DE69011496T2 - Einsatzteil. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft den Einbau von Einsatzteilen in weiche Materialien, insbesondere in thermoplastische Materialien.
• Es gibt eine Vielzahl von Entwürfen für Befestigungselemente spezieller Verwendung, die ein zentrales Bohrloch aufweisen, das mit einem Schraubgewinde versehen ist, und die in ein zuvor in dem Kunststoff oder ähnlichem Material ausgebildeten Bohrloch eingesetzt werden sollen, um das Befestigen eines zweiten Bauteiles zu ermöglichen. In einem ersten bekannten und erfolgreichen Entwurf umfaßt beispielsweise ein im wesentlichen zylindrischer Einsatzteil eine erste ringförmige Zone an einem Ende (am oberen Ende), das geradlinig gesplintet ist, d.h. bei dem die Splinte in die Achsen der Einsatzteile enthaltenden Ebenen liegen. Der Rest des Einsatzteils ist in diametraler Richtung in wenigstens zwei halbkreisförmige Abschnitte gespalten und der Spalt ist von ausreichender Breite, um jene Abschnitte zusammenzuschließen, wodurch das andere Ende in das vorgeformte, längenmäßig dem Einsatzteil entsprechenden Loch eingefuhrt werden kann. Die gespaltenen Abschnitte sind mit einer Anzahl von im wesentlichen an ihrer Umfangskante sich erstreckenden äußeren Stegen versehen. Der Einsatzteil wird in dem Loch angeordnet und für den letzten Teil des zum Versenken der geradlinigen Splinte im Material am eingangsseitigen Ende des Loches erforderlichen Weges hineingetrieben. Das Einfügen eines Bolzens o. ä. in dem mit einem Schraubgewinde versehenen Bohrloch des Einsatzteils dehnt dann die halbkreisförmigen Bereiche bis hin zu ihrer ursprünglichen Lage wieder aus, indem die Seiten der Schlitze wieder parallel zueinander stehen und indem die Rippen im Kunststoffmaterial versenkt sind. Dieses Einbauverfahren basiert auf dem Vorhandensein eines Bolzens o. a. zum Rückhalt des Einsatzteils im Material. Die mögliche radiale Erstreckung der Stege, die den Widerstand gegen ein Herausziehen begründen, wird begrenzt durch die möglichen Abmessungen der Schlitze sowie den Widerstand gegen das radiale Schließen, das beim Einfügen am ungeschlitzten Abschnitt des Einsatzteils erforderlich ist.
• Ein zweiter bekannter und erfolgreicher Einsatzteil gemäß GB 20 99 096-A entspricht im wesentlichen dem vorstehenden, doch fehlen die genannten Schlitze. Das Vorhandensein oder das Fehlen der Schraube ist dann ohne Bedeutung, was diese Einsatzteile dann vorteilhaft erscheinen läßt, wenn ein Bauteil, der den Einsatzteil aufnimmt, nicht unmittelbar mit der Schraube verbunden sein soll, was beim erstgenannten Entwurf dann erforderlich ist, wenn der Einsatzteil mit dem Bauteil verbunden sein soll. In diesem Fall wird der Einbau unter Druck bewirkt, wobei der Widerstand durch die Stege gegen ein Herausziehen durch die Abmessungen der Stege begrenzt wird, die während der Druckeinwirkung möglich ist und die auch insoweit noch vertretbar ist als das Kunststoffmaterial wieder hinter den Stegen in seine ursprüngliche Form zurückgeführt werden muß.
• Ein dritter Entwurf eines Einsatzteiles zeigt auf seiner gesamten Außenseite ein grobes, selbstschneidendes Gewinde, so daß sich der Einsatzteil beim Einsetzen in ein geeignet vorgeformtes Loch unter gleichzeitiger Drehung in das Material hineinschraubt. Derartige Einsätze weisen geringen oder kaum einen Widerstand gegen Schraubbeanspruchungen auf und der Widerstand gegen ein Herausziehen hängt von der Form des Gewindes auf der Außenseite des Einsatzes ab.
• Ein vierter Einsatzteil gemäß GB 13 14 731 weist eine Anzahl von hintereinander angeordneten, mit Splinten versehenen ringförmigen Zonen auf, die voneinander durch schneckenförmige Umfangsnuten getrennt werden. Beim Einfügen in ein geeignet vorgeformtes Loch unter gleichzeitigem, relativ schwachem Zusammendrücken schraubt sich wieder der Einsatzteil selbst in das Arbeitsstück, da die Splinte in das Kunststoffmaterial einschneiden oder dieses versetzen, um Nuten zu bilden, in die die Splinte eindringen können, wobei das versetzte Kunststoffmaterial die Umfangsnuten befullt. Das in die Umfangsnuten versetzte Material bildet einen wesentlichen Teil des gegen ein Herausziehen gerichteten Widerstands.
• Ein fünfter Löschungsversuch gemäß GB 12 79 452 weist wenigstens zwei ringförmige Zonen auf, die in unterschiedlicher Richtung schneckenförmig gesplintet sind. Ein derartiger Einsatzteil muß unter Einwirkung von Hitze oder Ultraschall eingebaut werden, wobei Hitze oder Ultraschall das Kunststoffmaterial fließbar macht, wodurch die Splinte in das Kunststoffmaterial eindringen können, um dieses zum Verfüllen der Umfangsnuten zu versetzen. Dieses Befestigungselement weist den besonderen Vorteil auf, einen hohen Widerstand gegenüber winkelig ansetzenden Lasten jedweder Richtung zu erzeugen.
• Ein sechstes Befestigungselement, das insbesondere zum Einbau unter Hitzeeinwirkung entworfen wurde, weist gleichfalls zwei gesplintete Zonen mit einer Anzahl von Umfangsnuten auf, doch erstrecken sich die Splinte beispielsweise bogenförmig, so daß die in axialer Richtung einander gegenüberliegenden Enden eines jeden Splintes in einer gemeinsamen, die Achse des Befestigungsele ments umfassenden Ebene liegen können, jedoch zwischenliegende Bereiche der Splinte in unterschiedlichen, jedoch gleichfalls die Achse des Befestigungsele mentes enthaltenden Ebenen angeordnet sind. Diese bogenf örmigen Abschnitte können gleichfalls wirksam von einem ringförmigen Splintband zum nächsten reichen, um auf diese Weise einen hohen Widerstand gegen ein Drehen in jedweder Richtung zu erzeugen.
• Die vorgenannten Befestigungselemente sind zunächst im wesentlichen in einer Position anzuordnen, die am äußersten oberen (äußeren) Ende des vorgeformten Loches liegt. Sie weisen häufig einen Pilotabschnitt glatt zylindrischer Form auf, der in seinem Durchmesser kleiner ist als der gezahnte Abschnitt, um vor Anwendung der zum Einbau erforderlichen Kraft in das Loch eingesetzt zu werden. Soweit die Toleranz zwischen Lochgröße und Enddurchmesser zu groß ist, können die Befestigungselemente möglicherweise nicht richtig aufrecht stehen, wenn sich nur der Pilotabschnitt im Loch befindet, so daß die Befestigungselemente (bei Massenproduktion) möglicherweise ungenau eingebaut werden und damit der Anfall von Ausschuß und Abfall ansteigt. Andererseits führen zu geringe Toleranzen dazu, daß Einsätze nicht in die Löcher passen, was zum gleichen Ergebnis führt.
• Es ist bekannt, sich verjüngende Löcher zu fertigen und einen im wesentlichen zylindrischen Einsatzteil mtt dem Ziel zu verwenden, eine günstigere Anordnung der Einsatzachse rechtwinklig zur Ebene der Oberfläche des Arbeitsstückes zu erreichen, doch führt dies zu Problemen bei der genauen axialen Anordnung des Befestigungs elements. Es ist gleichfalls bekannt, ein sich verjünendes Loch mit einem gleichfalls sich verjüngenden Einsatzteil zu verwenden, d.h. mit einem Einsatzteil mit einer im wesentlichen stumpfkonischen Form mit pyramidenförmigen Zähnen oder Vorsprüngen, die dich im wesentlichen über seine gesamte Außenseite erstrecken, wobei der Einsatzteil unter Einwirkung von Ultraschall eingebaut wird. Der Widerstand derartiger Befestigungselemente gegen ein Herausziehen ist jedoch relativ gering.
• In EP 0 443 134-A ist ein Befestigungselement offengelegt, das ein feines, sägezahnartiges Gewinde auf seiner Außenseite aufweist und in ein zu seiner Aufnahme bestimmtes Bohrloch in einem Arbeitsstück eingesetzt wird, das den gleichen spitz zulaufenden Winkel wie der Einsatzteil aufweist. Dieser Einsatzteil wird unter gleichzeitigem Drehen einsetzt, um ein Gewinde in das Kunststoffmaterial zu schneiden und das Material mit dem Ziel zu versetzen, die im Gewindeprofil verbleibenden Räume so weit als möglich zu verfüllen.
• In FR-A-21 84 350 ist ein Befestigungselement beschrieben, das aus Kunststoffmaterial, wie beispielsweise Nylon, gefertigt ist, und das in einem Tisch oder einem anderen hölzernen Einrichtungsgegenstand eingesetzt werden soll, und das auf seiner äußeren Oberfläche über seinen gesamten Umfang Spitzen aufweist, die mit Abstand zueinander stehen. Das Befestigungselement wird unter Druck in den Hohlraum eingedrückt und dort positioniert, wenn eine Metallschraube in das Befestigungselement eingreift und ihr Gewinde sich einschneidet.
• DE-A-37 21 577 beschreibt eine Kunststoffbuchse, die mit einem Metalleinsatz gefertigt wird, der Innenge winde trägt, wobei die metallenen Gewinde erst dann in die Plastikbuchse eingesetzt werden, wenn diese angebaut ist. Wenngleich die Metallkomponente in ganz unterschiedlicher Weise gegenüber dem erfindungsgemäßen Einsatzteil verwendet wird, so dient sie doch einem Einsatzteil für Kunststoffmaterial unter Einwirkung von Hitze oder Ultraschall, wobei der Einsatz einen Metallkörper umfaßt, der an einem Ende einen Kopf nicht kreisförmiger Form aufweist, der insbesondere zylindrisch ausgebildet und mit einer Verzahnung versehen ist, und der eine Anzahl von sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckenden Stegen oder Rippen aufweist, die sich mit Abstand zueinander längs seiner Länge in Richtung auf das dem Kopf abgewandte Ende erstrecken, wobei dieser Einsatzteil Anwendung eines Verfahrens eingebaut wird, die das Einfugen des abgewandten Endes in ein vorgeformtes Loch im Kunststoffbauteil umfaßt sowie ferner das Eindrücken des Einsatzes in das aufgeweichte Material, wodurch die Rippen oder Stege im Material versenkt werden und der Kopf schließlich glatt mit der an das Loch heranreichenden Oberfläche abschließt.
• Erfindungsgemäß sind die Rippen durchbrochen, um einen Materialfluß über diese Durchbrechungen von einem zwischen den Rippen befindlichen Raum zum nächsten zu ermöglichen, wobei das vorgeformte Loch eine sich verjüngende Gestalt aufweist und die Rippen in Richtung auf das entgegengesetzte Ende von schrittweise kleinerem Durchmesser sind, wobei die Relativdurchmesser so gewählt sind, daß ein größerer Teil der Länge des mit Rippen versehenen Bereiches in dem vorgeformten Loch gestützt wird bevor das Eindrücken beginnt, und wobei der Kopf in radialer Richtung nicht unerheblich über die Rippen hervorsteht und Material im wesentlichen dazu versetzt, um die Zwischenräume zwischen dem Einsatz und dem Loch auszufüllen.
• Vorzugsweise liegen die Rippen eng beieinander, jedoch ist ein glatter Hals zwischen dem Kopf und der ersten Rippe angeordnet. Jede Rippe kann, angrenzend an den Kopf, eine obere Oberfläche aufweisen, die rechtwinklig zu einer die Achse des Befestigungselements umfassenden Ebene steht, sowie, angrenzend an das genannte entgegengesetzte Ende, eine untere, winkelig hierzu verlaufende Oberfläche aufweisen. Vorzugsweise sind auch die Rippen in radialer Richtung geschlitzt, um die genannten Unterbrechungen zu erzeugen, wodurch Kunststoffmaterial von einer Verzahnungsfläche zur nächsten fließen kann.
• Es erweist sich für den Fachmann als vorteilhaft, daß die Rippen den Widerstand gegen ein Herausziehen und der Vorsprung am Kopf den Widerstand gegen ein Verdrehen erzeugt, wenngleich hierzu auch die Radialschlitze beitragen können.
• Das vorgeformte Loch für den Einsatzteil muß wenigstens die gleiche Länge wie der Einsatzteil aufweisen und vorzugsweise geringfügig weiter sein.
• Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen
• Fig.1 eine Aufsicht auf ein Befestigungselement;
• Fig.2 das gleiche Befestigungselement in einer von einein vorgeformten Loch in einem Bauteil aus thermoplastischem Material gestützten Position;
• Fig.3 das vollständig eingesetzte Befestigungselement.
• Das als Einsatzteil bezeichnete Befestigungselement ist aus Metall gearbeitet und kann ein Innen-Schraubgewinde 30 (Fig.3) oder beispielsweise einen hervorstehenden Zapfen 32 aufweisen. Fig.3 zeigt diese beiden Alternativen.
• In Fig.1 weisen die Rippen 36 die gleiche axiale Länge 10 auf, wobei jede Rippe eine obere Flanke 12, die rechtwinklig zur Achse 14 steht, sowie eine untere Flanke 16 enthält, die in spitzem Winkel gegenüber dieser Achse geneigt ist. Der Winkel zwischen der Flanke und der Achse beträgt in dem dargestellten Beispiel etwa 28º, d.h. der Winkel zwischen den Flanken beträgt etwa 56º.
• Ein glatter Hals oder eine zylindrische Zone 18 ist zwischen der obersten Rippe und dem auskragenden Kopf 20 angeordnet, wobei die Zone 18 die gleiche axiale Abmessung 10 wie die Rippen aufweisen kann. Der Kopf 20 kann in axialer Richtung die zwei- oder dreifache Stärke wie die Breite 10 aufweisen.
• Die aufeinanderfolgenden Rippen werden mit zunehmenden Abstand zum Kopf kleiner und der Winkel 22, der diese Verjüngung ausdrückt, beträgt etwa 4 oder 5º, so daß der Rippenbereich eine fiktiv stumpfkonische Gestalt einnimmt.
• Die Rippen sind bei 24 geschlitzt, vorzugsweise an vier gleichmäßig über jede Rippe verteilten Punkten. Dieses Schlitzen kann dadurch erzeugt werden, daß ein Schneidwerk oder ein kreisförmiges Sägeblatt längs der Linie 26 geführt wird, die in einem Winkel von 4 bis 5º zur Achse 14 verläuft, oder aber in geringerem Winkel zu dieser Achse verläuft, d. h. parallel zu dieser Achse. Damit liegen die Schlitze in vier axial zueinander ausgerichteten Schlitzreihen. Die Tiefe der Schlitze ist die gleiche in allen Rippen oder sie ist in Richtung auf den Kopf größer. Das in Fig.2 dargestellte Loch weist die gleiche Länge auf wie das Befestigungselement, d.h. die Länge von Kopf, Nut und Rippen- nicht jedoch zuzüglich der Länge eines etwa hervorstehenden Zapfens, oder aber sie ist größer. Das Loch verjüngt sich in etwa im gleichen Winkel und die Abmessungen sind so gewählt, daß der Durchmesser des Loches am größeren Ende (an der Oberfläche des Materials) geringfügig kleiner ist als der Durchmesser der zweiten der Rippen auf der Seite des zur Einführung bestimmten Endes. Wie in Fig.2 dargestellt, kann der größte Teil des mit Rippen versehenen Bereiches vom Loch aufgenommen werden, um auf diese Weise das Einsatzteil in stabiler Weise so aufzunehmen, daß dessen Achse 14 rechtwinklig zum Bauteil und koaxial zum Loch steht.
• Es erweist sich als vorteilhaft, daß beim Eindrücken des Einsatzteiles in das Material und bis zu dem Punkt, an dem die Unterseite des Kopfes 20 auf der Oberfläche des Materiales ruht, nur relativ wenig Kunststof fmaterial versetzt wird, wie dies beispielsweise ohne Einwirkung von Hitze oder Ultraschall und bei vielen thermoplastischen Materialien für eine industrielle Verwendung möglich ist, wobei das Material so gewählt sein muß, daß die Rippen durchgeführt werden können und sich dabei das thermoplastische Material unter leichter Verformung wieder in seinen ursprünglichen Zustand zurückbewegt, so daß die Umfangskanten der Rippen in der Wand des Bohrloches eingebettet sind.
• Das mit Hilfe eines durch Hitze oder Ultraschall bewirkten Aufweichens des Material erreichte abschließende Versetzen des Kopfes 20, um dessen obere Oberfläche bündig mit der Oberfläche 40 des Bauteiles abschließen zu lassen, versetzt eine Materialmenge in Abhängigkeit von der Größe des Kopfes. Die mit Kreuzschraf fur gekennzeichnete Fläche 50 in Fig.3 zeigt das auf diese Weise versetzte Volumen, das ausreicht, um die Halsnut 18 sowie die Zwischenräume zwischen den Rippen und die Umfangschlitze 24 aufzufüllen, die ihrerseits den nach unten gerichteten Materialfluß längs des Befestigungselementes während des Einpressens ermöglichen.
• Bei diesem Einbauverfahren steht das Volumen des Kopfes (schraffierte Fläche) und der Flügel in ganz einem bestimmten Verhältnis zur Gestalt des Befestigungselementes, wobei die Lochgröße, wie bereits erwähnt, so gewählt wird, daß ein vollständiges Verfüllen aller Hoh;räume sichergestellt ist.
• Im Versuchswege wurde festgestellt, daß das dargestellte Befestigungselement besonders für einen automatisierten Einbau geeignet ist, wobei Ausschuß vermieden und ein besonders guter Widerstand gegen ein Herausziehen und Verdrehen erzeugt wird.
• Der Kopf selbst ist mit einer Verzahnung versehen, beispielsweise durch Vorsprünge, um parallel zur Achse verlaufende Rippen und Nuten aufzuweisen, wobei deren Umfang den Widerstand gegen ein Verdrehen steuert.

Claims (5)

1. Verfahren zum Einbau eines Einsatzteiles in einem thermoplastischem Material unter Einwirkung von Hitze oder Ultraschall, wobei das Einsatzteil einen Körper aus Metall enthält,

der an einem Ende einen nichtkreisförmigen Kopf (20) aufweist, der beispielsweise zylindrisch und dabei mit Vorsprüngen oder einer Verzahnung versehen ist,

und der eine Anzahl von sich im wesentlichen in Umfangsrichtung erstreckenden Rippen (36) oder Stegen aufweist, die mit Abstand zueinander über seine Länge in Richtung auf das entgegengesetzte Ende angeordnet sind;

wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte enthält:

das entgegengesetzte Ende wird in ein im thermoplastischen Material vorgeformtes Loch eingeführt und

der Einsatzteil wird in das aufgeweichte Material eingedrückt, was dazu führt, daß die Rippen oder Stege in das Material gebettet werden und der Kopf mit der Oberfläche (40) bündig abschließt, bis zu der das Loch sich erstreckt,

dadurch gekennzeichnet, daß

die Rippen Unterbrechungen (24) aufweisen, um einen Materialfluß über diese Unterbrechungen von einem Rippen-Zwischenraum zum nächsten zu ermöglichen,

daß sich das vorgeformte Loch verjüngt und die Rippen in Richtung auf das abgewandte Ende sukzessive kleiner im Durchmesser werden, wobei die Relativdurchmesser so gewählt sind, daß ein wesentlicher Teil der Länge des mit Rippen versehenen Abschnittes im vorgeformten Loch gestützt wird, bevor das Einpressen beginnt,

und daß der Kopf in radialer Richtung erheblich über die Rippen hinausragt und das Material im wesentlichen dazu versetzt, die Zwischenräume zwischen dem Einsatz und dem Loch zu verfüllen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rippen angrenzend an den Kopf ebene Oberflächen (12) und angrenzend an das entgegengesetzte Ende winkelig hierzu stehende Oberflächen (16) aufweisen.

3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Rippen dicht nebeneinander angeordnet sind.

4. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Rippen in radialer Richtung geschlitzt sind, um auf diese Weise Durchbrechungen zu bilden.

5. Verfahren nach wenigstens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei eine glatte Halsnut (18) zwischen dem Kopf und die Rippe eingefügt ist.