螺纹成型自攻螺钉和螺纹连接系统以及用于制造螺钉的坯件的制作方法
【专利摘要】一种螺纹成型自攻螺钉，具有至少部分地设有螺纹(2)的杆(1.1)和在该杆(1.1)的端部处的螺钉顶端(1.2)，其中，杆(1.1)具有从螺钉顶端(1.2)延伸离开的螺纹成型的螺纹区段(4)和联接在该螺纹区段(4)处的起承载作用的螺纹区段(3)，其中，起承载作用的螺纹区段(3)具有圆形的截面，其特征在于，起承载作用的螺纹区段(3)在离开螺钉顶端(1.2)的方向上具有关于起承载作用的螺纹区段(3)的长度LG成1:50至1:500的比的螺纹的节径DF和/或外径DA的增量d，优选成DA或DF关于LG为1:100至1:400的比，其中，节径DF和/或外径DA在承载区域的长度LG上的增量d恒定地变化。
【专利说明】螺纹成型自攻螺钉和螺纹连接系统以及用于制造螺钉的坯
件
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种螺纹成型自攻螺钉(gewindeformende Schraube)和带有该螺钉的螺纹连接系统(Schraubverbindung)以及用于制造该螺纹的还件，螺纹成型自攻螺钉具有至少部分地设有螺纹的杆和在该杆的端部处的螺钉顶端，其中，杆具有从螺钉顶端延伸离开的螺纹成型的成型区域和联接到该成型区域处的带有承载螺纹的承载区域以及必要时联接到承载区域处的其他区域，其中，带有承载螺纹的区域相应于圆形的截面。
[0002]在此，螺钉可具有螺钉头部或以不同的方式构造的、用于通过力作用面力导入的驱动侧或在无头部的情况下例如构造为双螺纹螺栓或双头螺钉(还被称为定位螺栓)。
【背景技术】
[0003]通常的螺纹成型自攻螺钉中的大多数具有倒圆的三角形的截面。这种被称为三叶状的(trilobular)几何形状正面地影响对于螺纹形状所必需的扭矩，然而利用这种螺钉建立的螺纹连接针对液体或气体的密封仅通过附加的密封器件来实现。密封的这种类型由于磨蚀效应(其将螺母构件的已成型的螺纹通过螺母构件的弹性的回弹作用到螺钉的螺纹轮廓侧面上)还仅可以极其受限的程度来实现。这尤其适用于盲孔状的螺纹连接，在其中，螺钉的开槽区域(Furchbereich)仍然主动地处于接合中并且由于拧紧长度必须将密封器件应用在该区域中。
[0004]由文件DE 10 2007 010 221 Al已知一种螺钉，其带有用于产生公制螺纹的螺纹成型的螺纹，该螺纹包括在顶端处的成型的螺纹区段和起承载作用的螺纹区段。此外，公开了柱状的螺纹相对于三叶状的螺钉具有这样的优点:螺纹相对于气体和液体至少在很小的压差的情况下是密封的。
[0005]问题在于提供成型螺钉，其针对直接抒紧(Direktverschraubung)提供螺纹连接系统相对于气体和液体的经改善的密封。
【发明内容】
[0006]根据本发明的螺纹成型自攻螺钉具有至少部分地设有螺纹的杆和在杆的背对螺钉头部的端部处的螺钉顶端。杆具有从螺钉顶端延伸离开的螺纹成型的螺纹区段和联接到该螺纹区段处的起承载作用的螺纹区段以及必要时联接到该处的其他区域，其中，起承载作用的螺纹区段具有圆形的截面。起承载作用的螺纹区段在从螺钉顶端离开的方向上且朝螺钉头部具有关于起承载作用的螺纹区段的长度LG成1:50至1:500的比的节径和/或外径的增量，优选成1:100至1:400的比，其中，节径DF和/或外径DA在承载区域的长度LG上的增量恒定地变化。
[0007]螺纹的在朝螺钉头部的方向上后置于成型区域的可完整利用的承载区域通过成所说明的比的锥度使得螺钉的螺纹线能够保持一方面密封地贴靠在承载区域中，另一方面能够密封贴靠在成型在构件中的螺纹线处。[0008]通过起承载作用的螺纹部分的锥状的成型，还在继续进行的旋入深度中抵抗已成型的螺纹线的变平和平整，并且因此维持螺纹轮廓侧面的所限定的夹紧或密封的贴靠。因此提供具有所限定的自锁以及改善的密封功能的螺纹成型自攻螺钉。
[0009]该效果可通过以下方式直观地在旋入简图中来观察，S卩，在螺钉的开槽区域从构件中撤消之后，扭矩的对于直接拧紧典型的侵入减小或者甚至完全取消，并且因此明显的夹紧作用是显而易见的。
[0010]此外，锥形的成型同样引起所谓的过扭矩(Oberdrehmoment,即相应的所施加的扭矩)的升高，在其中，螺纹连接机械地失效，这尤其在薄板螺钉中对于堵塞性(Verbaubarkeit)引起正面的作用。
[0011]在螺纹中的受限定的预紧力的结构确保待紧固的构件(还被称为在具有螺纹连接的构件处的接合物，还被称为螺母构件)的足够的紧固。
[0012]虽然在用于在螺母件中形成螺纹的螺钉的开槽扭矩(Einfurchoment)与用于实现所要求的预紧力的拧紧扭矩之间的力矩差相对于在起承载作用的螺纹区段中无锥形的截面增量的通常的自攻的螺纹连接部通过起承载作用的螺纹区段的根据本发明的恒定的增量和由此构造的锥度来改变，然而这并非是不利的，因为由于螺母螺纹到螺钉上的夹紧作用和/或摩擦以同样的程度提高螺纹连接的过扭矩并且因此还可实现更高的拧紧扭矩以达到所要求的预紧力。
[0013]带有根据本发明的锥度比(Kegelverhjiltnis)的螺钉明显已经与用于自密封的管连接的公制或英制的外螺纹(如其例如从标准DIN 158 -1和DIN 202已知的那样)不同。此处所使用的1:16的锥度比允许已经设有螺纹的两个构件或多或少的平滑的接合直至某个点。后来出现的直至闭锁的约束(Schwergjingigkeit)最后在连接系统内部建立无密封器件出现的密封作用。上面提到的类型的螺纹与适合于成型相应的螺母螺纹的成型区域的组合尤其在盲孔状的连接系统中由于很大的锥形斜度引起旋入力矩的急剧提高，这使得施加相应很高的所限定的预紧力到接合物上变得不可能。因此锥度比如此选择使得仅仅与成型的螺母螺纹的弹性的回弹的损失起反作用，或者还稍微加强该效果。
[0014]锥体的均匀的斜度引起稳定地保持或提升上面说明的夹紧效果，以及同样引起螺母螺纹的密封的贴靠部在整个起承载作用的螺纹部分上均匀地作用到螺钉上。
[0015]根据一有利的改进方案，成型的螺纹区段可具有不同于起承载作用的螺纹区段的截面的截面，尤其具有三叶状的截面。
[0016]因此可使带有例如三叶状的截面的成型的顶端的有利的特性与带有圆形截面的根据本发明来设计的起承载作用的螺纹区段的优点相组合，并且带有螺纹成型区域的三叶状的几何形状的本身不密封的螺纹成型自攻螺钉可同样使用用于密封。
[0017]有利地，承载区域的长度LG可相应于在起承载作用的螺纹区段中的螺纹的至少3倍的螺距。通过螺纹线影响夹紧和密封效果，其中，即使如果螺纹线中的一个应并非完整地来构造，那时由于在成型的螺纹中的流阻总体上仍然可实现足够的密封作用。
[0018]有利地，承载区域的长度可为螺钉的公称直径DN的至少0.8倍。
[0019]本发明的另一对象为螺纹连接系统，包括螺纹成型自攻螺钉和带有用于该螺钉的凹口的构件。螺钉在此如之前说明的那样来构造。
[0020]这种螺纹连接系统一般用于紧固待紧固的构件，即用于在具有螺纹连接的构件处(即在螺母构件处)的接合物。即使与带有1:16的锥度比的放油螺钉或密封塞相比，多次的旋入削弱或排除了密封作用，这种螺纹连接系统在实践中对于在接合后不必再松开的这种构件是重要的。
[0021]本发明的另一对象为用于制造之前说明的螺钉的坯件。该坯件具有:从后来的螺钉顶端延伸离开的后来的螺纹成型的螺纹区段；和联接到该螺纹区段处的后来的起承载作用的螺纹区段，其带有承载螺纹；以及必要时后来联接到承载区域处的其他区域，并且在后来的起承载作用的螺纹区段中具有圆形的截面以及相应于后来的螺纹区段的锥度。
[0022]因此，已经在坯件处预定有相应的锥度，以便在接下来的滚轧工艺中相应于预定的滚轧工具几何形状得到起承载作用的螺纹区段的螺纹型面的尽可能好的充模和轮廓精确的成型。因此坯件的外几何形状理想地示出了后来的螺纹的节径几何形状的平行移位。
[0023]有利地，坯件可在后来的成型的螺纹区段中具有圆形的或三叶状或多叶状的截面。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]借助于附图来阐述根据本发明的螺钉。其中:
图1显示了带有螺纹成型的螺纹的根据本发明的螺钉和螺母件，
图2A在具有圆形截面的顶端的视图中显示了图1的螺钉，
图2B在具有三叶状的截面的顶端的视图中显示了图1的螺钉，
图3显示了起承载作用的螺纹区段的示意性的图示，
图4显示了用于阐述螺纹轮廓侧面的原理图；
图5显示了图1的螺钉的起承载作用的螺纹区段的第一实施方案；
图6显示了图1的螺钉的起承载作用的螺纹区段的第二实施方案；
图7A显示了用于制造根据本发明的螺钉的坯件，其带有具有圆形截面的顶端；
图7B显示了用于制造根据本发明的螺钉的坯件，其带有具有三叶状的截面的顶端；
图8显示了在旋入带有锥形体的螺钉和在旋入不带有锥形体的螺钉时力的变化曲线的比较的简图。
【具体实施方式】
[0025]在图1中示出了带有螺纹成型的螺纹的螺钉I。在杆1.1中引入的螺纹2包括:起承载作用的螺纹区段3，其带有在长度LG上带有圆形截面的螺纹；和带有从螺钉顶端来看的长度Lx的螺纹区段4，其联接到螺纹区段3处、且朝螺钉顶端1.2渐缩、以及负责成型在螺母件10中的螺纹。
[0026]在螺钉的另一端部处设置有带有支承6的螺钉头部5，在该螺钉头部5处联接有螺纹2的长度Ly的螺纹尾扣7，其然后过渡到起承载作用的螺纹区段3中。起承载作用的螺纹区段3在过渡部位8处具有其最大的节径和/或外径GE。
[0027]渐缩的螺纹区段4的螺纹线构造成锐缘并且有助于螺纹的成型，只要其接合到螺母件10中。在渐缩的螺纹部分4中的螺纹的螺距相应于起承载作用的螺纹部分3的螺距，其中，但渐缩的螺纹区段4的直径相对于起承载作用的螺纹部分3的直径减小直到端部直径A上，该端部直径又小于在螺母件10处的直径C。[0028]比起截去顶端的螺纹顶端的情况，由于在渐缩的螺纹区段4中的锐缘的和完全成型的螺纹，螺钉I放置在螺母件10处和开始成型处于接合中的螺纹线更容易。渐缩的螺纹区域4具有0.5倍直至I倍的螺纹公称直径DN的长度Lx。由此得到长度Lx与螺距的比为
4至5，优选为4.^。
[0029]螺纹2的特点在于起承作用的载螺纹区域3，其相对于带有恒定的节径或外径的明确的公制的标准螺纹具有从螺钉顶端朝头部渐增的节径或外径，其中，在起承载作用的螺纹区段3与渐缩的成型的螺纹区段4之间的过渡区域中存在比在起承载作用的螺纹区段3与螺纹尾扣7之间的带有节径或外径GE的过渡区域8中更小的节径或外径FE。相应于名义上的公称直径的节径或外径FE因此在朝过渡区域的方向上增大。
[0030]节径DF和/或外径DA在起承载作用的螺纹区段3的长度LG上在朝螺钉顶端1.2的方向上的增量d关于承载区域的长度LG处成成1:50至1:500的比，优选DA或DF关于LG处成成1:100至1:400的比。承载区域的节径DF和/或外径DA的增量恒定地变化，从而使得起承载作用的螺纹区段从螺钉顶端来看锥形地扩展。
[0031]承载区域的长度LG相应为在起承载作用的螺纹区段3中的螺纹的螺距P的多倍。
[0032]在图1中示出的螺纹连接系统包括螺纹成型自攻螺钉I和具有用于容纳该螺钉的凹口 11的螺母件10。在螺母件10中的凹口 11的芯孔直径(Kernlochdurchmesser) C大于在螺钉端部1.2处的直径A，其中，但是芯孔直径C小于在相对于公制的螺纹区段3渐缩的第一螺纹区段4的过渡处的螺纹直径FE。
[0033]利用根据本发明的螺钉I可建立到螺母件10中的力配合的接合，比起带有自成型的柱状的螺纹的螺纹连接系统的情况，该接合此外由于在起承载作用的螺纹区段中的直径的增量通过加强的形状配合还`更可靠地密封螺纹连接系统，从而使得螺纹相对于气体和液体即使还在更高的压差的情况下是密封的。
[0034]在图2中示出了成型区域4可具有从带有半径RA的顶端1.2出发的、直至带有起承载作用的螺纹区段3的半径RFE的圆形截面的圆形截面或与之不同的截面(此处在图2B中示出的三叶状的截面)。起承载作用的螺纹区段3以其圆形截面相应不依赖于顶端1.2和成型区域4的几何形状从半径RFE变大到半径RGE上。
[0035]在图3中示意性地示出了起承载作用的螺纹区段3的锥状的形状。直径以较小的直径FE为出发点以锥角Alpha在长度LG上增长到直径GE上。
[0036]在图4 一 6中显示了不同的螺纹设计方案。在图4中首先显示了带有螺纹顶端21和螺纹根部22的单螺纹线的原理上的结构，其中，节径23恰好处在螺纹顶端与螺纹根部之间，通过短划线示出。
[0037]在图5中，节径23在螺纹根部22的恒定的直径的情况下上升，因为螺纹顶端21上升，且因此螺纹高度(即在螺纹顶端21与螺纹底部22之间的差)增加。
[0038]在图6中，螺纹高度保持不变并且螺纹根部22的直径以同螺纹顶端21的锥角一样的锥角上升。因为该锥角非常小一即在0.1° — 1.5°的范围中，所以可建立两种类型，而公制螺钉的外观利用裸眼不可感觉到有变化。
[0039]在图7A中示出了用于制造螺钉的坯件31，其具有:杆31.1，其带有从后来的螺钉顶端31.2延伸离开的后来的螺纹成型的成型区域34 ;和联接到该成型区域34处的后来的起承载作用的螺纹区段33，其带有承载螺纹；以及必要时后来联接到该起承载作用的螺纹区段处的其他区域。坯件31至少在后来的起承载作用的螺纹区段33中具有圆形的截面和相应于待制造的螺钉的、带有角度Alpha的锥度，从而使得后来的起承载作用的螺纹区段33的截面从联接到成型区域34处的端部朝面向头部35的端部增大。
[0040]此外，在后来的螺纹成型的螺纹区域34中的截面同样为圆形并且具有朝顶端
31.2渐缩的截面。
[0041]在图7B中示出了坯件31的成型区域34的其他设计方案，更具体地说，同样带有朝顶端31.2的截面渐缩的三叶状的截面，其中，起承载作用的螺纹区域33如在图7A中那样来构造。
[0042]在图8中示出的简图显示了在作为直接拧紧旋入到无自己的螺纹线的螺母构件的通孔中时在螺钉的扭矩与旋转角之间的定性的关系。扭矩以Nm来说明，而旋转角以度来说明且还相应于在直接拧紧时的旋入深度。
[0043]示出了三条曲线K1、K2、K3，其中，最下面的曲线Kl相应于市场上流行的自攻螺钉，而位于其之上的曲线K2和K3相应于带有锥形地成型的起承载作用的螺纹区域的根据本发明的自攻螺钉。曲线K2与曲线K3的区别在于锥形地成型的起承载作用的螺纹区域的锥角，其中，曲线K3的锥角大于曲线K2的锥角。螺纹连接系统的取决于螺纹连接系统的使用目的所必需的自锁可通过选择用于螺钉的合适的锥角来实现，这通过阴影来说明的区域B来标明，该区域示出了不同的锥角和所属的曲线的范围，其中，区域B由曲线K2、K3来限制。
[0044]三条曲线Κ1、Κ2和Κ3在旋转角上来看划分成三个区段1、11和III。在第一区段I中示出了开槽力矩(Furchmoment)的走向，且所有的三条曲线Κ1、Κ2和Κ3处成彼此重叠并且在该情况下从最初接合开槽区域直至在构造开槽区域的最大的螺纹直径时达到最大的开槽力矩F具有扭矩的基本上线性的上升。这在旋转角Dl中实现。在旋入螺钉期间发生螺母件的塑形和弹性的变形，其中，在螺母件中构造出螺纹线。实际的上升本身取决于开槽区域的几何形状并且可不同于线性的走向。在此，圆形的开槽区域和三叶状的开槽区域的开槽力矩同样如此不同，即后者通常更低。为了可进行比较，螺钉的开槽区域(曲线Kl 一Κ3针对其进行了说明)以相同的方式来构造。
[0045]在联接到区段I处的区段II中，开槽区域穿过在螺母件中的通孔并且在进一步逐渐增加的旋转角的情况下发生成型在螺母件中的螺纹的可视作平滑化的塑形变形。一旦完成该平滑化(这在达到旋转角D2之前为该情况)，这还仅留有通过变形的弹性的回弹引起的夹紧力矩ΜΚ，其引起夹紧或自锁。明显的是相应于市场上流行的自攻螺钉的曲线Kl的夹紧力矩处在带有锥状成型的起承载作用的螺纹区域的根据本发明的自攻螺钉的夹紧力矩下方，其中，曲线Κ2的夹紧力矩虽然处在曲线Kl的夹紧力矩之上，但处在曲线Κ3的夹紧力矩之下并且还始终处在最大的开槽力矩F之下。而曲线3的夹紧力矩甚至高于最大的开槽力矩F。
[0046]在很小的锥角的情况下，随着旋转角的增加，即随着继续进行的旋入，至少部分地平衡成型在螺母件中的螺纹线由于截面增加的调节的平滑化。在更大的锥角的情况下附加地实现进一步的材料挤压且因此进一步提高夹紧和夹紧力矩。
[0047]通过在螺母构件中的螺母螺纹的螺纹线形状配合地贴合到螺纹成型自攻螺钉的螺纹线处来调节密封效果，其相对于在市场上流行的自攻螺钉明显地被改善。
[0048]在区段III中，随着在达到旋转角D2时进一步继续进行螺钉的旋入出现螺钉头部支承到螺母构件上或支承到位于螺钉头部与螺母构件之间的接合部分上，这引起螺钉的闭锁。在进一步提高旋转角时通常出现螺母构件的失效，并且螺钉将损伤螺母螺纹。因此，如果螺纹连接在达到过扭矩(还被称为失效扭矩)时失效，曲线K1、K2和Κ3在区段III中终止。曲线Κ1、Κ2和Κ3的端部处成彼此相叠，即，随着锥角的增加螺纹连接的过扭矩也提升。
【权利要求】
1.一种螺纹成型自攻螺钉，具有至少部分地设有螺纹(2)的杆(1.1)和在所述杆(1.1)的端部处的螺钉顶端(1.2)，其中，所述杆(1.1)具有从所述螺钉顶端(1.2)延伸离开的螺纹成型的螺纹区段(4)和联接在该螺纹区段(4)处的起承载作用的螺纹区段(3)，其中，所述起承载作用的螺纹区段(3)具有圆形的截面，其特征在于，所述起承载作用的螺纹区段(3)在离开所述螺钉顶端(1.2)的方向上具有关于所述起承载作用的螺纹区段(3)的长度LG成1:50至1:500的比的螺纹的节径DF和/或外径DA的增量d，优选成DA或DF关于LG为1:100至1:400的比，其中，节径DF和/或外径DA在承载区域的长度LG上的增量d恒定地变化。
2.根据权利要求1所述的螺纹成型自攻螺钉，其特征在于，所述螺纹成型的螺纹区段(4)具有不同于所述起承载作用的螺纹区段(3)的截面的截面，尤其具有三叶状的截面。
3.根据权利要求1至2中任一项所述的螺纹成型自攻螺钉，其特征在于，所述起承载作用的螺纹区段(3)的长度LG相应于在所述起承载作用的螺纹区段(3)中的螺纹的至少3倍的螺距。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的螺纹成型自攻螺钉，其特征在于，所述起承载作用的螺纹区段(3)的长度LG为螺钉的公称直径DN的至少0.8倍。
5.一种螺纹连接系统，包括螺纹成型自攻螺钉(I)和带有用于该螺钉(I)的凹口(11)的构件(10)，其特征在于根据权利要求1至4中任一项所述的螺钉(I)。
6.一种用于制造根据权利要求1至5中任一项所述的螺钉的坯件，具有:从后来的螺钉顶端延伸离开的后来的螺纹成型的螺纹区段(4);和联接在该螺纹区段(4)处的后来的起承载作用的螺纹区段(3)，其带有可由所述坯件制成的承载螺纹；以及必要时后来联接到承载区域处的其他区域，其特征在于，所述坯件在所述后来的起承载作用的螺纹区段中具有圆形的截面和相应于所述后来的起承载作用的螺纹区段的锥度。
7.根据权利要求6所述的坯件，其特征在于，所述坯件在所述后来的螺纹成型的螺纹区段中具有圆形或三叶状的截面。
【文档编号】F16B25/00GK103827519SQ201280033536
【公开日】2014年5月28日 申请日期:2012年7月3日 优先权日:2011年7月5日
【发明者】O.阿姆布罗斯 申请人:拜尔·米歇尔斯有限责任两合公司