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Die Erfindung betrifft einen Bauteilverbund mit einem Blechteil und einem Fügepartner nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Herstellung eines Bauteilverbunds nach dem Anspruch 9 sowie ein Blechteil-Schnappelement nach dem Anspruch 10.
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Bei der Herstellung einer Fahrzeugkarosserie können Karosserie-Blechteile über eine Schnappverbindung in Kombination mit zum Beispiel einer Klebverbindung formschlüssig und stoffschlüssig miteinander verbunden werden, wie es beispielhaft aus der gattungsgemäßen
DE 10 2013 000 629 A1 hervorgeht.
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Aus der
DE 10 2013 000 629 A1 ist ein gattungsgemäßer Bauteilverbund bekannt, bei dem an einem ersten Blechteil angeformtes Blechteil-Schnappelement in einer Fügepartner-Aussparung verrastbar ist. Das Blechteil-Schnappelement ist als eine Blechlasche realisiert, die materialeinheitlich und einstückig an einem Blechteil-Grundkörper angeformt ist. Das Blechteil und der Fügepartner werden in einer Fügerichtung zusammengefügt. Im Fügevorgang drückt der Fügepartner das Blechteil-Schnappelement unter Aufbau einer elastischen Rückstellkraft in eine Entriegelungsstellung. Mit Erreichen einer Fügeposition schnappt das Blechteil-Schnappelement unter Abbau der Rückstellkraft in einer Verriegelungsstellung, in der eine Rastkontur des Blechteil-Schnappelementes formschlüssig in die Fügepartner-Aussparung eingreift.
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Bei der Auslegung einer solchen Schnappverbindung sind die folgenden Anforderungen zu erfüllen: Einerseits muss das Blechteil-Schnappelement eine ausreichende elastische Nachgiebigkeit aufweisen. Dadurch ist gewährleistet, dass die im Fügevorgang auftretenden Rückstellkräfte (Fügekräfte) ausreichend gering sind, um einen fertigungstechnisch einfachen Fügevorgang durchzuführen. Andererseits muss das Schnappelement im Zusammenbauzustand eine ausreichend große Verbindungssteifigkeit bereitstellen, die einem Lösen des Blechteils vom Fügepartner entgegen der Fügerichtung entgegenwirkt, und zwar bis zum Eintritt eines Bauteilversagens des Blechteil-Schnappelementes. In diesem Fall knickt das Blechteil-Schnappelement in dessen knickgefährdetem Mittelbereich ein. Von daher sind bei der Auslegung des Blechteil-Schnappelementes zwei unterschiedliche Belastungsformen (das heißt einerseits elastische Nachgiebigkeit beim Fügen sowie andererseits eine Knick-Stabilität) zu berücksichtigen.
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Aus der
US 2 803 048 A ist ein weiterer Bauteilverbund mit einem Blechteil und einem Fügepartner bekannt, bei dem das Blechteil in Schnappverbindung mit dem Fügepartner bringbar ist.
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Aus der
DE 10 2015 220 347 A1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Bauteils für ein Fahrzeug bekannt. Das Bauteil wird durch Umformen hergestellt und besteht aus einem Tailored-Blank. Aus der
DE 10 2013 101 171 A1 sind strukturierte Tailored-Blanks bekannt. Die Tailored-Blanks werden in Fahrzeugen eingesetzt und durch Umformung in eine gewünschte Form gebracht. Aus der
DE 10 2012 104 959 A1 ist ein Überrollschutzsystem bekannt, der einen Holm mit unterschiedlicher Wandstärke aufweist. Ein Strukturbauteil eines Fahrzeugs wird aus einem Tailored-Blank mit variabler Wandstärke geformt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Bauteilverbund mit einem Blechteil und einem Fügepartner bereitzustellen, bei dem das Blechteil-Schnappelement eine im Vergleich zum Stand der Technik erhöhte Verbindungsfestigkeit aufweist, und zwar bei im Wesentlichen gleichbleibender elastischer Nachgiebigkeit beim Fügevorgang (das heißt bei ausreichend geringen Fügekräften).
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1, des Anspruches 9 oder des Anspruches 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung beruht auf dem Sachverhalt, dass das herkömmliches Blechteil-Schnappelement als eine Blechlasche realisiert ist, die materialeinheitlich und einstückig am Blechteil angeformt ist und als Rastkontur eine Rastnase aufweist. Es hat sich gezeigt, dass eine solche herkömmliche Blechlasche zwar eine ausreichend hohe elastische Nachgiebigkeit beim Fügen (das heißt geringe Fügekräfte bzw. Rückstellkräfte) aufweist, jedoch nur eine geringe Verbindungssteifigkeit bereitstellt, die einem Lösen des Blechteils vom Fügepartner entgegen der Fügerichtung entgegenwirken kann. Von daher tritt bei einer solchen Belastung frühzeitig ein Bauteilversagen der Blechlasche ein, bei dem die Blechlasche in ihrem Mittelbereich ausknickt.
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Vor diesem Hintergrund ist gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 zur Erhöhung der oben definierten Verbindungssteifigkeit das Blechteil als ein Tailored-Welded-Blank ausgebildet, und zwar mit einem materialeinheitlich und einstückig an einem Blechteil-Grundkörper ausgebildeten Blechlaschen-Fußabschnitt und einem damit verschweißten, steifigkeitserhöhenden Steifblechelement. Das Steifblechelement weist im Vergleich zum Blechteil-Grundkörper eine erhöhte Bauteilsteifigkeit auf. Zudem ist im Steifblechelement die Rastkontur ausgebildet ist.
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Mit der vorliegenden Erfindung werden die folgenden zwei Hauptvorteile erzielt:
- Erstens wird die Verbindungsfestigkeit bei - im Vergleich zum Stand der Technik - gleichbleibender Rückstellkraft erhöht. Dadurch verbreitert sich das Anwendungsspektrum der erfindungsgemäßen Schnappelemente unter Umständen bis auf crashrelevante Strukturen. Zur Gewährleistung einer geforderten Mindestfestigkeit eines zu fügenden Blechteils werden nur wenige Schnappelemente benötigt, wodurch gegebenenfalls Zeit und Geld in der Herstellung des zu fügenden Blechteils eingespart werden kann.
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Zweitens erfolgt die Verringerung der Rückstellkraft bei gleichbleibender Verbindungsfestigkeit: In einer Fertigungslinie kann die Handhabungseinrichtung (zum Beispiel ein Roboter) kleiner dimensioniert werden, wodurch Beschaffungskosten sowie Platz in der Fertigung eingespart werden kann. Unterschreitet die Rückstellkraft des zu fügenden Blechteils eine zulässige Höchstkraft, so ist die Zuführung dieses Bauteils auch von Hand möglich. Aus ergonomischen Gründen ist dies bei Fügekräften oberhalb dieser Höchstkraft nicht ermöglicht. Bauteilsteife Fügeteile können in vergleichsweise nachgiebige Umgebungsstrukturen gefügt werden. Sofern diese Kraft zu hoch ist bzw. die Umgebungsstruktur zu nachgiebig ist, kann sich diese Umgebungsstruktur plastisch verformen. Auch gerade abbindende Klebverbindungen können wieder aufgebrochen werden. Geringe Fügekräfte sind folglich auch für die Karosseriestruktur als vorteilhaft zu bewerten.
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Der Kern der Erfindung besteht somit in einem Schnappelement, das als ein Tailored-Welded-Blank in das Blechteil eingebracht wird. Das fertige Blechteil bzw. Fügeteil besteht also allgemein aus zwei Blechen mit unterschiedlicher Blechdicke und/oder aus unterschiedlichem Werkstoff, nämlich aus einem Grundblech und einem Steifblech.
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Der Grundkörper des Fügeteils wird aus dem Grundblech ausgeformt. Das vollständige Fügeteil besteht demnach aus einem Grundkörper und aus Cliplaschen (das heißt der Rastkontur), die als Tailored-Welded-Blank zusammengesetzt werden. Dieses Zusammensetzen geschieht vor dem Umformen von Grundkörper und Cliplaschen - so wird die Maßhaltigkeit des Fügeteils erhöht.
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Dadurch kann vorteilhaft das Schnappelement aus einem Blech mit dickerer Blechdicke und höherem E-Modul gefertigt werden als der Rest des Fügeteils. Die Steifigkeit an der Wurzel (das heißt dem Blechlaschen-Fußabschnitt) des Schnappelements bleibt dadurch unverändert (gleich bleibende Fügekraft), während die Steifigkeit des Federelements zunimmt (höhere Festigkeit).
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Eine technische Umsetzung kann mit den folgenden Prozessschritten bewerkstelligt werden: Zunächst erfolgt ein Bereitstellen der Blechplatine für den Grundkörper. Das Fügeteil, in das später die Schnappelemente eingebracht werden sollen, wird von einem Coil herausgetrennt, etwa mittels thermischer Trennverfahren (beispielsweise Laser) oder mechanischen Trennverfahren (beispielsweise Stanzen).
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Anschließend erfolgt das Einbringen von Aussparungen in die Blechplatine des Grundkörpers. Die Aussparungen können eine fensterartige, rechtwinklige Form haben. Wichtig ist dabei, dass ein Grundblechabsatz vorgesehen wird, der beidseitig mit einem Maß freigeschnitten wird. Jeder Grundkörper weist mehrere derartige Aussparungen auf, die bspw. symmetrisch und umlaufend über den Grundkörper verteilt sind.
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Darauffolgend werden die Cliplaschen (das heißt die Steifblechelemente) bereitgestellt. Bei den Cliplaschen kann es sich um ebene Blechstücke in Rechteckform handeln. In der Regel weisen die Cliplaschen eine höhere Blechdicke als der Grundkörper auf. Der Werkstoff der Cliplaschen hat sowohl eine höhere Festigkeit als auch ein höheres E-Modul als der Werkstoff des Grundkörpers. (Beispiel: Grundkörper aus 1,5mm-Aluminium, Cliplaschen aus 2,0mm-Federstahl). Eine Breite der Cliplaschen entspricht jedoch der Breite des Grundblechabsatzes (das heißt der Blechlaschen-Fußabschnitt) des Ausschnitts im Grundkörper. Das ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Alternativ dazu können die Cliplaschen auch breiter sein als der Blechlaschen-Fußabschnitt. Außerdem können die Cliplaschen auch mittig eine höhere Breite aufweisen. In diesem Fall wären die Cliplaschen nicht mehr rechteckig.
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Danach wird in jede Aussparung des Grundkörpers an deren Grundblechabsatz eine Cliplasche angebracht, beispielsweise mittels Laser- oder FSW-Schweißen. Es entsteht die fertige Blechplatine des Fügeteils.
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In einem anschließenden, in der Regel mehrstufigen Umformprozess wird die Blechplatine des Fügeteils mit den dort angebrachten Cliplaschen zu einem fertigen Fügeteil umgeformt. Dabei werden auch die Schnappelemente aus den Cliplaschen ausgeformt. Die Umformung der Schnappelemente erfolgt aus Maßhaltigkeitsgründen erst nach der Erzeugung der Blechplatine des Fügeteils. Alternativ dazu können die Cliplaschen vor dem Schweißen vollständig umgeformt werden. Beispielhaft können die Cliplaschen zunächst vollständig hergestellt werden (etwa mittels Stanzbiegen) und dann nur noch an das Fügeteil angeschweißt werden.
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Es ist hervorzuheben, dass der materialeinheitlich und einstückig am Blechteil-Grundkörper angeformte Blechlaschen-Fußabschnitt (das heißt der Grundblechabsatz) - im Gegensatz zum Steifblechelement - nicht steifigkeitserhöhend ist. Von daher wirkt der Blechlaschen-Fußabschnitt als ein Einfederungsabsatz, mit dem an dieser Stelle eine Einfederung der Blechlasche mit geringen Fügekräften erzielt wird.
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Nachfolgend werden weitere Erfindungsaspekte im Einzelnen hervorgehoben: So kann der Blechlaschen-Fußabschnitt unter Bildung einer im Wesentlichen geradlinigen Federachse am Blechteil-Grundkörper angeformt sein. Die Rastkontur der Blechlasche kann bevorzugt als eine Rastnase mit schräg aufeinander zulaufenden Rastflanken geformt sein, die an einer Rastkontur-Scheitelkante zusammenlaufen. Die Rastkontur-Scheitelkante kann im unverformten Zustand um eine Kontur-Höhe vom Blechlaschen-Fußabschnitt abragen, der im Wesentlichen ebenflächig ausgeführt ist. Die Rastkontur-Scheitelkante kann bevorzugt achsparallel zur Federachse verlaufen.
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In einer technischen Umsetzung kann das Steifblechelement aus einem Werkstoff mit einem im Vergleich zum Werkstoff des Blechteil-Grundkörpers höherem E-Modul ausgebildet sein. Die Blechdicke des Steifblechelementes kann alternativ und/oder zusätzlich größer sein als die Blechdicke des Blechteil-Grundkörpers.
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In einer konkreten Ausgestaltung kann das Blechteil-Schnappelement wie folgt realisiert sein: So kann der Blechteil-Grundkörper eine fensterartige, rechtwinklige Ausnehmung aufweisen, innerhalb der die Blechlasche positioniert ist. Zwischen der Blechlasche und der fensterartigen, rechtwinkligen Ausnehmung kann als Freigang ein U-förmiger Blechfreischnitt gebildet sein.
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An einer Ausnehmungskante der obigen Blechausnehmung kann ein, den Fußabschnitt bildender Blechsteg nach innen in die Ausnehmung hinein abragen. Der Blechsteg kann mit seiner inneren Stegkante mit einer korrespondierenden Fußkante des Steifblechelementes verschweißt sein. Im Hinblick auf einen glatten Übergang können die beiden Kantenlängen von sowohl der Stegkante als auch der Fußkante identisch sein, so dass ein Längskanten-Verlauf zwischen dem Fußabschnitt des Blechteil-Grundkörpers und dem Steifblechelement stufenlos bzw. flächenbündig ausgebildet ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann der Blechteil-Grundkörper mit daran angeformtem Fußabschnitt und das Steifblechelement jeweils als separate Bauteile bereitgestellt werden. In diesem Fall kann das Steifblechelement noch ebenflächig, das heißt ohne Rastkontur ausgebildet sein. Anschließend erfolgt ein Schweißschritt, bei dem das Steifblechelement mit dem Blechteil-Grundkörper verschweißt wird. In einem nachfolgenden Umformschritt kann die Rastkontur zum Beispiel in einem Biegeprozess in das Steifblechelement eingeformt werden.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.
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Es zeigen:
- 1 in einer schematischen Schnittdarstellung eine Karosseriestruktur in einem Hinterwagenbereich eines zweispurigen Fahrzeugs, bei dem ein Reserveradmulden-Blechteil an seitliche Karosserie-Längsträger angebunden ist;
- 2 eine Detailansicht aus der 1, die eine Schnappverbindung zwischen den beiden Fügepartner veranschaulicht;
- 3 eine Ansicht, anhand der ein Fügevorgang veranschaulicht ist;
- 4 ein Blechteil-Schnappelement im unverformten Zustand sowie in Alleinstellung; und
- 5 bis 7 jeweils Ansichten, die Prozessschritt zur Herstellung des Blechteil-Schnappelementes veranschaulichen.
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In der 1 ist eine Fahrzeug-Karosseriestruktur in einem Hinterwagenbereich gezeigt, bei der ein als Reserveradmulden-Blechteil ausgebildetes Blechteil 1 seitliche Längsflansche 3 aufweist, die über eine später beschriebene mechanische Schnappverbindung S sowie eine stoffschlüssige Klebverbindung K an seitliche und als Karosserie-Längsträger ausgebildete Fügepartner 5 angebunden ist. Die Schnappverbindung S ist in der 1 oder 2 über ein Blechteil-Schnappelement 7 realisiert, das als eine Blechlasche ausgebildet ist. Die Blechlasche 7 ist am jeweiligen Längsflansch 3 des Blechteils 1 elastisch nachgiebig angeformt, und zwar unter Bildung einer Federachse FA (2) am Übergang von der Blechlasche 7 in einen Blechteil-Grundkörper 19 (4 bis 7) des Blechteils 1. Jeder der beiden seitlichen Längsflansche 3 des Blechteils 1 weist eine Mehrzahl solcher Blechlaschen 7 auf, die in der Fahrzeuglängsrichtung x mit Abstand hintereinander in den Längsflanschen 3 angeordnet sind.
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In der in der 1 gezeigten Zusammenbaulage verbleibt zwischen dem Längsflansch 3 und dem Fügepartner 5 ein geringfügiger Klebspalt, in dem eine Klebschicht 9 die beiden einander zugewandten Kontaktflächen der Fügepartner, das heißt Blechteil 1 und Fügepartner 5, miteinander stoffschlüssig verbindet. In der in der 1 oder 2 gezeigten Fügeposition greift eine Rastkontur 11 der Blechlasche 7 formschlüssig in eine korrespondierende und als Längsträger-Aussparung ausgebildete Fügepartner-Aussparung 13 ein.
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In der 3 ist ein Fügevorgang angedeutet, bei dem das Blechteil 1 in einer Fügerichtung I auf die beiden seitlichen Fügepartner 5 aufgesetzt wird. Bei dem Fügevorgang wird die Rastkontur 11 der Blechlasche 7 vom jeweiligen Fügepartner 5 unter Aufbau einer elastischen Rückstellkraft (das heißt eine rechtwinklig zur Fügekraft wirkende Querkraft) in eine Entriegelungsstellung gedrückt. Mit Erreichen der Fügeposition (das heißt unmittelbar vor Erreichen der Fügeposition) schnappt die elastisch verformte Blechlasche 7 unter zumindest teilweisem Abbau der Rückstellkraft F wieder in seine Verriegelungsstellung zurück, in der die Rastkontur 11 der Blechlasche 7 formschlüssig in die Fügepartner-Aussparung 13 eingreift. Mittels der so bewerkstelligten mechanischen Schnappverbindung S ergibt sich eine zuverlässige Lagesicherung des Blechteils 1 auf den beiden Fügepartnern 5.
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Wie oben erwähnt, ist die Blechlasche 7 unter Bildung einer geradlinigen Federachse FA elastisch nachgiebig an dem Blechteil-Grundkörper 19 angeformt. Die Blechlasche 7 muss einerseits eine (bevorzugt ausreichend geringe) elastische Nachgiebigkeit aufweisen, damit die sich beim Fügevorgang ergebenden Fügekräfte bzw. Rückstellkräfte F ausreichend gering sind. Andererseits muss die Blechlasche 7 auch eine ausreichend große Verbindungssteifigkeit bereitstellen, die einem Lösen des Blechteils 1 von dem Fügepartner 5 entgegen der Fügerichtung I zuverlässig entgegenwirkt.
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Zur Bereitstellung einer solchen im Vergleich zum Stand der Technik erhöhten Verbindungssteifigkeit weist die erfindungsgemäße Blechlasche 7 die nachfolgend beschriebene Bauteil-Geometrie auf:
- Demzufolge ist das Blechteil 1 als ein Tailored-Welded-Blank ausgebildet, das aus dem bereits erwähnten Blechteil-Grundkörper 19 und aus einem damit verschweißten Steifblechelement 21 (4) aufgebaut ist. Das verschweißte Steifblechelement 21 (das heißt die Cliplasche) ist in der 4 an einer Schweißverbindungsstelle 20 mit einem am Blechteil-Grundkörper 19 ausgebildeten Blechlaschen-Fußabschnitt 23 verbunden. Das verschweißte Steifblechelement 21 ist im Vergleich zum Blechteil-Grundkörper 19 mit einer erhöhten (in den 4 bis 7 übertrieben groß dargestellten) Blechdicke ausgebildet. Zudem weist das verschweißte Steifblechelement 21 im Vergleich zum Blechteil-Grundkörper 19 eine erhöhte Bauteilsteifigkeit sowie ein erhöhtes E-Modul auf. Im verschweißten Steifblechelement 21 ist zudem die Rastkontur 11 ausgebildet.
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In der 4 ist der Blechteil-Grundkörper 19 mit einer fensterartigen, rechtwinkligen Ausnehmung 24 ausgebildet, in der die Blechlasche 7 positioniert ist. Zwischen den Längskanten 26 sowie einer Stirnkante 28 der Blechlasche 7 und der fensterartigen, rechtwinkligen Ausnehmung 24 ist ein U-förmiger Blechfreischnitt 22 (4, 6 oder 7) vorhanden, der einen Freigang für die Blechlasche 7 bildet. An einer unteren Ausnehmungskante 31 (4) der fensterartigen, rechtwinkligen Ausnehmung 24 ist ein, den Blechlaschen-Fußabschnitt 23 bildender Blechsteg angeformt, der mit einer Steghöhe s (5) nach innen in die fensterartige, rechtwinklige Ausnehmung 24 einragt. Der den Blechlaschen-Fußabschnitt 23 bildende Blechsteg ist im Zusammenbauzustand an seiner inneren Stegkante 33 (5) mit einer als zugewandte Fußkante ausgebildeten Fußkante 35 (5) des verschweißten Steifblechelementes 21 verschweißt. Die Schweißanbindung 20 des verschweißten Steifblechelementes 21 am Blechlaschen-Fußabschnitt 23 ist dabei so ausgelegt, dass sich ein glatter, stufenloser Längskanten-Verlauf zwischen dem Blechlaschen-Fußabschnitt 23 und dem verschweißten Steifblechelement 21 ergibt.
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Im verschweißten Steifblechelement 21 (das heißt in der Cliplasche) weist die Rastkontur 11 gemäß den 2 oder 3 eine, der geradlinigen Federachse FA zugewandte Rastflanke 25 und eine, der geradlinigen Federachse FA abgewandte Rastflanke 27 auf. Diese sind zueinander schräggestellt und laufen an einer Rastkontur-Scheitelkante 29 zusammen. Die Rastkontur-Scheitelkante 29 ragt im noch nicht gefügten Zustand (4) um eine Kontur-Höhe h vom ebenflächigen Blechlaschen-Fußabschnitt 23 ab. Die Rastkontur-Scheitelkante 29 verläuft zudem achsparallel zur geradlinigen Federachse FA.
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Die von der geradlinigen Federachse FA abgewandte Rastflanke 27 ist ausreichend schräg zu stellen. Typischerweise sollte die Rastflanke 27 mit der Füge-/Löserichtung einen Winkel von nicht mehr als 20° einschließen, da es nur so zur sogenannten Selbsthemmung kommt. Bleibt diese Selbsthemmung aus, würde die Rastflanke beim Lösen einfach über die Kante des Fügepartners 5 abgleiten und es käme nicht zum Knicken, wodurch auch die erhöhte Bauteilsteifigkeit der Rastkontur 11 nicht ins Gewicht fiele.
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In den 5 bis 7 sind die Prozessschritte zur Herstellung des in der 4 gezeigten Blechteil-Schnappelementes 7 veranschaulicht: Demnach werden gemäß der 5 zunächst der Blechteil-Grundkörper 19 und das zu verschweißende Steifblechelement 21 als voneinander separate Bauteile bereitgestellt. Der Blechteil-Grundkörper 19 weist die fensterartige, rechtwinklige Ausnehmung 24 sowie den darin einragenden Blechlaschen-Fußabschnitt 23 auf. Das zu verschweißende Steifblechelement 21 ist in der 5 noch plattenförmig bzw. ebenflächig ohne Rastkontur 11 ausgebildet.
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In einem nachfolgenden Schweißschritt (6) wird das zu verschweißende Steifblechelement 21 mit dem Blechlaschen-Fußabschnitt 23 des Blechteil-Grundkörpers 19 verschweißt. Anschließend erfolgt ein Umformschritt (7), bei dem in einem Biegeprozess die Rastkontur 11 in das verschweißte Steifblechelement 21 eingeformt wird.
