DE102014114165B4

DE102014114165B4 - Schraubverbindung für bauteil aus thermoplastischem kunststoff

Info

Publication number: DE102014114165B4
Application number: DE102014114165.2A
Authority: DE
Inventors: Tanja Reithmaier; Norbert Simon; Leonhard Dobos; Gregor Hödl; Johann Petermaier
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2014-09-30
Filing date: 2014-09-30
Publication date: 2022-11-10
Anticipated expiration: 2034-10-01
Also published as: CN107076195B; DE102014114165A1; MY192829A; WO2016050513A1; CN107076195A; US10408249B2; US20170227040A1

Abstract

Schraubverbindung mit einem Trägerbauteil (2), einem weiteren Bauteil (6) und einer Schraube (3) zur Befestigung des Trägerbauteils (2) mit dem weiterem Bauteil (6), bei der das Trägerbauteil (2) einen Schraubtubus (4) aus Kunststoff zur kraft- und formschlüssigen Aufnahme der Schraube (3) aufweist, wobei der Schraubtubus (4) aus einem thermoplastischen Schaumstoff besteht und die Schraube (3) einen stumpfkantigen Schraubengewindegang (5) aufweist, und wobei die Schraube unter Verdichtung des Schaumstoffs in den Schraubtubus (4) einschraubbar ist.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraubverbindung mit einem Trägerbauteil, einem weiteren Bauteil und einer Schraube zur Befestigung des Trägerbauteils mit dem weiteren Bauteil, bei der das Trägerbauteil einen Schraubtubus aus Kunststoff zur kraft- und formschlüssigen Aufnahme der Schraube aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Verbinden eines Trägerbauteils mit einem weiteren Bauteil mittels einer Schraube.
Stand der Technik
Kunststoffe werden insbesondere wegen ihrer hohen Festigkeit und einem geringen Eigengewicht in vielen Anwendungsbereichen wie beispielsweise der Automobilindustrie eingesetzt. Zur lösbaren Verbindung von Kunststoffbauteilen werden Schraubverbindungen eingesetzt, an die besondere Anforderungen gestellt werden, die durch den Einsatz herkömmlicher Blech- oder Holzschrauben nicht oder nur unzureichend erfüllt werden.
Aus dem Stand der Technik sind insbesondere gewindeselbstformende bzw. gewindefurchende Schrauben bekannt, die unter dem Begriff „Holzschrauben“ subsumierbar sind. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Kopf und einem Schraubenkern, der als langgestreckter Konus oder Kegel ausgebildet ist und an der Schraubenspitze mehr oder weniger spitz zuläuft. Der Schraubenkern ist von einer schraubenförmig umlaufenden Schneidflanke umgeben, die radial von dem Gewindegrund absteht, der mit einem mehr oder weniger scharfen Knick in die beiden Flanken des Schneidgewindes übergeht. Die Flanken sind ihrerseits mit einer konstanten Steigung vom Gewindegrund bis zur Flankenspitze versehen, so dass sich ein zwischen den beiden Flankenlinien liegender konstanter Flankenwinkel ergibt. Derartige Schrauben werden zur Verschraubung auch von Kunststoffen eingesetzt.
Zudem hat der Wettbewerb in der Automobilindustrie in Richtung Leichtbau zu einer immer breiter werdenden Anwendungspalette für Kunststoffe geführt, wobei zunehmend auch das physikalische Schäumen oder chemische Schäumen, also das Ersetzen von Kunststoffmaterial durch Luft (Stickstoff, CO₂), eingesetzt wird. Beim physikalischen Schäumen nach MuCell® oder ähnlichen Verfahren wird beispielsweise Stickstoff, Kohlendioxid oder ein chemisches Treibmittel in überkritischem Zustand während des Plastifizierens unter Druck in die Kunststoffschmelze injiziert und homogen verteilt. Nach dem Einspritzen in die drucklose Form trennt sich das Gas wieder aus der Schmelze und bildet eine feinzellige Schaumstruktur. Der Entfall des Nachdrucks und die verringerte Viskosität, die Minimierung oder Eliminierung von Einfallstellen und Verzug sind die wesentlichen Aspekte, die den Trend verstärken.
Alle bekannten Schrauben haben bei der Verwendung in Kunststoffen, auch geschäumten Kunststoffen, den Nachteil, dass es beim Einschrauben zu Schädigungen des Kunststoffs, beispielsweise durch Aufplatzen der Einschraubaugen oder durch Spannungsrissbildung kommt, wobei gleichzeitig relativ hohe Eindrehmomente notwendig sind. Bei den Schraubverbindungen kommt es bei MuCell-Spritzgussteilen zu einer Zerstörung der Kompaktschicht, so dass eine herkömmliche Schraube in der verbleibenden Schaumschicht jeden Halt verliert.
Weitere Befestigungsverfahren für Kunststoffteile sind DE 100 48 975 C1 , DE 10 2009 024 264 A1 und EP 2 185 828 B1 zu entnehmen. So zeigt DE 100 48 975 C1 eine Mutter aus geschäumten POM und zylindrischer Innen-Bohrung, die auf einen Gewindebolzen geschraubt wird. Die Mutter kann dabei durch das geschäumte Material elastische einfedern bzw. drückt das Gewinde des Bolzens beim Aufdrehen in die Mutter ein. In DE 10 2009 024 264 A1 ist eine Lösung dafür aufgezeigt, dass eine Mutter durch Abschnitte unterschiedlichen Innendurchmessers darauf vorbereitet wird, für Gewindebolzen unterschiedlichen Außendurchmessers eingesetzt zu werden. EP 2 185 828 B1 zeigt eine Schraube mit stumpfen Gewindespitzen und spitzwinkligen Gewindetälern zum Erzeugen eines Gewindes beim ersten Einschrauben.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraube zu schaffen, die bei vergleichsweise hohen Eindrehmomenten eine direkte, hochbelastbare Verbindung zwischen Schraube und geschäumtem Kunststoff, insbesondere auch bei unterschiedlicher Kunststoffkonsistenz, sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 10 gelöst.
Erfindungsgemäß wird eine Schraubverbindung mit einem Trägerbauteil, einem weiteren Bauteil und einer Schraube zur Befestigung des Trägerbauteils mit dem weiterem Bauteil bereitgestellt, bei der das Trägerbauteil einen Schraubtubus oder sogenannten Schraubdom aus Kunststoff zur kraft- und formschlüssigen Aufnahme der Schraube aufweist, wobei der Schraubtubus aus einem thermoplastischen Schaumstoff besteht und die Schraube einen stumpfkantigen Schraubengewindegang aufweist, und wobei die Schraube unter Verdichtung des Schaumstoffs in den Schraubtubus einschraubbar ist.
Durch die erfindungsgemäße Profilgebung kann sich der thermoplastische Schaumstoff während des Einschraubvorganges durch plastische Deformation und Reibung gut an die stumpfen Gewindespitzen und Gewindetäler anpassen, ohne eingeschnitten zu werden. Mit anderen Worten erfolgt während des Einschraubens eine Materialverdrängung bzw. Verdichtung statt eines furchenden Einschneidens. Rissbildung und Aufplatzen des Schraubtubus oder Einschraubauges werden dadurch vermieden, wobei insbesondere das durch die Schraube eingeprägte Gewinde eine höhere Festigkeit gegen Überdrehen der Schraube, d.h. gegen Abscheren geschnittener Gewindegänge, aufweist.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Bevorzugt weist die Schraube mehrere Schraubengewindegänge mit einem Außendurchmesser auf, der zumindest abschnittsweise größer als der Innendurchmesser des Schraubtubus ist. Damit ist gewährleistet, dass die Schraube zumindest abschnittsweise in den Schraubtubus eindringt, ohne in dessen äußere Kompaktschicht einzuschneiden.
Vorzugsweise weist die Schraube stumpfe Schraubengewindegänge mit Flankenwinkeln von 30°-90°, bevorzugt > 60°, auf. Die stumpfen Schraubengewindegänge, aber auch ein ausgerundeter Übergang zwischen Flanken und Gewindegrund bedingen ein kerbfreies Schraubenprofil, das zu einer weiteren Verminderung der Kunstsoff- bzw. Schaumstoffbeanspruchung führt. Der Übergang zwischen Flanken und Gewindegrund kann vorteilhaft segmentweise erfolgen, wobei der äußere Gewindebereich als erstes Segment stumpfe Flankenwinkel von 30°-90°, bevorzugt > 60°, aufweist. Das zweite Segment im Übergang zwischen Flanke und Gewindegrund stellt einen tangentialen Übergang mit Winkeln von 145°-170° dar. Das dritte Segment umfasst den Gewindegrund zwischen zwei Flanken und stellt ein Kreissegment mit Winkeln von 170°-180° dar.
Bevorzugt weist die Schraube Schraubengewindegänge mit abgerundeten Kanten auf.
Vorzugsweise weist die Schraube Gewindeabstände größer 2 mm auf, je nach Schraubenlänge und Schraubendurchmesser.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung ist vorgesehen, dass der thermoplastische Schaumstoff des Schraubtubus des Bauteils nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren, hergestellt ist. Damit ergibt sich eine innere und äußere Struktur des Tubus, für die die angegebene Schraubengeometrie in hervorragender Weise geeignet ist, um eine hochbelastbare Verbindung zwischen der Schraube und dem geschäumtem Kunststoff, insbesondere auch bei unterschiedlicher Kunststoffkonsistenz, zu gewährleisten.
Vorzugsweise besteht zumindest der Schraubtubus aus einem Integralschaum oder einem mikrozellularen Schaum mit kompakter Außenhaut. Zur Verbesserung der Wärmedämmeigenschaften kann die Kunststoffschicht Gaseinlagerungen aufweisen. Diese Gaseinlagerungen können beispielsweise mit dem sog. MuCell-Verfahren erzeugt werden. Bei diesem Verfahren werden während des Spritzprozesses kleine, genau dosierte Mengen an Stickstoff und Kohlendioxid in die Kunststoffschmelze eingebracht. Hierdurch lassen sich Zell-Strukturen erzielen, die spannungsfrei und damit sehr dimensionsstabil sind. Neben der Verwendung von Stickstoff und Kohlendioxid ist jedoch auch der Einsatz anderer chemischer oder physikalischer Treibmittel denkbar.
Vorzugsweise weist die Kunststoffschicht eine derartige Gaseinlagerung auf, dass sich Zellporendichten im Bereich von 107 bis 1010 Zellen/cm³ Kunststoffschichtvolumen einstellen.
Bevorzugt weist der Schraubtubus eine Seitenwandstärke von 0,1 bis 3 mm und eine Bodenwandstärke von 0,1 bis 3 mm aufweist.
Bevorzugt wird auch das Trägerbauteil und/oder das weitere Bauteil aus Kunststoff, bevorzugt thermoplastischem Schaumstoff nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren, hergestellt.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines Trägerbauteils mit einem weiteren Bauteil mittels einer Schraube, mit folgenden Schritten:

- Ausbilden eines Trägerbauteil mit einem Schraubtubus aus einem thermoplastischen Schaumstoff nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren;
- Bereitstellen einer Schraube, welche mehrere stumpfkantige Schraubengewindegänge mit einem Außendurchmesser aufweist, der zumindest abschnittsweise größer als der Innendurchmesser des Schraubtubus ist;
- Auflegen eines weiteren Bauteils auf den Schraubtubus; und
- nicht-gewindefurchendes Einschrauben der Schraube durch das weitere Bauteil in den Schraubtubus, wobei die Schraube unter Verdichtung des Schaumstoffs des Schraubtubus eingeschraubt wird.

Figurenliste
Nachfolgend seien einzelne Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher beschrieben.
Darin zeigen

1 einen Schnitt durch einen herkömmlichen Kunststofftubus aus Kompaktspritzguss mit einer gewindefurchenden Schraube (Stand der Technik);
2 einen Schnitt durch einen nach einem MuCell-Verfahren hergestellten Kunststofftubus mit einer erfindungsgemäßen Schraube; und
3 einen Schnitt durch einen nach einem MuCell-Verfahren hergestellten Kunststofftubus mit einer erfindungsgemäßen Schraube in einer weiteren Ausführungsform.

1 zeigt in Seitenansicht einen Schnitt durch einen herkömmlichen Kunststofftubus 4 aus Kompaktspritzguss mit einer herkömmlichen gewindefurchenden Schraube. Die bekannte scharfkantige Schraube hat beim Einsatz in Kunststoffen den Nachteil, dass es beim Einschrauben zu Schädigungen des Kunststoffs durch Aufplatzen der Einschraubaugen oder durch Spannungsrissbildung kommt, wobei gleichzeitig relativ hohe Eindrehmomente notwendig sind.
Bei MuCell-Spritzgussteilen kommt es beim Verschrauben mit einer derartigen Schraube zu einer Zerstörung der Kompaktschicht, so dass eine herkömmliche Schraube in der verbleibenden Schaumschicht jeden Halt verliert.
2 zeigt in Seitenansicht einen Schnitt durch einen nach einem MuCell-Verfahren oder einem ähnlichen Verfahren hergestellten Kunststofftubus 4 mit einer erfindungsgemäßen Schraube 3. Die äußere Form der Schraube 3 kann beispielsweise konisch sein. Ein typischer Schraubendurchmesser beträgt zwischen 1 und 8 mm. Das Schraubenende kann stumpf oder spitz sein. Dabei kann das Schraubenende einen spitzen, kurzen Schneideweg aufweisen, der dann in eine stumpfe Form übergeht, wobei der Übergang kontinuierlich oder abrupt verlaufen kann.
Der Schraubtubus 4 besteht aus einem Integralschaum oder einem mikrozellularen Schaum mit kompakter Außenhaut. Der Profilgebung der Schraube mit stumpfen Gewindespitzen 5 und ausgerundeten Gewindetälern kann sich die kompakte Außenhaut des thermoplastischen Schaumstoff sowie dessen während des Einschraubvorganges durch plastische Deformation und Reibung gut anpassen, ohne eingeschnitten zu werden. Die Materialverdrängung bzw. Verdichtung ist der Figur unmittelbar entnehmbar. Eine Rissbildung oder Aufplatzen des Schraubtubus 4 wird vermieden.
Dabei erfolgt der Übergang zwischen Flanken und Gewindegrund zum Beispiel abschnittsweise. Der äußere Gewindebereich in 2 weist als erstes Segment stumpfe Flankenwinkel von 30°-90°, bevorzugt > 60°, auf. Der Übergang zum zweiten Abschnitt bzw. Segment kann als gerader Abbruch erfolgen. Das zweite Segment im Übergang zwischen Flanke und Gewindegrund stellt einen tangentialen Übergang mit Winkeln von 145°-170° dar. Das dritte Segment umfasst den Gewindegrund zwischen zwei Flanken und stellt ein Kreissegment mit Winkeln von 170°-180° dar.
3 zeigt in einer weiteren Ausführungsform einen Schnitt durch einen nach einem MuCell-Verfahren oder einem ähnlichen Verfahren hergestellten Kunststofftubus 4 mit einer erfindungsgemäßen Schraube 3 vor und nach dem Einschraubvorgang. Der dargestellte Schraubtubus 4 stellt einen Entspannungstubus dar, der grundsätzlich kleiner ist als ein Kompakttubus. Beim Verschrauben drückt sich die Schraube 3 in die Außenhaut des Schraubtubus 4 ein oder durchdringt den gesamten Tubusboden.

Claims

Schraubverbindung mit einem Trägerbauteil (2), einem weiteren Bauteil (6) und einer Schraube (3) zur Befestigung des Trägerbauteils (2) mit dem weiterem Bauteil (6), bei der das Trägerbauteil (2) einen Schraubtubus (4) aus Kunststoff zur kraft- und formschlüssigen Aufnahme der Schraube (3) aufweist, wobei der Schraubtubus (4) aus einem thermoplastischen Schaumstoff besteht und die Schraube (3) einen stumpfkantigen Schraubengewindegang (5) aufweist, und wobei die Schraube unter Verdichtung des Schaumstoffs in den Schraubtubus (4) einschraubbar ist.
Schraubverbindung nach Anspruch 1, wobei die Schraube mehrere Schraubengewindegänge (5) mit einem Außendurchmesser aufweist, der zumindest abschnittsweise größer als der Innendurchmesser des Schraubtubus (4) ist.
Schraubverbindung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schraube (3) stumpfe Schraubengewindegänge (5) mit Flankenwinkeln von 30°-90°, bevorzugt > 60°, aufweist.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1-3, wobei die Schraube (3) Schraubengewindegänge (5) mit abgerundeten Kanten aufweist.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1-4, wobei die Schraube (3) Gewindeabstände größer 2 mm aufweist.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1-5, wobei der thermoplastische Schaumstoff des Schraubtubus (4) des Bauteils (2) nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren, hergestellt ist.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1-6, wobei zumindest der Schraubtubus (4) aus einem Integralschaum oder einem mikrozellularen Schaum mit kompakter Außenhaut besteht.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1-7, wobei der Schraubtubus (4) eine Außenhaut mit einer Seitenwandstärke von 0,1 bis 3 mm und eine Bodenwandstärke von 0,1 bis 3 mm aufweist.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 1-8, wobei das Trägerbauteil (2) und/oder das weitere Bauteil (6) aus Kunststoff, insbesondere thermoplastischem Schaumstoff nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren, hergestellt sind.
Verfahren zum Verbinden eines Trägerbauteils (2) mit einem weiteren Bauteil (6) mittels einer Schraube (3), mit folgenden Schritten: - Ausbilden eines Trägerbauteil (2) mit einem Schraubtubus (4) aus einem thermoplastischen Schaumstoff nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren; - Bereitstellen einer Schraube (3), welche mehrere stumpfkantige Schraubengewindegänge (5) mit einem Außendurchmesser aufweist, der zumindest abschnittsweise größer als der Innendurchmesser des Schraubtubus (4) ist; - Auflegen eines weiteren Bauteils (6) auf den Schraubtubus (4) - nicht-gewindefurchendes Einschrauben der Schraube (3) durch das weitere Bauteil (6) in den Schraubtubus (4), wobei die Schraube (3) unter Verdichtung des Schaumstoffs des Schraubtubus (4) eingeschraubt wird.