DE102021112715A1 - Halbhohlstanzniet, eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei Bauteilen mithilfe des Halbhohlstanzniets sowie ein Verfahren zum Verbinden der Bauteile mit dem Halbhohlstanzniet und ein Herstellungsverfahren des Halbhohlstanzniets - Google Patents

Abstract

Vorliegende Erfindung offenbart einen Halbhohlstanzniet 1, mit dem eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar ist, der die folgenden Merkmale aufweist: einen geschlossenen Nietkopf 10 mit einem sich davon erstreckenden Nietschaft 30, der eine zylindrische Mantelfläche 32 und einen Schafthohlraum 50 aufweist, so dass ein Verhältnis eines Volumens VHdes Schafthohlraums 50 zu einem Volumen VNdes Halbhohlstanzniets in einem Bereich von 0,1 ≤ VH/VN≤0,8 liegt, einen stumpfen Nietfuß 40 mit einer scharfen radialen Außenkante 42 und einer Nietfußstirnfläche 44 an einem dem Nietkopf 10 abgewandten Ende des Nietschafts 30, der Schafthohlraum 50 ist im axialen Querschnitt des Nietschafts 30 aus einer Mehrzahl von Kreissegmenten K geformt, der an einer radialen Innenseite einer Nietfußstirnfläche mit einem konvexen Kreissegment K1beginnt und mindestens ein konkaves Kreissegment K2umfasst, die gemeinsam eine krümmungsstetig verlaufende Innenwand 52 des Schafthohlraums 50 bilden.

Description

• 1. Gebiet der Erfindung
• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Halbhohlstanzniet, mit dem eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar ist. Des Weiteren betrifft vorliegende Erfindung eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen, ein Verfahren zum Verbinden der mindestens zwei Bauteile mithilfe des Halbhohlstanzniets sowie ein Herstellungsverfahren des Halbhohlstanzniets.
• 2. Hintergrund der Erfindung
• Im Stand der Technik sind verschiedene Konstruktionen von Stanznieten bekannt. Diese umfassen Vollstanzniete, Halbhohlstanzniete sowie Halbhohlstanzniete mit Durchgangsbohrung. In Abhängigkeit von den Materialien der zumindest zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile sind die Geometrien der verwendeten Halbhohlstanzniete unterschiedlich.
• DE 10 2019 102 380 A1 offenbart einen Vollstanzniet mit einem ringförmigen Schafthohlraum angrenzend an den Nietfuß. Während eines Fügevorgangs stützt sich der Vollstanzniet mit seinem ringförmigen Nietfuß und einem mittigen Stützbereich umgeben durch den ringförmig ausgebildeten Schafthohlraum an den miteinander zu verbindenden Bauteilen ab. Entsprechend wird die über den Nietkopf aufgebrachte Stanzkraft durch den annähernd vollständig als Vollelement ausgebildeten Nietschaft, die Nietfußgeometrie und die zentrale Stütze im ringförmigen Schafthohlraum übertragen. Des Weiteren wird der nahezu als Vollelement ausgebildete Nietschaft in seinem Inneren stabilisiert. Denn dieser nahezu als Vollelement ausgebildete Nietschaft verhindert ein Stauchen des Vollstanzniets aufgrund der Stanzkräfte, selbst wenn hochfeste und höherfeste Stähle miteinander verbunden werden. Nachteilig ist jedoch die Hinterschnittbildung, die durch die Nietform limitiert ist.
• DE 10 2019 102 383 A1 beschreibt einen Halbhohlstanzniet, dessen Nietschaft eine zylindrische Mantelfläche, einen stumpfen Nietfuß und einen glockenartig geformten Schafthohlraum aufweist. Der Schafthohlraum besteht aus einem konvexen Einlaufbereich, einem konischen Verbindungsabschnitt und einem Gewölbebereich. Die Konstruktion des Halbhohlstanzniets realisiert eine verbesserte Übertragung der über den Nietkopf aufgebrachten Stanzkraft auf die Fügestelle. Dabei stellt die Stanznietgeometrie sicher, dass der Verlust an Verformungsenergie innerhalb des Halbhohlstanzniets vor und/oder während des Eindringens des Halbhohlstanzniets in zumindest das erste Bauteil einer Stanznietverbindung durch ein Verformen des Stanzniets reduziert oder ganz vermieden wird. Damit steht die über den Nietkopf zugeführte mechanische Energie vollständig dem Eindringen des Nietschafts in die mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile und das damit verbundene Ausstanzen eines Stanzbutzens zur Verfügung. Der konische Verbindungsabschnitt hat jedoch den Nachteil, dass sich ein im Schafthohlraum aufgenommener Stanzbutzen leicht verkeilt. Dadurch kann die weitere Aufnahme des Stanzbutzens blockiert und somit der Verbindungsvorgang erschwert werden.
• EP 0 833 063 B1 offenbart einen Halbhohlstanzniet, dessen Schafthohlraum ebenfalls konisch ausgebildet ist. Hier ergeben sich die gleichen Nachteile, die in Bezug auf DE 10 2019 102 383 A1 beschrieben worden sind.
• DE 10 2013 020 504 A1 beschreibt einen Stanzniet für hochfeste Stähle, der eher verwandt ist mit der Gruppe der Vollstanzniete als der der Halbhohlstanzniete. Denn dem Nietkopf gegenüberliegend hat das Fußende des Nietschafts eine Ausnehmung, deren Tiefe zum Schaftdurchmesser ein Verhältnis < 0,3 aufweist. Durch diese Ausnehmung wird ein stumpfer Nietfuß betont, der aber kein Aufnahmevolumen für den Stanzbutzen bereitstellt.
• DE 10 2005 020 416 B4 offenbart einen Halbhohlstanzniet, dessen Nietkopfgestaltung im Vordergrund steht. Der Nietschaft umfasst eine zylindrische Mantelfläche. Der Schafthohlraum hat einen konvexen Einlaufbereich, der sich vom Nietfuß bis in das abschließende Gewölbe erstreckt. Der konvexe Verlauf der Innenwand des Schafthohlraums resultiert in einer starken Verjüngung des Schafthohlraums in Richtung Gewölbe. Dadurch wird das Aufnahmevolumen des Schafthohlraums deutlich verkleinert und die Butzenaufnahme behindert.
• Ausgehend vom oben diskutierten Stand der Technik ist es die Aufgabe vorliegender Erfindung, eine alternative Konstruktion eines Halbhohlstanzniets bereitzustellen, mit dem verlässliche Fügeverbindungen herstellbar sind.
• 3. Zusammenfassung der Erfindung
• Die obige Aufgabe wird gelöst durch einen Halbhohlstanzniet, mit dem eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar ist, gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1, durch eine Stanznietverbindung mit diesem Halbhohlstanzniet gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 7, durch ein Verfahren zum Verbinden der mindestens zwei Bauteile mithilfe des oben genannten Halbhohlstanzniets gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 8 sowie durch ein Herstellungsverfahren des Halbhohlstanzniets gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 9. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterentwicklungen vorliegender Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen sowie den anhängenden Patentansprüchen hervor.
• Mit dem erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniet ist eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar. Der Halbhohlstanzniet weist die folgenden Merkmale auf: einen geschlossenen Nietkopf mit einem sich davon erstreckenden Nietschaft, der eine zylindrische Mantelfläche und einen Schafthohlraum aufweist, sodass ein Verhältnis eines Volumens V_H des Schafthohlraums zu einem Volumen V_N des Halbhohlstanzniets in einem Bereich von 0,1 ≤ V_H/V_N ≤ 0,8 liegt, einen stumpfen Nietfuß mit einer scharfen radialen Außenkante und einer Nietfußstirnfläche an einem dem Nietkopf abgewandten Ende des Nietschafts, der Schafthohlraum ist im axialen Querschnitt des Nietschafts aus einer Mehrzahl von Kreissegmenten geformt, der an einer radialen Innenseite einer Nietfußstirnfläche mit einem konvexen Kreissegment beginnt und mindestens ein konkaves Kreissegment umfasst, die gemeinsam eine krümmungsstetig verlaufende Innenwand des Schafthohlraums bilden.
• Die oben definierte Geometrie des Halbhohlstanzniets weist ein robustes Design im Bereich der Schneide in Kombination mit einem hohen Aufnahmevolumen im Schafthohlraum auf. Diese Kombination bildet die Grundlage für das bevorzugte Fügen von höchstfesten Werkstoffen wie beispielsweise warmumgeformte Vergütungsstähle mit Zugfestigkeiten von bis zu 2000 MPa'. Zudem ist der Schafthohlraum bevorzugt derart gestaltet, dass er sich in Richtung Nietkopf verjüngt, um die Stabilität des Halbhohlstanzniets während des Fügevorgangs zu steigern. Gleichzeitig wird aber auch ein ausreichend großes Hohlraumvolumen zur Aufnahme des Stanzbutzens bereitgestellt. Dazu zeichnet sich ebenfalls bevorzugt die Innenwand des Schafthohlraums durch den krümmungsstetigen Verlauf aus, der einem Einlaufen des Stanzbutzens in den Schafthohlraum entgegenwirkende Reibungskräfte an der Innenwand des Schafthohlraums reduziert. Zu diesem Zweck wird die Innenwand des Schafthohlraums vorzugsweise durch sich aneinander anschließende Kreisbogensegmente gebildet, ohne dass die Innenwand des Schafthohlraums einen geradlinig verlaufenden Wandbereich parallel zu einer Längsachse des Halbhohlstanzniets aufweist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weist dieser einen Schaftdurchmesser D_a von D_a ≤ 5,6 mm, vorzugsweise D_a gleich 5,3 mm, auf.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weist die Mehrzahl an Kreissegmenten zur Bildung der Innenwand des Schafthohlraums jeweils einen Radius R₁ ... R_N im Bereich von 1 mm ≤ R₁ ... R_N ≤ 6 mm auf.
• Der oben genannte bevorzugte Schaftdurchmesser D_a ≤ 5,6 mm ist vorzugsweise angepasst an die gemäß einer Ausgestaltung miteinander zu verbindenden höherfesten Werkstoffe. Denn eine Begrenzung des Schaftdurchmessers in dieser Größenordnung gewährleistet, dass die erforderlichen Setzkräfte und damit die mechanische Belastung eines zu verwendenden Setzwerkzeugs nach oben begrenzt sind. Zudem stellt diese bevorzugte Begrenzung des Schaftdurchmessers sicher, dass die erforderliche Setzkraft für den Halbhohlstanzniet gerade nicht zu einem die Integrität des Halbhohlstanzniets belastenden Stauchen des Schaftbereichs führt.
• Unterschiedliche Untersuchungen der Gestaltung der Innenwand des Schafthohlraums haben gezeigt, dass der bevorzugte Radiusbereich für die miteinander zu kombinierenden Kreissegmente durch den angegebenen Wertebereich limitiert sein sollten. Auf diese Weise wird ein vorteilhafter Kompromiss zwischen einem ausreichend großen Volumen des Schafthohlraums und einer reibungsarmen Innenwandgestaltung für den Stanzbutzen und dessen Einlaufvorgang in den Schafthohlraum bereitgestellt. Des Weiteren stellt der vorgegebene Radiusbereich für die Gestaltung der Innenwand des Schafthohlraums sicher, dass eine mögliche Kerbwirkung gerade in konkav ausgebildeten Kreissegmenten nicht zu einer Beschädigung des Nietschafts führt.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets weist dieser einen Kopfdurchmesser D_K des Nietkopfs von 7,75 mm auf.
• Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets umfasst dieser eine Länge L_N im Bereich von 4 mm ≤ L_N ≤ 9 mm.
• Des Weiteren ist es im Hinblick auf die Gestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets bevorzugt, dass der Schafthohlraum eine tiefe t_B in Bezug auf eine Länge L_N des Halbhohlstanzniets im Bereich von 1/3 L_N ≤ T_B ≤ 2/3 L_N aufweist.
• Wie oben bereits erläutert worden ist, strebt vorliegende Erfindung einen Kompromiss zwischen der axialen Stabilität des Halbhohlstanzniets während des Fügevorgangs und einer optimalen Gestaltung des Schafthohlraums im Hinblick auf dessen Aufnahmevolumen für den Stanzbutzen und das reibungsbeeinflusste Einlaufen des Stanzbutzens in den Schafthohlraum entlang der Innenwand des Schafthohlraums. In diesem Zusammenhang hat es sich gemäß der beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen als vorteilhaft erwiesen, die Tiefe des Schafthohlraums an die Länge des Halbhohlstanzniets anzupassen. In diesem Zusammenhang hat sich gezeigt, dass besonders vorteilhafte Fügeverbindungen in den bevorzugten höherfesten Werkstoffen erzielt werden, wenn das Verhältnis zwischen der Tiefe des Schafthohlraums und der Länge des Halbhohlstanzniets im Bereich von einem Drittel bis zu zwei Dritteln liegt.
• Vorliegende Erfindung offenbart zudem eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen, die über den oben beschriebenen Halbhohlstanzniet gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung miteinander verbunden sind. Vorzugsweise bestehen die mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteile aus höchstfesten Werkstoffen, insbesondere aus warmumgeformten Vergütungsstählen mit Zugfestigkeiten von bis zu 2000 MPa. Des Weiteren ist es bevorzugt, eine Stanznietverbindung in Bauteilen unterschiedlicher Materialien herzustellen, zu denen unter anderem die oben genannten warmumgeformten Vergütungsstähle wie auch Aluminiumlegierungen hoher Zugfestigkeiten gehören.
• Vorliegende Erfindung offenbart zudem ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mithilfe eines Halbhohlstanzniets gemäß einer der oben beschriebenen bevorzugten Ausgestaltungen, welches die folgenden Schritte aufweist: Anordnen der mindestens zwei Bauteile übereinander in einer stapelförmigen Anordnung auf einer Matrize oder einem Amboss, Setzen des Halbhohlstanzniets in die mindestens zwei Bauteile.
• Des Weiteren umfasst vorliegende Erfindung ein Herstellungsverfahren eines Halbhohlstanzniets gemäß einer der oben beschriebenen bevorzugten konstruktiven Ausgestaltungen, welches die folgenden Schritte aufweist: Kaltschlagen des Halbhohlstanzniets aus einem Drahtsegment und vorzugsweise Beschichten des Halbhohlstanzniets nach dem Kaltschlagen, insbesondere mit einem Korrosionsschutz oder ähnlichem.
• Figurenliste
• Die bevorzugten Ausführungsformen vorliegender Erfindung werden unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets in einer axialen Schnittdarstellung entlang der Mittellängsachse L des Halbhohlstanzniets,
• 2 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets in einer axialen Schnittdarstellung entlang der Mittellängsachse L,
• 3 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets in einer axialen Schnittdarstellung entlang der Mittellängsachse L,
• 4 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets in einer axialen Schnittdarstellung entlang der Mittellängsachse L,
• 5 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets in einer axialen Schnittdarstellung entlang der Mittellängsachse L,
• 6 eine weitere bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets in einer axialen Schnittdarstellung entlang der Mittellängsachse L,
• 7 eine schematische Darstellung bevorzugter Gestaltungen des Nietkopfes,
• 8 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Fügeverfahrens und
• 9 ein Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des Herstellungsverfahrens des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets.
• 5. Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
• Vorliegende Erfindung offenbart einen Halbhohlstanzniet 1, wie er in unterschiedlichen bevorzugten Ausführungsformen in den 1-6 gezeigt ist. Der Halbhohlstanzniet 1 wird vorzugsweise gemäß bekannten Herstellungsverfahren kaltgeschlagen, um die verschiedenen unten näher erläuterten Geometriemerkmale zu bilden. Nach dem Kaltschlagen (siehe Schritt H1 in 8) wird der Halbhohlstanzniet 1 vorzugsweise mit einer Beschichtung versehen. Die Beschichtung schützt gemäß einer Ausgestaltung vorliegender Erfindung gegen Korrosion oder andere Einflüsse.
• Der vorzugsweise aus Stahl bestehende Halbhohlstanzniet 1 ist durch seine konstruktive Gestaltung bevorzugt an das Fügen von warmumgeformten Vergütungsstählen mit Zugfestigkeiten von bis zu 2000 MPa angepasst.
• Zu Beispielen für warmumgeformte Vergütungsstählen zählen 22MnB5, 20MnB5, 38MnB5, 46MnB4, Usibor 1500, Usibor 2000, Ductibor 1000, MBW 1500 und MBW-K 1900. Usibor und MBW sind jeweils eingetragene Handelsmarken, die in der Fachliteratur synonym als normierte Werkstoffbezeichnungen verwendet werden.
• Denn der erfindungsgemäß bevorzugte Halbhohlstanzniet 1 weist ein robustes Design im Bereich des Nietfußes 40 auf. Der stumpfe Nietfuß 40 besteht dazu aus einer Nietfußstirnfläche 44, die sich bevorzugt senkrecht zur Längsachse L des Halbhohlstanzniets 1 erstreckt. Die Nietfußstirnfläche 44 bildet mit einer zylindrischen Außenfläche 32 des Nietschafts 30 eine scharfe radiale Außenkante 42. Die Außenkante 42 dient vorzugsweise als Schneidkante während des Setzens (Schritt S2 in 7) des Halbhohlstanzniets 1 in die übereinander gestapelten mindestens zwei Bauteile (Schritt S1).
• Mithilfe der robusten Nietfußgeometrie wird eine ausreichende Stabilität des Halbhohlstanzniets 1 beim Fügen von mindestens zwei Bauteilen aus höchstfesten Werkstoffen garantiert.
• Der Nietschaft 30 umfasst neben der zylindrischen Mantelfläche 32 einen Schafthohlraum 50. Der Schafthohlraum 50 hat eine tiefe t_B und ist in Richtung des Nietkopfes 10 geschlossen ausgebildet.
• Um für einen durch den Halbhohlstanzniets 1 während des Fügevorgangs ausgestanzten Butzen (nicht gezeigt) ein ausreichend großes Aufnahmevolumen V_H im Schafthohlraum 50 bereitzustellen, weist dieser ein bestimmtes Größenverhältnis zu einem Volumen V_N des Halbhohlstanzniets auf. Das Volumenverhältnis des Aufnahmevolumens V_H des Schafthohlraums 50 zum Nietvolumen V_N des Halbhohlstanzniets 1 erfüllt folgende Ungleichung $$\mathrm{0,1}\le {\text{V}}_{\text{H}}/{\text{V}}_{\text{N}}\le \mathrm{0,8.}$$

  
• Beim Setzen des Halbhohlstanzniets 1 in die übereinander gestapelten Bauteile muss durch den Volumeneintrag des Halbhohlstanzniets 1 Bauteilmaterial verdrängt werden. Zum überwiegenden Teil wird das verdrängte Bauteilmaterial durch eine Matrize aufgenommen, um einen Schließkopf der hergestellten Stanznietverbindung zu bilden.
• Da zumindest eines der miteinander zu verbindenden Bauteile vorzugsweise aus einem warmumgeformten Vergütungsstahl oder einem höherfesten oder einem hochfesten Material besteht, ist das Umformvermögen des mindestens einen Bauteils gering. Aus diesem Grund wird vorzugsweise das Nietvolumen des Halbhohlstanzniets 1 gering gehalten.
• Der Schafthohlraum 50 kommt dieser Notwendigkeit entgegen. Zudem schafft der Schafthohlraums 50 Raum zur reibungsreduzierten Aufnahme des Stanzbutzens.
• Eine Überdimensionierung des Schafthohlraums 50 würde jedoch die Steifigkeit und Stabilität des Halbhohlstanzniets 1 während des Fügevorgangs verringern. Daher wurde mit obiger Ungleichung das Volumen V_H des Schafthohlraums 50 mit dem Volumen V_N des Halbhohlstanzniets 1 ins Verhältnis gesetzt, um den Volumeneintrag des Halbhohlstanzniets 1 in die Bauteile während des Fügevorgangs gering zu halten und gleichzeitig eine ausreichende Stabilität des Halbhohlstanzniets 1 zu gewährleisten.
• Daher ist es ebenfalls bevorzugt, wenn für das Volumenverhältnis des Schafthohlraums 50 zum Nietvolumen VN gilt: $$\mathrm{0,3}\le {\text{V}}_{\text{H}}/{\text{V}}_{\text{N}}\le \mathrm{0,8}\text{ und}$$

  

  weiter bevorzugt $$\mathrm{0,4}\le {\text{V}}_{\text{H}}/{\text{V}}_{\text{N}}\le \mathrm{0,8.}$$

  
• Neben dem an das Nietvolumen VN angepassten Volumen V_H des Schafthohlraums 50 verkleinert sich vorzugsweise der Innendurchmesser des Schafthohlraums 50 vom Nietfuß 40 in Richtung Nietkopf 10. Dadurch wird ebenfalls bevorzugt die Stabilität des Halbhohlstanzniets 1 gesteigert. Zudem unterstützt und verstärkt die am Nietfuß 40 vorhandene kleinere Wanddicke des Schafts 30 das Spreizen und radiale Aufweiten des Halbhohlstanzniets 1 im Anschluss an den Stanzprozess. Auf diese Weise wird eine form- und kraftschlüssige Stanznietverbindung in den mindestens zwei Bauteilen sichergestellt.
• Um die Stabilität des Halbhohlstanzniets 1 während des Fügevorgangs zu steigern, ist die Innenwand 52 des Schafthohlraums 50 vorzugsweise krümmungsstetig ausgebildet. Krümmungsstetigkeit bedeutet in diesem Zusammenhang, dass betrachtet in einem Längsschnitt parallel zur Längsachse L des Halbhohlstanzniets 1 (siehe 1-6) die Innenwand 52 kein geradlinig verlaufendes Wandsegment aufweist. Mit anderen Worten ausgedrückt liegen keine zwei Punkte der die Innenwand 52 in den 1-6 beschreibenden Kurve auf einer gemeinsamen Geraden.
• Mit dieser geometrischen Gestaltung der Innenwand 52 werden vorzugsweise durch den Butzen im Schafthohlraum 50 erzeugte Kerbspannungen reduziert.
• Die Kerbspannung σ_max an einer elliptisch angenäherten Kerbe mit den Halbachsen a, b ergibt sich aus $${\sigma }_{max}=\sigma \cdot \left(1+2\cdot \frac{a}{b}\right)=\sigma \cdot \left(1+2\cdot \sqrt{\frac{a}{\rho }}\right)$$

  
• Nach der oberen Formel stellt a die längere und b die kürzere Halbachse einer elliptischen Kerbe dar. ρ ist dabei der kleinste Radius der Ellipse. Je größer die Halbachse a und je kleiner die Halbachse b und p sind, desto größer ist die maximale mechanische Spannung in der Kerbe.
• Übertragen auf die Geometrie des Schafthohlraums 50 müssen die Radien der Innenwand des Schafthohlraums 50 maximal gewählt werden, um die Kerbspannungen zu reduzieren.
• Bei der Formgebung eines Schafthohlraums werden üblicherweise gerade Kurvenverläufe mit Übergangsradien miteinander verbunden. Werden diese Radien bei gleichbleibender Tiefe t_B des Schafthohlraums 50 maximiert, entfallen die Geraden. Das Ergebnis ist eine stetig gekrümmte Innenwand 52 des Schafthohlraums 50 mit reduzierter Kerbspannungsintensität.
• Basierend auf diesem bevorzugten Prinzip werden vorzugsweise konische und zylindrische Abschnitte und eine damit verbundene Rissanfälligkeit an der Innenwand 52 des Schafthohlraums 50 vermieden.
• Daher ist es ebenfalls bevorzugt, die Innenwand 52 des Schafthohlraums 50 betrachtet im axialen Querschnitt, d. h. einem Längsschnitt entlang der Mittellängsachse L des Halbhohlstanzniets 1 (siehe 1-6), aus einer Mehrzahl von Kreissegmenten K_n aufzubauen. Bezugnehmend auf 1 besteht die Innenwand 52 aus mindestens einem konvexen Kreissegment K₁ und einem konkaven Kreissegment K₂. Die Kreissegmente K₁, K₂ weisen die entsprechenden Krümmungsradien R₁, R₂ auf.
• Benachbarte Kreissegmente K₁, K₂, K₃ ... K_n gehen vorzugsweise tangential ineinander über, um die Entstehung von Kerben zu vermeiden.
• Wie man anhand der bevorzugten Ausführungsformen des Halbhohlstanzniets 1 der 1-6 erkennen kann, wird die Innenwand 52 aus mindestens zwei Kreissegmenten K₁, K₂ mit den Radien R₁, R₂ gebildet. Je nach Anwendung des Halbhohlstanzniets 1 sind aber auch drei, vier oder mehr Kreissegmente K₁, K₂, K₃ ... K_n mit den entsprechenden Radien R₁ bis R_n miteinander kombiniert.
• Erfindungsgemäß bevorzugt haben die Radien R₁ ... R_n eine Größe von 1 mm < R₁ ... R_n < 6 mm. Für kleinere Radien nimmt eine negative Kerbwirkung zu. Größere Radien wirken ähnlich einer Geraden und reduzieren damit den positiven Effekt der Krümmungsstetigkeit an der Innenwand 52.
• An einem tiefsten Punkt des Schafthohlraums 50, also am Hohlraumgrund 54, ist auch ein nichttangentialer Verlauf der Innenwand 52 bevorzugt (nicht gezeigt in den 1-6). Am Hohlraumgrund 54 ist die Nietumformung und mechanische Belastung nicht so hoch wie an anderen Stellen der Innenwand 52 des Schafthohlraums 50.
• Es ist gleichermaßen bevorzugt, auch den Hohlraumgrund 54 krümmungsstetig vorzusehen.
• Um gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Halbhohlstanzniets 1 den Schaft 30 zu stärken, weist der Schafthohlraum 50 eine bestimmte Tiefe t_B im Verhältnis zur Gesamtlänge L_N des Halbhohlstanzniets 1 auf. Vorzugsweise gilt: $$1/3\le {\text{t}}_{\text{B}}/{\text{L}}_{\text{N}}\le 2/3.$$

  

  Je tiefer der Schafthohlraum 50 in den Nietschaft 30 aufsteigt, desto höher ist die Wahrscheinlichkeit, dass der Halbhohlstanzniet 1 während des Fügevorgangs im oberen nietkopfnahen Bereich kollabiert. Aus diesem Grund wird die maximale Tiefe t_B des Schafthohlraums 50 auf 2/3 der Gesamtlänge L_N des Halbhohlstanzniets 1 begrenzt, wodurch das dem Nietkopf 10 zugewandte obere Drittel des Schafts 30 massiv ausgebildet ist und dadurch eine Deformation dieses Schaftbereichs verhindert. Das untere Drittel des Nietschafts 30 muss in Kombination mit dem Schafthohlraum 50 hohl ausgeformt werden, um die Aufnahme des Stanzbutzens (nicht gezeigt) zu gewährleisten.
• Weiterhin bevorzugt weist der erfindungsgemäß bevorzugte Halbhohlstanzniet 1 den bereits oben diskutierten flachen Nietfuß 40 mit scharfer Außenkante 42 für robuste Stanzprozesse auf. Zudem sorgt ein konvexes Kreissegment am Eingang des Schafthohlraums 50 vorzugsweise für ein gutes Aufspreizen des Halbhohlstanzniets 1 und eine entsprechende Hinterschnittbildung.
• Der erfindungsgemäß bevorzugte Halbhohlstanzniet 1 umfasst den bereits oben genannten Nietkopf 10. Der Nietkopf 10 weist je nach Anwendungsfall eine bevorzugte Kopfform auf, wie sie beispielgebend in 7 schematisch gezeigt sind. Entsprechend wird vorzugsweise der Nietschaft 30 mit einem Senkkopf (7A), einem Senkkopf mit kreisbogenförmigem Übergang zum Nietschaft 30 (7B), oder einem Flach-Rund-Kopf (siehe 7C) kombiniert. Es ist ebenfalls bevorzugt, den Nietkopf 10 mit einem Funktionselement zu kombinieren, wie vorzugsweise ein Gewindebolzen oder eine Mutter (siehe 7D).
• Der Kopfdurchmessers D_K hat gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung vorliegender Erfindung eine Größe von 7,75 mm.
• Ein Schaftdurchmesser D_S des Nietschafts 30 ist vorzugsweise ≤ 5,6 mm, insbesondere gleich 5,3 mm.
• Der Halbhohlstanzniet 1 hat gemäß unterschiedlicher, bevorzugter Ausführungsformen eine Nietlänge L_N aus dem Bereich 4 mm ≤ L_N ≤ 9 mm.
• Des Weiteren besteht der Halbhohlstanzniet 1 gemäß unterschiedlicher, bevorzugter Materialgestaltungen aus einem Vergütungsstahl, einer Aluminiumlegierung oder aus Edelstahl.
• Bezugszeichenliste

1

Halbhohlstanzniet

10

Nietkopf

30

Nietschaft

32

zylindrische Mantelfläche

40

Nietfuß

42

Schnittkante

44

Nietfußstirnfläche

50

Schafthohlraum

52

Innenwand des Schafthohlraums

54

Grund des Schafthohlraums

K

Kreissegment

R

Radius des Kreissegments

DK

Durchmesser des Nietkopfs

DS

Durchmesser des Nietschafts

LN

Länge des Halbhohlstanzniets

TB

Tiefe des Schafthohlraums 50

• ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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• Zitierte Patentliteratur
• DE 102019102380 A1 [0003]
• DE 102019102383 A1 [0004, 0005]
• EP 0833063 B1 [0005]
• DE 102013020504 A1 [0006]
• DE 102005020416 B4 [0007]

Claims (9)

1. Ein Halbhohlstanzniet (1), mit dem eine Verbindung zwischen mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen herstellbar ist, der die folgenden Merkmale aufweist: a. einen geschlossenen Nietkopf (10) mit einem sich davon erstreckenden Nietschaft (30), der eine zylindrische Mantelfläche (32) und einen Schafthohlraum (50) aufweist, so dass ein Verhältnis eines Volumens V_H des Schafthohlraums (50) zu einem Volumen V_N des Halbhohlstanzniets in einem Bereich von 0,1 ≤ V_H/V_N≤0,8 liegt, b. einen stumpfen Nietfuß (40) mit einer scharfen radialen Außenkante (42) und einer Nietfußstirnfläche (44) an einem dem Nietkopf (10) abgewandten Ende des Nietschafts (30), c. der Schafthohlraum (50) ist im axialen Querschnitt des Nietschafts (30) aus einer Mehrzahl von Kreissegmenten (K) geformt, der i. an einer radialen Innenseite einer Nietfußstirnfläche mit einem konvexen Kreissegment (K₁) beginnt und mindestens ein konkaves Kreissegment (K₂) umfasst, die ii. gemeinsam eine krümmungsstetig verlaufende Innenwand (52) des Schafthohlraums (50) bilden.
2. Der Halbhohlstanzniet (1) gemäß Patentanspruch 1, der einen Schaftdurchmesser D_S von D_S ≤ 5,6 mm, vorzugsweise D_S = 5,3 mm, aufweist.
3. Der Halbhohlstanzniet (1) gemäß Patentanspruch 1 oder 2, dessen Kreissegmente (K_a) jeweils einen Radius R₁...R_n im Bereich von 1 mm < R₁...R_n < 6 mm aufweisen.
4. Der Halbhohlstanzniet (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, der einen Kopfdurchmesser D_K von 7,75 mm aufweist.
5. Der Halbhohlstanzniet (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, der eine Länge L_N des Halbhohlstanzniets (1) im Bereich von 4 mm ≤ L_N ≤ 9 mm aufweist.
6. Der Halbhohlstanzniet (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche, der eine Tiefe t_B des Schafthohlraums (50) in Bezug auf eine Länge L_N des Halbhohlstanzniets (1) im Bereich von 1/3 L_N ≤ t_B ≤ 2/3 L_N aufweist.
7. Eine Stanznietverbindung aus mindestens zwei stapelförmig übereinander angeordneten Bauteilen, die über den Halbhohlstanzniet (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche miteinander verbunden sind.
8. Ein Verfahren zum Verbinden von mindestens zwei Bauteilen mithilfe eines Halbhohlstanzniets (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 6, welches die folgenden Schritte aufweist: a. Anordnen der mindestens zwei Bauteile übereinander in einer stapelförmigen Anordnung auf einer Matrize oder einem Amboss (Schritt S1), b. Setzen des Halbhohlstanzniets (1) in die mindestens zwei Bauteile (Schritt S2).
9. Ein Herstellungsverfahren eines Halbhohlstanzniets (1) gemäß einem der vorhergehenden Patentansprüche 1 bis 6, welches die folgenden Schritte aufweist: a. Kaltschlagen des Halbholstanzniets aus einem Drahtsegment (H1) und b. vorzugsweise Beschichten des Halbhohlstanzniets nach dem Kaltschlagen (H2).

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