DE102017125569A1

DE102017125569A1 - Fliessbohrschraube mit abgesetztem federring

Info

Publication number: DE102017125569A1
Application number: DE102017125569.9A
Authority: DE
Inventors: Amanda Kay Freis; Garret Sankey Huff; Thomas Norton
Original assignee: Ford Global Technologies LLC
Current assignee: Ford Global Technologies LLC
Priority date: 2016-11-04
Filing date: 2017-11-01
Publication date: 2018-05-09
Also published as: US10156251B2; CN108019413A; US20180128305A1

Abstract

Eine Schraube, die zum Verbinden von Werkstücken dient, zum Beispiel Automobilkarosserieteilen, wird bereitgestellt, die einen Kopfabschnitt, einen Außengewindeschaft, der sich von dem Kopfabschnitt erstreckt, eine fließlochformende Spitze, angeordnet an einem distalen Endabschnitt des Außengewindeschafts, und einen unter dem Kopfabschnitt angeordneten abgesetzten Federring beinhaltet. Der abgesetzte Federring ist dazu ausgelegt, eine Klemmlast auf die verbundenen Werkstücke auszuüben, wenn sie sich ausdehnen und kontrahieren.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich im Allgemeinen auf Befestigungselemente und insbesondere auf Befestigungselemente zur Verwendung in benachbarten Bauteilen mit einseitigem Zugang.
STAND DER TECHNIK
Die Ausführungen in diesem Bereich stellen lediglich Hintergrundinformationen in Bezug auf die vorliegende Offenbarung bereit und stellen nicht notwendigerweise den Stand der Technik dar.
Verschiedene Verbindungskonstruktionen verlangen häufig einseitige Verbindungstechniken, um effiziente Baugruppen zu erzeugen. Eine derartige Technik des einseitigen Verbindens ist das Fließbohrschrauben (Flow-Drill Screwing - FDS), bei dem eine Befestigungsschraube in eine Verbindungsstelle geschraubt wird und die Gegenmutter vor Ort während des Eindrehvorgangs erzeugt wird. Beim Einsetzen einer Fließbohrschraube in dicke Werkstoffe oder artfremde Werkstoffe kann eine Durchsteckbohrung verwendet werden. Zusätzlich kann, bei Werkstoffstapeln mit dicker Wandstärke oder wenn eine Oberschicht von Blech dicker ist als eine vorgeschriebene Größe (z. B. > 2 mm), eine Durchsteckbohrung in der Oberschicht des Werkstoffs verwendet werden.
Oftmals wird ein Klebstoff in Verbindung mit einer Flließbohrschraube verwendet. Bei der Verwendung eines Klebstoffs in einer Verbindungsstelle bestehen Bedenken über einen Drehmomentabfall. Bedenken über einen Drehmomentabfall bestehen ebenso bei der Verwendung polymerbasierter Substratwerkstoffe. Drehmomentabfall tritt auf, wenn das Drehmoment eventuell nachlässt, nachdem die Verbindungsstelle bis zu einem bestimmten Drehmoment angezogen wurde. Nachdem die verbundenen Teile Lackierprozesse durchlaufen und der Klebstoff aushärtet, können Bedenken bestehen, dass sich das Drehmoment in der Verbindungsstelle verändert hat.
Mit diesem Problem des Drehmomentabfalls in verbundenen Baugruppen, neben anderen mechanischen Verbindungsproblemen, befasst sich die vorliegende Offenbarung.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
In einer Ausführungsform der vorliegenden Offenbarung ist eine Schraube bereitgestellt, die einen Kopfabschnitt, einen Außengewindeschaft, der sich von dem Kopfabschnitt erstreckt, eine fließlochformende Spitze, angeordnet an einem distalen Endabschnitt des Außengewindeschafts, und einen unter dem Kopfabschnitt angeordneten abgesetzten Federring umfasst. In einer Ausführungsform definiert der abgesetzte Federring eine Federrate, die ausreichend ist, um einem Drehmomentabfall vorzubeugen.
Gemäß verschiedenen Ausführungsformen dieser Schraube ist der abgesetzte Federring einstückig mit dem Kopfabschnitt gebildet und kann der Kopfabschnitt ein Werkzeugeingriffsmerkmal, wie etwa einen Sechskant, definieren. Der abgesetzte Federring kann ebenso aus einem anderen Werkstoff bestehen als der Kopfabschnitt, Außengewindeschaft und die fließlochformende Spitze. In einer anderen Ausführungsform definiert der abgesetzte Federring einen Flansch, der sich zumindest um 90 ° von einer Längsachse und einem proximalen Endabschnitt der Schraube erstreckt und ebenso eine ebene, distale Fläche definieren kann. In noch einer weiteren Ausführungsform definiert die Schraube Bereiche unterschiedlicher Härte.
In einer anderen Ausführungsform ist eine Schraube bereitgestellt, die einen Kopfabschnitt, einen Außengewindeschaft, der sich von dem Kopfabschnitt erstreckt, eine fließlochformende Spitze, angeordnet an einem distalen Endabschnitt des Außengewindeschafts, und einen unter dem Kopfabschnitt angeordneten abgesetzten Federring umfasst, wobei der konkave Ring einen Flansch definiert, der sich zumindest um 90 ° von einer Längsachse und einem proximalen Endabschnitt der Schraube erstreckt, wobei der abgesetzte Federring eine Federrate definiert, die ausreichend ist, um einem Drehmomentabfall vorzubeugen.
In noch einer anderen Ausführungsform ist eine Baugruppe bereitgestellt, die eine Vielzahl an Werkstücken und eine zwischen den Werkstücken angeordnete Schraube umfasst. Die Schraube umfasst einen Kopfabschnitt, einen Außengewindeschaft, der sich von dem Kopfabschnitt erstreckt, eine fließlochformende Spitze, angeordnet an einem distalen Endabschnitt des Außengewindeschafts, und einen unter dem Kopfabschnitt angeordneten abgesetzten Federring. Die Werkstücke können unter anderem aus einem Werkstoff, der aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Polymeren und Polymer-Verbundwerkstoffen ausgewählt ist, bestehen.
Weitere Anwendungsbereiche werden aus der hier bereitgestellten Beschreibung deutlich. Es versteht sich, dass die Beschreibung und konkreten Beispiele lediglich dem Zwecke der Veranschaulichung dienen und den Anwendungsbereich der Offenbarung nicht einschränken sollen.
Figurenliste
Damit die Offenbarung gut verstanden werden kann, werden nun beispielhaft verschiedene Ausführungsformen derselben beschrieben, wobei Bezug auf die begleitenden Zeichnungen genommen wird, in welchen:

1 eine perspektivische Ansicht einer in Übereinstimmung mit den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung konstruierten Schraube ist;
2 eine Querschnittsansicht der Schraube aus 1 ist;
3A eine Querschnittsansicht einer durch eine Schraube aus 1 verbundenen Baugruppe ist;
3B eine Querschnittsansicht einer durch eine Schraube aus 1 verbundenen Baugruppe ist und einen elastisch verformten abgesetzten Federring in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung aufweist;
4 eine Detailansicht von Detail A der 3B ist, eines Flansches der Schraube verbunden mit einem Werkstück in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung; und
5 eine Querschnittsansicht alternativer Ausführungsformen der in Übereinstimmung mit den Lehren der vorliegenden Offenbarung konstruierten Schraube ist.

Die hier beschriebenen Zeichnungen dienen lediglich zur Veranschaulichung und sollen den Geltungsumfang der vorliegenden Erfindung in keinerlei Weise einschränken.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die folgende Beschreibung ist nur beispielhafter Natur und soll die vorliegende Offenbarung, Anwendung oder Verwendung nicht einschränken. Es versteht sich, dass in allen Zeichnungen entsprechende Bezugsziffern ähnliche oder entsprechende Teile oder Merkmale kenntlich machen.
Bezugnehmend auf die 1 und 2 ist eine Schraube gemäß den Prinzipien der vorliegenden Offenbarung dargestellt und im Allgemeinen durch die Bezugsziffer 20 gekennzeichnet. Die Schraube 20 umfasst einen Kopfabschnitt 22, einen Außengewindeschaft 24, der sich von dem Kopfabschnitt 22 erstreckt, eine fließlochformende Spitze 26, angeordnet an einem distalen Endabschnitt 28 des Außengewindeschafts 24, und einen unter dem Kopfabschnitt 22 angeordneten abgesetzten Federring 30. Der abgesetzte Federring 30 beinhaltet eine Seitenwand 32, die sich von dem Kopfabschnitt 22 nach unten zu einem Flansch 34 erstreckt, welcher sich von einer Längsachse L der Schraube 20 weg erstreckt. Ferner ist eine Auskehlung 36 allgemein unter dem Kopfabschnitt 22 wie gezeigt angeordnet.
Der abgesetzte Federring 30 ähnelt im Allgemeinen einer Tellerfeder, da die Seitenwand 32 und der Flansch 34 ausgelegt sind, um sich bei Einwirkung von Drehmoment auf den Kopfabschnitt 22 elastisch zu verformen und daher als eine Feder zu fungieren, um eine Last auf Werkstücke auszuüben und beizubehalten, wie unten detaillierter beschrieben. Vorzugsweise definiert der abgesetzte Federring 30 eine Federrate, die ausreichend ist, um einem Drehmomentabfall vorzubeugen, nachdem die Werkstücke verbunden sind und während Wärmeausdehnung und -kontraktion der Verbindungsstelle.
Der abgesetzte Federring 30 kann, wie dargestellt, einstückig mit dem Kopfabschnitt 22 gebildet sein, oder der abgesetzte Federring 30 kann alternativ ein separates Teil oder eine separate Komponente sein. Der abgesetzte Federring 30 kann ebenso aus einem anderen Werkstoff als der Kopfabschnitt 22, der Außengewindeschaft 24 und/oder die fließlochformende Spitze 26 bestehen.
Der Kopfabschnitt 22 definiert ein Werkzeugeingriffsmerkmal 40, welches in dieser Ausführungsform eine Sechskantgeometrie ist. Andere Werkzeugeingriffsmerkmale, wie unter anderem geschlitzt, Inbus oder Innensechsrund (Torx) können ebenso genutzt werden. Das Werkzeugeingriffsmerkmal 40 kann außen liegen, wie dargestellt, oder das Werkzeugeingriffsmerkmal 40 kann innen vom Kopfabschnitt 22 liegen, während es innerhalb des Geltungsumfangs der vorliegenden Offenbarung verbleibt.
Nun bezugnehmend auf die 3A und 3B ist die Schraube 20 in Werkstücken 10 und 15 eingesetzt, mit einstückig gebildeten Gewinden 17 in den Werkstücken 10/15 aufgrund des Fließbohrverfahren, um eine Verbindungsstelle 19 zu bilden,. Wenn sich die Verbindungsstelle 19 ausdehnt und kontrahiert, biegt sich der abgesetzte Federring 30 oder verformt sich elastisch und übt weiterhin eine Klemmlast auf die Verbindungsstelle 19 aus. 3A zeigt die Schraube 20, die weiterhin eine Klemmlast ausübt, wenn sich die Verbindungsstelle 19 ausdehnt und 3B zeigt die Schraube 20, die weiterhin eine Klemmlast ausübt, wenn sich die Verbindungsstelle 19 kontrahiert.
Nun bezugnehmend auf 4 ist ein Detail des Flansches 34, der am Werkstück 10 anliegt, detaillierter gezeigt. Der Flansch 34 in dieser Ausführungsform erstreckt sich zumindest 90 ° von der Längsachse L und einem proximalen Endabschnitt der Schraube 20. Der hierin verwendete Begriff „distal“ oder „entfernt“ ist als in der Richtung des Pfeils X auszulegen und der Begriff „proximal“ oder „nah“ ist als in der Richtung des Pfeils Y auszulegen.
Alternativ kann sich der Flansch 34 um mehr als 90 ° erstrecken, wie durch die gestrichelten Linien gezeigt, und demzufolge wird der Flansch 34' in gutem abdichtendem Kontakt mit einer Oberfläche 12 des Werkstücks 10 bleiben. In diesen Ausführungsformen definiert der Flansch 34/34' eine ebene, distale Fläche 33/33', um eine verbesserte Abdichtung zwischen dem Flansch 34/34' und dem Werkstück 10 beizubehalten. Eine verbesserte Dichtverbindung ist wichtig, wenn die Werkstücke 10/15 vor dem Lackieren verschiedene Reinigungs-/Tauchvorgänge durchlaufen, sodass kein Schmutz in die Verbindungsstelle 19 eintritt und eine Ursache für Korrosion oder andere Formen eines Mangels schafft.
Die Schraube 20 kann aus jedem beliebigen einer Vielzahl von Werkstoffen bestehen und besteht in einer Ausführungsform aus hochfestem Stahl wie Bor. In einer anderen Ausführungsform besteht die Schraube aus einem Aluminiumwerkstoff wie einem Aluminium der 7000er-Serie. Andere Werkstoffe, die mit dem abgesetzten Federring 30 funktionieren können und verschiedenen Bearbeitungsbedingungen standhalten, können ebenso verwendet werden, während sie im Geltungsumfang der vorliegenden Offenbarung bleiben.
Die Werkstücke 10/15 können aus jedem beliebigen einer Vielzahl von Werkstoffen bestehen, beinhaltend zum Beispiel Aluminium, Polymere und Polymermatrix-Verbundwerkstoffe. Die Verstärkungen in den Verbundwerkstoffen können Kohlefaser, Glasfaser oder andere Werkstoffe sein und können in einer kontinuierlichen oder punktuellen Form auftreten. Es versteht sich, dass diese Werkstoffe lediglich beispielhaft sind und jeder beliebige Werkstoff für die Werkstücke 10/15 verwendet werden kann, während dies im Geltungsumfang der vorliegenden Offenbarung bleibt.
Nun bezugnehmend auf 5 sind zusätzliche Ausführungsformen einer Schraube gemäß den Lehren der vorliegenden Offenbarung dargestellt und im Allgemeinen durch die Bezugsziffer 50 gekennzeichnet. Die Schraube 50 beinhaltet einen abgesetzten Federring 52 mit einer etwas anderen Geometrie der Seitenwand 54, nämlich einer, wie gezeigt, gekrümmten/bogenförmigen Form. Es versteht sich, dass diese alternative Geometrie veranschaulichen soll, dass jede beliebige einer Reihe von Formen für den abgesetzten Federring 30/52 verwendet werden kann, sofern der Federring 30/52 geeignet ist, eine Klemmlast auszuüben, wenn sich die Verbindungsstelle 19 ausdehnt und kontrahiert und vorzugsweise einem Drehmomentabfall vorbeugt.
Wie weiter in 5 dargestellt, kann die Härte der Schraube 50 in verschiedenen Bereichen 1, 2 und 3 angepasst sein, wobei der Bereich 1 eine höhere Härte im Bereich der fließlochformenden Spitze 56 aufweisen würde, um dem Fließbohrverfahren besser standzuhalten. Bereich 2 kann eine geringere Härte aufweisen und Bereich 3 sogar eine noch geringere Härte, um die erforderlichen Federeigenschaften für den abgesetzten Federring 52 bereitzustellen.
Dementsprechend stellt die vorliegende Offenbarung ein innovatives Befestigungsmittel zum Verbinden von Werkstücken mit einseitigem Zugang bereit und um Drehmomentabfall zu hemmen. Die Erfindung ist besondere für das Verbinden von Verbundwerkstoffen mit Metall nützlich und insbesondere von Kohlefaser-Verbundwerkstoffen mit Aluminium. Fließbohrschrauben, das die einzigartigen Merkmale der hierin dargestellten und beschriebenen Befestigungsmittel verwendet, ermöglicht eine hochvolumige, einseitige Verbindung, besonders für Verbindungen, die Verbundwerkstoffe und Metalle umfassen.
Die Beschreibung der Offenbarung ist lediglich beispielhafter Natur, und daher sollen Variationen, die nicht von der Substanz der Offenbarung abweichen, im Geltungsumfang der Offenbarung liegen. Solche Variationen sind nicht als Abweichung vom Geist und Geltungsumfang der Offenbarung anzusehen.

Claims

Schraube, umfassend: einen Kopfabschnitt; einen Außengewindeschaft, der sich von dem Kopfabschnitt erstreckt; eine fließlochformende Spitze, angeordnet an einem distalen Endabschnitt des Außengewindeschafts; und einen unter dem Kopfabschnitt angeordneten abgesetzten Federring.
Schraube nach Anspruch 1, wobei der abgesetzte Federring einstückig mit dem Kopfabschnitt gebildet ist.
Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der Kopfabschnitt ein Werkzeugeingriffsmerkmal definiert.
Schraube nach Anspruch 3, wo das Werkzeugeingriffsmerkmal innen vom Kopfabschnitt liegt.
Schraube nach Anspruch 3, wo das Werkzeugeingriffsmerkmal außen vom Kopfabschnitt liegt.
Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der abgesetzte Federring eine Federrate definiert, die ausreichend ist, um einem Drehmomentabfall vorzubeugen.
Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der abgesetzte Federring aus einem anderen Werkstoff besteht als der Kopfabschnitt, Außengewindeschaft und die fließlochformende Spitze.
Schraube nach Anspruch 1 bis 7, wobei der abgesetzte Federring eine gekrümmte Seitenwand definiert, die sich vom Kopfabschnitt zu einem Flansch erstreckt.
Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei der abgesetzte Federring einen Flansch definiert, der sich um zumindest 90 ° von einer Längsachse und einem proximalen Endabschnitt der Schraube erstreckt.
Schraube nach Anspruch 9, wobei der Flansch eine ebense, distaleFläche definiert.
Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schraube aus einem Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Bor-Stahl und Aluminium der 7000er-Serie besteht.
Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die Schraube Bereiche verschiedener Härte definiert.
Baugruppe, umfassend: eine Vielzahl von Werkstücken; und die Schraube nach einem der vorherigen Ansprüche angeordnet zwischen den Werkstücken.
Baugruppe nach Anspruch 13, wobei die Werkstücke aus einem Werkstoff ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Polymeren und Polymermatrix-Verbundwerkstoffen bestehen.
Kraftfahrzeug, umfassend die Feder oder Baugruppe nach einem der vorherigen Ansprüche.