DE102014003179A1

DE102014003179A1 - Verfahren zum Verbinden von wenigstens zwei Bauteilen

Info

Publication number: DE102014003179A1
Application number: DE201410003179
Authority: DE
Inventors: Daniel Kohl; Matthias Wagner
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2014-03-01
Filing date: 2014-03-01
Publication date: 2014-09-04

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (10) mit wenigstens einem zweiten Bauteil (12) mittels zumindest eines Fügeelements (14), insbesondere eines Nagels oder einer Schraube, welches an einer Fügestelle (16) von einer dem zweiten Bauteil (12) abgewandten Seite (18) des ersten Bauteils (10) aus in die Bauteile (10, 12) eingetrieben wird, wobei zum lokalen Versteifen des zweiten Bauteils (12) an der Fügestelle (16)
– das zweite Bauteil (12) zeitlich vor dem Eintreiben des Fügeelements (14) mit wenigstens einem mit dem zweiten Bauteil (12) vorzugsweise einstückig ausgebildeten Versteifungselement (28) versehen wird und/oder
– das zweite Bauteil (12) an der Fügestelle (16) mit einer lokalen Aufdickung seiner Wandstärke versehen wird und/oder
– zeitlich vor dem Eintreiben des Fügeelements (14) wenigstens ein weiteres Fügeverfahren durchgeführt wird, mittels welchem das zweite Bauteil (12) lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle (16) versteift wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden von zwei Bauteilen gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solches Verfahren ist beispielsweise der DE 10 2012 104 982 A1 als bekannt zu entnehmen. Bei dem Verfahren wird ein erstes Bauteil mit wenigstens einem zweiten Bauteil mittels zumindest eines Nagels verbunden, welcher an einer Fügestelle von einer dem zweiten Bauteil abgewandten Seite des ersten Bauteils aus in die Bauteile eingetrieben wird. Mit anderen Worten befindet sich das zweite Bauteil beim Eintreiben des Nagels auf einer dem Nagel abgewandten Seite des ersten Bauteils. Bei einem solchen Verfahren handelt es sich beispielsweise um das sogenannte „Bolzensetzen”.
Ferner offenbart die DE 10 2011 114 801 A1 ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei flächigen Fügepartnern in einem Verbindungsbereich, in welchem die Fügepartner zumindest abschnittsweise an einander zugewandten Verbindungsflächen aneinander anliegen. An mindestens einem der Fügepartner wird im Verbindungsbereich ein Dicken-Reduktionsbereich erzeugt, in welchem die Dicke dieses Fügepartners lokal reduziert wird. Mindestens einer der Fügepartner wird im Bereich der Verbindungsflächen mit einem Klebstoff versehen. Die Fügepartner werden so mit ihren Verbindungsflächen aneinander gelegt, dass der Dicken-Reduktionsbereich des einen Fügepartners an der Verbindungsfläche des anderen Fügepartners zu liegen kommt. Ferner wird ein Fügeelement in den Verbindungsbereich eingetrieben.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, bei welchem übermäßige Deformationen der Bauteile vermieden werden können und bei welchem das Gewicht der Bauteile besonders gering gehalten werden kann.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den übrigen Ansprüchen angegeben.
Um ein Verfahren der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art zu schaffen, bei welchem sich übermäßige Verformungen der Bauteile vermeiden lassen bei gleichzeitiger Realisierung eines besonders geringen Gewichts der Bauteile ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass zum lokalen Versteifen des beim Eintreiben des Fügeelements, insbesondere des Nagels, auf einer dem Fügeelement abgewandten Seite des ersten Bauteils angeordneten, zweiten Bauteils an der Fügestelle das zweite Bauteil zeitlich vor dem Antreiben des Fügeelements mit wenigstens einem mit dem zweiten Bauteil vorzugsweise einstückig ausgebildeten Versteifungselement versehen wird. Mit anderen Worten ist das Versteifungselement nicht etwa als separat von dem zweiten Bauteil ausgebildetes, zweites Bauteil ausgebildet sondern in das zweite Bauteil integriert. Bei diesem Versteifungselement handelt es sich beispielsweise um eine Versteifungsrippe oder eine Versteifungssicke, welche durch das zweite Bauteil selbst gebildet wird. Ferner kann es sich bei dem Versteifungselement um eine das zweite Bauteil an der Fügestelle aussteifende Verformung des zweiten Bauteils handeln, welche beispielsweise mittels wenigstens eines Hammerschlags ausgebildet, das heißt in das zweite Bauteil eingebracht ist.
Eine solche Deformation, Versteifungsrippe oder Versteifungssicke ist beispielsweise in unmittelbarer Umgebung der Fügestelle, das heißt beispielsweise links und rechts von der Fügestelle angeordnet.
Die Verwendung von Deformationen beispielsweise bewirkt durch Hammerschläge und/oder der Einsatz von Sicken ist besonders vorteilhaft bei Blechwerkstoffen, welche mittels Hammerschlägen und/oder Sicken besonders gut ausgesteift werden können. Der Einsatz von Rippen zur Aussteifung des zweiten Bauteils ist besonders vorteilhaft bei Gusswerkstoffen, das heißt wenn das zweite Bauteil als Gussbauteil ausgebildet ist.
Alternativ oder zusätzlich ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass das zweite Bauteil an der Fügestelle mit einer lokalen Aufdickung seiner Wandstärke versehen wird. Dies bedeutet, dass das zweite Bauteil an der Fügestelle eine größere Wandstärke beziehungsweise eine größere Wanddicke aufweist als in sich an die Fügestelle anschließenden Bereichen des zweiten Bauteils.
Ferner kann alternativ oder zusätzlich vorgesehen sein, dass zeitlich vor dem Eintreiben des Nagels wenigstens ein weiteres Fügeverfahren durchgeführt wird, mittels welchem das zweite Bauteil lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle versteift wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren handelt es sich vorzugsweise um ein Fügeverfahren beziehungsweise um eine Fügetechnik mit lediglich einseitiger Zugänglichkeit. Dies bedeutet, dass die Bauteile beim Eintreiben des Nagels lediglich von der dem zweiten Bauteil abgewandten Seite des ersten Bauteils aus zugänglich sind, jedoch nicht von einer dem ersten Bauteil abgewandten, zweiten Seite des zweiten Bauteils aus.
Bei dem weiteren Fügeverfahren zum lokalen Versteifen beziehungsweise Aussteifen des zweiten Bauteils handelt es sich vorzugsweise um ein Fügeverfahren beziehungsweise um eine Fügetechnik mit zweiseitiger Zugänglichkeit. Bei einer solchen Fügetechnik handelt es sich beispielsweise um das Punktschweißen und/oder Halbhohlstanznieten und/oder Clinchen.
Bei diesem Aspekt der Erfindung ist es somit vorgesehen, eine Fügereihenfolge gezielt so zu wählen, das zunächst das steifigkeitserhöhende, weitere Fügeverfahren mit zweiseitiger Zugänglichkeit vorzugsweise rund um die Fügestelle zustande kommt beziehungsweise durchgeführt wird. Dies bedeutet, dass das weitere Fügeverfahren beispielsweise derart durchgeführt wird, dass mittels des weiteren Fügeverfahrens um die Fügestelle herum auf das zweite Bauteil eingewirkt wird. Hierdurch kann das zweite Bauteil lokal und gezielt an der Fügestelle versteift werden.
Im Anschluss daran wird ein einseitiges Fügeverfahren durchgeführt, in dessen Rahmen der Nagel in die Bauteile eingetrieben wird. Da das zweite Bauteil vor dem Eintreiben des Nagels lokal und gezielt an der Fügestelle versteift wurde, können dadurch übermäßige Deformationen der Bauteile vermieden werden. Darüber hinaus ist es bei dieser Ausführungsform möglich, das weitere Fügeverfahren gezielt durchzuführen, um die Steifigkeit zeitlich vor dem Eintreiben des Nagels zu erhöhen.
Bei dem weiteren Fügeverfahren kann es sich um Nieten handeln, wobei wenigstens ein Niet zumindest in das zweite Bauteil eingebracht wird. Der Niet kann beispielsweise neben der Fügestelle, in welcher später der Nagel eingetrieben wird, angeordnet werden, um dadurch insbesondere das zweite Bauteil an der Fügestelle zu versteifen.
Der Erfindung liegt die Idee zugrunde, das zweite Bauteile, durch welches das erste Bauteil beim Eintreiben des Nagels abgestützt wird, lediglich lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle und nicht etwa global, das heißt insgesamt auszusteifen. Durch diese lediglich lokale und somit gezielte Aussteifung kann das Gewicht des zweiten Bauteils besonders gering gehalten werden. Gleichzeitig kann eine hinreichende Bauteilsteifigkeit geschaffen werden, so dass übermäßige Deformationen beim Eintreiben des Nagels vermieden werden können.
Dadurch lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren als einseitiges Fügeverfahren, das heißt als Fügeverfahren mit einseitiger Zugänglichkeit besonders gut und prozesssicher durchführen. Insbesondere lässt sich durch die lokal erhöhte Bauteilsteifigkeit eine besonders vorteilhafte Fügeeignung darstellen, so dass beispielsweise auch Werkstoffe und/oder Bauteile mit sehr geringen Wanddicken miteinander gefügt werden können, welche herkömmlicherweise nicht miteinander verbunden werden können. Mit anderen Worten ist gegenüber dem Stand der Technik eine Erweiterung des fügbaren Materialspektrums darstellbar. Darüber hinaus kann auf aufwendige Bauteilkonzepte und/oder kostenintensive Fügetechniken verzichtet werden.
Durch die versteifte Fügestelle kann eine Spaltbildung zwischen den Bauteilen verhindert oder zumindest gering gehalten werden. Dadurch lässt sich eine besonders hohe Fügequalität darstellen. Insbesondere ist es so möglich, in einen zwischen den Bauteilen vorgesehenen Spalt Klebstoff, insbesondere Strukturklebstoff, einzubringen, welcher aufgrund der hohen Fügequalität seine Wirkung besonders gut entfalten kann. Dadurch lassen sich ein besonders stabiler Fügeprozess und eine sehr hohe Tragfähigkeit realisieren. Somit können Frequenzen zur Qualitätsprüfung reduziert werden. Auch lässt sich der Aufwand für Nacharbeiten gering halten.
Ferner kann das erfindungsgemäße Verfahren besonders prozesssicher durchgeführt werden. Gleichzeitig kann durch die nur lokale Anwendung der Versteifungsmaßnahmen das Gewicht der Bauteile gering gehalten werden.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
Die Zeichnung zeigt in:
1 ausschnittsweise eine schematische Seitenansicht zweier miteinander verbundener Bauteile gemäß einer ersten Ausführungsform, welche mittels eines Nagels miteinander verbunden sind, welcher an einer Fügestelle in die Bauteile eingetrieben wird, wobei zum lokalen Versteifen eines der Bauteile an der Fügestelle das eine Bauteil zeitlich vor dem Eintreiben des Nagels mit wenigstens einem mit dem zweiten Bauteil einstückig ausgebildeten Versteifungselement in Form einer Rippe und an der Fügestelle mit einer lokalen Aufdickung seiner Wandstärke versehen wird;
2 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Bauteile;
3 ausschnittsweise eine weitere schematische Perspektivansicht der Bauteile; und
4 ausschnittsweise eine schematische Perspektivansicht der Bauteile gemäß einer zweiten Ausführungsform, wobei zum lokalen Versteifen des zweiten Bauteils an der Fügestelle zeitlich vor dem Eintreiben des Nagels wenigstens ein weiteres Fügeverfahren durchgeführt wird, mittels welchem das zweite Bauteil lokal an der Fügestelle versteift wird.
In den Fig. sind gleiche oder funktionsgleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
1 bis 3 zeigen ein erstes Bauteil 10 und ein zweites Bauteil 12, welche mittels wenigstens eines Nagels 14 miteinander verbunden werden. Hierzu wird ein entsprechendes Verfahren durchgeführt, wobei es sich beispielsweise um ein Bolzensetzverfahren handelt. Aus 1 und 4 ist erkennbar, dass die Bauteile 10 und 12 auch mittels mehrerer Nägel 14 gefügt werden können. Bei dem Verfahren kommt als Fügetechnik insbesondere das sogenannte Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen oder ein FLS-Verfahren (FLS – Fließloch formende Schraube) zum Einsatz. Das Verfahren eignet sich besonders gut bei einer nur einseitigen Zugänglichkeit der Bauteile 10, 12. Dies bedeutet, dass die Bauteile 10, 12 nur von einer Seite aus zugänglich sind, um die Bauteile 10, 12 von dieser Seite aus miteinander zu fügen.
Der jeweilige Nagel 14 wird an einer jeweiligen Fügestelle 16 von einer dem zweiten Bauteil 12 abgewandten ersten Seite 18 des ersten Bauteils 10 aus in die Bauteile 10 und 12 eingetrieben. Dies bedeutet, dass das zweite Bauteil 12 beim Eintreiben des Nagels 14 auf einer dem Nagel 14 abgewandten zweiten Seite 20 des ersten Bauteils 10 angeordnet ist. Der Nagel 14 weist einen Schaft 22, eine Spitze 24 und einen Kopf 26 auf.
Um nun übermäßige Deformationen der Bauteil 10 und 12 beim Eintreiben des Nagels 14 zu vermeiden sowie gleichzeitig das Gewicht der Bauteil 10 und 12 besonders gering zu halten, wird das zweite Bauteil 12 lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 versteift.
Anhand von 1 bis 3 ist eine erste Ausführungsform des Verfahrens veranschaulicht. Bei dieser ersten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das zweite Bauteil lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 dadurch versteift wird, dass das zweite Bauteil 12 zeitlich vor dem Eintreiben des Nagels 16 mit wenigstens einem mit dem zweiten Bauteil 12 vorzugsweise einstückig ausgebildeten Versteifungselement vorliegend in Form einer Rippe 28 versehen wird. Aus 2 und 3 ist erkennbar, dass vorliegend wenigstens zwei Versteifungselemente in Form von Rippen 28 ausgebildet werden. Die Rippen 28, welche auch als „Versteifungsrippen” bezeichnet werden, sind vorzugsweise einstückig mit dem Bauteil 12 ausgebildet beziehungsweise in das Bauteil 12 integriert und seitlich neben der Fügestelle 16, das heißt links und rechts neben der Fügestelle 16 angeordnet. Das Bauteil 12 ist beispielsweise als Gussbauteil ausgebildet, wobei die Rippen 28 bereits beim Urformen, das heißt beim Gießen des zweiten Bauteils 12 ausgebildet werden.
Wäre das zweite Bauteil 12 beispielsweise als Blechbauteil ausgebildet, so würden sich zur lokalen Versteifung des zweiten Bauteils 12 an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 auch besonders gut Versteifungssicken und/oder durch Hammerschläge bewirkte Deformationen eignen, um das zweite Bauteil 12 gezielt und lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 zu versteifen. Durch derartige Rippen, Hammerschläge und/oder Sicken lässt sich lokal eine Steifigkeitserhöhung erzeugen. Zum Teil können auch vorhandene geometrische Gegebenheiten gezielt dafür genutzt werden, wobei es sich beispielsweise um Angussstellen handelt. Durch die lediglich lokale und nicht etwa globale Versteifung des zweiten Bauteils 12 kann das Gewicht des zweiten Bauteils 12 besonders gering gehalten werden.
Bei den Bauteilen 10 und 12 handelt es sich beispielsweise um Bauteile, insbesondere Karosseriebauteile, eines Kraftwagens, insbesondere eines Personenkraftwagens. Da das Gewicht der Bauteile 10 und 12 gering gehalten werden kann, kann auch das Gewicht des Kraftwagens insgesamt besonders gering gehalten werden.
Besonders gut aus 3 ist erkennbar, dass zum lokalen Versteifen des zweiten Bauteils 12 an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 das zweite Bauteil 12 an der Fügestelle 16 mit einer lokalen Aufdickung seiner Wandstärke versehen wird. Mit anderen Worten weist das zweite Bauteil 12 an der Fügestelle 16 und vorliegend zwischen den Rippen 28 eine größere Wanddicke auf als in sich an die Fügestelle 16 anschließenden Bereichen des zweiten Bauteils 12. Durch die lediglich lokale Aufdickung kann im Gegensatz zu einer großflächigen, globalen und durch eine besonders großflächige Aufdickung bewirkte Steifigkeitserhöhung das Gewicht des Bauteils 12 besonders gering gehalten werden.
Durch die lokale Aussteifung des Bauteils 12 lässt sich auch ein besonders großes Prozessfenster realisieren. Innerhalb dieses Prozessfensters lässt sich eine Verbindung der Bauteile 10 und 12 mit hinreichenden Eigenschaften schaffen. Durch die lokale Versteifung ist es somit möglich, auch Bauteile mit besonders geringer Wanddicke, insbesondere in an die Fügestelle 16 angrenzenden Bereichen, zu fügen. Vorzugsweise beträgt die Wanddicke mindestens 3,2 Millimeter, insbesondere bei Gusswerkstoffen beziehungsweise Gussbauteilen.
Anhand von 4 ist eine zweite Ausführungsform des Verfahrens veranschaulicht. Bei der zweiten Ausführungsform ist es vorgesehen, das zum lokalen Versteifen des zweiten Bauteils 12 an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 zeitlich vor dem Eintreiben des Nagels 14 wenigstens ein weiteres Fügeverfahren durchgeführt wird, mittels welchem das zweite Bauteil 12 lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle 16 ausgesteift wird. Als dieses weitere Fügeverfahren wird bei der zweiten Ausführungsform Nieten, das heißt ein Nietverfahren durchgeführt. Im Rahmen des Nietens wird wenigstens ein Niet vorliegend in Form eines Halbhohlstanzniets 30 zumindest in das zweite Bauteil 12 und insbesondere neben der Fügestelle 16, an welcher der Nagel 14 eingetrieben wird, eingetrieben beziehungsweise eingebracht. Durch das Einbringen des Niets 30 insbesondere im Bereich der Fügestelle 16 oder um die Fügestelle herum kann eine Steifigkeitserhöhung an der Fügestelle 16 bewirkt werden.
Bei der zweiten Ausführungsform des Verfahrens sind somit zwei Fügeverfahren vorgesehen. Im Rahmen eines ersten dieser Fügeverfahren wird der Niet 30 zumindest in das Bauteil 12 eingebracht. Im Rahmen des zweiten Fügeverfahrens wird dann der Nagel 14 in die Bauteile 10 und 12 eingetrieben. Die Fügereihenfolge ist dabei so gewählt, dass zunächst das steifigkeitserhöhende, erste Fügeverfahren und zeitlich daran anschließend das zweite Fügeverfahren durchgeführt wird.
Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die vorliegenden Ausführungsformen. Beispielsweise können zwischen dem ersten Bauteil 10 und dem zweiten Bauteil 12 noch weitere nicht näher dargestellte Bauteile liegen, so dass insbesondere mittels dem sogenannten Hochgeschwindigkeits-Bolzensetzen oder einem FLS-Verfahren drei und/oder mehr Bauteile gleichzeitig bzw. in einem Verfahrensschritt miteinander gefügt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012104982 A1 [0002]
DE 102011114801 A1 [0003]

Claims

Verfahren zum Verbinden eines ersten Bauteils (10) mit wenigstens einem zweiten Bauteil (12) mittels zumindest eines Fügeelements (14), insbesondere eines Nagels oder einer Schraube, welches an einer Fügestelle (16) von einer dem zweiten Bauteil (12) abgewandten Seite (18) des ersten Bauteils (10) aus in die Bauteile (10, 12) eingetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass zum lokalen Versteifen des zweiten Bauteils (12) an der Fügestelle (16) – das zweite Bauteil (12) zeitlich vor dem Eintreiben des Fügeelements (14) mit wenigstens einem mit dem zweiten Bauteil (12) vorzugsweise einstückig ausgebildeten Versteifungselement (28) versehen wird und/oder – das zweite Bauteil (12) an der Fügestelle (16) mit einer lokalen Aufdickung seiner Wandstärke versehen wird und/oder – zeitlich vor dem Eintreiben des Fügeelements (14) wenigstens ein weiteres Fügeverfahren durchgeführt wird, mittels welchem das zweite Bauteil (12) lokal an und/oder in der Umgebung der Fügestelle (16) versteift wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als das Versteifungselement (28) eine Versteifungsrippe (28) oder Versteifungssicke oder eine durch wenigstens einen Hammerschlag ausgebildete Deformation des zweiten Bauteils (12) ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als das weitere Fügeverfahren eine zweiseitige Fügetechnik, insbesondere Punktschweißen und/oder Halbhohlstanznieten und/oder Clinchen, verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten Bauteil (10) und dem zweiten Bauteil (12) wenigstens ein weiteres Bauteil angeordnet wird.