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Einleitung
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Die vorliegende Beschreibung bezieht sich im Allgemeinen auf Befestigungsanordnungen zum Befestigen von Bauteilen an Werkstücken.
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Befestigungsanordnungen werden mitunter an einem oder mehreren Werkstücken angebracht und weisen typischerweise ein Ende auf, das mit einer anderen zusätzlichen Komponente befestigt werden kann. Auf diese Weise werden die Komponenten über die Befestigungsanordnungen am/an den Werkstück(en) befestigt. Die Enden der Befestigungsanordnungen können Bolzen oder eine andere Art eines Befestigungsendes sein, um eine Befestigung mit den zusätzlichen Komponenten zu ermöglichen.
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Fertigungsprodukte - und damit die Werkstücke, aus denen sie hergestellt werden - integrieren zunehmend leichtere Materialien wie Aluminium-, Magnesium- und Polymerverbundwerkstoffe in ihre Konstruktion. Mitunter weisen die hergestellten Produkte eine geschlossene Struktur auf, wie beispielsweise einen Kasten oder ein Rohr, wodurch die zugehörigen Befestigungsanordnungen von einem Inneren der geschlossenen Struktur aus nicht zugänglich sind und nur von einer Außenseite der geschlossenen Struktur zugänglich sind (oft als einseitige oder blinde Befestigungsanordnungen bezeichnet). Diese Art von Anwendungen stellt besondere Herausforderungen beim Einsatz von Befestigungsanordnungen dar.
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US 2018 / 0 214 934 A1 beschreibt ein zweiteiliges mechanisches Befestigungselement, das einen länglichen Körper mit einer Bohrung umfasst, in der ein Dorn gleitend gelagert ist, der mit dem Körper in Eingriff gebracht werden kann. Der Körper des Befestigungselements hat eine oder mehrere Ausstülpungen an seiner Außenfläche. In einem Aspekt bilden die Ausstülpungen ein Gewinde. Das Befestigungselement ist so ausgelegt, dass es eine Öffnung in einem Stapel von zwei oder mehr Werkstücken bildet und diesen durchdringt. Um die Werkstücke in dem Werkstückstapel zu befestigen und eine Verbindung zu bilden, wird der Körper des Befestigungselements durch den Dorn verformt, wobei der Körper aufgeweitet wird, so dass ein Ende des Körpers an einer Oberfläche des Werkstückstapels anliegt und die eine oder mehreren Ausstülpungen mit den Wänden der Öffnung in Eingriff gebracht werden.
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US 2019 / 0 022 737 A1 beschreibt Reibrührblindnietsysteme und -verfahren für das Verbinden von Werkstücken. Ein FSBR-Verbindungssystem umfasst einen Dorn mit einem Kopf, der eine Spitze bildet. Ein Schaft erstreckt sich von dem Kopf und hat einen verengten Abschnitt, der eine Kerbe bildet. Ein Endabschnitt des Dorns ist so gestaltet, dass er an der Kerbe abbricht und ein abgebrochenes Ende bildet. Ein Schaft hat ebenfalls einen Kopf und einen Körper, wobei eine Durchgangsbohrung durch den Schaft definiert ist. Der Kopf des Schaftes weist eine Schulter auf, die eine Oberfläche bildet, die ein Werkstück berührt. Der Kopf hat einen äußersten Punkt, der der Oberfläche gegenüberliegt. Zwischen dem äußersten Punkt des Kopfes und der Oberfläche ist ein Bereich definiert. Eine Wand steht von einem anderen Werkstück ab und ist um den Körper herum ausgebildet. Die Wand hat eine Größe, die durch den Dorn gebildet wird und die so gesteuert wird, dass sich der Körper verformen kann.
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US 8 721 241 B2 beschreibt einen selbstschneidenden Blindniet mit einem Nietdorn, der an seinem dem Werkstück zugewandten Ende eine lochbildende Spitze trägt, wobei die Spitze als Vorrichtung zum Bohren des nieteigenen Setzloches ausgebildet ist, wobei eine form- oder kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Nietdorn und dem Nietschaft vorgesehen ist und wobei am oder im Nietkopf ein Kraftangriffspunkt für ein Werkzeug vorgesehen ist, und ein Verfahren zum Setzen eines solchen Blindnietes.
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US 2016 / 0 084 290 A1 beschreibt ein Nietmodul. Das Nietmodul dient zum Verbinden von mindestens zwei Platten aus Basismaterialien in festem Zustand, wobei das Nietmodul Folgendes umfasst: Einen Schaftabschnitt, der auf einem hin- und herbewegbaren und drehbaren Verbindungswerkzeug zu montieren ist und einen Basismaterial-Reibungsabschnitt, der einstückig mit dem Schaftabschnitt verbunden ist und sich durch den Basismaterial-Reibungsabschnitt bohrt, wenn das Verbindungswerkzeug bewirkt, dass der Basismaterial-Reibungsabschnitt gedreht wird, während Druck auf die Basismaterialien ausgeübt wird und einen Basismaterial-Befestigungsabschnitt, der fest an dem Schaftabschnitt angebracht ist, den Basismaterial-Reibungsabschnitt trägt und an den Basismaterialien durch ein Gewinde befestigt ist, das auf der äußeren Umfangsfläche davon ausgebildet ist.
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US 2018 / 0 154 426 A1 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden einer Vielzahl von Werkstücken umfassend das Bereitstellen eines rotierenden Antriebswerkzeugs. Ein Befestigungselement wird an dem Antriebswerkzeug befestigt. Das Antriebswerkzeug wird dann drehend angetrieben, so dass ein distales Ende des Befestigungselements gegen eine Oberfläche der Vielzahl von Werkstücken rotiert. Durch die Reibung, die durch die Drehung des Befestigungselements an der Oberfläche der mehreren Werkstücke entsteht, wird dann eine erhitzte Materialzone auf den mehreren Werkstücken erzeugt. Das distale Ende des Befestigungselements wird drehend und axial durch die erwärmte Materialzone getrieben. Schließlich wird das Antriebswerkzeug von dem Befestigungselement entfernt, so dass beim Abkühlen der erhitzten Materialzone ein Teil der erhitzten Materialzone mit dem Befestigungselement verschmolzen wird.
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US 7 862 271 B2 beschreibt ein Verfahren zum Verbinden von Werkstücken umfassend das Drehen eines Reibrührniets über einen Dorn und das Eintreiben des Niets in die Werkstücke, wodurch ein Reibungserwärmen zwischen dem Niet und den Werkstücken verursacht wird und die Materialien der Werkstücke erweicht werden, wodurch ein fiktiver, gerührter, verschiebbarer Weg für den Niet geschaffen wird, der durchlaufen werden kann, und das Eintreiben des Niets entlang des verschiebbaren Wegs, bis der Nietdorn die Werkstücke durchsticht und eine Kappe des Niets an den Werkstücken sitzt. Nach dem Setzen der Kappe wird die weitere Drehung des Nietdorns gestoppt und die Werkstücke werden abgekühlt und gehärtet. Dann wird eine axiale Kraft auf den Nietdorn ausgeübt, die ausreicht, um eine mechanische Belastung zwischen dem Nietkörper und den Werkstücken zu erzeugen. Ein sich ergebendes Volumen des von den Werkstücken verdrängten Materials wird fest mit den Werkstücken verbunden, wodurch die Entstehung eines potenziell ablösbaren Rohlings des verdrängten Materials vermieden wird.
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Kurzdarstellung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung wird eine Befestigungsanordnung verwendet, um einen Werkstückstapel zu verbinden. Die Befestigungsanordnung umfasst einen Körper, einen Dorn, eine Verbindung und eine Interferenzstruktur. Der Körper weist eine Hülse und eine Bohrung auf, die sich durch die Hülse erstreckt. Der Dorn ist in der Bohrung angeordnet. Der Dorn weist ein Arbeitsende und ein Befestigungsende auf. Das Arbeitsende ragt aus einem ersten offenen Ende der Bohrung heraus, und das Befestigungsende ragt aus einem zweiten offenen Ende der Bohrung heraus. Das Befestigungsende wird zur Befestigung mit einer bestimmten Komponente verwendet. Die Verbindung besteht zwischen dem Körper und dem Dorn und verbindet die Drehung des Körpers mit der Drehung des Dorns. Die Interferenzstruktur befindet sich angrenzend an dem zweiten offenen Ende der Bohrung. Unter Verwendung der Befestigungsanordnung ist das Arbeitsende des Dorns konfiguriert verwendet zu werden, um die Materialien des Werkstückstapels durch eine Reibungserzeugung zu erweichen, während die Befestigungsanordnung durch den Werkstückstapel gestaucht ist. Beim Einbau der Befestigungsanordnung in den Werkstückstapel sind ein Abschnitt der Hülse und ein Abschnitt des Arbeitsendes an einer Unterseite des Werkstückstapels freigelegt. Das Arbeitsende staucht die Hülse, um dadurch die Außenbewegung der Befestigungsanordnung an der Unterseite des Werkstückstapels zu fixieren. Das Befestigungsende bleibt an einer Oberseite des Werkstückstapels mit der Interferenzstruktur, die zumindest teilweise an der Oberseite freigelegt ist, freigelegt. Die Interferenzstruktur fixiert die Innenbewegung der Befestigungsanordnung an der Oberseite des Werkstückstapels. Das Arbeitsende weist einen Hohlraum auf. Während des Verwendens der Befestigungsanordnung ist der Hohlraum konfiguriert, verwendet zu werden, um ein Ausbruchmaterial des Werkstückstapels aufzunehmen, das von dem Werkstückstapel inmitten von Einbaumaßnahmen der Befestigungsanordnung im Werkstückstapel verschoben ist. Das Ausbruchmaterial des Werkstückstapels ist im Hohlraum des Arbeitsendes eingeschlossen, wenn das Arbeitsende die Hülse staucht.
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In einer Ausführungsform ist das Befestigungsende ein Bolzen mit einem Satz von Außengewinden zum Befestigen mit der jeweiligen Komponente, oder das Befestigungsende ist eine Mutter mit einem Satz von Innengewinden zum Befestigen mit der jeweiligen Komponente.
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In einer Ausführungsform ist die Interferenzstruktur eine Manschette, die sich auf dem Dorn am Befestigungsende befindet. Beim Einbau der Befestigungsanordnung in den Werkstückstapel bleibt die Manschette an der Oberseite des Werkstückstapels freigelegt.
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In einer Ausführungsform ist die Manschette eine separate Komponente als Körper und ist eine separate Komponente als Dorn.
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In einer Ausführungsform weist die Manschette beim Einbau der Befestigungsanordnung in den Werkstückstapel einen Verpressungsinterferenz-Eingriff mit dem Dorn am Befestigungsende auf. Der Verpressungsinterferenz-Eingriff befestigt die Innenbewegung der Befestigungsanordnung an der Oberseite des Werkstückstapels.
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In einer Ausführungsform ist das Befestigungsende ein Bolzen mit einem Satz von Außengewinden. Der Verpressungsinterferenz-Eingriff der Manschette erfolgt mit dem Satz von Außengewinden des Bolzen.
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In einer Ausführungsform ist die Befestigungsanordnung eine Blindbefestigungsanordnung, wobei der Zugang zur Befestigungsanordnung an der Unterseite des Werkstückstapels ausgeschlossen ist.
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Gemäß der Erfindung ist eine Befestigungsanordnung bereitgestellt, um einen Werkstückstapel zu verbinden. Die Befestigungsanordnung kann einen Körper und einen Dorn umfassen. Der Körper weist eine Hülse und eine Bohrung auf, die sich durch die Hülse erstreckt. Der Dorn mit einem Arbeitsende ist in der Bohrung angeordnet. Das Arbeitsende ragt aus einem offenen Ende der Bohrung heraus und weist einen Hohlraum darin auf. Unter Verwendung der Befestigungsanordnung ist das Arbeitsende des Dorns konfiguriert verwendet zu werden, um die Materialien des Werkstückstapels durch eine Reibungserzeugung zu erweichen. Der Hohlraum ist konfiguriert verwendet zu werden, um ein Ausbruchmaterial des Werkstückstapels aufzunehmen, das aus dem Werkstückstapel verschoben ist, während die Befestigungsanordnung durch den Werkstückstapel getrieben ist. Beim Einbau der Befestigungsanordnung im Werkstückstapel sind ein Abschnitt der Hülse und ein Abschnitt des Arbeitsendes an einer Unterseite des Werkstückstapels freigelegt. Das Arbeitsende staucht die Hülse, um dadurch die Außenbewegung der Befestigungsanordnung an der Unterseite des Werkstückstapels zu fixieren. Das Ausbruchmaterial des Werkstückstapels ist im Hohlraum des Arbeitsendes eingeschlossen, wenn das Arbeitsende die Hülse staucht.
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In einer Ausführungsform ist der Hohlraum zumindest teilweise durch eine Innenfläche des Arbeitsendes und eine an der Innenfläche befindliche Rückhaltestruktur definiert. Die Rückhaltestruktur greift in das Ausbruchmaterial des Werkstückstapels ein und hält das Ausbruchmaterials im Hohlraum zurück.
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In einer Ausführungsform weist das Arbeitsende ein geschlossenes Ende und ein offenes Ende auf. Der Hohlraum erstreckt sich zwischen dem geschlossenen Ende und dem offenen Ende. Das offene Ende bildet das innenliegende, sich am weitesten erstreckende Ende des Arbeitsendes, das beim Durchdrücken der Befestigungsanordnung durch den Werkstückstapel mit einer Oberseite des Werkstückstapels in ersten Kontakt kommt.
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Kurzbeschreibung der Zeichnungen
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Ein oder mehrere Aspekte der Beschreibung werden im Folgenden in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente bezeichnen, und wobei gilt:
- 1 verdeutlicht eine Befestigungsanordnung und deren Verwendung in einem Verfahren zum Verbinden eines Werkstückstapels;
- 2 ist eine Schnittansicht der Befestigungsanordnung von 1 in einer geschlossenen Struktur;
- 3 verdeutlicht Befestigungsanordnung und deren Verwendung in einem nicht beanspruchten Verfahren zum Verbinden eines Werkstückstapels;
- 4 ist eine Explosionsansicht einer Befestigungsanordnung; und
- 5 verdeutlicht ein nicht beanspruchtes Verfahren zum Befestigen der Befestigungsanordnung von 4 an einer eingeschlossenen Struktur.
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Ausführliche Beschreibung
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Mehrere Ausführungsformen einer Befestigungsanordnung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden beschrieben. Die Befestigungsanordnungen lösen Herausforderungen, die bei der Verwendung mit einem oder mehreren Werkstücken aus leichteren Materialien, wie beispielsweise Aluminium-, Magnesium- und/oder Polymerverbundwerkstoffen, auftreten, und wenn das/die Werkstück(e) Teil einer teilweise oder vollständig geschlossenen Komponente ist/sind, in der das Innere der geschlossenen Komponente weitgehend oder vollständig unzugänglich ist. Die in dieser Beschreibung aufgeführten Befestigungsanordnungen sind daher effizienter und effektiver einsetzbar als bisher dargestellt. Obwohl die im Folgenden beschriebenen Verfahren im Kontext von Automobilkomponenten und -strukturen beschrieben werden, sollten Fachleute verstehen, dass die Befestigungsanordnungen in anderen Anwendungsbereichen, wie beispielsweise Luft- und Raumfahrt, Schifffahrt, Eisenbahn, Hochbau, Haushaltsgeräte und Industrieausrüstung eingesetzt werden können.
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Die verschiedenen Ausführungsformen der Befestigungsanordnungen können mit verschiedenen Werkstückstapeln und mit verschiedenen Werkstücken zum Einsatz kommen. In 1 beinhaltet beispielsweise ein Werkstückstapel 10 ein erstes Werkstück 12 und ein zweites Werkstück 14, die sich an einer Einbaustelle einer Befestigungsanordnung überlappen und übereinanderliegen. Der Werkstückstapel 10 kann ein Teil einer Automobilkomponente oder -struktur, wie beispielsweise einer Ladefläche, sein oder selbst sein. Das erste Werkstück 12 kann aus einem Polymerverbundwerkstoff bestehen und wäre somit ein Polymerverbundwerkstück. In diesem Beispiel kann das erste Polymerverbundwerkstück 12 aus verschiedenen Polymerverbundwerkstoffen aus einer Polymermatrix und einer durch die Polymermatrix gebundenen Verstärkung bestehen. In einem konkreten Beispiel ist das erste Polymerverbundwerkstück 12 ein Kohlenstofffaser-Verbundwerkstück aus einem Nylon-6-Kunststoff mit 30 Gew.-% (%) Kohlenstofffaser. Ebenso kann das zweite Werkstück 14 aus einem Polymerverbundwerkstoff bestehen und wäre somit ein Polymerverbundwerkstück. In diesem Beispiel kann das zweite Polymerverbundwerkstück 14 aus verschiedenen Polymerverbundwerkstoffen aus einer Polymermatrix und einer durch die Polymermatrix gebundenen Verstärkung bestehen. In einem konkreten Beispiel ist das zweite Polymerverbundwerkstück 14 ein Kohlenstofffaser-Verbundwerkstück aus einem Nylon-6-Kunststoff mit 30 Gew.-% (%) Kohlenstofffaser.
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In weiteren Beispielen könnten die ersten und/oder zweiten Werkstücke 12, 14 jedoch aus einem Kunststoffmaterial mit Faserverstärkungen, aus einem Metallmaterial, wie beispielsweise einem Aluminiummaterial oder einem Magnesiummaterial, oder aus einer anderen Art und Beschaffenheit des Materials hergestellt sein. Die ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 können in Bezug zueinander aus ähnlichen Materialien oder aus unterschiedlichen Materialien hergestellt sein. Unabhängig vom Material weist der Werkstückstapel 10 eine Oberseite mit einer Oberseitenoberfläche 16 und eine Unterseite mit einer Unterseitenoberfläche 18 auf. In einer Ausführungsform, in welcher der Werkstückstapel 10 eine geschlossene Komponente 20 wie einen Kasten oder ein Rohr (z. B. siehe 2) bildet oder Teil derselben ist, können die Unterseite und ein Inneres 22 für Werkzeuge, die ansonsten beim Einbau einer Befestigungsanordnung behilflich sein könnten, weitgehend oder vollständig unerreichbar sein. In einer derartigen Ausführungsform werden die Befestigungsanordnungen als einseitige oder Blindbefestigungsanordnungen bezeichnet. Des Weiteren kann der Werkstückstapel 10 abhängig von der Anwendung mehr als ein Paar Werkstücke und beispielsweise drei oder vier Werkstücke beinhalten.
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Die vorgestellten Befestigungsanordnungen können verschiedene Ausführungen, Konstruktionen und Komponenten in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen, abhängig zum Teil von ihrem jeweiligen Verwendungszweck und von der Materialzusammensetzung der einzubauenden Werkstücke und anderen möglichen Faktoren. In der Ausführungsform der 1 und 2 dient beispielsweise eine Befestigungsanordnung 24 dazu, die ersten und zweiten Werkstücke 12, 14 durch ein nicht beanspruchtes Reibrührverfahren miteinander zu verbinden und die verbundenen Werkstücke 12, 14 mit einer Befestigung an einer bestimmten Komponente zu versehen. In einer Automobilanwendung könnte die eigene Komponente ein Fluidbehälter, ein Kabelbaum, ein Verkleidungsstück, eine Halterung oder etwas anderes sein; in anderen Anwendungen könnte die Befestigungsanordnung 24 für andere Zwecke als das Befestigen einer bestimmten Komponente verwendet werden. Des Weiteren kann die Befestigungsanordnung 24 eine ursprünglich eingebaute Komponente eines bestimmten Herstellungsprodukts sein oder eine nachträglich eingebaute Komponente, wobei die Befestigungsanordnung 24 für Reparatur- und Servicetätigkeiten verwendet wird.
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Unter fortgesetzter Bezugnahme auf die 1 und 2 beinhaltet die Befestigungsanordnung 24 in dieser Ausführungsform einen Körper 26, einen Dorn 28 und eine Interferenzstruktur 30. Der Körper 26 weist eine Hülse 32 auf, die in seinem Inneren eine Bohrung 34 definiert. Die Bohrung 34 erstreckt sich vollständig durch die Hülse 32 zwischen einem ersten offenen Ende 36 und einem zweiten offenen Ende 38. Der Dorn 28 wird durch die Hülse 32 eingeführt und ist in der Anordnung in der Bohrung 34 angeordnet. Fachleute werden verstehen, dass der Dorn 28 aus einem Material bestehen kann, das eine Härte aufweist, die höher ist als die Härte des/der Werkstück(e). Der Dorn 28 weist ein Arbeitsende 40 und ein Befestigungsende 42 auf. Das Arbeitsende 40 ragt heraus und ist aus dem ersten offenen Ende 36 heraus freiliegend. Das Arbeitsende 40 ist der Abschnitt der Befestigungsanordnung 24, der, wie nachstehend beschrieben, zwischen dem Reibrührverfahren zum Erweichen von Materialien des ersten Werkstücks 12 in anfänglichen Kontakt mit der Oberseite 16 des Werkstückstapels 10 kommt. Das Arbeitsende 40 kann daher verschiedene Ausführungen und Konstruktionen aufweisen, einschließlich, aber nicht beschränkt auf, eine abgerundete Konfiguration, eine abgeflachte Konfiguration, eine kegelförmige Konfiguration oder eine punktuelle Konfiguration. Fachleute werden verstehen, dass das Arbeitsende 40 eine größere seitliche Abmessung (in diesem Fall einen größeren Durchmesser) aufweist als die Hülse 32. Das Befestigungsende 42 ragt aus dem zweiten offenen Ende 38 heraus und wird sowohl vor als auch nach dem Einbau der Befestigungsanordnung 24 in den Werkstückstapel 10 freigelegt. Das Befestigungsende 42 ist der Abschnitt der Befestigungsanordnung 24, der zum Befestigen der einzelnen Komponente am Werkstückstapel 10 über die Befestigungsanordnung 24 verwendet wird, ungeachtet dessen, um welche einzelne Komponente es sich handelt. In der durch die 1 und 2 dargestellten Ausführungsform ist das Befestigungsende 42 ein Bolzen 44 mit einem Satz von Außengewinden 46 zum Eingreifen in einen ergänzenden Satz von Außengewinden der jeweiligen Komponente. In weiteren Ausführungsformen könnte das Befestigungsende 42 eine Mutter mit einem Satz von Innengewinden sein oder eine andere Art von Ausführung und Konstruktion aufweisen, um eine bestimmte Komponente in einer bestimmten Anwendung auf die gewünschte Weise zu befestigen. In diesem Zusammenhang stellt das Befestigungsende 42 eine vorstehende Verlängerung der Befestigungsanordnung 24 dar, die an einer Außenseite (in diesem Fall der Oberseite) des Werkstückstapels 10 im Allgemeinen freigelegt und allgemein zugänglich bleibt.
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Des Weiteren ist eine Verbindung 48 zwischen dem Körper 26 und dem Dorn 28 vorgesehen, um die Drehung des Körpers 26 mit der Drehung des Dorns 28 zu vereinheitlichen. Mit anderen Worten, der Körper 26 und der Dorn 28 korotinieren miteinander, wenn die Befestigungsanordnung 24 während des Reibrührverfahrens gesponnen wird. Die Verbindung 48 kann verschiedene Ausführungen und Konstruktionen in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen. In der Ausführungsform der 1 und 2 ist die Verbindung 48 in Form einer Presspassung zwischen dem Körper 26 und dem Dorn 28 vorgesehen, wobei ein Segment oder mehr des Körpers 26 und des Dorns 28 mechanisch zusammengepresst werden. Dennoch kann in weiteren Ausführungsformen die Verbindung 48 und die daraus resultierende Co-Rotation durch Anpassen von unrunden Querschnitten des Körpers 26 und des Dorns 28 (z. B. Dreieckquerschnitte, quadratische Querschnitte und dergleichen), durch eine zwischen dem Körper 26 und dem Dorn 28 gebildete Verformung, wie beispielsweise durch Crimpen oder ein anderes Verfahren, und/oder durch eine Oberflächenbehandlung an gegenüberstehenden und gegenüberliegenden Oberflächen zwischen dem Körper 26 und dem Dorn 28, wie beispielsweise durch Rändeln, Spiralgewinderollen oder ein anderes Verfahren, bewirkt werden.
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Die Interferenzstruktur 30 fixiert die innere Bewegung der Befestigungsanordnung 24, nachdem die Befestigungsanordnung 24 in den Werkstückstapel 10 eingebaut wurde. Nach dem Herstellen stoppt die Interferenzstruktur 30 die Bewegung der Befestigungsanordnung 24 in einer innenliegenden Richtung 50. Die Interferenzstruktur 30 kann verschiedene Ausführungen, Konstruktionen und Komponenten in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen. In der Ausführungsform der 1 und 2 ist die Interferenzstruktur 30 in Form einer um den Dorn 28 herum angeordneten Manschette 52 an einer axialen Position des Befestigungsendes 42 und des Satzes von Außengewinden 46 vorgesehen. Hier befindet sich die Manschette 52 nahe dem zweiten offenen Ende 38 der Bohrung 34 der Hülse und verbleibt an dieser Stelle im Allgemeinen freiliegend an der Oberseite des Werkstückstapels 10 nach dem Einbau. Die Manschette 52 ist in dieser Ausführungsform eine separate Komponente im Vergleich zum Körper 26 und eine separate Komponente im Vergleich zum Dorn 28 und kann aus einem anderen Material bestehen, als der Körper 26 und der Dorn 28, was nicht zwangsläufig der Fall ist. In einem Beispiel besteht die Manschette 52 aus Baustahl, wobei sie jedoch aus anderen Materialien in anderen Ausführungsformen bestehen kann. Die Manschette 52 wird durch einen Gesenkschmiedeprozess auf dem Dorn 28 fixiert, wobei zwischen einem Innenabschnitt der Manschette 52 und den Gewinden des Außengewindesatzes 46 ein Verpressungsinterferenz-Eingriff 54 erzwungen wird. Nach dem Anbringen behindert das konfrontative Widerlager zwischen einer Unterseite der Manschette 52 und der Oberseite 16 des Werkstückstapels 10 die Bewegung in Innenrichtung 50. In anderen Ausführungsformen kann die Interferenzstruktur 30 und die daraus resultierende ausgeschlossene Bewegung jedoch auch auf andere Weise bewirkt werden, wie beispielsweise durch einen sich einheitlich erstreckenden Abschnitt des Körpers 26 wie eine Kappe, einen Flansch oder etwas anderes, oder durch einen Crimpvorgang, der am Körper 26 am zweiten offenen Ende 38 durchgeführt wird.
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Unter besonderer Berücksichtigung von 1 verbindet die Befestigungsanordnung 24 das erste und zweite Werkstück 12, 14 durch ein Reibrührverfahren miteinander. Das Reibrührverfahren kann mehr, weniger und/oder andere Schritte und Parameter aufweisen als die hier beschriebenen. In einem Schritt 56 wird die Befestigungsanordnung 24 gesponnen und bei hoher Geschwindigkeit gedreht. In einem konkreten Beispiel wird die Befestigungsanordnung 24 mit einer Geschwindigkeit gedreht, die zwischen ca. 10.000 und 12.000 Umdrehungen pro Minute (U/min) liegt; in anderen Beispielen kann die Geschwindigkeit unterschiedliche Drehzahlbereiche aufweisen. Die rotierende Befestigungsanordnung 24 wird in Richtung des Werkstückstapels 10 gebracht und das Arbeitsende 40 kontaktiert das erste Werkstück 12. Die schnelle Drehung und der aufrechterhaltene Kontakt erzeugen Reibungswärme, die das lokale Material des ersten Werkstücks 12 erweicht. In einem Schritt 58 wird die Befestigungsanordnung 24 kräftig angedrückt und durch den Werkstückstapel 10 und durch das erste und zweite Werkstück 12, 14 getrieben. In einem Schritt 60 wird die Drehung beendet und der Dorn 28 in den Körper 26 gestaucht. Der Dorn 28 wird gewaltsam in Außenrichtung 62 gezogen und die Hülse 32 wird teilweise um das Arbeitsende 40 verformt, wie in 1 abgebildet. Eine Stauchverformung 64 fixiert und stoppt somit die Außenbewegung der Befestigungsanordnung 24. Darüber hinaus kann in diesem Schritt der Gesenkschmiedevorgang an der Manschette 52 durchgeführt werden. Die Gesenkwerkzeuge 66 üben eine Presskraft gegen die Manschette 52 aus, um den verpressten Interferenz-Eingriff 54 zu konstruieren. Schließlich wird in einem Schritt 68 der Werkstückstapel 10 über die Befestigungsanordnung 24 verbunden, und das Befestigungsende 42 wird positioniert und zur Befestigung mit der jeweiligen Komponente positioniert.
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Bei einem Reibrührverfahren, wie in 1 dargelegt, hat sich herausgestellt, dass Materialstücke des Werkstückstapels 10 manchmal die Tendenz aufweisen, sich weiterzuentwickeln und an der Unterseite am Arbeitsende 40 ankleben. In einigen Fällen werden diese Materialstücke entfernt oder können anderweitig herausfallen. Und in einer umschlossenen Komponente, wie der umschlossenen Komponente 20 von 2, können die herabfallenden Materialstücke umherspringen und während der Verwendung des größeren Endprodukts Klappergeräusche erzeugen. Unter Bezugnahme nun auf 3 wurde daher eine erfindungsgemäße Befestigungsanordnung 124 im Hinblick auf diesen Nachteil entworfen und konstruiert. In der Befestigungsanordnung 124 sind die Komponenten den zuvor unter Bezugnahme auf die 1 und 2 beschriebenen Komponenten ähnlich. Einige dieser Ähnlichkeiten werden hier nicht im Detail wiederholt.
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In 3 beinhaltet die Befestigungsanordnung 124 einen Körper 126, einen Dorn 128 und eine Interferenzstruktur 130. Im Gegensatz zur vorherigen Ausführungsform liegt die Interferenzstruktur 130 in Form eines Flansches vor, der eine einheitliche Verlängerung des Körpers 126 darstellt. In der Befestigungsanordnung 124 weist ein Arbeitsende 140 eine andere Ausführung und Konstruktion auf als die der vorherigen Ausführungsform. Das Arbeitsende 140 ist so ausgelegt und konstruiert, dass es ein Ausbruchmaterial 113 aus dem Werkstückstapel 10 aufnimmt und zurückhält. Das Arbeitsende 140 ist hohl und weist einen darin definierten Hohlraum 170 auf. Der Hohlraum 170 erstreckt sich zwischen einem geschlossenen Ende 172 des Arbeitsendes 140 und einem offenen Ende 174 des Arbeitsendes 140. An einer Innenfläche 176 kann eine Rückhaltestruktur 178 angeordnet werden, um das Ausbruchmaterial 113 während des Montagevorgangs in Eingriff zu bringen und seine Aufnahme nach der Montage aufrechtzuerhalten. Die Rückhaltestruktur 178 kann in Form von mehreren Vorsprüngen von der Innenfläche 176 aus verlaufen, in Form von geschnittenen Gewinden von der Innenfläche 176 aus oder in einer anderen Form vorliegen.
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Das Reibrührverfahren unter Einbeziehung der Befestigungsanordnung 124 ist ähnlich wie dasjenige, das in Bezug auf 1 beschrieben ist. Die Befestigungsanordnung 124 wird mit hoher Geschwindigkeit gedreht, wobei die rotierende Befestigungsanordnung 124 in Richtung des Werkstückstapels 10 geführt wird und das Arbeitsende 140 mit dem ersten Werkstück 12 in Kontakt kommt. Die schnelle Drehung und der aufrechterhaltene Kontakt erzeugen Reibungswärme, die das lokale Material des ersten Werkstücks 12 erweicht. Die Befestigungsanordnung 124 wird gewaltsam durch den Werkstückstapel 10 gedrückt. Während die Befestigungsanordnung 124 durch das erste und zweite Werkstück 12, 14 getrieben wird, wird das Ausbruchmaterial 113 verschoben und von dem ersten und zweiten Werkstück 12, 14 entfernt und vom Arbeitsende 140 eingefangen und im Hohlraum 170 aufgenommen. Das Ausbruchmaterial 113 kann Material des ersten Werkstücks 12, Material des zweiten Werkstücks 14 oder Material sowohl des ersten als auch des zweiten Werkstücks 12, 14 beinhalten. Wenn die Rückhaltestruktur 178 vorgesehen ist, durchbohrt die Rückhaltestruktur 178 je nach Form das Ausbruchmaterial 113, um einen zusätzlichen Halt zu gewährleisten. Der Dorn 128 wird dann in den Körper 126 gestaucht. Der Dorn 128 wird gewaltsam in Außenrichtung 162 gezogen und sowohl eine Hülse 132 als auch der Dorn 128 werden verformt. Insbesondere wird im Dorn 128 am Arbeitsbereich 140 und am Hohlraum 170 eine Stauchverformung 180 gebildet. Der Hohlraum 170 wird nach innen verformt und die Innenfläche 176 drückt in das Ausbruchmaterial 113. Das Ausbruchmaterial 113 wird daher nach dem Stauchvorgang weiter im Hohlraum 170 gehalten. Wie in der vorherigen Befestigungsanordnung 124 fixiert und stoppt die Stauchverformung 180 die Außenbewegung der Befestigungsanordnung 124. Das Ausbruchmaterial 113 wird im Hohlraum 170 zurückgehalten und kann sich nicht lösen oder anderweitig herausfallen.
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Unter Bezugnahme nun auf die 4 und 5 wird eine dritte, beispielhafte Ausführungsform einer Befestigungsanordnung 224 dargestellt. Einige Komponenten der Befestigungsanordnung 224 sind den zuvor unter Bezugnahme auf die 1-3 beschriebenen Komponenten ähnlich, und einige dieser Ähnlichkeiten werden hier nicht im Detail wiederholt. In den 4 und 5 kann die Befestigungsanordnung 224 an einem einzelnen Polymerverbundwerkstoff 212 befestigt werden, der eine geschlossene Komponente 220 bildet oder Teil derselben ist. In der dritten Ausführungsform beinhaltet die Befestigungsanordnung 224 einen Befestigungskörper 282, eine Mutter 284 und eine Klebebeschichtung 286. Der Befestigungskörper 282 weist einen Kopf 288 und einen Bolzen 290 auf. Der Kopf 288 kann eine oder mehrere Laschen 292 aufweisen, die sich seitlich vom Kopf 288 erstrecken - in der in den 4 und 5 dargestellten Ausführungsform sind insgesamt drei Laschen 292 radial vorstehend und in Umfangsrichtung um den Kopf 288 angeordnet (die Begriffe radial und in Umfangsrichtung werden in Bezug auf die zylindrische Konfiguration des Bolzens 290 verwendet). Weiterhin weist in dieser Ausführungsform jede Lasche 292 einen Vorsprung 294 auf, der in Längsrichtung und axial von einer Unterseite 296 der jeweiligen Lasche 292 vorsteht. Wie dargestellt, sind die Vorsprünge 294 zylindrisch geformt, könnten j edoch andere Formen aufweisen; und jede Lasche 292 weist einen einzigen Vorsprung 294 auf, wobei eine oder mehrere Laschen 292 jedoch keinen Vorsprung 294 oder mehr als einen Vorsprung 294 aufweisen könnten. Der Bolzen 290 des Befestigungskörpers 282 erstreckt sich in Längsrichtung und axial vom Kopf 288 weg und weist einen Satz von Außengewinden 298 auf.
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Die Mutter 284 wird über den Bolzen 290 angezogen und weist einen Satz von Innengewinden 311 zum Eingreifen in den Satz von Außengewinden 298 auf. Des Weiteren kann die Klebebeschichtung 286 auf verschiedene Oberflächen der Befestigungsanordnung 224 in verschiedenen Ausführungsformen aufgebracht werden und somit auf diesen ruhen. In der Ausführungsform von 5 ruht beispielsweise die Klebebeschichtung 286 auf den Außenflächen des gesamten Kopfes 288, der Laschen 292, der Vorsprünge 294 und der Mutter 284. In anderen Ausführungsformen muss die Klebeschicht 286 nicht auf alle der vorstehend genannten Außenflächen aufgebracht werden, sondern könnte auf einer einzelnen oder einer Kombination dieser Außenflächen ruhen. Die Klebebeschichtung 286 kann unterschiedliche Zusammensetzungen in verschiedenen Ausführungsformen aufweisen und kann aus unterschiedlichen Klebstofftypen bestehen; tatsächlich kann die genaue Zusammensetzung und der genaue Typ unter anderem durch die Zusammensetzung des Polymerverbundwerkstoffs 212 bestimmt werden. In einem konkreten Beispiel ist die Klebebeschichtung 286 ein zweiteiliger, viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis.
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Die Befestigungsanordnung 224 ist am Polymerverbundwerkstoff 212 befestigt, um das Werkstück 212 mit einer Befestigung an einer bestimmten Komponente zu versehen. Zur Durchführung des Montagevorgangs in der Ausführungsform der 4 und 5 weist das Polymerverbundwerkstück 212 einen Ausschnitt 313 auf und weist drei darin definierte Öffnungen 315 auf. Wie in 4 am besten dargestellt, ist der Ausschnitt 313 so geformt, dass er das Umfangsprofil des Kopfes 288 und seiner Laschen 292 ergänzt und gleicht, und die Öffnungen 315 sind ähnlich geformt und angeordnet, um das zylindrische Profil und die Anordnung der Vorsprünge 294 zu ergänzen und diesem gleicht. Der Ausschnitt 313 und die Öffnungen 315 können sich vollständig durch das Polymerverbundwerkstück 212 erstrecken.
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In der durch die 4 und 5 dargestellten Ausführungsform weist ein Verfahren zur Befestigung der Befestigungsanordnung 224 an dem Polymerverbundwerkstück 212 mehrere Schritte auf. Dennoch kann das Verfahren mehr, weniger und/oder andere Schritte aufweisen als die hier in anderen Ausführungsformen beschriebenen. In einem ersten Schritt wird die Klebebeschichtung 286 auf die Außenflächen des Kopfes 288, der Laschen 292, der Vorsprünge 294 und der Mutter 284 aufgebracht. Wie in 4 verdeutlicht, kann der Befestigungskörper 282 dann teilweise durch den Ausschnitt 313 eingeführt werden. Der Kopf 288 und die Laschen 292 werden durch die passende Form des Ausschnitts 313 aufgenommen und sind vorübergehend in einem Innenraum 222 des Polymerverbundwerkstücks 212 gelagert. Der Befestigungskörper 282 wird dann um eine Längsachse 317 des Bolzens 290 gedreht und gewendet. Der Befestigungskörper 282 kann im oder gegen den Uhrzeigersinn gedreht werden, bis jeder der Vorsprünge 294 ausgerichtet und in Reihe mit einer entsprechenden Öffnung 315 ausgerichtet ist. Unter nunmehr konkreter Bezugnahme auf 5 wird in einem Schritt 320 der Befestigungskörper 282 in Außenrichtung gezogen, und die Vorsprünge 294 werden in den Öffnungen 315 aufgenommen. Aufgrund der Vorsprung-Blendeneinführung wird der Befestigungskörper 282 von einer weiteren Rechts- und Linksdrehung gestoppt. In einem Schritt 322 wird die Mutter 284 über den Bolzen 290 angezogen und die Vorsprünge 294 können in den Öffnungen 315 noch näher in die Aufnahme gebracht werden. Und in einem Schritt 324 wird die Klebebeschichtung 286 auf einen vollständig ausgehärteten Aushärtungszustand ausgehärtet. Die Aushärtungstechnik, die durchgeführt wird, um den vollständig ausgehärteten Zustand zu bewirken, kann in verschiedenen Ausführungsformen variieren und ist häufig abhängig von der Zusammensetzung und dem Typ der Klebebeschichtung 286. Im Beispiel der Klebebeschichtung 286, die ein zweiteiliger viskoser Klebstoff auf Polyurethanbasis ist, kann die durchgeführte Aushärtungstechnik das Erwärmen (z. B. Induktionserwärmung, konvektive Erwärmung, Kontakterwärmung oder eine andere Art der Erwärmung), das Kühlen unter Umgebungsbedingungen oder eine Kombination aus Erwärmen und Kühlen beinhalten.
