DE19918683A1 - Gewindeeinsatzelement für Kunststoff - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Gewindeeinsatzelement 1 zum Einsatz in einen Kunststoffkörper K, mit einem Außengewinde 3 und mit einem Innengewinde 2, wobei das Außengewinde 3 an seinen Flanken 7 Einkerbungen 8 und/oder Vorsprünge aufweist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einsetzen eines derartigen Gewindeeinsatzelementes 1 in einen Kunststoffkörper K, wobei das Gewindeeinsatzelement 1 an der in das Innere des Kunststoffkörpers K hineinragenden Stirnseite 5 durch ein Verschlußteil 6 verschlossen wird, wobei es über die nach außen offene Stirnseite, insbesondere über einen in das Innengewinde 2 einschraubbaren Kern in dem Spritzgußwerkzeug für den Kunststoffkörper K positioniert wird und wobei es anschließend mit Kunststoff umspritzt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Gewindeeinsatzelement zum Einsatz in einen Kunststoffkörper, mit einem Außengewinde und mit einem Innengewinde. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Einsetzen eines derartigen Gewindeeinsatz­ elementes in einen Kunststoffkörper.

Derartige Gewindeeinsätze sind allgemein bekannt. Sie werden in Kunststoffkörper eingesetzt, um Befestigungselemente, zum Beispiel Schrauben, fest oder insbesondere lösbar einschrau­ ben zu können. Dabei ist es besonders wichtig, daß das Gewindeeinsatzelement sowohl bei hohen Zug- oder Druckkräften als auch bei hohen Drehmomentbeanspruchungen dauerhaft sicher im Kunststoffkörper verbleibt und sich nicht lockert oder sogar aus dem Kunststoffkörper ausreißt. Für die Bemessung der Festigkeit eines Gewindeeinsatzelementes in einem Kunststoffkörper können daher die Ausreißkraft und das Ausdrehmoment herangezogen werden.

Es ist bekannt, ein Gewindeeinsatzelement der eingangs genannten Art mit einem selbstschneidenden Außengewinde in eine Bohrung in einem Kunststoffkörper einzuschrauben. Dabei werden jedoch die Kunststoffasern am Rand der Bohrung durch die Flanken des Außengewindes beschädigt. Die Festigkeit eines derartigen Gewindeeinsatzelementes gegen Auszugskräfte ist daher begrenzt. Dabei ist auch zu berücksichtigen, daß beim Aufbringen einer Zugkraft auf das Gewindeeinsatzelement die in Auszugsrichtung an den Gewindeflanken anliegenden Kunststoffbereiche zusätzlich auch durch Scherrkräfte beansprucht werden. Außerdem hat ein auf diese Weise eingebrachtes Gewindeeinsatzelement nur eine sehr geringe Festigkeit gegenüber Ausdrehmomenten.

Es wurde daher eine zweite Art von Gewindeeinsatzelementen vorgeschlagen, die bei der Fertigung des Kunststoffkörpers in die Spritzgußform eingesetzt und anschließend mit Kunststoff umspritzt werden. Diese Gewindeeinsatzelemente weisen Hinterschnitte, beispielsweise an ihren beiden Stirnseiten jeweils einen nach außen überstehenden Flansch auf. Zwischen diesen beiden Flanschen liegt der Kunststoff an dem mittleren Bereich des Gewindeeinsatzelementes an und bildet somit an der dem ersten, an der Oberfläche des Kunststoffkörpers anliegenden Flansch zugewandten Seite des zweiten Flansches eine Fläche zum Abstützen gegen Zugbeanspruchungen. Die gesamte Ausreißkraft wird daher nur im Bereich des unteren Bundes bzw. Flansches auf den Kunststoff übertragen, was zu sehr hohen Druckbeanspruchungen des Kunststoffs in diesem Bereich führt. Dabei kann auch die Fließgrenze des Kunststoffs überschritten werden. Aus diesem Grunde ist die Festigkeit gegen Ausreißkräfte auch bei diesem Gewinde­ einsatzelement relativ gering.

Die beiden Flansche sind eckig, insbesondere sechskantförmig ausgestaltet, um auf diese Weise eine höhere Festigkeit gegen Ausdrehmomente zu erreichen. Hierbei kommt es jedoch an den Enden der seitlichen Kanten zu hohen Druckbeanspruchungen der angrenzenden Kunststoffbereiche, was auf Dauer zur Lockerung und zum Ausfall des Gewindeeinsatzelementes führen kann.

Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß ein derartiges Gewindeeinsatzelement an der der Außenseite des Kunst­ stoffkörpers gegenüberliegenden Seite geschlossen sein muß, damit bei dem Gießvorgang das Innengewinde des Gewinde­ einsatzelementes frei bleibt. Unter zusätzlicher Berücksichtigung der über die nutzbare Gewindelänge hinaus­ gehenden Bereiche für den Auslauf des Innengewindes sowie für die Bohrerspitze beim Vorbohren des Kernsacklochs ergibt sich somit ein erheblicher Anteil der Gesamtlänge, der zur eigentlichen Funktion des Gewindeeinsatzelementes nicht erforderlich ist und daher zusätzlichen Platz- und Materialbedarf sowie höhere Kosten verursacht.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein konstruktiv einfaches und leicht handhabbares Gewindeeinsatzelement der eingangs genannten Art zu schaffen, das bei geringen Außenabmessungen preiswert herzustellen ist und bei großer Festigkeit gegen Ausreißkräfte und Ausdrehmomente auch bei schwellender oder wechselnder Beanspruchung einen dauerhaft sicheren Halt gewährleistet. Aufgabe der Erfindung ist es ferner, ein Verfahren zum Einsetzen eines derartigen Gewindeeinsatz­ elementes bereitzustellen, das einfach und schnell und somit kostengünstig durchzuführen ist und die Fasern der angren­ zenden Kunststoffbereiche nicht beschädigt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Gewindeeinsatz­ element nach Anspruch 1 bzw. durch ein Verfahren nach Anspruch 12 gelöst. Wesentlich ist dabei, daß das Außen­ gewinde des Gewindeeinsatzelementes an seinen Flanken Einkerbungen und/oder Vorsprünge aufweist.

Der wesentliche Vorteil besteht darin, daß auf diese Weise gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Gewinde­ einsatzelementen eine bis zu dreifach höhere Festigkeit gegen Ausreißkräfte sowie eine wesentlich höhere Festigkeit gegen Ausdrehmomente erreicht werden kann. Diese Festigkeitswerte bleiben auch bei schwellenden oder bei Wechselbeanspruchungen dauerhaft erhalten.

Das erfindungsgemäße Gewindeeinsatzelement zeichnet sich bei einer kompakten Bauweise durch geringen Material- und Platz­ bedarf aus. Es ist bei einfacher Konstruktion und leichter Handhabbarkeit besonders schnell und kostengünstig herzu­ stellen.

Besonders hohe Festigkeitswerte gegen Ausreißkräfte und Ausdrehmomente können dadurch erreicht werden, daß die Einkerbungen und/oder Vorsprünge in bzw. an den radial außen liegenden Spitzen der Gewindeflanken angeordnet sind.

Die Einkerbungen und/oder Vorsprünge können dabei in axialer Richtung regelmäßig über das Gewindeprofil verteilt sein. Vorzugsweise sind sie an jeder Gewindeflanke angeordnet. Auch können die Einkerbungen und/oder Vorsprünge regelmäßig über den Umfang der Gewindeflanken verteilt sein. Besonders vorteilhaft ist es dabei, wenn die Einkerbungen und/oder Vorsprünge in axialer Richtung in achsparallelen Reihen hintereinander fluchtend angeordnet sind.

In bevorzugten Ausführungsformen sind dabei zwischen vier und zwanzig, vorzugsweise zwölf Reihen von Einkerbungen und/oder Vorsprüngen über den Umfang verteilt. Ein besonders ausge­ wogenes Verhältnis der Festigkeitssteigerung gegenüber Aus­ reißkräften zu der Festigkeitssteigerung gegenüber Ausdreh­ momenten kann dadurch erreicht werden, daß die Einkerbungen und/oder Vorsprünge eine radiale Erstreckung von 20% bis 80% der Flankenhöhe aufweisen. In einer bevorzugten Ausführungs­ form haben die Einkerbungen eine Tiefe von 50% bzw. die Vorsprünge eine Höhe von 50% der Flankenhöhe des Außen­ gewindes.

Auf besonders einfache und kostengünstige Weise können die Einkerbungen in das Außengewinde des Gewindeeinsatzelementes durch Druckumformen, insbesondere durch Walzen eingebracht werden. So können die Einkerbungen vorzugsweise auch mit einem Rändelwerkzeug eingedrückt werden.

Das Gewindeeinsatzelement kann besonders kostengünstig als Abschnitt einer Gewindestange ausgeführt sein, die mit einem Innengewinde sowie mit einem Außengewinde versehen als Standardbauteil erhältlich ist. Die Einkerbungen und/oder Vorsprünge können dabei vor oder nach dem Abtrennen der einzelnen Abschnitte in bzw. auf das Außengewinde aufgebracht werden.

Damit das Gewindeeinsatzelement auf besonders einfache Weise, insbesondere nach dem nachfolgend beschriebenen Verfahren in den Kunststoffkörper eingebracht werden kann, ist in einer bevorzugten Ausführungsform das Gewindeeinsatzelement an einer Stirnseite durch ein Verschlußteil abgeschlossen. Um eine möglichst platzsparende Bauweise zu ermöglichen, kann das Verschlußteil vorteilhafterweise in Form einer dünnen Platte, vorzugsweise als Papieraufkleber ausgeführt sein.

Besonders vorteilhaft ist es ferner, wenn das Gewindeeinsatz­ element an der zweiten Stirnseite durch ein lösbar befes­ tigtes zweites Verschlußteil abgeschlossen ist. Dieses zweite Verschlußteil kann vorzugsweise ebenfalls als Papieraufkleber ausgeführt sein, der nach dem Einbringen in den Kunststoff­ körper auf einfache Weise schnell entfernt werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Einsetzen eines derartigen Gewindeeinsatzelementes in einen Kunststoffkörper ist es wesentlich, daß das Gewindeeinsatzelement an der in das Innere des Kunststoffkörpers hineinragende Stirnseite durch ein Verschlußteil verschlossen wird, daß es über die nach außen offene Stirnseite, insbesondere über einen in das Innengewinde einschraubbaren Kern in dem Spritzgußwerkzeug für den Kunststoffkörper positioniert wird, und daß es anschließend mit Kunststoff umspritzt wird. Der Kunststoff härtet um das Gewindeeinsatzelement herum aus, wobei er sich mit den Gewindeflanken des Außengewindes verzahnt, ohne daß die Kunststoffasern in diesem Bereich beschädigt werden. Auf diese Weise ist eine besonders hohe Sicherheit gegen Ausreiß­ kräfte erreichbar. In gleicher Weise verzahnt sich der Kunst­ stoff in Umfangsrichtung mit den Einkerbungen bzw. mit den Vorsprüngen an den Gewindeflanken, wodurch sich eine besonders hohe Sicherheit gegen Ausdrehmomente ergibt.

Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus der nachfolgenden Beschreibung und den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungs­ beispielen.

Es zeigen:

Fig. 1 Teilquerschnitt durch ein in Kunststoff einge­ setztes erfindungsgemäßes Gewindeeinsatzelement.

Fig. 2 Teilschnittansicht entlang eines halben Gewinde­ gangs entlang der Schnittlinie A-A aus Fig. 1.

Fig. 3 Aus dem Stand der Technik bekanntes Gewindeeinsatz­ element.

Fig. 4 Alternative Ausführungsform eines herkömmlichen Gewindeeinsatzelementes und

Fig. 5 Ansicht des Gewindeeinsatzelementes aus Richtung B in Fig. 4.

Das in Fig. 1 dargestellte Gewindeeinsatzelement 1 ist ein Abschnitt einer Gewindestange mit einem Innengewinde 2 und einem Außengewinde 3. Beide Gewinde 2, 3 erstrecken sich über die gesamte Länge L des Gewindeeinsatzelementes 1. Die der Außenseite 4 des Kunststoffkörpers K abgewandte Stirnseite 5 ist durch einen Papieraufkleber 6 als Verschlußteil abge­ schlossen.

In die außen liegenden Spitzen der Gewindeflanken 7 des Außengewindes 3 ist eine Vielzahl von Einkerbungen 8 eingebracht. Auf besonders einfache Weise sind diese Einkerbungen 8 durch eine Rändelrolle in die Gewindeflanken 7 eingedrückt worden, indem mit der Rändelrolle in mehreren achsparallelen Bahnen 9 über das Außengewinde 3 gefahren wurde. Auf diese Weise sind die Einkerbungen 8 hintereinander fluchtend in insgesamt zwölf Reihen 9 zumindest annähernd gleichmäßig über den Umfang des Außengewindes 3 verteilt. Die Tiefe einer Einkerbung 8 beträgt in etwa die Hälfte der Höhe einer Gewindeflanke 7.

Das in Fig. 3 dargestellte, aus dem Stand der Technik bekannte, Gewindeeinsatzelement 10 ist nicht mit Kunststoff­ masse umspritzt bzw. umgossen worden, sondern es wurde nachträglich mit einem selbstschneidenden Außengewinde 11 in eine im Kunststoffkörper K befindliche Bohrung 12 ein­ geschraubt. Dabei werden die am Rand der Bohrung 12 befindlichen Kunststoffasern 13 durch Zerschneiden zerstört.

Eine derartige Faserzerstörung tritt bei dem in Fig. 4 gezeigten, ebenfalls aus dem Stand der Technik bekannten Gewindeeinsatzelement 14 nicht auf, das wie das erfindungs­ gemäße Gewindeeinsatzelement 1 mit Kunststoffmasse K umspritzt wird. Es hat einen oberen Flansch 15 und einen unteren Flansch 16, die beide einen sechskantförmigen Querschnitt aufweisen. An den Enden 17 der Kanten der beiden Flansche kommt es bei Einwirkung eines Verdrehmomentes 11 zu relativ hohen Druckspannungen, die dazu führen können, daß der Kunststoff die Fließgrenze überschreitet, wodurch sich das Gewindeeinsatzelement 14 im Kunststoff K lockert.

Ebenso kommt es bei auf das Gewindeeinsatzelement 14 einwirkenden Zugkräften F in den dem unteren Flansch 16 benachbarten Bereichen zu sehr hohen Druckspannungen, die ebenfalls dazu führen können, daß der Kunststoff in diesem Bereich die Fließgrenze überschreitet. Da die gesamte Ausreißkraft F von dem überstehenden Bund des unteren Flansches 16 auf den Kunststoffkörper K übertragen werden muß, kann es hierdurch ebenfalls zu einer Lockerung oder sogar zum vollständigen Herausziehen und somit zum Ausfall des Gewindeeinsatzelementes 14 kommen.

Bei dem erfindungsgemäßen Gewindeeinsatzelement 1 kommt es auch bei relativ hohen Zugkräften oder Drehmomenten nicht zu derart hohen Beanspruchungen im Kunststoffkörper K. In Labor­ untersuchungen wurde festgestellt, daß bei einem Außengewinde 3 der Größe M16 Zugkräfte bis zu 32.000 Newton bzw. Drehmomentbelastungen bis zu 120 Newtonmeter vom Gewindeein­ satzelement 1 ohne Beschädigung auf den Kunststoffkörper K übertragen werden können. Dies bedeutet gegenüber den beiden bekannten Ausführungsformen gemäß den Fig. 3 bis 5 eine Steigerung um den Faktor 3. Bei diesen bekannten Ausführungs­ formen reichten bei gleichen Abmessungen Zugkräfte von ca. 11.000 Newton aus, um die Gewindeeinsatzelemente aus dem Kunststoff auszureißen.

Hinsichtlich der erforderlichen Ausdrehmomente sind bei der bekannten Ausführungsform gemäß Fig. 4 und 5 mit bis zu ca. 60 bis 70 Newtonmetern die gefahrlos übertragbaren Belastungen nur ca. halb so groß. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 3 ist der Unterschied noch größer. Hier genügt bereits ein Ausdrehmoment von ca. 8 Newtonmetern, um zum Versagen des Gewindeeinsatzelementes 10 zu führen. Die Sicherheit gegen ein Aufdrehen kann somit mit einem erfindungsgemäßen Gewindeeinsatzelement 1 um den Faktor 15 gesteigert werden.

Claims (13)

1. Gewindeeinsatzelement zum Einsatz in einen Kunststoffkörper, mit einem Außengewinde und mit einem Innengewinde, dadurch gekennzeichnet, daß das Außengewinde (3) an seinen Flanken (7) Einkerbungen (8) und/oder Vorsprünge aufweist.

2. Gewindeeinsatzelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen (8) und/oder Vorsprünge in bzw. an den radial außenliegenden Spitzen der Gewindeflanken (7) angeordnet sind.

3. Gewindeeinsatzelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen (8) und/oder Vorsprünge in axialer Richtung regelmäßig über das Gewindeprofil verteilt, insbesondere an jeder Gewindeflanke (7) angeordnet sind.

4. Gewindeeinsatzelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen und/oder Vorsprünge regelmäßig über den Umfang der Gewindeflanken verteilt sind.

5. Gewindeeinsatzelement nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen (8) und/oder Vorsprünge in axialer Richtung fluchtend, in achsparallelen Reihen (9) hintereinander­ liegend angeordnet sind.

6. Gewindeeinsatzelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen 4 und 20, vorzugsweise 12 Reihen (9) von Einkerbungen (8) und/oder Vorsprüngen über den Umfang verteilt sind.

7. Gewindeeinsatzelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen (8) und/oder Vorsprünge eine radiale Erstreckung von zwischen 20% und 80%, vorzugsweise von 50% der Flankenhöhe aufweisen.

8. Gewindeeinsatzelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkerbungen (8) durch Druckumformen, insbesondere durch Walzen eingebracht sind.

9. Gewindeeinsatzelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Abschnitt einer Gewindestange ist.

10. Gewindeeinsatzelement nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es an einer Stirnseite (5) durch ein Verschlußteil (6) abgeschlossen ist.

11. Gewindeeinsatzelement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß es an der zweiten Stirnseite durch ein lösbar befestigtes zweites Verschlußteil abgeschlossen ist.

12. Verfahren zum Einsetzen eines Gewindeeinsatz­ elementes nach einem der vorherigen Ansprüche in einen Kunststoffkörper, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gewindeeinsatzelement (1) an der in das Innere des Kunststoffkörpers (K) hineinragenden Stirnseite (5) durch ein Verschlußteil (6) verschlossen wird, daß es über die nach außen offene Stirnseite, insbesondere über einen in das Innengewinde (2) einschraubbaren Kern, in dem Spritzgußwerkzeug für den Kunststoffkörper (K) positioniert wird und daß es anschließend mit Kunststoff umspritzt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß als Verschlußteil ein vorzugsweise aus Papier bestehender Aufkleber (6) auf die Stirnseite (5) des Gewindeeinsatzelementes (1) aufgeklebt wird.