DE102022127385B3 - Rivet connection - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung mit zumindest zwei Fügepartnern (1, 2), die in einem Setzprozess miteinander verbindbar sind, bei dem ein Nietelement (7) mit seinem Nietschaft (13) in Setzrichtung durch den zumindest einen setzseitigen Fügepartner (2) bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) eintreibbar ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts (13), so dass die Fügepartner (1, 2), in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf (9) und einer Schaftspitze des Nietelements (7) geklemmt sind. Erfindungsgemäß ist zur Vermeidung von Kontaktkorrosion der setzseitige Fügepartner (2) kontaktfrei, das heißt elektrisch isolierend gegenüber dem Nietelement (7) und gegenüber dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) angeordnet.The invention relates to a rivet connection with at least two joining partners (1, 2), which can be connected to one another in a setting process, in which a rivet element (7) with its rivet shank (13) passes in the setting direction through the at least one setting-side joining partner (2) into the The joining partner (1) facing away from the setting side can be driven in, namely by spreading the rivet shaft (13), so that the joining partners (1, 2), viewed in the setting direction, are under compressive stress between a rivet head (9) and a shaft tip of the rivet element (7 ) are clamped. According to the invention, in order to avoid contact corrosion, the joining partner (2) on the setting side is arranged in a contact-free manner, i.e. in an electrically insulating manner relative to the rivet element (7) and relative to the joining partner (1) facing away from the setting side.
Description
Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder gemäß dem Oberbergriff des Anspruches 19 sowie ein Nietelement nach Anspruch 20.The invention relates to a rivet connection according to the preamble of
Der Einsatz von CFK-Mischbau, bestehend aus einem Kohlefaserverbundbauteil und einem Aluminiumdruckgussbauteil, bietet speziell im Fahrzeugbau die folgenden Vorteile: So handelt es sich bei beiden Werkstoffen um Leichtbauwerkstoffe. Zudem weist das Kohlefaserverbundbauteil eine sehr hohe Bauteilsteifigkeit auf, was Vorteile im Hinblick auf die Crashsicherheit bietet. Außerdem lässt sich das Aluminiumdruckgussbauteil im Gießverfahren mit äußerst geringer Bauteil- und Fertigungstoleranz sowie mit hoher Wiederholgenauigkeit herstellen. Von daher können im CFK-Mischbau die unterschiedlichen Eigenschaften des Kohlefaserverbundbauteils und des Aluminiumdruckgussbauteils im Hinblick auf die Anforderungen im Fahrzeugbau ideal kombiniert werden.The use of CFRP mixed construction, consisting of a carbon fiber composite component and an aluminum die-cast component, offers the following advantages, especially in vehicle construction: Both materials are lightweight materials. In addition, the carbon fiber composite component has a very high component rigidity, which offers advantages in terms of crash safety. In addition, the aluminum die-cast component can be produced using the casting process with extremely low component and manufacturing tolerances and with high repeat accuracy. Therefore, in CFRP mixed construction, the different properties of the carbon fiber composite component and the aluminum die-cast component can be ideally combined with regard to the requirements in vehicle construction.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein Nietelement-Setzprozess, in dem das Kohlefaserverbundbauteil und das Aluminiumdruckgussbauteil miteinander verbindbar sind. Im Setzprozess wird ein Nietelement unter Aufspreizung seines Nietschafts in Setzrichtung durch das Kohlefaserverbundbauteil (das heißt der setzseitige Fügepartner) bis in das Aluminiumdruckgussbauteil (das heißt der von der Setzseite abgewandte Fügepartner) eingetrieben. Nach erfolgtem Setzprozess sind die Fügepartner, in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf und einer Schaftspitze des Nietelements geklemmt.The starting point of the invention is a rivet element setting process in which the carbon fiber composite component and the aluminum die-cast component can be connected to one another. In the setting process, a rivet element is driven through the carbon fiber composite component (i.e. the joining partner on the setting side) into the die-cast aluminum component (i.e. the joining partner facing away from the setting side) by spreading its rivet shank in the setting direction. After the setting process has taken place, the joining partners, viewed in the setting direction, are clamped under compressive tension between a rivet head and a shaft tip of the rivet element.
In einem konventionellen Setzprozess wird das Nietelement mit einer hohen Setzkraft (von zum Beispiel 50 kN) eingetrieben, wodurch sich die Nietfußspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Dadurch ergibt sich eine Hinterschneidung zwischen dem Nietkopf und der ausgeweiteten Nietfußspitze, die mit Bauteil-Material gefüllt ist. Die Nietfußspitze ist dabei formschlüssig von Bauteil-Material eingefasst. Auf diese Weise wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch Rückfederung des Nietfußes nach dem Spreizen, verhindert, weil dafür eine Verformung des Bauteils erforderlich wäre.In a conventional setting process, the rivet element is driven in with a high setting force (for example 50 kN), whereby the tip of the rivet foot expands radially outwards over an expansion path. This creates an undercut between the rivet head and the expanded rivet base tip, which is filled with component material. The tip of the rivet base is framed in a form-fitting manner by the component material. In this way, a relative movement, for example caused by springing back of the rivet foot after spreading, is prevented because this would require a deformation of the component.
Speziell bei der oben beschriebenen Nietverbindung aus Kohlefaserverbundbauteil und Aluminiumdruckgussbauteil ergibt sich die folgende Problematik:
- Erstens weist das Aluminiumdruckgussbauteil im Vergleich zu einem herkömmlichen Aluminiumblech eine sehr geringe Duktilität auf. Bei Verwendung eines Aluminiumdruckgussbauteil als von der Setzseite abgewandten Fügepartner ist daher das oben beschriebene formschlüssige Umfassen der Nietfußspitze - aufgrund der geringen Duktilität - nur eingeschränkt möglich, so dass es nach dem Setzvorgang zu einer Rückfederung des Nietfußes (nach dem Spreizen) kommen kann. Von daher ist das Nietelement nicht ausreichend gegen ein Lösen gesichert. Zudem besteht bei dem Aluminiumdruckgussbauteil aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder-bruch führen kann.
- Firstly, the aluminum die-cast component has very low ductility compared to a conventional aluminum sheet. When using an aluminum die-cast component as a joining partner facing away from the setting side, the form-fitting gripping of the rivet base tip described above is only possible to a limited extent - due to the low ductility - so that the rivet base can spring back (after spreading) after the setting process. Therefore, the rivet element is not sufficiently secured against loosening. In addition, due to the low ductility of the aluminum die-cast component, there is a risk of notch formation, which can lead to premature component cracking or breakage.
Zweitens weist das Aluminiumdruckgussbauteil im Vergleich zum Kohlefaserverbundbauteil eine sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung auf, während das Kohlefaserverbundbauteil nahezu keiner Wärmeausdehnung unterliegt. Eine Fügepartner-Kombination aus Aluminiumdruckgussbauteil und Kohlefaserverbundbauteil ist daher anfällig für quer zur Setzrichtung ausgerichtete Bauteilspannungen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen hervorgerufen werden. Aufgrund der im Stand der Technik üblichen hohen Setzkraft (von zum Beispiel 50 kN) wird jedoch eine derart hohe Verbindungsfestigkeit erzielt, die keine Relativbewegung innerhalb der Nietverbindung zulässt, um einen Spannungsausgleich zu ermöglichen.Secondly, the aluminum die-cast component has a very pronounced thermal expansion compared to the carbon fiber composite component, while the carbon fiber composite component is subject to almost no thermal expansion. A joining partner combination of aluminum die-cast component and carbon fiber composite component is therefore susceptible to component stresses aligned transversely to the setting direction, which are caused by the different thermal expansions. However, due to the high setting force usual in the prior art (for example 50 kN), such a high connection strength is achieved that does not allow any relative movement within the riveted connection in order to enable tension compensation.
Drittens weisen das Aluminiumdruckgussbauteil und das Kohlefaserverbundbauteil in der elektrochemischen Spannungsreihe eine sehr hohe Potentialdifferenz auf, so dass die Gefahr von Kontaktkorrosion besteht.Thirdly, the aluminum die-cast component and the carbon fiber composite component have a very high potential difference in the electrochemical voltage series, so that there is a risk of contact corrosion.
Bei aus dem Stand der Technik bekannten CFK-Mischbau-Verbindungen wird die Kontaktkorrosion wie folgt unterbunden: So kann das Kohlefaserverbundbauteil beispielhaft mit einer elektrisch isolierenden Beschichtung, etwa einem Lack, überzogen sein. Auf diese Weise ist ein unmittelbarer Kontakt zwischen den Kohlefasern im Kohlefaserverbundbauteil und dem Hilfsfügeelement (das heißt Schraube oder Nietelement) oder dem Aluminiumdruckgussbauteil verhindert.In CFRP mixed construction connections known from the prior art, contact corrosion is prevented as follows: For example, the carbon fiber composite component can be covered with an electrically insulating coating, such as a paint. In this way, direct contact between the carbon fibers in the carbon fiber composite component and the auxiliary joining element (i.e. screw or rivet element) or the aluminum die-cast component is prevented.
Alternativ dazu kann das Kohlefaserverbundbauteil ein Glasfaser-Einlegerteil aufweisen. Das Glasfaser-Einlegerteil kann die mit dem Aluminiumdruckgussteil und dem Hilfsfügeelement in Kontakt befindlichen Anbindungsstellen ausbilden, so dass ein direkter Kontakt der Kohlefasern mit angrenzendem Metall unterbunden ist. Die obigen beiden Lösungsmöglichkeiten sind jedoch mit hohem Fertigungsaufwand verbunden.Alternatively, the carbon fiber composite component can have a glass fiber insert part. The glass fiber insert part can form the connection points that are in contact with the aluminum die-cast part and the auxiliary joining element, so that direct contact of the carbon fibers with adjacent metal is prevented. However, the above two possible solutions involve a lot of manufacturing effort.
Aus der
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nietverbindung bereitzustellen, in der im Vergleich zum Stand der Technik in einfacher Weise eine Kontaktkorrosion zwischen den Fügepartnern der Nietverbindung unterbunden ist, insbesondere in einer Nietverbindung aus einem Metalldruckgussteil, speziell Aluminiumdruckgussbauteil, und aus einem Kohlefaserverbundbauteil.The object of the invention is to provide a rivet connection in which, compared to the prior art, contact corrosion between the joining partners of the rivet connection is prevented in a simple manner, in particular in a rivet connection made of a metal die-cast part, especially aluminum die-cast component, and a carbon fiber composite component.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale der Ansprüche 1, 19 oder 20 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.The task is solved by the features of
Die Erfindung geht von einer Nietverbindung mit zumindest zwei Fügepartnern aus, die im Setzprozess miteinander verbindbar sind. In dem Setzprozess ist ein Nietelement mit seinem Nietschaft in Setzrichtung durch den zumindest einen setzseitigen Fügepartner bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner unter Aufspreizung des Nietschafts eintreibbar. Dadurch sind die Fügepartner, in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf und einer Schaftspitze des Nietelements geklemmt. Erfindungsgemäß ist zur Vermeidung von Kontaktkorrosion der setzseitige Fügepartner kontaktfrei, das heißt elektrisch isolierend gegenüber dem Nietelement und gegenüber dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner angeordnet. Die Kontaktkorrosion ist speziell bei einem CFK-Mischbau aus Aluminiumdruckgussbauteil und Kohlefaserverbundbauteil problematisch, da Aluminium und Kohlefasern in der elektrochemischen Spannungsreihe eine sehr hohe Potentialdifferenz aufweisen und daher bei dieser Werkstoffauswahl das Aluminiumdruckgussbauteil äußerst anfällig für Kontaktkorrosion ist.The invention is based on a rivet connection with at least two joining partners, which can be connected to one another in the setting process. In the setting process, a rivet element with its rivet shank can be driven in the setting direction through the at least one joining partner on the setting side into the joining partner facing away from the setting side, thereby spreading the rivet shank. As a result, the joining partners, viewed in the setting direction, are clamped under compressive stress between a rivet head and a shaft tip of the rivet element. According to the invention, in order to avoid contact corrosion, the joining partner on the setting side is arranged in a contact-free manner, that is to say is arranged in an electrically insulating manner relative to the rivet element and relative to the joining partner facing away from the setting side. Contact corrosion is particularly problematic in a CFRP hybrid construction consisting of an aluminum die-cast component and a carbon fiber composite component, since aluminum and carbon fibers have a very high potential difference in the electrochemical voltage series and therefore, with this choice of material, the aluminum die-cast component is extremely susceptible to contact corrosion.
Ein solche kontaktfreie Anordnung kann bevorzugt mittels einer Isolierlage, insbesondere einer Kunststoff-Zwischenlage, bereitgestellt werden, die zwischen dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner und dem setzseitigen Fügepartner angeordnet ist. In gleicher Weise kann auch zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem setzseitigen Fügepartner eine solche Isolierlage angeordnet sein.Such a contact-free arrangement can preferably be provided by means of an insulating layer, in particular a plastic intermediate layer, which is arranged between the joining partner facing away from the setting side and the joining partner on the setting side. In the same way, such an insulating layer can also be arranged between the underside of the rivet head and the joining partner on the setting side.
Der setzseitige Fügepartner kann ein Durchgangsvorloch aufweisen. Im Setzprozess wird das Nietelement durch das Durchgangsvorloch ist in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner eingetrieben. Auf diese Weise kann im setzseitigen Fügepartner ein Spannungsaufbau quer zur Setzrichtung reduziert werden oder gänzlich wegfallen. Für einen kontaktfreien Durchgang des setzseitigen Fügepartners ist der Nietschaft bevorzugt mit ausreichend großem Lochspiel durch das Durchgangsvorloch des setzseitigen Fügepartners geführt. Innerhalb des Lochspiels ist zudem eine später beschriebene Ausgleichsbewegung des setzseitigen Fügepartners quer zur Setzrichtung ermöglicht, um Bauteilspannungen herabzusetzen.The joining partner on the setting side can have a through hole. During the setting process, the rivet element is driven through the through hole into the joining partner facing away from the setting side. In this way, a build-up of tension transverse to the setting direction in the setting-side joining partner can be reduced or eliminated completely. For a contact-free passage of the joining partner on the setting side, the rivet shank is preferably guided through the pre-hole of the joining partner on the setting side with sufficiently large hole play. Within the hole clearance, a later-described compensating movement of the setting-side joining partner transverse to the setting direction is also possible in order to reduce component stresses.
Wie in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist, ergeben sich speziell durch den Einsatz von CFK-Mischbau, bestehend aus einem Kohlefaserverbundbauteil und einem Aluminiumdruckgussbauteil, im Fahrzeugbau beträchtliche Vorteile. Problematisch bei dieser Art von Werkstoffauswahl ist jedoch folgendes: Zum einen weist das Aluminiumdruckgussbauteil im Vergleich zu einem herkömmlichen Aluminiumblech eine sehr geringe Duktilität auf. Bei Verwendung eines Aluminiumdruckgussbauteil als von der Setzseite abgewandten Fügepartner ist daher das oben beschriebene formschlüssige Umfassen der Nietfußspitze - aufgrund der geringen Duktilität - nur eingeschränkt möglich, so dass es nach dem Setzvorgang zu einer Rückfederung des Nietfußes (nach dem Spreizen) kommen kann. Von daher ist das Nietelement nicht ausreichend gegen ein Lösen gesichert. Zudem besteht bei dem Aluminiumdruckgussbauteil aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.As described in the introduction to the description, there are considerable advantages in vehicle construction, especially through the use of CFRP composite construction, consisting of a carbon fiber composite component and an aluminum die-cast component. However, the following is problematic with this type of material selection: On the one hand, the aluminum die-cast component has very low ductility compared to a conventional aluminum sheet. When using an aluminum die-cast component as a joining partner facing away from the setting side, the form-fitting gripping of the rivet base tip described above is only possible to a limited extent - due to the low ductility - so that the rivet base can spring back (after spreading) after the setting process. Therefore, the rivet element is not sufficiently secured against loosening. In addition, due to the low ductility of the aluminum die-cast component, there is a risk of notch formation, which can lead to premature component cracking or breakage.
Zum anderen weist das Aluminiumdruckgussbauteil im Vergleich zum Kohlefaserverbundbauteil eine sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung auf, während das Kohlefaserverbundbauteil nahezu keiner Wärmeausdehnung unterliegt. Eine Fügepartner-Kombination aus Aluminiumdruckgussbauteil und Kohlefaserverbundbauteil ist daher anfällig für quer zur Setzrichtung ausgerichtete Bauteilspannungen, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen hervorgerufen werden.On the other hand, the aluminum die-cast component has a very pronounced thermal expansion compared to the carbon fiber composite component, while the carbon fiber composite component is subject to almost no thermal expansion. A joining partner combination of aluminum die-cast component and carbon fiber composite component is therefore susceptible to component stresses aligned transversely to the setting direction, which are caused by the different thermal expansions.
Zum Ausgleich unterschiedlicher Fügepartner-Wärmeausdehnungen kann daher der setzseitige Fügepartner (das heißt insbesondere das Kohlefaserverbundbauteil) in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf des Nietelements und dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner (das heißt Aluminiumdruckgussbauteil) geklemmt sein. Dadurch kann eine Bauteilspannung quer zur Setzrichtung, hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen, durch eine Querbewegung des setzseitigen Fügepartners reduziert oder abgebaut werden.To compensate for different thermal expansions of the joining partner, the joining partner on the setting side (i.e. in particular the carbon fiber composite component) can be clamped in floating storage between the rivet head of the rivet element and the joining partner facing away from the setting side (i.e. die-cast aluminum component). As a result, a component tension transverse to the setting direction, caused by different thermal expansions, can be caused by a transverse movement of the the joining partner on the setting side can be reduced or dismantled.
Durch die beidseitig des setzseitigen Fügepartners angeordneten Isolierlagen, bevorzugt Kunststoff-Zwischenlagen, wird die schwimmende Lagerung des setzseitigen Fügepartners zusätzlich noch unterstützt. Die Isolierlagen bewirken daher in Doppelfunktion nicht nur eine elektrische Isolierung, sondern auch eine Herabsetzung des Reibwerts zwischen dem setzseitigen Fügepartner und dem Nietkopf beziehungsweise dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner.The floating support of the setting-side joining partner is additionally supported by the insulating layers, preferably plastic intermediate layers, arranged on both sides of the setting-side joining partner. The insulating layers therefore have a dual function, not only providing electrical insulation, but also reducing the coefficient of friction between the joining partner on the setting side and the rivet head or the joining partner facing away from the setting side.
Die als Gleitelement wirkende Isolierlage kann zum Beispiel als eine Unterlegscheibe am Nietelement vormontierbar sein. In diesem Fall kann eine einteilige Vormontageeinheit, bestehend aus Nietelement und Unterlegscheibe, vorgehalten werden. Die Unterlegscheibe kann bevorzugt in leichter Presspassung auf den Nietschaft aufgeschoben sein. Alternativ dazu kann Isolierlage als eine auf die Nietkopf-Unterseite beziehungsweise auf den von der Setzseite abgewandten Fügepartner angespritzte Kunststoffbeschichtung ausgebildet sein.The insulating layer acting as a sliding element can, for example, be pre-assembled as a washer on the rivet element. In this case, a one-piece pre-assembly unit consisting of a rivet element and washer can be provided. The washer can preferably be pushed onto the rivet shank in a slight press fit. Alternatively, the insulating layer can be designed as a plastic coating molded onto the underside of the rivet head or onto the joining partner facing away from the setting side.
Mit der aus Kunststoff gebildeten Isolierlage wird eine einfache Verarbeitung gewährleistet. Zudem erfolgt die Verarbeitung oberflächenschonend und elektrisch isolierend. Ferner kann eine Kontaktkorrosion verhindert werden.The insulating layer made of plastic ensures easy processing. In addition, the processing is gentle on the surface and electrically insulating. Furthermore, contact corrosion can be prevented.
Die erfindungsgemäße schwimmende Lagerung ist, wie oben angedeutet, besonders bevorzugt bei einer Fügepartner-Kombination, in der der setzseitige Fügepartner allgemein ein Kunststoffbauteil ist und/oder der von der Setzseite abgewandte Fügepartner allgemein ein Metallbauteil ist, das im Vergleich zum Kunststoffbauteil eine sehr ausgeprägte oder zumindest unterschiedliche Wärmeausdehnung aufweist. Erfindungsgemäß können die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen durch die Querbeweglichkeit des setzseitigen Fügepartners ausgeglichen werden.The floating bearing according to the invention is, as indicated above, particularly preferred for a joining partner combination in which the joining partner on the setting side is generally a plastic component and/or the joining partner facing away from the setting side is generally a metal component which, in comparison to the plastic component, has a very pronounced or at least has different thermal expansion. According to the invention, the different thermal expansions can be compensated for by the transverse mobility of the joining partner on the setting side.
Wie oben angegeben, weist das Aluminiumdruckgussbauteil (oder allgemein ein Metalldruckgussbauteil) nicht nur eine (im Vergleich zum CFK-Bauteil) sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung, sondern auch eine im Vergleich zu einem herkömmlichen Metallblechteil geringe Duktilität auf. Im Metalldruckgussbauteil besteht aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die in einem herkömmlichen Setzprozess zu einem Bauteilriss oder -bruch führen kann.As stated above, the aluminum die-cast component (or generally a metal die-cast component) not only has a very pronounced thermal expansion (compared to the CFRP component), but also a low ductility compared to a conventional sheet metal part. Due to the low ductility, there is a risk of notch formation in metal die-cast components, which can lead to a component crack or breakage in a conventional setting process.
Vor diesem Hintergrund wird erfindungsgemäß bei der Verbindung der beiden Fügepartner auf einen herkömmlichen Nietsetzprozess verzichtet, das heißt insbesondere auf ein formschlüssiges Umfassen der ausgeweiteten Nietschaftspitze verzichtet (wie es in der Beschreibungseinleitung beschrieben ist). Anstelle dessen kommt zur Sicherung des Nietelements an dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner das folgende Wirkprinzip zum Einsatz: So bildet der Nietschaft einen bistabilen Federabschnitt, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist. Ein erster Gleichgewichtszustand entspricht dem querschnittsreduzierten, unverformten Nietschaft-Zustand. Durch Einwirken der Setzkraft schlägt der Nietschaft in den zweiten Gleichgewichtszustand um, in dem der Nietschaft mit einem ausgeweiteten Querschnitt im Vorloch des ersten Fügepartners verspreizt ist. Das Umschlagen in den Spreizzustand erfolgt im Wesentlichen ohne Aufbau einer Rückfederkraft, die das Nietelement in Richtung unverformtem Zustand vorspannt.Against this background, according to the invention, a conventional rivet setting process is dispensed with when connecting the two joining partners, that is, in particular, a positive gripping of the expanded rivet shaft tip is dispensed with (as described in the introduction to the description). Instead, the following operating principle is used to secure the rivet element to the joining partner facing away from the setting side: The rivet shaft forms a bistable spring section that has two states of equilibrium. A first equilibrium state corresponds to the reduced cross-section, undeformed rivet shank state. As a result of the setting force, the rivet shank changes to the second equilibrium state, in which the rivet shank is spread with an expanded cross section in the pre-hole of the first joining partner. The changeover to the expanded state occurs essentially without the build-up of a springback force, which prestresses the rivet element in the direction of the undeformed state.
Erfindungsgemäß erfolgt also die Verformung des Nietelements im Setzprozess unter Nutzung des sogenannten Springbeuleffekts (auch bekannt als Knackfroscheffekt). Unter dem Springbeuleffekt versteht man einen physikalischen Effekt, bei dem die Gestalt des Nietelements zwei stabile Zustände aufweist, die durch eine geeignete Krafteinwirkung ineinander überführt werden können.According to the invention, the deformation of the rivet element takes place in the setting process using the so-called buckling effect (also known as the cracking frog effect). The spring buckling effect is a physical effect in which the shape of the rivet element has two stable states that can be converted into one another by applying a suitable force.
Ein besonderer Vorteil dieses neuen Wirkprinzips besteht im folgenden Sachverhalt: Die zur Überführung in den Spreizzustand erforderliche Setzkraft ist weitaus geringer als die im herkömmlichen Setzprozess erforderliche Setzkraft. Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Setzkraft wird der setzseitige Fügepartner mit wesentlich geringerer Druckspannung beaufschlagt als es bei einem herkömmlichen Setzprozess der Fall wäre. Somit ist ein Setzprozess der Baugruppe bestehend aus Nietelement und Gleitelement erst möglich. Erst aufgrund dieser geringeren Druckspannung ist - im Zusammenspiel mit dem Gleitelement - die Ausgleichsbewegung der beiden oberen Fügepartner zum Spannungsausgleich ermöglicht. Im Gegensatz dazu wird im herkömmlichen Setzprozess das Nietelement in die Fügepartner mit einer derart großen Setzkraft eingetrieben, dass eine Querbeweglichkeit des setzseitigen Fügepartners mit Bezug auf den von der Setzseite abgewandten Fügepartner nicht gegeben ist.A particular advantage of this new operating principle is the following fact: The setting force required to transfer it to the spreading state is far less than the setting force required in the conventional setting process. Due to the lower setting force compared to the prior art, the joining partner on the setting side is subjected to significantly lower compressive stress than would be the case in a conventional setting process. This makes a setting process of the assembly consisting of rivet element and sliding element possible. It is only because of this lower compressive stress - in interaction with the sliding element - that the compensating movement of the two upper joining partners to equalize the tension is made possible. In contrast, in the conventional setting process, the rivet element is driven into the joining partner with such a large setting force that there is no transverse mobility of the setting-side joining partner with respect to the joining partner facing away from the setting side.
Wie oben erwähnt, ist der von der Setzseite abgewandte Fügepartner im unverformten Zustand nicht komplett vorlochfrei gebildet, sondern weist dieser vielmehr an der herzustellenden Fügestelle ein Vorloch auf. Im Zusammenbauzustand ist der Nietschaft des Nietelements gegen den Innenumfang des Vorloches verspreizt.As mentioned above, the joining partner facing away from the setting side is not completely formed without pre-holes in the undeformed state, but rather has a pre-hole at the joint to be produced. When assembled, the rivet shank of the rivet element is spread apart against the inner circumference of the pre-hole.
Das Nietelement kann mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Zudem kann das Nietelement einen ausgeweiteten Nietkopf aufweisen, der in Achsrichtung in den Nietschaft übergeht. An der Oberseite des Nietkopfes kann zudem ein weiteres Funktionselement, zum Beispiel ein Gewindebolzen, angeformt sein. Der Nietschaft kann eine zur Nietschaftspitze offen gestaltete Innenwölbung aufweisen; zudem kann der Nietschaft an der Schaftspitze mit einer ringförmig umlaufenden Schneidkante abschließen.The rivet element can be designed to be rotationally symmetrical with respect to a rivet element longitudinal axis. In addition, the rivet element can have one have an expanded rivet head that merges into the rivet shaft in the axial direction. Another functional element, for example a threaded bolt, can also be formed on the top of the rivet head. The rivet shank can have an inner curvature that is open to the rivet shank tip; In addition, the rivet shank can end with a ring-shaped cutting edge at the tip of the shank.
Im Spreizzustand kann die Nietschaftwand entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf, umgeschlagen sein. In diesem Fall kann die Schneidkante in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des Bauteil-Vorloches sein. Zudem umzieht die Nietschaftwand den Nietschaft-Vollmaterialabschnitt tellerförmig sowie in Umfangsrichtung unterbrechungsfrei beziehungsweise durchgängig.In the expanded state, the rivet shaft wall can be folded against the setting direction, i.e. towards the rivet head. In this case, the cutting edge can be in spreading engagement with the inner circumference of the component pilot hole. In addition, the rivet shaft wall surrounds the rivet shaft solid material section in a plate shape and in the circumferential direction without interruption or continuously.
In einer bevorzugten technischen Realisierung kann der erste Fügepartner ein Metalldruckgussteil, zum Beispiel ein Aluminium-Druckgussteil, sein, während das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein kann. Speziell in diesem Fall ist die erfindungsgemäße Nietverbindung von Vorteil, da hier der erste Fügepartner während des Setzvorgangs im Wesentlichen ohne plastische Verformung, das heißt insbesondere nur elastisch, beansprucht wird. Der erste Fügepartner bleibt erfindungsgemäß nach erfolgtem Setzprozess weitgehend unverformt.In a preferred technical implementation, the first joining partner can be a metal die-cast part, for example an aluminum die-cast part, while the rivet element can be made of a cold-forming material. The rivet connection according to the invention is particularly advantageous in this case, since the first joining partner is stressed during the setting process essentially without plastic deformation, that is to say in particular only elastically. According to the invention, the first joining partner remains largely undeformed after the setting process has taken place.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Überführung des Nietelements vom unverformten Zustand in den Spreizzustand ist es von Vorteil, wenn das Bauteil-Vorloch eine entsprechende Aktivierungskontur aufweist. Mittels der Aktivierungskontur kann im Setzvorgang ein Überführen des Nietelement vom unverformten Zustand in den Spreizzustand prozesssicher gestaltet werden.With regard to a perfect transfer of the rivet element from the undeformed state to the expanded state, it is advantageous if the component pre-hole has a corresponding activation contour. By means of the activation contour, the rivet element can be transferred from the undeformed state to the expanded state in a process-safe manner during the setting process.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann die Aktivierungskontur als ein, vom Vorloch-Boden vorragender Spreizkegel realisiert sein. Mit Hilfe der Aktivierungskontur kann der fußseitige Schaftabschnitt des Nietschafts im Setzprozess entgegen der Setzrichtung in den Spreizzustand umgeschlagen werden. Nach dem Umschlagen in den Spreizzustand geht ein radial innerer kopfseitiger Schaftabschnitt des Nietschafts an einer nietkopffernen Umschlagkante in den, in Richtung Nietkopf ragenden, fußseitigen Schaftabschnitt über, der den kopfseitigen Schaftabschnitt radial außen umzieht.According to a first embodiment variant, the activation contour can be implemented as an expansion cone projecting from the pre-hole bottom. With the help of the activation contour, the foot-side shaft section of the rivet shank can be folded into the expanded state in the setting process against the setting direction. After folding into the expanded state, a radially inner head-side shaft section of the rivet shaft merges at a folding edge away from the rivet head into the foot-side shaft section which projects in the direction of the rivet head and which wraps around the head-side shaft section radially on the outside.
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 Schaftabschnittes des Nietschafts, wie es oben beschrieben ist.The activation contour formed in the component pre-hole can additionally have an annular groove that surrounds the expansion cone at its cone base. The annular groove can merge radially outwards into the pre-hole peripheral wall at an, in particular rounded, inner corner area. In particular, the expansion cone in combination with the annular groove and the pre-hole inner corner area lead to a folding of the foot-side shaft section of the rivet shaft, as described above.
Nachfolgend ist ein mit der oben angegebenen 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 Material des Fügepartners einzudringen. Auf diese Weise wird der fußseitige Schaftabschnitt des Nietschafts unter Materialverdünnung vorgespreizt. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses wird der materialverdünnte, fußseitige Schaftabschnitt des Nietschafts vom Spreizkegel in die Ringkehle geführt. Zum Abschluss des Setzprozesses wird die fußseitige Schneidkante des Nietelements an der Vorloch-Umfangswand in das Material eingetrieben.A setting process that can be carried out with the activation contour specified above is described below: At the beginning of the setting process, the rivet element can sit with its cutting edge on the conical surface of the expansion cone. By applying the setting force, the rivet element can slide with its cutting edge along the surface of the cone in the direction of the ring groove without penetrating the material of the joining partner. In this way, the foot-side shaft section of the rivet shaft is pre-spread while thinning the material. As the setting process continues, the material-thinned, base-side shaft section of the rivet shaft is guided from the expansion cone into the ring groove. To complete the setting process, the base-side cutting edge of the rivet element is driven into the material on the pre-hole peripheral wall.
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 Spreizzustand umschlagen.As mentioned above, the rivet shank is pre-expanded during the setting process on the expansion cone. The pre-spreading causes the rivet shank to expand conically from its dimensionally stable, cylindrical, undeformed state. The conical expansion of the rivet shank occurs while reducing the wall thickness of the shank wall. This reduces the dimensional stability of the rivet shank. In the further course of the setting process, the rivet shank can reliably change to its expanded state.
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 Material des ersten Fügepartners 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 Material des ersten Fügepartners einzudringen.For a reliable setting process, it is important that the rivet element's cutting edge does not penetrate the material of the first joining partner at the expansion cone at the beginning of the setting process. Against this background, a cutting flank on the cutting edge can have a cutting angle that approximately corresponds to a cone angle that is spanned between the conical surface of the expansion cone and a rectangular plane. This ensures that the rivet element can slide with its cutting edge along the lateral surface of the expansion cone in the direction of the ring groove without penetrating the material of the first joining partner.
Die Vorloch-Umfangswand kann an einem Vorloch-Öffnungsrand in eine setzseitige Oberfläche des ersten Fügepartners übergehen. Dabei kann sich die Vorloch-Umfangswand vom bodenseitigen Vorloch-Inneneckbereich bis zum Vorloch-Öffnungsrand 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 Vorloch des ersten Fügepartners vorpositioniert werden.The pre-hole peripheral wall can merge into a seating-side surface of the first joining partner at a pre-hole opening edge. The pre-hole peripheral wall can expand conically or run cylindrically from the bottom pre-hole inner corner area to the pre-hole opening edge. The pre-hole diameter is preferably larger than the outside diameter of the rivet shank. In this way, the rivet element can move smoothly with hole play in preparation for the setting process be pre-positioned in the pre-hole of the first joining partner.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Aktivierungskontur wie folgt ausgebildet sein: So kann das sacklochartige Vorloch des ersten Fügepartners einen durchmessergroßen Einführabschnitt aufweisen. Dieser geht an einer umlaufenden Ringschulter in eine durchmesserkleine Senkung über. Die Schneidkante des noch unverformten Nietelements kann auf einem Durchmesser liegen, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser der Ringschulter. Dadurch kann (in Vorbereitung auf den Setzprozess) das Nietelement mit seiner Schneidkante auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches positioniert werden.In a further embodiment variant, the activation contour can be designed as follows: The blind hole-like pre-hole of the first joining partner can have an insertion section with a large diameter. This merges into a small-diameter depression at a circumferential ring shoulder. The cutting edge of the still undeformed rivet element can have a diameter that is larger than the inner diameter of the ring shoulder. This allows the rivet element to be positioned with its cutting edge on the annular shoulder of the component pilot hole (in preparation for the setting process).
Bei Einwirken der Setzkraft kann sich das Nietelement mit seiner Schneidkante nach radial außen aufweiten, und zwar bis Erreichen eines maximalen Außendurchmessers. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann der Nietschaft um einen zusätzlichen Übertotpunkt-Hubweg in die Vorloch-Senkung eingetrieben werden. Dadurch erfolgt eine Überspreizung des Nietschaftes, bei der der Nietschaft in den Spreizzustand umschlägt.When the setting force is applied, the rivet element can expand with its cutting edge radially outwards until it reaches a maximum outside diameter. As the setting process continues, the rivet shank can be driven into the pre-hole depression by an additional over-center stroke. This causes the rivet shank to be over-expanded, in which the rivet shank changes to the expanded state.
Bevorzugt kann das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung 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. Von daher kann erfindungsgemäß auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizenform ein Aufspreizen des Nietschaftes unterstützt. Anstelle dessen kann der erste Fügepartner zwischen einem Niederhalter und einem ebenflächigen Amboss zwischengeklemmt sein.Preferably, the rivet element can be made from a cold impact material, in which a deformation limit is exceeded, particularly during over-expansion, at which a solidification of the rivet element material occurs, which is advantageous in terms of increased connection strength between the rivet element and the component. Therefore, according to the invention, there is no need for a die whose die shape supports spreading of the rivet shank. Instead, the first joining partner can be clamped between a hold-down device and a flat anvil.
Der erfindungsgemäße Setzprozess kann Bestandteil einer vollautomatischen Prozesskette sein, bei der ein Setzgerät am distalen Ende eines Roboterarms eines Industrieroboters befestigt ist, der mittels einer Programmsteuerung autonom arbeitet. Um einen einwandfreien Setzvorgang zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn der Nietschaft-Außendurchmesser kleiner bemessen ist als der Ringschulter-Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das noch unverformte Nietelement mit seiner Schneidkante in schwimmender Lagerung, das heißt mit Querspiel, auf der Ringschulter positioniert werden, wodurch Bauteil und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können.The setting process according to the invention can be part of a fully automatic process chain in which a setting device is attached to the distal end of a robot arm of an industrial robot, which works autonomously using a program control. In order to ensure a perfect setting process, it is preferred if the outer diameter of the rivet shank is smaller than the outer diameter of the ring shoulder. In this way, the still undeformed rivet element can be positioned with its cutting edge in floating bearing, that is, with transverse play, on the ring shoulder, whereby component and/or manufacturing tolerances can be compensated for.
Bei Ausführung des von der Setzseite abgewandten Fügepartners als ein Druckgussteil kann das Vorloch während des Gießverfahrens im ersten Fügepartner erzeugt werden. In diesem Fall kann das Vorloch einen konusartigen Innenumfang aufweisen, der als Entformungsschräge dient. Der konusartige Innenumfang wirkt während des Setzvorgangs zusätzlich auch als eine Einführschräge, um eine einwandfreie Positionierung des Nietelements auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches zu gewährleisten.If the joining partner facing away from the setting side is designed as a die-cast part, the pre-hole can be created in the first joining partner during the casting process. In this case, the pre-hole can have a cone-like inner circumference, which serves as a demolding slope. The cone-like inner circumference also acts as an insertion bevel during the setting process in order to ensure perfect positioning of the rivet element on the annular shoulder of the component pilot hole.
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 Amboss zwischengeklemmt sein.In a specific embodiment, the rivet element can have a rivet element length of, for example, 2 to 5 mm in the undeformed state. The wall thickness of the shaft wall of the rivet shaft in the undeformed state can be in a range between 0.3 and 0.7 mm, in particular 0.5 mm. In addition, depending on the application, the rivet element can be made, for example, from a wire material suitable for welding, or from a conventional cold impact steel, in which a forming limit is exceeded, in particular during over-expansion, i.e. when folded over during the setting process, at which the rivet element material solidifies occurs, which is advantageous in terms of increased connection strength between the rivet element and the component. According to the invention, a die can be dispensed with during the setting process, the die engraving of which supports the spreading of the rivet shank. Instead, the component can be clamped between a hold-down device and a flat anvil during the setting process.
In einer oben angegebenen Ausführungsform sind die beiden Fügepartner unmittelbar im Setzprozess miteinander verbindbar, bei dem das Nietelement mit seinem Nietschaft in Setzrichtung durch den setzseitigen Fügepartner bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner eintreibbar ist. Dadurch sind die beiden Fügepartner, in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf und einer Schneidkante des Nietschafts des Nietelements geklemmt.In an embodiment specified above, the two joining partners can be connected to one another directly in the setting process, in which the rivet element with its rivet shank can be driven in the setting direction through the joining partner on the setting side into the joining partner facing away from the setting side. As a result, the two joining partners, viewed in the setting direction, are clamped under compressive stress between a rivet head and a cutting edge of the rivet shank of the rivet element.
In einer zweiten Ausführungsform kann im Setzprozess das Nietelement mit seinem Nietschaft in Setzrichtung nur in einen ersten Fügepartner eintreibbar sein. Der zweite Fügepartner kann dagegen unabhängig vom Setzprozess am Nietelement befestigbar sein, insbesondere in einer Clip-, Schraub-, Rast- oder Schweißverbindung.In a second embodiment, in the setting process, the rivet element with its rivet shank can only be driven into a first joining partner in the setting direction. The second joining partner, on the other hand, can be attachable to the rivet element independently of the setting process, in particular in a clip, screw, snap or weld connection.
Zur Realisierung der obigen zweiten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn der Vorloch-Durchmesser am Vorloch-Öffnungsrand des sacklochartigen Vorloches des ersten Fügepartners (entspricht dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner) kleiner bemessen ist als ein Kopfdurchmesser des Nietkopfes, so dass nach erfolgtem Setzprozess die Nietkopf-Unterseite in Anlage mit dem Öffnungsrandbereich des Bauteil-Vorloches ist. An der Nietkopf-Oberseite des Nietelements kann ein Bolzen zur Anbindung des zweiten Fügepartners, insbesondere ein Gewindebolzen oder Schweißbolzen, ausgebildet sein. Im Zusammenbauzustand kann der Bolzen bevorzugt mit ausreichend großem Lochspiel (um einen kontaktfreien Durchgang zu erzielen) durch ein Durchgangsloch des zweiten Fügepartners geführt sein. Auf der, aus dem Durchgangsloch des zweiten Fügepartners ragenden Gewindebolzenspitze kann ein Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement befestigt sein. In diesem Fall kann der zweite Fügepartner zwischen dem Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement und dem ersten Fügepartner verspannbar sein.To implement the above second embodiment, it is advantageous if the pre-hole diameter at the pre-hole opening edge of the blind hole-like pre-hole of the first joining partner (corresponds to the joining partner facing away from the setting side) is dimensioned smaller than a head diameter of the rivet head, so that after the setting process has been completed, the rivet head -The underside is in contact with the opening edge area of the component pre-hole. A bolt can be attached to the top of the rivet head of the rivet element be designed to connect the second joining partner, in particular a threaded bolt or welding bolt. In the assembled state, the bolt can preferably be guided through a through hole in the second joining partner with sufficiently large hole play (in order to achieve a contact-free passage). A clip, locking, screw or welding element can be attached to the threaded bolt tip protruding from the through hole of the second joining partner. In this case, the second joining partner can be clamped between the clip, locking, screw or welding element and the first joining partner.
Bei einer Verschweißung kann der Schweißbolzen im Zusammenbauzustand durch ein Durchgangsloch des zweiten Fügepartners geführt sein. Auf der aus dem Durchgangsloch des zweiten Fügepartners ragenden Schweißbolzenspitze kann ein dritter Fügepartner oder ein Kopfelement, etwa eine Schweißkappe, mit dem ein Gleitelement (zum Beispiel Gleitelementringscheibe) fest verbunden ist, mittels Widerstandspunktschweißen aufschweißbar sein. Der zweite Fügepartner kann daher zwischen dem dritten Fügepartner oder der Schweißkappe und dem Nietkopf verspannt werden.When welding, the welding stud can be guided through a through hole in the second joining partner when assembled. A third joining partner or a head element, such as a welding cap, to which a sliding element (for example sliding element ring disk) is firmly connected, can be welded onto the welding stud tip protruding from the through hole of the second joining partner by means of resistance spot welding. The second joining partner can therefore be clamped between the third joining partner or the welding cap and the rivet head.
Erfindungsgemäß ist der zweite Fügepartner in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf des Nietelements und dem zweiten Fügepartner geklemmt. Auf diese Weise ist eine Bauteilspannung quer zur Setzrichtung, insbesondere hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner, durch eine Querbewegung des zweiten Fügepartners reduzierbar oder abbaubar. Zur Vermeidung von Kontaktkorrosion sowie zur Bereitstellung einer schwimmenden Lagerung zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner kann - analog zur ersten Ausführungsform - eine Isolierlage beziehungsweise Gleitelement, insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet sein, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner herabsetzbar ist. Ebenfalls kann das Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement zum Beispiel mit einem Bund ausgeführt sein, an dem als weitere Isolierlage beziehungsweise Gleitelement eine Kunststoff-Zwischenlage, etwa eine Kunststoffscheibe befestigt ist oder ein Kunststoffring angespritzt ist, mittels dem ein Reibwert zwischen dem Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement und dem zweiten Fügepartner herabsetzbar ist. Wie in der ersten Ausführungsform bewirken also die Isolierlagen in Doppelfunktion nicht nur eine Herabsetzung eines Reibwerts, wodurch die schwimmende Lagerung unterstützt wird, sondern zusätzlich auch eine elektrische Isolierung des zweiten Fügepartners (das heißt insbesondere des Kohlefaserverbundbauteils).According to the invention, the second joining partner is clamped in floating storage between the rivet head of the rivet element and the second joining partner. In this way, component tension transverse to the setting direction, in particular caused by different thermal expansion of the joining partners, can be reduced or eliminated by a transverse movement of the second joining partner. To avoid contact corrosion and to provide a floating bearing between the top of the rivet head and the second joining partner - analogous to the first embodiment - an insulating layer or sliding element, in particular a plastic intermediate layer, can be arranged, by means of which a coefficient of friction between the top of the rivet head and can be reduced by the second joining partner. The clip, locking, screw or welding element can also be designed, for example, with a collar to which a plastic intermediate layer, such as a plastic disk, is attached as a further insulating layer or sliding element, or a plastic ring is molded on, by means of which a coefficient of friction between the Clip, locking, screw or welding element and the second joining partner can be reduced. As in the first embodiment, the insulating layers have a dual function, not only reducing the coefficient of friction, which supports the floating bearing, but also electrically insulating the second joining partner (that is, in particular the carbon fiber composite component).
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben.Exemplary embodiments of the invention are described below with reference to the attached figures.
Es zeigen:
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1 Ansichten einer Nietverbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;bis 5 -
6 Ansichten einer Nietverbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; undbis 9 -
10 bis 12 Ansichten einer Nietverbindung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.
-
1 to 5 Views of a rivet connection according to a first exemplary embodiment; -
6 to 9 Views of a rivet connection according to a second exemplary embodiment; and -
10 to 12 Views of a rivet connection according to further exemplary embodiments.
In
In der, in der
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Mischbauverbindung realisiert, bei der der von der Setzseite abgewandte Fügepartner 1 ein Aluminiumdruckgussteil ist, während der setzseitige Fügepartner 2 ein Kohlefaserverbundbauteil ist.In the present exemplary embodiment, a mixed construction connection is realized in which the joining
Eine solche Fügepartner-Kombination aus Aluminiumdruckgussteil und Kohlefaserverbundbauteil ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Fügepartner-Kombination aus herkömmlichen Metallblechteilen anfällig für Kontaktkorrosion sowie für quer zur Setzrichtung ausgerichtete Bauteilspannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Fügepartner 1, 2 hervorgerufen werden. Zudem weist der von der Setzseite abgewandte Fügepartner 1 (das heißt das Aluminiumdruckgussteil) im Vergleich zu herkömmlichen Metallblechen eine sehr geringe Duktilität auf. Ein herkömmlicher Setzprozess, bei dem der Nietschaft vom Druckgussmaterial des von der Setzseite abgewandten Fügepartners 1 komplett formschlüssig umfasst ist, ist daher nicht prozesssicher durchführbar. Zudem besteht bei Metalldruckguss aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr, dass es im Setzprozess zu einer Kerbbildung kommt, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.Such a joining partner combination of aluminum die-cast part and carbon fiber composite component is, in comparison to a conventional joining partner combination made of conventional sheet metal parts, susceptible to contact corrosion and to component stresses oriented transversely to the setting direction, which are caused by different thermal expansions of the joining
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass der setzseitige Fügepartner 2 kontaktfrei, das heißt elektrisch isolierend gegenüber dem Nietelement 7 und gegenüber dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 angeordnet ist, wodurch eine Kontaktkorrosion vermieden werden kann. Zur Bereitstellung einer solchen kontaktfreien Anordnung ist zwischen dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 und dem setzseitigen Fügepartner 2 eine Isolierlage 6, insbesondere Kunststoff-Zwischenlagen, angeordnet. Zusätzlich ist auch zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem setzseitigen Fügepartner 2 eine Isolierlage 6, insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet.A core of the invention is that the setting-
Ein weiterer Kern der Erfindung besteht darin, dass der obere Fügepartner 2 in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf 9 des Nietelements 7 und dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 geklemmt sind. Auf diese Weise kann eine Bauteilspannung quer zur Setzrichtung S, die zum Beispiel durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner 1, 2 hervorrufen wird, durch eine quergerichtete Ausgleichsbewegung des oberen Fügepartners 2 reduziert oder abgebaut werden.A further core of the invention is that the upper joining
Die beiden Isolierlagen 6 bewirken dabei in Doppelfunktion nicht nur eine elektrische Isolierung. Zusätzlich wirken die Isolierlagen 6 auch als Gleitelemente, mit deren Hilfe ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem oberen Fügepartner 2 beziehungsweise ein Reibwert zwischen den beiden Fügepartnern 1, 2 herabsetzbar ist. Die Isolierlage 6 ist beispielhaft eine Kunststoff-Unterlegscheibe oder eine Kunststoff-Folierung, die am Nietelement 7 beziehungsweise am zweiten Fügepartner 2 vormontierbar ist.The two
Zur weiteren Unterstützung der schwimmenden Lagerung weist der obere Fügepartner 2 ein Durchgangsvorloch 17 auf, durch das das Nietelement 7 in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 eintreibbar ist. Der Nietschaft 13 ist dabei mit einem Lochspiel Δx durch das Durchgangsvorloch 17 des zweiten Fügepartners 2 geführt, so dass innerhalb des Lochspiels Δx die Ausgleichsbewegung B der oberen Fügepartner 2 quer zur Setzrichtung ermöglicht ist. Zudem ist das Lochspiel Δx ausreichend groß bemessen, um einen kontaktfreien Durchgang des Nietelements 7 durch den zweiten Fügepartner 2 zu gewährleisten.To further support the floating storage, the upper joining
Auf diese Weise kann einerseits bei einer Wärmebeanspruchung ein Spannungsausgleich zwischen den Fügepartnern 1, 2 erfolgen. Andererseits ist ein elektrischer Kontakt zwischen dem Nietschaft 13 und dem zweiten Fügepartner 2 unterbunden.In this way, on the one hand, tension can be equalized between the joining
Im Setzprozess (
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Nietverbindung mit einem von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 realisierbar ist, dessen Fließfähigkeit beziehungsweise Duktilität im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist (zum Beispiel ein Bauteil aus Aluminiumdruckguss). Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Sicherung des Nietelements 7 nicht durch ein vollständiges formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 13 im Material des ersten Fügepartners 1, sondern durch den nachfolgend anhand der
Gemäß der 1 ist das Nietelement 7 inein Vorloch 5 des von der Setzseite abgewandten ersten Fügepartners 1 eingetrieben, dass sich konusartig bis zu einer Vorlochtiefe t erstreckt und dort mit einem Vorloch-Boden abschließt.
- According to the
1 therivet element 7 is driven into apre-hole 5 of the first joiningpartner 1 facing away from the setting side, which extends like a cone up to a pre-hole depth t and ends there with a pre-hole bottom.
Im Vorloch 5 des ersten Fügepartners 1 eine Aktivierungskontur 31 (
Gemäß der
Wie aus der
Nachfolgend wird anhand der
In der
Mit Hilfe der Aktivierungskontur 31 wird der fußseitige Schaftabschnitt 43 des Nietschafts 13 im Setzprozess entgegen der Setzrichtung S umgeschlagen. In der fertiggestellten Nietverbindung geht daher ein kopfseitiger Schaftabschnitt 49 an einer nietkopffernen Umschlagkante 51 in den, in Richtung Nietkopf 9 ragenden fußseitigen Schaftabschnitt 43 über. Der umgeschlagene fußseitige Schaftabschnitt 43 erstreckt sich in Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerförmig um den kopfseitigen Schaftabschnitt 49. Es ist hervorzuheben, dass lediglich der umgeschlagene fußseitige Schaftabschnitt 43 mit seiner Schneidkante 15 des Nietschafts 13 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Material des ersten Fügepartners 1 eindringt, während der kopfseitige Schaftabschnitt 49 ohne Materialeingriff mit dem ersten Fügepartner 1 verbleibt.With the help of the
Der Nietschaft 13 wirkt somit wie ein bistabiler Federabschnitt, der im Setzprozess in den ausgeweiteten Spreizzustand umschlägt. Der Spreizzustand (
Gemäß den
Ein besonderer Vorteil dieses neuen Wirkprinzips besteht im Folgenden: Die zur Überführung in den Spreizzustand erforderliche Setzkraft F ist weitaus geringer als die im herkömmlichen Setzprozess erforderliche Setzkraft. Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Setzkraft F werden das Nietelement 7 mit den beiden Isolierlagen 6 und dem oberen Fügepartner 2 mit wesentlich geringerer Druckspannung beaufschlagt als es bei einem herkömmlichen Setzprozess der Fall wäre. Erst aufgrund dieser geringeren Druckspannung ist - im Zusammenspiel mit den beiden Isolierlagen 6 - die quergerichtete Ausgleichsbewegung des oberen Fügepartners 2 zum Spannungsausgleich ermöglicht. Im Gegensatz dazu wird im herkömmlichen Setzprozess das Nietelement in die Fügepartner mit einer derart großen Setzkraft eingetrieben, dass eine Querbeweglichkeit des oberen Fügepartners 2 mit Bezug auf den von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 nicht gegeben ist.A particular advantage of this new operating principle is the following: The setting force F required to transfer it to the spreading state is far less than the setting force required in the conventional setting process. Due to the lower setting force F compared to the prior art, the
In den
Nachfolgend werden anhand der
Das Umschlagen des als bistabiler Federabschnitt wirkenden Nietschafts 13 wird mittels einer Aktivierungskontur 31 (
Der Setzvorgang wird mit einem Setzgerät durchgeführt, das in den
Bei Einwirken der Setzkraft F weitet sich der Nietschaft 13 mit seiner Schneidkante 15 nach radial außen auf, und zwar bis Erreichen eines Setzhub-Totpunktes T (
Der Setzhub ist erfindungsgemäß über den Totpunkt T hinaus mit einer Übertotpunkt-Hubweg s (
Wie aus der
In der
Der zweite Fügepartner 2 ist in der
Die schwimmende Lagerung und die elektrische Isolierung wird unter anderem durch die Isolierlagen 6 bewerkstelligt. Eine der Isolierlagen 6 ist zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner 2 angeordnet und wirkt zudem als Gleitelement, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner 2 herabsetzt. Das Gleitelement 6 ist beispielhaft eine Kunststoff-Unterlegscheibe, die am Gewindebolzen 53 des Nietelements 7 vormontierbar ist.The floating storage and electrical insulation is achieved, among other things, by the insulating layers 6. One of the insulating
Zudem ist zwischen dem zweiten Fügepartner 2 und der zugewandten Unterseite der Bundschraubmutter 57 eine weitere Isolierlage 6 angeordnet, die ebenfalls als Gleitelement wirkt, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner 2 herabsetzbar ist. Diese Isolierlage 6 ist beispielhaft eine auf die Unterseite der Bundschraubmutter 57 gespritzte Kunststoffbeschichtung oder eine fest montierte Kunststoffscheibe.In addition, a further insulating
Zudem weist der zweite Fügepartner 2 zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung ein Durchgangsvorloch 17 auf, durch das der Gewindebolzen 53 mit einem Lochspiel Δx geführt ist, so dass innerhalb des Lochspiels Δx die Ausgleichsbewegung der zweiten Fügepartners 2 quer zur Setzrichtung ermöglicht ist und außerdem der Gewindebolzen 53 kontaktfrei durch den zweiten Fügepartner 2 geführt ist.In addition, the second joining
In der
Alternativ kann in der
BezugszeichenlisteReference symbol list
- 11
- erster Fügepartnerfirst joining partner
- 22
- zweiter Fügepartnersecond joining partner
- 33
- dritter Fügepartnerthird joining partner
- 55
- Vorlochpre-hole
- 66
- IsolierlageInsulating layer
- 77
- NietelementRivet element
- 55
-
sacklochartiges Vorloch im ersten Fügepartner 1blind hole-like pre-hole in the first joining
partner 1 - 99
- NietkopfRivet head
- 1313
- NietschaftRivet shank
- 1414
- InnenwölbungInternal curvature
- 1515
- Schneidkantecutting edge
- 1717
- DurchgangsvorlochThrough pre-hole
- 2222
- Vorloch-Bodenpre-hole floor
- 2121
- durchmessergroßer Einführabschnittlarge diameter insertion section
- 2323
- RingschulterRing shoulder
- 2525
- Vorloch-SenkungPre-hole countersink
- 2727
- NiederhalterHold-down device
- 2929
- SetzkolbenSet piston
- 3030
- Ambossanvil
- 3131
- AktivierungskonturActivation contour
- 3333
- SpreizkegelExpanding cone
- 3535
- RingkehleRing throat
- 3737
- InneneckbereichInside corner area
- 3939
- Vorloch-UmfangswandPre-hole peripheral wall
- 4141
- Vorloch-ÖffnungsrandPre-hole opening edge
- 4343
- fußseitiger Schaftabschnittfoot-side shaft section
- 45,4745.47
- Schneidenflankencutting edges
- 4949
- kopfseitiger Schaftabschnitthead-side shaft section
- 5151
- UmschlagkanteCover edge
- 5353
- Bolzenbolt
- 5555
- Durchgangslochthrough hole
- 5656
- Kopfelement beziehungsweise SchweißkappeHead element or welding cap
- 5757
- Clip-, Rast-, Schraub- oder SchweißelementClip, locking, screw or welding element
- dAthere
- Schaft-AußendurchmesserShank outside diameter
- dKdK
- KopfdurchmesserHead diameter
- dvdv
- VorlochdurchmesserPre-hole diameter
- ww
- WandstärkeWall thickness
- FF
- Setzkraftsetting force
- SS
- SetzrichtungSetting direction
- LL
- Nietelement-LängsachseRivet element longitudinal axis
- ββ
- SchneidenwinkelCutting angle
- γγ
- Kegelwinkelcone angle
- tt
- Vorloch-TiefePre-hole depth
- ΔxΔx
- LochspielMatch play
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-
2022
- 2022-10-19 DE DE102022127385.7A patent/DE102022127385B3/en active Active
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