CN107152444A - 螺钉以及用于泡沫塑料制成的部件的螺钉连接件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种螺钉连接件，包括支撑构件、附加构件以及螺钉，以将支撑构件紧固到附加构件，其中，支撑构件具有塑料的管或者螺钉凸台，从而以摩擦以及正配合的方式容纳螺钉，并且管由热塑性泡沫构成。本发明的螺钉具有钝边螺纹，其能够使得螺钉在随着其被旋入而在管中压缩泡沫。管的内径与螺钉的直径的比率取决于管的发泡度，并且该比率随着发泡度增加而减小。这意味着与传统螺钉相比，螺纹不太深入地穿入到泡沫中或者它们使泡沫移位。该效果防止了对管的损坏。然而，螺钉也形成非常紧密的嵌合。

Description

螺钉以及用于泡沫塑料制成的部件的螺钉连接件

技术领域

本发明涉及一种螺钉(screw)以及一种支撑部件与附加部件之间的螺钉连接件(screw connection)，其中，支撑部件具有塑料管，用以以摩擦和正配合的方式容纳螺钉，并且至少所述管是由泡沫塑料制成的。本发明还涉及一种利用螺钉将支撑部件连接到另一部件的方法。

背景技术

塑料主要由于其高强度和低重量而被应用在诸如汽车工业这样的多个领域。对用于获得塑料部件的可分拆连接的螺钉连接件具有特殊要求，传统的金属板材或木螺钉不能满意地满足要求，或者完全不能满足要求。

特别地，在背景技术中已知螺纹成型螺钉或螺纹滚压螺钉，并且它们被归入术语“木螺钉”。它们主要包括头部和螺杆芯，头部和螺杆芯是细长椎体的形式或者朝着螺杆的尖端的点大致逐渐变细的销的形式。螺杆芯由从螺纹根部径向突出的螺旋外周切削缘包围，该螺旋外周切削缘过渡到切削螺纹的两个牙侧(flank)中，具有或多或少的急弯。反过来，牙侧设置有从螺纹根部到牙顶的恒定的螺距，结果，在两个牙侧线之间获得均匀的螺纹角。这种类型的螺钉还用于将塑料螺固在一起。

另外，在汽车工业中集中于轻量化结构的竞争导致了塑料的应用范围不断扩大，包括了物理或化学泡沫的使用的增加，该物理或化学泡沫利用空气(氮气，CO2)代替了塑料材料。在使用或类似方法生产的物理泡沫的情况下，将诸如氮气，二氧化碳或化学发泡剂这样的物质在超临界状态下在压力下注入熔融塑料中并均匀分布。在注入非加压模具中之后，气体与熔体分离并形成了细孔泡沫结构。保持压力的省略和降低的粘度、最小化或消除的凹痕和应力是支持这种趋势的主要方面。

当在包括泡沫塑料的塑料中使用时，所有已知的螺钉都具有例如通过使螺钉入口破裂或者应力破裂而损坏其所进入的塑料的缺点。同时，所述螺钉还需要相对高的旋入扭矩。在使用MuCell注塑成型件的螺钉连接件中，压缩层(compact layer)，即部件的外层被损坏，导致传统的螺钉完全失去其在泡沫层的剩余部分中的保持作用。

从DE10048975C1、DE102009024264A1以及EP2185828B1中已知用于装接塑料部件的其它方法。例如，DE10048975C1公开了具有圆柱形内孔的泡沫POM的螺母，其拧固在螺纹栓上。该情况下的螺母可以通过其泡沫材料弹性地压缩，或者当拧固螺母时，螺栓的螺纹可以压入螺母中。DE102009024264A1呈现了一种方案，其中，螺母设置有内径不同的部分，以使其备用于具有不同外径的螺栓。EP2185828B1描述了一种具有截断的螺纹牙顶和锐螺纹底角的螺钉，以在第一次钉入螺钉时产生螺纹。

在DE102014114165中公开了一种用于整体泡沫部件的螺钉，其适合于在管中的非螺纹滚压应用。

发明内容

因此，本发明的目的是创造一种螺钉，其中，确保了当旋入扭矩力相对高时在螺钉与泡沫塑料之间的改进的直接连接。

通过独立权利要求的特征实现该目的。在从属权利要求、说明书和附图中得到发明的有利的其它发展。

根据本发明，提供一种螺钉连接件，包括支撑构件、附加构件以及螺钉，以将支撑构件紧固到附加构件，其中，支撑构件具有塑料的管或者螺钉凸台，从而以摩擦以及正配合的方式容纳螺钉。此处，管由热塑性泡沫构成。本发明的螺钉具有钝边螺纹，其中，螺钉随着其被旋入而压缩管的泡沫。管的内径与螺钉的直径的比率取决于管的发泡度。发泡度越大，比率越低。在低发泡度(气体在组分体积中的比例或通过添加气体降低的组分的密度)的情况下。例如，在2-5％的发泡度的情况下，比率大于0.8，并且特别地在0.85至0.95之间。随着发泡度增加，比率降低。在5-10％的发泡度的情况下，比率在0.7至0.9，特别地在0.75至0.85之间，或者在大于10％的发泡度的情况下，比率为0.5至0.8，特别地0.6至0.8。

在发泡度保持不变的同时添加玻璃纤维或其它稳定添加剂，这增加了比率。与传统螺钉相比，螺钉螺纹不太深入地穿入泡沫材料内或者使其移位。该效果防止了对管的损坏。然而，螺钉形成非常紧密的嵌合。

通过使用根据本发明的钝边螺纹形成轮廓使得热塑性泡沫能够使其形状随着螺钉被旋入而通过塑性变形和摩擦紧密地适合于钝形的螺纹牙顶和根部，而不被切削。换言之，在螺钉被旋入的同时，材料移位并且被压缩，而不是被侵入式切削。因为特别地，由螺钉施加的螺纹更耐受螺钉的过度紧固，更耐受切削螺纹的剪切，由此避免了管或者旋入开口的破裂或开裂。从而，能够重复地旋入和移除螺钉。

根据本发明，螺纹具有从螺钉的牙顶向根部测量的30°至90°，优选地大于60°的牙侧角。这导致钝角的形状，其中角度可以在牙侧的宽度区域上变化。

钝的螺纹，也即牙侧与螺纹根部之间的圆的过渡导致了无缺口的螺钉轮廓，从而进一步减小了塑料和/或泡沫上的应力。

牙侧与螺纹根部之间的过渡可以逐段地产生，且作为第一区段的螺纹范围具有30°至90°并且优选地大于60°的牙侧角。牙侧与螺纹根部之间的过渡中的第二区段呈现了带有145°至170°角度的切向过渡。第三区段具有在两牙侧之间的螺纹根部，并且呈现了具有170°至180°的角度的圆的区段。

螺纹的边缘优选地使圆的，并且特别地与螺钉的尖端隔开。切入材料总是意味着材料在切削边缘处被削弱。圆的边缘防止螺钉切入材料内。相反，螺钉通过移位和压缩而被旋入材料中。

特别是当螺纹高度与宽度的比率小于1，特别地小于2时，管的材料稍微移位。

在本发明的其他有利实施例中，螺钉具有尖端以刺穿管的底部。该处的螺纹不是圆的，而是尖锐成点或者是尖锐的边缘。此处，螺纹还可以是切削以容易地刺入管的底部内的螺纹。作为代替，螺钉能够以如下方式相对于管而构造：螺钉具有当其被旋入时卡在管的底部的钝的尖端。这意味着在其最终状态下，当尖端到达管的底部时，螺钉被附加地压入到已经通过移位而在管中产生的螺纹中，从而增强了管中的螺钉的夹紧力。

螺距优选地是变化的。使螺距变化意味着相邻的螺纹之间的间隔不是恒定的。改变螺距，使得材料能够随着螺钉的旋入而被压缩或拉伸。螺钉对材料的这种额外的拉紧增加了连接的强度。当较小的螺距的区域增加时，增加螺纹与螺钉的尖端的距离导致在旋入操作结束时的较大的摩擦和/或较高的扭矩。

在优选实施例中，螺纹边缘与螺钉的中心轴之间的间隔变化。这优选地发生在螺钉头附近。距离可以更接近螺钉头地增加。边缘的较大的距离意味着较大的螺纹区域在管中施加摩擦，这导致在旋入操作结束时较大的摩擦或较大的扭矩。

如果螺纹的轮廓具有变化的几何形状，特别是如果螺纹的角度随着其靠近螺钉的头部而增加，则同样是有利的。利用螺钉头附近的增加的角度，将开始移除螺钉时的扭矩维持在高水平。

取决于螺钉长度和直径，螺钉优选地具有大于2mm的螺距值，以在两螺纹之间保持尽可能多的压缩层的材料免于开裂。

螺钉优选地具有垫圈，该垫圈具有相比于螺钉头的增大的直径。垫圈或者固定在螺钉头上，或者在螺钉头上自由旋转。

如果螺钉具有4、4.5、5、5.5或6mm的直径以及12至20mm的长度，则能够实现汽车工程中的大多数螺钉连接件。

本发明的另一有利的实施例提供了：在化学或者物理发泡工艺，特别是MuCell工艺中生产构件的管的热塑性泡沫。这产生了内管和外管结构，给定的螺钉几何形状非常适合于该结构，以特别是在不同的塑性稠度(consistency)的情况下确保螺钉与发泡塑料之间的重型连接。

至少管优选地由带有致密外层的一体的泡沫或者微孔泡沫构成。为提高热绝缘性，塑料层能够包括气体沉积物。例如可以使用MuCell工艺制造这些气体沉积物。在该方法中，在注射工艺期间，小的、精确定量的氮和二氧化碳被引入到塑料熔体中。利用该方法，能够获得无应力并且因此尺寸非常均匀的单元结构(cell structure)。然而，除了使用氮和二氧化碳，还能够使用其他化学或物理起泡剂。

塑料层优选地具有允许单元孔隙集中在塑料层体积的107至1010个单元/cm³的范围内的气体沉积物。

管优选地具有0.1至3mm，优选为0.7至1.5mm厚的侧壁，以及0.1至3mm，优选为0.7至1.5mm厚的底部。即使侧壁，即压缩(外)层非常薄，即泡沫的比例小，本发明的螺钉也能够在螺钉被旋入时防止压缩层的破坏。

传统的直接旋入塑料中的螺钉需要在管的底部处的空闲空间，以容纳从螺纹切削积累的塑料残余物。相比之下，带有本发明的螺钉的管能够更短。管的高度小于一个螺钉的长度。因此，螺钉尖端穿过管的底部或者在底部卡住。由于移位不留下任何碎屑，所以不需要空闲空间。

为了更容易的旋入操作，与本发明的螺钉相关的管可以被修改使得管的开口变宽，特别是以比纯粹由工具引起的倾斜所获得的角度大的角度变宽。到垂线的角度为0.5°至5°，特别为3°至5°。

本发明的另一方面涉及一种利用螺钉将支撑构件连接到另一构件的方法。方法包括以下步骤：

使用化学或者物理发泡工艺，特别是MuCell工艺形成具有由热塑性泡沫制成的管的支撑构件；

提供螺钉，该螺钉具多个钝边螺纹，其外径至少部分地比所述管的内径大，其中，所述管的内径与所述螺钉的外径的比率大于0.8，特别地在0.85与0.95之间；

将附加构件放置在所述管上；以及

以非螺纹滚压方式将所述螺钉通过所述附加构件而旋入并且将所述螺钉旋入所述管中，其中，所述螺钉随着其被旋入而压缩所述管的泡沫。该方法使得能够重复使用螺钉至十次，而没有破坏性影响。

附图说明

下面参考附图更加详细地说明本发明的各个实施例。

在附图中：

图1示出通过具有螺纹滚压螺钉(背景技术)的传统的紧密注塑成型材料的塑料管的截面；

图2示出通过使用MuCell工艺生产的、具有根据本发明的螺钉的塑料管的截面；

图3示出通过螺纹的截面，并且提供了螺纹的轮廓的信息；

图4示出另一实施例中的使用MuCell工艺生产的、具有根据本发明的螺钉的塑料管的截面；

图5和6示出根据本发明的螺钉的其他实施例；

图7至9示出本带有本发明的各种螺钉的管的相互作用。

参考标记列表

螺钉连接件1

载体/支撑构件2

螺钉3

管4

螺纹5

附加构件6

垫圈7

压缩/外层8

螺纹牙顶13

螺距14

螺钉的外径15

牙顶到中心轴的距离18

螺钉尖端20,21

螺钉头22

牙侧，第一区段23

螺纹根部24

第二区段25

管的内径26

管的高度30

底部厚度31

管开口32

管底部33

管侧壁的角度a

螺纹宽度b

螺纹高度h

螺钉的中心轴m

螺纹牙侧角w

螺纹区段的角度w1,w2,w3

具体实施方式

图1示出通过带有传统的螺纹滚压螺钉的致密注塑成型材料的现有技术塑料管4的截面的侧视图。当在塑料中使用时，已知的尖锐边缘的螺钉具有通过使螺旋开口破裂或通过应力破裂而损坏被旋入的塑料的缺点。同时，需要相对高的扭矩以驱动螺钉。

在使用MuCell注塑成型部件的螺钉连接件中，压缩层被这种螺钉损坏，结果，传统的螺钉完全失去其在泡沫层的残留物中的保持作用，并且几乎不能在第二次中拧紧。

图2示出通过带有根据本发明的螺钉3的使用MuCell或其他类似工艺制造的塑料管4的截面的侧视图。螺钉3的外形可以是圆锥形的。通常地，螺钉直径测量为4、4.5、5、5.5或6mm，螺钉长度为12至20mm。

管4由带有压缩的外层(压缩层8)的一体的泡沫或者微孔泡沫构成。关于螺钉3，带有钝形的螺纹牙顶5和圆形螺纹根部的轮廓5使得热塑性泡沫的压缩外层能够在螺钉旋入时通过塑性变形和摩擦而使其形状紧密地适应螺钉，而不被切削。直接在图2中图示出材料移位或压缩。压缩层8不断裂，而是仅仅被压入管4的较软的内层。这些带有2％至5％的泡沫比例的层具有一定的弹性度，使得在移除螺钉3之后，“螺纹”恢复到其原始形式。避免了管4的破裂或断裂。这也是由于螺纹5的螺纹角w是钝角的结果，在该情况下是110°。

例如，牙侧与螺纹根部之间的过渡在此逐段地进行。作为第一区段(牙侧23)，图3中的外螺纹区域具有30°至90°的牙侧角，优选地大于60°。到第二部分或区段25的过渡可以是清晰的突变。牙侧23与螺纹根部24之间的过渡中的第二区段25呈现出具有145°至170°的角度w2的切向过渡。第三区段包含两牙侧23之间的螺纹根部24，并且呈现了具有170°至180°的角度w3的圆形区段。

图4示出在旋入操作期间通过带有使用MuCell工艺或类似工艺生产的塑料管4的支撑构件2的截面的另一实施例。示出的管4代表基本上比压缩管小的应力消除管。对于本发明的螺钉3，在所选择的2-5％的发泡度下，管4的内径26与螺钉3的外径15的比率为0.85至0.95，并且从而比具有0.8的比率的传统螺钉的尺寸大得多。如果发泡度增加，则比率变小。管4的位于压缩层8“后方”的材料较软，并且产生低的反作用力。因此，螺钉3将需要更进一步地贯通到管4内，以产生相等的扭矩。如果玻璃纤维或其它强化元件以相同的发泡度注入到管4或支撑构件2的塑料中，则联结(linkage)增加，尽管具有较高的发泡度，管4变得更稳定，并且该比率可再次增大。由于对于相同的螺钉需要较少的材料，所以大的比率(方法1)是有利的。

当被旋入时，螺钉3将自身压入管4的外层内，并且穿入管底33。管4被稍微打开。开口角度a为3°至5°。与插入引导类似，这使得易于将螺钉3置入管4中。驱动螺钉时施加的扭矩通过角度a而增大。

图5和6是螺钉3的两种另外的变型的示意图，两种螺钉中的每个螺钉均具有连接到轴的螺钉头22。根据图5的螺钉3再次图示了螺纹的分段。牙侧在两阶部23、25中从螺纹根部24上升。如图5所示，螺纹的螺距14可以变化。螺距14朝着螺纹头22减小，结果，扭矩随着旋入操作接近完成而增加。

相比之下，图6中的螺钉示出了螺钉的牙顶13与轴的中心轴m之间的距离18可以变化。距离18随着螺纹接近螺钉头22而增加，反过来其结果是扭矩随着旋入操作接近完成而增加。

图7示出在旋入操作之前的支撑构件2的管4。附加部件6放置在管4上，并且旨在与支撑构件2连接，以形成螺钉连接件。管4具有从其开口32到其底部33的高度30。开口32比管4的(在高度30的大约中间测得的)内径26大。这是在3°至5°的范围内的开口角度a的基础上，如上所述。

图8和9示出具有不同长度31和尖端20、21的两个螺钉3。螺钉的顶端可以是钝角尖或锐角尖。图8中的螺钉的端部20能够具有短的、尖的切削部分，然后其过渡到钝形。过渡可以是平滑的或者急剧的。该带有螺纹切削部的尖端20适用于刺穿管4的底部33并且将螺纹转入该底部。为此目的，螺钉3(从螺钉头到尖端20的高度31)比管4的高度长得多。

图9的螺钉3稍短，但仍然比管4的高度30略长。当螺钉3被驱动到该管4中时，其将卡塞在管4的底部33处。这意味着其可以是钝形的，并且不需要刺穿底部。然而，由于卡塞，扭矩在旋入操作接近结束时增加。图9还示出了在螺钉头22处增加了自由旋转垫圈7，以在附加构件2固定就位时将力分布在较大的面积上。

Claims (23)

1.一种螺钉(3)，该螺钉(3)用于具有由热塑性泡沫制成的支撑构件(2)的螺钉连接件，该螺钉连接件包括管(4)，该管具有至少2％的预定发泡度，并且所述螺钉连接件还包括附加构件(6)，该附加构件具有用于将泡沫压缩的钝边螺纹(5)，其中，所述管(4)的内径(26)与所述螺钉(3)的外径(15)的比率基于所述管的发泡度设定，并且所述比率随着所述发泡度增加而降低，且所述螺纹(5)具有30°至90°的牙侧角(w)。

2.根据权利要求1所述的螺钉，其中，在2％至5％的发泡度的情况下，所述比率大于0.8，特别为在0.85与0.95之间，或者在5％至10％的发泡度的情况下，所述比率在0.7与0.9之间，特别为0.75至0.85，或者在大于10％的发泡度的情况下，所述比率在0.5与0.8之间，特别为0.6至0.8。

3.根据权利要求1或2所述的螺钉(3)，其中，所述螺钉头(5)具有大于60°至90°的牙侧角(w)。

4.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，包括螺纹(5)，该螺纹至少部分地特别在距所述螺钉(3)的尖端(20、21)一定距离处具有圆形的牙顶(13)。

5.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，螺距(14)大于2mm。

6.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，所述螺钉(3)具有尖端(20)，该尖端(20)被设置为刺穿所述管(4)的底部(33)。

7.根据权利要求5所述的螺钉(3)，包括被限制到所述螺钉(3)的尖端(20)附近的区段的螺纹切削螺纹(5)。

8.根据权利要求1至5的任意一项所述的螺钉(3)，包括钝尖端(21)，该钝尖端(21)在被旋入时卡塞在所述管(4)的底部(33)处。

9.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，所述螺钉(3)的螺距(14)沿着所述螺纹(5)变化，并且特别地朝着所述螺钉的尖端(20、21)增加。

10.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，所述螺纹(5)的牙顶(13)与所述螺钉的中心轴(m)的距离(18)是变化的，并且特别地朝着所述螺钉的尖端(20、21)减小。

11.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，所述螺纹(5)的轮廓在几何形状上变化，并且特别地所述螺纹(5)的角度朝向螺钉头(22)增加。

12.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，包括固定的或者自由旋转的垫圈(7)，该垫圈的直径比所述螺钉头(22)的直径大。

13.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，轴具有4至6mm的外径(15)以及12至20mm的长度(30)。

14.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，所述螺纹(5)的高度(h)与所述螺纹(5)的宽度(b)的比率小于1，特别地小于2。

15.根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)，其中，所述螺纹(5)在牙侧(23)与螺纹根部(24)之间具有圆形的过渡。

16.根据权利要求15所述的螺钉(3)，其中，所述牙侧(23)与所述螺纹根部(24)之间的过渡由区段形成。

17.根据权利要求16所述的螺钉(3)，其中，所述过渡包括：作为第一区段(23)的外螺纹区域，所述第一区段具有30°至90°的牙侧角(w1)，优选为大于60°的牙侧角(w1)；在所述牙侧(23)与所述螺纹根部(24)之间的过渡中的第二区段(25)，该第二区段具有145°至170°的角度(w2)的切向过度；以及第三区段，该第三区段在两个所述牙侧(23)之间的螺纹根部(24)处具有170°至180°的角度(w3)。

18.一种螺钉连接件，包括：根据前述权利要求的任意一项所述的螺钉(3)；带有管(4)的支撑构件(2)；以及附加构件(6)，其中，所述构件(2)的所述管(4)的热塑性泡沫材料利用化学或者物理发泡工艺生产，特别利用MeCell工艺或者一体泡沫注塑成型工艺生产。

19.根据权利要求18所述的螺钉连接件，其中，至少所述管(4)由带有压缩外层的一体的泡沫或者微孔泡沫构成。

20.根据权利要求18或19所述的螺钉连接件，其中，所述管(4)具有压缩层(8)，该压缩层(8)具有：0.1至3mm、特别为0.7至1.5mm的侧壁厚度；和0.1至3mm、特别为0.7至1.5mm的底部厚度(31)。

21.根据权利要求18至20的任意一项所述的螺钉连接件，其中，所述管(4)具有比从所述尖端(20、21)到所述螺钉头(22)的基部的所述螺钉(3)的长度(31)小的内部高度。

22.根据权利要求18至21的任意一项所述的螺钉连接件，其中，所述管(4)朝着所述管(4)的开口(32)变宽，并且特别地，与垂线的角度(a)在0.5°至5°之间，特别地在3°至5°之间。

23.一种利用螺钉(3)将支撑构件(2)连接到附加构件(6)的方法，所述方法包括以下步骤：

使用化学或者物理发泡工艺，特别利用MuCell工艺形成具有由热塑性泡沫制成的管(4)的支撑构件(2)；

提供螺钉(3)，该螺钉(3)具有多个钝边螺纹(5)以及外径(15)，该外径(15)至少部分地比所述管(4)的内径(26)大，其中，所述管(4)的内径(26)与所述螺钉(3)的外径(15)的比率取决于发泡度，并且该比率随着所述发泡度增加而减小，并且所述螺纹(5)具有30°至90°的牙侧角(w)；

将附加构件(6)放置在所述管(4)上；以及

以非螺纹滚压方式将所述螺钉(3)通过所述附加构件(6)而旋入，并且将所述螺钉(3)旋入到所述管(4)中，其中，所述管(4)的泡沫随着所述螺钉(3)被旋入而被压缩。