KT4_Verschraubungen

•Gleichmässige Wanddicken beachten
•Abstützung der Gehäusewand durch Rippen

Aussendurchmesser dA, Kernlochdurchmesser dK, Einschraublänge lE

Entlastungsbohrung am Tubuskopf:
•Reduzierung der Beanspruchung durch radiale Expansion
•Zentrierung der Schraube
•Keine Aufwurf von verdrängtem Material

Kennzeichnende Abmessungen Schraubengeometrie:
•Flankenwinkel i.d.R. α = 30°
•Grössere Flankenwinkel führen zwar zu höherer Selbsthemmung, aber auch zu höheren radialen Presskräften, was zur Zerstörung des Tubus führen kann.

Anforderungen an die Schraubengewinde:
•Geringe Radialdehnung des Tubus
•Niedriges Eindrehmoment, hohes Überdrehmoment
•Grosse Flankenüberdeckung zwischen Gewindeflanke und Kunststoff
•Geringe Toleranzbereiche

Geringere Radialkräfte und -dehnung des Tubus

Bessere Verteilung des verdrängten Kunststoffs

Belastungen:
•Schraube: Torsionsspannungen in Folge des Drehmomentes
•Schraube: Zugspannungen in Folge der Vorspannkraft
•Tubus: Mehrachsiger Spannungszustand durch Druck- und Schubspannungen

Schraubenauswahl durch Anwendung einfacher Berechnungsprogramme und Rücksprache mit dem Schraubenhersteller.

1. Schraubenauszug (Parameter: Einschraublänge, Kernlochdurchmesser, Nenndurchmesser Schraube)
Mögliche Ursachen: Geringe Flankenüberdeckung durch zu grosse Kernlochdurchmesser oder kleine Einschraublängen führen zu hohen Flächenpressungen

2. Schraubenbruch (Torsionsfestigkeit, Dauerfestigkeit)
Mögliche Ursachen: Zu grosse Einschraublängen oder kleine Kernlochdurchmesser erfordern hohe Montagekräfte die die Torsionsfestigkeit der Schraube überschreiten können

3. Aufplatzen des Tubus (Radiale Spannungskomponenten: Wanddicke, Kernloch, Schraubenflanke; Spannungsrisse, Spritzgiessfehler) Mögliche Ursache: Verdrängung grosser Werkstoffvolumina führt zu hohen radialen Spannungen

4. Ab-/Ausreissen des Tubus (Querschnittsfläche oder Tubusanbindung nicht ausreichend) Mögliche Ursache: Spannungsrisse, insbesondere bei armorphen Kunststoffen

Ziele der Berechnungsprogramme:
• Schnelle und überschlagsmässige Berechnung von Konstruktionselementen

Notwendige Eingabewerte für die Berechnungsprogramme:
•  Kunststoff
• Schraubengeometrie
• Im Einsatz auftretende Temperaturen

Ergebnisse der Berechnungsprogramme:
• Geometriedaten des Einschraubtubus
• Erzielbare Kräfte und Momente, wie Vorspannkraft, Drehmomentverlauf und Ausreisskraft in Abhängigkeit der Einschraublänge
• Ein- und Überdrehmoment in Abhängigkeit der Einschraublänge
• Ein- und Überdrehmoment in Abhängigkeit vom Kernlochdurchmesser
• Zeitlicher Verlauf der Vorspannkraft in Abhängigkeit von Anfangsvorspannkraft und Umgebungstemperatur

Bild

Bei -20 °C ca. 30% grössere Auszugskräfte als bei Raumtemperatur
Bei 80°C ca. 40% niedrigere Auszugskräfte als bei Raumtemperatur
Kompensation durch erhöhten Glasfasergehalt

Fazit:
•Ursache ist die relative Lage zur Glasübergangstemperatur
•Feuchtigkeit hat die gleiche Auswirkung

Relaxationseffekte:
•Diese treten schon bei der Montage auf.
•Schnellere Montage-vorgänge führen zu höherer Erwärmung und damit zu stärkerer Relaxation
•Anschliessend nahezu konstant.

Dimensionsveränderung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnung
von Stahl und Kunststoff bei der Abkühlung von 80°C auf 20°C und des daraus
resultierenden Vorspannungskraftsverlaufs

Mit der Temperaturänderung gehen weitere Effekte wie Austrocknung, Nachkristallisation, Schwindung, etc. einher.

•Gewindeeinsätze werden überall dort eingesetzt, wo die Verbindungen z.B. aus Wartungs- oder Reparaturgründen häufig gelöst und demontiert werden müssen.
•Im Gegensatz zu den Direktverschraubungen überträgt der mit einem metrischen Innengewinde ausgestattete Gewindeeinsatz lediglich die entstehenden Montage- und Betriebsbelastungen von der Schraube in den umgebender Kunststoff.
•Gewindeeinsätze sind überwiegend aus Messing oder Stahl, vereinzelt aus Aluminium und recyclingfreundlichen verstärkten Kunstsoffen.

Das Verwenden von Gewindeeinsätzen ist im Vergleich zur Direktverschraubung teurer, die übertragbaren Kräfte sind bei gleichem Gewinde-Nenndurchmesser aufgrund der grösseren Einsatzmantelfläche aber deutlich höher.

• Mould-in-Technik, Gewindeeinsätze werden vor der Bauteilherstellung (z.B. Spritzguss, Pressen) in die Form eingelegt und in Kunststoff eingebettet.
(Im Spritzgiessen allgemein als Insert Moulding bezeichnet)

• After-Moulding-Technik, werden nachträglich in das fertige Bauteil eingefügt (Gewindeeinsätze zum Eindrehen, Gewindeeinsätze zum Einpressen, Expansionsgewindeeinsätze)
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Die Herausforderungen beim Umspritzen:
1. Automatisierungstechnik zur Werkzeugbestückung
2. Fixierung im Werkzeug
3. Vermeidung von Überspritzung
4. Erwärmung zur Vermeidung von Eigenspannungen

Verankerung in einem zusätzlichen Arbeitsschritt:
• Nachträgliches Einbetten mit Hilfe von Wärme und Druck
• Einbetten mit Ultraschall (Nr. 4: PA GF; Nr. 5,6: Messing)
• Mechanisches Eindrehen mit selbstschneidendem oder –formendem Aussengewinde (Nr. 1,2: Metall; Nr. 3: PA GF)
• Kalteinpressen mit anschliessendem Aufweiten durch Eindrehen der Schraube (Nr. 7-9)

Vorteile der After-Moulding Gewindeeinsätze
• Reduzierung der Zykluszeit bei der Kunststoffbauteilherstellung
• Keine Gefahr des Überspritzens mit Kunststoff (Nachschneiden d. Gewindes)
• Vermeidung von Spannungsrissbildung durch unkontrollierte thermische Schwindung

Nachteile der After-Moulding Gewindeeinsätze
• Zusätzlicher Arbeitsgang zum Einbringen
• Zusätzliches Werkzeug zum Einbringen

Tabelle

Tabellen
 

Versagensursachen:
• Schubspannungen an der Grenzfläche Einsatz und Kunststoff
• Schubspannungen zwischen Schraube und Einsatzgewinde
• Art der Lasteinleitung (Zug oder Torsion)

Vorteile:

- einfache Fügung der Einzelteile

- Lösbarkeit der Verbindungen bei mechanischer Fügung

- Austauschbarkeit der Komponenten

- Hohe Flexibilität

- Verbindung verschiedener Werkstoffe möglich

- Ausgleich von Massungenauigkeiten möglich

Nachteile:

- Hohe Anzahl von Prozessschritten

- Kerbwirkung, Spannungskonzentration an den Verbindungsstellen

- Gewichtserhöhung durch Verbindungselemente

- Verbindungsproblematik

- Hoher Montageaufwand

Vorteile:

- niedriges Gewicht

- geringe Anzahl von Prozessschritten

- niedrige Montagekosten

Nachteile:

- Hohe Anforderungen an die Fertigung

- Beschränkung bezüglich der Bauteilabmessungen

- geringe Flexibilität

- Höhere Werkzeugkosten

- Sehr ungünstiges Schädigungsverhalten

Bei Verbundbauweisen werden verschiedene Werkstoffe unlösbar in einem Bauteil hergestellt.

So können die einzelnen Eigenschaften der verschiedenen Werkstoffe optimal ausgenutzt wer-

den.

Vorteile:

- Funktionsintegration

- Weniger Verbindungskosten

- Reduktion der Lagerteile

- Optimale Werkstoffausnützung nicht immer möglich

- Gewichts- und Materialersparnis

- Höhere Wirtschaftlichkeit

Nachteile:

- Höherer Fertigungsaufwand

- Aufwendige Werkstofftrennung am Ende der Nutzung des Produktes

- Werkstoffeigenschaften

- Grösse und Gestalt der Bauteile

- Fertigungstechnik

- Wirtschaftlichkeit

- Definition der Lage der Einzelteile (Geometrie)
- Übertragung von Kräften und Momenten zw. den Einzelteilen (Statik, Kinetik)
- Übertragung von Bewegungen zw. den Einzelteilen (Kinematik)

- Fügen: z.B. Schweissen, Kleben, Schnappen, Pressen, Schrauben

- Urformen: z.B. Spritzgiessen eines Filmgelenkes

- Umformen: z.B. Prägen eines Filmgelenkes

Fügen ist das auf Dauer angelegte Verbinden oder sonstige Zusammenbringen von zwei oder mehr Werkstücken geometrisch bestimmter Form oder von ebensolchen Werkstücken mit formlosem Stoff. Dabei wird jeweils der Zusammenhalt örtlich geschaffen und im Ganzen vermehrt [DIN 8593]

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•Lösbare Verbindungen (häufige Füge- und Lösezyklen)
- Schnapp- und Schraubverbindungen

•Bedingt lösbare Verbindungen (wenige Füge- und Lösezyklen)
- Pressverbindungen, Schraubverbindungen mit Direktverschraubung

•Unlösbare Verbindungen
- Filmgelenke, Schweissverbindungen

Bild

Bild

Homogene:

Fügepartner bestehen aus gleichen Werkstoffen

z.B. Filmgelenke

z.B. Schweissverbindungen

Heterogene:

Fügepartner bestehen aus unterschiedlichen Werkstoffen

z.B. Klebeverbindungen

z.B. Mehrkomponentenspritzgiessen

Schraubverbindungen sind
• feste,
• lösbare oder bedingt lösbare,
• translatorisch formschlüssige, rotatorisch kraftschlüssige Verbindungen
• die Werkstoffpaarung kann homogen sein, ist aber bei Kunststoff-anwendungen üblicherweise heterogen.

Das Wirkprinzip beruht auf der Haftreibung zwischen ineinandergreifenden Gewindekonturen an Formteilen oder Zusatzelementen wie Schraube und Mutter.

•Verschraubung gewindeloser Kunststoffteile mittels Schraube und Mutter
•Verschraubung mit gewindeformenden Schrauben (auch: Direktverschraubung)
•Verschraubung mit geschnittenem Gewinde am Kunststoffteil
•Verschraubung mit Verwendung von Gewindeeinsätzen
•Verschraubung mit angeformten Gewinden, z.B. im Spritzgiessprozess

Bei der Direktverschraubung wird eine gewindeformende Metallschraube mit speziellen Flankengeometrien in vorgeformte, zylindrische Aufnahmelöcher eingedreht und formt dabei ihr Gewinde selbst.
Die Direktverschraubung ist das am häufigsten eingesetzte Verbindungsverfahren. Die Qualität der Verbindung ist von verschiedenen Einflussgrössen abhängig: Bild

•Grundsätzlich alle Thermoplaste möglich
•Bevorzugt spannungsrissunempfindliche Kunststoffe, wegen Materialverdrängung und axialer Dehnung des Tubus (oft Problem bei amorphen Thermoplasten)
•Übertragbare Kräfte bei Schäumen oder TPE sehr gering
•Elastomere sind für eine Direktverschraubung eher nicht geeignet.

Einfluss der Fertigung berücksichtigen: Faserorientierungen, Bindenähte, Materialschädigungen oder Lunker können die Festigkeiten erheblich herabsetzen.

•hohe Festigkeit,
•hohe Steifigkeit,
•geringe Spannungsrelaxation.

•Die Vorspannkraft als qualitätsbestimmende Grösse kann im industriellen Einsatz nur schwer bestimmt werden.
•Die Montage erfolgt daher momentengesteuert.
•Der Zusammenhang zwischen Vorspannkraft und Montageanzugsmoment wird für gewählte Kombinationen aus Kunststofftubus und Schraube experimentell ermittelt.