ reicht werden, daß das Material an den Gewindeflanken verdichtet wird, und zwar an denjenigen Flanken, die als sogenannte Lastflanken auf die Schrau­ be wirkende Ausreißkräfte aufzunehmen haben. Um die Materialströmung in diesem Sinne zu beeinflussen, besitzt die Schraube einen konischen Gewinde­ grund mit dem kleineren Kerndurchmesser benachbart zu der erwähnten Lastflanke. Hierdurch soll die Strömung des Kunststoffmaterials gegen die Lastflanke gerichtet werden, wo sich dann das Kunststoffmaterial verdichten soll. Diese gewollte Strömung des Kunststoffmaterials setzt voraus, daß das Material beim Eindrehen der Schraube ausreichend erwärmt und sowohl in eine Strömung und Verfestigung verwandelt wird. Die Gestaltung der be­ kannten Schraube beruht also darauf, das Kunststoffmaterial am Eindrehen der Schraube erheblich zu erweichen, zu verschieben und zu verdichten, womit es aus seinem ursprünglichen Verbund vollständig herausgelöst und in seiner Struktur verändert wird. Die Folge davon ist, daß die Lastflanken der Schrauben sich auf dieses derart veränderte Material abzustützen haben, was aber gerade zu einer Verringerung der Ausreißkräfte einer derart eingedreh­ ten Schraube führt.

Die vorliegende Erfindung bricht mit dem bisher im Stand der Technik vorherrschenden Gedanken des möglichst tiefen Eindringens der Gewindezäh­ ne in das Kunststoffmaterial, was zunächst zur Erzielung hoher Ausreißkräfte plausibel erscheint. Hierzu wird folgende Dimensionierung verwendet:

• 1. der Außendurchmesser Do und der Kerndurchmesser Dk des Ge­ windes bildet einen Quotienten Q1 = Do/Dk in der Größe von 1,25 bis 1,65;
• 2. der Axialabstand P benachbarter Gewindezähne bildet mit der Höhe H der Gewindezähne einen Quotienten Q2 = P/H, der zwischen 2,35 und 2,7 liegt;
• 3. der Scheitelwinkel der Gewindezähne liegt bei etwa 30°.

Diese Dimensionierung führt dazu, daß die Schraube relativ niedrige Gewin­ dezähne aufweist, so daß die Schraube in dem Kunststoffmaterial mit relativ geringer Eindringtiefe sitzt. Dies hat den Vorteil, daß das verdrängte Kunst­ stoffmaterial in seinem Gefüge nicht in erheblichem Umfang beeinträchtigt wird. Um trotz der relativ geringen Eindringtiefe hohe Ausreißkräfte zu erzielen, wird das Gewinde mit relativ kleiner Steigung hergestellt, so daß eine große Zahl von im Eingriff mit dem Kunststoff stehenden Gewindegän­ gen geschaffen wird. Dabei besitzt der Kerndurchmesser ein Maß, das es ermöglicht, das Umformverhalten eines betreffenden Schraubenrohlings bei dessen Herstellung durch Rollen zu berücksichtigen, nämlich dadurch, daß die auf dem Kerndurchmesser aufbauende Höhe der Gewindezähne noch ausreichend groß ist, um beim Rollen mit dem auf den Rohling ausgeübten Druck im Bereich zwischen den Gewindezähnen das Material der Schraube in günstiger Weise zu verdrängen und damit gut ausgeformte Gewindezähne zu erzeugen, die einerseits noch den Vorteil aufweisen, daß sie bei ihrem Eindringen in Kunststoffmaterial dieses nicht beeinträchtigen, jedoch noch eine solche Höhe besitzen, daß sie sich mit erheblicher Präzision beim Rollen ausformen lassen.

Um diese durch die vorstehend erläuterte Dimensionierung ermöglichte Effekte voll ausnutzen zu können, besitzt die erfindungsgemäße Schraube einen Scheitelwinkel des Gewindes, der bei etwa 30° liegt.

An sich ist ein derartiger Scheitelwinkel für in Kunststoff einzudrehende Schrauben bekannt, wie z. B. die DE-PS 27 54 870 zeigt. Mit dieser Schraube wird angestrebt, dem Kunststoffmaterial, in das die Schraube einge­ dreht wird, einen relativ großen Freiraum zwischen den Gewindegängen zur Verfügung zu stellen. Die mit dieser Schraube verfolgte Tendenz läuft also darauf hinaus, möglichst viel Kunststoffmaterial durch die Gewindezähne zu verdrängen, also mit großer Eindringtiefe zu arbeiten, um auf diese Weise hohe Ausreißkräfte zu erzielen. Die Lehren dieser Patentschrift passen daher nicht zu dem durch die DE-PS 39 26 000 gegebenen Stand der Technik, da dieser, abgesehen von der besonderen Eignung für Bewegungsgewinde, im Falle seiner Anwendung auf Kunststoffschrauben darauf hinausläuft, mit diesen möglichst wenig Kunststoffmaterial zu verdrängen.

Aufgrund der Kombination der die Höhe und den Abstand der Gewindezäh­ ne betreffenden Dimensionierungsmerkmale mit der Verwendung eines an sich bekannten, besonders kleinen Scheitelwinkels ergibt sich eine Intensivie­ rung des Prinzips, beim Eindrehen der Schraube in Kunststoff möglichst wenig Kunststoffmaterial zu verdrängen, da die wegen des kleinen Scheitel­ winkels von 30° zu verdrängende Kunststoffmasse wesentlich kleiner ist als bei einem Scheitelwinkel von 40°, wie er in der DE-PS 39 26 000 her­ ausgestellt wird, was dazu führt, daß der zwischen den Gewindegängen bestehende Zwischenraum, definiert durch die Steigung des Gewindes, kürzer gehalten werden kann, womit die Zahl der in einem Kunststoffteil zu verankernden Gewindegänge bei gleicher Einschraublänge entsprechend erhöht wird. Dies führt dann zu entsprechend erhöhten Ausreißkräften.

Hohe Ausreißkräfte bedingen eine entsprechende Belastbarkeit der Schrauben sowohl in axialer als auch in tangentialer Richtung. Je dünner der Quer­ schnitt der Schraube gegenüber ihrem Außendurchmesser ist, desto starker ist die auf ihren Querschnitt bezogene Belastung der Schraube sowohl bei ihrem Eindrehen als auch bei ihrem Anziehen. Um dabei hohen Ausreiß­ kräften standhalten zu können, mußte man bisher bei den bekannten Schrau­ ben sehr hohe Festigkeit des verwendeten Schraubenmaterials verlangen, was dazu geführt hat, daß für die hier in Rede stehenden Schrauben hochver­ gütete Materialien verwendet werden mußten, die einerseits teuer sind, die andererseits empfindlich auf Versprödungen reagieren, die sich aufgrund von Wasserstoffdiffusion ergeben. Dieser bekannte Effekt kann dazu führen, daß bei den bekannten fest angezogenen Schrauben aus hochvergütetem Material nach ihrem Eindrehen und Anziehen zeitverzögerte Sprödbrüche eintreten, z. B. durch nach Tagen auftretendes Wegsprengen ihres Kopfes. Aufgrund der erfindungsgemäßen Schraubendimensionierung ergeben sich Schrauben mit einem relativ großen Querschnitt in bezug auf ihren Außendurchmesser (wie z. B. ein Blick auf die Fig. 1 deutlich zeigt). Die erfindungsgemäßen Schrau­ ben können daher aufgrund ihrer Gestaltung über ihren Querschnitt erheblich größere Drehmomente und Axialkräfte aufnehmen, als dies bisher möglich war. Hieraus eröffnet sich die Möglichkeit, die erfindungsgemäße Schraube aus einem Material herzustellen, das gegenüber herkömmlichen Schrauben eine geringere Festigkeit aufweist, d. h. es können Materialien verwendet werden, die aufgrund geringerer Vergütung nicht die Tendenz aufweisen, Wasserstoff durch Diffusion aufzunehmen und damit zu Sprödbrüchen zu neigen.

In den Figuren ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigen:

Fig. 1 eine in einen Tubus eingedrehte Befestigungs­ schraube zum Befestigen einer Platte,

Fig. 2 einen Ausschnitt des eingängigen Gewindes der Schraube gemäß Fig. 1 in vergrößerter Dar­ stellung,

Fig. 3 einen Ausschnitt eines zweigängigen Gewindes.

Fig. 1 zeigt eine durch Kaltwalzen geformte Schraube 1 mit dem selbstfur­ chenden Gewinde 2, das sich gleichförmig über den Schaft 3 erstreckt. Auf der dem Ende des Schaftes 3 gegenüberliegenden Seite der Schraube 1 besitzt diese den Schraubenkopf 4, der hier mit einer profilierten Vertiefung 5 zum Einsetzen eines passenden Schlüssels versehen ist, mit dem die Schraube 1 in ein Werkstück, hier der Tubus 6, eingedreht wird. Die Schraube 1 dient zum Befestigen der Platte 7 an dem Tubus 6. Zu diesem Zweck wird die Schraube gegenüber dem Tubus 6 so angezogen, daß dabei ihr Kopf 4 die Platte 7 gegen den Tubus 6 preßt.

Aus Fig. 1 geht deutlich die Besonderheit der erfindungsgemäßen Befesti­ gungsschraube 1 hervor, nämlich ihre relativ geringe Eindringtiefe in das Material des Tubus 6 und der demgegenüber relativ große Kerndurchmesser Dk des Gewindes 2, dessen durchgehend zylindrischer Gewindegrund 8 gegenüber der Innenfläche 9 des Tubus 6 nur einen relativ kleinen Freiraum beläßt.

In Fig. 2 ist in vergrößerter Darstellung ein Ausschnitt des Schaftes 3 gemäß Fig. 1 dargestellt. An diesem Ausschnitt sind der Kerndurchmesser Dk, der Außendurchmesser Do und der Axialabstand P sowie die Höhe H der Gewindezähne 10 dargestellt. Außerdem ist in Fig. 2 der Flankenwin­ kel der Gewindezähne mit 30° angegeben.

Aus Fig. 2 ergibt sich, daß bei der vergrößert dargestellten Schraube der Quotient Q1 = Do/Dk bei 1,46 liegt. Der Quotient Q2 = Axialabstand P/Höhe H liegt hier bei dem Wert 2,48.

In Fig. 3 ist ein Ausschnitt aus einem zweigängigen Gewinde 11 darge­ stellt, das, abgesehen von der Gangzahl, sonst weitgehend mit dem Gewinde 2 gemäß Fig. 2 übereinstimmt. Der Axialabstand P bei dem Gewinde 11 gemäß Fig. 3 wird hier zwischen den beiden benachbarten Gewindezähnen des einen und des anderen Gewindeganges gemessen. Daraus ergibt sich wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 der Quotient Q2 = Axialabstand P/Höhe H mit einem Wert von 2,48.

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Befestigungsschrauben handelt es sich um solche, die üblicherweise mit einem Außendurchmesser von 1 mm bis 10 mm hergestellt werden. Die erfindungsgemäße Schraube eignet sich für das Einschrauben nicht nur in die heute üblichen thermoplastischen Kunst­ stoffe, sondern auch in alle anderen Werkstoffe, die ähnliche Eigenschaften wie thermoplastische Kunststoffe aufweisen.

Claims (1)

1. Durch Kaltwalzen geformte Befestigungsschraube (1) mit selbstfurchendem Gewinde (2, 11) für das Einschrauben insbesondere in thermoplastische Kunst­ stoffe mit im wesentlichen durchgehend zylindrischem Gewindegrund (8) und Gewindezähnen (10), die einen durchgehend gleich hohen Scheitel aufweisen, wobei die Freiräume zwischen benachbarten Gewindezähnen (10) längs des Gewindes (2, 11) gleich gestaltet sind, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale,

   • 1. der Außendurchmesser Do und der Kerndurchmesser Dk des Ge­ windes bildet einen Quotienten Q1 = Do/Dk in der Größe von 1,25 bis 1,65;
   • 2. der Axialabstand P benachbarter Gewindezähne bildet mit der Höhe H der Gewindezähne einen Quotienten Q2 = P/H, der zwischen 2,35 und 2,7 liegt;
   • 3. der Scheitelwinkel der Gewindezähne liegt bei etwa 30°.