DE102013020453A1

DE102013020453A1 - Schraube, Schraubenverbindung und Batterie mit einer solchen Schraubenverbindung

Info

Publication number: DE102013020453A1
Application number: DE102013020453.4A
Authority: DE
Inventors: Nils Andersson; Florian Kneer; Andreas Köster; Stefan Pfitzer
Original assignee: Daimler AG; Arnold Umformtechnik GmbH and Co KG
Current assignee: Arnold Umformtechnik GmbH and Co KG
Priority date: 2013-12-06
Filing date: 2013-12-06
Publication date: 2015-06-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraube (6) mit einem Schraubenkopf (7) und einem Schraubenschaft (8), wobei der Schraubenschaft (8) ein Gewinde (9) und der Schraubenkopf (7) eine Schraubenkopfauflage (10) aufweist, und die Schraubenkopfauflage (10) durch eine dem Schraubenschaft (8) zugewandte Oberfläche des Schraubenkopfes (7) gebildet wird, die von einem inneren Durchmesser zu einem äußeren Durchmesser der Schraubenkopfauflage (10) reicht und zur Auflage auf einem mittels der Schraube (6) zu befestigenden Bauteil im eingeschraubten Zustand der Schraube (6) bestimmt ist. Die erfindungsgemäße Schraube dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schraubenkopfauflage (10) wenigstens ein Kratzelement (11) oder eine Vielzahl von über dem Umfang verteilt angeordneten Kratzelementen (11) vorgesehen ist, das/die eine von der Schraubenkopfauflage (10) abstehende Spitze oder Schneide aufweist/aufeisen und ferner radial innerhalb und/oder radial außerhalb von einer plastisch verformbaren Isoliermasse (12) umgeben ist/sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraube zur elektrischen leitenden Verbindung von zwei Bauteilen nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art, sowie eine Schraubverbindung mit einer oder mehreren solcher Schrauben und eine Batterie, wie Hochvolt-Batterie mit einer oder mehreren entsprechenden Schraubverbindungen.
Elektrische Aggregate, beispielsweise eine Hochvolt-Batterie wie sie zur Stromversorgung eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs verwendet wird, müssen bestimmte EMV-Anforderungen erfüllen, um ihre elektromagnetische Verträglichkeit zu garantieren. Hierfür ist es notwendig, dass beispielsweise umgebende äußere Gehäuseteile elektrisch an innere Bauteile kontaktiert werden. Bei auf ihrer Außenseite isolierend beschichteten Gehäuseteilen, beispielsweise Blechen, ist die sonst übliche elektrische Anbindung durch Schrauben, meist gewindeformende Schrauben, über die Schraubverbindung selbst nicht möglich, da die Schraubenkopfauflage auf der isolierenden Beschichtung zu liegen kommt. Es ist zwar vorstellbar, die Isolierung im Bereich einer Schraubenkopfauflage von vorneherein auszusparen. Dies erfordert jedoch zum einen, dass die Aussparung in jedem Fall größer ist als der äußere Durchmesser der Schraubenkopfauflage, um ein sattes Aufliegen der Schraubenkopfauflage auf der freigelegten metallischen Fläche und damit eine zuverlässige Kontaktierung zu erreichen, und zum anderen wird der Aufwand und damit die Herstellungskosten erhöht. Schließlich bietet die vergleichsweise große freigelegte Fläche Angriffspunkte für eine Korrosion des metallischen Materials.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraube, Schraubenverbindung und insbesondere Batterie mit einer solchen Schraubenverbindung anzugeben, welche eine kostengünstige, besonders einfache und sichere elektrische Kontaktierung eines ersten Bauteils mit elektrisch isolierender Schicht auf seiner Oberfläche an einem zweiten Bauteil ermöglicht.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Schraube mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. In den abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte und besonders zweckmäßige Ausgestaltungen, sowie eine erfindungsgemäße Schraubenverbindung und eine erfindungsgemäße Batterie angegeben.
Eine erfindungsgemäße Schraube weist einen Schraubenkopf und einen Schraubenschaft auf. Der Schraubenschaft trägt ein Gewinde, insbesondere Außengewinde, und der Schraubenkopf weist eine Schraubenkopfauflage auf. Die Schraubenkopfauflage ist jene Oberfläche des Schraubenkopfes, die im eingeschraubten Zustand der Schraube zur Auflage auf einem mittels der Schraube zu befestigenden Bauteil bestimmt ist und die demgemäß dem Schraubenschaft zugewandt ist bzw. winklig, in der Regel senkrecht zu der Längsachse des Schraubenschaftes ausgerichtet ist. Die Schraubenkopfauflage kann eine Kreisringform aufweisen. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung schließt sich die Ebene der Schraubenkopfauflage unmittelbar an den Schraubenschaft an. Gemäß einer alternativen Ausführungsform ist sie mit Abstand zum Schraubenschaft positioniert, indem im Schraubenkopf um den Schraubenschaft herum eine kreisringförmige Aussparung vorgesehen ist, gegenüber welcher die Schraubenkopfauflage erhaben ist.
Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung reicht die Schraubenkopfauflage bis zum äußeren Durchmesser des Schraubenkopfes. Eine andere Ausführungsform sieht vor, dass radial außerhalb der Schraubenkopfauflage ein weiterer Abschnitt des Schraubenkopfes vorgesehen ist, der gegenüber der Schraubenkopfauflage in Axialrichtung des Schraubenschaftes von der Schraubenkopfauflage zurücksteht, also nicht in einer gemeinsamen Ebene mit der Schraubenkopfauflage positioniert ist.
Erfindungsgemäß ist auf der Schraubenkopfauflage wenigstens ein Kratzelement vorgesehen, das eine von der Schraubenkopfauflage abstehende Spitze oder Schneide aufweist und ferner radial innerhalb und/oder radial außerhalb von einer plastisch verformbaren Isoliermasse umgeben ist. Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung ist eine Vielzahl solcher Kratzelemente vorgesehen, die über dem Umfang der Schraubenkopfauflage gleichmäßig oder ungleichmäßig insbesondere auf demselben Durchmesser oder verschiedenen Durchmessern verteilt angeordnet sind und entsprechend radial innerhalb und/oder radial außerhalb von der plastisch verformbaren Isoliermasse umgeben sind.
Durch die Kratzelemente, die beispielsweise als pyramidenförmige Erhebungen der Schraubenkopfauflage und vorteilhaft einteilig mit dem Material des Schraubenkopfes ausgeführt sind, wird beim Einschrauben des Schraubenschaftes in ein Bauteil, um ein auf seiner äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehenes Bauteil zu montieren, die Schicht soweit zerstört, dass der elektrische Übergangswiderstand von dem Anbauteil, vorliegend als inneres Bauteil bezeichnet, auf welchem das zu montierende Bauteil, vorliegend als äußeres Bauteil bezeichnet, angeschraubt wird, so gering, dass die EMV-Anforderungen erfüllt werden können. Das Anbauteil (innere Bauteil) kann zum Beispiel aus Aluminiumdruckguss hergestellt sein, und das äußere Bauteil, das mit einer elektrisch isolierenden Schicht auf seiner äußeren Oberfläche versehen ist, aus Blech, beispielsweise Stahlblech.
Ferner kann durch die plastisch verformbare Isoliermasse, die beim Einschrauben der Schraube so zum Fließen gebracht wird, dass die beschädigte Isolierung auf dem äußeren Bauteil durch die Isoliermasse radial innerhalb oder radial außerhalb der in die isolierende Schicht eingedrungenen Kratzelemente abgedichtet wird, Korrosion des metallischen äußeren Bauteils reduziert oder vermieden werden und insbesondere bei Verwendung als Schraubverbindung in einer Batterie ein Elektrolytangriff vermieden werden.
Gemäß einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Isoliermasse als Kehlnaht in den Übergang vom Schraubenschaft in den Schraubenkopf eingebracht. Diese Kehlnaht steht demgemäß sowohl von der Schraubenkopfauflage als auch vom radial äußern Durchmesser des Schraubenschaftes empor und wird beim Einschrauben der Schraube in eine Gewindebohrung entsprechend in dem Durchgangsloch des zu befestigenden Bauteils und unterhalb des Schraubenkopfes erheblich verformt.
Wenn das wenigstens eine Kratzelement als pyramidenförmige Erhebung auf der Schraubenkopfauflage ausgeführt ist, so weist dieses vorteilhaft eine dreieckige Grundfläche auf, wobei eine Spitze dieser Grundfläche in Einschraubrichtung der Schraube gesehen in Umfangsrichtung nach vorne oder nach hinten ausgerichtet ist. Die entgegengesetzte hintere oder vordere Begrenzung der Grundfläche verläuft hingegen vorteilhaft in Radialrichtung der Schraubenkopfauflage. Bei in Einschraubrichtung über dem Umfang nach vorne ausgerichteter Spitze kann erreicht werden, dass die in Einschraubrichtung ausgerichtete Schraubenspitze die elektrisch isolierende Schicht auf dem äußeren Bauteil leicht aufreißt. Bei einer in Radialrichtung verlaufenden vorderen Begrenzung und nach hinten ausgerichteter Spitze kann das zum Lösen der Schraube notwendige Moment erhöht werden und somit wirkt das Kratzelement auch als Schraubensicherung.
Besonders vorteilhaft ist das Gewinde des Schraubenschaftes als selbstschneidendes Gewinde mit einem oder mehreren Gewindegängen ausgeführt.
Die Isoliermasse kann beispielweise aus PVC (Polyvinylchlorid) oder einem anderen thermoplastischen Kunststoff oder thermoplastischem Elastomer ausgeführt sein. Andere Werkstoffe sind möglich.
Eine vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass das oder die Kratzelemente eine Erhebung von wenigstens 2,5 Millimeter, besonders vorteilhaft von wenigstens 3, 4 oder mehr Millimeter auf der Schraubenkopfauflage ausbildet.
Der Schraubenkopf kann beispielsweise auf seiner der Schraubenkopfauflage abgewandten Oberfläche einen Innenantrieb aufweisen. Jedoch sind auch andere Antriebe möglich, beispielsweise ein Außenantrieb.
Wenn die Isoliermasse als Kehlnaht in dem Übergang vom Schraubenschaft in den Schraubenkopf eingebracht ist, so weist sie vorteilhaft eine Dicke, das heißt eine Erstreckung in Axialrichtung des Schraubenschaftes von wenigstens dem Doppelten oder Dreifachen der Höhe der Erhebung des wenigstens einen Kratzelementes von der Schraubenkopfauflage auf. Zusätzlich oder alternativ ist diese Kehlnaht vorteilhaft in einer Einkerbung auf dem Schraubenschaft unterhalb des Schraubenkopfes eingebracht, wobei die Einkerbung in der Regel in einem Radius in den Schraubenkopf übergeht. Die Einkerbung weist insbesondere einen kleineren äußeren Durchmesser als der Außendurchmesser des Gewindes auf dem Schraubenschaft auf. Gemäß einer Ausführungsform entspricht der kleinste Durchmesser der Einkerbung dem Innendurchmesser des Gewindes oder ist sogar noch kleiner als der Innendurchmesser des Gewindes.
Eine erfindungsgemäße Schraubenverbindung weist wenigstens ein äußeres auf seiner äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht versehenes Bauteil und ein inneres Bauteil auf, auf welches das äußere Bauteil unmittelbar oder unter Zwischenschaltung wenigstens eines weiteren Bauteils, vorliegend Zwischenbauteil genannt, aufgeschraubt ist. Das äußere Bauteil weist wenigstens eine Durchgangsbohrung auf und das innere Bauteil eine koaxial hierzu positionierte Gewindebohrung. Erfindungsgemäß ist durch die Durchgangsbohrung hindurch eine Schraube mit der erfindungsgemäßen Gestaltung in die Gewindebohrung eingebracht, sodass die Schraubenkopfauflage auf der äußeren Oberfläche des äußeren Bauteils aufliegt und das wenigstens eine Kratzelement die isolierende Schicht vollständig durchdringt.
Eine erfindungsgemäße Batterie, insbesondere Hochvolt-Batterie zur Stromversorgung eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, weist wenigstens eine oder eine Vielzahl von Schraubverbindungen der dargestellten Art auf. Beispielweise ist ein Blechteil einer solchen Batterie als elektromagnetische Abschirmung auf einem Anbauteil der Batterie aufgeschraubt.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels und den Figuren exemplarisch erläutert werden.
Es zeigen:
1 eine schematische Ansicht einer Schraubverbindung gemäß der Erfindung noch ohne Details der Schraube;
2 eine seitliche schematische, teilsweise geschnittene Ansicht einer erfindungsgemäßen Schraube; und
3 eine Draufsicht von unten auf die Schraubenkopfauflage und die Stirnfläche des Schafts der Schraube aus der 2.
In der 1 ist ein erstes Bauteil, vorliegend als äußeres Bauteil 1 bezeichnet, gezeigt, das auf ein zweites Bauteil, vorliegend als inneres Bauteil 2 bezeichnet, mittels einer symbolisch dargestellten Schraube 6 aufgeschraubt ist. Das äußere Bauteil 1 weist auf seiner Außenseite, das heißt jener vom inneren Bauteil 2 abgewandten Seite, eine elektrisch isolierende Schicht 3 auf. Ferner weist das äußere Bauteil 1 eine Durchgangsbohrung 4 auf.
Das innere Bauteil 2 weist eine koaxial zur Durchgangsbohrung 4 positionierte Gewindebohrung 5 auf, in welche die nicht näher dargestellte Schraube 6 derart eingeschraubt ist, dass das äußere Bauteil 2 gegen das innere Bauteil 1 gepresst und an diesem montiert wird.
Abweichend von der Darstellung in der 1 müsste das äußere Bauteil 1 nicht unmittelbar auf dem inneren Bauteil 2 aufliegen, sondern es könnten eines oder mehrere Zwischenbauteile zwischengeschaltet sein.
In der 2 sind Details der in der 1 gemäß der strichpunktierten Linie eingeschraubten Schraube 6 dargestellt. So weist die Schraube 6 einen Schraubenkopf 7 und einen sich auf einer Unterseite desselben anschließenden Schraubenschaft 8 auf. Der Schraubenschaft 8 ist mit einem Gewinde 9 versehen, das insbesondere als selbstschneidendes Außengewinde ausgeführt ist.
Der Schraubenkopf 7 weist auf seiner Unterseite, das heißt der dem Schraubenschaft 8 zugewandten Seite, eine Schraubenkopfauflage 10 auf, die mit einer Vielzahl von Kratzelementen 11 versehen ist, die aus der Schraubenkopfauflage 10 mit einer Spitze oder Schneide herausragen. Wie man aus der 3 erkennen kann, sind vorliegend vier Kratzelemente 11 vorgesehen, die alle auf demselben Durchmesser liegen. Jedes Kratzelement 11 weist die Form einer Pyramide auf, mit einer dreieckigen Grundfläche, deren Spitze in Umfangsrichtung und entgegen der Eindrehrichtung der Schraube ausgerichtet ist. Selbstverständlich könnte die Spitze auch in Eindrehrichtung ausgerichtet sein, sodass die sich in Radialrichtung erstreckende Begrenzung der Grundfläche beim Eindrehen der Schraube nach hinten gerichtet wäre.
Gemäß den Darstellungen in den 2 und 3 ist im Übergang vom Schraubenschaft 8 zum Schraubenkopf 7 eine Isoliermasse 12 vorgesehen, die als Kehlnaht ausgeführt ist. Diese Isoliermasse 12 verformt sich beim Eindrehen der Schraube 6 in die Gewindebohrung (1) dadurch, dass sie in die Durchgangsbohrung 4 gepresst wird, derart, dass sie eine gewollte Beschädigung der elektrisch isolierenden Schicht 3 durch die Kratzelemente 11 radial von innen abdichtet. Somit können keine korrosiven Dämpfe oder Gase durch die Gewindebohrung 5 bzw. Durchgangsbohrung 4 hindurch an die aufgerissene Oberfläche der Schicht 3 gelangen.
Selbstverständlich wäre es auch möglich, zusätzlich oder alternativ radial außerhalb der aufgerissenen Oberfläche der Beschichtung 3 eine entsprechende Abdichtung vorzusehen, um das Eindringen von korrosiven Stoffen von außen zu verhindern. Eine solche Abdichtung könnte beispielweise auf der Schraubenkopfauflage 10 radial außerhalb der Kratzelemente 11 vorgesehen sein.
Bei dem äußeren Bauteil 1 handelt es sich beispielweise um ein Abschirmblech oder Gehäuseblech einer Batterie, die an einem Tragelement gebildet durch das innere Bauteil 2 befestigt ist.

Claims

Schraube (6) mit einem Schraubenkopf (7) und einem Schraubenschaft (8), wobei der Schraubenschaft (8) ein Gewinde (9) und der Schraubenkopf (7) eine Schraubenkopfauflage (10) aufweist, und die Schraubenkopfauflage (10) durch eine dem Schraubenschaft (8) zugewandte Oberfläche des Schraubenkopfes (7) gebildet wird, die von einem inneren Durchmesser zu einem äußeren Durchmesser der Schraubenkopfauflage (10) reicht und zur Auflage auf einem mittels der Schraube (6) zu befestigenden Bauteil im eingeschraubten Zustand der Schraube (6) bestimmt ist; dadurch gekennzeichnet, dass auf der Schraubenkopfauflage (10) wenigstens ein Kratzelement (11) oder eine Vielzahl von über dem Umfang verteilt angeordneten Kratzelementen (11) vorgesehen ist, das/die eine von der Schraubenkopfauflage (10) abstehende Spitze oder Schneide aufweist/aufeisen und ferner radial innerhalb und/oder radial außerhalb von einer plastisch verformbaren Isoliermasse (12) umgeben ist/sind.
Schraube (6) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliermasse (12) als Kehlnaht in dem Übergang vom Schraubenschaft (8) in den Schraubenkopf (7) eingebracht ist.
Schraube (6) gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kratzelement (11) durch eine pyramidenförmige Erhebung auf der Schraubenkopfauflage (10) gebildet wird.
Schraube (6) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die pyramidenförmige Erhebung eine dreieckige Grundfläche aufweist, wobei eine Spitze der Grundfläche in Einschraubrichtung der Schraube (6) in Umfangsrichtung nach vorne oder hinten ausgerichtet ist.
Schraube (6) gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine in Einschraubrichtung der Schraube (6) betrachtet hintere oder vordere Begrenzung der Grundfläche in Radialrichtung der Schraubenkopfauflage (10) verläuft.
Schraube (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gewinde (9) als selbstschneidendes Gewinde (9) ausgeführt ist.
Schraube (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Isoliermasse (12) aus PVC oder einem anderen thermoplastischen Kunststoff oder thermoplastischen Elastomer hergestellt ist.
Schraube (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Kratzelement (11) eine Erhebung von 3, 4 oder mehr Millimetern auf der Schraubenkopfauflage (10) ausbildet.
Schraubverbindung zwischen wenigstens zwei metallischen Bauteilen, umfassend ein äußeres auf seiner äußeren Oberfläche mit einer elektrisch isolierenden Schicht (3) versehenes Bauteil (1) und ein inneres Bauteil (2), auf welches das äußere Bauteil (1) unmittelbar oder Zwischenschaltung wenigstens eines weiteren Zwischenbauteils aufgeschraubt ist, wobei das äußere Bauteil (1) wenigstens eine Durchgangsbohrung (4) aufweist und das innere Bauteil (2) eine koaxial hierzu positionierte Gewindebohrung (5) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass durch die Durchgangsbohrung (4) hindurch eine Schraube (6) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8 in die Gewindebohrung (5) eingeschraubt ist, sodass die Schraubenkopfauflage (10) auf der äußeren Oberfläche des äußeren Bauteils (1) aufliegt und das wenigstens eine Kratzelement (11) die isolierende Schicht (3) vollständig durchdringt.
Batterie, wie Hochvolt-Batterie zur Stromversorgung eines elektromotorisch angetriebenen Kraftfahrzeugs, mit wenigstens einer oder einer Vielzahl von Schraubverbindungen gemäß Anspruch 9.