DE102016103931A1

DE102016103931A1 - Schraube für Bauteile aus geschäumten Kunststoff

Info

Publication number: DE102016103931A1
Application number: DE102016103931.4A
Authority: DE
Inventors: Tanja Reithmaier; Norbert Simon; Leonhard Dobos; Georg Hödl; Johann Petermaier
Original assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Current assignee: Lisa Draexlmaier GmbH
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2017-09-07
Also published as: CN107152444A; CN107152444B; US20170254345A1; US10337544B2

Abstract

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 und der Schraubtubus aus einem thermoplastischen Schaumstoff besteht. Die erfindungsgemäße Schraube weist einen stumpfkantigen Schraubengewindegang auf, so dass die Schraube unter Verdichtung des Schaumstoffs in den Schraubtubus einschraubbar ist. Das Verhältnis von Innendurchmesser des Schraubtubus zu Durchmesser der Schraube ist dabei abhängig von einem Schaumgrad des Schraubtubus ist und nimmt bei zunehmendem Schaumgrad ab. D.h. im Vergleich zu herkömmlichen Schrauben dringen die Schraubengewindegänge weniger tief in den Schaumstoff ein bzw. verdrängen ihn. Durch diese Einwirkung wird verhindert, dass der Schraubtubus beschädigt wird. Trotzdem entsteht ein sehr fester Sitz der Schraube.

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Schraube für eine Schraubverbindung zwischen einem Trägerbauteil und einem weiteren Bauteil, bei der das Trägerbauteil einen Schraubtubus aus Kunststoff zur kraft- und formschlüssigen Aufnahme der Schraube aufweist und zumindest der Schraubtubus aus einem geschäumten Kunststoff gefertigt ist. 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, d.h. der Außenhaut des Bauteils, 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.
Aus der DE 10 2014 114 165 ist eine Schraube für Integralschaumteile bekannt, die nicht-furchend in einem Schraubtubus genutzt werden kann.
Beschreibung der Erfindung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Schraube zu schaffen, die bei vergleichsweise hohen Eindrehmomenten eine verbesserte direkte Verbindung zwischen Schraube und geschäumtem Kunststoff sicherstellt.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den abhängigen Ansprüchen, der Beschreibung und den Figuren zu entnehmen.
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 und der Schraubtubus aus einem thermoplastischen Schaumstoff besteht. Die erfindungsgemäße Schraube weist einen stumpfkantigen Schraubengewindegang auf, so dass die Schraube unter Verdichtung des Schaumstoffs in den Schraubtubus einschraubbar ist. Das Verhältnis von Innendurchmesser des Schraubtubus zu Durchmesser der Schraube ist dabei abhängig von einem Schaumgrad des Schraubtubus. Je größer der Schaumgrad, um so geringer das Verhältnis. Bei geringem Schaumgrad (Gasanteil am Bauteilvolumen oder die verringerte Dichte des Bauteils durch das Hinzufügen des Gases). So ist z.B. bei einem Schaumgrad von 2–5% das Verhältnis größer 0,8; insbesondere zwischen 0,85 und 0,95. Mit zunehmenden Schaumgrad sinkt das Verhältnis: bei einem Schaumgrad von 5–10% ist das Verhältnis 0,7 bis 0,9, insbesondere 0,75 bis 0,85, oder bei einem Schaumgrad von > 10% ist das Verhältnis 0,5 bis 0,8, insbesondere 0,6 bis 0,8.
Sollten Glasfasern oder andere stabilisierende Zusatzstoffe beigeführt werden, so steigt das Verhältnis bei gleichem Schaumgrad. Im Vergleich zu herkömmlichen Schrauben dringen die Schraubengewindegänge weniger tief in den Schaumstoff ein bzw. verdrängen ihn. Durch diese Einwirkung wird verhindert, dass der Schraubtubus beschädigt wird. Trotzdem entsteht ein sehr fester Sitz der Schraube.
Durch die erfindungsgemäße Profilgebung mit stumpfkantigem Schraubengewindegang kann sich der thermoplastische Schaumstoff während des Einschraubvorgangs 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. Somit kann die Schraube auch mehrfach ein- und ausgeschraubt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Die erfindungsgemäße Schraube weist vorteilhafterweise Schraubengewindegänge mit Flankenwinkeln von 30º–90º, bevorzugt > 60º, auf, gemessen von Kantenspitze bis Schraubengrund. Damit ergibt sich eine stumpfe Form, wobei sich der Winkel über die Flanke verändern kann.
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 30º–90º, bevorzugt > 60º, aufweist. Das zweite Segment im Übergang zwischen Flanke und Gewindegrund stellt einen tangentialen Übergang mit Winkeln von 145º–170º dar. Das dritte Segment umfasst den Gewindegrund zwischen zwei Flanken und stellt ein Kreissegment mit Winkeln von 170º–180º dar.
Die Kanten des Schraubengewindeganges sind vorzugsweise abgerundet, insbesondere beabstandet von der Spitze der Schraube. 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.
Ein behutsames Verdrängen des Material des Schraubtubus ergibt sich insbesondere dann, wenn das Verhältnis von Höhe des Schraubengewindegangs zu seiner Breite kleiner 1, insbesondere kleiner 2, ist.
Nach weiteren vorteilhaften Weiterbildungen der Erfindung weist die Schraube eine Spitze zum Durchbrechen des Schraubtubus am Boden auf. An dieser Stelle ist der Gewindegang nicht abgerundet, sondern angespitzt bzw. scharfkantig. An dieser Stelle kann der Schraubengewindegang auch gewindeschneidend ausgebildet sein, um besser in den Boden des Schraubtubus eindringen zu können. Alternativ kann die Schraube im Vergleich zum Schraubtubus auch so bemessen sein, dass die Schraube eine stumpfe Spitze aufweist, die sich bei einem Einschrauben am Boden des Schraubtubus verklemmt. D.h. die Klemmkräfte der Schraube im Schraubtubus werden dadurch im Endzustand erhöht, indem die Schraube beim Aufsetzen der Spitze auf den Boden des Schraubtubus zusätzlich in die durch Verdrängen entstanden Gewindegänge im Schraubtubus gepresst wird.
Bevorzugt variiert die Gewindeabstand (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. Nimmt der Gewindeabstand zur Schraubenspitze zu, dann entsteht eine höhere Reibung bzw. ein größeres Drehmoment zum Ende des Schraubvorgangs, wenn die Fläche durch die geringeren Gewindeabstände zunimmt.
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. Ein größerer Abstand der Kante bedeutet eine größere Fläche des Gewindegangs die im Schraubtubus reibt, so dass eine höhere Reibung bzw. ein größeres Drehmoment zum Ende des Schraubvorgangs entsteht.
Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn ein Profil des Schraubengewindegangs in seiner geometrischen Form variiert, insbesondere eine Kantigkeit des Schraubengewindegangs zu einem Schraubenkopf hin zunimmt. Durch die erhöhte Kantigkeit in der Nähe des Schraubenkopfes wird das Drehmoment zu Beginn des Ausschraubens hoch gehalten.
Vorzugsweise weist die Schraube Gewindeabstände größer 2 mm auf, je nach Schraubenlänge und Schraubendurchmesser, um möglichst kein Material der Kompaktschicht zwischen zwei Gewindegängen aufzureissen.
Vorzugweise weist die Schraube eine Scheibe mit im Vergleich zum Schraubenkopf vergrößertem Durchmesser auf, die freidrehend oder festsitzend am Schraubenkopf angeordnet ist.
Hat die Schraube einen Durchmesser von 4; 4,5; 5; 5,5 oder 6 mm und eine Länge von 12 bis 20 mm, können die meisten Schraubverbindungen im Automobilbau realisiert werden.
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, insbesondere 0,7 bis 1,5 mm und eine Bodenwandstärke von 0,1 bis 3 mm, insbesondere 0,7 bis 1,5 mm auf. Auch wenn die Seitenwandstärke, d.h. die Dicke der Kompaktschicht (Außenhaut), in der der Schaumanteil noch gering ist, sehr dünn ist, kann die erfindungsgemäße Schraube doch verhindern, dass die Kompaktschicht beim Einschrauben zerstört wird.
Anders als bei herkömmlichen Schrauben zur Direktverschraubung in Kunststoff, bei denen ein Freiraum am Boden des Schraubtubus verbleiben muss, um beim Gewindefurchen abfallende Kunststoffteile aufzunehmen, kann der Schraubtubus mit der erfindungsgemäßen Schraube kürzer ausfallen. Die Höhe des Schraubtubus ist geringer als eine Länge der Schraube. Damit durchbricht die Schraubenspitze den Boden des Schraubtubus oder verklemmt sich dort. Da durch das Verdrängen keine Späne anfallen, wird kein Freiraum benötigt.
Bei der erfindungsgemäßen Schraube kann der Schraubtubus für ein leichteres Einschrauben auch dahingehend modifiziert werden, das sich der Schraubtubus zu seiner Öffnung aufweitet, insbesondere mit einem Winkel der größer ist als rein werkzeugbedingte Schrägen. Der Winkel zu einer Senkrechten beträgt dabei 0,5 bis 5°, insbesondere 3 bis 5°.
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, wobei das Verhältnis von Innendurchmesser (26) des Schraubtubus (4) zu Außendurchmesser (15) der Schraube (3) größer 0,8 ist, insbesondere zwischen 0,85 und 0,95 beträgt;
– 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. Bei diesem Verfahren lässt sich die Schraube auch bis zu 10-mal zerstörungsfrei einschrauben.

Kurze Figurenbeschreibung
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;
3 einen Schnitt durch einen Gewindegang mit Angaben zum Profil des Gewindegangs;
4 einen Schnitt durch einen nach einem MuCell-Verfahren hergestellten Kunststofftubus mit einer erfindungsgemäßen Schraube in einer weiteren Ausführungsform;
5 und 6 weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Schraube;
7 bis 9 das Zusammenwirken von Schraubtubus und unterschiedlichen erfindungsgemäßen Schrauben.
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 und kaum ein zweites Mal verschraubt werden kann.
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 4; 4,5; 5; 5,5 oder 6 mm, bei einer Länge der Schraube von 12 bis 20 mm. Der Schraubtubus 4 besteht aus einem Integralschaum oder einem mikrozellularen Schaum mit kompakter Außenhaut (Kompaktschicht 8). Der Profilgebung der Schraube 3 mit stumpfen Gewindespitzen 5 und ausgerundeten Gewindetälern kann sich die kompakte Außenhaut des thermoplastischen Schaumstoff während des Einschraubvorganges durch plastische Deformation und Reibung gut anpassen, ohne eingeschnitten zu werden. Die Materialverdrängung bzw. Verdichtung ist der 2 unmittelbar entnehmbar. Die Kompaktschicht 8 wird nicht aufgebrochen, sondern nur in die weicheren Innenschichten des Schraubtubus 4 hineingedrückt. Diese Schichten mit einem Schaumanteil von 2 bis 5%, haben eine gewisse Elastizität, so dass sich nach dem Herausschrauben der Schraube 3, das "Gewinde" wieder zurückbilden kann. Eine Rissbildung oder Aufplatzen des Schraubtubus 4 wird vermieden. Dies ist auch dadurch bedingt, dass ein Flankenwinkel w des Gewindegangs 5 stumpf, hier 110°, ist.
Dabei erfolgt der Übergang zwischen Flanken und Gewindegrund zum Beispiel abschnittsweise. Der äußere Gewindebereich in 3 weist als erstes Segment (Flanke 23) stumpfe Flankenwinkel w1 von 30º–90º, bevorzugt > 60º, auf. Der Übergang zum zweiten Abschnitt bzw. Segment 25 kann als gerader Abbruch erfolgen. Das zweite Segment 25 im Übergang zwischen Flanke 23 und Gewindegrund 24 stellt einen tangentialen Übergang mit Winkeln w2 von 145º–170º dar. Das dritte Segment umfasst den Gewindegrund 24 zwischen zwei Flanken 23 und stellt ein Kreissegment mit Winkeln w3 von 170º–180º dar.
4 zeigt in einer weiteren Ausführungsform einen Schnitt durch einen nach einem MuCell-Verfahren oder einem ähnlichen Verfahren hergestellten Trägerbauteil 2 mit Kunststofftubus 4 beim Einschraubvorgang. Der dargestellte Schraubtubus 4 stellt einen Entspannungstubus dar, der grundsätzlich kleiner ist als ein Kompakttubus. Für die erfindungsgemäße Schraube 3 beträgt das Verhältnis von Innendurchmesser 26 des Schraubtubus 4 zu Außendurchmesser 15 der Schraube 3 bei dem gewählten Schaumgrad von 2–5% 0,85 bis 0,95, ist also wesentlich größer als bei herkömmlichen Schrauben mit 0,8. Wird der Schaumgrad erhöht, dann verringert sich das Verhältnis. Das Material des Schraubtubus 4 "hinter" der Kompaktschicht 8 wird weicher und erzeugt eine geringe Gegenkraft, daher wird die Schraube 3 weiter in den Schraubtubus 4 eindringen müssen, um das gleiche Drehmoment zu erzeugen. Werden bei gleichem Schaumgrad in den Kunststoff des Schraubtubus 4 bzw. des Trägerteils 2 Glasfasern oder andere verstärkende Elemente eingeführt, dann erhöht sich die Vernetzung, der Schraubtubus 4 wird trotz erhöhtem Schaumgrad stabiler und das Verhältnis kann wieder vergrößert werden. Ein großes Verhältnis (nahe 1) ist vorteilhaft, weil bei gleicher Schraube weniger Material benötigt wird.
Beim Verschrauben drückt sich die Schraube 3 in die Außenhaut des Schraubtubus 4 ein und durchdringt den Tubusboden 33. Der Schraubtubus 4 ist leicht geöffnet. Der Öffnungswinkel a beträgt 3–5°. Damit lässt sich die Schraube 3 im Sinne einer Einführhilfe leichter in dem Schraubtubus 4 ansetzen und das Drehmoment beim Einschrauben nimmt durch den Winkel a zu.
Die 5 und 6 zeigen schematisch zwei weitere Varianten der Schraube 3 mit jeweils einem Schraubenkopf 22, an den sich ein Schaft anschließt. Bei der Schraube 3 nach 5 ist noch einmal die segmentweise Gestaltung der Gewindegänge gezeigt, von einem Gewindegrund 24 steigt die Flanke in zwei Schritten 23, 25 an. Bei der Schraube 3 nach 5 ist gezeigt, dass der Abstand der Gewindegänge 14 variieren kann. Der Gewindeabstand 14 nimmt zum Schraubenkopf 22 hin ab, so dass beim Einschrauben der Schraube 3 das Drehmoment zum Ende des Einschraubvorgangs zunimmt.
Die Schraube 3 nach 6 zeigt hingegen, dass auch der Abstand 18 der Schraubenkante 13 zu einer Mittelachse m des Schraubenschafts variieren kann. Durch ein Zunehmen des Abstands 18 zum Schraubenkopf 22 hin, wird wiederum erreicht, dass beim Einschrauben der Schraube 3 das Drehmoment zum Ende des Einschraubvorgangs zunimmt.
In 7 ist der Schraubtubus 4 des Trägerteils 2 vor dem Einschrauben gezeigt. Ein weiteres Teil 6 ist auf den Schraubtubus 4 gelegt und soll mit dem Trägerteil 2 zu einer Schraubverbindung verbunden werden. Der Schraubtubus 4 hat eine Höhe 30 von seiner Öffnung 32 bis zu seinem Boden 33. Die Öffnung 32 ist dabei größer als der Innendurchmesser 26 (etwa auf halber Höhe 30 gemessen) des Schraubtubus 4. Dies ist durch einen Öffnungswinkel a, wie zuvor erläutert im Bereich von 3–5° bedingt.
8 und 9 zeigen zwei Schrauben 3, die sich in Ihrer Länge 31 und ihrer Spitze 20, 21 unterscheiden. Das Schraubenende (Schraubenspitze) 20, 21 kann stumpf oder spitz sein. Nach 8 kann das Schraubenende 20 einen spitzen, kurzen Schneideweg aufweisen, der dann in eine stumpfe Form übergeht, wobei der Übergang kontinuierlich oder abrupt verlaufen kann. Diese Spitze 20 mit einem gewindeschneidenden Abschnitt ist dazu geeignet, den Boden 33 des Schraubtubus 4 zu durchbrechen und ein Gewinde in diesen Boden zu furchen. Dazu ist die Schraube 3 deutlich länger (Länge 31 von Schraubenkopf bis Spitze 20) als die Höhe 30 des Schraubtubus 4.
Die Schraube 3 nach 9 ist etwas kürzer, jedoch noch immer leicht länger als die Höhe 30 des Schraubtubus 4. Beim Einschrauben wird sich diese Schraube 3 am Boden 33 des Schraubtubus 33 verklemmen. D.h. sie kann stumpf sein und braucht den Boden nicht zu durchbrechen. Trotzdem wird das Drehmoment zum Ende des Einschraubens durch das Verklemmen zunehmen. Weiterhin ist in 9 gezeigt, dass am Schraubenkopf 22 eine freidrehende Scheibe 7 angebracht ist, um die Kraft beim befestigen des weiteren Bauteils 2 auf eine größere Fläche zu verteilen.
Bezugszeichenliste

1: Schraubverbindung
2: Trägerbauteil
3: Schraube
4: Schraubtubus
5: Schraubengewindegänge
6: Weiteres Bauteil
7: Scheibe
8: Kompaktschicht
13: Kante des Schraubengewindegangs
14: Gewindeabstand
15: Außendurchmesser der Schraube
18: Abstand Kante zur Mittelachse
20, 21: Schraubenspitze
22: Schraubenkopf
23: Flanke, erstes Segment
24: Gewindegrund
25: Zweites Segment
26: Innendurchmesser Schraubtubus
30: Höhe des Schraubtubus
31: Bodenwandstärke
32: Öffnung des Schraubtubus
33: Boden des Schraubtubus
a: Winkel der Seitenwände des Schraubtubus
b: Breite des Schraubengewindegangs
h: Höhe des Schraubengewindegangs
m: Schraubenmittelachse
w: Flankenwinkel Gewindegang
w1, w2, w3: Winkel an Segmenten des Gewindegangs

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10048975 C1 [0006, 0006]
DE 102009024264 A1 [0006, 0006]
EP 2185828 B1 [0006, 0006]
DE 102014114165 [0007]

Claims

Schraube (3) für eine Schraubverbindung mit einem Trägerbauteil (2) aus einem thermoplastischen Schaumstoff mit Schraubtubus (4) und einem weiteren Bauteil (6), mit einem stumpfkantigen Schraubengewindegang (5) zur Verdichtung des Schaumstoffs, wobei das Verhältnis von Innendurchmesser (26) des Schraubtubus (4) zu Außendurchmesser (15) der Schraube (3) abhängig von einem Schaumgrad des Schraubtubus (4) eingestellt ist und das Verhältnis mit zunehmendem Schaumgrad abnimmt.
Schraube (3) nach Anspruch 1, wobei bei einem Schaumgrad von 2–5% das Verhältnis größer 0,8 ist, insbesondere zwischen 0,85 und 0,95 beträgt oder bei einem Schaumgrad von 5–10% das Verhältnis 0,7 bis 0,9, insbesondere 0,75 bis 0,85, ist oder bei einem Schaumgrad von > 10% das Verhältnis 0,5 bis 0,8, insbesondere 0,6 bis 0,8, ist.
Schraube (3) nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Schraubengewindegänge (5) Flankenwinkeln (w) von 30º–90º, bevorzugt > 60º, aufweist.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit Schraubengewindegängen (5), die zumindest abschnittsweise, insbesondere von einer Spitze (20, 21) der Schraube (3) beabstandet, abgerundeten Kanten (13) aufweisen.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit Gewindeabständen (14) größer 2 mm.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schraube (3) eine Schraubenspitze (20) zum Durchbrechen des Schraubtubus (4) am Boden (33) aufweist.
Schraube (3) nach Anspruch 5, mit einem gewindeschneidenden Schraubengewindegang (5), der auf einen Abschnitt nahe der Schraubenspitze (20) eingeschränkt ist.
Schraube (3) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, mit einer stumpfen Spitze (21), die sich bei einem Einschrauben am Boden (33) des Schraubtubus (4) verklemmt.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei eine Gewindeabstand (14) der Schraube (3) entlang des Schraubengewindegangs (5) variiert, insbesondere zu einer Schraubenspitze (20, 21) zunimmt.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Abstand (18) einer Kante (13) des Schraubengewindegangs (5) zu einer Schraubenmittelachse (m) variiert, insbesondere zur einer Schraubenspitze (20, 21) abnimmt.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei ein Profil des Schraubengewindegangs (5) in seiner geometrischen Form variiert, insbesondere eine Kantigkeit des Schraubengewindegangs (5) zu einem Schraubenkopf (22) hin zunimmt.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einer festsitzenden oder freidrehenden Scheibe (7), deren Durchmesser größer ist als ein Durchmesser eines Schraubenkopfs (22).
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem Außendurchmesser (15) eines Schafts von 4 bis 6 mm und einer Länge (30) des Schafts von 12 bis 20 mm.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Verhältnis von Höhe (h) des Schraubengewindegangs (5) zu seiner Breite (b) kleiner 1, insbesondere kleiner 2, ist.
Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Schraubengewindegang (5) einen abgerundeten Übergang zwischen Flanken (23) und Gewindegrund (24) aufweist.
Schraube (3) nach Anspruch 15, wobei der Übergang zwischen Flanken (23) und Gewindegrund (24) segmentweise erfolgt.
Schraube (3) nach Anspruch 16, wobei der Übergang einen äußeren Gewindebereich als erstes Segment (23) mit stumpfen Flankenwinkeln (w1) von 30º–90º, bevorzugt > 60º,, ein zweites Segment (25) im Übergang zwischen Flanke (23) und Gewindegrund (24) mit einem tangentialen Übergang mit Winkeln (w2) von 145º–170º, und ein drittes Segment mit Winkeln (w3) von 170º–180º am Gewindegrund (24) zwischen zwei Flanken (23) umfasst.
Schraubverbindung mit einer Schraube (3) nach einem der vorherigen Ansprüche, einem Trägerbauteil (2) mit Schraubtubus (4) und einem weiteren Bauteil (6), wobei ein thermoplastische Schaumstoff des Schraubtubus (4) des Bauteils (2) nach einem chemischen oder physikalischen Schäumverfahren, insbesondere nach einem MuCell-Verfahren oder Spritzguss-Integralschaum Verfahren, hergestellt ist.
Schraubverbindung nach Anspruch 18, wobei zumindest der Schraubtubus (4) aus einem Integralschaum oder einem mikrozellularen Schaum mit kompakter Außenhaut besteht.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei der Schraubtubus (4) eine Kompaktschicht (8) mit einer Seitenwandstärke von 0,1 bis 3 mm, insbesondere 0,7 bis 1,5 mm, und eine Bodenwandstärke (31) von 0,1 bis 3 mm, insbesondere 0,7 bis 1,5 mm.
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei der Schraubtubus (4) in seinem Inneren eine Höhe (30) aufweist, die geringer ist als eine Länge (31) der Schraube (3) von Schraubenspitze (20, 21) bis Ansatz eines Schraubkopfes (22).
Schraubverbindung nach einem der Ansprüche 18 bis 21, wobei der Schraubtubus (4) sich zu seiner Öffnung (32) aufweitet, insbesondere beträgt der Winkel (a) zu einer Senkrechten zwischen 0,5 und 5°, insbesondere 3 bis 5°.
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 (15) aufweist, der zumindest abschnittsweise größer als der Innendurchmesser (26) des Schraubtubus (4) ist, wobei das Verhältnis von Innendurchmesser (26) des Schraubtubus (4) zu Außendurchmesser (15) der Schraube (3) abhängig vom Schaumgrad ist und mit zunehmendem Schaumgrad abnimmt; – 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.