3 Beschreibung

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5 Befestigungselement mit Gewinde, insbesondere Schraube, und

6 Schraubwerkzeug 7 δ Die Erfindung betrifft zunächst ein Befestigungsgewinde mit den im

9 Oberbegriff des Anspruches 1 aufgeführten Merkmalen. 0 Die für einen Innenkraftangriff bestimmten Vertiefungen bekannter derar- 2 tiger Schrauben sind symmetrisch ausgebildet. Ihre Symmetrieachse ist 3 die Gewindeachse der Schraube. Die Vertiefungen bekannter derartiger 4 Schrauben weisen unterschiedliche Formen auf. Die jeweilige Form kann 5 kreuzförmig, sechseckig, quadratisch, rechteckig oder auch kreisförmig 6 mit einer Kerbverzahnung, einer keilförmigen Verzahnung oder einer bogenförmigen Verzahnung sein.

Bekanntlich werden erhebliche Verbesserungen der Sicherheit einer Schraube gegen Lösen und hinsichtlich ihrer Dauerfestigkeit erreicht, wenn sie bis zum höchstmöglichen Niveau ihrer Vorspannkraft, d.h. bis in die Nähe der Bruchkraft ihres Schaftes vorgespannt werden. Diese hohe Vorspannkraft kann mit vielen der bisher bekannten Formen des Kraftan- griffes einer Schraube nicht erreicht werden, weil das Anziehdrehmoment begrenzt ist. Diese Drehmomentbegrenzung hat beispielsweise folgende mechanische Ursachen: Ausfräsen des Innenkraftangriffes, Trennen des Kopfes infolge unzureichender Werkstoffestigkeit zwischen dem Kopf- und dem Schaftübergang und dem Boden des Innenkraftangriffes sowie Bruch des Schraubwerkzeuges.

Eine wesentliche Ursache für die Begrenzung der Vorspannkraft her- kömmlicher derartiger Schrauben besteht aber auch darin, daß das Schraubwerkzeug infolge axialer Kräfte während des Montageprozesses axial aus seinem Kraftangriff herausgedrückt wird. Dieser sogenannte cam-out-Effekt ist eine Folge von Reaktionskräften zwischen Schraub-

Werkzeug und Kraftangriff, also letztlich eine Folge des eingeleiteten Schraubdrehmoments.

Ein weiterer Nachteil der meisten Formgestaltungen für den Innen- kraftangriff einer Schraube besteht darin, daß zum Einschrauben unter- schiedlicher Nenndurchmesser unterschiedliche Werkzeuge erforderlich sind. Beispielsweise werden für die Montage vieler Typen herkömmlicher Kreuzschlitzschrauben im Nenndurchmesserbereich zwischen 1 ,6 und 10 mm fünf Schraubendrehergrößen benötigt. Vielfach benötigt jede Schraubengröße eine speziell auf sie abgestimmte Schraubwerkzeug- große.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, Befestigungselemente, insbe- sondere Schrauben der eingangs genannten Art, mit einer Geometrie ihrer Vertiefungen zum Innenkraftangriff zu versehen, die axiale Reaktions- kräfte bei der Einleitung auch sehr hoher Schraubmomente minimieren. Dadurch ist es möglich, mit dem Schraubwerkzeug eine Vorspannkraft der Schraube zu erzeugen, die in der Nähe der Bruchkraft des Schrauben- Schaftes liegt. Diese Aufgabe wird durch Anspruch 1 gelöst. Durch diese Lösung werden axiale Reaktionskräfte vermieden. Ein weiterer Vorteil be- steht darin, daß diese Geometrie des Innenkraftangriffes für Schrauben jeglicher Größe in gleicher Weise verwendbar ist, so daß sie jeweils mit demselben Schraubwerkzeug angezogen werden können.

Anspruch 2 erleichtert die fertigungstechnische Realisierbarkeit der Lö- sung nach Anspruch 1. Die den Übergang von den Schlitzflanken zu den segmentartigen Umfangsfiächen der Zentraiausnehmung bildenden Innenkanten weisen ihre Sollage unabhängig von der Größe des Winkels auf, den sie gemeinsam mit der Gewindeachse bilden.

Ein wesentliches Merkmal des Anspruches 1 besteht darin, daß die be- sagten Innenkanten in jeweils einer die Gewindeachse enthaltenden und dadurch radial von dieser abstehenden imaginären Ebene liegen. Gemäß Anspruch 2 soll dies hinsichtlich der gesamten ebenen Schlitzflanken der

Fall sein. Eine solche Idealform läßt sich indessen fertigungstechnisch nicht mit vertretbarem Aufwand realisieren. Die für den Innenkraftangriff bestimmten Vertiefungen von Schrauben werden nämlich herkömmlich durch spanlose Verformung, nämlich durch Einpressen hergestellt. Die Haupt-Pressrichtung verläuft dabei in Richtung der Gewindeachse. Um bei diesem herkömmlichen Herstellungsverfahren das Preßwerkzeug aus der geformten Vertiefung wieder lösen zu können, dürfen die Schlitzfian- ken keine exakt parallele Ausrichtung zur Gewindeachse aufweisen. Daher ist das Merkmal des Anspruches 3 in der besonderen Aus- gestaltung des Anspruches 4 vorgesehen. Die hier angewendeten Schrägungswinkel der einzelnen Schlitzflanken gegenüber der Gewindeachse im Bereich etwa zwischen 1 ,5° und 2° sind hinsichtlich der angestrebten Vermeidung axialer Reaktionskräfte weitgehend vernachlässigbar. Dies ist besonders dann der Fall, wenn die Merkmale des Anspruches 5 beachtet werden.

Die zwischen den Schlitzen liegenden Umfangsflächen der Zentralaus- nehmung haben für die Drehmomentübertragung keine wesentliche Be- deutung. Sie sollen aber so ausgestaltet sein, daß sie den Eingriff des Werkzeuges zur Drehmomentübertragung und sein Zusammenwirken mit den Schlitzflanken nicht behindern. Dazu dient Anspruch 6 mit der Mög- lichkeit generell der Ausgestaltung nach Anspruch 7.

Der Winkel zwischen den den Übergang von den Schlitzflanken zu den segmentartigen Umfangsflächen der Zentraiausnehmung bildenden In- nenkanten und jeweils der Gewindeachse kann so auf die Axiallänge des Schraubenkopfes abgestimmt sein, daß der Punkt P innerhalb des Schraubenkopfes liegt. Dadurch ist eine erhöhte mechanische Festigkeit der Schraube gewährleistet.

Der in den Ansprüchen erwähnte Punkt P auf der Gewindeachse muß in der Erscheinungsform der Vertiefung nicht konkret ausgebildet sein. Er kann auch ein imaginärer Konvergenzpunkt sein, indem eine in An- spruch 9 beschriebene Gestalt der Vertiefung vorliegt.

Ein weiterer Erfindungsteil befaßt sich mit der Ausgestaltung des Werk- zeugkopfes zur Drehmoment-Einleitung und zur Drehmoment- Übertragung in die erfindungsgemäß ausgestaltete Schraube. Der Werkzeugkopf besitzt im aligemeinen eine zur räumlichen Kontur der Vertiefung der Schraube komplementäre Umfangsgestalt. Das Schraubwerkzeug weist daher prinzipiell etwa die Form eines der Zentralausnehmung der Schraube entsprechenden Zentralkörpers mit radial zur Schrauberachse abstehenden Flügeln auf, die beim Schraubvorgang in die Schlitze der Vertiefung der Schraube eintauchen, Der Zentralkörper des Schraubendrehers weist dabei etwa die Form einer Nase auf. Eine vorteilhafte Besonderheit des Schraubwerkzeugs besteht in den Merkmalen des Anspruches 11. Sie gewährleisten, daß jedenfalls die bei der Vertiefung der Schraube in deren Umfangsrichtung den Übergang von den Schlitzflanken zu den segmentartigen Umfangsflächen der Zentralausnehmung bildenden Innenkanten durch den vom Schraubendreher ausgehenden Kraftangriff beaufschlagt sind. Zweckmäßig sind es nur diese Innenkanten, die dem Kraftangriff ausgesetzt sind, wenn das Auftreten von axialen Reaktionskräften weitgehend unterdrückt werden soll. Diese vorteilhafte Beschränkung des Kraftangriffes der Flügel des Schraubendreherkopfes ist durch die in Anspruch 11 niedergelegte Flankengestalt der Flügel des Schraubendrehers gewährleistet. Die Flanken der Schraubendreherflügel brauchen dazu nicht unbedingt eben ausgebildet zu sein. Sie können sogar auch eine gewölbte Ausgestaltung aufweisen.

Die Erfindung wird anhand von in den Figuren dargestellten Ausfüh- rungsbeispielen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die dreidimensionale Ansicht einer Schraube mit zylindri- schem Schraubenkopf und einer darin untergebrachten, er- findungsgemäß ausgestalteten Vertiefung für den Innenkraftangriff,

Fig.2 in verkleinertem Maßstab eine Draufsicht auf die Stirnfläche des Schraubenkopfes in Blickrichtung des Pfeiles II in Fig. 1, Fig. 3 einen Querschnitt durch den Schraubenkopf entsprechend der Linie lll-lll in Fig. 2, Fig. 4 einen Querschnitt analog Fig. 3 entsprechend der Schnittli- nie IV-IV in Fig. 2, Fig. 5 einen Querschnitt ähnlich Fig. 3, jedoch mit einem Blindioch am inneren Ende der Vertiefung, Fig. 6 eine Draufsicht in Richtung der Gewindeachse auf die Ver- tiefung am oberen Kopfende entsprechend Pfeilrichtung VI in Fig. 5, Fig. 7 die perspektivische Ansicht eines für die Betätigung des er- findungsgemäß ausgebildeten Schraubenkopfes geeigneten Schraubwerkzeuges, nämlich Schraubendrehers, Fig. 8 eine Querschnittsdarstellung entsprechend der Schnittli- nie VIII— VIII in Fig. 7 mit unterschiedlichen Formgestaltungen der Flügelflanken des Schraubendreherkopfes, Fig. 9 einen Längsschnitt durch den Schraubenkopf entsprechend etwa der Schnittlinie lll-lll in Fig. 2, Fig. 10 einen Horizontalschnitt entsprechend der Schnittlinie X-X in Fig. 9 durch den Schraubenkopf mit in seiner Vertiefung ein- liegendem Schraubendreherkopf.

Die in Fig. 1 dargestellte Schraube besteht im wesentlichen aus dem das Schraubengewinde enthaltenden Schraubenschaft 1 und dem das Betä- tigungsende der Schraube bildenden Schraubenkopf 2. Die Gewinde- achse 3 ist die Symmetrieachse von Schaft 1 und Kopf 2. In den Kopf 2 ist eine insgesamt mit 4 bezeichnete Vertiefung von der Stirnseite 5 des Schraubenkopfes her eingebracht. Die Vertiefung 4 besteht aus einer Zentralausnehmung und von dieser ausgehend radial nach außen ab- stehenden Schlitzen 6, deren Flanken 7 die Kraftangriffsflächen zur Drehmomenteinleitung bilden.

Die in Umfangsrichtung 22 den Übergang von den Schlitzflanken 7 zu den segmentartigen Umfangsflächen 8 der Zentralausnehmung bildenden In- nenkanten 9 sind geradlinig ausgebildet. Die Innenkanten 9 verlaufen in jeweils einer die Gewindeachse 3 enthaltenden und dadurch radial von dieser abstehenden imaginären Ebene 10.

Die Innenkanten 9 laufen in von der Stirnseite 5 weggewandter Rich- tung 11 in einem gemeinsamen Punkt P der Gewindeachse 3 zusammen.

Die ebenen Schlitzflanken 7 liegen in ihrer Gesamtheit ebenfalls in den die Gewindeachse 3 enthaltenden, radial von dieser abstehenden imaginären Ebenen 10.

Die einen gemeinsamen Schlitz 6 zwischen sich bildenden Schiitzflan- ken 7 konvergieren in von der Stirnseite 5 weggewandter Richtung 11 der Gewindeachse 3 geringfügig, um beidseitig eine Aushebeschräge ge- genüber dem Formwerkzeug zur spanlosen Formgebung der Vertiefung 4 zu bilden« Der in Eindringrichtung 11 gemessene Schrägungswinkel der Schlitzflanken 7 gegenüber der die Gewindeachse 3 enthaltenden Mitte- (ebene eines jeden Schlitzes 6 beträgt um 1 ,5° bis 2° und ist damit hin- sichtlich der angestrebten Vermeidung axialer Reaktionskräfte vernach- lässigbar gering.

Die imaginären Ebenen sämtlicher Schlitzflanken 7 schneiden sich eben- falls in dem auf der Schraubenachse 3 liegenden Punkt P. Der Schnitt- punkt zwischen den Innenkanten 9 und der Stirnfläche 5 des Schrauben- kopfes 2 ist mit Q gekennzeichnet.

Die in Umfangsrichtung 22 zwischen den Schlitzen 6 liegenden Umfangs- flächen 8 der Zentralausnehmung der Vertiefung sind Mantelflächen einer imaginären regelmäßigen Pyramide, deren Achse mit der Gewinde- achse 3 und deren Spitze der auf der Gewindeachse 3 liegende Punkt P ist. Es ist aber auch ohne Gefährdung des Erfindungszweckes möglich, daß die Umfangsflächen 8 außerhalb dieser Mantelflächen einer Pyramide

liegen. Die Innenkanten 9 schließen mit der Gewindeachse 3 einen Win- kel 12 von etwa 30°, beim Ausführungsbeispiel 28°, ein.

Die Grundflächen der Schlitze 6 liegen auf einem imaginären Kegelman- tel, dessen Achse mit der Gewindeachse 3 und dessen Kegelspitze mit dem Punkt P auf der Achse 3 zusammenfällt. Der Kegelspitzenwinkel 13 ist in Fig. 9 dargestellt.

Der auf der Gewindeachse 3 liegende Punkt P kann auch als imaginärer Punkt auf der Achse eines den bodenseitigen Abschluß der Vertiefung 4 bildenden Blindloches 14 im Blindloch 14 selbst liegen.

Der in Fig. 7 dargestellte Schraubendreherkopf weist im wesentlichen eine zur Umfangskontur der Vertiefung 4 komplementäre Oberflächenkontur auf. Im Eingriffszustand liegen seine Flügel 16 innerhalb der Schlitze 6 der Vertiefung 4. Die Flügelflanken 17 bilden in in die Vertiefung 4 der Schraube eingesetztem Zustand mit den Schlitzflanken 7 der Vertiefung 4 der Schraube einen sich zur Gewindeachse 3 hin schließenden spitzen Winkel 18. Dieser Winkel 18 kann relativ klein sein. Er soll nur sicherstel- len, daß ein Kontakt zwischen den Flügelflanken 17 und den Schlitzfian- ken 7 im Bereich einer Innenkante 9 stattfindet und sich möglichst auf diesen Innenkantenbereich 9 beschränkt. Zu diesem Zweck schließen die Fiügelflanken 17 eines jeden Flügels 16 zweckmäßig einen sich eher in radialer Richtung nach außen schließenden spitzen Winkel 19 ein, wo die einen gemeinsamen Schlitz 6 bildenden Flanken 7 am Schraubenkopf 2 einen sich in Richtung auf die Gewindeachse 3 schließenden Winkel 20 bilden.

Aus der Darstellung gemäß Fig. 8, linke Hälfte, ist ersichtlich, daß dort die Flügelflanken 17 eben sind. Sie können aber auch in gleicher Weise konvex-ballig ausgebildet sein. Eine solche Darstellung ergibt sich aus dem rechten Teil in Fig. 8.

Der Kontakt der Flügelflanken 17 erfolgt bei eingesetztem Werkzeug praktisch nur mit den Innenkanten 9 der Vertiefung 4 im Bereich der ge- strichelt dargestellten Kontaktlinie 21 (Fig. 7) zwischen den dort mit q und p bezeichneten Endpunkten, wobei das Ende p der Linie 21 auf der Schraubendreherachse 3 liegt und die Schrauberspitze bildet.