Befestigungselement zum Einsetzen in eine Bohrung

Die Erfindung betrifft ein Befestigungselement zum Einsetzen in eine Bohrung, welches einen in eine Bohrung einführbaren, mit einer aufgerauten und/oder profilierten Oberfläche versehenen Schaft und gegebenenfalls einen Anschlagbund aufweist.

Solche Befestigungselemente sind beispielsweise aus der WO03/042551A2 oder der US2005/ 0025606A1 bekannt. Diese Befestigungselemente sind aus einem plastisch verformbaren Material gefertigt, wobei der aufgeraute und/oder profilierte Schaft in die Bohrung eines Werkstückes eingeführt wird. Nach dem Einführen wird ein Bolzen oder ein Kugelkörper durch die öffnung im Schaft hindurchgezogen oder -geschoben, wobei dadurch eine plastische Verformung des Schaftes und in der Regel auch der Bohrungswandung im Werkstück erfolgt. Die Außenwand des aufgerauten und/oder profilierten Schaftes des Befestigungselementes greift sodann formschlüssig in die Wand der Bohrung ein. Obwohl hier anstelle der früher erforderlichen zwei Blindniete zur Befestigung einer Annietmutter nur noch ein Nietvorgang für den Schaft selbst erforderlich ist, bedarf es doch entsprechender Verformungselemente und daher auch besonders ausgelegter Zug- und/oder Druckelemente zum Durchziehen oder Durchdrücken eines Bolzens oder einer Kugel usw. für die Verformung des Schaftes.

Die vorliegende Erfindung hat sich daher zur Aufgabe gestellt, ein Befestigungselement der eingangs genannten Art zu schaffen, welches ohne Zusatzteile für eine plastische Verformung einsetzbar ist und trotzdem die erforderlichen Festigkeitswerte beim Einsatz in Werkstücken aus verschiedensten Werkstoffen mit sich bringt.

Erfindungsgemäß gelingt dies dadurch, dass das Befestigungselement aus einem gegebenen- falls faserverstärkten, elastisch verformbaren Material gebildet ist, wobei dessen Schaft unter elastischer Verformung kraftschlüssig in die Bohrung einsetzbar oder eingesetzt ist.

Durch diese Maßnahmen wird eine optimale Halterung des Befestigungselementes in einem Werkstück erreicht, so dass auch die durch das Befestigungselement zu haltenden Elemente eine besonders gute Festlegung erfahren können. Durch diese Art der gegenseitigen Verbindung zwischen Befestigungselement und Werkstück ist gewährleistet, dass diese Verbindung sich auch nach langem Einsatz nicht löst, weil durch die elastische Verformung immer eine entsprechende Anpresskraft gegeben ist. Es ist ständig eine kraftschlüssige federnde Verbindung gegeben, so dass von einem „Federschluss" gesprochen werden kann. Außerdem ergibt sich ein wesentlicher Vorteil dadurch, dass das Befestigungselement zur Schwingungsdämpfung beiträgt.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung des Befestigungselementes liegt darin, dass dieses aus einem gegebenenfalls faserverstärkten Kunststoff gebildet ist. Mit einem solcherart ausgeführten Befestigungselement können die elastische Verformung und eine ständige kraftschlüssige Verbindung gewährleistet werden. Außerdem ist eine wesentliche Gewichtsreduktion vorhan- den. Die Dämpfungseigenschaften sind optimal und außerdem ist eine ausgezeichnete Isolationswirkung gegeben, was insbesondere dann vorteilhaft ist, wenn eine gegenseitige elektrische Isolierung vonnöten ist.

Ein Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Schaft als Vollprofil ausgebildet ist. Dies ist dann zu empfehlen, wenn besonders große axiale Ausziehkräfte gefordert sind. Es wirkt dann der ganze volle Querschnitt des Schaftes für den elastischen Kraftschluss der Verbindung.

Ein anderes Ausführungsbeispiel sieht vor, dass der Schaft als Rohrprofil ausgebildet ist. Dadurch kann das Befestigungselement auch im Bereich des Schaftes für weitere Möglichkeiten eingesetzt werden, da eben eine mittige Durchgangsöffnung gegeben ist.

Als besonders vorteilhaft ist anzusehen, dass der Schaft an seiner Außenoberfläche mit Rippen, Rillen, Noppen, Wellen und/oder Verzahnungen versehen ist. Der Kraftschluss kann dadurch noch wesentlich verbessert werden, da sich diese Oberflächenausbildungen nach allen Seiten elastisch verformen können, so dass eben ein optimaler Kraftschluss mit der Wand der Bohrung im Werkzeug erreicht werden kann.

Eine Ausführungsvariante sieht dabei vor, dass an der Außenoberfläche des Schaftes zumindest annähernd achsparallel zur Mittelachse des Schaftes verlaufende Rippen mit im Wesentli- chen quer dazu verlaufenden Rillen oder Wellen zur Bildung einer Art Verzahnung ausgebildet sind. Dadurch wird der abschnittweise oder punktuelle Anpressdruck noch verbessert und ein Lösen in Achsrichtung des Schaftes oder auch ein Verdrehen gegenüber dem Werkstück verhindert.

Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass die Rippen oder Noppen oder Wellen oder Zähne unterschiedlich weit in radialer Richtung auskragen. Es werden dadurch Zonen mit größerer und mit kleinerer elastischer Anpresskraft geschaffen, so dass eine optimale Krafteinleitung vom Befestigungselement in das Werkstück gegeben ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung sieht vor, dass jeweils eine oder mehrere schmale Rippen mit gegebenenfalls Verzahnungen oder Wellen und eine oder mehrere breitere Rippen mit gegebenenfalls Verzahnungen oder Wellen abwechselnd am Umfang des Schaftes aufeinander folgen. Dies trägt ebenfalls zur Bildung von Zonen unterschiedlich großer elastischer Anpresskraft bei.

Eine andere Konstruktion sieht vor, dass mehrere achsparallel ausgerichtete Rippen ausgebil- det sind, wobei zwischen jeweils einigen solcher Rippen in Umfangsrichtung des Schaftes verlaufende Rippen vorgesehen sind. Es ergibt sich dadurch sowohl in Achsrichtung des Schaftes

als auch in Umfangsrichtung desselben ein besonderer Halt, da die elastische Anpresskraft diesem Sinne entsprechend verteilt ist.

Damit zum Beginn der elastischen Verformung noch geringere Kräfte aufgebracht werden müssen und trotzdem beim endgültigen Setzen des Befestigungselement eine ausreichende gegenseitige Abstützung zwischen Schaft und Wand der Bohrung im Werkstück gewährleistet ist, wird vorgeschlagen, dass die Noppen in Form von pyramiden- oder kegelfömigen bzw. pyramidenstumpf- oder kegelstumpfförmigen Elementen ausgebildet sind.

Ferner wird vorgeschlagen, dass die Rippen, Rillen, Noppen, Wellen und/oder Verzahnungen zumindest am Endbereich des Schaftes spitzwinklig zum Ende hin auslaufen. Dadurch ist das Einführen des Schaftes des Befestigungselementes in die Bohrung am Werkstück wesentlich leichter zu bewerkstelligen. Der für das nachträgliche Einpressen erforderliche Druck ist dann voll zum Setzen des Befestigungselementes einzusetzen, so dass nach dem Setzen der optima- Ie elastisch wirkende Kraftschluss erzielt werden kann.

Eine weitere Ausführungsvariante sieht vor, dass am Schaft neben den Rippen, Rillen, Noppen, Wellen und/oder Verzahnungen eine oder mehrere umlaufende Rillen, Nuten od. dgl. ausgebildet sind, wobei der Durchmesser am Rillen- bzw. Nutgrund gemessen kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung im Werkstück, in welche der Schaft einzusetzen ist. Dadurch kann eine besondere Sicherheit gegen ein Dillaminieren erreicht werden, weil die Kontaktfläche zwischen Schaft und Bohrung im Werkstück verringert wird. Diese Eigenschaft ist nicht nur für dünnwandige Strukturen bzw. Werkstücke, sondern ist in gleicher Weise für dickere Werkstücke vorteilhaft zu verwirklichen.

Eine weitere Ausgestaltung eines Befestigungselementes sieht vor, dass am Anschlagbund eine käfigartige Halterung zur Aufnahme einer Schraubenmutter oder eines Schraubenkopfes anschließt. Das Befestigungselement kann also auch zur Halterung weiterer Befestiger herangezogen werden, zumal das Befestigungselement selbst in ausreichendem Maße mit dem Werkstück durch elastischen Kraftschluss verbunden ist.

Durch das erfindungsgemäße Befestigungselement ergeben sich aber auch weitere konstruktive Möglichkeiten. So sieht eine Ausführung vor, dass am Anschlagbund an der dem Schaft gegenüberliegenden Seite eine Gewindehülse einstückig anschließt.

Eine andere Ausgestaltung sieht vor, dass am Anschlagbund an der dem Schaft gegenüberliegenden Seite ein achsgleich mit dem Schaft ausgerichteter Bolzen einstückig anschließt. Dieser Bolzen kann verschiedenartigste Aufgaben und Befestigungsmöglichkeiten mit sich bringen.

Eine Ausführungsvariante sieht vor, dass am Anschlagbund an der dem Schaft gegenüberliegenden Seite ein achsgleich mit dem Schaft ausgerichteter Gewindebolzen einstückig anschließt. Es ist damit das Befestigungselement selbst gleich mit einem Gewindebolzen ausgestattet, mit welchem viele Verbindungsmöglichkeiten gelöst werden können.

Weitere erfindungsgemäße Merkmale und besondere Vorteile werden in der nachstehenden Beschreibung anhand der Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 ein in ein Werkstück eingesetztes Befestigungselement, wobei das Werkstück aufgeschnitten dargestellt ist;

Fig. 2 eine Ansicht des Befestigungselementes von der Seite;

Fig. 3 eine Draufsicht auf das Befestigungselement; die Fig. 4 und 5 perspektivische Darstellungen des Befestigungselementes; die Fig. 6, 7 und 8 verschiedene perspektivische Darstellungen einer zweiten Ausführungs- form eines Befestigungselementes;

Fig .9 eine Ansicht des Befestigungselementes nach den Fig. 6, 7 und 8 von unten;

Fig. 10 eine Seitenansicht einer dritten Ausführungsform eines Befestigungselementes; Fig. 11 eine Ansicht des Befestigungselementes gemäß Fig. 10 von oben;

Fig. 12 ein in ein Werkstück eingesetztes Befestigungselement gemäß den Fig.

10 und 11 , wobei das Werkstück aufgeschnitten dargestellt ist; die Fig. 13 und 14 zwei perspektivische Darstellungen eines Befestigungselements nach den Fig. 10 bis 12; Fig. 15 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher das Befestigungselement eine axiale Länge aufweist, die größer ist als die Dicke des Werkstückes oder eben bei dünnwandigen Strukturen; Fig. 16 eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der Schaft zusätzlich eine umlaufende Rille aufweist, welche bei der elastischen Verformung des Schaftes auch nach der Verformung noch von der Bohrungswandung in einem Werkstück beabstandet ist.

In den Fig. 1 bis 5 ist ein Befestigungselement 1 zum Einsetzen in eine Bohrung 2 eines Werkstückes 3 dargestellt, welches einen in die Bohrung 2 einführbaren, mit einer aufgerauten und/oder profilierten Oberfläche 4 versehenen Schaft 5 und gegebenenfalls einen Anschlagbund 6 aufweist. Das Befestigungselement 1 ist aus einem gegebenenfalls faserverstärkten, elastisch verformbaren Material gebildet. Der Schaft des Befestigungselementes ist unter elastischer Verformung kraftschlüssig in die Bohrung 2 einsetzbar bzw. eingesetzt. Dabei ist vorge-

sehen einen gegebenenfalls faserverstärkten Kunststoff einzusetzen. Im Rahmen der Erfindung können die diversesten Kunststoffmaterialen oder kunststoffähnliche Materialen eingesetzt werden. Es muss nur gewährleistet sein, dass sich das Befestigungselement elastisch verformen lässt, damit immer eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Schaft 5 und der Wand 7 der Bohrung 2 im Werkstück 3 erzielt werden kann. Es ist aber auch denkbar, das Werkstück selbst oder aber sowohl das Werkstück 3 als auch das Befestigungselement 1 aus einem elastisch verformbaren Material und zwar vorteilhaft aus einem gegebenenfalls faserverstärkten Kunststoff zu fertigen.

Der Schaft 5 kann als Vollprofil ausgebildet sein oder aber als Rohrprofil. Dabei können dies zylindrische Profile sein oder aber Profile mit verschiedenen, auf die Anwendung angepasste Querschnittsformen. Gerade bei einer von der Zylinderform abweichenden Querschnittsform kann zusätzliche zum Kraftschluss beim Einsetzen des Befestigungselementes ein Formschluss erzielt werden, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, entsprechend höhere Drehmomente übertragen zu können. Dabei kann bei einem Hohlprofil der Querschnitt der Durchgangsöffnung von der Form her gleich oder verschieden gegenüber dem Querschnitt der Außenbegrenzung des Profils ausgeführt sein. Um eine optimale Anpressung und somit eine kraftschlüssige Verbindung zu schaffen, ist es vorteilhaft, wenn der Schaft 5 an seiner Außenoberfläche 4 mit Rippen 8, 9, Rillen, Noppen, Wellen und/oder Verzahnungen versehen ist.

Dabei können an der Außenoberfläche 4 des Schaftes 5 zumindest annähernd achsparallel zur Mittelachse des Schaftes 5 verlaufende Rippen 8 mit im Wesentlichen quer dazu verlaufenden Rillen 10 zur Bildung einer Art Verzahnung ausgebildet sein. Die Rippen 8 oder Noppen oder Zähne kragen unterschiedlich weit in radialer Richtung aus. Eine Ausführungsvariante sieht dabei vor, jeweils eine oder mehrere schmale Rippen 8 mit gegebenenfalls Verzahnungen und einer oder mehrere breitere Rippen 9 mit gegebenenfalls Verzahnungen abwechselnd am Umfang des Schaftes 5 aufeinander folgend auszubilden. Es ist also eine im Wesentlichen unebene Oberfläche vorhanden, welche eine elastische Verformung des Schaftes ermöglicht und somit eine kraftschlüssige Abstützung dieser Bereiche an der Bohrungswandung mit sich bringt. Es können also auch andere Rippen- oder Wellenformen vorhanden sein, also auch jede Art von vorstehenden Rundungen. Es muss also nicht immer eine Art Widerhakenstruktur gegeben sein.

Eine Ausgestaltung ist hier ebenfalls ersichtlich: Es sind hier mehrere achsparallel ausgerichte- te Rippen 8 ausgebildet, wobei zwischen jeweils einigen solcher Rippen 8 in Umfangsrichtung des Schaftes 5 verlaufende 9 Rippen vorgesehen sind.

Im Rahmen der Erfindung ist es auch denkbar, anstelle von Rippen oder aber auch neben den Rippen Noppen in Form von Pyramiden- oder kegelfömigen bzw. pyramidenstumpf- oder ke- gelstumpfförmigen Elementen vorzusehen. Weiter ist es vorteilhaft, wenn die die Rippen 8, 9, Rillen, Noppen, Wellen und/oder Verzahnungen zumindest am Endbereich des Schaftes 5 spitzwinklig zum Ende hin auslaufen. Dadurch ist ein einfacheres Einführung des Schaftes 5 in die Bohrung 2 am Werkstück 3 möglich.

Das Befestigungselement 1 wird von der einen Seite des Werkstückes her in die Bohrung 2 im Werkstück 3 eingeschoben, wobei natürlich ein entsprechender Kraftaufwand erforderlich ist, um die Rippen 8, 9, Rillen, Noppen und/oder Verzahnungen oder Wellen entsprechend elas- tisch verformen zu können. Zum Einbringen des Befestigungselementes in das Werkstück kann ein Setzgerät verwendet werden, welches nur von einer Seite oder von beiden Seiten des Werkstückes her angreift und gegebenenfalls mit Gegenhalterungen arbeitet. Nach dem endgültigen Einsetzen des Befestigungselementes ist aber eine optimale kraftschlüssige Verbindung zwischen der Außenbegrenzung 4 des Schaftes 5 und der Wand 7 der Bohrung 2 ge- schaffen, die auch nach langem Einsatz nicht nachlässt. Durch die elastische Verbindung ist ein steter Anpressdruck gewährleistet, der auch durch Erschütterungen, Vibration oder durch Temperaturänderungen nicht beeinflusst werden kann. Auch wenn das Befestigungselement und das Werkstück aus Materialen unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten gebildet sind, kann dies nicht zu einem Lösen der Verbindung führen.

Das erfindungsgemäße Befestigungselement kann daher in bevorzugter Weise überall dort eingesetzt werden, wo es um besonders sichere Befestigungen geht, also gerade auch im Flugzeugbau und überhaupt im Fahrzeugbau. Natürlich ist ein Einsatz überall im Maschinenbau oder in der Elektrotechnik, aber auch im Chemiebereich möglich.

Bei der Ausführung nach den Fig. 1 bis 5 ist zweckmäßig die Durchgangsöffnung 11 mit einem Gewinde versehen, so dass hier direkt Gewindeelemente, wie z.B. Schrauben, eingesetzt werden können.

Bei der Ausführung nach den Fig. 6 bis 9 ist ein Anschlagbund 6 vorgesehen, welcher eine käfigartige Halterung 12 zur Aufnahme einer beweglichen Schraubenmutter oder eines Schraubenkopfes anschließt. Es können somit hier weitere Befestigungsteile formschlüssig eingesetzt werden, die dann gegen Verdrehen und auch in axialer Richtung gegen Herausziehen gesichert sind. Bei der erfindungsgemäßen Konstruktion ist durch die besondere Formge- bungsmöglichkeit bei einem Kunststoffteil keine zusätzliche Klammer zur Halterung weiterer Befestigungsteile erforderlich. Gerade bei einem solchen Befestigungselement fällt durch die Erfindung sowohl das sonst übliche Verformungselement für die plastische Verformung als auch eine Klammer zur Halterung weiterer Befestigungsteile weg.

Im Rahmen der Erfindung könnte anstelle einer käfigartigen Halterung am Anschlagbund 6 an der dem Schaft 5 gegenüberliegenden Seite eine Gewindehülse einstückig anschließen. Es ist aber auch denkbar, jede andere besondere konstruktive Lösung vorzusehen. Beispielsweise können hier auch Haken, ösen, Druckknöpfe und vieles andere mehr einstückig mit dem Befestigungselement ausgeführt werden.

Bei der Ausgestaltung nach den Fig. 10 bis 14 ist ein Befestigungselement 1 vorgesehen, bei welchem am Anschlagbund 6 an der dem Schaft 5 gegenüberliegenden Seite ein achsgleich mit dem Schaft 5 ausgerichteter Bolzen 13 einstückig anschließt. In vorteilhafter Weise ist die-

ser Bolzen 13 als Gewindebolzen ausgebildet, so dass daran andere Teile beispielsweise mit einer Mutter direkt befestigt werden können.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 15 ist aufgezeigt, wie ein erfindungsgemäßes Befestigungs- element 1 in besonders vorteilhafter Weise auch bei relativ dünnen Werkstücken 3 eingesetzt werden kann. Es ergibt sich hier eine überlappung in der Spitzenregion des Werkstückes, damit gerade bei dünnwandigen Strukturen das Fixieren des Befestigungselementes unterstützt wird. Zusätzlich kann hier an der Oberseite des Befestigungselementes, also am Anschlagbund 6 oder anstelle des Anschlagbundes ein tellerförmiger oder scheibenförmiger Anschlag 14 angeordnet sein, um zusätzlich die Biege- und Ausreißfestigkeit zu garantieren. Die Durchgangsöffnung im Schaft 5 kann natürlich vorhanden sein und gegebenenfalls ein Gewinde aufweisen. Dadurch, dass der Schaft 5 des Befestigungselementes eine axiale Länge aufweist, die größer ist als die Dicke des Werkstückes 3, kann der auf der Rückseite 15 des Werkstückes 3 vorstehende Abschnitt 16 des Schaftes 5 sich nach dem elastischen Zusammenpressen in der Bohrung des Werkstückes 3 wieder elastisch nach außen ausbreiten. Der Rückhalt des Befestigungselementes 1 ist daher gerade bei dünnwandigen Strukturen, also dünnen Werkstücken 3 besonders gut. Die hier in Fig. 15 gezeigte konstruktive Einsatzmöglichkeit kann natürlich auch bei den Ausgestaltungen nach den Fig. 1 bis 14 angewendet werden. Auch bei diesen anderen Konstruktionen ist damit gerade bei dünnwandigen Strukturen eine bisher nicht mögliche Be- festigung von einer Seite her erreicht geworden.

Bei der Ausgestaltung nach Fig. 16 wird am Schaft 5 eine am Umfang umlaufende Rille 17 vorgesehen, welche hier in der Endzone des Schaftes 5 ausgebildet ist, um hier die Kontaktfläche zwischen der Bohrungswandung im Werkstück 3 und dem Schaft zu verringern. Gerade in die- sem Bereich sind dann die Reibkräfte beim Setzen des Befestigungselementes verringert worden. Gerade beim Einsatz des Befestigungselementes in ein Werkstück aus einer Compo- sitstruktur kann dadurch ein mögliches Abplatzen der letzten Schichten beim Einpressen des Schaftes 5 verhindert werden. Die Rille 17 kann auch an einer anderen Stelle bezogen auf die axiale Länge des Schaftes 5 angeordnet sein, wenn an einer anderen Stelle eine spezifische Zone gegeben ist, in der die Reibkräfte beim Setzen des Befestigungselementes herabgesetzt werden sollen. Im Rahmen der Erfindung ist es auch möglich, auf die axiale Länge des Schaftes 5 gesehen mehr als eine Rille 17 anzuordnen. Es ist dabei auch denkbar, dass diese Rille 17 bzw. Rillen nicht exakt in einer Ebene umlaufend angeordnet ist bzw. sind. Es wäre also auch möglich, eine schraubenlinienförmig am Umfang des Schaftes verlaufende Rille 17 vorzusehen. Hier könnte dann auch vorgesehen werden, dass beim Setzvorgang des Befestigungselementes das Einpressen durch einen Drehvorgang unterstützt wird.

Im Rahmen der Erfindung sind noch andere Möglichkeiten gegeben, die jedoch nicht im Detail aufgezählt sind. Wesentlich ist jedoch immer, dass ein elastisches Befestigungselement zum Einsetzen in eine Bohrung vorgesehen wird, wobei das Befestigungselement und gegebenenfalls auch das Werkstück beim Einsetzen ausschließlich elastisch verformt werden. Es ergibt sich daher immer eine kraftschlüssige Verbindung, die infolge der elastischen Wirkung immer aufrechterhalten wird.