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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft Lochverstärkungen für Gehäuse, insbesondere Kunststoffgehäuse, mit einem Loch zur Aufnahme eines Befestigungsmittels, wobei die Gehäuse vorwiegend in einem Kraftfahrzeug eingesetzt werden, sowie ein Stanzteil und ein Verfahren zur Herstellung einer Lochverstärkung.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 72 28 580 U ist eine lochverstärkende Buchse zum Einpressen in eine Bohrung bekannt. Lochverstärkungen werden in der Regel aus einem Metall hergestellt und im Tiefziehverfahren geformt. Dadurch entstehen einstückige Lochverstärkungen, beispielsweise Buchsen, die relativ massiv sind und damit ein hohes Eigengewicht aufweisen. Die Geometrie dieser Lochverstärkungen ist durch das Tiefziehen in der Regel stark eingeschränkt, da Formwerkzeuge verwendet werden, die mit einem großen Aufwand gebaut werden müssen. Eine Geometrieänderung der Lochverstärkung ist mit einem Wechsel des Formwerkzeugs verbunden, so dass eine kurzfristige Änderung der Geometrie und Eigenschaften der herzustellenden Lochverstärkungen kaum möglich ist bzw. mit einem relativ großen Kostenaufwand verbunden ist.
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Zudem weisen herkömmliche, tiefgezogene Buchsen eine Flanschfläche und angeprägte Rippen auf, die nachteilig zu einem hohen Gewicht bzw. Materialeinsatz und aufwändigen Fertigungsverfahren führen. Die Geometrie dieser Lochverstärkungen bedingt eine geringe Steifigkeit in Verschraubungsrichtung und damit eine unerwünschte zusätzliche Belastung des Lochbereichs beim Verschrauben. Weiterhin führen die zur Formsicherung der Buchse angeprägten Rippen zu Abschabungen von Kunststoff im Bereich des Loches und hohen Einpresskräften, die im ungünstigen Fall zum Bindenahtbruch führen können.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, eine eingangs beschriebene Lochverstärkung anzugeben, die einfach, preiswert und schnell hergestellt werden kann, wobei kurzfristige Änderungen der Geometrie zur verbesserten Anpassung an die Lochgeometrie möglich sein sollen und die Federsteifigkeit der Buchse in Verschraubungsrichtung erhöht ist. Ferner ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein entsprechendes Stanzteil zur Herstellung dieser Lochverstärkung anzugeben. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren anzugeben, das die einfache Herstellung eines Gehäuses mit einer Lochverstärkung ermöglicht.
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In Bezug auf die Lochverstärkung wird diese Aufgabe gelöst durch eine Lochverstärkung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Hinsichtlich des Stanzteils zur Herstellung dieser Lochverstärkung wird die Aufgabe mit einem Stanzteil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung einer Lochverstärkung wird durch die Merkmale des Anspruchs 12 realisiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen folgen aus den Unteransprüchen, der Beschreibung der Erfindung und aus den Zeichnungen.
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Der Grundgedanke der vorliegenden Erfindung liegt darin, die Lochverstärkung aus einem metallischen Band zu bilden, und dieses Band entsprechend den Vorgaben des zu verstärkenden Loches zu biegen und mit einer Vorspannung zu versehen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, die Lochverstärkung einstückig aus einem metallischen Band mit zwei gegenüberliegenden zumindest teilweise geraden Teilflächen und zwei gegenüberliegenden gekrümmten Teilflächen auszubilden, wobei eine der gekrümmten Teilflächen zumindest eine Schlitzung senkrecht zur Längserstreckung des metallischen Bandes aufweist und die zwei gegenüberliegenden geraden Teilflächen nicht-parallel unter Ausbildung einer Federspannung angeordnet sind.
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Die Entlastung des Gehäuses wird dadurch ermöglicht, dass die Lochverstärkung bzw. Buchse im nicht verbauten Zustand durch die Schlitzung eine Weitung aufweist, die nach dem Einpressen in das Loch des Gehäuses zu einer Vorspannung der Buchse führt. Somit gewährleistet die elastische Vorspannung der Lochverstärkung ein einfaches Einpressen in ein entsprechendes Loch des Gehäuses und eine Minimierung der Belastung des Gehäuses.
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Ein metallisches Band bzw. metallisches Blech kann ein Stanzteil, Blech, insbesondere Metallblech bzw. Metallband sein, dessen Länge und Breite gemessen an seiner Dicke relativ groß ist. Diese Stanzteile können als Endlosband geliefert werden und für die Verformung oder Verwendung zur Herstellung der Lochverstärkung zugeschnitten werden. Solche metallischen Bänder können zu Spulen zusammengerollt werden und als so genannte Coils geliefert werden. Das Stanzteil kann zumindest einmal quer zu deren Längserstreckung gebogen sein. Es kann auch zweimal, dreimal, viermal, sechsmal oder öfter gebogen sein. Die Biegung des Metalls kann auch durch Abkanten oder Umbördeln erfolgen.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterentwicklung der Lochverstärkung ist vorgesehen, dass zwei gegenüberliegende gerade Teilflächen einen Öffnungswinkel α > 0º, insbesondere Öffnungswinkel α von 1º–20º, in Richtung der Schlitzung aufweisen. Das heißt also, dass die beiden geraden Teilflächen einen Federkraft-Klemmkörper mit zwei gegenüberliegenden Schenkeln bilden, deren Öffnungswinkel α zumindest teilweise das Ausmaß der Federkraft bzw. der elastischen Vorspannung der Buchse im Gehäuse definiert. Damit ist auch eine Verliersicherung der Buchse bei ihrem Einpressen in das Gehäuse gewährleistet.
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Somit kann die Lochverstärkung auf die zu erwartenden Belastungen der Lochverstärkung dimensioniert werden. Hohe Belastungen durch das Befestigungsmittel können durch einen größeren Öffnungswinkel α und/oder größere Dicke des metallischen Bands kompensiert werden. Des Weiteren kann die Dicke des metallischen Bands so gewählt werden, dass sie genügend Auflagefläche für das Befestigungsmittel, insbesondere eine Schraube, bietet.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die zwei gegenüberliegenden geraden Teilflächen einen Öffnungswinkel α > 0º, insbesondere Öffnungswinkel α von 1º–20º, in Richtung der Schlitzung aufweisen.
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Durch diese Ausbildung der Lochverstärkung ist es möglich, eine Federspannung zu realisieren, die abhängig ist von dem Öffnungswinkel α der beiden gegenüberliegenden geraden Teilflächen und der Dicke des metallischen Bands ist.
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Gemäß einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass die Teilflächen eine kegelstumpfartige Form und/oder eine Fase mit einem Winkel von 10º–45º aufweisen.
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Die Teilflächen bzw. deren Randbereiche können also eine kegelstumpfartige Form ausbilden, so dass der in das Gehäuse einzusetzende Randbereich der Lochverstärkung eine geringere Nennweite aufweist, als der äußere Randbereich. Die kegelstumpfartige Form dient also als Einführschräge bzw. Einführhilfe sowohl zum erleichterten Einsetzen der Buchse in das Loch des Gehäuses als auch zum erleichterten Einführen der Schraube in die Buchse.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Schlitzung durch die Breitenseiten, insbesondere verzahnbare Breitenseiten, des metallischen Bands gebildet ist. Dies bedeutet, dass die Schlitzung bevorzugt durch zwei einander zugewandten Breitenseiten gebildet wird, die keine durchgehend geraden Kanten bilden, sondern verzahnbare, zu einander komplementäre Kantenformen aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass das aufzunehmende Befestigungsmittel nicht durch die Schlitzung mit dem Gehäuse in Kontakt gerät und für Verspannungen sorgt. Aus der komplementären Ausbildung und Anordnung beispielsweise einer Verprägung und beispielsweise einer Ausnehmung in den gegenüberliegenden Breitenseiten des Metallbandes ergibt sich ein mechanischer Federkraftkontakt zur sicheren Aufnahme und Halterung des Befestigungsmittels in der Buchse.
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Bevorzugt sind die zwei gegenüberliegenden gekrümmten Teilflächen als Biegebereiche teilkreisförmig oder teilellipsenförmig ausgebildet.
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Grundsätzlich können die Biegebereiche eine beliebige Gestalt aufweisen. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist jedoch vorgesehen, dass die Biegestellen, die quer zur Längserstreckung des metallischen Bands gebogen sind, teilkreisförmig oder teilellipsenförmig ausgebildet sind. Biegebereiche im Sinne der vorliegenden Erfindung sind somit Stellen, die sich quer zur Längserstreckung des metallischen Bands erstrecken. Dabei wird das metallische Band um eine Achse gebogen, die quer zur Längserstreckung des metallischen Bands verläuft.
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Gemäß einer Weiterbildung der Lochverstärkung ist vorgesehen, dass die Biegebereiche einen Biegeradius zwischen 2 mm und 30 mm aufweisen. Die Biegeradien können durch ihre variable Ausbildung derart eingestellt werden, dass sie der Form des zu verstärkenden Lochs ideal angepasst sind.
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Bevorzugt weist das metallische Band eine Dicke zwischen 0,5 und 5 mm auf. Dadurch ist eine ausreichend stabile Ausbildung der Lochverstärkung möglich, die auch Belastungen durch ein Befestigungselement oder durch äußere Krafteinwirkungen unbeschadet übersteht. Auf der anderen Seite ist gewährleistet, dass eine ausreichend große Auflagefläche für das Befestigungsmittel gebildet wird.
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Gemäß einer Weiterbildung der Lochverstärkung ist vorgesehen, dass die Biegebereiche einen Biegewinkel zwischen 1° und 359°, insbesondere 60°, 90 und/oder 180°, aufweisen. Der Biegewinkel im Sinne der vorliegenden Erfindung ist der Winkel, um den das metallische Band aus seiner ursprünglichen Gestalt heraus gebogen wird. Das metallische Band ist in der Regel gerade, so dass es bei einem Biegewinkel von beispielsweise 30° zwölf Biegebereiche aufweisen muss, um ein geschlossenes Profil zu bilden. Je kleiner die Biegewinkel sind, umso mehr Biegestellen sind daher notwendig, um eine nahezu geschlossene Lochverstärkung zu bilden, wobei mit steigender Anzahl der Biegestellen eine bessere Anpassung an ein zu verstärkendes Loch möglich ist. Eine Biegestelle kann beispielsweise an einem relativ geraden Stück der Lochverstärkung erfolgen. Damit kann die Lochverstärkung aus gebogenen Stellen und aus geradlinigen Stellen bzw. Führungsflächen gebildet sein. Je mehr Biegestellen die Lochverstärkung aufweist, umso näher ist die Lochverstärkung an einen kreisförmigen Querschnitt angepasst. Alternativ kann eine Lochverstärkung nur zwei Biegestellen aufweisen, wobei die Biegestellen quer zur Längserstreckung des metallischen Bandes gebogen sind, so dass die Lochverstärkung eine U-Form bzw. eine V-Form bildet.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Stanzteil, das zur Herstellung einer wie oben beschriebenen Lochverstärkung verwendet wird, wobei das Stanzteil aus einem metallischen Band gebildet ist und eine Schlitzung aufweist.
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Gemäß einer Weiterbildung des Stanzteils ist vorgesehen, dass zumindest eine Längskante des Stanzteils eine Fase aufweist und/oder die Breitenseiten des Bandes zueinander komplementär ausgebildet sind. Als Längskante bzw. Längsseite des Stanzteils wird im Rahmen der Erfindung eine sich entlang der Längserstreckung des metallischen Bandes bildende Kante oder Seite verstanden. Als Breitenseite des Stanzteils wird im Rahmen der Erfindung eine sich senkrecht zur Längserstreckung des metallischen Bandes durch Schneiden bzw. Stanzen bildende Kante oder Seite verstanden.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren, das die Herstellung einer zuvor beschriebenen Lochverstärkung ermöglicht. Das Verfahren umfasst die Schritte:
- – Bereitstellen eines metallischen Bands,
- – Stanzen und anschließendes Biegen des metallischen Bands quer zu dessen Längsrichtung unter Ausbildung einer Schlitzung und Federspannung, und
- – Einpressen der Lochverstärkung in ein bestehendes Loch eines Gehäuses.
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Das Einpressen bzw. Eindrücken der Lochverstärkung in ein bestehendes Loch eines Gehäuses erfolgt derart, dass die Lochverstärkung zunächst im Bereich der Schlitzung zusammengedrückt wird. Unter Nutzung der Federkraft wird die Lochverstärkung anschließend zumindest kraftschlüssig in das Loch des Gehäuses, insbesondere die Schraublöcher eines Kunststoffbauteils, eingesetzt. Das Ausmaß der Schlitzung richtet sich dabei bevorzugt nach dem Nennmaß der zu verwendenden Schraube, d.h. in zusammengedrücktem Zustand entsprechen die Innenmaße der Lochverstärkung dem Nennmaß der Schraube. Auf diese Weise wird in besonders einfacher und schneller Weise eine Lochverstärkung gebildet, die die zuvor genannten vorteilhaften Eigenschaften aufweist. Insbesondere kann so auf eine herkömmliche Lochverstärkung verzichtet werden, die zusätzlich von einem Material, insbesondere einem Kunststoff, zur Bildung eines Gehäuses, umspritzt wird. Das vorliegende Verfahren gestattet vorteilhaft das nachträgliche Einpressen der Lochverstärkung in ein bestehendes Loch des Gehäuses.
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Das Zusammendrücken und/oder Einpressen kann von Hand oder mittels eines geeigneten Werkzeugs erfolgen. Dabei weist die Lochverstärkung bzw. die Seitenschenkel vor dem Zusammendrücken eine V-Form auf, die in Richtung der Schlitzung geöffnet ist/sind. Während des Zusammendrückens kann die Lochverstärkung bzw. die Seitenschenkel eine umgekehrte V-Form aufweisen. Im eingesetzten Zustand können dann je nach Ausgestaltung der Schlitzung und/oder der Lochform des Gehäuses die Seitenschenkel in Parallelstellung vorliegen. Dabei weist der Schlitz eine Breite auf, die in der Endstellung der eingesetzten Lochverstärkung sichtbar ist, wobei die Einpresskräfte in Abhängigkeit von der Schlitzbreite verringert werden können. Die Einpresskraft wird so lange aufrecht erhalten, bis die obere Längsseite der Lochverstärkung bündig mit der Lochumrandung des Kunststoffbauteils abschließt.
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Kurze Beschreibung der Figuren
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Im Folgenden werden weitere Ausführungsformen der Erfindung sowie mit Bezug auf die Figuren erläutert.
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1 zeigt in Schrägansicht eine Lochverstärkung in Form einer geschlitzten Buchse;
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2 zeigt eine Lochverstärkung in der Draufsicht; und
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3 zeigt eine Schlitzung der Lochverstärkung in Seitenansicht.
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Detaillierte Beschreibung der Ausführungsformen
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Sofern nichts anderes angegeben ist, werden in der nachfolgenden Beschreibung gleiche oder gleich wirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen benannt und nicht noch einmal eingehend erläutert.
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1 zeigt eine Lochverstärkung 1, welche einstückig aus einem metallischen Band 9 gebildet ist. Zur Bildung der Lochverstärkung 1 wird somit lediglich ein metallisches Band 9 von einer Rolle abgetrennt und zumindest dreimal quer zu seiner Längserstreckung gebogen. In der Lochverstärkung 1 aus 1 sind die Biegebereiche teilkreisförmig ausgebildet. Sie könnten jedoch auch teilellipsenförmig oder auch eckig ausgebildet sein, wobei eine eckige Ausbildung durch einen extrem kleinen Biegeradius gekennzeichnet ist.
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Die Lochverstärkung 1 weist zwischen den Biegebereichen somit zwei gegenüberliegende zumindest teilweise geraden Teilflächen 3, 4 und zwei gegenüberliegende gekrümmten Teilflächen 5, 6 auf. Insbesondere weist eine der gekrümmten Teilflächen 6 zumindest eine Schlitzung senkrecht zur Längserstreckung des metallischen Bandes auf. Durch die Aufweitung der Lochverstärkung im Bereich der Schlitzung sind die zwei gegenüberliegenden geraden Teilflächen 3, 4 nicht-parallel unter Ausbildung einer Federspannung angeordnet. Im verbauten Zustand, das heißt nach Einsetzen der Lochverstärkung 1 in das Loch bzw. die Bohrung des Gehäuses, gewährleistet die Vorspannung eine hohe Federsteifigkeit und damit eine deutlich geringere Belastung des Gehäuses beim Einbringen einer Schraube im Vergleich zu einer herkömmliche Lochverstärkung mit Flanschfläche.
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Die Breite der Auflagefläche wird daher durch die Dicke des metallischen Bands vorbestimmt, auf Flanschflächen kann auf vorteilhafte Weise verzichtet werden.
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Die zwei gegenüberliegenden, zumindest teilweise geraden Teilflächen 3, 4 sind dabei länger als die zwei gegenüberliegenden gekrümmten Teilflächen 5, 6. Die zwei gegenüberliegenden gekrümmten Teilflächen 5, 6 sind mindestens so breit ausgestaltet, wie das Befestigungsmittel, beispielsweise eine Schraube, dick ist. Dagegen sind die zwei sich gegenüberliegenden, zumindest teilweise geraden Teilflächen 3, 4 etwas länger ausgebildet, um zusätzlich zur Vorspannung mögliche Verformungen des nicht dargestellten Gehäuses zu kompensieren. Solche Verformungen des Gehäuses können aus unterschiedlichen Einflüssen, d.h. Temperatureinflüssen oder mechanischen Einwirkungen, resultieren. Mit anderen Worten wird die Geometrie der Lochverstärkung 1 mit einfachen Mitteln dahingehend ausgestaltet, um solche Einflüsse zu kompensieren.
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Des Weiteren, in der Figur nicht dargestellt, weisen die Teilflächen 3, 4, 5, 6 eine kegelstumpfartige Form und/oder eine Fase mit einem Winkel von 10º–45º auf, um das Einsetzen der Lochverstärkung 1 in das Loch bzw. die Bohrung des Gehäuses zu erleichtern.
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2 zeigt eine Ausführungsform der Lochverstärkung 1 mit Schlitzung in Draufsicht. Die Lochverstärkung 1 weist drei zumindest drei Biegebereiche auf, wobei diese quer zur Längserstreckung des metallischen Bands 9 gebogen sind. Die drei Biegestellen weisen einen Biegewinkel von etwa 90° auf. Die Lochverstärkung 1 bildet somit eine geschlitzte Buchse. Das heißt, das Ende eines Stanzteils aus dem Metallband 9 ist geringfügig beabstandet vom Anfang des Stanzteils. Durch die Schlitzung weisen die zwei gegenüberliegenden geraden Teilflächen 3, 4 einen Öffnungswinkel α > 0º, insbesondere Öffnungswinkel α von 1º–20º, in Richtung der Schlitzung auf.
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3 zeigt eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lochverstärkung 1, bei der die Schlitzung durch verzahnbare Breitenseiten des metallischen Bands 9 gebildet ist. Die zwei einander zugewandten Breitenseiten bilden hierbei keine durchgehend geraden Kanten, sondern verzahnbare, zu einander komplementäre Kantenformen. Dadurch wird gewährleistet, dass das aufzunehmende Befestigungsmittel nicht durch die Schlitzung mit dem Gehäuse in Kontakt gerät und für Verspannungen sorgt. Aus der komplementären Ausbildung und Anordnung beispielsweise einer Verprägung und beispielsweise einer Ausnehmung in den gegenüberliegenden Breitenseiten des Metallbandes ergibt sich ein mechanischer Federkraftkontakt zur sicheren Aufnahme und Halterung des Befestigungsmittels in der Buchse.
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Zur Illustration der mechanischen Vorteile der Erfindung wird in 4 und 5 die Kräftesimulation der Verschraubung einer herkömmlichen geschlossenen und geflanschten Lochverstärkung gegenüber der erfindungsgemäßen geschlitzten, nicht geflanschten Lochverstärkung dargestellt.
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4 zeigt das Resultat der Berechnung der Verformung und Belastung der herkömmlichen Lochverstärkung bei einem Anzugsmoment der Mutter von 8 Nm.
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Die Simulation beruht auf der Annahme einer Lochverstärkung aus Stahl DC03 (Re = 215 N/mm2), die formschlüssig in einer umgebenden Kunststoffversteifung aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)angeordnet ist. Beim Einschrauben einer Schraube bzw. Mutter aus Stahl (Re = 355 N/mm2) in diese Lochverstärkung ergibt sich für die Vorspannkraft der Schraube durch eine hohe Längenänderung bzw. Stauchung eine starke Zunahme der Vorspannkraft beim Einschrauben.
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Aus der Darstellung ergibt sich für die Federkonstante der Buchse ein Wert von 58074 N/mm, d.h. eine geringe Steifigkeit der Lochverstärkung und damit eine hohe Spannungsbelastung des umgebenden Kunststoffbauteils.
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Demgegenüber zeigt 5 das Resultat der Berechnung der Verformung und Belastung der erfindungsgemäßen Lochverstärkung bei einem Anzugsmoment der Schraube bzw. Mutter von 8 Nm.
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Auch hier beruht die Simulation auf der Annahme einer Lochverstärkung aus Stahl DC03 (Re = 215 N/mm2), die nunmehr eingepresst in einer umgebenden Kunststoffversteifung aus Acrylnitril-Butadien-Styrol (ABS)angeordnet ist. Beim Einschrauben einer Schraube bzw. Mutter aus Stahl (Re = 355 N/mm2) in diese Lochverstärkung ergibt sich für die Vorspannkraft der Schraube durch sehr geringe, lineare Längenänderung bzw. Stauchung eine geringe, abgeschwächte Zunahme der Vorspannkraft beim Einschrauben.
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Aus der Darstellung ergibt sich für die Federkonstante der Lochverstärkung ein Wert von 163300 N/mm, d.h. eine um ein Vielfaches (+280 %) höhere Federsteifigkeit der Lochverstärkung gegenüber dem Stand der Technik und damit eine sehr geringe Spannungsbelastung des umgebenden Kunststoffbauteils. Ein Brechen oder Reißen der umgebenden Kunststoffversteifung bzw. einer Bindenaht beim Einschrauben ist damit praktisch ausgeschlossen.
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Darüber hinaus sind weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lochverstärkung 1 denkbar, die sämtlich eine geschlitzte Hülse bzw. Buchse in verschieden Formen darstellen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Lochverstärkung
- 2
- Gehäuse
- 3
- gerade Teilfläche
- 4
- gerade Teilfläche
- 5
- gekrümmte Teilfläche
- 6
- gekrümmte Teilfläche
- 9
- Biegeradius
- 10
- metallisches Band
