DE102015208671A1

DE102015208671A1 - Component connector assembly

Info

Publication number: DE102015208671A1
Application number: DE102015208671.2A
Authority: DE
Inventors: Reiner Nico Behrendt
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2015-05-11
Filing date: 2015-05-11
Publication date: 2016-11-17

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Bauteil-Verbindungsanordnung, in der zumindest zwei Bauteile (1, 3) mittels eines stiftförmigen Verbindungselements (5) miteinander verbunden sind, dessen Schaft (11) in einem Fügevorgang unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung (F, n) in die zumindest zwei Bauteile (1, 3) eintreibbar ist, und in der die Bauteilverbindung durch Reibungswärme und lokale Verformung der Bauteil-Werkstoffe erzeugbar ist. Erfindungsgemäß weist der Schaft (11) des Verbindungselements (5) einen Grundkörper (13) und zumindest ein Spreizsegment (15) auf, die eine mit einem expandierfähigen Material (27) gefüllte Kavität (25) begrenzen. Das Spreizsegment (15) ist nach erfolgtem Fügevorgang unter Expansion des expandierfähigen Materials (27) radial abspreizbar.The invention relates to a component-connection arrangement in which at least two components (1, 3) are interconnected by means of a pin-shaped connecting element (5) whose shaft (11) in a joining process under pressure and rotational loading (F, n) in the at least two components (1, 3) can be driven, and in which the component connection by frictional heat and local deformation of the component materials can be generated. According to the invention, the shank (11) of the connecting element (5) has a base body (13) and at least one spreading segment (15) which delimit a cavity (25) filled with an expandable material (27). The expansion segment (15) can be radially spread apart after the joining process, with expansion of the expandable material (27).

Description

Die Erfindung betrifft eine Bauteil-Verbindungsanordnung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 sowie ein stiftförmiges Verbindungselement zur Verbindung zumindest zweier Bauteile sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Bauteilverbindungsanordnung.The invention relates to a component-connecting arrangement according to the preamble of claim 1 and a pin-shaped connecting element for connecting at least two components and a method for producing such a component connection arrangement.

Bei im Automobilbereich verwendeten Leichtbaustrukturen ist der Einsatz von Faserverbundkunststoff-Bauteilen bekannt. Die Verbindung eines Faserverbundkunststoff-Bauteils mit einem Fügepartner, etwa einem Stahl- oder Aluminium-Blechteil oder einem anderen Faserverbundkunststoff-Bauteil, erfolgt beispielhaft durch ein Reibnagel- oder Nietverfahren, bei dem das faserverbundkunststoff-Bauteil mit dem Fügepartner mit Hilfe eines stiftförmigen Verbindungselementes verbunden werden.For lightweight structures used in the automotive industry, the use of fiber composite plastic components is known. The compound of a fiber composite plastic component with a joining partner, such as a steel or aluminum sheet metal part or other fiber composite plastic component, for example, by a Reibnagel- or riveting, in which the fiber composite plastic component are connected to the joint partner using a pin-shaped connecting element ,

Aus der DE 10 2011 001 522 A1 ist eine gattungsgemäße Bauteil-Verbindungsanordnung bekannt, in der zwei Bauteile mittels eines stiftförmigen Verbindungselementes miteinander verbunden sind. Der Schaft des Verbindungselementes wird in einem Fügevorgang unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung in die beiden Bauteile eingetrieben. Die Bauteilverbindung ergibt sich dabei durch Reibungswärme und lokale Verformung der Bauteil-Werkstoffe. From the DE 10 2011 001 522 A1 a generic component connection arrangement is known in which two components are connected to each other by means of a pin-shaped connecting element. The shaft of the connecting element is driven in a joining process under pressure and rotation in the two components. The component connection results from frictional heat and local deformation of the component materials.

In der obigen DE 10 2011 001 522 A1 ragt die Schaftspitze des Verbindungselements im eingetriebenen Zustand auf der von der Fügerichtung abgewandten Seite der Bauteil-Verbindung mit einem Überstand heraus. Die Schaftspitze wird anschließend in einem fertigungstechnisch aufwendigen weiteren Verformungsschritt radial ausgeweitet. Auf diese Weise erfolgt auf der in der Fügerichtung abgewandten Unterseite der Bauteil-Verbindung eine Hinterschnittbildung, die in einer betriebssicheren Bauteilverbindung resultiert.In the above DE 10 2011 001 522 A1 protrudes the shank tip of the connecting element in the driven state on the side remote from the joining direction side of the component connection with a supernatant. The shank tip is then radially expanded in a production-technically complicated further deformation step. In this way, on the side facing away in the joining direction underside of the component connection an undercut, which results in a reliable component connection.

Aus der DE 10 2009 013 200 A1 ist der Einsatz einer Baugruppe aus gefügten Bauelementen im Fahrzeug- oder Karosseriebau bekannt, in der die Bauelemente durch Verbindungsmittel gefügt sind. In einer ersten Bauelement-Verbindung ist eine mechanische Verbindungstechnik angewendet, während in einer zweiten Bauelement-Verbindung eine stoffschlüssige Fügetechnik appliziert ist.From the DE 10 2009 013 200 A1 the use of an assembly of assembled components in vehicle or body construction is known in which the components are joined by connecting means. In a first component connection, a mechanical connection technique is used, while in a second component connection a cohesive joining technique is applied.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Bauteil-Verbindungsanordnung sowie ein stiftförmiges Verbindungselement für eine solche Bauteil-Verbindungsanordnung bereitzustellen, bei der in prozesstechnisch einfacher Weise eine betriebssichere sowie einwandfreie Verbindungsfestigkeit gewährleistet ist.The object of the invention is to provide a component connection arrangement and a pin-shaped connection element for such a component connection arrangement, in which a reliable and perfect connection strength is ensured in process-technically simple manner.

Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The object is solved by the features of claim 1. Preferred embodiments of the invention are disclosed in the subclaims.

Die Erfindung beruht auf der Problematik, dass im obigen Stand der Technik die Schaftspitze des stiftförmigen Verbindungselements die beiden miteinander gefügten Bauteile vollständig bis zu der, von der Fügerichtung abgewandten Bauteil-Unterseite durchsetzen muss. Das heißt dass mit diesem Stand der Technik keine Bauteilverbindung realisierbar ist, bei der die Schaftspitze des stiftförmigen Verbindungselementes unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke in den Bauteilen eingetrieben ist, die sich zwischen der Schaftspitze des Verbindungselementes und der von der Fügerichtung abgewandten Bauteil-Seite erstreckt. Vor diesem Hintergrund weist der Schaft des Verbindungselementes gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 einen Grundkörper und zumindest ein Spreizsegment auf, die beide eine, mit einem expandierfähigen Material gefüllte Kavität begrenzen. The invention is based on the problem that in the above prior art, the stem tip of the pin-shaped connecting element must enforce the two components joined together completely up to the side facing away from the joining direction component underside. This means that with this prior art, no component connection can be realized, in which the stem tip of the pin-shaped connecting element is driven while maintaining a residual bottom thickness in the components, which extends between the shank tip of the connecting element and facing away from the joining direction component side. Against this background, the shank of the connecting element according to the characterizing part of claim 1 has a base body and at least one spreading segment, both of which delimit a cavity filled with an expandable material.

Das Spreizsegment sowie das expandierfähige Material sind so ausgelegt, dass das Spreizsegment erst nach erfolgtem Eintreiben unter Expansion des expandierfähigen Materials sich radial abspreizt. Auf diese Weise wird das in die Bauteile eingetriebene Verbindungselement quer zur Fügerichtung radial nach außen ausgeweitet, wodurch die Verbindungsfestigkeit zwischen den beiden Fügepartnern wesentlich gesteigert ist.The expansion segment as well as the expandable material are designed so that the expansion segment spreads radially only after completion of driving the expansion of the expandable material. In this way, the driven into the components connecting element is extended transversely to the joining direction radially outward, whereby the connection strength between the two joining partners is substantially increased.

Bevorzugt kann das expandierfähige Material thermisch aktivierbar sein, so dass es bei Erzeugung der Reibungswärme während des Fügevorgangs expandiert. Beispielhaft kann in die Kavität eine thermisch aktivierbare Ausgangskomponente eines Schaumwerkstoffes eingefüllt sein. Beispielhaft kann durch Zusatz von expandierfähigen Mikrohohlkugeln eine Expansion um das 40-fache erreicht werden. Zusätzlich können Hohlräume in das Verbindungselement eingebracht sein, in welche aufgeschmolzenes Matrixmaterial eindringen kann, was zu einer zusätzlichen Verfestigung führt.Preferably, the expandable material may be thermally activatable, so that it expands upon generation of the frictional heat during the joining process. By way of example, a thermally activatable starting component of a foam material can be introduced into the cavity. By way of example, an expansion by 40 times can be achieved by adding expandable hollow microspheres. In addition, cavities can be introduced into the connecting element, in which molten matrix material can penetrate, which leads to additional solidification.

Die Reibungswärme wird während des Fügevorgangs an der Verbindungselement-Oberfläche erzeugt und durch Wärmeleitung über das Material des Spreizsegmentes bis in die Kavität zeitverzögert übertragen. Die Verbindungselement-Geometrie sowie das expandierfähige Material ist dabei so ausgelegt, dass deren thermische Aktivierung im Wesentlichen zeitlich erst nach dem Eintreiben des Verbindungselementes in die beiden Bauteile durch die Wärmeleitung der Reibungswärme erfolgt. Alternativ oder zusätzlich dazu kann auch eine externe Wärmequelle vorgesehen sein, die die thermische Aktivierung des Materials zumindest unterstützt.The frictional heat is generated during the joining process on the connecting element surface and transferred by heat conduction over the material of the expansion segment to the cavity with a time delay. The connecting element geometry and the expandable material is designed so that their thermal activation takes place substantially only after the driving of the connecting element in the two components by the heat conduction of the frictional heat. Alternatively or additionally, an external heat source can also be provided which at least supports the thermal activation of the material.

Nachfolgend werden weitere Erfindungsaspekte beschrieben, die in erster Linie die Geometrie des Verbindungselementes betreffen: So kann der Grundkörper mit Bezug auf eine Verbindungselement-Längsachse radial innen und das Spreizsegment unter Zwischenlage der Kavität radial außen ausgebildet sein. Der Grundkörper kann bei dem, nach dem Eintreiben erfolgenden Abspreiz- oder Expandier-Prozessschritt als ein Widerlager dienen, gegen das sich das Spreizsegment sowie das expandierfähige Material unter Aufbau einer radial nach außen gerichteten Spreizkraft abstützt. Hereinafter, further aspects of the invention will be described, which relate primarily to the geometry of the connecting element: Thus, the base body with respect to a connecting element longitudinal axis radially inwardly and the expansion segment with the interposition of the cavity may be formed radially outward. The main body can serve as an abutment in the, after driving carried out spreading or expanding process step, against which the expansion segment and the expandable material is supported to build up a radially outward spreading force.

Im Hinblick auf einen prozesstechnisch einfachen Fügevorgang kann das Verbindungselement einen ausgeweiteten Elementkopf sowie an der gegenüberliegenden Schaftseite eine Schaftspitze aufweisen. Sowohl der ausgeweitete Elementkopf als auch die Schaftspitze können im Hinblick auf einen prozesssicheren Fügevorgang beide am Schaft-Grundkörper angeformt sein.With regard to a process-technically simple joining process, the connecting element can have an expanded element head and a shaft tip on the opposite side of the shaft. Both the widened element head and the shaft tip can both be formed on the shaft main body with regard to a process-reliable joining process.

Eine prozesstechnisch einwandfreie Ausweitung des Spreizsegmentes ist von großer Bedeutung für die Verbindungsfestigkeit der Bauteilverbindung. Zur Steigerung der Prozesssicherheit kann die zwischen dem Spreizsegment und dem Grundkörper gebildete Kavität einen in Richtung auf eine Schaftspitze offenen Querschnitt aufweisen, das heißt die Kavität ist in Richtung auf die Schaftspitze offen gestaltet. Der offene Querschnitt der Kavität kann radial nach außen durch eine freie Spreizkante des Spreizsegmentes begrenzt sein. A process technically flawless expansion of the expansion segment is of great importance for the connection strength of the component connection. To increase the process reliability, the cavity formed between the expansion segment and the main body may have an open cross section in the direction of a stem tip, that is, the cavity is designed to be open in the direction of the stem tip. The open cross-section of the cavity may be bounded radially outwardly by a free spreading edge of the expansion segment.

Zur weiteren Steigerung der Prozesssicherheit beim Fügevorgang ist es von Vorteil, wenn das Spreizsegment gegenüber der Schaftspitze um einen Längsversatz zurückgesetzt ist. Das heißt, dass die Schaftspitze das Spreizsegment um den Längsversatz in Fügerichtung überragt. To further increase the process reliability during the joining process, it is advantageous if the expansion segment is set back from the shank tip by a longitudinal offset. This means that the shaft tip projects beyond the expansion segment by the longitudinal offset in the joining direction.

Der Schaft-Grundkörper des Verbindungselementes ist im Hinblick auf eine ausreichend große Steifigkeit aus einem Vollmaterial gefertigt. Der Grundkörper kann einen, dem Elementkopf zugewandten querschnittsgrößeren Schaftabschnitt aufweisen, der dem weiteren Verlauf in Richtung auf die Schaftspitze an einem stufenartigen Übergang in einen querschnittskleineren Schaftabschnitt übergeht. Der querschnittsgrößere Schaftabschnitt kann in einer konkreten technischen Umsetzung des Verbindungselementes am stufenartigen Übergang mit dem Spreizsegment in Richtung auf die Schaftspitze verlängert sein, und zwar um ein vorgegebenes Überlappmaß, um beim Expansions-Schritt eine einwandfreie Hinterschnittbildung zu gewährleisten. In einem unverformten Fertigungszustand des Verbindungselementes kann dessen Schaft-Außenquerschnitt am querschnittsgroßen Schaftabschnitt und am querschnittskleinen Schaftabschnitt durchgängig konstant sein, um einen weitgehend leichtgängigen Fügeschritt zu gewährleisten, bei dem das Verbindungselement hinterschnittfrei unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung in die Bauteile eingetrieben werden kann.The shaft main body of the connecting element is made of a solid material in view of a sufficiently high rigidity. The main body can have a cross-section-larger shaft section facing the element head, which merges with the further course in the direction of the shaft tip at a step-like transition into a cross-section-smaller shaft section. The cross-sectional larger shaft portion may be extended in a concrete technical implementation of the connecting element on the step-like transition with the expansion segment in the direction of the shaft tip, and indeed by a predetermined Überlappmaß to ensure proper undercut during the expansion step. In an undeformed state of manufacture of the connecting element, its shaft outer cross-section can be consistently constant at the cross-section-large shaft section and the cross-section-small shaft section in order to ensure a largely smooth joining step, in which the connecting element can be driven into the components without undercut under pressure and rotation.

In einer technischen Umsetzung des Verbindungselementes können eine Mehrzahl von Spreizsegmenten vorgesehen sein. Diese können im Hinblick auf eine einwandfreie Verbindungsfestigkeit bevorzugt gleichmäßig umfangsverteilt mit zwischengeordneten freien Längsschlitzen um den Schaft-Grundkörper angeordnet sein.In a technical implementation of the connecting element, a plurality of expansion segments can be provided. These can preferably be arranged circumferentially distributed with intermediate free longitudinal slots around the shaft main body with respect to a perfect connection strength.

In einer fertigungstechnisch einfachen Ausführung können die Spreizsegmente insbesondere in einem spanabhebenden Bearbeitungsschritt, zum Beispiel einem Frässchritt, gebildet werden. Bei einem solchen Bearbeitungsschritt können in einem Verbindungselement-Rohkörper ein um die Verbindungselement-Längsachse rotationssymmetrisch verlaufender Ringspalt eingebracht werden, der als Kavität dient. Der Ringspalt ist radial innen vom Schaft-Grundkörper begrenzt und radial außen von einem Hülsenabschnitt begrenzt, der in einem nachfolgenden Bearbeitungsschritt unter Bildung der Spreizsegmente mit den Längsschlitzen versehen werden kann.In a manufacturing technology simple embodiment, the expansion segments can be formed in particular in a machining step, for example, a milling step. In such a processing step, an annular gap running rotationally symmetrically about the connecting element longitudinal axis can be introduced in a connecting element raw body, which serves as a cavity. The annular gap is bounded radially inwardly by the shaft base body and bounded radially on the outside by a sleeve section, which can be provided with the longitudinal slots in a subsequent processing step to form the expansion segments.

In einer alternativen Fertigungsvariante kann die Kavität in einem spanabhebenden Bearbeitungsschritt nicht durch einen Ringspalt, sondern vielmehr durch zumindest eine linear verlaufende Quernut ausgeführt werden. Diese kann mit Abstand zur Verbindungselement-Längsachse verlaufen und radial innen durch den Grundkörper sowie radial außen durch das Spreizelement begrenzt sein. In einer speziellen Ausführungsvariante können zwei solcher Quernuten in das Verbindungselement eingebracht sein, die einander mit Bezug auf die Verbindungselement-Längsachse spiegelbildlich bzw. diametral gegenüberliegen. Alternativ dazu können auch vier Quernuten in das Verbindungselement eingebracht werden, von denen die umfangsseitig benachbarten Quernuten jeweils zueinander um 90° gedreht sind, und zwar unter Bildung eines im Querschnitt rechteckförmigen Grundkörpers.In an alternative production variant, the cavity in a machining step can not be performed by an annular gap, but rather by at least one linear transverse groove. This can extend at a distance from the longitudinal axis of the connecting element and be bounded radially inward by the base body and radially outwardly by the expansion element. In a special embodiment variant, two such transverse grooves can be introduced into the connecting element, which lie opposite one another with respect to the connecting element longitudinal axis in mirror image or diametrically opposite one another. Alternatively, four transverse grooves can be introduced into the connecting element, of which the circumferentially adjacent transverse grooves are rotated in each case by 90 °, to form a rectangular cross-section body.

Die vorstehend erläuterten und/oder in den Unteransprüchen wiedergegebenen vorteilhaften Aus- und/oder Weiterbildungen der Erfindung können – außer zum Beispiel in den Fällen eindeutiger Abhängigkeiten oder unvereinbarer Alternativen – einzeln oder aber auch in beliebiger Kombination miteinander zur Anwendung kommen.The advantageous embodiments and / or further developments of the invention explained above and / or reproduced in the dependent claims can be used individually or else in any desired combination with one another, for example in the case of clear dependencies or incompatible alternatives.

Die Erfindung und ihre vorteilhaften Aus- und Weiterbildungen sowie deren Vorteile werden nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:The invention and its advantageous embodiments and further developments and advantages thereof are explained in more detail below with reference to drawings. Show it:

1 in einer teilweisen Seitenschnittdarstellung eine Bauteil-Verbindungsanordnung; 1 in a partial side sectional view of a component-connection assembly;

2 bis 5 jeweils Ansichten, die die Prozessschritte zur Herstellung der in der 1 gezeigten Bauteil-Verbindungsanordnung veranschaulichen; und 2 to 5 each views that illustrate the process steps involved in making the in 1 illustrate component connection assembly shown; and

6 und 7 jeweils unterschiedliche Ausführungsbeispiele des in den 1 bis 5 gezeigten Verbindungselementes. 6 and 7 each different embodiments of the in the 1 to 5 shown connecting element.

In der 1 ist eine Bauteil-Verbindungsanordnung gezeigt, bei der rein exemplarisch als Fügepartner ein Stahl- oder Aluminiumblechteil 1 mit einem Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 verbunden sind, und zwar mittels eines stiftförmigen Verbindungselementes 5, das in einem später anhand der 2 bis 5 beschriebenen Reibschweißvorgang in die beiden Bauteile 1, 3 eingetrieben ist. Das stiftförmige Verbindungselement 5 weist einen mit Bezug auf eine Verbindungselement-Längsachse L radial ausgeweiteten Elementkopf 7 auf, der in der 1 in Anlageverbindung mit einem Öffnungsrandbereich einer im Blechteil 1 befindlichen Vorbohrung 9 ist. An den Elementkopf 7 schließt sich ein Elementschaft 11 an, der mit Radialabstand durch die Vorbohrung 9 des Blechteils 1 geführt ist und in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben ist. In the 1 a component-connection arrangement is shown in the purely exemplary joining partner as a steel or aluminum sheet metal part 1 with a fiber composite plastic component 3 are connected, by means of a pin-shaped connecting element 5 that in a later on the basis of the 2 to 5 described friction welding process in the two components 1 . 3 is driven. The pin-shaped connecting element 5 has an element head radially expanded with respect to a connector longitudinal axis L. 7 on that in the 1 in abutment with an opening edge area in the sheet metal part 1 pre-drilling 9 is. To the element head 7 closes an elementary body 11 at the radial distance through the pilot hole 9 of the sheet metal part 1 is guided and in the fiber composite plastic component 3 is driven.

Der Elementschaft 11 weist erfindungsgemäß einen um die Längsachse L rotationssymmetrischen, zylindrischen Grundkörper 13 auf, an dem später beschriebene Spreizsegmente 15 angeordnet sind. Der Grundkörper 13 ist mit einem dem Elementkopf 7 zugewandten durchmessergrößeren Schaftabschnitt 17 (2) ausgebildet, der an einem stufenartigen Übergang 19 (2) in einen, einer Schaftspitze 21 zugewandten durchmesserkleineren Schaftabschnitt 23 (2) übergeht. Der durchmessergrößere Schaftabschnitt 17 ist in Richtung auf die Schaftspitze 21 mit den bereits erwähnten Spreizsegmenten 15 verlängert, und zwar um ein Überlappmaß Δx₁ (2). The elementary system 11 has according to the invention a rotationally symmetrical about the longitudinal axis L, cylindrical base body 13 on, at the spreading segments described later 15 are arranged. The main body 13 is with a the element head 7 facing larger diameter shaft portion 17 ( 2 ) formed at a step-like transition 19 ( 2 ) in one, a shaft tip 21 facing smaller diameter shaft portion 23 ( 2 ) passes over. The larger diameter shaft section 17 is towards the shaft top 21 with the already mentioned expansion segments 15 lengthened by an overlap Δx ₁ ( 2 ).

Gemäß den Figuren ist zwischen den radial äußeren Spreizsegmenten 15 und dem radial inneren Grundkörper 13 eine Kavität 25 bereitgestellt, die mit einem expandierfähigen Material 27 gefüllt ist. In der 1 ist bei fertiggestellter Bauteil-Verbindungsanordnung das Material 27 expandiert, wodurch die Spreizsegmente 15 radial nach außen abgespreizt sind und auf diese Weise unter Aufbau von quergerichteten Spreizkräften F_S (4) gegen das angrenzende Material des Faserverbundkunststoff-Bauteils 3 drücken. According to the figures, between the radially outer expansion segments 15 and the radially inner body 13 a cavity 25 provided with an expandable material 27 is filled. In the 1 is at finished component connection assembly, the material 27 expanded, causing the expansion segments 15 are spread radially outwards and in this way under construction of transverse spreading forces F _S ( 4 ) against the adjacent material of the fiber composite plastic component 3 to press.

Das in der 1 gezeigte Verbindungselement 5 durchsetzt das Faserverbundkunststoff-Bauteil nicht vollständig bis zur, dem Elementkopf 7 abgewandten Bauteil-Seite 29, sondern ist vielmehr unter Aufrechterhaltung einer sich zwischen der Verbindungselement-Spitze 21 und der Bauteil-Seite 29 erstreckenden Restbodendicke r eingetrieben.That in the 1 shown connecting element 5 does not fully penetrate the fiber composite plastic component to the element head 7 facing away from the component side 29 Rather, it is while maintaining a grip between the connector tip 21 and the component side 29 extending residual soil thickness r driven.

So wird zunächst gemäß der 2 unter Druck- und Rotationsbeaufschlagung F, n das Verbindungselement 5 in einer Fügerichtung in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben. In der 2 ist das Verbindungselement 5 im noch unverformten Fertigungszustand gezeigt. Demzufolge ist der Schaft-Außendurchmesser d_A am durchmessergroßen Schaftabschnitt 17 und am durchmessekleinen Schaftabschnitt 23 durchgängig konstant, um einen einwandfreien Fügevorgang zu gewährleisten. Zudem ist in der Kavität 25 zwischen den radial äußeren Spreizsegmenten und dem radial inneren Grundkörper 13 eine Ausgangskomponente des expandierfähigen Materials 27 eingefüllt. Die Ausgangskomponente ist thermisch aktivierbar ausgelegt. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, weist die Kavität 25 in Richtung auf die Schaftspitze 21 einen ringförmig offenen Querschnitt 31 auf, der radial außen durch eine freie Spreizkante 33 der Spreizsegmente 15 begrenzt ist. Die Spreizkanten 33 der in der 2 gezeigten Spreizsegmente 15 sind um einen Längsversatz Δx₂ gegenüber der Schaftspitze 21 zurückgesetzt. So first, according to the 2 under pressure and rotation F, n the connecting element 5 in a joining direction in the fiber composite plastic component 3 driven. In the 2 is the connecting element 5 shown in the still undeformed state of manufacture. As a result, the shaft outer diameter d _{A is} at the large diameter shaft portion 17 and at the small diameter shaft portion 23 consistently constant to ensure a perfect joining process. Moreover, in the cavity 25 between the radially outer expansion segments and the radially inner base body 13 an output component of the expandable material 27 filled. The output component is designed to be thermally activated. Like from the 2 further indicates the cavity 25 towards the top of the shaft 21 an annular open cross-section 31 on, the radially outward by a free spreading edge 33 the expansion segments 15 is limited. The spreading edges 33 the Indian 2 Spreizsegmente shown 15 are by a longitudinal offset Δx ₂ opposite the stem tip 21 reset.

Nachfolgend ist anhand der 2 bis 4 ein zweistufiges Reibschweißverfahren zur Herstellung der in 1 gezeigten Bauteilverbindung beschrieben. So wird in einem Fügeschritt (2 und 3) das Verbindungselement 5 durch Druck- und Rotationsbeaufschlagung in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben. Die Bauteilverbindung ergibt sich dabei durch Reibungswärme und durch lokale Verformung des Matrixmaterials 35 im Faserverbundkunststoff-Bauteil 3.The following is based on the 2 to 4 a two-stage friction welding process for the production of in 1 described component connection described. So in a joining step ( 2 and 3 ) the connecting element 5 by pressure and rotation in the fiber composite plastic component 3 driven. The component connection results from frictional heat and local deformation of the matrix material 35 in the fiber composite plastic component 3 ,

In der 3 ist ein Prozesszustand gezeigt, der sich unmittelbar nach erfolgtem Fügeschritt einstellt. Demzufolge ist das Verbindungselement 5 vollständig in das Faserverbundkunststoff-Bauteil 3 eingetrieben. Die beim Fügeschritt erzeugte Reibungswärme ist jedoch noch nicht bis zum expandierfähigen Material 27 übertragen, wodurch noch keine thermische Aktivierung des Materials 27 erfolgt ist. Die thermische Aktivierung des expandierfähigen Materials 27 erfolgt erst zeitverzögert nach dem Fügevorgang, wie es in der 4 angedeutet ist, in einem prozesstechnisch nachgelagerten Expandierschritt. Im Expandierschritt ist die Reibungswärme durch Wärmeleitung bis in das expandierfähige Material 27 übertragen, so dass eine thermische Aktivierung des Materials 27 stattfindet. Demzufolge werden die beiden Spreizsegmente 15 unter Expansion des expandierfähigen Materials 27 radial nach außen abgespreizt, und zwar unter Aufbau der quer nach außen gerichteten Spreizkräfte F_S.In the 3 a process state is shown, which occurs immediately after the joining step. As a result, the connecting element is 5 completely in the fiber composite plastic component 3 driven. However, the frictional heat generated at the joining step is not yet up to the expandable material 27 transferred, which still does not cause thermal activation of the material 27 is done. The thermal activation of the expandable material 27 takes place only after a time delay after the joining process, as it is in the 4 is indicated, in a procedural downstream expansion step. In the expanding step, the frictional heat by heat conduction into the expandable material 27 transfer, allowing a thermal activation of the material 27 takes place. As a result, the two expansion segments 15 under expansion of the expandable material 27 Splayed radially outwards, namely under construction of the transverse outward spreading forces F _S.

In der 5 ist eine Schnittdarstellung des Verbindungselementes 5 entlang der Schnittebene A-A aus der 2 gezeigt, und zwar ohne expandierfähigem Material 27, das heißt mit nicht gefüllter Kavität 25. Die Kavität 25 ist in der 5 als ein rotationssymmetrisch um die Längsachse L verlaufender Ringspalt ausgebildet. Dieser kann beispielhaft mittels eines Frässchrittes in das Verbindungselement 5 eingebracht werden. Dadurch ergibt sich radial außen ein Hülsenabschnitt, in den unter Bildung der vier Spreizsegmente 15 Längsschlitze 37 eingefräst werden. In the 5 is a sectional view of the connecting element 5 along the cutting plane AA from the 2 shown, without expandable material 27 that is, with unfilled cavity 25 , The cavity 25 is in the 5 designed as a rotationally symmetrical about the longitudinal axis L extending annular gap. This can be exemplified by means of a milling step in the connecting element 5 be introduced. This results radially outward a sleeve portion in the formation of the four expansion segments 15 longitudinal slots 37 are milled.

In den 6 und 7 sind weitere Ausführungsbeispiele des Verbindungselementes gezeigt. So sind in der 5 anstelle eines umlaufenden Ringspaltes insgesamt vier Quernuten 39 eingebracht, die jeweils mit Abstand zur Längsachse L linear verlaufen. Die Quernuten sind radial innen durch den Grundkörper 13 begrenzt und radial außen durch jeweils ein Spreizsegment 15 begrenzt. Die jeweils benachbarten Quernuten 39 sind zueinander um 90° gedreht, wodurch sich ein im Querschnitt rechteckförmiger Grundkörper 13 ergibt. In der 7 sind nicht vier Quernuten 39 sondern nur zwei Quernuten in das Verbindungselement 5 eingebracht. Die beiden Quernuten 39 liegen einander mit Bezug auf die Längsachse L spiegelbildlich und diametral gegenüber, und zwar unter Bildung von zwei einander gegenüberliegenden Spreizsegmenten 15.In the 6 and 7 Further embodiments of the connecting element are shown. So are in the 5 a total of four transverse grooves instead of a circumferential annular gap 39 introduced, each extending at a distance from the longitudinal axis L linear. The transverse grooves are radially inward through the body 13 limited and radially outward by a respective spreading segment 15 limited. The respective adjacent transverse grooves 39 are mutually rotated by 90 °, resulting in a rectangular in cross section body 13 results. In the 7 are not four transverse grooves 39 but only two transverse grooves in the connecting element 5 brought in. The two transverse grooves 39 are mirror images of each other with respect to the longitudinal axis L and diametrically opposite, to form two opposing expansion segments 15 ,

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102011001522 A1 [0003, 0004]
DE 102009013200 A1 [0005]

Claims

Component connection arrangement in which at least two components ( 1 . 3 ) by means of a pin-shaped connecting element ( 5 ), whose shaft ( 11 ) in a joining process (I) under pressure and rotation (F, n) in the at least two components ( 1 . 3 ) can be driven, and in which the component connection can be generated by frictional heat and local deformation of the component materials, characterized in that the shaft ( 11 ) of the connecting element ( 5 ) a basic body ( 13 ) and at least one spreading segment ( 15 ) which has one with an expandable material ( 27 ) filled cavity ( 25 ) and that the spreading segment ( 15 ) after the joining process with expansion of the expandable material ( 27 ) is radially spread apart.

Component connection arrangement according to claim 1, characterized in that the basic body ( 13 ) with respect to a connector longitudinal axis (L) radially inward and the expansion segment ( 25 ) with interposition of the cavity ( 25 ) is formed radially on the outside.

Component connection arrangement according to claim 1 or 2, characterized in that the connecting element ( 5 ) an extended element head ( 7 ) and a shaft tip ( 21 ), both at the base body ( 13 ) are formed.

Component connection arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that between the expansion segment ( 15 ) and the basic body ( 13 ) formed cavity ( 25 ) one in the direction of a shaft tip ( 21 ) open cross section ( 31 ), the radially outward by a free spreading edge ( 33 ) of the spreading segment ( 15 ) is limited.

Component connection arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the expansion segment ( 15 ) opposite the stem tip ( 21 ) is reset by a longitudinal offset (Δx ₂ ) and / or that the stem tip ( 21 ) the spreading segment ( 15 ) surmounted by the longitudinal offset (.DELTA.x ₂ ).

Component connection arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that the basic body ( 13 ) one, the element head ( 7 ) facing cross-sectionally larger shaft portion ( 17 ), which at a step-like transition ( 19 ) in one, the stem tip ( 21 ) facing smaller cross-section shaft portion ( 23 ), and that in particular the cross-sectional larger shaft portion ( 17 ) at the step-like transition ( 19 ) with the spreading segment ( 15 ) in the direction of the stem tip ( 21 ) is extended by an overlap amount (Δx ₁ ).

Component connection arrangement according to claim 6, characterized in that in an undeformed state of manufacture of the connecting element ( 5 ) the shank outer cross-section (d _A ) on the cross-section-large shaft portion ( 17 ) and at the cross-section small shaft portion ( 23 ) is consistently constant.

Component connection arrangement according to one of the preceding claims, characterized in that a plurality of expansion segments ( 15 ) are provided, and that in particular the expansion segments ( 15 ) uniformly circumferentially distributed with intermediate free longitudinal slots ( 37 ) around the shaft main body ( 13 ) are arranged.

Component connection arrangement according to claim 8, characterized in that in order to form the expansion segments ( 15 ) in particular in a machining step, such as a milling step, in the connecting element ( 5 ) an annular gap around the connecting element longitudinal axis (L) which runs rotationally symmetrically as a cavity ( 25 ) can be introduced, the radially inwardly from the shaft base body ( 13 ) and is bounded radially on the outside by a sleeve section into which the expansion segments (FIG. 15 ) the longitudinal slots ( 37 ) can be introduced.

Component connection arrangement according to claim 8, characterized in that the cavity ( 25 ), in particular in a machining step, by at least one linear transverse groove ( 39 ) is formed, which extends at a distance from the longitudinal axis of the connecting element (L) and radially inwardly through the base body ( 13 ) and radially outward through the expansion segment ( 15 ), and in particular two transverse grooves ( 39 ), which are opposite one another with respect to the connecting element longitudinal axis (L) mirror-inverted or diametrically opposite, or that four transverse grooves ( 39 ) are introduced, of which the circumferentially adjacent transverse grooves ( 39 ) are mutually rotated by 90 °, with the formation of a rectangular cross-section basic body ( 13 ).