DE102013224555A1

DE102013224555A1 - Schraubenmutterelement zum Einsetzen in ein Bauteil und Baugruppe

Info

Publication number: DE102013224555A1
Application number: DE102013224555.6A
Authority: DE
Inventors: Clemens Stefanziosa
Original assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2013-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2015-06-03
Anticipated expiration: 2033-11-30
Also published as: DE102013224555B4

Abstract

Ein Schraubenmutterelement hat einen Körperabschnitt (22), der in ein Bauteil (12) eingesetzt werden kann und in dem eine Schraubenaufnahme (24) ausgebildet ist, sowie eine in die Schraubenaufnahme (24) ragende, quer zur Schraubenaufnahme (24) in einem vorbestimmten Maß beweglich gelagerte Lochscheibe (32), die eine Öffnung (34) aufweist, in deren Rand (36) das Gewinde (44) einer Schraube (40) eingreifen kann. In einer Baugruppe mit einem ersten Bauteil (12) mit einem Schraubenmutterelement (18) und einem zweiten, flächigen Bauteil (14) aus einem Kunststoff und/oder einem Faserverbundkunststoff, das über dem Schraubenmutterelement (18) angeordnet ist, durchdringt eine Schraube (40) das zweite Bauteil (14) und greift in das Schraubenmutterelement (18) ein.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schraubenmutterelement zum Einsetzen in ein Bauteil, das eine Schraube aufnehmen kann, sowie eine Baugruppe mit einem derartigen Schraubenmutterelement.
Beim Verschrauben von zwei aufeinanderliegenden dünnen, flächigen Kunststoffbauteilen mit oder ohne Faserverstärkung kann das Problem auftreten, dass die Schraube beim Eindrehen nach Durchdringen des ersten Bauteils beim Auftreffen auf das zweite Bauteil hohe, zwischen den beiden Bauteilen wirkende, die Bauteile voneinander wegdrückende Druckkräfte ausübt, die zum Beispiel eine Verklebung zwischen den beiden Bauteilen belastet. Dieses Problem tritt insbesondere bei der Verwendung von selbstschneidenden Schrauben auf.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Verschrauben von Bauteilen zu erleichtern.
Zur Lösung dieser Aufgabe ist erfindungsgemäß ein Schraubenmutterelement mit einem Körperabschnitt vorgesehen, der in ein Bauteil eingesetzt werden kann und in dem eine Schraubenaufnahme ausgebildet ist. Das Schraubenmutterelement weist außerdem eine in die Schraubenaufnahme ragende, quer zur Schraubenaufnahme in einem vorbestimmten Maß beweglich gelagerte Lochscheibe auf, die eine Öffnung hat, in deren Rand das Gewinde einer Schraube eingreifen kann. Eine Schraube, die in die Schraubenaufnahme eindringt, trifft auf die Öffnung in der Lochscheibe, wobei die Lochscheibe durch die Einschraubbewegung zur Schraube zentriert wird. Beim weiteren Einschrauben greift das Gewinde der Schraube in den Rand der Öffnung der Lochscheibe, wodurch eine in Richtung zum Schraubenkopf wirkende Kraft entsteht, die das Schraubenmutterelement und das Bauteil, in das dieses eingesetzt ist, entgegen der Einschraubrichtung beaufschlagt. Somit entstehen beim Einschraubvorgang keine Kräfte, die die Bauteile auseinanderdrücken würden. Ferner ist durch die Seitenbewegung der Lochscheibe keine exakte Zentrierung des Schraubenmutterelements zur Öffnung im Bauteil nötig, durch welche die Schraube zuerst hindurchtritt.
Um die Zentrierung der Lochscheibe zu erleichtern, ist vorteilhaft der Rand der Öffnung in der Lochscheibe angeschrägt, beispielsweise in einer Kegelform.
Die Lochscheibe besteht vorzugsweise aus Metall, um einen sicheren Eingriff der Schraube zu gewährleisten.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Lochscheibe quer zur Längsrichtung der Schraubenaufnahme frei beweglich in einer Aufnahme im Körperabschnitt aufgenommen. In der axialen Richtung entlang der Schraubenaufnahme ist die Bewegung der Lochscheibe hingegen durch die Wände der Aufnahme stark eingeschränkt.
Bei einer Herstellung des Schraubenmutterelements als Spritzgussteil kann die Lochscheibe in einem geeigneten Werkzeug direkt bei der Fertigung des restlichen Schraubenmutterelements in dieses eingebracht werden, indem die Aufnahme um die Lochscheibe herum gespritzt wird. Auf diese Weise ist die Lochscheibe auch verliersicher im Schraubenmutterelement angeordnet.
Das restliche Schraubenmutterelement ist vorzugsweise ein einstückiges Bauteil und besteht beispielsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff.
Zur einfachen Verbindung mit dem Bauteil können am Körperabschnitt Rastelemente vorgesehen sein, sodass das Schraubenmutterelement nur in das Bauteil eingesteckt und daran verrastet werden muss, um es sicher zu befestigen.
Beispielsweise sind Rastelemente, die den Rand einer Öffnung im Bauteil übergreifen, an einem Ende des Körperabschnitts vorgesehen. Auf diese Weise schließt das Schraubenmutterelement nach Einsetzen in das Bauteil in etwa bündig mit diesem ab.
Außerdem kann eine ringförmige Anlagefläche zur Anlage an das Bauteil vorgesehen sein, die vorteilhaft durch eine Außenseite der Lochscheiben-Aufnahme gebildet ist. Da die Lochscheibe zwangsläufig breiter ist als die Schraubenaufnahme, um ihre Beweglichkeit quer zur Schraubenaufnahme zu gewährleisten, kann dieser Bereich des Schraubenmutterelements als Gegenlager zu den Rastelementen am oberen Ende des Körperabschnitts genutzt werden, wobei das Bauteil zwischen diesen beiden Abschnitten des Schraubenmutterelements geklemmt ist.
Die Stirnseite des dadurch topfförmigen Schraubenmutterelements ist vorzugsweise geschlossen, und die Schraube schneidet sich nach Passieren der Lochscheibe in die Stirnseite des Schraubenmutterelements ein, wodurch eine feste Verbindung zwischen Schraube und Schraubenmutterelement erreicht wird. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn in Einschraubrichtung der Abstand der Lochscheibe und der geschlossenen Stirnseite größer ist als der Abstand zwischen der Schraubenspitze und dem ersten Gewindegang der Schraube, von der Schraubenspitze aus gesehen, um das Erzeugen von Druckkräften vollständig zu vermeiden.
Das beschriebene Schraubenmutterelement lässt sich beispielsweise in einer Baugruppe verwenden, die ein erstes Bauteil aufweist, in das ein Schraubenmutterelement eingesetzt ist, und ein zweites, flächiges Bauteil aus einem Kunststoff und/oder einem Faserverbundkunststoff, das über dem Schraubenmutterelement angeordnet ist. Beim Verbinden der Bauteile mittels einer Schraube, vorzugsweise einer selbstschneidenden Schraube, durchdringt diese zunächst das zweite Bauteil und greift dann in das Schraubenmutterelement ein. Ist die Schraube fest angezogen, ist das zweite Bauteil zwischen dem Schraubenkopf und dem Schraubenmutterelement geklemmt, während die Schraube im Schraubenmutterelement in die Lochscheibe und vorzugsweise auch in die Stirnseite des Schraubenmutterelements eingreift. Durch diese Ausbildung wird die Axialkraft beim Eindrehen in die Stirnseite durch die Lochscheibe aufgenommen.
Das Schraubenmutterelement lässt sich dabei in eine Öffnung im ersten, unteren Bauteil einsetzen.
Die Bauteile können vor dem Verschrauben miteinander verklebt sein, wobei die Verklebung vorzugsweise nach dem Einsetzen des Schraubenmutterelements erfolgt.
Die Schraube kann durch das oben liegende zweite Bauteil hindurch geschraubt werden, es kann aber auch eine vorgefertigte Öffnung zum Durchführen der Schraube in diesem Bauteil ausgebildet sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Baugruppe mit einem erfindungsgemäßen Schraubenmutterelement vor dem Herstellen einer Schraubverbindung; und
2 die Baugruppe aus 1 nach dem Herstellen der Schraubverbindung.
1 zeigt eine Baugruppe 10 mit einem ersten flächigen Bauteil 12 und einem zweiten flächigen Bauteil 14, die durch eine Schicht eines Klebstoffs 16 miteinander verbunden sind.
Sowohl das erste als auch das zweite Bauteil 12, 14 bestehen in diesem Beispiel aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff mit einer thermoplastischen Matrix. Die Erfindung ist aber auch mit anderen faserverstärkten oder faserfreien Kunststoffen verwendbar.
Ein Schraubenmutterelement 18 ist in eine Öffnung 20 im ersten Bauteil 12 eingesetzt.
Das Schraubenmutterelement 18 hat einen Körperabschnitt 22, in dem eine Schraubenaufnahme 24 als Hohlraum definiert ist. Der Körperabschnitt 22 hat eine hier zylindrische, starre Außenwand und ist an der vom Bauteil 12 abgewandten Stirnseite 26 verschlossen, sodass das Schraubenmutterelement eine Topfform hat.
Das der Stirnseite 26 entgegengesetzte Ende des Körperabschnitts 22 ist zum zweiten Bauteil 14 offen ausgebildet, wobei am Rand des Körperabschnitts 22 ein Rastelement 28, hier in Form eines umfangsmäßig umlaufenden, nach außen gerichteten Rastkragens mit angeschrägtem Rand, ausgebildet ist.
Entlang der Schraubenaufnahme 24 betrachtet ist etwa in der Mitte des Körperabschnitts 22 eine Aufnahme 30 für eine Lochscheibe 32 ausgebildet. Die Aufnahme 30 stellt in diesem Beispiel eine hohlflanschartige radiale Erweiterung der Umfangswand des Körperabschnitts 22 dar, wobei die radiale Ausdehnung der Aufnahme 30 etwa doppelt so groß gewählt ist wie der Durchmesser der Schraubenaufnahme 24.
In axialer Richtung, also entlang der Schraubenaufnahme 24 gesehen, ist die Abmessung der Aufnahme 30 jedoch nur unwesentlich größer als die Dicke der Lochscheibe 32.
Die Lochscheibe 32 hat eine mittige Öffnung 34, deren Rand 36 kegelförmig angeschrägt ist. Sie ist so in der Aufnahme 30 aufgenommen, dass sie senkrecht zur Achse der Schraubenaufnahme 24 ausgerichtet ist und sich in Radialrichtung quer dazu verschieben kann. In Richtung der Achse der Schraubenaufnahme 24 ist die Lochscheibe 32 hingegen im Wesentlichen fixiert.
Die Abmessungen der Aufnahme 30, der Lochscheibe 32 und der Öffnung 34 sind so gewählt, dass die Öffnung 34 praktisch in jedem Bereich des Querschnitts der Schraubenaufnahme 24 liegen kann.
Die Lochscheibe 32 ist vorzugsweise aus einem geeigneten Metall gefertigt, wobei der Rand der Öffnung 34 der Lochscheibe 32 so scharfkantig ausgebildet sein sollte, dass er sich in das Gewinde einer Kunststoffschraube einschneiden kann. Der Rest des Schraubenmutterelements 18 ist hier dagegen einstückig aus einem geeigneten Kunststoff, insbesondere einem thermoplastischen Kunststoff, spritzgegossen.
Die zum in den Figuren oberen Ende des Körperabschnitts 22 gerichtete Außenfläche der Aufnahme 30 bildet eine ringförmige Anlagefläche 38 als Gegenlager zu den Rastelementen 28 am oberen Ende des Körperabschnitts 22.
Zum Befestigen des Schraubenmutterelements 18 am ersten Bauteil 12 wird der Körperabschnitt 22 in die Öffnung 20 im ersten Bauteil 12 eingeschoben (in den Figuren von unten). Dabei verrastet der Rastkragen am Rand der Öffnung 34, während sich die Anlagefläche 38 von unten an das erste Bauteil 12 anlegt Auf diese Weise ist das Schraubenmutterelement 18 am ersten Bauteil 12 fixiert.
Das Rastelement 28 gibt in diesem Beispiel durch den Überstand des Rastkragens über die Oberfläche des ersten Bauteils 12 auch eine definierte Höhe des Klebespalts vor, der mit dem Klebstoff 16 gefüllt wird.
Beim Herstellen einer Schraubverbindung wird eine selbstschneidende Schraube 40 in Einschraubrichtung F durch das über dem Schraubenmutterelement 18 verlaufende zweite Bauteil 14 geschraubt, sodass die Spitze 42 der Schraube 40 in die Schraubenaufnahme 24 eindringt.
Sobald die Schraubenspitze 42 die Lochscheibe 32 kontaktiert, wird diese aufgrund des angeschrägten Rands 36 der Öffnung 34 um die Schraube 40 zentriert. Bei weiterem Einschrauben greift das Gewinde 44 der Schraube 40 in den Rand der Öffnung 34 der Lochscheibe 32. Die dabei entstehende Kraft ist bestrebt, die Lochscheibe 32 in Richtung des Kopfs der Schraube 40 zum zweiten Bauteil 14 hin zu ziehen.
Bei der weiteren Einschraubbewegung bleibt das Gewinde 44 der Schraube 40 in Eingriff mit dem Rand der Öffnung 34 der Lochscheibe 32. Wenn die Schraubenspitze 42 die geschlossene Stirnseite 26 des Schraubenmutterelements 18 erreicht, schneidet sie sich durch diese hindurch und fixiert so die Schraube 40 sicher am Schraubenmutterelement 18. Diese Situation ist in 2 dargestellt.
Die Abmessung der Schraubenaufnahme 24 quer zur Achse ist so auf den verwendeten Schraubendurchmesser abgestimmt, dass die Schraube 40 im Wesentlichen im Bereich des Querschnitts der Schraubenaufnahme 24 beliebig angesetzt werden kann und dennoch sich die Lochscheibe 32 selbsttätig um die Schraube 40 zentriert.
In diesem Beispiel liegt ein durchgehender Abschnitt des Bauteils 14 über dem Schraubenmutterelement 18. Es wäre auch möglich, an dieser Stelle eine Verschraubungsöffnung mit dem Durchmesser des Schraubenschafts auszubilden.

Claims

Schraubenmutterelement mit einem Körperabschnitt (22), der in ein Bauteil (12) eingesetzt werden kann und in dem eine Schraubenaufnahme (24) ausgebildet ist, sowie mit einer in die Schraubenaufnahme (24) ragenden, quer zur Schraubenaufnahme (24) in einem vorbestimmten Maß beweglich gelagerten Lochscheibe (32), die eine Öffnung (34) hat, in deren Rand (36) das Gewinde (44) einer Schraube (40) eingreifen kann.
Schraubenmutterelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rand (36) der Öffnung (34) in der Lochscheibe (32) angeschrägt ist.
Schraubenmutterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (32) aus Metall besteht.
Schraubenmutterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lochscheibe (32) quer zur Längsrichtung der Schraubenaufnahme (24) frei beweglich in einer Aufnahme (30) im Körperabschnitt (22) aufgenommen ist.
Schraubenmutterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am Körperabschnitt (22) Rastelemente (28) zur Verbindung mit dem Bauteil (12) vorgesehen sind.
Schraubenmutterelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass Rastelemente (28) an einem Ende des Körperabschnitts (22) vorgesehen sind, die einen Rand einer Öffnung (20) im Bauteil (12) übergreifen können und/oder dass eine ringförmige Anlagefläche (38) vorgesehen ist, die durch eine Außenseite der Lochscheiben-Aufnahme (30) gebildet ist.
Schraubenmutterelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schraubenmutterelement (18) an einer Stirnseite (26) geschlossen ist.
Baugruppe mit einem ersten Bauteil (12) mit einem Schraubenmutterelement (18) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, einem zweiten, flächigen Bauteil (14) aus einem Kunststoff und/oder einem Faserverbundkunststoff, das über dem Schraubenmutterelement (18) angeordnet ist, und mit einer Schraube (40), die das zweite Bauteil (14) durchdringt und in das Schraubenmutterelement (18) eingreift.
Baugruppe nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (12, 14) vor dem Verschrauben miteinander verklebt sind.
Baugruppe nach einem der Ansprüche 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, dass das oben liegende Bauteil (14) eine vorgefertigte Öffnung zum Durchführen der Schraube (40) aufweist.