DE3000697A1

DE3000697A1 - Befestigungseinheit

Info

Publication number: DE3000697A1
Application number: DE19803000697
Authority: DE
Inventors: David Prugh Wagner
Original assignee: Illinois Tool Works Inc
Current assignee: Illinois Tool Works Inc
Priority date: 1979-01-25
Filing date: 1980-01-10
Publication date: 1980-07-31
Also published as: US4238165A; GB2041137B; ES254333U; DE3000697C2; JPS6032046B2; AT367875B; NL8000250A; FR2447482A1; MX152467A; IT8019344A0; BE881316A; ES254333Y; SE8000578L; ATA16180A; BR8000320A; AU531095B2; IT1130870B; SE434296B; FR2447482B1; CA1120755A

Description

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ILLINOIS TOOL WORKS INC.

Befestigungseinheit

Die Erfindung betrifft eine 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

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mit im oberen Bereich befindlichen Antriebseinrichtungen und ein sich seitlich erstreckendes Materialergreifungsteil umfaßt, das mit einer Außenfläche des Kunststoffmaterials in Eingriff kommen kann.

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Eine ähnliche Befestigungseinheit ist bereits in der deutschen Patentanmeldung P 29 32 538.0 beschrieben.

Kunststoffe werden aufgrund ihres leichten Gewichtes und ihrer hohen Festigkeit auf immer größer werdenden Anwendungsgebieten verwendet. Trotz der Vorteile von Kunststoffen bringen diese jedoch gewisse Probleme mit sich. Insbesondere ist ein Einklemmen und Befestigen von Plastikteilen mit herkömmlichen Methoden aufgrund der Tendenz des Kunststoffmaterials zum Kaltfließen unter Belastung unmöglich. Dies liegt darin begründet, daß übliche Schrauben und Bolzen vom Druck an der Verbindungsstelle abhängen, um so ein Sichlösen des Befestigungselementes und damit der Verbindungsstelle zu verhindern. Wenn ein Kaltfließen des Kunststoffes auftritt, wird dadurch der Verbindungsdruck entlastet, so daß das Befestigungselement aus der Verbindungsstelle herausvibrieren kann.

Ein weiteres Problem taucht dann auf, wenn diese Kunststoffteile an einem relativ dünnen Blechträger befestigt werden. Aufgrund der Dünne des Materials greifen dort lediglich wenige Gewindegänge des Befestigungselementes in das Werkstück ein. Infolgedessen ist das Abziehdrehmoment (das ist der Betrag der Drehkraft, die notwendig ist, um die Gewindegänge aus dem Werkstück herauszuräumen) relativ niedrig. Je höher das Abziehdrehmoment ist, desto größer ist der Widerstand gegen ein Herausziehen des Befestigungselementes. Somit wird das Problem des Befestigens von Plastikmaterial

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besonders akut, wenn es an dünnem Blech befestigt werden soll.

Die Dünne des Bleches, das den Träger bildet, schafft ein drittes Problem. Das Eintreibdrehmoment (oder der Betrag der Drehkraft, die notwendig ist zum Einsetzen des Befestigungselementes) verändert sich in Abhängigkeit von solchen Parametern wie der lokalen Härte des dünnen Materials, der Härte der Befestigungselementgewindegänge und dem Winkel des Einsetzens des Befestigungselementes etc. Der Arbeiter wünscht ein Drehmoment für seine motorische Eindrehvorrichtung auszuwählen, die erstens sicherstellt, daß jedes Befestigungselement angetrieben wird,und zweitens ein zu großes Drehmoment und damit ein Abziehen verhindert. Aufgrund des niedrigen Abziehdrehmomentes in dem dünnen Metall steht dem Arbeiter nur ein sehr geringer Bereich von Drehmomenten, wenn überhaupt, zur Verfügung, der beiden Erfordernissen genügt.

Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Befestigungseinheit zu schaffen, die geeignet ist, Kunststoffmaterial an dünnem Blechmaterial zu befestigen, und die im Betrieb ein stark vergrößertes Abziehdrehmoment aufweist trotz der Eigenschaften des Plastikmaterials und des dünnen Blechs. Dieses erweitert die Möglichkeiten der Befestigungseinheit und erleichtert deren Benutzung durch Vergrößerung des Drehmomentenbereiches innerhalb dessen sie zufriedenstellend angetrieben werden kann.

Dieses Ziel wird durch eine erfindungsgemäße Befestigungseinheit erreicht, wie sie in den Ansprüchen definiert ist.

Die erfindungsgemäße Befestigungseinheit setzt sich somit

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aus einem Distanzstück und einer Selbstschneidschraube zusammen. Das Distanzstück besteht dabei aus einem zylindrischen Ring von vorbestimmter Länge, die der Dicke des Plastikmaterials entspricht, und von einem Innendurchmesser, der den Spitzendurchmesser des Befestigungselementes um ungefähr das Zweifache der Dicke des Blechwerkstückes überschreitet. Das Distanzstück erlaubt es, daß die Oberfläche des Plastikmaterials leicht von einem Materialergreifungsteil zusammengeklemmt wird, das sich an der Unterseite des Kopfes des Befestigungselementes befinden oder ein Flansch auf dem Distanzstück sein kann. Ein unterer Teil des Kantenbereiches der Bohrung in dem Werkstück, der den Schaft des Befestigungselementes umgibt, wird in den Zwischenraum zwischen dem Distanzstück und den Spitzen der Gewindegänge hineinextrudiert und vergrößert das Abziehdrehmoment sehr stark.

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 alternativen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Befestigungseinheit, wobei die untere Fläche des Kopfes des Befestigungselementes den Materialergreifungsteil darstellt,

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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 kegelstumpf artigen Kopf besitzt.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Befestigüngseinheit 10
dargestellt. Diese Befestigungseinheit besteht aus einem
selbstschneidenden Befestigungselement 12 und einem Distanzstück 14. Das Befestigungselement hat einen mit Gewindegängen versehenen Schaft 16 und einen sich eitlich 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 zumindest einen nach innen weisenden Vorsprung 24, der auch die Form eines Kreisringes besitzen kann. Der Innendurchmesser des Vorsprunges 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 besitzt einen Materialergreifungsteil 26, der
bei dieser Ausführungsform als sich seitlich erstreckender

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Flansch ausgebildet ist. Der Flansch kann eine Mehrzahl von Stützzähnen 28 aufweisen. Diese Zähne ergreifen ein Kunststoff teil 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 Kunststoffteil 30 eingesetzt, und das Ende des Ringes stößt gegen eine Blechunterlage 34. Dies erlaubt, daß der Materxalergreifungstexl 26 das Kunststoff teil 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 Gewindegangspitzen um ungefähr das Zweifache der Dicke der Blechunterlage 34, in Zusammenhang mit der der das Befestigungselement benutzt werden soll. Diese Größenbeziehung schafft einen Zwischenraum zwischen dem Ring und den Gewindegangspitzen, der sich um den Schaft des Befestxgungselementes herum-erstreckt.Es ist wichtig, daß die Gewindegänge sich aufwärts in den Ring hineinerstrecken. Die Gründe hierfür werden nachfolgend noch erläutert.

Im Betrieb wird das Loch 32 in dem Kunststoffteil 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

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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 Abziehdrehmoment. Dieser Vorteil beruht darauf, daß das extrudierte Material mit Gewindegängen versehen wird, die den Gewindegangeingriff in dem Material sehr vergrößern, und darauf, daß das Material zwischen dem Schaft und dem Ring 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 Ausbildung gem. Fig. 2 besitzt das Distanzstück 14a die Form eines zylindrischen Rings 22a. Der Materialergreifungsteil 26a ist auf der unteren Fläche des Kopfes 18a des Befestigungselementes 12a ausgebildet. Das Distanzstück ist wiederum mit dem Befestigungselement zu einer Einheit zusammengesetzt worden mittels eines Wulstes 20a und eines

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Vorsprunges 24a, wie es bereits mit Bezug auf Fig. 1 beschrieben worden ist.

Bei dem Ausführungsbeispiel gem. Fig. 3 ist das Distanzstück 14b der Befestigungseinheit 10b einstückig mit dem Schaft des Befestigungselementes ausgebildet. In der Praxis wird die Befestigungseinheit 10b mit einem großen zylindrischen Materialblock unterhalb des Kopfes hergestellt. Nachdem der Schaft gewindegerollt ist, wird der Ring 22b 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 Befestigungseinheit 10c eine Bohrspitze 40 unterhalb dem mit Gewindegängen versehenen Schaft 16c aufweist. Das Distanzstück 14c ist ähnlich dem in Fig. 2, und wie bei jenem Ausführungsbeispiel ist der Materialergreifungsteil 26c als Teil des Kopfes 18c des Befestigungselementes ausgebildet. Bei dieser Ausfuhrungsform hat der Kopf 18c eine interne Antriebsfläche 19c und besitzt grundsätzlich eine kegelstumpf artige Ausbildung. Der kleinere Durchmesser des Kopfes ist ungefähr gleich dem Außendurchmesser des Distanzstückes 14c, wobei sich der kegelstumpfartige Teil 26c von da aus nach außen und oben erstreckt. Der kegelstumpfartige Teil 26c preßt das Kunststoffmaterial 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.

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Es sind Tests angestellt worden unter Benutzung einer Befestigungsexnheit gem. Fig. 1, die mit einer Bohrspitze versehen war, im Vergleich mit einem gleichen Befestigungselement, das lediglich eine flache Unterlegscheibe aufwies, die überhalb der mit Gewindegängen versehenen Region befestigt war. Diese 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	yiaterialdicke (mm)	Flache Unterlegscheibe	Abzieh drehmoment (kg·cm)	Distanzstück-Ring	Abzieh drehmoment (kg·cm)
2,54	Eintreib drehmoment (kg · cm)	17	Eintreib drehmoment (kg·cm)	27,5
	9	19	7	26,5
	6	15	7	31
	8	18,5	6,5	32,5
	9	15,5	7	36,5
	7,5	21,5	9	36
3,17	7	20,5	8	37
	7	14,5	8	33
	7	19	8	39
	8	21,5	9	32,5
	7,5	7,5

Wie aus der Tabelle ersichtlich ist, ist nur ein geringer Drehmomentenbereich von 9 bis 14,5 kg-cm erhältlich, bei dem das Befestigungselement mit der flachen Unterlegscheibe

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angetrieben werden kann, ohne daß ein Abziehen auftritt. Der Bereich kann tatsächlich noch geringer oder überhaupt nicht vorhanden sein (d.h. einige Eintreibdrehmomente
können größer sein als das Abziehdrehmoment für unterschiedliche Befestigungselemente), wenn eine größere Vielzahl von Proben untersucht wird.

Durch die vorliegende Erfindung wird das durchschnittliche Abziehdrehmoment über 80% bei beiden Materialdicken vergrößert, wobei die Befestigungseigenschaften der Einheit ebenfalls stark vergrößert werden und die Neigung zum
Herausziehen verringert und der Drehmomentenbereich vergrößert wird, der mit Sicherheit benutzt werden kann, um die Befestigungseinheiten anzubringen.

Es versteht sich, daß die dargestellten Ausführungsbeispiele lediglich als Beispiele aufzufassen sind und den Umfang der Erfindung nicht begrenzen, sondern daß viele Änderungen und Modifikationen möglich sind, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen wird.

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Claims

Patentansprüche

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 kann, gekennzeichnet durch ein sich dergestalt axial erstreckendes, im wesentlichen zylindrisches Distanzstück (14,14a,14b,14c), 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 vorbestimmten 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 (26,26a,26c) das Kunststoffmaterial leicht einklemmen kann und beim Vortreiben des Befestigungselementes (10,1Oa,1 Ob,1Oc) 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.

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2. Befestigungseinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Materialergreifungsteil (26a,26b,26c) die Unterseite des Kopfes (18a,18b,18c) des Befestigungselementes (1Oa,1 Ob,1Oc) umfaßt.
3. Befestigungseinheit nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (10c) 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 (14b) einteilig mit dem Befestigungselement (10b) 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.

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