DE102013002631A1 - Bauteilverbindung für ein Anbauteil an einem Trägerteil - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteilverbindung für ein Anbauteil (10) an einem Trägerteil (12), insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffteil an einem Rohbauteil eines Kraftfahrzeugs, bei der das Anbauteil (10) über ein, eine Ausnehmung (10a) desselben durchdringendes Schraubelement (16) sowie über eine Klebestoffschicht (18) mit dem Trägerteil (12) fest verbunden ist. Zur Schaffung einer montageeinfachen und hochfesten Verbindung wird vorgeschlagen, dass in der Ausnehmung (10a) des Anbauteils (10) ein hülsenförmiges Adapterteil (14) insbesondere kraft- und/oder formschlüssig eingesetzt ist, durch das das Schraubelement (16), insbesondere mit Lochspiel, geführt ist, und dass das Adapterteil (14) zur Einstellung einer Klebspaltdicke das Anbauteil (10) zum Trägerteil (12) hin um einen definierten Überstand (a) überragt.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bauteilverbindung für ein Anbauteil an einem Trägerteil, insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffteil an einem Rohbauteil eines Kraftfahrzeugs, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie ein Verfahren nach dem Patentanspruch 10.
  • Eine gattungsgemäße Bauteilverbindung betrifft beispielsweise ein CFK-Anbauteil mit einem Aluminium-Trägerteil. Das CFK-Anbauteil ist hierbei bereits vorgelocht. Aufgrund von Bauteil-, Aufbau- und Robotertoleranzen muss das Vorloch im CFK-Anbauteil deutlich größer als der Gewindedurchmesser der Schraube sein, damit eine sichere Verschraubung ermöglicht und das CFK-Anbauteil nicht beschädigt wird. Zwischen dem CFK-Anbauteil und dem Aluminium-Bauteil befindet sich ein Klebstoff, um die Festigkeit oder Dichtigkeit zwischen den Bauteilen zu erhöhen sowie eine Korrosion zu vermeiden.
  • Die beiden oben genannten Bauteile werden in einem Fügeverfahren miteinander verbunden, bei dem eine loch- und gewindeformende Schraube (beispielsweise eine Fließlochschraube) zunächst durch das Vorloch im CFK-Bauteil geführt wird und anschließend unter Druck sowie Drehzahlbeaufschlagung gegen das nichtvorgelochte Aluminium-Bauteil gepresst wird. Dadurch formt sich im Aluminium-Bauteil ein Fließlochdurchzug sowie anschließend ein Gewinde. Die so gebildete Bauteilverbindung wird im Gegensatz zu herkömmlichen Schraubverbindungen in der Regel nicht mehr gelöst. Eine Hauptfunktion dieses Fügeverfahrens besteht darin, eine Fixierung der beiden Bauteile zueinander bis zur Aushärtung des zwischen den beiden Bauteilen befindlichen Klebstoffes zu gewährleisten.
  • Der Klebstoff wird noch vor der oben dargelegten Verschraubung auf eines der beiden Bauteile aufgetragen. Anschließend werden die beiden Bauteile zusammengefügt und positioniert. Bei der Klebstoffapplikation ist darauf zu achten, dass beim Zusammenführen und Positionieren der beiden Bauteile kein Klebstoff in die Vorlöcher des CFK-Bauteiles dringt. Es besteht nämlich die Gefahr, dass beim Eintreiben der Schraube in den Bauteilwerkstoff des Trägerbauteiles der Klebstoff durch die mit hoher Drehzahl rotierende Schraube verspritzt wird und dadurch zum Beispiel ein auf die Schraube aufgesetzter Niederhalter verschmutzt wird. Bei Auflage des Schraubkopfes am CFK-Bauteil kann durch zunehmende Klemmung ebenfalls Klebstoff austreten. Dadurch kann beispielhaft der Schrauber-Bit verschmutzt werden. Da die verschmutzten Anlagenteile in axialer Richtung bewegt werden, pflanzt sich die Klebstoffverschmutzung in der Schraubanlage fort. Dies kann zu einem hohen Wartungsaufwand, zur Beeinflussung der Schraubparameter oder zu Anlagendefekten führen, insbesondere bei 2K-Klebstoffen.
  • Zudem wurde die folgende Problematik erkannt: Beim Anziehen der Schraube bis auf ein Abschaltdrehmoment entsteht nämlich eine Klemmkraft, die das CFK-Bauteil in Richtung auf das untere Trägerteil drückt. Dadurch wird der Klebspalt im Schraubenbereich nahezu vollständig verpresst bzw. stark minimiert, das heißt der Klebspalt bildet sich mit ungleichmäßigem Spaltmaß aus. Dies kann nachteilhafte Folgen für die Klebverbindung haben.
  • Aus der DE 10 2011 012 938 A1 ist eine Bauteilverbindung bekannt, bei der in ein flächiges Kunststoffteil ein hülsenförmiges Adapterteil fest eingeklebt ist.
  • Das Kunststoffbauteil ist über ein Schraubelement fest mit einem Trägerteil bzw. einem Rohbauteil eines Kraftfahrzeugs verbunden. Der Kraftschluss nach der Montage des Bauteils verläuft gezielt von dem Trägerteil über die Schraubverbindung mit dem Adapterteil auf das Kunststoffteil. Mit der Bauteilverbindung soll insbesondere gegebenenfalls auftretende Kontaktkorrosion vermieden werden.
  • Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bauteilverbindung mit einem Adapterteil bereitzustellen, die vermehrt toleranzausgleichend und montagegünstig ausgeführt ist und die eine hohe Festigkeit der zu verbindenden Teile sicherstellt.
  • Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 10. Vorteilhafte und besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
  • Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass in der Ausnehmung des Anbauteils ein hülsenförmiges Adapterteil insbesondere kraft- und/oder formschlüssig eingesetzt ist. Durch das hülsenförmige Adapterteil ist das Schraubelement, insbesondere mit Lochspiel, geführt. Das Adapterteil überragt zur Einstellung einer Klebspaltdicke das Anbauteil zum Trägerteil hin um einen definierten Überstand.
  • Der Klebstoff ist unmittelbar zwischen dem Trägerteil und dem Anbauteil angeordnet. Abweichend zum oben druckschriftlich genannten Stand der Technik werden das Trägerteil und das zu befestigende Anbauteil unmittelbar miteinander verklebt, während das Adapterteil bei der Montage im Wesentlichen eine Fixierung bis zum Aushärten des Klebstoffs bildet. Der das Bauteil überragende Abschnitt des Adapterteils stellt dabei sicher, dass im Verbindungsbereich eine gezielte Klebstoffdicke aufrechterhalten bleibt und dass beim Fügen der Teile kein Klebstoff in unerwünschter Weise in das Adapterteil und in die Schraubverbindung hinein verdrängt wird. Durch letzteres können Klebstoffverschmutzungen im Verbindungsbereich und an den Montagewerkzeugen vermieden werden.
  • Das Adapterteil kann in einer ersten Ausgestaltung der Erfindung baulich einfach durch eine Hülse und eine an diese angeformte, ringförmige Scheibe gebildet sein. Die Scheibe kann dabei außen liegend als Anlagefläche für den Kopf des Schraubelements dienen.
  • Die Scheibe kann in einer dazu alternativen Ausgestaltung zwischen dem Bauteil und dem Trägerteil angeordnet und in einer dem Maß a entsprechenden Dicke ausgeführt sein und somit ebenfalls sowohl die Dichtfunktion als auch die Abstandshaltung der Bauteile zueinander bis zum Aushärten des Klebstoffs erfüllen.
  • Besonders zweckmäßig kann dabei der Kopf des Schraubelements im Außendurchmesser größer als der Außenumfang des hülsenförmigen Adapterteils ausgebildet sein.
  • In einer weiteren Ausführungsform kann der Kopf des Schraubelements im Außendurchmesser kleiner sein als ein Innendurchmesser des hülsenförmigen Adapterteils und der Kopf des Schraubelements in dem hülsenförmigen Adapterteil zumindest teilweise versenkbar sein. Auf diese Weise ist eine besonders geringe Bauhöhe im Bereich der Bauteilverbindung erreichbar.
  • In einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung kann das hülsenförmige Adapterteil zum Trägerteil hin über einen angeformten Boden geschlossen ausgebildet sein, wobei das Schraubelement eine loch- und gewindeformende Schraube sein kann, die bei der Montage der Bauteilverbindung sowohl den Boden als auch das Trägerteil entsprechend durchdringt und gegebenenfalls eine stoffschlüssige Verbindung erfährt. Hierfür kann das Schraubelement auch eine, insbesondere schneidende, Bohrschraube sein.
  • Zum zuverlässigen Ausgleich von Fertigungstoleranzen und zur Montagevereinfachung kann an dem zwischen dem Schaft des Schraubelements und dem Innendurchmesser der Hülse des Adapterteils ein ausreichender Umfangsspalt zum Ausgleich von Bauteil- und Fertigungstoleranzen vorgesehen sein.
  • Schließlich können das Trägerteil bzw. das Rohbauteil beispielsweise aus Aluminium, Stahl, Magnesium oder aus einem Kunststoffmaterial und das Adapterteil beispielsweise aus Aluminium, aus Stahl, insbesondere Edelstahl, oder aus einem Kunststoffmaterial hergestellt sein; ferner kann das zu befestigende Anbauteil beispielsweise aus einem mit Kohlefaser (CFK) oder Glasfaser (GFK) verstärkten Kunststoff oder aus Metall gebildet sein.
  • Mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung sind im Folgenden anhand der beigefügten, schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1a eine Bauteilverbindung für ein Kunststoffteil an einem Rohbauteil eines Kraftfahrzeugs, mit einem Adapterteil und einem Schraubelement in einer Vormontageposition;
  • 1b die Bauteilverbindung nach 1a mit unmittelbar zwischen dem Rohbauteil und dem Kunststoffteil eingebrachter Klebstoffschicht; und
  • 1c die Bauteilverbindung in der Endmontageposition mit in das Adapterteil eingeschraubtem Schraubelement;
  • 2 eine zur 1 alternative Bauteilverbindung mit einem durch einen angeformten Boden geschlossenen Adapterteil;
  • 3 eine weitere, zur 1 alternative Bauteilverbindung mit einem Adapterteil mit angeformten Boden und angeformter, ringförmiger Scheibe;
  • 4 eine weitere, zur 1 alternative Bauteilverbindung mit einem Adapterteil mit angeformter, ringförmiger Scheibe; und
  • 5 eine Bauteilverbindung in einer Ansicht entsprechend der 2 mit einem alternativen Schraubelement.
  • In den 1a bis 1c ist eine erste Bauteilverbindung für ein flächiges Kunststoffteil 10, z. B. ein Karosserieaußenteil eines Kraftfahrzeugs, an einem Trägerteil bzw. einem Rohbauteil 12 des Kraftfahrzeugs dargestellt, mit einem hülsenförmigen Adapterteil 14 und einem durch das Adapterteil 14 einschraubbaren Schraubelement 16.
  • Im Ausführungsbeispiel ist das Rohbauteil 12 aus einem Aluminiumblech und das Kunststoffteil 10 durch ein aus Kohlefaser verstärktem Kunststoff (z. B. Epoxydharz) gefertigtes und in eine definierte Form ausgehärtetes Bauteil gebildet.
  • Das Adapterteil 14 aus z. B. Edelstahl setzt sich aus einer Hülse 14a und einer daran angeformten, ringförmigen Scheibe bzw. einen Flansch 14b zusammen und ist in einem Vormontageschritt in eine Ausnehmung 10a des Kunststoffteils 10 kraft- und/oder formschlüssig eingesetzt.
  • Die zur Montagesicherung vorgesehene Verbindung des Adapterteils 14 mit dem Kunststoffteil 10 kann reibschlüssig durch Presssitz, formschlüssig durch eine Art einknöpfen und/oder gegebenenfalls auch durch eine Klebeverbindung hergestellt sein.
  • Die Hülse 14a ist dabei in ihrer Länge relativ zur Dicke des Kunststoffteils 10 so ausgeführt, dass sie das Kunststoffteil 10 um einen Überstand a (1a) überragt.
  • In diesem Vormontagezustand wird das Kunststoffteil 10 unter Aufbringung einer definierten Kleberaupe aus einem 2K-Kleber um das Adapterteil 14 herum (die Kleberaupe kann natürlich auch auf das Rohbauteil 12 entsprechend aufgebracht sein) auf das Rohbauteil 12 (1b) aufgesetzt, wobei sich durch den Überstand a eine Klebstoffschicht 18 definierter Dicke ausbildet.
  • Der beim Zusammenfügen der Bauteile 10, 12 verdrängte Kleber kann sich dabei durch das Anlegen der überstehenden Stirnseite der Hülse 14a an das Rohbauteil 12 nicht in das Adapterteil 14 hinein verlagern.
  • Nach dem Aufsetzen des Kunststoffteils 10 gemäß 1b wird das Schraubelement 16 (1c) eingesetzt, das im Ausführungsbeispiel durch eine loch- und gewindeformende Stahlschraube gebildet ist, die mit hoher Drehzahl und entsprechendem Anpressdruck in das Rohbauteil 12 hineingetrieben wird, wobei nach der Loch- und Gewindebildung eine form- und kraftschlüssige feste Verbindung geschaffen ist.
  • Die Ausnehmung 10a und die Hülse 14a bzw. deren lichte Weite sind dabei zum Ausgleich von Fertigungstoleranzen und gegebenenfalls von Wärmedehnungen größer als der Schaft 16a des Schraubelements 16 ausgeführt, während der Kopf 16b des Schraubelements 16 im Außendurchmesser so ausgelegt ist, dass er unabhängig von der Einschraublage stets zumindest die Hülse 14a überdeckt (1c).
  • Nach dem Einschrauben des Schraubelements 16 ist das Kunststoffteil 10 unter Aufrechterhaltung der definierten Klebstoffschicht 18 fest fixiert; der Klebstoff kann spannungsfrei und in gezielter, gleichmäßiger Dicke ausgehärtet werden und bildet dann eine dauerhafte, feste Verbindung zwischen dem tragenden Rohbauteil 12 und dem Kunststoffteil 10.
  • Die 2 zeigt eine alternative Ausführung des Adapterteils 14, das zusätzlich neben der Hülse 14a und der Scheibe 14b einen zum Rohbauteil 12 hin angeformten, geschlossenen Boden 14c aufweist.
  • Der Boden 14c stellt als zusätzliche Maßnahme sicher, dass beim Fügen der Bauteile 10, 12 und bei bereits aufgebrachter Klebstoffraupe kein Klebstoff in das Adapterteil 14 hinein verdrängt werden kann und hier zu Montageschwierigkeiten bzw. zu unerwünschten Verunreinigungen von Werkzeugen, etc. führen kann.
  • Beim Herstellen der Schraubverbindung über das Schraubelement 16 wird dieses loch- und gewindeformend zunächst durch den Boden 14c und dann durch das Rohbauteil 12 wie vorbeschrieben eingebracht.
  • In der Ausführungsvariante gemäß 3 ist an das Adapterteil 14 nicht nur der zunächst geschlossene Boden 14c, sondern auch radial nach außen anschließend eine ringförmige Scheibe 14d angeformt. Die Dicke der Scheibe 14d entspricht dem Überstand a an der Hülse 14a bzw. bildet einen durchgehenden Abschnitt mit dem Boden 14c.
  • In der Ausführung gemäß der 4 weist das Adapterteil 14 keinen Boden 14c auf, sondern nur die ringförmige Scheibe 14d. Die Dicke der Scheibe 14d entspricht ebenfalls dem Überstand a an der Hülse 14a.
  • In der alternativen Ausführung gemäß der 5 ist der Außendurchmesser d1 des Schraubelement-Kopfs 16b geringer als ein Innendurchmesser d2 der Hülse 14a. Zudem ist eine Höhe h1 des Schraubelement-Kopfs 16b geringer, als eine Höhe h2 der Hülse 14a. Nach Einschrauben des Schraubelements 16 ist somit ist ein Aufliegen des Kopfs 16b auf dem Boden 14c und ein Versenken des Schraubelement-Kopfs 16b in dem Adapterteil 14 ermöglicht. Das Kunststoffteil 10 ist auch hier unter Aufrechterhaltung der definierten Klebstoffschicht 18 fest fixiert.
  • Im Übrigen ist die Konfiguration des Adapterteils 14 und dessen Montage jeweils von einer Seite des Kunststoffteils 10 aus wie zu den vorstehenden Figuren beschrieben ausgeführt.
  • Das Kunststoffteil 10 kann beispielsweise aus CFK oder GFK gefertigt sein. Ferner kann das Rohbauteil 12 beispielsweise aus einer Aluminium-Legierung, einer Magnesiumlegierung einer Stahllegierung oder aus einem Kunststoffmaterial bestehen. Das Adapterteil 14 kann beispielsweise aus Aluminium, Stahl oder aus einem Kunststoffmaterial gefertigt sein.
  • Abweichend zu den Ausführungsbeispielen kann das Adapterteil 14 auch in einer Kombination der Merkmale der 1 bis 5 konzipiert sein.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • DE 102011012938 A1 [0006]

Claims (10)

  1. Bauteilverbindung für ein Anbauteil (10) an einem Trägerteil (12), insbesondere ein faserverstärktes Kunststoffteil an einem Rohbauteil eines Kraftfahrzeugs, bei der das Anbauteil (10) über ein, eine Ausnehmung (10a) desselben durchdringendes Schraubelement (16) sowie über eine Klebestoffschicht (18) mit dem Trägerteil (12) fest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass in der Ausnehmung (10a) des Anbauteils (10) ein hülsenförmiges Adapterteil (14) insbesondere kraft- und/oder formschlüssig eingesetzt ist, durch das das Schraubelement (16), insbesondere mit Lochspiel, geführt ist, und dass das Adapterteil (14) zur Einstellung einer Klebspaltdicke das Anbauteil (10) zum Trägerteil (12) hin um einen definierten Überstand (a) überragt.
  2. Bauteilverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Adapterteil (14) durch eine Hülse (14a) und eine an diese angeformte, ringförmige Scheibe bzw. einen Flansch (14b; 14d) gebildet ist.
  3. Bauteilverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Scheibe (14d) zwischen dem Anbauteil (10) und dem Trägerteil (12) angeordnet ist, und dass die Scheibe (14d) mit einer dem Überstand (a) entsprechenden Materialstärke ausgeführt ist, und/oder dass die Scheibe (14d) die im Anbauteil (10) vorgesehene Ausnehmung (10a) randseitig übergreift.
  4. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (16b) des Schraubelements (16) im Außendurchmesser größer als der Außenumfang des hülsenförmigen Adapterteils (14) ausgebildet ist.
  5. Bauteilverbindung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf (16b) des Schraubelements (16) im Außendurchmesser (d1) kleiner ist als ein Innendurchmesser (d2) des hülsenförmigen Adapterteils (14) und der Kopf (16b) in dem hülsenförmigen Adapterteil (14) zumindest teilweise versenkbar ist.
  6. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das hülsenförmige Adapterteil (14) zum Trägerteil (12) hin mit einem Boden (14c) geschlossen ausgebildet ist, und/oder dass das Schraubelement (16) eine loch- und gewindeformende Schraube oder eine, insbesondere schneidende, Bohrschraube ist.
  7. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Schaft (16a) des Schraubelements (16) und der lichten Weite der Hülse (14a) des Adapterteils (14) ein Bauteil- und Fertigungstoleranzen ausgleichender Umfangsspalt vorgesehen ist.
  8. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerteil (12) aus Aluminium, Stahl, Magnesium oder einem Kunststoffmaterial und das Adapterteil (14) aus Aluminium, Stahl, insbesondere aus Edelstahl, oder einem Kunsststoffmaterial hergestellt ist.
  9. Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Anbauteil (10) aus mit Kohlefaser (CFK) oder Glasfaser (GFK) verstärktem Kunststoff oder aus einem anderen verstärkten oder unverstärkten Kunststoff oder aus Metall gebildet ist.
  10. Verfahren zur Herstellung einer Bauteilverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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