DE102011010053A1

DE102011010053A1 - Verbindungsbereich zweier Bauteile

Info

Publication number: DE102011010053A1
Application number: DE201110010053
Authority: DE
Inventors: Dr. Hiermer Tobias; Markus Scherhaufer
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2011-11-03

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbereich (1') zweier Bauteile (2, 3'), bei dem das erste Bauteil (2) eine Eintrittsseite (5) und das zweite Bauteil (3') eine Austrittsseite (9) aufweist, und die beiden Bauteile (2, 3') durch ein Fügeelement (4') mit einem Kopf (6) und einem strukturierten, konisch zulaufenden Schaft (7) verbunden sind, wobei eine Anlagefläche des Kopfes (6) auf der Eintrittsseite (5) des ersten Bauteils (2) angeordnet ist, und der Schaft (7) auf der dem ersten Bauteil (2) abgewandten Austrittsseite (9) des zweiten Bauteils (3') zumindest teilweise austritt. Um einen Verbindungsbereich (1') zu schaffen, bei dem auf eine Vorlochung verzichtet werden kann, weist der Schaft (7) des Fügeelements (4') in einem kopfnahen Aufnahmebereich (12) einen Durchmesser d auf, der geringer ist als ein Schaftdurchmesser d' in dem strukturierten Bereich (11) des Schafts (7). Die Erfindung betrifft auch ein Fügeelement (4') für einen solchen Verbindungsbereich.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbindungsbereich zweier Bauteile mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Fügeelement nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 5.
In der EP 0 464 071 B1 ist eine Schraube zum Direktverschrauben gezeigt, die eine ballige Reibfläche aufweist und sich ein Loch schafft, indem durch Reibung der balligen Reibfläche gegenüber einem metallischen Fügepartner dieser so erhitzt wird, dass das Material des Fügepartners in seinen plastischen Bereich überführt wird. Dabei wird das teigige Material verdrängt. Wird diese Schraube zum Fügen mehrerer aufeinanderliegender metallischer Fügepartner, beispielsweise Fahrzeugrohbaukomponenten, verwendet, so fließt ein Teil des beim Fügen von der Schraube verdrängten Materials in einen Spalt zwischen den Fügepartnern, wodurch sich der Spalt erhöht. Um die Menge des verdrängten Materials zu verringern, wird der einem Schraubenkopf zugewandte Fügepartner vorgelocht, d. h. dieser Fügepartner wird mit einem Durchgangsloch versehen. Neben dem Aufwand für die Durchführung des Vorlochens muss auch die Positionierung der Schraube in dem Vorloch gewährleistet werden. Hierbei muss sichergestellt werden, dass die Schraube das Durchgangsloch genau trifft und dass der Schraubenkopf dieses abdeckt, so dass die Gefahr eines Eindringens eines korrosiven Mediums reduziert wird. Die genaue Positionierung der Schraube im Vorloch muss auch bei der Planung einer automatisierten Serienlösung berücksichtigt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Verbindungsbereich zu schaffen, bei dem auf eine Vorlochung verzichtet werden kann. Weiterhin soll ein Fügeelement für einen solchen Verbindungsbereiches bereitgestellt werden.
Die Aufgabe wird gelöst durch einen Verbindungsbereich mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einem Fügeelement mit den Merkmalen des Patentanspruchs 5.
Ein solcher Verbindungsbereich umfasst zwei metallische Bauteile, insbesondere Fahrzeugrohbaukomponenten, wobei das erste Bauteil eine Eintrittsseite und das zweite Bauteil eine Austrittsseite aufweist. Die zwei Bauteile sind durch ein Fügeelement, das einen Kopf und einen strukturierten, konisch zulaufenden Schaft aufweist, verbunden. Der Kopf des Fügeelements ist auf der Eintrittsseite des ersten Bauteils angeordnet und liegt mit seiner Unterseite auf dem ersten Bauteil auf. Der Schaft durchdringt den Verbindungsbereich und tritt zumindest teilweise auf der dem ersten Bauteil abgewandten Austrittsseite des zweiten Bauteils aus. Erfindungsgemäß weist der Schaft des Fügeelements in einem kopfnahen Aufnahmebereich einen Durchmesser auf, der geringer ist als ein Schaftdurchmesser in dem daran anschließenden strukturierten Bereich des Schafts. Dieser Aufnahmebereich im Schaft nimmt während des Fügeprozesses das vom Fügeelement verdrängte Material zumindest teilweise auf und verhindert auf diese Weise, dass das Material in einen Spalt zwischen den beiden Bauteilen des Verbindungsbereiches fließt und den Spalt erhöht. Dadurch kann auf das Vorlochen des ersten Bauteils verzichtet werden, was zu einer Reduzierung der Herstellkosten des Verbindungsbereiches führt, da das Vorlochen als vorbereitender Verfahrensschritt nicht mehr durchgeführt werden muss. Da auch eine genaue Positionierung des Fügeelements im Vorloch nicht mehr gewährleistet werden muss, reduziert sich die Fertigungszeit und somit auch die Herstellkosten. Ebenso wird die Gefahr des Eindringens eines korrosiven Mediums, z. B. Wasser oder Luftfeuchtigkeit, in den Verbindungsbereich reduziert, da nicht mehr sichergestellt werden muss, dass der Kopf des Fügeelements das Vorloch genau abdeckt.
In manchen Einsatzfällen wird zwischen den Bauteilen zusätzlich noch ein Klebstoff zur Abdichtung oder zur Erhöhung der Festigkeit der Verbindung eingesetzt. Hier ist der kopfnahe Aufnahmebereich im Schaft des Fügeelements vorteilhaft, da durch diesen Aufnahmebereich verhindert wird, dass es zu einer Überschreitung eines maximal zulässigen Klebespaltes kommt, der entstehen könnte, wenn das beim Eindringen des Fügeelements verdrängte Material in den Spalt zwischen den beiden Bauteilen eindringt und den vorliegenden Spalt erhöht. Der Aufnahmebereich im Schaft nimmt das verdrängte Material auf, so dass die Bauteile nicht durch das teigige Material auseinandergedrückt werden. Da auf das Vorlochen verzichtet werden kann, bietet dies den Vorteil, dass der Klebstoff durchgehend, ohne Absetzen einer Kleberaupe aufgetragen werden kann.
Der Durchmesser des kopfnahen Aufnahmebereichs im Schaft des Fügeelements ist vorteilhafterweise in einer solchen Weise dimensioniert, dass er ca. 90 bis 70% des Schaftdurchmessers im strukturierten Bereich beträgt. Der Durchmessers im Aufnahmebereichs ist einerseits so zu wählen, dass das beim Fügen verdrängte Material vollständig vom Aufnahmebereich aufgenommen wird, so dass eine Erhöhung des Spaltes zwischen den Bauteilen vermieden wird, und andererseits so, dass das Fügeelement eine ausreichende Stabilität aufweist, so dass das Fügeelement problemlos – ohne sich zu verformen oder sogar zu brechen – in den Verbindungsbereich eingebracht werden kann.
Damit das vom Fügeelement verdrängte Material frei in den Aufnahmebereich des Fügeelements fließen kann, sollte die axiale Erstreckung des Aufnahmebereichs so gewählt werden, dass sie nährungsweise der Materialdicke des ersten Bauteils im Verbindungsbereich entspricht.
Vorteilhafterweise ist das Fügeelement in einer solchen Weise gestaltet, dass der Kopf auf seiner dem ersten Bauteil zugewandten Unterseite in einem schaftnahen Bereich eine ringförmige Ausnehmung aufweist, die während des Fügens das nach oben, in Richtung der Eintrittseite, austretende Material des ersten Bauteils aufnimmt. Dadurch liegt die Unterseite des Kopfes des Fügeelements auf dem ersten Bauteil gut an, so dass eine zu große Spaltbildung zwischen der Unterseite des Kopfes und dem ersten Bauteil vermieden wird. So wird verhindert, dass ein korrosives Medium wie Wasser oder Luftfeuchtigkeit im Verbindungsbereich in einen Spalt zwischen Fügeelement und erstem Bauteil eindringt.
Ein solches Fügeelement weist einen Kopf und einen Schaft auf, wobei der Schaft einen Gewindebereich mit einem Außengewinde und einen konisch zulaufenden Bereich umfasst. Dabei weist das Fügeelement in einem kopfnahen Aufnahmebereich einen Durchmesser auf, der geringer als der Schaftdurchmesser im Gewindebereich ist. Dieses Fügeelement kann zum Fügen eines Verbindungsbereiches zweier metallischer Bauteile, insbesondere zweier Fahrzeugrohbaukomponenten, mittels des Fließlochverfahrens verwendet werden. Durch die Verwendung des Fügeelements kann auf das Vorlochen des ersten Bauteils verzichtet werden, da der kopfnahe Aufnahmebereich im Schaft durch seinen geringeren Durchmesser das vom Fügeelement verdrängte Material aufnimmt, so dass sich der Spalt zwischen den Bauteilen nicht weiter erhöht.
Der Schaft des Fügeelements weist entlang seiner axialen Erstreckung unterschiedliche Bereiche auf. Der Aufnahmebereich beginnt an der Stelle, an der die Unterseite des Kopfes an den Schaft des Fügeelements grenzt und endet am Gewindebereich. An den Gewindebereich schließt sich das konisch zulaufende Ende des Schafts an.
Das Fügeelement kann mit Hilfe eines Kaltfließpressverfahrens hergestellt sein, so dass der Aufnahmebereich kostengünstig im Zuge des Kaltfließpressens in das Fügeelement eingebracht werden kann.
Im Folgenden soll die Erfindung und ihre Ausführungsformen anhand der Zeichnungen näher erläutert werden.
Dabei zeigen:
1 eine Schnittansicht eines gefügten Verbindungsbereiches gemäß Stand der Technik und
2 eine Schnittansicht eines gefügten Verbindungsbereiches mit einem erfindungsgemäßen Fügeelement.
In 1 ist ein Verbindungsbereich 1 zweier metallischer Bauteile 2 und 3 gemäß Stand der Technik gezeigt, in den ein Fügeelement 4 unter Verwendung des Fließlochverfahrens eingebracht wurde. Das Fügeelement 4 weist einen Kopf 6 auf, der auf einer Unterseite in einem Bereich, in dem der Kopf 6 an einen Schaft 7 grenzt, eine ringförmige Ausnehmung 8 besitzt. Der Schaft 7 des Fügeelements 4 ist mit einem Gewinde 13 oder mit weiteren lokalen Strukturen versehen und endet in einem konisch zulaufenden Bereich 15. Die Bauteile 2 und 3 sind zwei Fahrzeugrohbaukomponenten, beispielsweise Profile, Bleche oder Gußteile. Im Verbindungsbereich 1 ist das erste Bauteil 2 flächig auf dem zweiten Bauteil 3 angeordnet, wobei das erste Bauteil 2 eine Eintrittsseite 5 aufweist, die dem Kopf 6 des Fügeelements 4 zugewandt ist. Das zweite Bauteil 3 weist auf seiner dem ersten Bauteil 2 abgewandten Seite eine Austrittsseite 9 auf, auf der der Schaft 7 des Fügeelements 4 zumindest abschnittsweise wieder austritt. Beim Fließlochverfahren wird zum Verbinden der Bauteile 2 und 3 das Fügeelement 4 in Rotation mit einer Umdrehungszahl von etwa 5000 U/min versetzt und in den Verbindungsbereich 1 eingebracht. Durch die dabei entstehende Reibungswärme wird der Verbindungsbereich 1 lokal erwärmt, so dass das Material teigig wird. Das Fügeelement 4 durchdringt den Verbindungsbereich 1; hierbei wird ein Durchzug ausgeformt. Wird dabei eine zur Plastifizierung der Bauteile 2, 3 benötigte Temperatur erreicht, so wird spanlos ein Gewinde 16 ausgeformt. Dabei wird das teigige Material aus dem Verbindungsbereich 1 hinausgedrängt. Das auf der Eintrittsseite 5 austretende Material wird dort von der ringförmigen Ausnehmung 8 in der Unterseite des Kopfes 6 des Fügeelements 4 aufgenommen. Des Weiteren dringt auch teigiges Material zwischen die Bauteile 2, 3 und es kommt, wie in 1 gezeigt, zu der Bildung eines Spaltes 10. Weiterhin wird bei der in 1 gezeigten, herkömmlichen Ausführungsform das beim Eindringen des Fügeelements 4 nach oben (d. h. in Richtung des Kopfes 6 des Fügeelements 4) verdrängte Material des Bauteils 2 nicht komplett von der ringförmigen Ausnehmung 8 auf der Unterseite des Kopfes 6 aufgenommen. Dadurch lässt sich das Fügeelement 4 nicht bis zu der Auflage des Kopfes 6 in den Verbindungsbereich 1 eindrehen, wodurch sich ein Spalt 14 zwischen dem Kopf 6 des Fügeelements 4 und dem ersten Bauteil 2 bildet. Durch diesen Spalt 14 kann ein korrosives Medium, z. B. Wasser oder Luftfeuchtigkeit, in den Verbindungsbereich 1 eindringen und so das Korrosionsrisiko erhöhen.
2 zeigt eine erfindungsgemäße Ausgestaltung des Verbindungsbereichs 1' der beiden flach aufeinanderliegenden Bauteile 2 und 3'. Das in dieser Ausführungsform verwendete erfindungsgemäße Fügeelement 4' weist einen zwischen dem Kopf 6 und dem Gewindebereich 11 angeordneten Aufnahmebereich 12 auf. Dieser Aufnahmebereich 12 dient dazu, das vom Fügelement 4' verdrängte Material aufzunehmen. Damit der Aufnahmebereich 12 das verdrängte Material vollständig aufnehmen kann und der in 1 gezeigte Spalt 10 vermieden wird, ist der Aufnahmebereich 12 in seiner axialen Erstreckung etwas größer als die Materialdicke des Bauteils 2 im Verbindungsbereich 1. In seiner horizontalen Erstreckung weist der Aufnahmebereich 12 einen geringeren Durchmesser d als der Schaftdurchmesser d' im Gewindebereich 11 auf. Im Ausführungsbeispiel der 2 beträgt der Durchmesser d des Aufnahmebereichs 12 etwa 70% des Schaftdurchmessers d' im Gewindebereich 11. Im Unterschied zu 1 weist das zweite Bauteil 3' im Verbindungsbereich 1' eine größere Materialdicke auf, so dass auch mehr Material durch das Fügeelement 4' verdrängt wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0464071 B1 [0002]

Claims

Verbindungsbereich (1') zweier Bauteile (2, 3'), bei dem das erste Bauteil (2) eine Eintrittsseite (5) und das zweite Bauteil (3') eine Austrittsseite (9) aufweist, und die beiden Bauteile (2, 3') durch ein Fügeelement (4') mit einem Kopf (6) und einem strukturierten, konisch zulaufenden Schaft (7) verbunden sind, wobei eine Anlagefläche des Kopfes (6) auf der Eintrittsseite (5) des ersten Bauteils (2) angeordnet ist, und der Schaft (7) auf der dem ersten Bauteil (2) abgewandten Austrittsseite (9) des zweiten Bauteils (3') zumindest teilweise austritt, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (7) des Fügeelements (4') in einem kopfnahen Aufnahmebereich (12) einen Durchmesser d aufweist, der geringer ist als ein Schaftdurchmesser d' in dem strukturierten Bereich (11) des Schafts (7).
Verbindungsbereich nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser d des kopfnahen Aufnahmebereichs (12) ca. 90 bis 70% des Schaftdurchmessers d' im strukturieren Bereich (11) des Schafts (7) beträgt.
Verbindungsbereich nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Erstreckung des Aufnahmebereichs (12) nährungsweise einer Materialdicke des ersten Bauteils (2) im Verbindungsbereich (1') entspricht.
Verbindungsbereich nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (4') auf einer dem ersten Bauteil (2) zugewandten Unterseite des Kopfes (6) in einem schaftnahen Bereich eine ringförmige Ausnehmung (8) aufweist.
Fügeelement (4') mit einem Kopf (6) und einem Schaft (7), wobei der Schaft (7) einen Gewindebereich (11) mit einem Außengewinde (13) und einen konisch zulaufenden Bereich (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (4') in einem kopfnahen Aufnahmebereich (12) einen Durchmesser d aufweist, der geringer als der Schaftdurchmesser d' im Gewindebereich (11) ist.
Fügeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaft (7) des Fügeelements (4') entlang seiner axialen Erstreckung unterschiedliche Bereiche aufweist, wobei der kopfnahen Aufnahmebereich (12) an den Gewindebereich (11) angrenzt und sich an den Gewindebereich (11) der konisch zulaufende Bereich (15) anschließt.
Fügeelement nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Fügeelement (4') mit Hilfe eines Kaltfließpressverfahrens hergestellt und der Aufnahmebereich (12) im Zuge des Kaltfließpressens in das Fügeelement (4') eingebracht wird.