DE102015216544A1

DE102015216544A1 - Bauteileverbund, Fügeelement für einen Bauteileverbund und Verfahren zum Ausbilden eines Bauteileverbunds

Info

Publication number: DE102015216544A1
Application number: DE102015216544.2A
Authority: DE
Inventors: Dieter Weber; Bernd Hohenberger; Eugen Hilz; Florian Woelke; Ralf-Dieter Moryson; Jens Koenig; Friedhelm Guenter; Rainer Heinrich Hoerlein
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-08-28
Publication date: 2017-03-02

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Bauteileverbund (100), umfassend ein Fügeelement (10) zur Ausbildung einer Direktverschraubung an zwei aus Metall bestehenden Bauteilen (1, 2), wobei das Fügeelement (10) einen Formabschnitt (14), einen Gewindeabschnitt (13) und einen Kopfabschnitt (12) aufweist, und wobei die beiden Bauteile (1, 2) im Bereich des Fügeelements (10) mit einander zugewandten Flächen in Anlagekontakt angeordnet sind. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die beiden Bauteile (1, 2) stromführende Bauteile sind.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung betrifft einen Bauteileverbund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Fügeelement zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Bauteileverbund sowie ein Verfahren zum Ausbilden eines der Stromführung dienenden Bauteileverbunds.
Ein Bauteileverbund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der DE 103 48 427 A1 bekannt. Der bekannte Bauteileverbund wird insbesondere zum Verbinden von flächigen, aus Metall bestehenden Bauteilen verwendet, wie sie beispielsweise im Karosseriebau vorkommen. Dabei wird ein schraubenartiges Fügeelement verwendet, das die Ausbildung einer Direktverschraubung ohne das Erfordernis von Vorlöchern an den Bauteilen ermöglicht. Bei dem bekannten Bauteileverbund wird durch das Fügeelement eine sichere und zuverlässige mechanische Verbindung zwischen den Bauteilen ermöglicht.
Bei Hochstromverbindungen, wie sie im Rahmen beispielsweise der Elektromobilität zur Stromführung in Elektro- bzw. Hybridfahrzeugen verwendet werden, dienen insbesondere aus Kupfer und/oder Aluminium bestehende Bauteile der Stromführung. Die Verbindung zwischen den Bauteilen erfolgt in der Praxis über Gewindeschraubverbindungen. Hierzu sind in den Bauteilen Durchgangsbohrungen auszubilden, wobei die Gewindeschraubverbindung aus einer Gewindeschraube und einer damit zusammenwirkenden Mutter besteht. Die für die Verschraubung erforderlichen Vorlöcher sollen im Durchmesser möglichst klein sein, um eine unnötige Reduzierung des Anbindequerschnitts bzw. der Stromkontaktfläche zu vermeiden. Folglich müssen die Form- und Lagetoleranzen beider, mittels der Schraubverbindung zu verbindenen Bauteile relativ gering gehalten werden, damit im positionierten Zustand der Bauteile die Lochbilder der Vorlöcher zusammenpassen und die Schraube problemlos eingeführt werden kann. Durch die erhöhten Toleranzanforderungen und dem damit verbundenen Fertigungsaufwand sowie durch eine eventuell erforderliche Lochfindungssensorik zum automatisierten Setzen der Schrauben sind die Produktionskosten bei derartigen Bauteileverbunden relativ hoch.
Offenbarung der Erfindung
Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Bauteileverbund nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 weiteren Anwendungsfällen zugänglich zu machen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Bauteileverbund mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die beiden Bauteile stromführende Bauteile sind. Es ist somit erfindungsgemäß vorgesehen, die aus dem Karosseriebau an sich bekannte Verbindungstechnik zwischen einem Fügeelement zur Ausbildung einer Direktverschraubung und zwei Bauteilen auf die Anwendung von stromführenden Bauteilen auszudehnen. Ein derartiger Bauteileverbund zeichnet sich dadurch aus, dass die Verbindung zwischen den Bauteilen besonders einfach, zuverlässig und kostengünstig hergestellt werden kann. Als besonderer Vorteil ist dabei anzusehen, dass durch das Fügeelement die insbesondere bei Verwendung von Aluminium als Werkstoff für die Bauteile an den Bauteilen ausgebildeten Oxidschichten durch einen Gewindeabschnitt des Fügeelement dauerhaft zerstört werden sowie eine Neubildung einer derartigen Oxidschicht im Gewindeabschnitt verhindert wird. Der Gewindeabschnitt umfasst dabei einen fließlochformenden Abschnitt und einen sich an den fließlochformenden Abschnitt anschließenden gewindeformenden Abschnitt. Dadurch wird auch über die Lebensdauer des Bauteileverbunds gesehen ein stets relativ geringer elektrischer Übergangswiderstand zwischen den Bauteilen erzielt.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Bauteileverbunds sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
In ganz besonders bevorzugter Ausgestaltung des Bauteileverbunds ist es vorgesehen, dass das dem Kopfabschnitt des Fügeelements zugewandte Bauteil mit einem Vorloch ausgestattet ist. Die Ausbildung eines Vorlochs an dem betreffenden Bauteil hat insbesondere den Vorteil, dass dadurch während der Ausbildung des Durchgangslochs bzw. der Durchgangsöffnung an dem dem Fügeelement abgewandten Bauteil, das mit einem Verdrängen von Material aus dem unteren Bauteil in Richtung des oberen Bauteils verbunden ist, stets ein Anlagekontakt und somit ein geringer elektrischer Übergangswiderstand zwischen den beiden Bauteilen sichergestellt ist.
Ganz besonders bevorzugt ist es in Weiterbildung des zuletzt genannten Vorschlags vorgesehen, wenn das Material des dem Kopfabschnitt abgewandten Bauteils den Querschnitt des Vorlochs ausfüllt. Dadurch wird eine flächige elektrische Kontaktierung in der Zwischenfügeebene zwischen den Bauteilen ermöglicht. Weiterhin können Toleranzanforderungen an den Bauteilen reduziert und dadurch Kosten eingespart werden. Auch ermöglicht es eine derartige Ausbildung, einen Bauteileverbund bereitzustellen, der eine wasser- und gasdichte Verbindung im Bereich des Fügeelements aufweist.
Als Materialien für die beiden Bauteile kommen insgesamt Aluminium und/oder Kupfer in Frage. Beide Materialien, welche aus elektrischer Sicht sowie aus Gründen des relativ geringen Gewichts spezifische Vorteile aufweisen, zeichnen sich dadurch aus, dass diese an der Atmosphäre oxidieren und somit bei einem direkten Anlagekontakt zueinander einen erhöhten Übergangswiderstand aufweisen, welcher durch die angesprochene Verbindung mittels des Fügeelements reduziert werden kann.
Wie oben erläutert, ist es zur Verringerung des elektrischen Übergangswiderstands sinnvoll, dass das Material des dem Kopfabschnitt des Fügeelements abgewandten Bauteils in den Bereich des Vorlochs (und darüber hinaus in den Bereich der Unterseite des Kopfabschnitts des Fügeelements) verdrängt wird. Dies wird in einer besonderen Ausgestaltung des Fügeelements zur Verwendung bei einem erfindungsgemäßen Bauteileverbund dadurch erzielt, dass der Formabschnitt an dem Fügeelement einen spiralförmigen Grat aufweist, dessen Gewinderichtung entgegengesetzt zu einer Drehrichtung des Fügeelements beim Ausbilden des Bauteileverbunds verläuft.
Weiterhin umfasst die Erfindung ein Verfahren zum Ausbilden eines der Stromführung dienenden Bauteileverbunds, insbesondere eines soweit beschriebenen erfindungsgemäßen Bauteileverbunds, bei dem zwei Bauteile im Bereich zugewandter Oberflächen in Anlagekontakt gebracht werden, wobei das einen Kopfbereich eines Fügeelements zugewandte Bauteil ein Vorloch aufweist. Anschließend wird mittels des Fügeelements an dem dem Kopfabschnitt abgewandten Bauteil eine Durchgangsöffnung ausgebildet, wobei das Material, das bei der Ausbildung des Durchgangsloch verdrängt wird, zumindest in den radialen Raum zwischen dem Fügeelement und dem Vorloch verdrängt wird. Ein derartiges erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht eine Zerstörung, ggf. vorhandener Oxidschichten an den Bauteilen und die Ausbildung einer wasser- bzw. gasdichten Verbindung an den Bauteilen bei minimiertem elektrischen Übergangswiderstand.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es vorgesehen, dass das Material, das bei der Ausbildung des Durchgangslochs verdrängt wird, zusätzlich bis über die Höhe des Vorlochs hinaus in den Bereich einer an der Unterseite des Fügeelements ausgebildeten Vertiefung verdrängt wird. Dadurch wird die Kontaktfläche zwischen den Bauteilen bzw. mit dem Fügeelement vergrößert und darüber hinaus die Flüssigkeits- bzw. Gasdichtheit der Verbindung optimiert.
Um zu gewährleisten, dass bei der Ausbildung der Durchgangsöffnung das Material in Richtung des Kopfabschnitts des Fügeelements verdrängt wird, ist es zum einen denkbar, wie oben erläutert, ein speziell ausgebildetes Fügeelement zu verwenden. Alternativ oder aber zusätzlich kann es erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass während der Ausbildung der Durchgangsöffnung ein Gegenhalterelement zeitweise in Anlagekontakt mit der Unterseite des dem Kopfabschnitt des Fügeelements abgewandten Bauteils gebracht wird. Ein derartiges Gegenhalterelement, beispielsweise in Form einer einfachen Platte, verhindert, dass Material aus dem unteren Bauteil in Richtung der dem oberen Bauteil abgewandten Seite verdrängt wird. Dadurch gelangt das verdrängte Material ausschließlich in Richtung des Kopfabschnittes des Fügeelements und füllt dabei insbesondere den radialen Zwischenraum zwischen dem Fügeelement und dem oberen Bauteil, und zusätzlich (bei entsprechend ausgestaltetem Fügeelement) die Kopfunterseite des Kopfabschnitts des Fügeelements aus.
Eine weitere Optimierung des Verfahrens sieht vor, dass die Bauteile während der Ausbildung des Bauteileverbunds erwärmt werden, insbesondere auf eine Temperatur knapp unterhalb der Plastifizierungstemperatur. Dies hat den Vorteile, dass das Ausbilden des fließlochgeformten Bereichs erleichtert wird, da über das Fügeelement geringere Axialkräfte bzw. Drehmomente übertragen werden müssen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnung.
Diese zeigt ist:
1 einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Bauteileverbunds, bei dem zwei plattenförmige, der Stromführung dienende Bauteile mittels eines Fügeelements miteinander verbunden sind,
2 das bei dem Bauteileverbund gemäß 1 verwendete Fügeelement in einer Seitenansicht und
3 den Bauteileverbund gemäß 1 während dessen Herstellung unter Verwendung eines Gegenhalterelements im Längsschnitt.
Gleiche Elemente bzw. Elemente mit der gleichen Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.
Der in der 1 dargestellte Bauteileverbund 100 weist im Verbindungsbereich zwei übereinander in Anlagekontakt angeordnete, insbesondere plattenförmige bzw. flache Bauteile 1, 2, auf, die mittels eines stift- bzw. pilzförmigen Fügeelements 10 miteinander verbunden sind.
Die beiden der Stromführung dienenden Bauteile 1, 2 bestehen insbesondere aus Kupfer oder Aluminium. Das Fügeelement 10, das in der 2 in Einzeldarstellung dargestellt ist, weist eine Längsachse 11 auf, entlang derer das Fügeelement 10 den pilzförmigen Kopfabschnitt 12, einen Gewindeabschnitt 13 sowie einen Formabschnitt 14 aufweist. Der Gewindeabschnitt 13 weist einen fließlochformenden Abschnitt und einen sich in Axialrichtung daran anschließenden gewindeformenden Abschnitt auf. Der Kopfabschnitt 12 weist eine nicht dargestellte Werkzeuggeometrie auf, die das Drehen und eine Axialkraftbeaufschlagung des Fügeelements 10 mittels eines Werkzeugs ermöglicht. Der Formabschnitt 14 ist dazu ausgebildet, innerhalb des unteren Bauteils 1 eine Durchgangsöffnung 3 durch Fließlochumformen auszubilden, indem Material des Bauteils 1 radial nach außen sowie in axialer Richtung der Längsachse 11 verdrängt wird. Die Durchgangsöffnung 3 ermöglicht das anschließende Ausbilden eines Gewindes durch den Gewindeabschnitt 13. Eine derartige Durchgangsöffnung 3 wird auch als Durchzug bezeichnet. Der Formabschnitt 14 weist an dessen Spitze 15 einen spiralförmigen Grat 16 auf, der eine Gewinderichtung aufweist, die entgegen einer Drehrichtung des Fügeelements 10 verläuft, um die dieses um deren Längsachse 11 gedreht wird. Das heißt zum Beispiel, dass bei einem rechtsdrehenden Werkzeug für das Fügeelement 10 der Grat 16 eine Linksdrehung aufweist. Weiterhin weist der Kopfabschnitt 12 des Fügeelements 10 an seiner Unterseite 17, radial nahe des Gewindeabschnitts 13, eine radial umlaufende, nutförmige Vertiefung 18 auf.
Das dem Kopfabschnitt 12 des Fügeelements 10 zugewandte (obere) Bauteil 2 weist darüber hinaus ein Vorloch 5 auf, dessen Durchmesser bzw. Querschnitt größer ist als der des Formabschnitts 14 und des Gewindeabschnitts 12 des Fügeelements 10.
In der 1 ist erkennbar, dass bei fertig ausgebildetem Bauteileverbund 100, bei dem der Kopfabschnitt 12 auf dem oberen Bauteil 2 anliegt, Material des unteren Bauteils 1 bei der Ausbildung der Durchgangsöffnung 3 über die Unterseite 6 sowie die Oberseite 7 des Bauteils 1 verdrängt wurde. Insbesondere hat das verdrängte Material des Bauteils 1 den radialen Raum zwischen dem Vorloch 5 und dem Fügeelement 10 sowie den Bereich der Vertiefung 18 vollständig ausgefüllt.
In der 3 ist ein Zwischenschritt bei der Herstellung des Bauteileverbunds 100 dargestellt. Insbesondere erkennt man, dass an der Unterseite 6 des Bauteils 1 ein plattenförmiges Gegenhalterelement 50 in Anlagekontakt mit der Unterseite 6 des Bauteils 1 angeordnet ist. Das Fügeelement 10, das mit einer Axialkraft F in Richtung seiner Längsachse 11 beaufschlagt ist, und gleichzeitig in Richtung des Pfeils 21 gedreht wird, ist bereits in das untere Bauteil 1 eingedrungen und verdrängt Material in den Bereich des Vorlochs 5 des oberen Bauteils 2. Durch das Gegenhalterelement 50 wird bei Anlage an dem Bauteil 1 ein Verdrängen von Material in Richtung der Unterseite 6 des Bauteils 1 verhindert. Sobald die Spitze 15 des Fügeelements 10 die Unterseite 6 des Bauteils 1 erreicht, ist es erforderlich, das Gegenhalterelement 50 von der Unterseite 6 des Bauteils 1 zu entfernen.
Der soweit beschriebene Bauteileverbund 100 sowie das Fügeelement 10 können in vielfältiger Art und Weise abgewandelt bzw. modifiziert werden, ohne vom Erfindungsgedanken abzuweichen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 10348427 A1 [0002]

Claims

Bauteileverbund (100), umfassend ein Fügeelement (10) zur Ausbildung einer Direktverschraubung an zwei aus Metall bestehenden Bauteilen (1, 2), wobei das Fügeelement (10) einen Formabschnitt (14), einen Gewindeabschnitt (13) und einen Kopfabschnitt (12) aufweist, und wobei die beiden Bauteile (1, 2) im Bereich des Fügeelements (10) mit einander zugewandten Flächen in Anlagekontakt angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bauteile (1, 2) stromführende Bauteile sind.
Bauteileverbund nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das dem Kopfabschnitt (12) des Fügeelements (10) zugewandte Bauteil (2) mit einem Vorloch (5) ausgebildet ist.
Bauteileverbund nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass Material des dem Kopfabschnitt (12) abgewandten Bauteils (1) den radialen Zwischenraum zwischen dem Vorloch (5) und dem Fügeelement (10) zumindest bereichsweise, vorzugsweise vollständig ausfüllt.
Bauteileverbund nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass beide Bauteile (1, 2) aus Aluminium und/oder Kupfer bestehen.
Fügeelement (10) zur Verwendung bei einem Bauteileverbund (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem Kopfabschnitt (12), einem Gewindeabschnitt (13) und einem Formabschnitt (14), dadurch gekennzeichnet, dass der Formabschnitt (14) einen spiralförmigen Grat (16) aufweist, dessen Gewinderichtung entgegengesetzt zu einer Drehrichtung (21) des Fügeelements (10) beim Ausbilden des Bauteileverbunds (100) verläuft.
Fügeelement nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopfabschnitt (12) an dessen Unterseite (17) an einem radial innenliegenden Bereich eine radial umlaufende Vertiefung (18) aufweist.
Verfahren zum Ausbilden eines der Stromführung dienenden Bauteileverbunds (100), insbesondere eines Bauteileverbunds (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem zwei Bauteile (1, 2) im Bereich zugewandter Oberflächen in Anlagekontakt gebracht werden, wobei das einem Kopfabschnitt (12) eines Fügeelements (10) zugewandte Bauteil (2) ein Vorloch (5) aufweist, worauf anschließend mittels des Fügeelements (10) in dem dem Kopfabschnitt (12) abgewandten Bauteil (1) eine Durchgangsöffnung (3) ausgebildet wird, und wobei das Material, das bei der Ausbildung des Durchgangslochs (3) verdrängt wird, zumindest teilweise in den radialen Zwischenraum zwischen dem Fügeelement (10) und dem Vorloch (5) verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Material zusätzlich bis über die Höhe des Vorlochs (5) in den Bereich einer an der Unterseite (17) des Fügeelements (10) ausgebildeten Vertiefung (18) verdrängt wird.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass während der Ausbildung der Durchgangsöffnung (3) ein Gegenhalterelement (50) zeitweise in Anlagekontakt mit der Unterseite (6) des dem Kopfabschnitt (12) des Fügeelements (10) abgewandten Bauteils (1) gebracht wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile (1, 2) während der Ausbildung des Bauteileverbunds (100) erwärmt werden, insbesondere auf eine Temperatur knapp unterhalb der Plastifizierungstemperatur.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Ausbilden des Bauteileverbunds (100) eine an wenigstens einem Bauteil (1, 2) ausgebildete Oxidschicht zerstört und vorzugsweise eine Oxidbildung verhindert wird.