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Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Bauteil mit einem Vorloch mit Aktivierungskontur für die Erzeugung einer solchen Nietverbindung nach Anspruch 10.
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Bei einer gattungsgemäßen Nietverbindung ist ein Nietelement mit seinem Nietschaft in ein Bauteil eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Bauteil sowie unter Aufspreizung des Nietschaftes. Der Nietschaft ist im noch unverformten Zustand querschnittsreduziert. Im eingetriebenen Zustand weist der Nietschaft einen ausgeweiteten Querschnitt auf.
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Im Stand der Technik wird eine solche Nietverbindung in einem Setzprozess erzeugt, bei dem das Nietelement einen ausgeweiteten Nietkopf sowie einen Nietschaft mit an der Nietschaftspitze offener Innenwölbung aufweist. Bei einem Setzvorgang ist das vorlochfreie Bauteil zwischen einer Matrize und einem Niederhalter eines Setzgerätes geklemmt. Das Nietelement wird mit einer vordefinierten Setzkraft eingetrieben, wodurch sich die Nietschaftspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Dadurch ergibt sich eine Hinterschneidung zwischen dem Nietkopf und der ausgeweiteten Nietschaftspitze, die mit Bauteilmaterial gefüllt ist. Die Nietschaftspitze ist dabei formschlüssig von Bauteilmaterial eingefasst. Dadurch wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch Rückfederung des Nietschaftes nach dem Spreizen, verhindert, weil dafür eine Verformung des Bauteils erforderlich wäre.
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Bei Verwendung von Bauteilmaterial mit geringer Duktilität, zum Beispiel Aluminium-Druckguss, ist ein solches formschlüssiges Umfassen der Nietschaftspitze nur eingeschränkt möglich, sodass es nach dem Setzprozess zu einer Rückfederung des Nietschaftes (nach dem Spreizen) kommt. Von daher ist das Nietelement nicht ausreichend gegen ein Lösen gesichert. Zudem besteht bei Bauteilmaterial mit geringer Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.
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Aus der
DE 10 2018 122 200 A1 ist eine Fügeverbindung bekannt. Aus der
WO 95/35174 A1 ist ein Stanznietprozess bekannt. Aus der
DE 10 2015 014 941 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil bekannt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nietverbindung bereitzustellen, bei der das Nietelement in einfacher Weise gegen ein unbeabsichtigtes Lösen vom Bauteil gesichert ist.
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Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 oder 10 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
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Die Erfindung geht von einer Nietverbindung aus, bei der ein Nietelement mit seinem hohlen Nietschaft in, insbesondere genau ein Bauteil in einer Setzrichtung eingetrieben wird, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts. Das Bauteil weist im unverformten Zustand an der herzustellenden Fügestelle ein sacklochartiges Vorloch auf. Im Spreiz-Zustand ist ein fußseitiger Wandabschnitt des hohlen Nietschaftelements mit seiner Schneidkante an einer Vorloch-Umfangswand in das Bauteilmaterial eingetrieben. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist im Bauteil-Vorloch eine Aktivierungskontur ausgebildet, die im Setzprozess ein Überführen des Nietelements vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand steuert. Die Aktivierungskontur ist als ein, vom Vorloch-Boden vorragender Spreizkegel realisiert.
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In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann mit Hilfe der Aktivierungskontur der fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts im Setzprozess entgegen der Setzrichtung umschlagen. Ein kopfseitiger Wandabschnitt des Nietschafts geht daher an einer nietkopffernen Umschlagkante in den, in Richtung Nietkopf ragenden, fußseitigen Wandabschnitt über. In diesem Fall kommt zur Sicherung des Nietelements am Bauteil das folgende Wirkprinzip zum Einsatz: So wirkt der Nietschaft als ein bistabiler Federabschnitt, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist. Ein erster Gleichgewichtszustand entspricht dem querschnittsreduzierten, unverformten Nietelement-Zustand. Durch Einwirken der Setzkraft schlägt der Nietschaft in den zweiten Gleichgewichtszustand um, in dem der Nietschaft mit einem ausgeweiteten Querschnitt im Bauteil-Vorloch verspreizt ist. Das Umschlagen in den Spreiz-Zustand erfolgt im Wesentlichen ohne Aufbau einer Rückstellkraft, die das Nietelement in Richtung unverformten Zustand vorspannt. Bei diesem Wirkprinzip kann auf ein formschlüssiges, komplettes Umfassen des ausgeweiteten Nietschafts verzichtet werden, wie es in einem herkömmlichen Setzprozess der Fall wäre. Vielmehr kann bevorzugt lediglich der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts an der Vorloch-Umfangswand in das Bauteilmaterial eindringen, während der kopfseitige Wandabschnitt und/oder die Umschlagkante ohne Materialeingriff mit dem Bauteilmaterial verbleiben.
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Die im Bauteil-Vorloch ausgebildete Aktivierungskontur kann zusätzlich eine Ringkehle aufweisen, die den Spreizkegel an seinem Kegelfuß umzieht. Die Ringkehle kann radial nach außen an einem, insbesondere gerundeten Inneneckbereich in die Vorloch-Umfangswand übergehen. Speziell der Spreizkegel in Kombination mit der Ringkehle sowie dem Vorloch-Inneneckbereich führen zu einem Umschlagen des fußseitigen Wandabschnittes des Nietschafts, wie es oben beschrieben ist.
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Nachfolgend ist ein mit der erfindungsgemäßen Aktivierungskontur durchführbarer Setzprozess beschrieben: So kann zu Beginn des Setzprozesses das Nietelement mit seiner Schneidkante auf der Kegelmantelfläche des Spreizkegels sitzen. Durch Einwirken der Setzkraft kann das Nietelement mit seiner Schneidkante entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle gleiten, ohne in das Bauteilmaterial einzudringen. Auf diese Weise wird der fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts unter Materialverdünnung vorgespreizt. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses wird der materialverdünnte, fußseitige Wandabschnitt des Nietschafts vom Spreizkegel in die Ringkehle geführt. Zum Abschluss des Setzprozesses wird die fußseitige Schneidkante des Nietelements an der Vorloch-Umfangswand in das Bauteilmaterial eingetrieben.
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Wie oben erwähnt, findet im Setzprozess am Spreizkegel eine Vorspreizung des Nietschafts statt. Durch die Vorspreizung wird der Nietschaft von seinem formstabilen, zylindrischen unverformten Zustand konisch ausgeweitet. Die konische Ausweitung des Nietschafts erfolgt unter Reduzierung der Wandstärke der Schaftwandung. Dadurch reduziert sich die Formstabilität des Nietschafts. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann daher der Nietschaft prozesssicher in seinen Spreiz-Zustand überführt werden.
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Für einen prozesssicheren Ablauf des Setzvorganges ist es von Bedeutung, dass das Nietelement mit seiner Schneidkante zu Beginn des Setzprozesses nicht am Spreizkegel in das Bauteilmaterial eindringt. Vor diesem Hintergrund kann eine Schneidflanke an der Schneidkante einen Schneidenwinkel aufweisen, der in etwa einem Kegelwinkel entspricht, der zwischen der Kegelmantelfläche des Spreizkegels und einer rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Nietelement mit seiner Schneidkante entlang der Kegelmantelfläche des Spreizkegels in Richtung Ringkehle abgleiten kann, ohne in das Bauteilmaterial einzudringen.
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Die Vorloch-Umfangswand kann an einem Vorloch-Öffnungsrand in eine setzseitige Bauteil-Oberfläche übergehen. Dabei kann sich die Vorloch-Umfangswand vom bodenseitigen Vorloch-Inneneckbereich bis zum Vorloch-Öffnungsrad konisch ausweiten oder zylinderförmig verlaufen. Der Vorloch-Durchmesser ist bevorzugt größer bemessen als der Nietschaft-Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das Nietelement in Vorbereitung auf den Setzprozess mit Lochspiel leichtgängig in dem Bauteil-Vorloch vorpositioniert werden.
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Das Nietelement weist einen Nietkopf auf, dessen Unterseite nach erfolgtem Setzprozess auf den Öffnungsrandbereich der Vorloch-Öffnung des Bauteils aufliegt. Von daher ist der Vorloch-Durchmesser am Vorloch-Öffnungsrand kleiner bemessen als ein Kopfdurchmesser des Nietkopfes.
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Im Hinblick auf eine kostengünstige Herstellung ist es bevorzugt, wenn das Nietelement rotationssymmetrisch zu einer Nietelement-Längsachse ausgeführt ist. Im unverformten Zustand kann der Nietschaft außenseitig zylindrisch ausgebildet sein. Zudem kann der Nietschaft hohlzylindrisch realisiert sein, wodurch sich eine konstante Wandstärke der Schaftwandung entlang der Nietelement-Längsachse ergibt.
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In einer konkreten Ausgestaltung kann das Nietelement im unverformten Zustand eine Nietelementlänge von beispielhaft 2 bis 5 mm aufweisen. Die Wandstärke der Schaftwandung des Nietschafts kann im unverformten Zustand in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7 mm liegen, insbesondere bei 0,5 mm. Zudem kann das Nietelement je nach Anwendungsfall zum Beispiel aus einem schweißgeeigneten Drahtwerkstoff, oder aus einem herkömmlichen Kaltschlagstahl gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung, das heißt beim Umschlagen während des Setzprozesses, eine Umformgrenze überschritten wird, bei der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt, die im Hinblick auf eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Nietelement und dem Bauteil von Vorteil ist. Erfindungsgemäß kann während des Setzprozess auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizengravur ein Aufspreizen des Nietschafts unterstützt. Anstelle dessen kann das Bauteil im Setzprozess zwischen einem Niederhalter und einem ebenflächigen Ambos zwischengeklemmt sein.
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Das Bauteil kann bevorzugt aus einem, zum Beispiel im Vergleich zu werkzeugstahlweicherem Werkstoff gefertigt sein, etwa einem Druckgusswerkstoff, das heißt zum Beispiel Aluminiumdruckguss.
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Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:
- 1 Eine Nietverbindung in einer Querschliff-Ansicht;
- 2 eine Explosionsdarstellung des Nietelements sowie des Bauteils jeweils im unverformten Zustand;
- 3 bis 5 Ansichten, anhand derer ein Setzprozess veranschaulicht ist; und
- 6 und 7 jeweils Ansichten eines konventionellen Setzprozesses.
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Im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis der Erfindung wird zunächst Bezug auf die 6 und 7 genommen, anhand derer eine aus dem Stand der Technik bekannte Nietverbindung beschrieben ist. Die in der 6 gezeigte Nietverbindung besteht aus einem Nietelement 1 und einem Bauteil 3. Das Nietelement 1 ist mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. Zudem weist das Nietelement 1 einen ausgeweiteten Nietkopf 9 auf, an dessen Oberseite ein Funktionsabschnitt 19, z.B. ein Grobgewinde, ausgebildet ist. Der Nietkopf 9 geht in Achsrichtung in einen Nietschaft 11 über. Der Nietschaft 11 ist aufgeteilt in einen kopfseitigen Nietschaft-Vollmaterialabschnitt 13 und in eine daran anschließende hohlzylindrische Nietschaftwand 17. Diese schließt an einer ringförmig umlaufenden Schneidkante 15 ab und begrenzt eine an der Nietschaftspitze offene Innenwölbung 14.
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Der Setzprozess erfolgt mit Hilfe eines Setzgeräts, das in den 6 oder 7 einen Niederhalter 27, einen Setzkolben 29 und eine Matrize als Gegenhalter 30 aufweist. Die Matrizengravur ist derart ausgebildet, dass im Setzvorgang ein Aufspreizen des Nietschaftes 11 nach radial außen unterstützt wird. Bei einem Setzvorgang ist das vorlochfreie Bauteil 3 zwischen die Matrize 30 und dem Niederhalter 27 geklemmt. Das Nietelement 1 wird vom Setzkolben 29 mit einer vordefinierten Setzkraft F eingetrieben, wodurch sich die Nietschaftspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Die in das Nietelement 3 eingeleitete Setzkraft F teilt sich an einer Scheitelstelle oberhalb der Innenwölbung 14 in Lastpfade auf, die sich in der 6 oder 7 entlang von gedachten (gestrichelt angedeuteten) Spreizlinien 16 erstrecken. Die Spreizlinien 16 spannen einen Spreizwinkel α auf. Beim Setzvorgang (7) wird das Nietelement 1 um einen Setzhub bis zu einem unteren Totpunkt T (7) eingetrieben. Im unteren Totpunkt T befindet sich die Stirnseite der Nietschaftspitze in Kontakt mit dem Bauteilmaterial und ist der Spreizwinkel α (im Vergleich zur 6) vergrößert. Dadurch ergibt sich zwischen dem Nietkopf 9 und der ausgeweiteten Nietschaftspitze eine Hinterschneidung, die nahezu komplett mit Bauteilmaterial gefüllt ist.
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Im Setzvorgang (6 und 7) wird das Nietelement 1 nicht nur plastisch, sondern auch elastisch verformt, und zwar unter Aufbau einer Rückstellkraft, die das Nietelement 1 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Um eine Rückfederung in den unverformten Zustand zu verhindern, ist in der 7 der Nietschaft 11 nahezu komplett formschlüssig von Bauteilmaterial eingefasst. Dadurch wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch die Rückfederung des Nietschaftes 11 nach dem Spreizen, unterbunden, weil dafür eine Verformung des Bauteils 3 erforderlich wäre. Auf diese Weise ist das Nietelement 1 zuverlässig gegen ein Lösen gesichert. Um ein solches formschlüssiges Einfassen des Nietschafts mittels des Bauteilmaterials zu bewerkstelligen, ist eine ausreichend große Fließfähigkeit bzw. Duktilität des Bauteilmaterials erforderlich.
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In Abkehr davon kann die erfindungsgemäße Nietverbindung auch mit einem Bauteil 3 realisiert werden, dessen Fließfähigkeit bzw. Duktilität im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist (zum Beispiel ein Bauteil aus Aluminiumdruckguss). Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Sicherung des Nietelements 3 nicht durch ein vollständiges formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 11 mittels des Bauteilmaterials, sondern durch den nachfolgend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Sicherungsmechanismus:
- Gemäß der 1 ist das Nietelement 1 in ein Bauteil-Vorloch 5 eingetrieben, das sich konusartig bis zu einer Vorlochtiefe t erstreckt und dort mit einem Vorloch-Boden abschließt.
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Der Kern der Erfindung besteht darin, dass im Bauteil-Vorloch 5 eine Aktivierungskontur 31 ausgebildet ist, die im Setzprozesse die Überführen des Nietelements 1 vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand steuert. Die Aktivierungskontur 31 weist einen vom Vorloch-Boden vorragenden Spreizkegel 33 auf, der an seinem Kegelfuß von einer, im Vorloch-Boden ausgebildeten Ringkehle 35 umzogen ist. Die Ringkehle 35 geht radial nach außen an einem gerundeten Inneneckbereich 37 in eine Vorloch-Umfangswand 39 über. In den 1 bis 5 erstreckt sich die glattflächige Vorloch-Umfangswand 39 vom Vorloch-Inneneckbereich 37 bis zu einem Vorloch-Öffnungsrand 41 an der setzseitigen Bauteil-Oberfläche geringfügig konisch ausgeweitet.
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Gemäß der 1 ist ein fußseitiger Wandabschnitt 43 des hohlen Nietschafts 11 mit seiner Schneidkante 15 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Bauteilmaterial eingetrieben.
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Wie aus der 2 hervorgeht, ist der Vorloch-Durchmesser dv größer bemessen als der Nietschaft-Außendurchmesser dA, sodass das Nietelement 1 in Vorbereitung auf den Setzprozess mit einem Lochspiel im Bauteil-Vorloch 5 vorpositionierbar ist. Der Vorloch-Durchmesser dv ist zudem kleiner bemessen als ein Kopfdurchmesser dK des Nietkopfes 9. Dessen Unterseite ist nach erfolgtem Setzprozess in Anlage mit dem Öffnungsrandbereich des Bauteil-Vorloches 5. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist der Nietschaft 11 im unverformten Zustand außenseitig zylindrisch ausgebildet. Die Innenwölbung 14 des Nietschafts 11 ist hohlzylindrisch realisiert, wodurch sich über die Nietelement-Längsachse eine konstante Wandstärke w der Schaftwandung ergibt. Das Nietelement 1 ist insgesamt rotationssymmetrisch zur Nietelement-Längsachse L ausgeführt.
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Nachfolgend wird anhand der 3 bis 5 ein erfindungsgemäßer Setzprozess beschrieben: Zu Beginn des Setzprozesses (3) wird das Nietelement 1 mit seiner Schneidkante 15 in Anlage mit der Kegelmantelfläche des Spreizkegels 33 gebracht. Das Nietelement 1 ist dabei koaxial zum Spreizkegel 33 ausgerichtet. Mit Einleitung der Setzkraft F gleitet das Nietelement 1 mit seiner Schneidkante 15 entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle 35. Auf diese Weise wird der fußseitige Wandabschnitt 43 des Nietschafts 11 vorgespreizt. Durch die Vorspreizung weitet sich einerseits der zylindrische Nietschaft 11 konisch aus. Andererseits reduziert sich durch die konische Ausweitung des Nietschafts 11 speziell am fußseitigen Wandabschnitt 43 die Wandstärke w. Aufgrund der konischen Ausweitung sowie der reduzierten Wandstärke w kann die Aktivierungskontur 31 im weiteren Setzprozess den Nietschaft 11 prozesssicher in den Spreiz-Zustand überführen. Zum Abschluss des Setzprozesses (5) wird die Schneidkante 15 des Nietelements 1 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Bauteilmaterial eingetrieben.
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Wie aus der 2 hervorgeht, laufen am Nietfuß zwei Schneidflanken 45, 47 unter Bildung der Schneidkante 15 zusammen. Die radial innere Schneidkante 45 spannt mit einer zur Nietelement-Längsachse L rechtwinkligen Ebene einen Schneidenwinkel β auf. Dieser entspricht einem Kegelwinkel γ, der zwischen der Kegelmantelfläche des Spreizkegels 33 und einer zur Nietelement-Längsachse L rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass im Setzprozess die Schneidkante 15 prozesssicher in Richtung Ringkehle 35 abgleitet, ohne in das Bauteilmaterial einzudringen.
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Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Aktivierungskontur 31 wird der fußseitige Wandabschnitt 43 des Nietschafts 11 im Setzprozess entgegen der Setzrichtung S umgeschlagen. In der fertiggestellten Nietverbindung geht daher ein kopfseitiger Wandabschnitt 49 an einer nietkopffernen Umschlagkante 51 in den, in Richtung Nietkopf 9 ragenden fußseitigen Wandabschnitt 43 über. Der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt 43 erstreckt sich in Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerförmig um den kopfseitigen Wandabschnitt 49. Es ist hervorzuheben, dass lediglich der umgeschlagene fußseitige Wandabschnitt 43 mit seiner Schneidkante 15 des Nietschafts 11 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Bauteilmaterial eindringt, während der kopfseitige Wandabschnitt 49 ohne Materialeingriff mit dem Bauteilmaterial verbleibt.
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Der Nietschaft 11 wirkt somit wie ein bistabiler Federabschnitt, der im Setzprozess in den ausgeweiteten Spreiz-Zustand umschlägt. Der Spreiz-Zustand (1 oder 5) zeichnet sich dadurch aus, dass im Gegensatz zum Stand der Technik im Wesentlichen keine Rückfederkraft im Nietschaft 11 aufgebaut wird, die das Nietelement 1 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Von daher kann erfindungsgemäß auf ein nahe komplett formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 11 in das Bauteilmaterial verzichtet werden.
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Gemäß den 3 bis 5 weist das erfindungsgemäße Setzgerät als Gegenhalter 30 keine Matrize mit Matrizengravur, sondern einen ebenflächigen Amboss auf.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nietelement
- 3
- Bauteil
- 5
- Vorloch
- 9
- Nietkopf
- 11
- Nietfuß
- 13
- Nietfuß-Vollmaterialabschnitt
- 14
- Innenwölbung
- 15
- Aufsetzkante
- 16
- Spreizlinien
- 17
- Nietfußwand
- 19
- Funktionsabschnitt
- 27
- Niederhalter
- 29
- Setzkolben
- 30
- Amboss
- 31
- Aktivierungskontur
- 33
- Spreizkegel
- 35
- Ringkehle
- 37
- Inneneckbereich
- 39
- Vorloch-Umfangswand
- 41
- Vorloch-Öffnungsrand
- 43
- fußseitiger Wandabschnitt
- 45,47
- Schneidenflanken
- 49
- kopfseitiger Wandabschnitt
- 51
- Umschlagkante
- dA
- Schaft-Außendurchmesser
- dK
- Kopfdurchmesser
- dV
- Vorlochdurchmesse
- w
- Wandstärke
- F
- Setzkraft
- S
- Setzrichtung
- L
- Nietelement-Längsachse
- α
- Spreizwinkel
- β
- Schneidenwinkel
- γ
- Kegelwinkel
- t
- Vorloch-Tiefe
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102018122200 A1 [0005]
- WO 9535174 A1 [0005]
- DE 102015014941 A1 [0005]
