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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Direktverschraubung in Kunststoff gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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In der Automobilindustrie wird immer mehr Kunststoff eingesetzt, um Gewicht zu sparen. In diesem Zusammenhang stellt sich die Direktverschraubung in Kunststoff oft als eine geeignete Verbindungsmöglichkeit dar. Bei der Direktverschraubung in Kunststoff werden gewindeformende Schrauben, beispielsweise Metall- oder Kunststoffschrauben, verwendet, die direkt, das heißt ohne vorgebohrtes Gewinde, in das zu verschraubende Kunststoffteil eingedreht werden. Auf diese Weise werden eine einfache und kostengünstige Montage sowie eine sichere Verbindung erreicht.
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Unter gewindeformende Schrauben werden selbstfurchende, selbstschneidende oder selbstformende Schrauben verstanden. Bei selbstfurchenden Schrauben wird das Gewinde spanlos geformt, während das ausgebohrte Material in der Kernbohrung verdrängt wird. Selbstschneidende Schrauben formen das Gewinde spanend in ein vorgebohrtes Kernloch mit Hilfe von Schneidnuten. Selbstformende Schrauben formen selbst ihr Kernloch mit ihrer Spitze. Das Gewinde wird dann auch spanlos geformt.
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Aus der
DE 10 2005 056 606 A1 ist ein Verfahren zur Verbindung eines Kunststoff-Werkstücks mit einem Metall-Werkstück mittels eines Bolzens bekannt. Der Bolzen wird in das Kunststoff-Werkstück so tief eingepresst, dass die Spitze des Bolzens in Kontakt mit der Oberfläche des Metall-Werkstücks kommt. Der Werksstoff wird plastifiziert und verankert den Bolzen. Gleichzeitig wird die Spitze an der Oberfläche mit dem Metall-Werkstück durch Reibungswärme plastifiziert, so dass es zu einer Reibschweißverbindung zwischen dem Kunststoff-Werkstück und dem Metall-Werkstück kommt.
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In der
GB 1,176,323 wird eine Schraube in ein Kunststoff-Teil eingeschraubt, in dem ein Rohrzylinder aus Metall eingesetzt ist. Der Rohrzylinder befindet sich innerhalb eines radialen Loches im Kunststoffstück und weist Löcher zur Aufnahme der Schraube auf.
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Aus der
DE 100 29 871 A1 ist ein Bauteil aus einem Leichtmetall, wie z.B. Aluminium, Magnesium oder Titan, mit einer Kerbzone in Form eines Ausschnitts zur Aufnahme einer Schraube bekannt. Im Bereich des Ausschnitts weist das Bauteil einen Einsatz aus einem dreidimensional geformten Verstärkungstextil aus Kohlefasern auf, das mit dem Metall des Bauteils infiltriert ist. Aus dem Bauteil wird ein Bereich mittels Laserstrahlschneiden ausgeschnitten, der die Größe des Verstärkungsbereichs aufweist. Ein bereits vorgefertigtes Insert aus einer textilverstärkten Magnesium-Tragstruktur wird den Abmessungen des Ausschnittes angepasst oder entsprechend ausgewählt und in das unverstärkte Magnesium-Bauteil eingesetzt.
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Herkömmliche Anordnungen zur Verschraubung einer gewindeformenden Schraube in einem Kunststoffsteil weisen aber den Nachteil auf, dass oft nicht die gewünschten Eigenschaftswerte erreicht werden, insbesondere nur eine niedrige Dauer- und Auszugsfestigkeit erzielt wird, was bei hohen Beanspruchungen zur Lockerung oder zum Auszug der Schraube führen kann.
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Die vorliegende Erfindung hat deshalb das Ziel, eine Anordnung zur Direktverschraubung in Kunststoff zu verbessern.
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Diese Aufgabe wird durch eine Anordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst zumindest einen Träger aus Kunststoff, ein mit dem Träger zu verschraubendes Bauteil und mindestens eine gewindeformenden Schraube. Erfindungsgemäß weist der Träger mindestens ein Verstärkungselement auf, in welches die Schraube zumindest teilweise eingeschraubt ist. Indem die Schraube in das Verstärkungselement eingeschraubt ist und ein Gewinde darin formt, wird ihre Auszugsfestigkeit erhöht.
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Die Schraube kann selbstschneidend, selbstfurchend oder selbstformend ausgeführt sein. Die Schraube kann damit an die Anordnung angepasst werden und wahlweise spanlos oder spanend, mit oder ohne Vorbohren das Gewinde formen.
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Vorzugsweise ist der Träger aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff ausgebildet. Solche Kunststoffe sind preisgünstig in der Herstellung und lassen sich für die Ausbildung des Gewindes gut verformen.
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Es ist auch vorteilhaft, wenn der Träger aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet ist. Damit können die mechanischen Eigenschaften des Trägers verbessert, insbesondere seine Steifigkeit und seine Festigkeit erhöht werden.
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Der Träger kann mindestens ein Kernloch zur Aufnahme der Schraube aufweisen, so dass das Eindrehen der Schraube vereinfacht ist. Die Schraube braucht kein Loch auszubilden, sondern im wesentlich lediglich das Gewinde zu formen.
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Der Träger ist vorzugsweise ein Karosseriebauteil oder Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs. Da Karosseriebauteile immer häufiger aus Kunststoff hergestellt werden, erweist sich die erfindungsgemäße Anordnung zur Direktverschraubung in Kunststoff als besonders geeignet für den Einsatz im Automobilbau.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Verstärkungselement aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder aus Stahl ausgebildet ist. Damit wird die Auszugskraft der Schraube besonders hoch. Auch kann je nach Materialwahl beim Eindrehen der Schraube zwischen der Schraube und dem Verstärkungselement ein Reibschweiß-Effekt erreicht werden, der zu einer zusätzlichen Erhöhung der Festigkeit der Verbindung führt.
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Das Verstärkungselement kann plattenförmig ausgebildet sein. Damit ist es besonders einfach herzustellen.
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Vorzugsweise ist das Verstärkungselement vieleckig ausgebildet. Damit wird das Verstärkungselement beim Eindrehen der Schraube in dem Träger gegen Verdrehen gesichert.
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Insbesondere kann das Verstärkungselement quadratisch ausgebildet sein. Damit sind die Herstellungskosten besonders niedrig und die Montage einfach.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn das Verstärkungselement Verdrehsicherungsmittel aufweist, die beispielsweise als Vorsprünge ausgebildet sein können. Damit kann eine besonders feste Verankerung im Träger erzielt werden.
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Vorzugsweise kann der Träger aus zwei Teilen bestehen. Dies ermöglicht ein einfaches Einsetzen des Verstärkungselements in den Träger und dessen Fixierung zwischen den beiden Teilen.
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Insbesondere kann das Verstärkungselement zwischen den Teilen schichtartig angeordnet sein. Damit ist das Verstärkungselement einfach und kostengünstig in den Träger einsetzbar und sicher fixierbar.
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Das Verstärkungselement kann dann in wenigstens eines der Teile eingepresst oder während des Formungsprozesses umspritzt werden. Damit ist es optimal in dem Träger fixiert.
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Gemäß einer anderen Ausgestaltung ist das Verstärkungselement einseitig auf den Träger aufgebracht. Damit ist die Montage besonders einfach.
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Insbesondere kann das Verstärkungselement an der dem Bauteil gegenüberliegenden Seite des Trägers angeordnet sein. Damit profitiert die ganze Anordnung von der erhöhten Auszugsfestigkeit der Schraube.
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Das Verstärkungselement ist bevorzugt auf den Träger aufgepresst. Dies stellt eine besonders einfache Verbindungsmöglichkeit dar.
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Alternativ kann das Verstärkungselement auch angeklebt sein. Dies bildet eine andere einfache Verbindungsmöglichkeit.
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Der Träger kann auch mit dem Verstärkungselement beschichtet sein. Diese Lösung ist besonders platzsparend.
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Vorzugsweise weist das Verstärkungselement mindestens ein Kernloch zur Aufnahme der Schraube auf. Die Schraube braucht dann kein Loch ausbilden, sondern im wesentlich lediglich das Gewinde formen. Dies ist besonders günstig bei der Verwendung eines Verstärkungselements aus Metall, da der erforderliche Kraftaufwand beim Eindrehen der Schraube ansonsten sehr hoch ist.
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Zusätzlich kann auch das Verstärkungselement eine Vielzahl von Durchbrüchen aufweisen. Damit kann Gewicht gespart und gleichzeitig Verankerungsmöglichkeiten für das Trägermaterial zur Verfügung gestellt werden.
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Diese Durchbrüche können auch vom Träger durchsetzt sein. Damit ist das Verstärkungselement fest mit dem Träger verbunden, gleichzeitig ist hierdurch eine Verdrehsicherung realisiert.
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Insbesondere kann das Material des Trägers in die Durchbrüche eingespritzt sein. Damit bleiben die Herstellungskosten des Trägers niedrig.
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Vorzugsweise weist auch das Bauteil mindestens ein Loch zur Aufnahme der Schraube auf. Die Schraube braucht dann kein Loch auszubilden. Damit ist auch die Schraubposition eindeutig festgelegt und einfach erkennbar, was für die manuelle Verschraubung Vorteile bietet.
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Insbesondere kann das Loch des Bauteils als Kernloch ausgebildet sein. Damit muss die Schraube in dem Bauteil ein zusätzliches Gewinde formen, was die Auszugsfestigkeit der Schraube erhöht.
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Alternativ kann das Loch des Bauteils als Durchgangsloch ausgebildet sein, wobei der Durchmesser des Lochs größer als der Durchmesser des Gewindeabschnitts der Schraube ausgebildet ist.
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Es ist besonders vorteilhaft, wenn zusätzlich das Verstärkungselement und/oder der Träger mindestens ein Kernloch zur Aufnahme der Schraube aufweist, wobei das Loch des Bauteils und die Kernlöcher koaxial zueinander angeordnet sind. Damit kann die benötigte Einschraubkraft so niedrig wie möglich gehalten werden.
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Gemäß einer weiteren Ausgestaltung weist das Bauteil und/oder das Verstärkungselement und/oder der Träger eine gekrümmte Form auf, wobei das Bauteil, das Verstärkungselement und der Träger kongruent zueinander angeordnet sind. Solche gekrümmten Formen sind bei Karosseriebauteilen häufig anzutreffen.
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Das Bauteil kann ein Karosseriebauteil oder Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs oder eine Innenverkleidung sein. Da Karosseriebauteile immer mehr aus Kunststoff hergestellt werden, ergibt sich eine erfindungsgemäße Anordnung zur Direktverschraubung in Kunststoff als besonders geeignet für solche Automobilteile.
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Die erfindungsgemäße Anordnung wird anhand von mehreren Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit Figuren nachfolgend näher erläutert. Es zeigen:
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1a einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer ersten Ausführungsform vor der Verschraubung,
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1b einen Ausschnitt einer Schnittansicht der Anordnung von 1a nach der Verschraubung,
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2a einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform vor der Verschraubung,
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2b eine Ansicht von oben des Verstärkungselements der Anordnung von 2a,
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3 einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer dritten Ausführungsform vor der Verschraubung,
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4a einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer vierten Ausführungsform vor der Verschraubung,
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4b eine Ansicht von oben des Verstärkungselements der Anordnung von 4a,
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5a einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer fünften Ausführungsform vor der Verschraubung,
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5b einen Ausschnitt einer Schnittansicht der Anordnung von 5a nach der Verschraubung, und
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6 einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform vor der Verschraubung.
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In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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In 1a ist ein Ausschnitt einer Schnittansicht einer ersten Ausführungsform vor der Verschraubung dargestellt. Die Anordnung zeigt ein Bauteil 12, einen Träger 11 und ein Verstärkungselement 13.
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Das Bauteil 12 kann ein Loch 120 zur Aufnahme einer Schraube 4 aufweisen. Außerdem kann das Loch 120, wie in 1a dargestellt, eine Durchgangsloch sein, wobei der Durchmesser des Lochs 120 größer als der Durchmesser der Schraube 4 sein kann, so dass es nicht nötig ist, ein Gewinde in dem Bauteil 12 zu formen. Alternativ kann aber auch das Loch des Bauteils als Kernloch ausgebildet sein, in dem die Schraube ein Gewinde formen kann. Das Bauteil 12 kann auch mehrere Löcher für mehrere Schrauben aufweisen. In diesem Beispiel weist das Bauteil 12 die Form einer Platte auf. Das Bauteil 12 kann ein Karosseriebauteil oder Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs oder eine Innenverkleidung sein.
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In dieser Ausführungsform besteht der Träger 11 aus zwei Teilen 110, 111. Das Verstärkungselement 13 ist zwischen den Teilen 110, 111 angeordnet. Damit ist es fest im Träger 11 verankert. Das Verstärkungselement 13 kann eingepresst oder eingespritzt sein. Das Teil 111 kann einen Ausschnitt in Form einer vorgeformten Vertiefung zur Aufnahme des Verstärkungselements 13 aufweisen, bevorzugt ist das Verstärkungselement 13 direkt in das Teil 111 eingepresst.
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Der Träger 11 kann aus einem thermoplastischen oder duroplastischen Kunststoff ausgebildet sein. Damit kann der Träger 11 verformt werden, so dass das Schrauben und das Gewindeformen in den Träger 11 besonders einfach ist. Der Träger 11 kann auch aus einem faserverstärkten Kunststoff ausgebildet sein. Damit kann der Träger 11 eine hohe spezifische Steifigkeit und Festigkeit aufweisen.
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In dieser Ausführungsform ist der Teil 110 eine einfache Platte, während das Teil 111 eine Form mit Ausschnitten und gebogenen Abschnitten aufweist. Der Träger 11 kann auch ein Karosseriebauteil oder ein Strukturbauteil eines Kraftfahrzeugs sein.
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Das Verstärkungselement 13 kann wie im vorliegenden Beispiel plattenförmig, insbesondere quadratisch ausgebildet sein. Damit sind die Herstellungskosten besonders niedrig und die Montage in den Träger sehr einfach. Das Verstärkungselement 13 kann auch hier nicht näher dargestellte Verdrehsicherungsmittel aufweisen, damit es im Träger 11 fest fixiert ist. Das Verstärkungselement 13 ist hier beispielsweise aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder aus Stahl ausgebildet. Die Anordnung kann auch mehrere Verstärkungselemente 13 aufweisen.
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1b zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht der Anordnung von 1a nach der Verschraubung.
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Die Schraube 4 ist in die Anordnung, nämlich in das Bauteil 12, in den ersten Teil 110 des Trägers 11, in das Verstärkungselement 13 und in den zweiten Teil 111 des Trägers 11 eingeschraubt. Sie ist zu Beginn des Verschraubungsvorgangs in das Loch 120 des Bauteils 12 eingesetzt worden. In den anderen Teilen der Anordnung hat die Schraube 4 ein Gewindeloch mit einem nicht dargestellten Gewinde gebohrt. Der Träger 11 ist beim Schrauben verformt worden. Mit der gewindeformenden Schraube 4 werden somit Arbeitsschritte bei der Montage eingespart, insbesondere das Bohren des Trägers 11 sowie des Verstärkungselements 13. Da die Schraube 4 in das Verstärkungselement 13 aus Metall eingeschraubt ist, sitzt die Schraube 4 in dem Verstärkungselement 13 fest und weist eine hohe Dauer- und Auszugsfestigkeit. Die Schraube 4 kann selbstschneidend, selbstfurchend oder selbstformend sein. Die Anordnung kann auch mehrere Schrauben 4 aufweisen.
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2a zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform vor der Verschraubung. Grundsätzlich ist die Anordnung der 2a der Anordnung der 1a ähnlich. Der Unterscheid liegt darin, dass das Verstärkungselement 23 ein Kernloch 230 zur Aufnahme der Schraube 4 aufweist. Dies ist insbesondere deutlich in der 2b erkennbar, in der in einer Ansicht von oben das Verstärkungselement 23 gezeigt ist. Das quadratische Verstärkungselement 23 weist ein Kernloch 230 auf, das hier zentral, d.h. in der Mitte des Verstärkungselements 23 angeordnet ist. Das Kernloch 230 des Verstärkungselements 23 ist koaxial zum Loch 120 des Bauteils 12 angeordnet, wobei der Durchmesser des Lochs 120 größer als der Durchmesser des Kernlochs 230 ausgebildet ist. Die Schraube 4 braucht also kein Loch in das Verstärkungselement 23 zu formen.
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3 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer dritten Ausführungsform vor der Verschraubung. Im Vergleich zu der Anordnung der 2a weisen die Teile 310, 311 des Trägers 31 in der Anordnung der 3 jeweils ein Kernloch 312, 312’ zur Aufnahme der Schraube 4 auf. Das Loch 120 und die Kernlöcher 230, 312, 312’ sind koaxial zueinander angeordnet. Damit wird das Einschrauben der Schraube 4 vereinfacht, da die Schraube 4 nur das Gewinde in dem Träger 31 und in dem Verstärkungselement 23 zu formen braucht.
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4a zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer vierten Ausführungsform vor der Verschraubung. Diese Anordnung ist der Anordnung der 2a ähnlich. Nach dieser Ausführungsform weist aber das Verstärkungselement 43 zusätzlich eine Vielzahl von Durchbrüche 431 auf. Dies ist insbesondere deutlich in 4b gezeigt. Außer dem Kernloch 430 zur Aufnahme der Schraube 4 sind mehrere Durchbrüche 431 auf dem Verstärkungselement 43 angeordnet. Diese Durchbrüche 431 können beispielweise regelmäßig angeordnet sein. Die Durchbrüche 431 können – hier nicht dargestellt – mit dem Material des Trägers 11 durchsetzt sein. Insbesondere kann das Material des Trägers 11 in die Durchbrüche 431 eingespritzt sein. Damit ist das Verstärkungselement 43 fest mit dem Träger 11 verbunden.
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5a zeigt eine fünfte Ausführungsform vor der Verschraubung. Im Gegensatz zu den vorherigen Ausgestaltungsformen ist der Träger 51 nur aus einem Teil ausgebildet und das Verstärkungselement 13 ist einseitig auf den Träger 51 aufgebracht. Damit ist der Aufbau besonders einfach. Das Verstärkungselement 13 ist an der dem Bauteil 12 gegenüberliegenden Seite des Trägers 51 angeordnet. Das Verstärkungselement 13 ist in dem dargestellten Ausführungsbeispiel auf den Träger 51 aufgeklebt sein. Der Träger 51 kann auch mit dem Verstärkungselement 13 beschichtet sein.
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5b zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht der Anordnung von 5a nach der Verschraubung. Die Schraube 4 ist in die Anordnung, nämlich in das Bauteil 12, in den Träger 51 und in das Verstärkungselement 13 eingeschraubt. Sie ist vor der Verschraubung in das Loch 120 des Bauteils 12 eingesetzt worden.
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6 zeigt einen Ausschnitt einer Schnittansicht einer sechsten Ausführungsform vor der Verschraubung. In dieser Ausführungsform weisen das Bauteil 62, das Verstärkungselement 63 und der Träger 61 eine gekrümmte Form auf, wobei das Bauteil 62 im Bereich des Lochs 620 eine Auflagefläche für den Kopf der nicht dargestellten Schraube aufweist, indem beispielsweise unmittelbar radial benachbart zum Loch 620 die Oberfläche eben ausgebildet ist.
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Bezugszeichenliste
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- 11, 31, 51, 61
- Träger
- 110, 111, 310, 311
- Teile des Trägers
- 312, 312’
- Kernloch
- 12, 62
- Bauteil
- 120, 620
- Loch
- 13, 23, 43, 63
- Verstärkungselement
- 230, 430
- Kernloch
- 431
- Durchbruch
- 4
- Schraube
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102005056606 A1 [0004]
- GB 1176323 [0005]
- DE 10029871 A1 [0006]
