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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Nietverbindung und ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung, die aus einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, die mit einem Niet verbunden sind/werden, ausgebildet ist.
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Es sind Nietverbindungen, insbesondere Blindnietverbindungen, bekannt, bei denen zwei Bauteile mit einem Niet miteinander verbunden werden. In 5 ist eine derartige Nietverbindung gezeigt, wobei ein erstes Bauteil 103 und eine zweites Bauteil 105 mit einem Blindniet 107 verbunden sind. Zusätzlich ist eine Klebemittelschicht 104 zwischen dem ersten Bauteil 103 und dem zweiten Bauteil 105 ausgebildet. Der Blindniet 107 ist von der Seite des ersten Bauteils 103 durch beide Bauteile geführt, so dass ein Setzkopf 109 des Blindniets 107 an einer Außenseite des ersten Bauteils 103 anliegt. Auf einer Außenseite des zweiten Bauteils 105 ist der Schließkopf 111 des Blindniets 107 ausgebildet. Insbesondere ist der Schließkopf 111 mittels eines Nietdorns 125 ausgebildet, so dass der Schließkopf 111 gegen einen Rand eines Nietdurchgangslochs des zweiten Bauteils 105 verstemmt ist.
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Es ist nunmehr die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nietverbindung und ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung zu schaffen, bei dem die Nietverbindung einfacher hergestellt werden kann und eine Beanspruchung eines Bauteils durch einen Niet verringert ist.
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Diese Aufgabe wird mit einer Nietverbindung gelöst, die die Merkmale von Patentanspruch 1 aufweist. Ferner wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung gelöst, das die Merkmale und Schritte von Patentanspruch 11 aufweist.
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Insbesondere weist die erfindungsgemäße Nietverbindung ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil auf, die mit zumindest einem Niet verbunden sind. Ein Setzkopf des Niets ist auf einer Seite des ersten Bauteils ausgebildet und ein Schließkopf des Niets ist auf einer Seite des zweiten Bauteils ausgebildet. Eine Hülse ist in dem zweiten Bauteil vorfixiert, wobei sich ein Schaft des Niets durch die Hülse erstreckt und der Schließkopf an der Hülse anliegt. Der Begriff „vorfixiert” bedeutet, dass die Hülse zuvor an dem zweiten Bauteil befestigt wurde, bevor die eigentliche Nietverbindung ausgebildet worden ist.
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Durch eine Anlage des Schließkopfes an der Hülse ist verhindert, dass Kräfte des Schließkopfes direkt auf das zweite Bauteil wirken und dieses beschädigen.
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Ferner ist bei der Nietverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung das zweite Bauteil aus Kunststoff ausgebildet. Bevorzugt ist das zweite Bauteil aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), ausgebildet.
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Ein Nietvorgang erzeugt lokal eine hohe Flächenpressung, insbesondere im Bereich des Schließkopfes. Kunststoff, insbesondere faserverstärkter Kunststoff, ist hinsichtlich einer hohen Flächenpressung jedoch besonders empfindlich ist, d. h. kann nur bis zu einer bestimmten Flächenpressung ohne Schädigung beansprucht werden. Gemäß der vorliegenden Erfindung kann jedoch durch die Anlage des Schließkopfes an der Hülse verhindert werden, dass das zweite Bauteil beim Ausbilden des Schließkopfes und danach im Bereich des Schließkopfes beschädigt wird.
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Auch das erste Bauteil kann aus einem Kunststoff, beispielsweise einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoff (CFK), ausgebildet sein.
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Die Hülse kann eine zylindrische, bevorzugt kreiszylindrische, äußere Form aufweisen. Dabei kann die äußere Form der Hülse an ein Durchgangsloch des zweiten Bauteils angepasst sein.
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Bevorzugt weist bei der Nietverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung die Hülse einen Bund auf, der schließkopfseitig an dem zweiten Bauteil anliegt. Mit anderen Worten liegt der Bund an einer Seite des zweiten Bauteils an, auf der sich der Schließkopf des Niets befindet. Die Hülse kann eine im Wesentlichen zylindrische, insbesondere kreiszylindrische äußere Form haben, an der der Bund ausgebildet ist. Der Bund kann auch als Kragen oder Flansch bezeichnet werden.
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Hierdurch kann die Hülse einfacher in bzw. an dem zweiten Bauteil positioniert werden und vorfixiert werden. Eine erleichterte Positionierung kann insbesondere dadurch erreicht werden, dass sie in das Durchgangsloch des zweiten Bauteils einführbar ist. Dabei ist die äußere Form der Hülse, d. h. der Teil ohne Bund, an den inneren Umfang des Durchgangslochs angepasst. Ferner hat der Bund den Vorteil, dass ein Bereich, an dem der Schließkopf an der Hülse anliegen kann, erhöht ist. Weiterhin bedingt der Bund eine zumindest in eine Richtung formschlüssige Verbindung mit dem zweiten Bauteil, so dass ein Versetzen der Hülse bei einem Schließen des Schließkopfes vermieden werden kann.
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Weiterhin ist bei der Nietverbindung der Bund der Hülse umlaufend ausgebildet. Dies bedeutet, dass der Bund am gesamten Umfang der Hülse ausgebildet ist.
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Hierdurch ist eine Anlagefläche des Bundes an dem zweiten Bauteil vergrößert und eine Krafteinleitung von dem Schließkopf über den Bund auf das zweite Bauteil über einen größeren Bereich gleichmäßiger verteilt. Eine punktuell hohe Beanspruchung des zweiten Bauteils durch den Schließkopf ist dadurch verringert.
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Bevorzugt ist bei der Nietverbindung gemäß der vorliegenden Erfindung, die die Hülse mit dem Bund aufweist, ein Außendurchmesser des Bundes größer als ein größter Durchmesser des Schließkopfes.
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Hiermit wird vermieden, dass der Schließkopf in Kontakt mit dem zweiten Bauteil kommt und der Schließkopf über seine gesamte Fläche an dem Bund anliegen kann.
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Vorteilhaft ist die Hülse an dem zweiten Bauteil reibschlüssig oder formschlüssig vorfixiert. Eine reibschlüssige Verbindung kann beispielsweise durch ein Einpressen ausgebildet sein. Eine formschlüssige Verbindung kann durch ein Einclipsen ausgebildet sein.
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Hierdurch ist gewährleistet, dass die Hülse nicht abfallen kann, bevor die Nietverbindung ausgebildet wird. Damit kann das zweite Bauteil einschließlich der Hülse leichter gehandhabt werden. Ferner kann durch die reibschlüssige oder formschlüssige Verbindung der Hülse mit dem zweiten Bauteil unterbunden werden, dass bei einem Einführen des Niets durch das erste Bauteil und durch die Hülse, die Hülse abfällt.
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Bevorzugt kann die Hülse an dem zweiten Bauteil durch Kleben vorfixiert sein. Ein Kleben kann insbesondere auch bei einer formschlüssigen Verbindung oder einer reibschlüssigen Verbindung der Hülse mit dem zweiten Bauteil eine zusätzliche Fixierung darstellen.
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Wie vorstehend erläutert ist, wird hierdurch ein Abfallen der Hülse bis zu dem Zeitpunkt verhindert, an dem der Schließkopf geschlossen wird.
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Weiterhin kann die Hülse in einer Kunststoffmatrix des zweiten Bauteils eingebettet und durch diese fixiert sein.
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Eine Kunststoffmatrix ist eine polymere Matrix, die aus Duroplast, Thermoplast oder Elastomer bestehen kann. Insbesondere im Falle eines faserverstärkten Kunststoffes umgibt die Kunststoffmatrix Fasern des faserverstärkten Kunststoffes. Die Hülse kann bei einem Ausbilden der Kunststoffmatrix derart angeordnet sein, dass diese in dem zweiten Bauteil eingebettet und von der Kunststoffmatrix umgeben ist. Hierbei ist die Hülse besonders fest an dem zweiten Bauteil fixiert.
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Zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil kann ferner eine Klebemittelschicht ausgebildet sein.
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Die Nietverbindung kann somit eine Scherbeanspruchung der Klebemittelschicht reduzieren.
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Ebenso können auch noch weitere Bauteile zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil angeordnet sein.
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Ferner ist bevorzugt ein Durchmesser eines Niet-Durchgangslochs des ersten Bauteils größer als ein Durchmesser eines Niet-Durchgangslochs der Hülse.
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Dies hat den Vorteil, dass eine Lagetoleranz des ersten Bauteils in Bezug auf das zweite Bauteil vergrößert werden kann. Größere Toleranzen ergeben in der Regel geringere Kosten bei der Fertigung.
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Besonders bevorzugt ist der Niet ein Blindniet. Ein Blindniet wird lediglich von einer Seite montiert, das heißt im Fall der vorliegenden Erfindung von der Seite des ersten Bauteils.
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Dies ist besonders vorteilhaft, wenn eine Zugänglichkeit von der Seite des zweiten Bauteils eingeschränkt ist oder gar nicht möglich ist. Insbesondere ist hierbei die Vorfixierung der Hülse von besonders großem Vorteil.
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Die erfindungsgemäße Hülse kann ferner aus Metall bestehen. Alternativ kann die Hülse aus einem Kunststoff, bevorzugt einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoff bestehen.
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Insbesondere bei einer Hülse aus Kunststoff ist ein Korrosionsrisiko des Niet erheblich reduziert.
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Weiterhin kann auch in dem ersten Bauteil eine setzkopfseitige Hülse vorfixiert sein. Die setzkopfseitige Hülse kann die gleichen Merkmale aufweisen, wie die vorstehend beschriebene schließkopfseitige Hülse. Eine setzkopfseitige Hülse schützt das erste Bauteil, insbesondere wenn es aus Kunststoff besteht, vor einer Beschädigung. Allerdings ist die Beanspruchung auf der Seite des Schließkopfes größer als auf der Seite des Setzkopfes, so dass eine Notwendigkeit für eine setzkopfseitige Hülse geringer ist.
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Die Nietverbindung kann insbesondere bei der Verbindung von Karosseriebauteilen eines Kraftfahrzeugs verwendet werden. Die Karosseriebauteile können dabei aus kohlefaserverstärktem Kunststoff bestehen und in einem automatisierten Prozess verbunden werden.
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zum Verbinden mittels einer Nietverbindung, die vorstehend beschrieben ist, bestehend aus einem ersten Bauteil, einem zweiten Bauteil sowie einem Niet. Das Verfahren weist die folgenden Schritte auf:
- – Fixieren einer Hülse an dem zweiten Bauteil,
- – Einbringen eines Niet von der Seite des ersten Bauteils, so dass der Niet sich durch das erste Bauteil und durch die Hülse in dem zweiten Bauteil erstreckt, und
- – Schließen des Niet auf der Seite des zweiten Bauteils derart, dass der Schließkopf an der Hülse anliegt.
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Der Schritt Fixieren der Hülse an dem zweiten Bauteil kann vor einem Anordnen des zweiten Bauteils an dem ersten Bauteil erfolgen und kann insbesondere bei der Herstellung des zweiten Bauteils erfolgen.
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Da die Hülse fixiert, d. h. befestigt ist, kann das zweite Bauteil transportiert und gehandhabt werden, ohne dass die Hülse von dem zweiten Bauteil abfällt.
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Bei dem Einbringen des Niets ist es ferner nicht notwendig, die Hülse in irgendeiner Form zu halten, da sie bereits fixiert ist. Hierdurch kann der Niet ausschließlich von einer Seite montiert werden.
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Bei dem Schließen des Niets wird ferner der Schließkopf in Anlage an der Hülse ausgebildet. Das heißt, dass Kräfte bei einem Verstemmen des Schließkopfes auf die Hülse, insbesondere deren innere Umfangskante, wirken. Die Kräfte, die beim Verstemmen auf die Hülse wirken werden dann über eine größere Fläche auf das zweite Bauteil verteilt.
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Bevorzugt wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren das zweite Bauteil aus faserverstärktem Kunststoff gefertigt. Dabei kann der Schritt Fixieren einer Hülse an dem zweiten Bauteil folgende Schritte aufweisen:
- – Anordnen der Hülse in einem Faserhalbzeug und
- – Fixieren der Hülse durch Ausbilden einer Kunststoffmatrix um eine äußere Kontur der Hülse.
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Damit beginnt der Schritt Fixieren der Hülse bereits bei einer Herstellung des zweiten Bauteils aus faserverstärktem Kunststoff. Ein Faserhalbzeug kann beispielsweise aus einem Gewebe, Gelege oder einem Vlies bestehen.
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Insbesondere kann die Hülse bei einem Schließen eines Werkzeuges, d. h. einer Form, in das Faserhalbzeug eingeführt werden. Danach wird die Hülse bei einem Einspritzen des Kunststoffmatrixwerkstoffes in das geschlossene Werkzeug von der Kunststoffmatrix umgeben werden. Dabei kann die Hülse auf einem Vorsprung des Werkzeuges sitzen. Der Vorsprung kann ein sich verjüngendes Ende aufweisen, so dass bei dem Schließen des Werkzeuges der Vorsprung die Fasern des Faserhalbzeuges zur Aufnahme der Hülse in dem Faserhalbzeug bei Seite schieben kann.
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Ferner kann analog der Fixierung der schließkopfseitigen Hülse in dem zweiten Bauteil eine setzkopfseitige Hülse in dem ersten Bauteil vorfixiert werden.
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Nachstehend erfolgt eine Kurzbeschreibung der Zeichnungen.
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1 ist eine Schnittansicht einer Nietverbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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2 ist eine Schnittansicht der Nietverbindung vor Ausbildung eines Schließkopfes gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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3 ist eine Schnittansicht eines ersten Bauteils mit einer Hülse gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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4 ist eine Schnittansicht einer Nietverbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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5 ist eine Schnittansicht einer Nietverbindung gemäß einem Stand der Technik.
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Im Folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Einzelheiten beschrieben.
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1 ist eine Schnittansicht einer Nietverbindung 1, bei der ein erstes Bauteil 3 und ein zweites Bauteil 5 über einen Niet 7 miteinander verbunden sind. Zwischen dem ersten Bauteil 3 und dem zweiten Bauteil 5 ist eine Klebemittelschicht ausgebildet. Die beiden Bauteile 3 und 5 sind also miteinander verklebt und durch den Niet 7 zusätzlich miteinander verbunden.
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Das zweite Bauteil 5 besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere einem kohlefaserverstärkten Kunststoff. Auch das erste Bauteil 3 des vorliegenden Ausführungsbeispiels besteht aus einem faserverstärkten Kunststoff, insbesondere kohlefaserverstärkten Kunststoff.
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Ein Schließkopf 9 des Niets 7 liegt an einer äußeren Seite des ersten Bauteils 3 an. Ein Schaft 15 des Niets 7 erstreckt sich durch eine Nietdurchgangsöffnung 21 des ersten Bauteils 3 sowie durch eine Nietdurchgangsöffnung 23 einer Hülse 13. Die Hülse 13 ist eine Hülse mit einem umlaufenden Bund 19 und kann auch als Bundhülse bezeichnet werden. Der Bund 19 liegt an einer äußeren Seite des zweiten Bauteils 5 an. Ferner ist die Hülse 13 in ein Hülsenaufnahmeloch 29 des zweiten Bauteils 5 eingebracht. Die Hülse 13 ist mit dem zweiten Bauteil 5 durch Verkleben und/oder Verpressen vorfixiert. Ein Schließkopf 11 des Niets 7 erstreckt sich über die Hülse 13 bzw. deren Bund 19. Somit sind die Bauteile 3 und 5 fest über den Niet 7 verbunden, ohne dass ein direkter Kontakt des Niets 7, insbesondere des Schließkopfes 11, mit dem zweiten Bauteil 5 besteht.
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Der Niet 7 ist ein sogenannter Blindniet, der von einer Seite, das heißt im vorliegenden Fall von der Seite des ersten Bauteils 3, einführbar ist.
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Ferner ist in 1 zu sehen, dass ein Niet-Durchgangsloch 21 des ersten Bauteils 3 einen deutlich größeren Durchmesser als der Durchmesser des Schafts 15 des Niets 7 hat. Außerdem ist der Durchmesser des Niet-Durchgangslochs 21 größer als der Durchmesser des Niet-Durchgangslochs 23 der Hülse 13. Somit kann eine erforderliche Lagegenauigkeit des ersten Bauteils 3 gegenüber dem zweiten Bauteil 5 reduziert werden, wodurch Fertigungskosten reduziert werden können.
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Es kann sowohl die Klebemittelschicht 4 weggelassen werden als auch ein weiteres Bauteil durch die Nietverbindung 1 zusammen mit den Bauteilen 3 und 5 miteinander verbunden werden.
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Der Niet 7 kann aus einem metallischen Werkstoff bestehen, zum Beispiel Stahl oder Aluminium.
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Bei dem Niet 7 des ersten Ausführungsbeispiels ist der hohle Schaft 15 auf der Schließkopfseite gefaltet.
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Es sind auch beliebige andere Nietformen einsetzbar.
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In Bezug auf 2 und 3 ist nachstehend ein Verfahren zum Herstellen der Nietverbindung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel beschrieben.
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Wie in 2 gezeigt ist, wird der Blindniet 7 von der Seite des ersten Bauteils 3 durch das Durchgangsloch 21 des ersten Bauteils 3 und das Durchgangsloch 23 der Hülse 13 durchgeführt, bis der Setzkopf 9 an dem ersten Bauteil 3 anliegt. Dann wird durch Ziehen an einem Bolzen 27 ein Nietdorn 25 derart gezogen, dass ein Ende des Niets 7 gegenüber der Hülse 13 verstemmt und umgefaltet wird und der Schließkopf 11 ausgebildet wird.
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In 3 ist das zweite Bauteil 5 gezeigt, an dem die Hülse 13 vormontiert bzw. vorfixiert ist, bevor die beiden Bauteile 3 und 5 miteinander verbunden werden. Die Hülse 13 wird in das Hülsenaufnahmeloch 29 des zweiten Bauteils 5 eingeführt, bis sie mit ihrem Bund 19 an der äußeren Seite des zweiten Bauteils 5 anliegt. Insbesondere ist die Hülse 13 mit ihrem kreiszylindrischen Abschnitt vollständig in das Hülsenaufnahmeloch 29 des zweiten Bauteils 5 eingeführt, so dass sich der Bund 19 in Anlage an dem zweiten Bauteil 5 befindet. Wie vorstehend erläutert ist, wird die Hülse 13 an dem zweiten Bauteil 5 vorfixiert, so dass ein Abfallen der Hülse 13 während einer Handhabung des zweiten Bauteils 5 nicht möglich ist. Insbesondere wird die Hülse eingepresst und/oder eingeklebt.
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Beim Schließen des Schließkopfes verhindert dabei die Hülse 13, dass der Schließkopf 11 gegenüber dem zweiten Bauteil 5 verstemmt wird und das zweite Bauteil 5 beschädigt wird. Die Hülse 13 mit dem Bund 19 ist derart ausgebildet, dass die Kräfte, die durch den Schließkopf 11, insbesondere beim Schließen des Schließkopfes 11, wirken, über eine größere Fläche des zweiten Bauteils 5 verteilt werden.
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Die Vorfixierung der Hülse 13 hat den großen Vorteil, dass eine Verbindung der zwei Bauteile nur von einer Seite mittels des Blindniets 7 erfolgen kann. Da die Hülse 13 an dem zweiten Bauteil 5 fixiert ist, muss die Hülse 13 nicht auf der Seite des zweiten Bauteils 5 gehalten werden, wenn der Niet 7 eingeführt wird.
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Die beschriebene Nietverbindung des Ausführungsbeispiels ist insbesondere geeignet für eine automatisierte Großserienfertigung, zum Beispiel bei der Fertigung einer Automobilkarosserie, die aus kohlefaserverstärkten Bauteilen besteht.
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4 ist eine Schnittansicht einer Nietverbindung 1' gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, bei der ein erstes Bauteil 3' und ein zweites Bauteil 5' über einen Niet 7' miteinander verbunden sind. Im Unterschied zu dem ersten Ausführungsbeispiel ist ein hohler Schaft 15' des Niet 7' des zweiten Ausführungsbeispiels auf der Seite eines Schließkopfes 11' aufgeweitet und nicht umgefaltet. Abgesehen von diesem Unterschied entspricht das zweite Ausführungsbeispiel dem ersten Ausführungsbeispiel und ist hinsichtlich der gemeinsamen Merkmale nicht weiter beschrieben.
