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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraube für geschäumte Kunststoffe, sowie Schraubverbindungen unter Nutzung der Schraube. Verschraubungen an Kunststoffen erfordern einen sorgfältig dimensionierten Schraubtubus und daran angepasste Schrauben. Die Erfindung schlägt Lösungen für Schraubverbindungen vor, insbesondere wenn das zu verschraubende Material ein geringeres Raumgewicht als Kompaktspritzguss oder normaler Spritzguss hat.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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, Kohlendioxid), 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. Die Randschichten bleiben durch den Abkühlprozess an der Werkzeugwand kompakt und bilden eine geschlossene Außenhaut. Der Entfall des Nachdrucks und die verringerte Viskosität, die Minimierung oder Eliminierung von Einfallstellen und Verzug sind die wesentlichen Aspekte, die den Trend verstärken. Zudem sind solche Kunststoffe leicht und verringern so das Gesamtgewicht der Konstruktion.
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Selbstfurchende Schrauben haben bei der Verwendung in Kunststoffen, auch geschäumten Kunststoffen, den Nachteil, dass es beim Einschrauben zu Schädigungen des Kunststoffs, beispielsweise durch Aufplatzen des Schraubtubuses oder durch Spannungsrissbildung kommt.
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Die Gewindegeometrie dieser Schrauben hat außerdem zur Folge, dass es keinen signifikanten Unterschied zwischen Anzieh- und Überdrehmoment gibt. Im schlimmsten Fall führt dies zum Durchdrehen der Schraube beim Montieren und zu einer Zerstörung der selbstgeformten Gewindegänge im Schraubtubus, die der Schraube Halt bieten sollten. Damit ist das ganze Kunststoffteil unbrauchbar.
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In MuCell®-Spritzgussteilen führt das Einschneiden des Materials beim Eindrehen der Schraube zu einer Zerstörung der kompakten Außenschicht. Dadurch werden auch die Verbindungen zur angrenzenden Zellstruktur geschädigt. Das Material wird porös, so dass keine ausreichend feste Verbindung zwischen Schraube und Kunststoff hergestellt werden kann.
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In der
DE 10 2014 114 165 wird daher eine Schraubverbindung mit einer Schraube mit stumpfkantigem Gewindegang vorgeschlagen. Die Schraube wird unter Verdichtung des Schaumstoffs in einen Schraubtubus eingeschraubt. Der Schraubtubus ist aus einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt und nimmt die Schraube form- und kraftschlüssig auf.
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Für eine optimal belastbare Schraubverbindung werden besondere Anforderungen an das Design des Schraubtubuses gestellt. Als Schraubtubus wird ein am Kunststoffteil ausgebildeter Bereich, der zur Aufnahme einer Schraube dient und einen zylinderförmigen Hohlraum zur Aufnahme der Schraube aufweist, bezeichnet. Die Geometrie des Schraubtubuses wird in Abhängigkeit von Schraubendurchmesser und Werkstoff konstruiert. Besonders wichtig ist der Durchmesser der Entlastungsbohrung. Ist dieser zu klein gewählt, platzt der Tubus beim Einschrauben auf. Bei einem zu groß gewählten Durchmesser hat die Schraube keinen ausreichenden Halt. Weitere wichtige Parameter für die Geometrie des Schraubtubuses sind die Wandstärke, die Rippengeometrie, und die Einschraubtiefe. Die Abstimmung des Schraubtubuses an die Schraubengeometrie und an die Anforderungen der Schraubverbindung ist zeit- und kostenaufwendig.
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Beschreibung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraube zu schaffen, die bei vergleichsweise hohen Eindrehmomenten eine direkte, hochbelastbare Verbindung zwischen Schraube und Kunststoff, insbesondere auch bei unterschiedlicher Kunststoffkonsistenz, sicherstellt und gleichzeitig Zeit- und Kostenaufwand bei der Abstimmung und Produktion des die Schraube aufnehmenden Kunststoffteils reduziert.
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Diese Aufgabe wird durch eine Schraube mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Schraubverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst.
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Erfindungsgemäß wird eine Schraube für die Befestigung eines Kunststoffteils mit einem weiteren Bauteil bereitgestellt, bei der die Schraube einen Schraubenkopf mit Formelementen zur formschlüssigen Verbindung mit einem Werkzeug enthält. Die Formelemente dienen zur Übertragung des Drehmoments und weisen einen spiralförmig um einen Hohlraum verlaufenden Gewindegang auf, wobei zwei benachbarte Umläufe des Gewindegangs durch den Hohlraum getrennt sind. In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind Schraubenkopf und Gewindegang einteilig ausgebildet. Durch den Hohlraum innerhalb des spiralförmigen Gewindegangs ist eine geringe Materialmenge im Kunststoffteil zu verdrängen. Es ist daher möglich, auf einen Schraubtubus zu verzichten und direkt in einen Schraubdom ohne eigenen Hohlraum einzuschrauben.
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Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Bevorzugt weist die Schraube eine festsitzende oder freidrehende Scheibe auf, deren Durchmesser größer ist als der des Schraubenkopfs. Die Größe der Scheibe ist dabei abhängig von der Ausgestaltung des Bauteils. Damit kann der Schraubenkopf knapp dimensioniert sein, da die Scheibe beim Einschrauben auf das Kunststoffteil trifft und die Kraft auf eine größere Fläche verteilt. Freidrehende Scheiben können besser Fugenspalten garantieren. Festsitzende Scheiben entstehen durch Anpressen der Scheibe an den Schraubenkopf.
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Vorzugsweise besitzt die Schraube mindestens eine Gewindeschneide, welche an den Gewindegang angeformt ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Gewindeschneide an der Spitze des Gewindegangs angeformt. Die Gewindeschneide unterstützt das Ausformen eines Gewindegangs beim Einschrauben. Der nötige Kraftaufwand für das Eindringen der Schraube in den Kunststoff wird reduziert.
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In einer vorteilhaften Ausbildung kann das Profil des Gewindegangs abschnittsweise in seiner geometrischen Form variieren. Insbesondere ändert sich die geometrische Form des Gewindegangs dahingehend, dass der Querschnitt des Gewindegangs verschiedene Formen annehmen kann. Ein Gewindegang mit einem ovalen Profil hat bei gleicher Querschnittsfläche eine größere Oberfläche als ein Gewindegang mit kreisförmigem Querschnitt. Eine größere Oberfläche bedeutet, dass die Reibung zwischen Gewindegang und Material höher ist, wodurch sich auch das Drehmoment erhöht.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn der Gewindegang in seiner Dicke variiert. Ein zunehmend dicker werdender Gewindegang verdrängt bei jedem Gewindeumlauf des Einschraubvorgangs mehr Material, so dass das Drehmoment erhöht ist.
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Eine höhere Materialverdrängung kann auch erreicht werden indem die Ausrichtung des Gewindegangs variiert wird. Beispielsweise kann die Ausrichtung geradlinig oder wellenförmig verlaufen.
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Bevorzugt weist die Schraube einen Gewindegang mit zumindest abschnittsweise abgerundeten Kanten auf. Ein Einschneiden des Materials bedeutet auch immer eine Schwächung des Materials an der Schnittkante. Die abgerundeten Kanten verhindern, dass sich die Schraube in das Material schneidet. Stattdessen wird die Schraube durch Verdrängen und Verdichten in das Material eingeschraubt.
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Vorzugsweise hat die Schraube ein Verhältnis von Gewindesteigung zum Außendurchmesser des Gewindeganges, welches sich von gewindeschneidenden (gewindefurchenden) Kunststoffschrauben unterscheidet. Dieses Verhältnis beschreibt den Steigungswinkel der Gewindeumläufe, der bei gewindeschneidenden Kunststoffschrauben etwa 0,45 beträgt. Ein kleinerer Steigungswinkel der erfindungsgemäßen Schraube, bevorzugt kleiner 0,43, hat den Vorteil, dass bei gleicher Schraubenlänge mehr Gewindeumläufe möglich sind oder die Schraube verkürzt werden kann. Zusätzliche Gewindeumläufe erhöhen die Klemmwirkung der Verbindung. Ein größerer Steigungswinkel der erfindungsgemäßen Schraube, bevorzugt größer 0,47, hat den Vorteil, dass bei gleicher Schraubenlänge und gleichem Raumgewicht des Kunststoffs die Klemmwirkung der Verbindung verringert ist und geringere Drehmomente beim Einschrauben aufzuwenden sind.
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Bevorzugt variiert die Gewindesteigung des Gewindegangs. Eine Variation der Gewindesteigung bedeutet, dass der Abstand zwischen benachbarten Gewindeumläufen nicht konstant ist. Durch die Änderung der Gewindesteigung wird das Material während des Einschraubens gestaucht oder gestreckt. Diese zusätzliche Verspannung des Materials mit der Schraube erhöht die Festigkeit der Verbindung.
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In einer bevorzugten Ausführungsform verändert sich der Abstand der Kante des Gewindeganges zu einer Schraubenmittelachse. Vorzugsweise geschieht dies nahe am Schraubenkopf. Der Abstand könnte zum Schraubenkopf hin größer werden. Dadurch dreht sich die Schraube nicht in den ursprünglich geformten Gewindegang ein, sondern der Gewindegang muss neu ausgeformt werden. Dies führt zu einer weiteren Spannung zwischen Material und Schraube, wodurch das Drehmoment erhöht wird.
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Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Schraubverbindung zwischen einem Kunststoffteil und einem weiteren Bauteil mit einer Schraube, gemäß einer der vorangegangenen Beschreibungen. Dabei besitzt das Kunststoffteil mindestens einen Schraubdom, welcher aus einem thermoplastischen Kunststoff nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach dem MuCell®-Verfahren oder in einem ähnlichen Verfahren hergestellt wurde. Durch die neuartige Profilgebung des Gewindeganges ist die Schraube hervorragend geeignet um eine hochbelastbare Verbindung zwischen einem geschäumten Kunststoff und einem Bauteil herzustellen. Durch ein Verdichten und Verdrängen statt Schneiden während des Eindrehens kann sich der Kunststoff besser an das Profil des Gewindeganges anpassen. Durch den Hohlraum zwischen den Gewindeumläufen muss weniger Material verdrängt werden, so dass Rissbildungen im Schraubdom verhindert werden.
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Bevorzugt ist der Schraubdom der Schraubverbindung aus Vollmaterial hergestellt und die Schraube wird direkt unter Verdichtung und Verdrängung eingeschraubt. Zum Ansetzen der Schraube weist der Schraubdom vorzugsweise eine Vertiefung auf. Durch das direkte Einschrauben der Schraube in ein Vollmaterial entfallen zeit- und kostenaufwendige Konstruktionsberechnungen und Erprobungsschleifen für die optimale Auslegung des Schraubtubuses auf die Geometrie der Schraube. Durch eine Vertiefung wird die optimale Position für die Ansetzung der Schraube zur Verschraubung bezeichnet und verhindert, dass die Schraube beim Ansetzen verrutschen kann und somit schräg, versetzt oder anderweitig falsch eingeschraubt wird.
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In einer bevorzugten Ausführung weist das Bauteil der Schraubverbindung eine Öffnung zur Führung der Schraube zum Schraubdom auf. Die Öffnung erleichtert das Durchführen der Schraube durch das Bauteil.
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Vorzugweise weist der Schraubenkopf und/oder die Scheibe der Schraube in der Schraubverbindung einen größeren Durchmesser als der Durchmesser der Öffnung auf. Dadurch wird verhindert, dass der Schraubenkopf während des Einschraubens ganz oder teilweise in die Öffnung eindringt.
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Kurze Figurenbeschreibung
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1 Kunststoffschraube nach dem Stand der Technik
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2 Schraubverbindung mit einem Schraubtubus und einer herkömmlichen Kunststoffschraube nach dem Stand der Technik
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3 erfindungsgemäße Schraube
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4 Schraubverbindung mit einem Schraubdom und einer erfindungsgemäßen Schraube
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5 Gewindegang mit variierender Steigung
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6 Gewindegang mit variierendem Außendurchmesser
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7 Gewindegang mit variierender Dicke
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8 Gewindegang mit abschnittsweiser wellenförmiger Ausrichtung
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9 Gewindegang mit angeformter Gewindeschneide an der Spitze
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10 Querschnitt durch einen Gewindegang mit kreisförmigem Profil
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11 Querschnitt durch einen Gewindegang mit ovalem Profil
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12 Querschnitt durch eine Schraubverbindung mit einer erfindungsgemäßen Schraube und einem Schraubdom
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1 zeigt eine herkömmliche gewindefurchende Kunststoffschraube, die wie in 2 skizziert dargestellt, in einen Kunststofftubus eingeschraubt wird. Die bekannte scharfkantige Geometrie der Schraube hat beim Einschrauben in Kunststoffe den Nachteil, dass es zu Schädigungen des Kunststoffs durch Aufplatzen des Schraubtubuses oder durch Rissbildung kommt.
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3 zeigt eine erfindungsgemäße Schraube 1. Die Schraube 1 hat einen Schraubenkopf 4 mit Formelementen zur formschlüssigen Verbindung mit einem Werkzeug, wobei die Formelemente, beispielsweise Sechskantkopf, Längs- oder Kreuzschlitz oder mit Torx, zur Übertragung des Drehmoments dienen. Der Gewindegang 6 der Schraube 1 verläuft spiralförmig um einen Hohlraum 5, wobei zwei benachbarte Umläufe 61, 62 des Gewindegangs 6 durch den Hohlraum 5 getrennt sind. Schraubenkopf 4 und Gewindegang 6 sind einteilig ausgebildet. Die Schraube 1 besitzt außerdem eine freidrehende Scheibe 7. Alternativ kann die Scheibe auch an den Schraubenkopf 4 festgepresst sein. Der Durchmesser der Scheibe 7 ist größer als der des Schraubenkopfs 4. Eine Spitze 11 der Schraube 1 am vom Schraubenkopf 4 abweisenden Ende des Gewindegangs 6 ist spitz, kann alternativ auch stumpf oder mit einer angeformten Gewindeschneide 12 ausgebildet sein. Die Kanten 13 des Gewindegangs 6 sind abgerundet, alternativ stumpfkantig, ausgebildet, so dass das Material 9 während des Einschraubvorgangs nicht eingeschnitten wird. Die Gewindesteigung 14 gibt den Abstand zweier benachbarter Gewindeumläufe 61, 62 des Gewindegangs 6 an. Der Gewindegang 6 hat einen Außendurchmesser 15. Der Quotient aus Gewindesteigung 14 und Außendurchmesser 15 des Gewindegangs 6 ist kleiner als bei herkömmlichen Kunststoffschrauben.
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Ein Beispiel für eine Schraubverbindung, mit einer erfindungsgemäßen Schraube 1 ist in 4 dargestellt. Die Schraube 1 wird direkt unter Verdichtung und Verdrängung in einen Schraubdom 8 eines Kunststoffteils, welcher aus einem Vollmaterial 9 besteht, eingeschraubt. Ein zwischen Kunststoffteil und Scheibe 7 der Schraube angeordnetes weiteres Bauteil 3 hat eine Öffnung 10, deren Durchmesser 17 kleiner ist als der Durchmesser der Scheibe 7. Die genaue Größe der Scheibe 7 hängt von der Ausgestaltung des weiteren Bauteils 3 ab.
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In den 5–8 sind verschiedene Variationen zur Ausgestaltung des Gewindegangs 6 dargestellt. So wird in 5 bei gleichbleibendem Außendurchmesser 15 des Gewindegangs 6 die Gewindesteigung 14 variiert. Um beim Einschrauben eine höhere Verspannung des Materials 9 des Schraubdomes mit der Schraube zu erreichen nimmt die Gewindesteigung 14 ab. Dies bewirkt eine Stauchung des Materials, in das die Schraube eingeschraubt wird. Alternativ kann eine Streckung des Materials durch eine zunehmende Gewindesteigung 14 erreicht werden. Auch Ausführungsformen mit abwechselnder Gewindesteigung 14, z.B. zuerst zunehmend dann abnehmend und wieder zunehmend usw. oder umgekehrt, sind denkbar.
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6 zeigt eine Veränderung des Abstands 18 der Kanten 13 von einer Schraubenmittelachse M. Der zunehmende Abstand 18 zu einer Schraubenmittelachse M bewirkt, dass sich die Schraube nicht in den ursprünglich geformten Gewindegang eindreht, sondern der Gewindegang neu ausgeformt werden muss. Dies erhöht das Drehmoment. Alternativ kann der Abstand 18 zur Schraubenmittelachse M auch kleiner werdend ausgebildet sein. Weiterhin kann der Abstand 18 an der Spitze 11 klein sein, zunehmen bis der Abstand 18 ein Maximum erreicht und anschließend wieder abnehmen oder umgekehrt.
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7 zeigt ein kontinuierlich dicker werdendes Profil des Gewindegangs 6. Dadurch muss mit jedem Gewindeumlauf 61, 62 mehr Material verdrängt werden, wodurch sich das Drehmoment erhöht.
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Um die Reibung zwischen Material und Gewindegang 6 zu erhöhen, verändert sich in 8 die Ausrichtung des Gewindegangs 6. Der Gewindegang geht von einer geradlinigen Ausrichtung in eine wellenförmige Ausrichtung mit gleichbleibender Amplitude über. Alternativ kann die Amplitude der Welle kontinuierlich zunehmen. Die in den 5–8 gezeigten Effekte können auch miteinander kombiniert werden, um gewünschte Drehmomente einzustellen.
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In 9 ist die Spitze des Gewindegangs 6 mit einer angeformten Gewindeschneide 12 dargestellt. Die Gewindeschneide ist vorne spitz ausgebildet und geht in eine stumpfförmige Geometrie über, die sich fließend an die Form des Gewindegangs anpasst. Zusätzlich oder alternativ kann auch an weiteren Abschnitten des Gewindegangs Gewindeschneidabschnitte vorgesehen sein, die das Eindrehen der Schraube erleichtern, jedoch ohne das Material des Schraubdoms wesentlich zu beschädigen.
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Die 10 und 11 zeigen in Seitenansicht einen Schnitt durch den Gewindegang mit verschiedenen Querschnittsflächen. In 10 ist ein Gewindegang mit einer kreisförmigen Querschnittsfläche dargestellt. 11 zeigt einen ovalen Querschnitt. Alternativ sind andere geometrische Formen denkbar. Durch die Wahl des Querschnitts kann das Drehmoment beeinflusst werden. Variiert der Querschnitt über den Verlauf des Gewindegangs 6 so verändert sich auch der Drehmoment über den Verlauf des Einschraubens.
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12 zeigt eine Querschnittsdarstellung der Schraubverbindung während des Einschraubvorgangs zur Befestigung eines weiteren Bauteils 3 an einem Kunststoffteil 2 mit einem Schraubdom 8 aus Vollmaterial 9. Eine erfindungsgemäße Schraube 1 wird in einen Schraubdom aus Vollmaterial 9 eingeschraubt. Das weitere Bauteil 3 weist eine Öffnung 10 mit einem Durchmesser 17 auf, welcher kleiner ist als der Durchmesser der Scheibe 7, aber größer als der Durchmesser der Schraube 1. Zum Einschrauben wird die Schraube 1 durch die Öffnung 10 geführt. Der Schraubdom 8 besitzt eine kleine Vertiefung 16 zum Ansetzen der Schraube, die eine Tiefe hat, die geringer als die Länge der Schraube 1 ist. Durch Verdrängen und Verdichten des Materials 9 wird die Schraube 1 in den Schraubdom 8 eingeschraubt.
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Die Schraube 1 ist beispielsweise eine Stahlschraube. Die Scheibe 7 und Gewindeschneide 12 sind aus dem gleichen Material hergestellt wie die Schraube 1. Der Schraubdom 8 und das weitere Bauteil 3 wurden nach dem MuCell®-Verfahren hergestellt. Es kann alternativ auch ein ähnliches Schäumverfahren zur Herstellung des Schraubdoms 8 verwendet werden, bei welchem das Raumgewicht gegenüber einem Kunststoffteil aus üblichem Kunststoff, reduziert ist. Bevorzugt wird das Kunststoffteil 2 nach dem gleichen Verfahren hergestellt wie der Schraubdom 8. Die Materialwahl für das weitere Bauteil 3 ist frei wählbar. Es kann auch aus mit MuCell® hergestelltem Kunststoff bestehen.
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Bezugszeichenliste
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- M
- Mittelachse
- 1
- Schraube
- 2
- Kunststoffteil
- 3
- Weiteres Bauteil
- 4
- Schraubenkopf
- 5
- Hohlraum
- 6
- Gewindegang
- 61, 62
- Gewindeumläufe
- 7
- Scheibe
- 8
- Schraubdom
- 9
- Vollmaterial
- 10
- Öffnung
- 11
- Spitze des Gewindegangs
- 12
- Gewindeschneide
- 13
- Kanten des Gewindegangs
- 14
- Gewindesteigung
- 15
- Außendurchmesser des Gewindeganges
- 16
- Vertiefung
- 17
- Durchmesser der Öffnung
- 18
- Abstand der Kante zur Mittelachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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