DE3000697C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Befestigungseinheit zum Befestigen von Kunststoffmaterial einer ersten vorbestimmten Dicke an einem relativ dünnen Material einer zweiten vorbestimmten Dicke nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Befestigungseinheit ist in der nachveröffentlichten DE-OS 29 32 538 beschrieben.

Formteile aus Kunststoff werden mehr und mehr in Geräten, im Automobilbau und dergleichen eingesetzt. Die Befestigung von Kunststoffteilen, z. B. mit Hilfe von Schrauben, bringt Probleme mit sich, da Kunststoff unter Belastung die Tendenz zum Kaltfließen aufweist. Eine Schraubverbindung, bei der ein Kunststoffteil gegen ein anderes Teil gepreßt wird, lockert sich, wenn aufgrund des Kaltfließens des Kunststoffes die Dicke des Kunststoffteils sich verringert hat. Bei Vibrationen kann dann dieSchraube z. B. sich selbsttätig lösen.

Ein besonderes Problem tritt auf, wenn Kunststoffteile an einem relativ dünnen Blechträger befestigt werden. Wegen des dünnen Bleches greifen nur wenige Gewindegänge der Schraube in das Material des Bleches ein. Das Losdrehmoment ist daher verhältnismäßig niedrig. Je höher das Losdrehmoment ist, desto größer ist auch der Widerstand gegen ein Herausziehen des Befestigungselements.

Wird als Trägermaterial für Kunststoff Blech verwendet, entsteht ein weiteres Problem. Das Eindrehmoment verändert sich in Abhängigkeit von der Härte des Bleches, der Härte des Gewsindes, dem Winkel, unter dem die Schraube angesetzt wird usw. Da in der industriellen Fertigung Schrauben zumeist mit Automatikschraubern eingedreht werden, die eine drehmomentabhängige Abschaltung vorsehen, wird das Drehmoment normalerweise so ausgewählt, daß erstens sichergestellt ist, daß jede Schraube eingetrieben wird und zweitens das Losdrehmoment ausreichend groß ist. Aufgrund des niedrigen Losdrehmoments in dünnem Metallblech steht daher nur ein geringer Bereich an Drehmomenten zur Verfügung, um den beschriebenen Erfordernissen zu genügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigungseinheit zu schaffen, die Kunststoffmaterial an dünnem Blechmaterial so befestigen kann, daß ein deutlich höheres Losdrehmoment erzielt wird.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Kennzeichnungsteils des Patentanspruchs 1 gelöst.

Aus der US-PS 20 76 041 ist eine Schraubverbindung bekanntgeworden zum Verbinden eines dünnen Bleches mit einem dicken. Die Öffnung im dünnen Blech hat einen größeren Durchmesser als der Spitzendurchmesser des Schraubengewindes, während der Lochdurchmesser des dickeren Bleches kleiner ist als der Spitzendurchmesser. Dadurch wird das Material des dickeren Bleches teilweise in die Öffnung des dünneren Bleches hineinextrudiert, während der flanschartige Schraubenkopf sich gegen das dünne Blech anlegt. Wegen der oben beschriebenen bekannten Kaltfließeigenschaften von Kunststoff ist eine derartige Schraubverbindung nicht geeignet, Kunststoffmaterial mit Hilfe von Schrauben an einem dünnen Blech gegen unbeabsichtigtes Loslösen gesichert anzubringen.

Aus der DE-OS 26 40 306 ist eine Schraubverbindung bekanntgeworden, bei der eine Abstandshülse aus Federstahl vorgesehen ist mit einem den Gewindeschaft eng anliegend umgebenden zylindrsichen Teil und einem als Tellerfeder ausgebildeten Flansch. Der äußere Rand des Flansches stützt sich unter Vorspannung am nächstliegenden drehbaren Bauteil ab. Die bekannte Schraubverbindung soll einen dauerhaft spielfreien Sitz und wirksamen Reibschluß in axialer Richtung erreichen, z. B. bei Gurtschloßverankerungen von Sicherheitsgurten in Kraftfahrzeugen. Für die Befestigung von Kunststoffteilen an einem dünnen Blechträger ist die bekannte Schraubverbindung ebenfalls nicht geeignet.

Die erfindungsgemäße Befestigungseinheit setzt sich aus einem Distanzstück und einer selbstschneidenden Schraube zusammen. Das Distanzstück besteht dabei aus einem zylindrischen Ring von vorbestimmter Länge, die der Dicke des Kunststoffmaterials entspricht, sowie von einem Innendurchmesser, der den Spitzendurchmesser des Gewindes um etwa das Zweifache der Dicke des Bleches überschreitet. Das Distanzstück erlaubt, daß die Oberfläche des Kunststoffmaterials etwas von dem Materialergreifungsteil eingeklemmt wird, das sich an der Unterseite des Schraubenkopfes befindet oder alternativ einen Flansch auf dem Distanzstück sein kann. Ein unterer Teil des Kantenbereiches der Bohrung in dem Werkstück, der den Schraubenschaft umgibt, wird in den Zwischenraum zwischen dem Distanzstück und den Spitzen der Gewindegänge hineinextrudiert und vergrößert das Losdrehmoment deutlich.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen in Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Befestigungseinheit teilweise im Schnitt, durch die ein Plastikteil mit einem dünnen Blechteil verbunden ist,

Fig. 2 eine teilweise im Schnitt dargestellte Seitenansicht einer alernativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungseinheit, wobei die untere Fläche des Kopfes des Befestigungselementes den Materialergreifungsteil darstellt,

Fig. 3 teilweise im Schnitt die Seitenansicht einer anderen alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungseinheit, wobei das Distanzstück einstückig mit dem Befestigungselement hergestellt ist, und

Fig. 4 teilweise im Schnitt eine Seitenansicht einer vierten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungseinheit, wobei das Befestigungselement eine selbstbohrende Spitze und einen kegelstumpfartigen Kopf besitzt.

In Fig. 1 ist eine Befestigungseinheit 10 dargestellt. Diese Befestigungseinheit besteht aus einem selbstschneidenden Befestigungselement (Schraube) 12 und einem Distanzstück 14. Das Befestigungselement hat einen mit Gewindegängen versehenen Schaft 16 und einen sich seitlich erstreckenden Kopf 18, der hexagonale Antriebsflächen 19 besitzt. Der Schaft 16 weist am oberen Ende der Gewindegänge einen Ringwulst 20 auf. Das Distanzstück umfaßt einen sich axial erstreckenden Ring 22. Der obere Umfang des Ringes besitzt einen nach innen weisenden Vorsprung 24, der auch die Form eines Kreisringes besitzen kann. Der Innendurchmesser des Vorsprungs ist kleiner als der Außendurchmesser des Wulstes 20, so daß das Distanzstück über den Wulst schnappen kann und das Distanzstück und das Befestigungselement so zu einer Einheit miteinander verbunden werden können.

Die Einheit 10 besitzt einen Materialergreifungsteil 26, der bei dieser Ausführungsform als sich seitlich erstreckender Flansch ausgebildet ist. Der Flansch kann eine Mehrzahl von Stützzähnen 28 aufweisen. Diese Zähne ergreifen ein Kunststoffteil 30 und dringen in es ein und verhindern so eine Relativbewegung zwischen dem Kunststoffteil und dem Distanzstück. Die axiale Länge des Ringes 22 ist ungefähr gleich der Dicke des Kunststoffteils 30. Der Ring ist in ein vergrößertes Loch 32 in dem Kunststofteil 30 eingesetzt, und das Ende des Ringes stößt gegen eine Blechunterlage 34. Dies erlaubt, daß der Materialergreifungsteil 26 das Kunststoffteil leicht zusammenklemmt, wenn der mit Gewinde versehene Schaft 16 schneidet und in der Bohrung 36 in der Unterlage voranschreitet, wobei ein großer, unerwünschter Kaltfließbetrag vermieden wird. Der Ring 22 hat einen Durchmesser, der dem speziellen Befestigungselementdurchmesser angepaßt ist, mit dem zusammen er benutzt werden soll. Genauer genommen überschreitet der Innendurchmesser des Ringes den Außendurchmesser der Gewindespitzen um ungefähr das Zweifache der Dicke der Blechunterlage 34, für die das Befestigungselement benutzt werden soll. Diese Größenbeziehung schafft einen Zwischenraum zwischen dem Ring und den Gewindespitzen, der sich um den Schaft des Befestigungselementes herum erstreckt. Es ist wichtig, daß die Gewindegänge sich aufwärts in den Ring hinein erstrecken. Die Gründe hierfür werden nachfolgend noch erläutert.

Im Betrieb wird das Loch 32 in dem Kunststoffteil 30 über der Bohrung 36 in der Blechunterlage angeordnet und das Befestigungselement 10 gegenüber dem Loch angeordnet. Ein motorangetriebenes Werkzeug (nicht gezeigt) wird in Eingriff mit den Antriebsflächen 19 gebracht, um das Befestigungselement in das Werkstück einzutreiben. Die vorderen Gewindegänge, die konisch verlaufen können und teilweise oder ganz geschlitzt sein können, um das Gewindeschneiden zu erleichtern, greifen in die Bohrung 36 ein und formen darin ein Gewinde aus. Während das Befestigungselement vorwärtsbewegt wird, wird der Ring 22 des Distanzstückes von dem Loch 32 in dem Kunststoffteil aufgenommen und stößt unten gegen die Blechunterlage 34.

Wenn die Befestigungseinheit nach unten festgezogen wird und den Punkt erreicht, wo das Befestigungselement üblicherweise beginnen würde, die Gewindegänge innerhalb des Werkstückes abzuziehen, dient das Ende des Distanzstückes als Reaktionsfläche zum Umbiegen der Kanten der Bohrung 36 nach oben in den Ring hinein. Dieses Material wird dabei nach oben in den Zwischenraum hineinextrudiert und vergrößert dadurch das Losdrehmoment. Dieser Vorteil beruht darauf, daß das extrudierte Material mit Gewindegängen versehen wird, die den Gewindegangeingriff in dem Material vergrößern, und darauf, daß das Material zwischen dem Schaft 16 und dem Ring 22 eingeklemmt wird und somit weiterer Drehbewegung entgegensteht.

In den Fig. 2-4 sind alternative Ausführungsformen dargestellt, bei denen ähnliche Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen worden sind, denen lediglich die Buchstaben a, b und c für die entsprechenden Figuren angefügt worden sind.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 besitzt das Distanzstück 14 a die Form eines zylindrischen Ringes 22 a. Der Materialergreifungsteil 26 a ist auf der unteren Fläche des Kopfes 18 a des Befestigungselementes 12 a ausgebildet. Das Distanzstück ist wiederum mit dem Befestigungselement zu einer Einheit zusammengesetzt worden mittels eines Wulstes 20 a und eines Vorsprungs 24 a, wie es bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist das Distanzstück 14 b der Befestigungseinheit 10 b einstückig mit dem Schaft des Befestigungselementes ausgebildet. In der Praxis wird die Befestigungseinheit 10 b mit einem großen zylindrischen Materialblock unterhalb des Kopfes hergestellt. Nachdem der Schaft gewindegerollt ist, wird der Ring 22 b durch Extrudieren des den Block bildenden Materials nach unten durch einen zweiten Gewinderollschritt gebildet, so daß der mit Gewindegängen versehene Schaft umgeben wird. Die Größe des Blockes zusammen mit dem Zwischenraum der Formen bestimmt dabei den Durchmesser und die axiale Länge des Ringes.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel, bei dem die Befestigungeinheit 10 c eine Bohrspitze 40 unterhalb des mit Gewindegängen versehenen Schaftes 16 c aufweist. Das Distanzstück 14 c ist ähnlich dem in Fig. 2, und wie bei jenem Ausführungsbeispiel ist der Materialergreifungsteil 26 c als Teil des Kopfes 18 c des Befestigungselementes ausgebildet. Bei dieser Ausführungsform hat der Kopf 18 c eine interne Antriebsfläche 19 c und besitzt grundsätzlich eine kegelstumpfartige Ausbildung. Der kleinere Durchmesser des Kopfes ist ungefähr gleich dem Außendurchmesser des Distanzstückes 14 c, wobei sich der kegelstumpfartige Teil 26 c von da aus nach außen und oben erstreckt. Der kegelstumpfartige Teil 26 c preßt das Kunststoffmatrial leicht nach unten und außen. Es versteht sich, daß jedes der gezeigten Ausführungsbeispiele mit einer Bohrspitze 40 versehen werden kann, um so die Notwendigkeit eines Vorbohrens der Unterlage zu vermeiden.

Es sind Tests angestellt worden unter Benutzung einer Befestigungseinheit gemäß Fig. 1, die mit einer Bohrspitze versehen war, im Vergleich mit einem gleichen Befestigungselement, das lediglich eine flache Unterlegscheibe aufwies, die oberhalb der mit Gewindegängen versehenen Region befestigt war. Dieses Tests wurden mit 2,54 mm und 3,17 mm starkem Kunststoffmaterial und mit einer 0,79 mm starken Blechunterlage ausgeführt, wobei das gleiche Antriebswerkzeug unter gleichen Laborbedingungen benutzt wurde. Die Ergebnisse sind in der nachfolgenden Tabelle I angegeben.

Tabelle I

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, ist nur ein geringer Drehmomentbereich von 9 bis 14,5 kg · cm vorhanden, bei dem das Befestigungselement mit der flachen Unterlegscheibe angetrieben werden kann, ohne daß ein Losdrehen auftritt. Der Bereich kann tatsächlich noch geringer oder überhaupt nicht vorhanden sein (d. h., einige Eintreibdrehmomente können größer sein als das Losdrehmoment für unterschiedliche Befestigungselemente), wenn eine größere Vielzahl von Proben untersucht wird.

Wie ersichtlich, wurde das durchschnittliche Losdrehmoment über 80% bei beiden Materialdicken vergrößert, wobei die Befestigungseigenschaften der Einheit ebenfalls stark verbessert wurden und die Neigung zum Herausziehen verringert und der Drehmomentenbereich vergrößert wurde, der mit Sicherheit benutzt werden kann, um die Befestigungseinheiten anzubringen.

Claims (6)

1. Befestigungseinheit zum Befestigen von Kunststoffmaterial einer ersten vorbestimmten Dicke an einem relativ dünnen Material einer zweiten vorbestimmten Dicke, wobei die Einheit ein selbstschneidendes Befestigungselement mit einem Schaft, der Gewindegänge aufweist, dessen Spitzen den Außendurchmesser des Schaftes definieren, und mit einem sich seitlich erstreckenden Kopf mit im oberen Bereich befindlichen Antriebseinrichtungen und ein sich seitlich erstreckendes Materialergreifungsteil umfaßt, das mit einer Außenfläche des Kunststoffmaterials in Eingriff kommen kan, gekennzeichnet durch ein sich dergestalt axial erstreckendes, im wesentlichen zylindrisches Distanzstück (14, 14 a, 14 b, 14 c), dessen axiale Länge im wesentlichen gleich der ersten vorbestimmten Dicke und dessen innerer Durchmesser im wesentlichen gleich der Summe aus dem äußeren Gewindespitzendurchmesser und dem Zweifachen der zweiten vorbetimmten Dicke ist, daß es nach Aufnahme in einem Loch (32) in dem Kunststoffmaterial (Kunststoffteil 30) in Eingriff steht mit dem relativ dünnen Material (Blechunterlage 34), wobei das Materialergreifungsteil (26, 26 a, 26 c) das Kunststoffmaterial leicht einklemmen kann und beim Vortreiben des Befestigungselementes (10, 10 a, 10 b, 10 c) mit seinem Gewinde in dem dünnen Material zumindest ein Teil des die Gewindegänge umgebenden dünnen Materials nach oben in den Zwischenraum zwischen Distanzstück und den Gewindegangspitzen extrudiert und dadurch das Abziehdrehmoment vergrößert wird.

2. Befestigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialergreifungsteil (26 a, 26 b, 26 c) die Unterseite des Kopfes (18 a, 18 b, 18 c) des Befestigungselementes (10 a, 10 b, 10 c) umfaßt.

3.Befestigungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (10 c) kegelstumpfartig ausgebildet ist.

4. Befestigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialergreifungsteil (26) einen sich nach außen erstreckenden Flansch des Distanzstückes (14) umfaßt.

5. Befestigungseinheit nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück(14 b) einteilig mit dem Befestigungselement (10 b) ausgebildet ist.

6. Befestigungseinheit nach Anspruch 1 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Distanzstück (14) eine Art Unterlegscheibe umfaßt, deren Innendurchmesser zumindest einen nach innen weisenden Vorsprung (24) aufweist, der über einen Ringwulst (20) an dem Schaft (16) des Befestigungselementes (10) greift und so das Distanzstück hält.