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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur verdrehsicheren Befestigung
eines Funktionselements, insbesondere eine Einpressmutter oder ein
Einpressbolzen, in einer Aufnahmeöffnung eines Bauteils. Die Erfindung
betrifft weiterhin eine Verbindung zwischen einem derartigen Funktionselement
und dem Bauteil.
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Auf
dem Gebiet der Verbindungstechnik ist die Verbindung von derartigen
Funktionselementen mit Bauteilen bekannt. Die Befestigung erfolgt
hierbei insbesondere mittels eines Nietvorgangs. Das Funktionselement
ist hierbei beispielsweise als Niet ausgebildet, welcher in eine
vorbereitete Öffnung
im Bauteil, beispielsweise ein Stanz- oder Bohrloch, eingesteckt
wird. Als Funktionselemente sind insbesondere Muttern- oder Bolzenelemente
bekannt, die ein Gewinde aufweisen. Dadurch besteht die Möglichkeit,
an dem Bauteil ein weiteres Bauteil durch eine Schraubverbindung
zu befestigten.
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Bei
Einpressmuttern oder Einpressbolzen werden die Funktionselemente üblicherweise
mit einem Einpresswerkzeug in ein vorgelochtes Blech eingedrückt. Typischerweise
werden sie hier gegen ein Umformwerkzeug, beispielsweise einen Gegenhalter
oder eine Matrize, gepresst. Beim Nietvorgang fließt hierbei
Material aus dem Bereich der Lochwandung des Bauteils in einen Zahnkranz,
eine Nut od. dgl. des Funktionselements, so dass eine formschlüssige Verbindung
zwischen dem Bauteil und dem Funktionselement hergestellt wird.
Hierbei wird üblicherweise
sowohl ein in Axialrichtung wirkender Formschluss als auch ein in
Radial- oder Umfangsrichtung
wirkender Formschluss ausgebildet. Während der axial wirkende Formschluss
das Funktionselement gegen ein Herausfallen sichert, dient der Formschluss
in Umfangsrichtung zur Verdrehsicherung, die insbesondere bei als
Schraubelementen ausgebildeten Funktionselementen notwendig ist.
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Voraussetzung
für die
Ausbildung eines derartigen Formschlusses ist daher die Umformung
des Lochrands und das Fließen
des Bauteilmaterials in die entsprechenden Nuten oder Rillen des
Funktionselements.
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Eine
verdrehsichere Befestigung einer Nietmutter in einem Bauteil ist
beispielsweise aus der
DD 216
075 A1 zu entnehmen. Gemäß diesem Dokument ist vorgesehen,
dass eine Nietmutter mit einem angeprägten konischen Sechskant in
ein gebohrtes oder gestanztes Loch eingepresst und vernietet wird. Gemäß der
DE 198 08 628 A1 ist
zur verdrehsicheren Befestigung einer Nietmutter ein Langloch vorgesehen,
an das ein Kragen der Nietmutter angepasst wird.
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Im
Zuge neuerer Entwicklungen, insbesondere im Hinblick auf Leichtbau-Anforderungen
beispielsweise im Kraftfahrzeug-Bereich, werden zusehends hoch-
und höchstfeste
Stähle
als Bauteile eingesetzt, in die die Funktionselemente eingefügt werden
müssen.
Hier besteht das Problem, dass aufgrund der hohen Festigkeit ein
Fließen
des Materials der Lochwand in die Rillen oder Nuten des Funktionselements
nicht mehr ohne weiteres erzielbar ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Befestigung zwischen
einem Funktionselement und einem insbesondere hoch- oder höchstfesten Bauteil
zu ermöglichen.
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Die
Aufgabe wird gemäß der Erfindung
gelöst
durch ein Verfahren gemäß Anspruch
1. Bei diesem Verfahren ist vorgesehen, dass das Funktionselement,
insbesondere eine Einpressmutter oder Einpressbolzen, in eine Aufnahmeöffnung des
Bauteils eingesetzt wird und dass ein Umformbereich des Funktionselements
zur Befestigung umgeformt wird. Zur Ausbildung der Verdrehsicherung
wird hierbei der Umformbereich mit Hilfe eines nach Art einer Matrize
ausgebildeten Umformwerkzeugs in unterschiedlichen radialen Richtungen
unterschiedlich stark umgeformt. Unter Umformen in radialer Richtung
wird hierbei ein Verformen in einer Richtung senkrecht zur Längserstreckung
der Einpressmutter verstanden, gleichzeitig wird mit Hilfe des Umformwerkzeugs
der Umformbereich derart umgeformt, dass der Umformbereich das Bauteil,
also den Lochrand, hintergreift und somit auch einen in Axialrichtung
wirkenden Formschluss ausbildet. Dadurch wird in einem einzigen
Verfahrensschritt sowohl die Verdrehsicherung als auch die eigentliche
Befestigung bzw. das Vernieten des Funktionselements im Bauteil
erzielt.
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Die
Erfindung geht hierbei von der Überlegung
aus, dass die Verdrehsicherung erst nach dem Einsetzen der Einpressmutter
in die Aufnahmeöffnung
und durch deren Umformen ausgebildet wird, ohne dass eine Verformung
der Aufnahmeöffnung
erfolgen muss. Insbesondere bei Bauteilen aus hochfesten Stählen ist
dies von besonderem Vorteil. Erst durch die richtungsabhängig unterschiedlich
starke Verformung wird ein zumindest in Teilbereichen wirksamer
Formschluss zwischen dem Funktionselement und der Aufnahmeöffnung hergestellt.
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Gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung weist die Aufnahmeöffnung eine unrunde Außenkontur
auf. Gleichzeitig weist der Umformbereich im Ausgangszustand eine
von der unrunden Außenkontur verschiedene
Außenkontur
auf. Durch das Umformen des Umformbereichs wird dann ein zumindest
in Teilbereichen wirksamer Formschluss ausgebildet. Hierzu wird
die Außenkontur
des Umformbereichs zumindest in Teilbereichen an die Außenkontur
der Aufnahmeöffnung
angenähert
oder angepasst. Der Umformbereich liegt daher in der Aufnahmeöffnung zumindest
in Teilbereichen in Umfangsrichtung formschlüssig ein. Unter unrunder Außenkontur
wird hierbei eine von der Kreisform abweichende Außenkontur
verstanden.
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Diese
Ausgestaltung geht von der Überlegung
aus, dass zur Befestigung des Funktionselements eine Verformung
des hochfesten Bauteils nicht mehr möglich ist und sieht daher vor,
dass bereits bei der Vorlochoperation, also beim Einbringen der
insbesondere als Durchgangsloch ausgebildeten Aufnahmeöffnung in
das Bauteil, die Vorkehrungen für die
Verdrehsicherung durch die unrunde Ausbildung der Außenkontur
vorgenommen wird. Die Sicherung des Funktionselements gegen ein
Verdrehen wird dann beim Setzen des Funktionselements durch ein Verformen
des Funktionselements selbst erzielt. Durch die Vorfertigung des
Durchgangslochs mit einer unrunden Außenkontur ist daher zur Verdrehsicherung
keine oder nur eine sehr geringfügige
Verformung des Bauteils erforderlich. Beim Setzvorgang erfolgt daher
auch keine oder nur eine geringfügige Verformung
des Bauteils.
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Zweckdienlicherweise
ist der Umformbereich des Funktionselements im Ausgangszustand kreisrund
und insbesondere als Ringsteg ausgebildet. Dieser Umformbereich
wird üblicherweise
auch Kragen genannt. Ein derartiges Funktionselement lässt sich
einfach und kostengünstig
herstellen. Ein weiterer entscheidender Vorteil des kreisrund ausgebildeten
Umformbereichs ist darin zu sehen, dass beim Setzvorgang keine Ausrichtung
oder Orientierung des Funktionselements notwendig ist. Dies erleichtert
einen automatischen Setzvorgang.
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Zweckdienlicherweise
ist weiterhin vorgesehen, dass die Aufnahmeöffnung eine ovale oder eine trilobulare
Außenkontur
aufweist. Unter trilobular wird hierbei eine Kontur verstanden,
bei der drei nach Art von Kreissegmenten ausgebildete Lappen unter
einem Winkel von jeweils insbesondere 120° zueinander angeordnet sind.
Die Außenkontur
ist dabei zweckdienlicherweise derart geführt, dass die Aufnahmeöffnung stets
den gleichen Querschnitt hat, dass also der Abstand zwischen zwei
punktsymmetrisch zum Mittelpunkt angeordneten Punkten stets der
gleiche ist. Die Ausgestaltung der unrunden Außenkontur mit zwei (oval),
drei (trilobular) oder auch mehrfachen kreissegmentartigen Lappen
ermöglicht eine
einfache Umformung des Umformbereichs und eine möglichst vollständige Anpassung
der Außenkontur
des Umformbereichs an die Außenkontur
der Aufnahmeöffnung.
Prinzipiell sind auch mehreckige Außenkonturen möglich und
es ist nicht unbedingt zwingend erforderlich, dass der Umformbereich
nach dem Umformvorgang ebenfalls exakt die (mehreckige) Außenkontur
der Aufnahmeöffnung
einnimmt.
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Für einen
möglichst
einfachen Setzvorgang ist gemäß einer
zweckdienlichen Weiterbildung vorgesehen, dass das maximale Außenmaß des Umformbereichs
kleiner ist als das minimale Innenmaß der Aufnahmeöffnung.
Unter maximal bzw. minimales Außenmaß/Innenmaß wird hierbei
der maximale/minimale Abstand zwischen zwei bezüglich einer Symmetrieachse
oder Symmetrieebene gegenüberliegenden
Punkten auf der Außenkontur
verstanden. Durch diese Maßnahme
lässt sich
das Funktionselement problemlos in die Aufnahmeöffnung einsetzen. Der eigentliche
Umformvorgang erfolgt anschließend.
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Gemäß einer
vorteilhaften Weiterbildung ist die Anwendung dieses Verfahrens
für die
Befestigung des Funktionselements in einem hoch- oder höchstfesten
Bauteil vorgesehen, welches eine Festigkeit von über 1200 N/m2,
insbesondere eine Festigkeit zwischen 1500-1800 N/m2 aufweist.
Um die Funktionsfähigkeit
des Funktionselements, nämlich die
Bereitstellung eines Gewindes, zu gewährleisten, ist weiterhin vorzugsweise
vorgesehen, dass das Funktionselement eine im Vergleich zum Bauteil
kleinere Festigkeit aufweist, die bevorzugt im Bereich von 1000
bis 1200 N/m2 liegt. Höhere Festigkeiten würden nämlich zu
dem Problem führen,
dass die Gewindegänge
sehr spröde
wären und
bei Belastung unter Umständen
ausbrechen könnten.
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Vorzugsweise
weist der Umformbereich weiterhin eine kleinere Festigkeit als das
restliche Funktionselement auf. Durch diese Maßnahme wird ein einfaches Umformen
ohne übermäßigen Kraftaufwand
ermöglicht.
Auf Grund der vergleichsweise geringen Festigkeit lässt sich
insbesondere die asymmetrische Umformung also die richtungsabhängig unterschiedlich
starke radiale Umformung erreichen. Alternativ oder zudem ist der
Umformbereich geschlitzt ausgebildet, so dass er insbesondere in Kreisringsegmente
unterteilt ist, die in einfacher Weise nach außen aufgebogen werden können.
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Die
Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin
gelöst
durch eine Verbindung zwischen einem Bauteil und einem daran befestigten
Funktionselement nach Anspruch 9. Die im Hinblick auf das Verfahren
angeführten
Vorteile und be vorzugten Ausgestaltungen sind sinngemäß auch auf
die Verbindung zu übertragen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es
zeigen jeweils in schematischen Darstellungen:
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1a eine
stark vereinfachte Aufsicht auf eine formschlüssige Verbindung zwischen einer
Nietmutter und einem Bauteil mit darunter liegendem Niet- oder Umformwerkzeug,
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1b eine
Schnittansicht der Verbindung gemäß 1a entlang
der Schnittlinie A-B,
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2a eine
Schnittansicht durch das Bauteil mit einem Durchgangsloch,
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2b eine
Aufsicht auf das Bauteil gemäß 2a,
bei dem das Durchgangsloch eine ovale Außenkontur aufweist,
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3a eine
Aufsicht auf eine Nietmutter und
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3b eine
Schnittansicht zu der Nietmutter gemäß 3a,
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4a eine
Aufsicht auf das Nietwerkzeug gemäß 1b,
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4b eine
Schnittansicht des Nietwerkzeugs gemäß dem Schnitt K-L nach 4a,
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5a, 5b ein
als Einpressbolzen ausgebildetes Funktionselement in einer Seitenansicht und
in einer Aufsicht von unten,
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In
den Figuren sind gleich wirkende Teile mit den gleichen Bezugszeichen
versehen.
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Bei
dem in den 1a, bis 4b hier
beschriebenen Ausführungsbeispiel
wird als Funktionselement eine Niet- oder Einpressmutter 2A und
als Bauteil 4A ein dünnes
Blech aus einem hochfesten Stahl verwendet. Als Funktionselement
werden alternativ auch gewindefreie Elemente, beispielsweise Lagerhülsen oder
Lagerbolzen verwendet. Die Einpressmutter 2A umfasst hierbei
ein Kopfteil 6, an dessen Unterseite sich ein nach Art
eines Ringstegs ausgebildeter Kragen 8 anschließt, welcher
einen Umformbereich bildet. Das Kopfteil 6 hat hierbei
einen größeren Außendurchmesser
als der Kragen 8. Dieser ist nach Art einer Stufe zurückversetzt
und das Kopfteil 6 weist an seiner Unterseite seitlich
neben dem Kragen 8 eine Auflagefläche 10 auf, mit der es
auf einem Lochrand des Bauteils beim Setzvorgang aufgesetzt wird.
Im Kopfteil 6 ist weiterhin an der Innenseite ein Innengewinde 11 eingearbeitet (vgl.
insbesondere 2b, 3b).
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In
das Bauteil 4A ist ein Durchgangsloch 12 mit einer
ovalen oder elliptischen Geometrie beispielsweise durch einen Stanzvorgang
eingearbeitet. Der Durchmesser der Schmalseite des Durchgangslochs 12 (kleine
Halbachse) ist mit D und der Durchmesser der Langseite des Durchgangslochs 12 (große Halbachse)
ist mit C bezeichnet.
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Zur
Ausbildung der Verbindung zwischen der Einpressmutter 2A und
dem Bauteil 4A, wie sie insbesondere in 2b dargestellt
ist, ist weiterhin ein Nietwerkzeug 14 vorgesehen, wie
es sich insbesondere aus den 4a, 4b und 1b ergibt.
Das Nietwerkzeug 14 ist insgesamt als ein plattenförmiges Element
ausgebildet, welches einen zentralen, im Ausführungsbeispiel kreisrunden
Stempel 15 aufweist. Dieser ist umlaufend von einer Umformnut 16 umgeben.
Die Neigung des Wandbereichs 17 dieser Umformnut 16 bezogen
auf eine Mittensenkrechte 18 variiert hierbei in Umlaufrichtung.
In anderen Worten: Der Neigungswinkel zwischen der Mittensenkrechten 18 und
dem schrägen
Wandbereich 17 variiert, so dass in Umlaufrichtung unterschiedliche
Werte α1, α2 für den Neigungswinkel
vorliegen. Durch die unterschiedlichen Neigungswinkel α1, α2 ist der
Nutgrund 22, also der tiefste Punkt der Nut 16,
in Umlaufrichtung unterschiedlich weit von der Mittensenkrechte 18 des
Nietwerkzeugs 14 beanstandet. Insgesamt ist die Umformnut 16 hierbei
derart ausgebildet, dass der Nutgrund 22 eine ovale und
damit eine an das Durchgangsloch 12 angepasste Kontur einnimmt. Der
Nutgrund 22 ist daher punktsymmetrisch zu dem durch die
Mittensenkrechte 18 definierten Mittelpunkt ausgebildet
und weist eine kleine sowie eine große Halbachse auf, deren Längen zumindest
in etwa den Längen
C, D der kleinen und großen
Halbachse des Durchgangslochs 12 entsprechen. Der Abstand
des Nutgrunds 22 von der Mittensenkrechte 18 variiert daher
zwischen C/2 und D/2 (1b). Im Ausführungsbeispiel gilt die Beziehung
C > D und α1 > α2.
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Die
Umformnut 16 erstreckt sich – ausgehend vom Nutgrund 22 als
tiefsten Punkt – weiter
in radialer Richtung und läuft
zu der Oberseite des Nietwerkzeugs entlang einer gebogenen Linie
(vgl. 1b, 4b) aus,
so dass die Umformnut 16 sich über den Lochrand des Bauteils 4A hinaus
erstreckt.
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Zur
Ausbildung der Verbindung wird zunächst die Einpressmutter 2A mit
ihrem kreisrunden Kragen 8 durch das ovale Durchgangsloch 12 hindurchgesteckt.
Der Außendurchmesser
E1 des Kragens 8 ist hierbei kleiner als der Durchmesser
D der Schmalseite des Durchgangslochs 12. Anschließend oder
gleichzeitig wird die Einpressmutter 2A gegen das Nietwerkzeug 14 gepresst,
so dass das Bauteil 4A zwischen der Einpressmutter 2A und
dem Nietwerkzeug 14 eingeklemmt wird. Der Innendurchmesser
E2 des Kragens 8 ist hierbei geringfügig größer als der Außendurchmesser
F des Stempels 15 des Nietwerkzeugs 14, so dass
der Kragen 8 mit seiner Innenseite bereits in Kontakt mit
dem Wandbereich 17 der Umformnut 16 kommt, die
hier am oberen Randbereich des Stempels 15 noch eine kreisrunde Form
aufweist.
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Mit
zunehmendem Anpressdruck wird der Kragen 8 verformt und
nimmt die durch die Umformnut 16 vordefinierte ovale Form
ein. Mit zunehmender Verformung wird der Kragen 8 entsprechend
dem Nutquerschnitt umgeformt und hintergreift den Lochrand des Bauteils 4A.
Hierdurch wird ein axialer Formschluss zwischen dem Bauteil 4A und
der Nietmutter 2 ausgebildet, die Nietmutter 2 ist
mit dem Bauteil 4A vernietet.
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Zur
Ausbildung der formschlüssigen
Verdrehsicherung durch Umformung des Kragens 8 ist hierbei
aufgrund der unrunden Außenkontur
des Durchgangslochs 12 eine lagerichtige Ausrichtung zwischen
dem Bauteil 4A und dem Nietwerkzeug 14 erforderlich.
Hierzu sind insbesondere am Nietwerkzeug hier nicht näher dargestellte
Ausrichthilfen, wie beispielsweise Stifte oder Anschläge, vorgesehen.
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In
Abweichung zu dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besteht auch
die Möglichkeit,
anstelle der ovalen Außenkontur
des Durchgangslochs 12 eine trilobulare oder eine mehreckige
Außenkontur
vorzusehen. Das Nietwerkzeug 14 weist dann eine entsprechende
Geometrie der Umformnut 16 auf.
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In
den 5a, 5b ist eine alternative Ausbildung
des Funktionselements als Einpressbolzen 24 dargestellt.
Der Einpressbolzen 24 ist zylinderförmig ausgebildet und weist
ein Außengewinde 30 auf.
An seinem einen stirnseitigen Ende ist der Umformbereich angeordnet,
welcher einen ringartigen Fuß 32 mit
einer zentralen, nach innen gerichteten Wölbung 34 aufweist.
Der Außendurchmesser des
Fußes 32 fluchtet
hierbei mit dem Außengewinde 30.
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Die
hier beschriebene Ausgestaltung zur Ausbildung einer Verdrehsicherung
des Funktionselements 2A, 24 im Bauteil 4A zeichnet
sich dadurch aus, dass im Ausgangszustand das Funktionselement 2A, 24 zunächst keine
Elemente, wie Nuten, Rillen oder eine eckige oder unrunde Außenkontur zur
Ausbildung einer formschlüssigen
Verdrehsicherung aufweist. Vielmehr ist lediglich eine kreisrunde Geometrie
vorgesehen. Demgegenüber
weist das Bauteil 4A mit der unrunden Aufnahmeöffnung 12 bereits
ein Element zur formschlüssigen
Verdrehsicherung auf. Erst während
des Zusammenfügens
und Vernietens wird das Funktionsbauteil 2A, 24 umgeformt,
so dass eine Verdrehsicherung durch Ausbildung eines in Umfangsrichtung
wirkenden Formschlusses zwischen dem Funktionsbauteil 2A, 24 und
dem Bauteil 4A erreicht wird.
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- 2A
- Einpressmutter
- 4A
- Bauteil
- 6
- Kopfteil
- 8
- Kragen
- 10
- Auflagefläche
- 11
- Innengewinde
- 12
- Durchgangsloch
- 14
- Nietwerkzeug
- 15
- Stempel
- 16
- Umformnut
- 17
- Wandbereich
- 18
- Mittensenkrechte
- 22
- Nutgrund
- 24
- Einpressbolzen
- 30
- Außengewinde
- 32
- Fuß
- 34
- Wölbung
- α1, α2
- Neigungswinkel
- E1
- Außendurchmesser
- E2
- Innendurchmesser
- F
- Außendurchmesser
Stempel
- C
- große Längsachse
- D
- kleine
Längsachse