DE19856611A1 - Metallischer Einsatz - Google Patents

Abstract

Beschrieben wird ein metallischer Einsatz, insbesondere Gewindeeinsatz, zum Einbetten in eine Aufnahmebohrung eines Kunststoffteiles. Der Einsatz besitzt einen hülsenförmigen Grundkörper, auf dessen Mantelfläche mindestens eine Reihe von Zähnen in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind. Jeder Zahn hat eine Form, die sich vom Zahnanfang in Ausziehrichtung verbreitert und am Zahnende in eine Endfläche mündet, die quer zur Ausziehrichtung verläuft. Hierdurch entstehen zwischen den Zähnen Zwischenräume, die sich in Ausziehrichtung verjüngen, jedoch zwischen den Endflächen der Zähne offen bleiben. Diese Verzahnung stellt sicher, daß Einpreßkräfte zum Einpressen des Einsatzes in das Kunststoffteil minimiert und der Ausziehwiderstand des Einsatzes maximiert werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Einsatz aus Metall, insbesondere einen Gewindeeinsatz, zum Einbetten in eine Aufnahmebohrung eines Kunststoff­ teiles.

Derartige metallische Einsätze, insbesondere Gewindeeinsätze, werden in die Aufnahmebohrung des Kunststoffteils üblicherweise in der Weise eingebracht, daß der Einsatz in den durch Wärme oder Ultraschall aufgeschmolzenen Kunststoff ein­ gepreßt wird (Warmeinbetten, Ultraschalleinschweißen). Es ist auch bekannt, den Einsatz durch Krafteindrücken oder Umspritzen in den Werkstoff des Kunststoffteils einzubringen. Um den Einsatz gegen Herausziehen wie auch gegen Verdrehen zu sichern, ist der Einsatz an seiner Umfangsfläche üblicherweise mit Oberflächenun­ regelmäßigkeiten wie z. B. Hinterschneidungen, Nuten, Rillen, Verzahnungen und dgl. versehen. So zeigt beispielsweise das US-Patent Nr. 4,046,181 einen hülsen­ förmigen Einsatz, bei dem die Umfangsfläche aus in axialer Richtung abgestuften kegelstumpfförmigen Abschnitten besteht, die durch Einkerbungen mit einer Ver­ zahnung versehen sind.

Durch derartige Maßnahmen läßt sich zwar der Auszieh- und Verdrehwider­ stand des Einsatzes erhöhen. Gleichzeitig wird hierdurch jedoch der Einpreßwider­ stand des Einsatzes erhöht. Die Forderung nach einem hohen Auszieh- und Ver­ drehwiderstand des Einsatzes steht somit in gewissem Widerspruch zu der Forde­ rung nach einem möglichst geringen Einpreßwiderstand.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Einsatz aus Metall zum Einbetten in ein Loch eines Kunststoffteiles zu schaffen, dessen Ein­ preßwiderstand minimiert und dessen Auszieh- und Verdrehwiderstand maximiert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Einsatz aus Metall zum Einbetten in eine Aufnahmebohrung eines Kunststoffteiles mit einem Grund­ körper, der eine bezüglich einer mittigen Achse umlaufende Mantelfläche aufweist, und mindestens einer Reihe von Zähnen, die auf der Mantelfläche des Grundkörpers in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind, wobei jeder Zahn eine keilartige Form hat, die sich von einem Zahnanfang in einer axialen Richtung des Einsatzes, der Ausziehrichtung, zum Zahnende hin verbreitert und am Zahnende eine quer zur Ausziehrichtung verlaufende Endfläche aufweist, so daß zwischen den Zähnen Zwischenräume entstehen, die sich von den Zahnanfängen in Auszieh­ richtung zu den Zahnenden hin verjüngen, jedoch zwischen den Endflächen der Zähne offen bleiben.

Aufgrund dieser Gestaltung der auf der Mantelfläche des Grundkörpers vor­ gesehenen Zähne kann beim Einpressen des metallischen Einsatzes in das Kunst­ stoffteil der Werkstoff durch die Zwischenräume zwischen den Zähnen an den Zäh­ nen vorbei in den Bereich hinter den Endflächen der Zähne fließen. Hierdurch ver­ ringert sich der Einpreßwiderstand des Einsatzes erheblich. Der Bereich hinter den Endflächen der Zähne bildet gewissermaßen Taschen, in welche der plastische Kunststoff fließen und in welcher er dann relaxieren und ggf. aushärten kann. Dies führt zu einer wesentlichen Erhöhung des Ausziehwiderstands des Einsatzes. Gleichzeitig sorgen die von der Mantelfläche des Grundkörpers radial abstehenden Zähne für einen relativ großen Verdrehwiderstand.

Vorzugsweise ist an der Oberseite jedes Zahns eine radial vorstehende, axial verlaufende Rippe vorgesehen. Dies erhöht den Verdrehwiderstand des Einsatzes um ein Vielfaches.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Anhand der Zeichnungen wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines metallischen Einsatzes und

Fig. 2 eine perspektivische Detailansicht eines Zahnes des in Fig. 1 gezeigten Einsatzes.

Der in Fig. 1 dargestellte Einsatz besitzt einen buchsen- oder hülsenförmigen Grundkörper 2 mit einer äußeren Mantelfläche 4 und einem mittigen Loch 6, das zu einer Achse A konzentrisch verläuft und als Durchgangsloch oder Sackloch ausge­ bildet ist. Vorzugsweise ist der Einsatz als Gewindeeinsatz ausgebildet, d. h., daß das Loch 6 mit einem (nicht gezeigten) Gewinde versehen ist. Es sei jedoch darauf hin­ gewiesen, daß das Loch auch in anderer Weise, z. B. glatt oder profiliert, ausgebildet sein kann, so daß der Einsatz als Distanzbuchse, Schlauchstutzen, Dichteinsatz oder dergleichen dienen kann. Je nach Anwendungszweck könnte das Loch auch ganz weggelassen werden. So könnte der Einsatz auch mit einem axial abstehenden Ge­ windebolzen versehen sein.

Der aus Metall bestehende Einsatz dient dazu, in eine entsprechend dimen­ sionierte Aufnahmebohrung eines Kunststoffteils (nicht gezeigt) eingebettet zu wer­ den. Das Einbetten kann in herkömmlicher Weise durch Plastifizieren des Kunst­ stoffs mittels Erhitzen oder Ultraschall (Warmeinbetten, Ultraschalleinschweißen, induktives Einbetten) erfolgen. Grundsätzlich ist es auch möglich, den Einsatz in kaltem Zustand in das Loch des Kunststoffteils einzudrücken (Kalteindrücken). Auch kann der Einsatz durch Umspritzen bei der Fertigung des Kunststoffteils ein­ gebettet werden.

Der in Fig. 1 gezeigte Einsatz wird in das (nicht gezeigte) Kunststoffteil so eingebettet, daß sein in Fig. 1 linkes unteres Ende im Inneren des Kunststoffteils liegt, während das in Fig. 1 rechte obere Ende außen liegt. Die mit dem Pfeil X be­ zeichnete axiale Richtung wird daher in der folgenden Beschreibung wie auch in den Ansprüchen mit "Ausziehrichtung" bezeichnet, da in dieser Richtung bei ent­ sprechender Belastung die Ausziehkräfte am Gewindeeinsatz angreifen.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist die Mantelfläche 4 des Grundkörpers 2 mit zwei Reihen R1, R2 von Zähnen 10 versehen. Es können auch mehr als zwei und ggf. auch nur eine Reihe von Zähnen 10 vorgesehen werden. Die Zähne 10 jeder Reihe R1 bzw. R2 sind in Umfangsrichtung mit Abstand zueinander angeordnet, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß die Zähne 10 der einen Reihe R1 bezüg­ lich der Zähne 10 der anderen Reihe 2 in Umfangsrichtung versetzt zueinander lie­ gen.

Aufgrund der Beabstandung der Zähne 10 entstehen zwischen den Zähnen Zwischenräume 12. Jeder Zahn 10 hat eine Form, die sich vom Zahnanfang 14 in Ausziehrichtung X zum Zahnende 16 hin verbreitert, so daß sich die Zwischen­ räume 12 in Ausziehrichtung X entsprechend verjüngen. Der Abstand zwischen den Zähnen 10 ist hierbei so gewählt, daß die Zwischenräume 12 auch an ihrer engsten Stelle zwischen den Zahnenden 16 offen bleiben. Der Zweck dieser Ausgestaltung wird im folgenden noch genauer erläutert.

Wie aus Fig. 1 und insbesondere Fig. 2 hervorgeht, hat die Grundfläche jedes Zahnes 10 ungefähr die Form eines gleichschenkligen Dreiecks, wobei jeder Zahn 10 von zwei Seitenflächen 20 und einer Endfläche 18 begrenzt wird, die jeweils quer zur Mantelfläche 4 des Grundkörpers 2 verlaufen. Die Seitenflächen 20 schlie­ ßen am Zahnanfang 14 einen spitzen Winkel zwischen sich ein, der vorzugsweise zwischen 30 und 60° liegt. Je weicher der Werkstoff des Kunststoffteiles ist, desto größer wird der Winkel gewählt. Wie in den Figur deutlich zu sehen ist, ist die End­ fläche 18 jedes Zahnes 10 - aus noch zu erläuternden Gründen - konkav gerundet.

Jeder Zahn 10 ist an seiner von der Mantelfläche 4 des Grundkörpers 2 ab­ gewandten Oberseite 22 mit einer radial vorstehenden, axial verlaufenden Rippe 24 versehen. Man kann sich die Rippe 24 durch beidseitig zur Rippe 24 gebildete Aus­ nehmungen in der Oberseite 22 des Zahnes 10 gebildet vorstellen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Anordnung so getroffen, daß die radiale Dicke jedes Zahnes 10 in Ausziehrichtung X zunimmt und die radiale Dicke der zugehörigen Rippe 24 in Ausziehrichtung X abnimmt. Hierbei hat die Rippe 24 am Zahnanfang 16 die gleiche spitzwinklige Form wie der Zahn 10 selbst. Der "Kamm", d. h. die Oberseite 26 der Rippe 24 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel eben ausgebil­ det. Je nach dem Werkstoff des den Einsatz aufnehmenden Kunststoffteils kann die Oberseite 26 jedoch auch anders gestaltet, beispielsweise mit einer Verzahnung, einer Hohlkehle, einem unterschiedlichen Neigungswinkel und dgl. versehen wer­ den.

Wie in Fig. 1 zu sehen ist, ist die Mantelfläche 4 des Grundkörpers 2 kegel­ stumpfförmig ausgebildet. Zweckmäßigerweise liegt der Kegelwinkel in der Grö­ ßenordnung von 8°. Dies erleichtert das Einbetten des Einsatzes in das Kunststoff­ teil. Darüber hinaus ermöglicht die entsprechende konische Form des Loches des Kunststoffteiles das Entformen des durch Spritzgießen hergestellten Kunststoffteils.

Der Grundkörper 2 hat an seinem in Fig. 1 oberen rechten Ende, dem Aus­ ziehende, einen Ringflansch 30, der den oberen Abschluß des in das Kunststoffteil eingesetzten Einsatzes bildet. Wie ersichtlich, ist zwischen dem Ringflansch 30 und der Mantelfläche 4 eine umlaufende Ringnut 32 vorgesehen. Ferner ist der Ring­ flansch 30 auf der dem Ausziehende entgegengesetzten Stirnseite mit einer Verzah­ nung 34 versehen. Vorzugsweise ist das Loch 6 im Bereich des Ringflansches 30 mit einer konischen Schutzansenkung (nicht gezeigt) versehen, die im Falle eines Gewindeeinsatzes als Einführhilfe bei der Schraubenmontage dient und Beschädi­ gungen des Innengewindes beispielsweise beim Einbetten durch Ultraschall verhin­ dert. Angrenzend am anderen Ende des Einsatzes befindet sich eine Ringnut 36 (Einstich), die einen gerundeten Querschnitt hat.

Im folgenden wird das Verhalten des beschriebenen Einsatzes während des Einbettvorganges wie auch im eingebetteten Zustand beschrieben. Wird der Ein­ satz - vorzugsweise unter Wärmeeinwirkung - in die Aufnahmebohrung des (nicht ge­ zeigten) Kunststoffteils entgegen der Ausziehrichtung X eingepreßt, so dringen die Zähne 10 mit ihren in Längsrichtung verlaufenden schmalen Rippen 24 aufgrund ihrer spitzwinkligen Form ohne größeren Widerstand in den plastifizierten Kunst­ stoff ein. Der Kunststoff kann hierbei durch die Zwischenräume 12 in Ausziehrich­ tung X fließen. Da die Zwischenräume 12 auch an ihrer engsten Stelle zwischen den Zahnenden 16 offen sind, gelangt der Kunststoff in den Bereich hinter die Zähne 10, wo durch die gerundeten Endflächen 18 gebildete taschenartige Stauräume den ver­ drängten Kunststoff aufnehmen. Die Rippen 24 helfen hierbei mit, den plastifizier­ ten Kunststoff in die taschenartigen Stauräume zu leiten. Gleichzeitig füllt der pla­ stifizierte Kunststoff die Ringnut 36, die mit einer (nicht gezeigten) Verzahnung versehen sein kann, um das "Aufsteigen" des Kunststoffes zu erleichtern. Auch dringt der plastifizierte Kunststoff in die Ringnut 32 sowie in die Zwischenräume zwischen den Zähne der Verzahnung 34.

Aufgrund der beschriebenen Form der Zähne 10 mit ihren Rippen 24, der Ringnut 36 und der Ringnut 32 mit der Verzahnung 34 sind somit nur vergleichs­ weise kleine Einpreßkräfte erforderlich, um den Einsatz in das Kunststoffteil einzu­ pressen.

Wenn jedoch der Einsatz in dem ausgehärteten Kunststoff des Kunststoffteils eingebettet ist, verleihen die beschriebenen Gestaltungsmerkmale dem Einsatz einen hohen Widerstand sowohl gegen Ausziehen wie auch gegen Verdrehen: Die Endflä­ chen 18 der Zähne 10 bilden, wie bereits erwähnt, taschenartige Stauräume, in de­ nen sich der durch die Zwischenräume 12 verdrängte Kunststoff sammelt. Hier­ durch wird der Einsatz gegen axiales Herausziehen (in Ausziehrichtung X) gesi­ chert. Die Abrundung der Endflächen 18 sorgt im Vergleich zu ebenen Endflächen für einen deutlich erhöhten Ausziehwiderstand, der durch die Ringnuten 36 und 32 weiter erhöht wird. Der Ringflansch 30, der einen ungewollten Austritt von plasti­ fiziertem Material aus der Aufnahmebohrung des Kunststoffteils verhindert, kom­ primiert überdies das plastifizierte Material in den Stauräumen hinter den Endflä­ chen 18 der Zähne, was ebenfalls zur Erhöhung des Ausziehwiderstandes beiträgt.

Eine hohe Verdrehsicherheit des Einsatzes ergibt sich einerseits durch die Seitenflächen 20 der Zähne 10 und andererseits durch die Rippen 24. Wie sich aus den Figuren ergibt, haben die Zähne 10 und die Rippen 24 eine solche Form, daß ihre in Umfangsrichtung projizierte Gesamtfläche Belastungen des Einsatzes in Umfangsrichtung einen hohen Widerstand entgegensetzt. Die in Umfangsrichtung projizierte Gesamtfläche von Zahn 10 und Rippe 24 kann zum Zahnende 16 hin zunehmen, so daß dort der Widerstand am größten ist. Im übrigen trägt die am Ringflansch 30 vorgesehene Verzahnung 34 zusätzlich zur Erhöhung des Verdreh­ widerstandes bei.

Wie für den Fachmann ersichtlich, ist ein Großteil der beschriebenen Vorteile auch bei einem erfindungsgemäßen wirksam durch Kalteinpressen oder durch Um­ spritzen des Einsatzes bei der Fertigung des Kunststoffteils eingebettet wird.

Claims (14)

1. Einsatz aus Metall zum Einbetten in eine Aufnahmebohrung eines Kunst­ stoffteiles, mit
einem Grundkörper (2), der eine bezüglich einer mittigen Achse (A) umlau­ fende Mantelfläche (4) aufweist, und
mindestens einer Reihe (R1) von Zähnen (10), die auf der Mantelfläche (4) des Grundkörpers (2) in Umfangsrichtung beabstandet zueinander angeordnet sind,
wobei jeder Zahn (10) eine keilartige Form hat, die sich von einem Zahnan­ fang (14) in einer axialen Richtung des Einsatzes, der Ausziehrichtung (X), zum Zahnende (16) hin verbreitert und am Zahnende (16) eine quer zur Ausziehrichtung (X) verlaufende Endfläche (18) aufweist, so daß zwischen den Zähnen (10) Zwi­ schenräume (12) entstehen, die sich von den Zahnanfängen (14) in Ausziehrichtung (X) zu den Zahnenden (16) hin verjüngen, jedoch zwischen den Endflächen (18) der Zähne (10) offen bleiben.

2. Einsatz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zahn quer zur Mantelfläche (4) des Grundkörpers (2) verlaufende Seitenflächen (20) aufweist, die sich am Zahnanfang (14) unter einem spitzen Winkel schneiden.

3. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Grundfläche jedes Zahnes (10) ungefähr die Form eines gleichschenkli­ gen Dreiecks hat.

4. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Endfläche (18) jedes Zahnes (10) konkav gerundet ausgebildet ist.

5. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß an der Außenseite jedes Zahnes (10) eine radial vorstehende, axial verlau­ fende Rippe (24) vorgesehen ist.

6. Einsatz nach den Ansprüchen 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Rippe (24) jedes Zahnes (10) am Zahnanfang (16) die gleiche spitzwinklige Form wie der Zahn (10) hat.

7. Einsatz nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die radiale Dicke jedes Zahnes (10) in Ausziehrichtung (X) zunimmt und die radiale Dicke je­ der Rippe (24) in Ausziehrichtung (X) abnimmt.

8. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß zwei oder mehr in axialer Richtung beabstandete Zahnreihen (R1, R2) vor­ gesehen sind, wobei die Zähne (10) einer Reihe (R1) in Umfangsrichtung versetzt zu den Zähnen (10) der benachbarten Reihe (R2) angeordnet sind.

9. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Mantelfläche (4) des Grundkörpers (2) kegelstumpfförmig ausgebildet ist.

10. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grundkörper (2) an seinem einen axialen Ende mit einem Ring­ flansch (30) versehen ist.

11. Einsatz nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringflansch auf seiner von dem axialen Ende abgewandten Stirnseite mit einer Verzahnung (34) versehen ist.

12. Einsatz nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Grundkörper (2) an seinem anderen axialen Ende mit einer Ringnut (36) versehen ist.

13. Einsatz nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Grundkörper (2) mit einem mittigen Loch (6) versehen ist, das als Durchgangs- oder Sackloch ausgebildet ist.

14. Einsatz nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Loch mit einem Gewinde versehen ist.