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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Klemmkraft einer Nietverbindung.
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Niete, die vorwiegend zum unlösbaren Fügen von Blechteilen eingesetzt werden, bieten gegenüber Schrauben den Vorteil, dass in keines der Bauteile ein Gewinde eingebracht werden muss. Im Gegensatz zu normalen Nietverbindungen ist bei Blindnietverbindungen für den Fügevorgang nur der Zugang zu einer Seite der zu verbindenden Bauteile erforderlich.
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Die Bestimmung der Klemmkraft von Nietverbindungen, insbesondere von Blindnietverbindungen, ist wichtig für die Beurteilung der Verbindungsfestigkeit und für die Qualitätsüberwachung der Vernietung, vor allem in der Serienfertigung.
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Grundsätzlich ist eine formschlüssige Nietverbindung optisch am deformierten Schließkopf zu erkennen. Die Qualität, d. h. die tatsächliche Festigkeit einer Nietverbindung, kann aber nur an speziellen Prüfständen ermittelt werden. Mit den aus dem Stand der Technik bekannten Messaufbauten lassen sich aber grundsätzlich keine Originalverbindungen messen, da immer ein Teil des Messaufbaus, beispielsweise eine Messschale, in die zu prüfende Verbindung mit eingeklemmt werden muss.
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Im Abschlussbericht „Ermittlung des Einflusses von verbleibender Klemmkraft auf die Schwingfestigkeit von hochfesten Blindnietverbindungen“ des Laboratoriums für Werkstoff- und Fügetechnik der Universität Paderborn von Prof. Dr.-Ing. Ortwin Hahn und Dipl.-Wirt.-Ing. Mathias Heger, 2008 (Forschungsvorhaben: AiF-Nr.: 14577N) ist ein Reibprüfstand gezeigt und beschrieben, mit dem die Klemmkraft einer Blindnietverbindung gemessen werden kann. Obwohl es sich bei der Messung auf einem Reibprüfstand um eine etablierte Methode zur Bestimmung der Klemmkraft einer Blindnietverbindung handelt, ist auch diese Methode mehr von akademischem als von praktischem Nutzen. Beim erwähnten Reibprüfstand lassen sich zwar prinzipiell Originalverbindungen prüfen, jedoch müssen die Proben eine bestimmte vorgegebene Form aufweisen, damit sie in den Prüfstand passen. Eine Prüfung von Blindnietverbindungen an Bauteilen oder Proben, die nicht in die Messaufnahme des Reibprüfstands passen, ist derzeit nicht möglich.
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In der
DE 44 01 134 C2 ist ein Verfahren zur Überwachung der Verarbeitung von Blindbefestigern beschrieben, bei denen über den Setzvorgang eine Kraftkomponente gemessen wird und das gewonnene Messsignal im Echtzeitbetrieb als Soll-Ist-Vergleich zwischen dem Setzprozessende und dem nächstfolgenden Setzprozess ausgewertet wird. Außerhalb des Zugmechanismus des Setzgeräts wird die durch den Blindbefestlger geflossene, umgelenkte und der Zugkraftrichtung entgegengesetzte Kraftkomponente gemessen. Die gewonnenen Messwerte werden in dem Soll-Ist-Vergleich mit einer Idealkurve verglichen, oder sie werden in einer nicht setzprozessparallelen Auswertung mit eindeutiger Zuordnungsmöglichkeit des Ergebnisses zum entsprechenden Niet verarbeitet.
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Die
DE 10 2005 048 384 B3 betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Kontrolle der kraftschlüssigen Verbindung zweier Körper, um die Verbindung dieser Körper, beispielsweise durch eine Schraubverbindung, auf ihre aktuelle Spannkraft zu überprüfen. Hierzu wird im kraftschlüssigen Verbindungsbereich zwischen den zwei Körpern eine Vorrichtung mit mindestens zwei flach aufeinander angeordneten flächige Bauteile angeordnet wird. Auf mindestens einer der einander zugewandten Oberflächen der beiden Bauteile ist ein Kraftsensor in Dünnschichttechnik angeordnet. Auf einem zwischen den beiden Bauteilen angeordneten scheibenförmigen Zwischenelement sind elektrische Kontakte zur Ableitung der Sensorsignale aus dem Sensor sowie elektrische Koppelelemente zur Übertragung der Sensorsignale und/oder elektronische Bauelemente zur Signalverarbeitung angeordnet. Über die Koppelelemente werden die Sensorsignale ausgelesen und anschließend verarbeitet.
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Die
DE 10 2009 035 892 A1 beschreibt ein Verfahren zur Klemmkraftermittlung an einer wenigstens zwei Komponenten verbindenden mechanischen Fügeverbindung mittels Schallwelleneinkopplung in die Fügeverbindung. Die mechanische Fügeverbindung wird zur Ausführung von Schwingungen angeregt. Die Schwingungen werden erfasst und ausgewertet unter Zugrundelegung von in einem Referenzdatensatz abgelegten Referenzschwingungsmustern, denen jeweils eine bekannte, in der zu untersuchenden Fügeverbindung vorherrschende Klemmkraft zugeordnet ist.
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Die
DE 10 2012 012 013 A1 betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Festigkeit einer Fügeverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, welche durch ein Fügeelement der Fügeverbindung miteinander verbunden sind. In Richtung der Längsachse des Fügeelements wird eine erste Prüfkraft auf einen aus dem zweiten Bauteil herausragenden Endbereich des Fügeelements ausgeübt. Gleichzeitig wird eine der ersten Prüfkraft entgegengerichtete zweite Prüfkraft auf einen Bereich des zweiten Bauteils ausgeübt. Die erste und die zweite Prüfkraft werden solange erhöht, bis das Fügeelement zumindest im Wesentlichen aus dem zweiten Bauteil herausbefördert ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine schnelle und einfache Prüfung einer Nietverbindung, insbesondere einer Blindnietverbindung, unabhängig von deren konkreter Form zu ermöglichen.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte und zweckmäßige Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Bestimmung der Klemmkraft einer Nietverbindung, insbesondere einer Blindnietverbindung, bei der die Nietverbindung durch einen Niet mit einem Setzkopf und einem deformierten Schließkopf gebildet ist, umfasst folgende Schritte:
- - Ausüben eines Drehmoments auf den Niet; und
- - Bestimmen des Drehmoments, insbesondere des Losbrechmoments, des Niets.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass von einem auf den Niet ausgeübten Drehmoment und dem daraus resultierenden Verhalten des Niets auf die Klemmkraft des Niets geschlossen werden kann. Insbesondere ist das Drehmoment von Interesse, bei dem der Niet in den gefügten Bauteilen in Drehung versetzt werden kann (sog. „Losbrechmoment“). Aus diesem Drehmoment kann bei Kenntnis der Reibwerte die axiale Klemmkraft des Niets bestimmt werden. Gegebenenfalls können weitergehende Rückschlüsse über die Festigkeit der Nietverbindung aus der Messung des Widerstands gezogen werden, den die Blindnietverbindung der Drehung entgegensetzt. Für eine einfache Prüfung, z. B. im Rahmen der Qualitätssicherung, kann es bereits ausreichend sein, wenn bestätigt werden kann, dass sich ein Niet bei Aufbringen eines vorbestimmten Drehmoments nicht dreht. Dies kann als ausreichend feste Nietverbindung gedeutet werden.
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Der wesentliche Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass kein aufwendiger externer Messaufbau notwendig ist, der in die Nietverbindung eingreift. Mit der Erfindung können erstmals Klemmkräfte an Original-Nietverbindungen direkt an den gefügten Bauteilen, auch in einem Fahrzeug, bestimmt werden. Da durch die Geometrie der Bauteile und gegebenenfalls auch bauteilspezifische Materialeigenschaften (z. B. verfestigte Bereiche bei der Blechumformung, Faser-Matrix-Verhältnis in Faserverbundwerkstoffen bei der Fertigung) die Klemmkraft der Originalverbindung zur Klemmkraft einer ebenen Probe unterschiedlich ist, kann durch die direkte Messung an der Originalverbindung die tatsächliche Klemmkraft bestimmt werden.
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Gemäß einer ersten Alternative des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Drehmoment auf den Setzkopf des Niets ausgeübt.
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Gemäß einer zweiten Alternative wird das Drehmoment auf den Schließkopf des Niets ausgeübt, wenn diese Seite der Nietverbindung besser zugänglich ist.
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Das Drehmoment kann auf einfache Weise mithilfe eines handelsüblichen, kraftschlüssig an den Niet gekoppelten Drehmomentschlüssels bestimmt werden.
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Hierzu wird der Drehmomentschlüssel vorzugsweise durch ein am Niet angreifendes Werkzeug an den Niet gekoppelt.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der beigefügten Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigt die einzige Figur schematisch eine geschnittene Seitenansicht einer Blindnietverbindung.
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Die in der Figur beispielhaft dargestellte Nietverbindung ist eine Blindnietverbindung 10, durch die ein erstes Bauteil 12 und ein zweites Bauteil 14 aneinander gefügt sind. Die Blindnietverbindung 10 wurde in bekannter Weise mit einem Blindniet 16 hergestellt: Der Blindniet 16 wird durch fluchtende Bohrungen in den beiden Bauteilen 12, 14 eingeführt, und durch Druck auf den Setzkopf 18 des Blindniets 16 werden die Bauteile 14, 16 aufeinander gedrückt. Anschließend wird der am Setzkopf 18 herausragende Dorn des Blindniets 16 mit einer Blindnietzange oder einem anderen geeigneten Werkzeug entgegen der Einführrichtung herausgezogen, was zu einer Deformation, genauer gesagt zu einer Stauchung und somit zu einer Aufweitung des Blindniets 16 hinter der Bohrung des zweiten Bauteils 16 führt. Der hinter der Bohrung des zweiten Bauteils 16 abstehende Teil des Blindniets 16 wird als Schließkopf 20 bezeichnet. Am Ende des Vorgangs reißt der Dorn an einer Sollbruchstelle innerhalb des Nietkörpers ab, sodass der verbleibende Teil des Dorns nicht aus dem Blindniet 16 hervorragt.
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Um bei einer solchen Original-Blindnietverbindung 10 auf die Klemmkraft des Blindniets 16 in axialer Richtung zu schließen, wird das Drehmoment gemessen, das nötig ist, um den Blindniet 16 relativ zu den Bauteilen um Längsachse A des Blindniets 16 zu verdrehen. Dieses Drehmoment soll hier als Losbrechmoment bezeichnet werden. Vom gemessenen Drehmoment kann über die Kenntnis der Reibwerte auf die Klemmkraft des Blindniets 16 rückgeschlossen werden.
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Weitere Rückschlüsse können gegebenenfalls daraus gezogen werden, welchen Widerstand die Blindnietverbindung 10 der Drehung nach dem Losbrechen entgegensetzt.
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Alternativ kann es als Indiz für eine ausreichend sichere Blindnietverbindung 10 gewertet werden, wenn bei der Ausübung eines vorbestimmten Drehmoments keine Drehung des Blindniets 16 stattfindet.
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Zur Bestimmung des Drehmoments wird ein Drehmomentschlüssel über ein geeignetes Werkzeug kraftschlüssig entweder an den Setzkopf 18 oder an den deformierten Schließkopf 20 der Blindnietverbindung 10 gekoppelt.
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Die Erfindung wurde am Beispiel einer Blindnietverbindung 10 erläutert, ist aber nicht auf diesen Anwendungsfall beschränkt. Grundsätzlich kann das Verfahren auch bei anderen Nietverbindungen eingesetzt werden, bei denen ein Nietabschnitt vorsteht, der mit einem geeigneten Werkzeug gegriffen werden kann.
