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EP-4577750-B1 - SCREW FOR SCREWING DIRECTLY INTO A COMPONENT

EP4577750B1EP 4577750 B1EP4577750 B1EP 4577750B1EP-4577750-B1

Inventors

  • ACHENBACH, MICHAEL
  • WEIGEL, GERD
  • BIRKELBACH, RALF
  • Gerber, René
  • HACKLER, Jan
  • HELLMIG, RALPH J.
  • RUNKEL, DIRK
  • SCHLOSSER, FRANK
  • Selimi, Ilir
  • SINNER, Christoph

Dates

Publication Date
20260506
Application Date
20230823

Claims (15)

  1. Screw (10) for direct screwing into a component, in particular of a light-metal material, comprising a head and a shank, which shank is provided with a thread (20), the outer thread radius (R A ) of which, starting from a cylindrical load-bearing region (TB) with a constant load-bearing region radius (R T ), decreases over a tip region (SB) towards the screw tip (12), which thread (20) has a guide flank (46, 56) facing the screw tip (12) and a load flank (42, 52) facing the screw head (18), with the guide flank (46, 56) and the load flank (42, 52) being connected via a thread crest (44, 54), with the profile contour line of the thread crest (44, 54) from the guide flank (46, 56) to the load flank (42, 52) following an elliptical path along an ellipse (SE) defining the thread crest, with the apex (SP) of the major semi-axis of the ellipse (SE) being in the thread crest, and the ellipse (SE) having a transition point (UP1, UP2) to the load flank (42, 52) and a transition point (UP1, UP2) to the guide flank (46, 56), with the tangent (T1) to the ellipse at its transition point (UP1, UP2) to the load flank (42, 52) forming a load flank angle (LF) with the major semi-axis (HA) of the ellipse (SE), and wherein the tangent (T2) to the ellipse (SE) at the transition point (UP2) to the guide flank (46, 56) forms a guide flank angle (FF) with the major semi-axis (HA) of the ellipse, and wherein the thread crest is designed in such a way that an orthogonal to the respective tangent (T1, T2) at the transition point (UP1, UP2) intersects the major semi-axis (HA) at an intersection point (BP1; BP2), characterized in that the distance between the respective intersection point (BP1; BP2) and the transition point (UP1, UP2) is less than 90% of the distance between the apex (SP) and the intersection point (BP1; BP2).
  2. Screw according to claim 1, characterized in that the distance of the transition point (UP1) to the load flank (42, 52) from the semi-major axis (HA) is greater than 1/3 * thread height * tan (load flank angle), and the distance of the transition point (UP2) to the guide flank (46, 56) from the semi-major axis (HA) is greater than 1/3 * thread height * tan (guide flank angle).
  3. Screw according to any one of claims 1 or 2 above, characterized in that the respective connecting line (VL1; VL2) from the transition point (UP1; UP2) with the apex (SP) of the semi-major axis (HA) at the thread crest forms an apex angle (VL1-HA, VL2-HA) with the semi-major axis (HA), which angle is less than 55°, in particular less than 45°.
  4. Screw according to any one of claims 1 to 3 above, characterized in that the load flank angle (LF) and the guide flank angle (FF) each are at most 30°.
  5. Screw according to any one of claims 1 to 4 above, characterized in that the transition from the elliptical thread crest (34, 44) to the thread flank (32, 36; 42, 46) is tangential.
  6. Screw according to claim 5, characterized in that the guide flank (46, 56) and/or the load flank (42, 52) runs along an elliptical path which is curved in the opposite direction to the ellipse (SE) forming the thread crest (44, 54).
  7. Screw according to any one of the preceding claims, characterized in that the guide flank (46, 56) and/or the load flank (42, 52) extends from the respective transition point (UP1, UP2) along an elliptical path which is curved in the opposite direction to the ellipse (SE) forming the thread crest (44, 54).
  8. Screw according to any one of claims 6 or 7 above, characterized in that the numerical eccentricity of the elliptical path of the guide flank (46, 56) and/or the load flank (42, 52) is less than the numerical eccentricity of the ellipse defining the thread crest.
  9. Screw according to any one of the preceding claims, characterized in that the semi-major axis (HA) of the ellipse defining the thread crest is inclined by an angle of up to 10° in the direction of the guide flank (46, 56) relative to the normal plane to the screw centerline.
  10. Screw according to any one of the preceding claims, characterized in that the distance between adjacent thread flanks at 90% of the thread height is more than 0.7 times the pitch and has a flank width there which is less than 0.5 times the thread height.
  11. Screw according to any one of the preceding claims, characterized in that the thread (20) has, in the tip region (SB), at least five elevations (14.X, 16.X) which are delimited in the circumferential direction and extend in the radial direction, with the thread outer radius (R A ) changing in the region of the elevations (14.X, 16.X) in such a way that an elevation maximum radius (R E1max , R E2max , ..., R E9max ) associated with an elevation results, with the elevation maximum radius (R E10max , R E11max , R E12max ) of at least two elevations - calibration elevations (16.X) - is of equal size and corresponds to a calibration radius (R K ) which is greater than the load-bearing region radius (R T ), with at least three preforming elevations (14.X) being arranged between the calibration elevations (16.X) and the foremost screw tip (12), with their respective elevation maximum radius (R AEmax ) being smaller than the elevation maximum radius (R AEmax ) of the calibration elevations (16.X) and, moreover, with the elevation maximum radius (R AEmax ) of the preforming elevations (14.X) decreasing in the direction of the screw tip (12).
  12. Screw according to claim 11, characterized in that there is a local minimum in the thread outer radius (R A ) between the load-bearing region radius (R T ) and the first elevation in the direction of the screw tip (12), which minimum is smaller than the load-bearing region radius (R T ).
  13. Screw according to claim 12, characterized in that the ratio of the thread outer radius (R A (WP E12end )) at the first local minimum to the load-bearing region radius (R T ) is less than 0.996.
  14. Screw according to any one of claims 12 or 13 above, characterized in that the thread is designed such that a ratio of the percentage protrusion of the calibration radius (R K ) to a minimum mean value (((R A (WP E12end ) +R A (WP E11end ))/2) to the percentage protrusion of the calibration radius (R K ) to the load-bearing region radius (R T ) is greater than 1.4, with the minimum mean value being defined by the mean value of the thread outer radius (R A (WP E12end )) at the first local minimum between the load-bearing region and the first calibration elevation (16.3) and of the thread outer radius (R A (WP E11end )) at the second local minimum between the first calibration elevation (16.3) and the second elevation (16.2).
  15. Screw according to any one of the preceding claims 11 to 14 above, characterized in that, starting from the screw tip, the elevation maximum radius (R AEmax ) increases degressively.

Description

Die Erfindung betrifft eine Schraube zur Direktverschraubung in ein Bauteil, insbesondere einem Bauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff. Die EP 1 053 405 B1 offenbart eine Schraube mit einem selbstfurchenden Gewinde, wobei die Schraube am vorderen Ende einen Furchabschnitt aufweist, der einen elliptischen Querschnitt aufweist und ein Gewindeprofil mit einer spitzen Gewindespitze besitzt. Die WO 95/14863 A1 offenbart eine gewindefurchende Schraube mit Formelementen, die auf den Gewindegang aufgesetzt sind. Diese Schraube soll das grundsätzlich bei der Gewindeformung im Mutterwerkstoff mit zunehmender Einschraubtiefe zunehmende Einschraubmoment reduzieren. Das Dokument KR 102 383 042 B1 zeigt eine weitere Schraube aus dem Stand der Technik. Die vorgenannte Schraube weist im vorderen Bereich Formbereiche auf, die sich über ein im Wesentlichen von dem Schaft bis in die Spitze durchlaufendes Basisgewinde radial hinaus erstrecken und die in Umfangsrichtung begrenzt und relativ kurz sind. Diese Schraube offenbart eine Kalibriererhebung im Tragbereich, die nur sehr wenig über das Traggewinde hinausragt, insbesondere weniger als 0,08 mm. Durch diese Schraube wird die Reibung beim Furchvorgang reduziert und dennoch eine gute Befestigungsleistung erreicht. Eine zuverlässige Herstellung einer solchen Kalibriererhebung, insbesondere mittels eines Walzverfahrens, ist schwierig, da das Material, das zur Ausformung der Kalibiererhebung benötigt wird, im Walzprozess nicht ausreichend zur Verfügung gestellt wird. Es ist Aufgabe der Erfindung, die Befestigungsleistung der Schraube unter Beibehaltung eines geringen Furchmoments weiter zu verbessern. Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 in Verbindung mit seinen Oberbegriffsmerkmalen gelöst. In bekannter Weise umfasst eine Schraube zur Direktverschraubung in ein Bauteil, insbesondere in ein Bauteil aus einem Leichtmetallwerkstoff, einen Kopf mit einem Antrieb und einen Schaft, wobei der Schaft mit einem Gewinde versehen ist. Der Gewindeaußenradius des Gewindes verringert sich ausgehend von einem zylindrischen Tragbereich über einen Spitzenbereich zur Schraubenspitze hin derart, dass das Gewinde am vom Kopf beabstandeten Ende einen geringeren Gewindeaußenradius aufweist als im Tragbereich. Der Spitzenbereich beginnt an der dem Tragbereich nächstgelegenen Position, an der der Gewindeaußenradius geringer als der Tragebereichsradius ist und erstreckt sich bis zu der Schraubenspitze. Durch das Gewinde im Spitzenbereich wird ein Muttergewinde im Mutterwerkstoff des Bauteils erzeugt, in welches das Gewinde im Tragbereich eingeschraubt wird. Das Gewinde weist eine der Schraubenspitze zugewandte Führungsflanke und eine dem Schraubenkopf zugewandte Lastflanke auf. Die Führungsflanke und die Lastflanke sind über eine Gewindespitze verbunden, wobei die Profilkonturlinie, die sich aus dem Gewindequerschnitt ergibt, der Gewindespitze von der Führungsflanke bis zur Lastflanke einer Ellipsenbahn entlang einer die Gewindespitze definierenden Ellipse folgt. Am Übergang zwischen Gewindespitze und der jeweiligen Gewindeflanke liegt ein Übergangspunkt auf der die Gewindespitze definierenden Ellipse. Erfindungsgemäß ist das Gewinde derart gestaltet, dass die Tangente an die Ellipse in dem Übergangspunkt im Übergang zur Lastflanke einen Lastflankenwinkel mit der großen Halbachse der Ellipse einschließt, der insbesondere höchstens 30° ist, und dass eine Tangente an die Ellipse in dem Übergangspunkt im Übergang zur Führungsflanke einen Führungsflankenwinkel mit der großen Halbachse der Ellipse einschließt, der insbesondere höchstens 30° ist. Die Gewindespitze ist ferner derart gestaltet, dass eine Orthogonale auf die Tangente im Übergangspunkt die große Halbachse in einem Schnittpunkt schneidet. Die Gewindespitze ist weiter erfindungsgemäß so gestaltet, dass der Abstand zwischen dem jeweiligen Übergangspunkt und dem jeweiligen Schnittpunkt kleiner ist als der Abstand des jeweiligen Schnittpunkts zum Scheitelpunkt der Gewindespitze. Bevorzugt entspricht der Abstand zwischen dem Übergangspunkt und dem Schnittpunkt weniger als 90% des Abstands des Schnittpunkts zum Scheitelpunkt der Gewindespitze. So verläuft der Übergang von der elliptischen Gewindespitze in die Gewindeflanke insbesondere tangential. Der Übergang erfolgt damit fließend und das von der Gewindespitze verdrängte Material kann reibungsarm weiter an der Gewindeflanke entlang fließen, wodurch das Furchmoment reduziert werden kann. Die Gewindespitze ist ausreichend stumpf ausgebildet, dass so nur ein geringer Verschleiß eintritt. Auf diese Weise können die Verformungskräfte für den Furchvorgang und damit das Einschraubmoment reduziert werden. Die Ellipse weist gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung eine numerische Exzentrizität Epsilon zwischen 0,5 und 1 auf. Durch die elliptische Gestaltung der Gewindespitze wird an der äußersten Gewindespitze eine robuste Formstruktur bereitgestellt, wodurch diese gute Furcheigens