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DE3713489A1 - Gewindeelement zum verstaerken einer gewindebohrung - Google Patents

Gewindeelement zum verstaerken einer gewindebohrung

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DE3713489A1
DE3713489A1 DE19873713489 DE3713489A DE3713489A1 DE 3713489 A1 DE3713489 A1 DE 3713489A1 DE 19873713489 DE19873713489 DE 19873713489 DE 3713489 A DE3713489 A DE 3713489A DE 3713489 A1 DE3713489 A1 DE 3713489A1
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DE
Germany
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threaded element
threaded
radius
bore
area
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DE19873713489
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Yoji Shirai
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Rexnord Inc
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Rexnord Inc
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Publication date
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Description

Die Erfindung betrifft ein Gewindeelement zum Verstärken einer Gewindebohrung, beispielsweise in einem Kunststoff oder in einem Druckgußteil aus Zink- oder Aluminiumlegierung, mit einer zentrischen Gewindebohrung und einem Außengewinde auf einer Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilten, vorspringenden Umfangsabschnitten.
Derartige Gewindeeinsätze werden in Kraftfahrzeugen, elektrischen Haushaltsgeräten und in verschiedenen weiteren industriellen Anwendungsgebieten verwendet.
Häufig kann in eine Gewindebohrung in Kunststoff oder einem Druckgußteil aus Zink- oder Aluminiumlegierung ein Gewindebolzen nur mit ungenügender Zugfestigkeit eingeschraubt werden, da das Innengewinde der Gewindebohrung aufgrund der geringeren Festigkeit im Vergleich zu Stahl dazu neigt, zu versagen bzw. zerstört zu werden. In diesem Fall ist eine durch ein eingesetztes Gewindeelement verstärkte Gewindebohrung vorteilhaft. Ein derartiges Gewindeelement ist in der US-PS 32 00 691 gezeigt. Es besitzt an beiden Enden die gleiche Gestalt, so daß es in vorteilhafter Weise mit jedem seiner Enden voran eingebaut werden kann. Wird jedoch das Element in eine Bohrung eingesetzt, deren Innendurchmesser etwas größer als der vorgeschriebene ist, nimmt die Kraft, mittels derer der Einsatz einer Herausziehbewegung widersteht und die im folgenden als Ausziehwiderstand bezeichnet wird, merklich ab. Darin liegt ein gefährlicher Mangel der bekannten Einsätze.
Es ist Aufgabe der Erfindung, den genannten Nachteil zu beseitigen, d. h. ein Gewindeelement zu schaffen, dessen Ausziehwiderstand sich bei einem falschen, bloß geringfügig größeren Bohrungsdurchmesser nur unwesentlich verringert.
Die Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Querschnitt mindestens ein Zwischenabschnitt zwischen den vorspringenden Umfangsabschnitten durch einen Kreisbogen um die Mittelachse des Gewindeelements gebildet ist, dessen Radius nur wenig kleiner ist als der Radius seines Umkreises.
Das Gewindeelement gemäß der Erfindung kann in eine zuvor in ein Material oder ein Teil eingebrachte gewindelose Bohrung durch Selbstschneiden des Gewindes eingebaut werden, wobei es eine im Vergleich zum Stand der Technik größere Überdeckung aufweist, um dadurch den Ausziehwiderstand zu verbessern.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und ein Ausführungsbeispiel der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Vorderansicht eines vertikal angeordneten Gewindeelements im eingebauten Zustand in einem Aufnahmematerial bzw. -teil,
Fig. 2 eine Vorderansicht mit halbseitigem Längsschnitt des vertikal angeordneten Gewindeelements,
Fig. 3 einen vergrößerten Querschnitt durch das Gewindeelement,
Fig. 4 einen vergrößerten Ausschnitt aus dem Querschnitt gemäß Fig. 3,
Fig. 5 einen Querschnitt entlang der Linie V-V in Fig. 1,
Fig. 6 einen Teilschnitt entlang der Linie VI-VI in Fig. 5,
Fig. 7 einen Teilschnitt entlang der Linie VII-VII in Fig. 5,
Fig. 8 einen Teilschnitt entlang der Linie VIII-VIII in Fig. 5.
In Fig. 1 ist ein mit einem Außengewinde 27, 28 versehenes Gewindeelement 20 im vertikal eingebauten Zustand in einem Aufnahmematerial bzw. -teil 22 dargestellt. Wie Fig. 2 zeigt, besitzt das Element 20 ein zentrisch angebrachtes Innengewinde 29 mit standardisierten Abmaßen sowie Innenfasen 34, 34′ und Außenfasen 30, 30′ am oberen und unteren Ende. Alle Fasen 30, 30′, 34, 34′ weisen dabei die gleiche Form auf.
Durch ein mit seinem Außengewinde in das Innengewinde 29 eingreifendes, nicht dargestelltes Eindrehwerkzeug kann das Element 20 in eine zuvor in das Aufnahmematerial bzw. -teil 22 eingebrachte, gewindelose Bohrung 21 eingeschraubt werden, wobei das Element 20 durch sein Außengewinde 27, 28 ein Gewinde in die Oberfläche der Bohrung 21 schneidet.
Der in Fig. 3 dargestellte, vergrößerte Querschnitt des Elements 20 zeigt sechs zwischen Scheitelpunkten gegenüberliegender konkav vorspringender Umfangsabschnitte verlaufende Durchmesser 1, 3, 5, 7, 9, 11 mit dem Maß 2 R (wobei R der Größtradius bezüglich der Mittelachse des Elements 20 ist) und sechs die Mittelachse des Elements 20 und die Basispunkte der konkaven Zwischenabschnitte schneidende Kleinstdurchmesser 2, 4, 6, 8, 10, 12. Jeder zweite durch eine unterbrochene Linie dargestellte, beim Stand der Technik konkave Zwischenabschnitt ist hier durch ein Umfangssegment gebildet, dessen von der Mittelachse aus gemessener Radius R 1 etwas kleiner (Δ r) ist als der Größtradius R.
Das die neue Querschnittsgestalt besitzende Gewindeelement kann unter einem geringen Eingriff mit der Oberfläche der Bohrung und infolgedessen im wesentlichen mit dem gleichen Drehmoment wie beim Stand der Technik eingebaut werden, wobei es aber im Querschnitt eine vergrößerte Überdeckungsfläche in der Wand der Bohrung aufweist.
Im folgenden werden die verwendeten Symbole mit ihrer Bedeutung aufgelistet:
R = OC:Größtradius von der Achse "O" des Gewindeelements zu einem Scheitelpunkt "C" R 1 = OD:ein etwas kleinerer Radius als R R 3 = OA:Radius der Gewindebohrung R′ 3 = OA′:ein etwas größerer Radius als R 3 R 4 = PA:Radius der konvexen Kurve α: ∡AOC,  α′: ∡BOP,  α″: ∡ A′OC
β: ∡OAP,  β′: ∡OBP,  b″:  ∡OA′p
A, E, F:Schnittpunkte der Umfangslinien von R 3 und R 4 A′, E′, F′:Schnittpunkte der Umfangslinien von R 3 und R′ 3 C, H:Schnittpunkte der Umfangslinien von R und R 4 B, D, G:Schnittpunkte der Umfangslinien von R 1 und R 4
Die Teilfläche, mit der das aus dem Stand der Technik bekannte Gewindeelement die Oberfläche der Gewindebohrung überdeckt, ist 6 mal die mit A 1 bezeichnete Fläche ABCDE.
S = 1/2 (R 3 + R 4 + R - R 4) = 1/2 (R 3 + R)
S′ = 1/2 (R 1 + R 4 + R - R 4) = 1/2 (R 1 + R)
S′ = 1/2 (R + R 4 + R - R 4) = 1/2 (R + R)
wobei
S 1 : Fläche von ∆AOP,
S 2 : Fläche von ∆BOP,
S 3 : Fläche von ∆A′OP ist.
Daraus folgt:
Wie bereits oben beschrieben wurde, überdeckt das aus dem Stand der Technik bekannte Gewindeelement die Wand der Bohrung mit der Teilfläche A 1 in 6 Abschnitten. Ebenfalls überdeckt die mit A 2 bezeichnete Fläche A′BCDE′ mit dem etwas größeren Radius R′ 3 die Wand der Bohrung 6 mal.
Die Fläche A 2 ist:
A 1 und A 2 sind durch Kreisbögen definierte Flächen und führen deshalb bei einer geringfügigen Vergrößerung des Innendurchmessers der Bohrung 21 zu einer deutlichen Verminderung der Querschnittsüberdeckungsfläche und so zu einem spürbar geringeren Ausziehwiderstand.
Mit B 1 wird die Fläche CE′F′H und mit B 2 die Fläche CDGH bezeichnet, wobei der Radius der ersteren etwas kleiner (Δ r) ist als der Größtradius.
Mit C wird die Fläche DE′F′G bezeichnet, wobei gilt:
C = B 1 - B 2.
Es folgt, daß die erweiterte Fläche C × 3 ist. Zusammenfassend ist festzustellen, daß die Querschnittsüberdeckungsfläche bei dem aus dem Stand der Technik bekannten Gewindeelement 6 × A 1 und bei dem erfindungsgemäßen Einsatz im Falle des etwas vergrößerten Radius der Bohrung 6 × A 2 + 3 C ist.
Eine vergleichende Liste der individuellen Parameter eines Gewindeelements M 6 lautet wie folgt (alle Einheiten in mm bzw. mm2):
R = 4,70S 1 = 1,89 R 1 = 4,63S 2 = 0,97 R 3 = 4,35S 3 = 1,62 R = 4,45
R 4 = 1,75π R 2 = 69,40 R - R 4 = 2,95π R = 67,35 S = 4,53π R = 59,45 S′ = 4,67π R = 62,21 S′ = 4,575π R = 9,62 α = 17,12°β<bs′<be = 29,71° α′ = 8,14°β′ = 13,79° α″ = 14,29°β″ = 24,59°
A 1 = 2,503 - (5,654 - 3,780) = 0,629
0,629 × 6 = 3,774
A 2 = 0,379   A 1 × 6 = 0,379 × 6 = 2,274
B 1 = 1,198 - 0,379 = 0,819
B 2 = 0,342 - 0,052 = 0,29
C = B 1 - B 2 = 0,819 - 0,29 = 0,529
C × 3 = 0,529 × 3 = 1,587
A 1 × 6 = 3,774
A 2 × 6 + C × 3 = 2,274 + 1,587 = 3,861
Der Inhalt der Fläche A 1 × 6 beträgt 3,774 mm2, wogegen der Inhalt der Fläche A 2 × 6 den Wert 2,274 mm2 aufweist, was 60,3% der erstgenannten Fläche entspricht. Dies zeigt, daß eine Vergrößerung des Bohrungsradiusses um 0,1 mm von einer deutlichen Verringerung der Querschnittsfläche begleitet ist und daß als Folge davon der Ausziehwiderstand stark abnimmt. Es ist deshalb für die Lösung des Problems unbedingt erforderlich zu vermeiden, daß die Überdeckungsfläche im Vergleich zu der Fläche A 1 × 6 sehr viel kleiner wird. Im Hinblick auf diesen Sachverhalt verleiht die Gestaltung der Querschnittsfläche des erfindungsgemäßen Gewindeelements eine Überdeckungsfläche von A 2 × 6 + C × 3 = 3,861 mm2, was 1,02 mal so groß ist wie die Fläche A 1 × 6. Somit hat sich bei den beispielhaft angegebenen Maßen ergeben, daß die neue Form des Gewindeelements selbst bei fälschlich zu großem Bohrungsdurchmesser immer noch einen im wesentlichen gleichen Ausziehwiderstand besitzt wie ein herkömmliches Gewindeelement bei korrektem Bohrungsdurchmesser.
Im folgenden wird die Funktion des erfindungsgemäßen Gewindeelements 20 erläutert. Wie in Fig. 1 gezeigt, ist das Element 20 in eine Bohrung 21 eines Materials bzw. eines Teiles 22 vertikal eingeschraubt. Fig. 6 zeigt den Vorgang, bei welchem der Kopf des Außengewindes 27, 28 des Gewindeelements 20 ein Innengewinde 32, 33 in die Wand der Bohrung 21 schneidet. Mit 26 ist der Gewindegrund des Außengewindes 27, 28 bezeichnet (Fig. 2). Fig. 7 verdeutlicht, daß die Aussparung des durch das Außengewinde 27, 28 in der Bohrungswand 31 geformten Gewindes aufgrund der Kontraktion des Materials im Verlauf des weiteren Gewindeschneidens erzeugt wird. In Fig. 8 findet sich zwischen dem durch das Außengewinde 27, 28 ein Freiraum. Dieser Freiraum verringert den Widerstand beim Einschrauben. Selbstverständlich erlaubt der Freiraum auch die vorerwähnte Kontraktion der erzeugten Aussparung beim weiteren Schneiden des Gewindes in die Bohrungswand 31. Dies ist vorteilhaft, um die Schraubverbindung zwischen dem Gewindeelement 20 und der Bohrungswand 31 am Lösen infolge von beispielsweise Vibrationen zu hindern. Desweiteren erlaubt das Außengewinde 27, 28 des Gewindeelements 20, daß eine axiale Last radial außen an der Flanke des Außengewindes 27, 28 des Gewindeelements 20 angreift und nicht am Gewindegrund. Aufgrund der axialen Last kommt es zu elastischen Verformungen im Bereich der Anlage des Innengewindes 32, 33 der Bohrungswand 31 an dem Außengewinde 27, 28. Auf der anderen Seite bleibt das Innengewinde 32, 33 radial außerhalb der im Radius etwas kleineren Umfangsabschnitte DG in Fig. 4 des Außengewindes 28 durch die axiale Last unbeeinflußt. Hierdurch wird eine kleine Verformung des Innengewindes 32, 33 jeweils an der Grenze zwischen dem Scheitelbereich der vorspringenden, konvexen Umfangsabschnitte und dem im Radius etwas kleineren Umfangsabschnitt des Außengewindes 28 erreicht, was ebenfalls ein Lösen vor Vibrationen verhindert.
Die erfindungsgemäße Querschnittsgestalt kann leicht durch Ziehen von Stangenmaterial durch eine Ziehmatrix erzeugt werden. Eine Massenproduktion ist durch den Einsatz von Automaten möglich.
Das erfindungsgemäße Gewindeelement kann als Einsatz zur Verstärkung einer Bohrung in einem Aufnahmematerial bzw. -teil verwendet werden und bei im wesentlichen unvermindertem Ausziehwiderstand seinen vorbestimmten Zweck erfüllen, solange die Abweichung des Durchmessers der Bohrung nicht 0,2 mm überschreitet.

Claims (5)

1. Gewindeelement zum Verstärken einer Gewindebohrung, beispielsweise in einem Kunststoff oder in einem Druckgußteil aus Zink- oder Aluminiumlegierung, mit einer zentrischen Gewindebohrung und einem Außengewinde auf einer Vielzahl von gleichmäßig über den Umfang verteilten, vorspringenden Umfangsabschnitten, dadurch gekennzeichnet, daß im Querschnitt mindestens ein Zwischenabschnitt zwischen den vorspringenden Umfangsabschnitten durch einen Kreisbogen um die Mittelachse des Gewindeelements (20) gebildet ist, dessen Radius nur wenig kleiner ist als der Radius seines Umkreises.
2. Gewindeelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius des mindestens einen Zwischenabschnitts nur um einen Bruchteil der größten Gewindehöhe des Außengewindes (27, 28) kleiner ist als der Radius des Umkreises.
3. Gewindeelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sechs konvexe Umfangsabschnitte aufweist, und die nicht durch einen Kreisbogen um die Mittelachse gebildeten Zwischenabschnitte konkav ausgebildet sind.
4. Gewindeelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß es an beiden Enden identisch ausgebildet ist.
5. Gewindeelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwei durch einen Kreisbogen um die Mittelachse des Gewindeelements (20) gebildete Zwischenabschnitte diametral gegenüber angeordnet sind.
DE19873713489 1986-04-23 1987-04-22 Gewindeelement zum verstaerken einer gewindebohrung Withdrawn DE3713489A1 (de)

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