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Die
Erfindung betrifft eine Nietverbindung mit einem ersten Werkstück
und mit wenigstens einem zweiten Werkstück, sowie mit einem
die Werkstücke verbindenden Niet. Des Weiteren betrifft
die Erfindung eine Nietvorrichtung, durch die sich die Nietverbindung
herstellen lässt.
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Aus
der
DE 103 20 189
A1 ist eine Nietverbindung mit einem Niet bekannt, der
einen Nietkopf und einen Nietschaft umfasst, der sich durch zwei
zu vernietende Werkstücke erstreckt und in einen durch einen
Nietprozess geformten Nietkranz mit mehreren radial nach außen
gerichteten Kranzelementen übergeht. Nach dem Nietprozess
liegen die Kranzelemente mit einer Spitze an dem Werkstück
an, das dem Nietkranz zugewandt ist. Der Nietkopf hintergreift das
andere Werkstück, so dass der Niet die beiden Werkstücke
formschlüssig miteinander verbindet.
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Wenn
die Nietverbindung in Längsrichtung des Niets, also entlang
der Längsachse des Nietschafts beansprucht wird, indem
beispielsweise die beiden Werkstücke in dieser Richtung
auseinander gezogen werden, besteht die Gefahr, dass die Spitzen
der Kranzelemente in das Material des ersten Werkstücks
eindringen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um ein weiches
Material, wie beispielsweise Karton oder Pappe handelt. Durch das
Eindringen der Kranzelemente entstehen im Material kleine Risse
oder andere Beschädigungen, von denen aus sich Risse fortpflanzen
können, sodass das Werkstück einreißt
und somit die Nietverbindung zerstört wird.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Nietverbindung
bereitzustellen, die sich einfach herstellen lässt und
die eine große Festigkeit aufweist, auch wenn weichere
Materialien für die Werkstücke verwendet werden.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung
bereitzustellen, durch die sich die Nietverbindung einfach herstellen
lässt.
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Die
der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden durch Anspruch
1 und Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungen
können den übrigen Ansprüchen entnommen
werden.
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Die
Nietverbindung gemäß Anspruch 1 zeichnet sich
dadurch aus, dass jedes Kranzelement im Wesentlichen als Kreisbogen
geformt ist, der an dem Nietschaft ansetzt und einen Winkelbereich
von mindestens 270° aufweist. Somit weist im Wesentlichen
jedes Kranzelement im Querschnitt die Form eines nicht geschlossenen
Kreises auf. Zu betonen ist, dass es sich bei der Form des Kranzelements
nicht um einen Kreisbogen im engeren Sinne handelt, sondern um ein
gebogenes Element, dessen Biegeradius in etwa konstant ist.
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Dadurch,
dass das Kranzelement einen Winkelbereich von mindestens 270° aufweist,
kann vermieden werden, dass eine Spitze des Kranzelementes bei axialer
Belastung der Nietverbindung in das dem Nietkranz zugewandten Werkstück
(zweite Werkstück) eindringt, wodurch dieses beschädigt werden
kann. Ein derartiges Eindringen der Spitze ist nicht möglich,
das die Spitze nicht in Richtung zweites Werkstück zeigt,
sondern dazu parallel verläuft oder sogar von dem zweiten
Werkstück weg zeigt.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt
der Winkelbereich mehr als 300°, in einem besonders bevorzugten
Ausführungsbeispiel mehr als 315°. Somit handelt
es sich bei dem Kranzelement um einen fast vollständig
geschlossenen Kreisbogen, wobei die Spitze des Kranzelements von
dem Nietkopf deutlich weg zeigt. Das zweite Werkstück liegt
dabei mit einer kranzseitigen Oberseite wie eine Tangente auf dem
Kranzelement auf, so dass die Gefahr gering ist, dass das Kranzelement
in das Material des zweiten Werkstück eindringt.
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Ein
weiterer Vorteil der kreisbogenförmigen Kranzelemente mit
einem Winkelbereich größer 270° besteht
darin, dass bei axialer Zugbelastung der Nietverbindung, also in
Richtung entlang der Längsachse des Nietschafts, die Kranzelemente
wie eine Blattfeder wirken. Somit können Belastungsspitzen
durch die Kranzelemente abgefedert werden, wodurch das zweite Werkstück
und somit die gesamte Nietverbindung geschützt wird.
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Der
Nietkranz kann acht Kranzelemente umfassen. Dies stellt einen guten
Kompromiss zwischen der Komplexität des Werkzeugs zum Formen
des Nietkranzes und der Verformbarkeit und Tragfähigkeit
der einzelnen Kranzelemente dar. Natürlich können
auch andere Anzahlen von Kranzelementen gewählt werden,
beispielsweise 4, 6, 10 oder 12. Auch eine ungerade Anzahl von Kranzelementen
ist denkbar.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Nietschaft
in seiner gesamten Länge hohlzylindrisch ausgebildet. Somit
lässt sich der Niet durch eine einfache Niethülse
herstellen, die an einem kopfseitigen Ende zur Aufnahme eines separaten Nietdeckels
umgeformt, z. B. umgebördelt sein kann. Der Niet kann auch
einstückig ausgebildet sein, wobei sich der gesamte Nietkopf
vorzugsweise durch Umformen des Nietschafts am kopfseitigen Ende
ergibt.
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Ein
anderes Ende des Nietschafts, also das vom Nietkopf abgewandte Ende,
kann dazu dienen, zu dem Nietkranz mit den mehreren Kranzelementen umgeformt
zu werden. Um ein Umformen kontrollierter ablaufen zu lassen, können
an dem dem Nietkopf abgewandten Ende axiale Schlitze vorgesehen
sein, die das Hülsenende in mehrere Umfangssegmente teilt,
deren Anzahl dann mit der Anzahl der zu formenden Kranzsegmente übereinstimmt.
Es haben sich jedoch auch gute Ergebnisse mit einer ungeschlitzten
Niethülse erzielen lassen.
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Ein
Verhältnis eines mittleren Außendurchmessers des
Kreisbogens zu einem Innendurchmesser des Nietschafts kann in einem
Bereich zwischen 0,5 und 0,75 liegen. Beträgt beispielsweise
der Innendurchmesser des Schafts 4 mm, so ergibt sich für den
Nietkranz eine Breite oder ein äußerer Nietkranzdurchmesser
von 8 bis 10 mm.
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Der äußere
Nietkranzdurchmesser kann 1,5 bis 2,5-fach größer
sein als ein Außendurchmesser des Nietschafts. Besonders
gute Ergebnisse liefert eine Nietverbindung, bei der der äußere
Nietkranzdurchmesser 2 bis 2,4-fach größer als
der Außendurchmesser des Nietschafts ist.
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Das
zweite Werkstück, das bei der Nietverbindung an den einzelnen
Kranzelementen anliegt, kann aus einem weichen Material wie Pappe
oder Karton sein. Durch die besondere Formgebung der Kranzelemente
kann ein schädigendes Eindringen der Spitzen der Kreiselemente
in das Material des zweiten Werkstücks zuverlässig
vermieden werden, so dass, wie oben bereits beschrieben, das zweite Werkstück
und somit die gesamte Nietverbindung geschützt wird.
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Das
erste Werkstück, an dem der Nietkopf anliegt, kann ebenfalls
Pappe oder Karton sein, aber auch aus einem anderen Material, wie
Blech oder Kunststoff.
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Die
Nietvorrichtung gemäß Anspruch 8 dient zur Herstellung
der oben beschriebenen Nietverbindung. Die Nietvorrichtung umfasst
einen Stempel, durch den ein zur Herstellung des Niets dienenden Niethalbzeug
gemeinsam mit den Werkstücken, durch die ein Nietschaft
des Niethalbzeugs greift, entlang einer Nietlängsachse
gegen ein Werkzeugunterteil drückbar ist, das ein Umformdorn
trägt, durch den ein freies Ende des Nietschafts des Niethalbzeugs
in die Kranzsegmente des herzustellenden Niets umformbar ist. Als
Abstützung für die Werkstücke ist ein bewegbarer
Abstandshalter vorgesehen, der sich über eine Federeinrichtung
an dem Werkzeugunterteil abstützt und für einen
Zwischenraum zwischen dem Umformdorn und den Werkstücken
sorgt. In dem Zwischenraum lässt sich beim Umformen des freien
Endes des Nietschafts des Niethalbzeugs jedes Kranzsegment im Wesentlichen
ungehindert in die Form des Kreisbogens mit dem Winkelbereich größer
270° bringen. Es wird dadurch vermieden, dass die Spitzen
der Kranzelemente beim Einformen in das zweite Werkstück
gedrückt werden, wodurch Materialschädigungen
schon bei der Herstellung der Nietverbindung entstehen.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Abstandshalter
als Abstandsbuchse ausgebildet, die koaxial zum Umformdorn angeordnet
ist. Eine Stirnseite der Abstandsbuchse kann dabei als Auflage für
die Werkstücke dienen, während eine andere Stirnseite
der Buchse mit der Federeinrichtung verbunden ist.
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Eine
Höhe des Zwischenraums kann in einer Endstellung des Abstandshalters
in etwa dem mittleren Außendurchmesser jedes Kranzsegmentes
entsprechen. Dies führt dazu, dass am Ende des Nietprozesses,
bei dem der Abstandshalter seine Endstellung erreicht, das zweite
Werkstück auf den Kreisbogen jedes Kranzsegments aufsetzt.
Dadurch kann eine im Wesentlichen spielfreie Nietverbindung zwischen
dem Niet und den Werkstücken erreicht werden. Zudem kann
der Zwischenraum so bemessen sein, dass die einzelnen Kranzsegmente
leicht eingedrückt und somit elastisch vorgespannt sind. Dies
ist dann der Fall, wenn der Zwischenraum geringfügig kleiner
ist als der mittlere Außendurchmesser jedes Kranzsegments.
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Die
Federeinrichtung kann eine Schraubenfeder umfassen. Die Schraubenfeder
kann dabei als Druckfeder ausgebildet sein, die sich einerseits
an dem Werkzeugunterteil und andererseits an der Abstandsbuchse
abstützt. Somit drückt die Schraubenfeder die
Abstandsbuchse von dem Werkzeugunterteil weg. Über einen
radial nach innen gerichteten Bund der Abstandsbuchse, der mit einem
Anschlag des Werkzeugunterteils zusammenwirkt, kann eine Anfangsstellung
des Abstandshalters definiert werden, in der sich die Abstandsbuchse
am Anfang des Nietprozesses befindet.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser
der Abstandsbuchse in etwa dem zweifachen mittleren Außendurchmesser jedes
Kreissegments zuzüglich dem Innendurchmesser des Nietschafts
entsprechen. Somit gleicht der Innendurchmesser der Abstandsbuchse
in etwa dem Außendurchmesser des zu formenden Nietkranzes. Eine
Mantelinnenfläche der Abstandsbuchse kann somit als Führung
für die Kranzsegmente beim Umbiegeprozess fungieren, da
sie eine Ausweitung der Kranzsegmente in radialer Richtung beschränkt.
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Die
oben beschriebene Nietverbindung eignet sich insbesondere für
die Verbindung von Werkstücken, von denen eins relativ
welch ist oder eine geringe Oberflächenhärte aufweist.
Eine bevorzugte Verwendung der oben beschriebenen Nietverbindung
in ihren unterschiedlichen Ausführungen besteht im Befestigen
eines Tragegriffs, vorzugsweise aus Kunststoff, an einer Seitenwand
eines Waschmittel-Behälters aus Karton oder Pappe. Hier
weist die erfindungsgemäße Nietverbindung ausreichend hohe
Festigkeiten auf, insbesondere in den Fällen, in denen
der Traggriff in der Nähe der Nietverbindung in Richtung
Nietlängsachse gezogen wird, um den Waschmittel-Behälter
seitlich heranzu oder zu drehen. Dieses Heranziehen oder Drehen
kann mit großen Kräften verbunden sein, insbesondere
dann, wenn sich der Waschmittel-Behälter im Stapel mit
anderen darüber angeordneten Waschmittel-Behältern befindet,
deren Gewicht auf den zu bewegenden Waschmittel-Behälter
lastet.
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Anhand
von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:
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1 in
perspektivischer Ansicht einen Waschmittel-Behälter mit
Traggriff;
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2 einen
Nietkranz eines Niets von unten;
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3 im
Schnitt eine Nietverbindung mit dem Niet gemäß 2;
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4 in
schematischer Weise eine Nietvorrichtung zur Herstellung der Nietverbindung
gemäß 3; und
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5 die
Nietvorrichtung der 4 in einer anderen Stellung.
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Eine
mögliche Anwendung für eine erfindungsgemäße
Nietverbindung, die weiter unten näher beschrieben wird,
zeigt 1. Dargestellt ist ein quaderförmiger
Behälter 1 zur Aufnahme von Waschmittel, der sich
aus einem oder mehreren Zuschnitten aus Pappe oder Karton falten
lässt. Der Behälter 1 umfasst einen bandförmigen
Handgriff 2, der an seinen zwei Enden 3 jeweils
mit einer Seitenwand 4 des Behälters 2 verbunden
ist. Die Verbindung zwischen dem jeweiligen Ende 3 des
Handgriffs 2 und der zugehörigen Seitenwand 4 erfolgt
dabei über eine Nietverbindung 5, die in 1 lediglich
als schwarzer Punkt dargestellt ist.
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Üblicherweise
wird die Nietverbindung 5 bei dem Behälter 1 auf
Scherung beansprucht. Wird der Behälter 1 mit
Hilfe des Handgriffs 2 angehoben, so wird eine Hebekraft
in Richtung X über die Nietverbindung 5 in die
Seitenwand 4 eingeleitet. In besonderen Fällen
kann die Nietverbindung 5 auch auf Zug beansprucht werden,
beispielsweise dann, wenn zum seitlichen Verschieben des Behälters 1 der Handgriff 2 im
Bereich des Endes 3 in Richtung Y gezogen wird. Derartige
Belastungsfälle können sich dann ergeben, wenn
der Behälter 1 innerhalb eines Stapels auf einer
Palette mit weiteren Behältern im Stapel zwecks kundenorientierter
Ausrichtung verschoben oder verdreht werden muss.
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Der
Behälter 1 der 1 weist
einen üblichen Aufbau mit den bereits oben erwähnten
Seitenwänden 4 auf. Des Weiteren sind eine Frontwand 6 und
eine klappbarer Deckel 9 zu erkennen. Ein Boden 8 sowie
eine Rückwand 7 sind in der perspektivischen Ansicht
der 1 verdeckt.
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Die 2 und 3 zeigen
die Nietverbindung 5 der 1 im Detail,
wobei 3 eine Schnittzeichnung und 2 eine
Ansicht entlang der Linie II-II in der 3 ist. Die
Nietverbindung 5 umfasst einen Niet 10, der einen
Nietkopf 11 und einen Nietschaft 12 aufweist.
Der Nietschaft 12 erstreckt sich durch zwei Schichten,
von denen die obere der Handgriff 2 und die untere die
Seitenwand 4 des Behälters 1 sind.
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Der
Niet 10 ist zu einer Nietlängsachse 13 symmetrisch
aufgebaut. Der Nietschaft 12 weist zum Nietkopf 11 einen
umgebogenen oder umgebördelten Rand 14 auf, der
zur Aufnahme eines Kopfdeckels 15 dient. Der scheibenförmige,
leicht gewölbte Kopfdeckel 15 umgreift den Rand 14 von
außen mit nach innen gebogenen Enden 16, so dass
der Kopfdeckel 15 unlösbar mit dem Nietschaft 12 verbunden ist.
Das Ende 16 liegt dabei auf dem Handgriff 2 auf.
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An
dem Nietschaft 12 ist ein Nietkranz 17 einstückig
angeformt. Der Nietkranz 17 umfasst dabei acht sich in
radialer Richtung erstreckende Kranzelemente 18. Sie bilden
in der Darstellung der 2 einen gleichmäßigen
Stern. Auf die Herstellung des Nietkranzes 17 wird später
näher eingegangen.
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Im
Schnitt weist jedes Kranzelement 18 im Wesentlichen die
Form eines Kreisbogens 19 auf, der in dem Ausführungsbeispiel
der 2 und 3 einen nahezu geschlossenen
Kreis bildet. Der Kreisbogen 19 weist dabei einen Winkelbereich
von ca. 330° auf, wobei dieser Winkelbereich an einem Übergang 20 zwischen
dem Nietschaft 12 und dem Kreisbogen 19 beginnt
und bis zu einer Spitze 21 des Kreisbogens 19 reicht.
Die Spitze 21 ist dabei in Richtung der Längsachse 13 gerichtet
und zeigt von dem Nietkopf 11 weg. Eine gedachte Verlängerungslinie 22 und
die Längsachse 13 schließen einen Winkel α ein,
der rund 30° beträgt.
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Der
Kreisbogen 19 liegt mit einem äußeren Umfang 23 an
der Seitenwand 4 an. Eine Auflagestelle 24 des
Kreisbogens 19 befindet sich dabei in Umfangsrichtung gesehen
270° von dem Übergang 20 zwischen Nietschaft 12 und
dem Kreisbogen 19 entfernt.
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Der Übergang 20 kann
dabei als die Stelle am Nietschaft 12 definiert werden,
an der eine Mantelinnenfläche des Nietschafts 12 vom
Nietkopf 11 aus gesehen beginnt, sich auszuweiten. Ab dieser Stelle
verläuft die Mantelinnenfläche nicht mehr parallel
zur Nietlängsachse.
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Wird
die Nietverbindung 5 auf Zug beansprucht, in dem der Handgriff 2 und
somit auch der daran anliegende Nietkopf 11 von der Seitenwand 4 abgehoben
wird, werden die Kranzelemente 18 mit ihren jeweiligen
Auflagestellen 24 gegen die Seitenwand 4 gedrückt.
Jedes kreisbogenförmige Kranzelement 18 wirkt
dabei wie eine Blattfeder, so dass gewisse Belastungsspitzen von
dem Nietkranz 17 aufgenommen werden. Aufgrund der abgerundeten
Auflagestellen 24 kann vermieden werden, dass bei Zugbelastung
der Nietverbindung 5 die Kranzelemente 18 in ungewünschter
Weise in das Material der Seitenwand 4 eindringen und dort
aufgrund der Materialschädigung zu Belastungsspitzen führen.
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In 3 ist
ein mittlerer Außendurchmesser DE des
Kranzelements 18 eingezeichnet. Der Außendurchmesser
DE beträgt dabei rund 80 % eines
Innendurchmessers IS des Nietschafts 11.
Ein Verhältnis zwischen einem äußeren
Durchmesser DNK des Nietkranzes 17 ist
und einem Außendurchmesser des Nietschafts 11 beträgt
hier rund 2,25.
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Die 4 und 5 stellen
eine Vorrichtung 25 zum Herstellen der Nietverbindung 5 dar.
Die 4 und 5 zeigen dabei unterschiedliche
Stellungen der Nietvorrichtung 25.
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Die
Nietvorrichtung 25 umfasst einen Stempel 26, der
entlang einer Achse 27 verfahrbar angeordnet ist. Des Weiteren
umfasst die Nietvorrichtung 25 ein feststehendes Werkzeugunterteil 28,
auf dem ein Umformdorn 29 angeordnet ist.
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In 4 ist
ein Niethalbzeug 30 mit einem Nietschaft 31 in
die Nietvorrichtung 25 eingesetzt, der durch den Handgriff 2 und
die Seitenwand 4 greift. Das Niethalbzeug 30 dient
zum Herstellen des Niets 10 der 2 und 3.
Ein Nietkopf 32 entspricht dabei in Form und Aufbau dem
Nietkopf 11 des Niets 10, so dass hier auf die
obige Beschreibung verwiesen wird.
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Das
Niethalbzeug 30 sowie der Handgriff 2 und die
Seitenwand 4 werden in der Nietvorrichtung 25 von
einer Abstandsbuchse 33 gehalten, die wie der Stempel 26 entlang
der Achse 27 beweglich angeordnet ist. Zwischen der Abstandsbuchse 33 und dem
Werkzeugunterteil 28 ist eine Schraubenfeder 34 geschaltet,
die die Abstandsbuchse 33 mit einem stirnseitigen Bund 35 gegen
einen Anschlag 36 des Werkzeugunterteils 28 drückt,
wodurch eine Anfangsstellung der Abstandsbuchse 33 definiert
wird.
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Der
Prozess zum Herstellen des Niets 10 aus dem Niethalbzeug 30 wird
aus der Zusammenschau der 4 und 5 deutlich.
Der Stempel 26 wird in Richtung Werkzeugunterteil 28 gedrückt,
wobei ein freies Ende 37 des Nietschafts 31 des
Niethalbzeugs 30 gegen den Umformdorn 29 gedrückt wird.
Der Dorn 29 ist dabei so ausgebildet, dass er einerseits
das freie Ende 37 in mehrere Kranzelemente 18 aufteilt
und andererseits diese Kranzelemente so verformt, dass letztlich
ein Nietkranz 17 entsteht, so wie er in den 2 und 3 dargestellt
ist.
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Die
Abstandsbuchse 33 sorgt beim Runterfahren des Stempels 26 dafür,
dass zwischen dem Umformdorn 29 und der Seitenwand 4 ein
genügend großer Zwischenraum verbleibt, so dass
sich die Kranzelemente 18 als Kreisbögen 19 ausbilden
können. In 5 hat die Abstandsbuchse 33 eine
Endstellung erreicht. In dieser Endstellung ist der Zwischenraum
zwischen Umformdorn 29 und der Seitenwand 4 so
bemessen, dass er dem mittleren Außendurchmesser des Kreisbogens 19 entspricht
oder sogar ein wenig kleiner ist. Dadurch wird der Kreisbogen 19 in
Längsrichtung der Achse 27 ein wenig zusammengedrückt,
so dass der Niet 10 ohne Spiel den Handgriff 2 und
die Seitenwand 4 zusammenhält und die Nietverbindung 5 eine
gewisse Vorspannung aufweist. Die Endstellung der Abstandsbuchse 5 kann beispielsweise über
eine Blockstellung der Feder 34 erfolgen.
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- 1
- Behälter
- 2
- Handgriff
- 3
- Ende
- 4
- Seitenwand
- 5
- Nietverbindung
- 6
- Frontwand
- 7
- Rückwand
- 8
- Boden
- 9
- Deckel
- 10
- Niet
- 11
- Nietkopf
- 12
- Nietschaft
- 13
- Nietlängsachse
- 14
- Rand
- 15
- Kopfdeckel
- 16
- Ende
- 17
- Nietkranz
- 18
- Kranzelement
- 19
- Kreisbogen
- 20
- Übergang
- 21
- Spitze
- 22
- Verlängerungslinie
- 23
- Außenumfang
- 24
- Auflagestelle
- 25
- Nietvorrichtung
- 26
- Stempel
- 27
- Achse
- 28
- Werkzeugunterteil
- 29
- Umformdorn
- 30
- Niethalbzeug
- 31
- Nietschaft
- 32
- Nietkopf
- 33
- Abstandsbuchse
- 34
- Feder
- 35
- Bund
- 36
- Anschlag
- 37
- Ende
- X
- Richtung
- Y
- Richtung
- DE
- Außendurchmessser
eines Kranzelementes
- IS
- Innendurchmesser
des Nietschafts
- DS
- Außendurchmesser
des Nietschafts
- DNK
- Außendurchmesser
des Nietkranzes
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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