DE2348140B2 - Nietverbindung und Verfahren zu deren Herstellung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Nietverbindung der im Oberbegriff des Anspruches 1 angegebenen und durch die US-PS 36 80 429 bekanntgewordenen Art
In der US-PS 36 80 429 ist eine Nietverbindung

to beschrieben, bei welcher ein nicht verformbarer Nietkopf und ein verformbarer Schaftabschnitt vorgesehen sind, welcher einen verjüngten Durchmesser aufweist und sich vollständig in das Loch der zu verbindenden Teile erstreckt Der Durchmesser derartiger Löcher muß genau in bezug auf die Nietgröße abgestimmt werden, damit eine sichere Verbindung möglich wird. Weiterhin muß der flache Abschnitt des Nietkopfes sehr groß sein, damit sich der Kopf nicht verformt während auf ihn ein Preßdruck ausgeübt wird.

Aus der US-PS 22 37 338 ist ein gewölbter Niet mit einem Vertikalrand am Umfang des Nietkopfes bekannt, der sich verformt um Leerstellen zu füllen. Die untere Fläche des Nietkopfes paßt dabei nicht mit der Konizität der Aussenkung überein, so daß sich während

2^r> des Eintreibens unerwünschte Spannungskonzentrationen ergeben, die auch bei der in der US-PS 35 26 032 und der DE-PS 7 07 103 erläuterten Nietverbindung in der Mitte der Wölbung des Nietkopfes möglich sind.
Be· der Nietverbindung nach der US-PS 22 33 820 ist

so ein Niet mit flachem Kopf vorgesehen und es müssen verschiedene Arbeitsvorgänge erfolgen, bevor der Niet mit den verbindenden Flächen auf einer Seite fluchtet.

Ein Niet in der Form eines zylindrischen Stiftes ist in der US-PS 34 05 594 beschrieben, der sich verformt, um

r> die zugeordnete Aussenkung zu füllen. Dort ist auf Grund der beträchtlichen Verformung ein weiches und leicht verformbares Material erforderlich; derartige Verformungen ergeben zweifellos eine Überbeanspruchung des benachbarten Materials der anderen Teile.

Eine konische Ausnehmung ist am Ende des Schaftes des Nietes nach der US-PS 26 46 824 vorgesehen, welche sich ausdehnt, um die entsprechende Aussenkung zu füllen.

In der GB-PS 12 59 800 ist eine Nietverbindung

4^r> erläutert, wobei der Niet einen flachen mittleren Kopfabschnitt aufweist, der sich im Durchmesser wesentlich vom Schaftendbereich unterscheidet. Bei dieser bekannten Anordnung fließt das Nietkopfmaterial nicht axial einwärts und radial auswärts.

w Schließlich ist ir. der DE-OS 19 43 811 eine Nietanordnung zum Verbinden von Flugzeugbauteilen beschrieben, bei welcher der Rand des Nietkopfes größten Durchmessers mit der einen Oberfläche der zu verbindenden Teile fluchtet und an ihr anliegt. Dabei

γ-, besteht die Gefahr eines Abhebens des Kopfes bei ungünstiger Luftströmung und bei Unebenheiten in der Oberfläche.

Es ist in der Flugzeugindustrie üblich, Flugzeuge aus Bauteilen zu bauen, die durch Nieten miteinander

bo verbunden sind. Die Köpfe der Nieten an den Außenseiten des Flugzeuges sind der Einwirkung einer enormen Luftströmung ausgesetzt und daher so ausgebildet, daß sie mit den Außenseiten im wesentlichen fluchten. Dies führt zu einem wesentlichen

bj geringeren Luftwiderstand.

Die Außenbauteile werden dabei mit Mulden, Aussenkungen oder Vertiefungen versehen, welche die Nietköpfe so aufnehmen, daß sie mit der Außenseite

fluchten. Zu diesem Zweck werden Nieten mit übergroßen Köpfen benutzt, wobei das überschüssige Material dann abgehobelt oder abgeschliffen wird, bis der Nietkopf mit der umgebenden Hache nahezu fluchtet Der vorstehende Rand des abgeschliffenen Nietkopfes stellt für die schnelle Luftströmung eine scharfe Kante dar, deren Luftwiderstand unerwartet groß werden kann, wenn sie durch Nachgeben der Nietverbindung angehoben wird.

Die Schwierigkeiten beim Setzen herkömmlicher Nieten werden im allgemeinen verursacht durch Überlappung des Nietkopfes am Rind, der vom Niethammer gegen die Fläche an der Kante der Aussenkung geschlagen wird, wobei das Nietkopf material nicht in die Aussenkung und in das Loch hineinfließt. Wird der Nietkopf in eine zu flache Ausnehmung eingesetzt so Wird durch das Abschleifen der Markie-,ung auf dein Kopf die Überprüfungsfähigkeit des Fehlers zerstöt, und es wird vom Nietkcpf übermäßig Material entfernt

Derartige Mieten aus verhältnismäßig harten Materialien, die Pfei neuzeitlichen Titan-Konstruktionen benötigt werden, sind fünfmal so teuer wie Aluminiumnieten. Gegenwärtig betragen die Kosten für Aluminiumnieten bei {f'-oßen Flugzeugen ungefähr 20 000 S pro r> Flugzeug.

Die Aufgabt? der Erfindung besteht darin, N: lötverbindungen der irr* Oberbegriff des Anspruches 1 umrissenen Art insoweit tu verbessern, daß bei einer günstigen Volumensteuerung beim radialen Ausdehnen des Nietschaftes vor allem die Schwierigkeiten beim Nieten des konischei¹ Nietkopfes durch Überlappung des Nietkopfes am Rand vermieden sind.

Zur Lösung lieser Aufgabe sind bei der Erfindung die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebe- r> nen GestaiUinßsmerkmale vorgesehen, wobei noch im Unteranspruch 2 für eine die Aufgabenlösung vorteilhafte und förderliche gegenständliche Weiterbildung und in den Unie'"ansprüchen 3 und 4 Verfahrensschritte für ein vürteil'iaftes Herstellungsverfahren für die Erfindung beansprucht sind, welche gegenständlichen Verfahrensmerkmale Überschneidungen mit dem Stand der Technik aufweisen.

Bei der Aufgabenlösung sind zwar Überschneidungen mit dem Stand der Technik gemäß der US-PS 22 37 338 4·-, und gemäß der DE-OS 19 43 811 vorhanden. Jedoch sind die sonstigen technischen Verhältnisse bei dem jeweiligen Stand der Technik ganz anders gelagert als bei der Erfindung.

Die Entwicklung der Erfindung, ausgehend von der >o US-PS 36 80 429 über die noch zu lösende und auf diesen Stand der Technik spezifizierte Aufgabe mit den im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Lösungsmitteln war nicht ohne weiteres und ohne erfinderische Überlegungen möglich, weil für das y> entsprechende Gestaltungsprinzip beim Stand der Technik keine ausreichenden technischen Hinweise bekanntgeworden sind. Durch diese Ausgestaltung einer Nietverbindung wird gesichert, daU während des Einsetzens des Nietes das Kopfmaterial niemals mit der mi angrenzenden Fläche um die Vertiefung herum in Berührung gelangen kann. Das Kopfmaterial fließt daher nach unten und nach außen, füllt die öffnung und die Vertiefung vollständig aus und dehnt den Schaft genügend stark aus, so daß mit Sicherheit auf das die tv> Wandungen der öffnung bildende Material die günstigsten Druckkräfte ausgeübt werden. Auch wird die Ermüdungsfestigkeit der Nietverbindung wesentlich erhöht Der eingesetzte Niet, der mit einer Krone am Kopf versehen ist sucht sich von selbst einzumitten und weicht von der Mitte nicht ab, wie dies zuweilen der Fall ist wenn ein abgeschliffener und fluchtender Niet oder ein nach oben gewölbter Niet ohne ebene Mittelfläche verwendet wird. Insoweit Überschneidungen zwischen der Erfindung und dem Stand der Technik bestehen, haben diese nicht zur Erfindung hingeführt da sie in zu sehr verschiedenen anderen technischen Verhältnissen bekannt wurden.

Die Merkmale der Erfindung und deren technischen Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Zusammenhang mit den Ansprüchen und der Zeichnung.

In der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine Seitenansicht einer Nietverbindung vor dem Befestigen von zwei Platten miteinander, die im Schnitt dargestellt sind,

F i g. 2 eine Schnittansicht durch die in F i g. 1 gezeigte Nietverbindung nach dem Stauchen.

In Fig. 1 ist ein Niet 10 mit einem Kopf 12 von der Höhe G gezeigt wobei ein zylindrischer Schaft 14 mit dem Durchmesser A vorgesehen ist. Nach dem Treiben wirkt der Kopf 12 mit dem Schaft 14 zusammen, um zwei Bauteile 16 und 18 fest miteinander zu verbinden.

Der Kopf 12 weist eine kegelförmige Unterseite 32 auf, die sich vom zylindrischen Schaft 14 aus gleichmäßig nach außen erstreckt. Diese Unterseite 32 setzt sich in einen Umfangsabschnitt 24 fort, der allgemein einem kleineren Teil eines Torus gleicht, dessen Mittelteil ausgefüllt ist, wobei ein flacher Mittelabschnitt 23 mit dem Durchmesser C gebildet wird. Der Umfangsabschnitt 24 der Oberseite 22 krümmt sich über eine Strecke Fnach oben, weist einen Krümmungsradius R auf und erstreckt sich von dem Rand 26 mit dem größten Durchmesser B aus zu dem flachen Mittelabschnitt 23.

Wird der Niet in eine öffnung 28 eingesetzt, deren Aussenkung 20 den größten Durchmesser D und einen Winkel gleich dem Winkel der kegelförmigen Unterseite 32 aufweist, ruht der Rarsd 26 des Kopfes 12 in der Aussenkung 20 unterhalb der freiliegenden Ebene 34 am Bauteil 16 vor und nach dem Stauchen des Nietes 10. Hierdurch wird verhindert, daß der Kopf 12 die Aussenkung überkragt. In einem solchen Fall erfolgt bei herkömmlichen Nieten eine Kraftübertragung von der Kante des Kopfes auf das Bauteil 16, ohne daß der Niet 10 ordnungsgemäß verformt wird. Der Mittelabschnitt 23 des Kopfes 12, an dem das Nietwerkzeug angesetzt wird, ragt über die Ebene 34 um eine Strecke £ hinaus. Nach dem Stauchen des Nietes 10 wird die Höhe des Mittelabschnittes 23 von 0,075 mm bis 0,0 mm herabgesetzt, so daß er mit der Ebene 34 fast flurhtet, und zwar als Folge des Fließens des Nietkopfmaterials in die Aussenkung 20 und in die öffnung 28 in den Bauteilen 16 und 18. Dieser Materialfluß ist in F i g. 2 durch die Pfeile 37 dargestellt, wobei die ursprüngliche Form der gekrümmten Oberseite 22 in unterbrochenen Linien gezeigt ist.

Der Schaft 14 weist ein eDenes Stauchende bzw. Schaftende 38 und einen abgerundeten Teil 39 am Ende 40 auf. Das Schaftende 38 weist den Durchmesser C auf und verläuft parallel zum Mittelabschnitt 23, so daß die Sic.uchkräfte durch gleiche Kontaktbezirke an den entgegengesetzten Enden des Nietes ΙΟ¹ ausgeglichen werden. Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, sind die ebenen Flächen des Mittelabschnittes 23 und des Schaftendes 38 während des Treibens des Nietes allgemein gleich groß.

Der Mittelabschnitt 23 mit der ebenen Oberseite unterstützt das Halten der Nietpistole in der ordnungsgemäßen Stauchstellung, wobei der genannte Kräfteausgleich sichert, daß unter der Einwirkung der Energie der Pistole das Material axial nach innen und radial nach außen fließt, so daß alle Hohlräume an der Verbindungsstelle ausgefüllt werden. Der ebene Mittelabschnitt 23 und das Schaftende 38 sichern gleichmäßig eine Verteilung der Kraft der Nietpistole in dem Niet im Gegensatz zu aufgewölbten Nieten, bei denen der Anfangsschlag der Nietpistole nur über eine kleine

Säule durch die Mitte des Nietes hindurch wirksam ist. Wie aus F i g. 2 zu ersehen ist, wird bei dem Stauchen des Nietes die in der Mitte gelegene Vertiefung 41 nicht zerstört und kann später als Identifizierungsmittel oder als Zentrum dienen, wenn der Niet 10 ausgebohrt werden soll.

Sowohl für Spannungskopf- als auch für Abscherkopfnieten können die günstigsten Abmessungen gewählt werden, wobei die Abmessungen für typische Nieten in den nachfolgenden Tabellen zusammengestellt sind.

Tabelle I

Fluchtende Spannungskopfnieten mit Krone (Maße in Millimeter)

Schaft Durchm.	A Durchm. + 0,05 -0,025	B Durchm. + 0,05	C eben (REF)	D Durchm. C'Aus- senkung	£ vor dem Treiben	F ±0,025	G (REF)	R radius ±0,125
2,38	2,387	3,81	1,117	4,064	0,05	0,3	0,915	3,175
				4,318	0.25
3,2	3,175	4,98	1.625	5,232	0,05	0,3	1,067	4,775
				5,486	0,25
3,97	3,96	6,53	2,59	6,78	0,05	0,3	1,5	6,35
				7,03	0,25
4,76	4,75	8,23	3,86	8,47	0,05	0,3	1,78	7,92
				8.73	0,25
6,35	6,35	11,35	6,58	11,61	0,05	0,3	2,41	8,81
				11,86	0.25

Tabelle II

Fluchtende Abscherkopfnieten mit Krone (Maße in Millimeter

Schaft Durchm.	A Durchm. + 0.05 - 0.025	B Durchm. ±0.05	Γ eben (REF)	D Durchm. C" Aussep- kung	E vor dem Treiben	F ±0.025	G (REF)	R Rad ±0,125
2.38	2,28	2,97	1.09	3,43 3,55	0,05 0,2	0,3	0,53	1,6
3,2	3,175	4,19	1,5	4,7	0,05 0,2	0,3	0,74	3,2
3,97	4,21	5,36	2,13	5,74 5,99	0,05 0,2	0,3	0,94	4,77
4,76	4,75	6,93	3,02	7,19 7,44	0,05 0,2	0,3	1,17	6,4
6,35	6,35	9,3	4,93	9,55 9,8	0,05 0,2	0,3	1,52	7,93

Obwohl die Tabellen I und II interpoliert werden 65 Aluminium und MONEL und für die normalen

können, sind in diesen die Ergebnisse von Ermüdungs- Produktionstoleranzen mit dem günstigsten Wert

und Festigkeitsuntersuchungen zusammengestellt, wäh- gewählt wurden,

rend der die Abmessungen der verschiedenen Nieten für Nieten mit den in den Tabellen angeführten

Abmessungen füllen die Hohlräume vollstiindig aus und bewirken ein Vorspannen der Aussenkung 20 und der Öffnung 28.

Nach dem Set7.cn des Nietes 10 bleibt eine kleine Vertiefung 42 zurück, die konzentrisch zum Kopf 12 liegt. Die Breite und Tiefe der Vertiefung 42 kann ausgcnicssen werden, um zu gewährleisten, daß der Niet 10 innerhalb der Produktionstoleranzen eingesetzt worden ist. Obwohl aerodynamische Untersuchungen ergeben haben, daß die Vertiefung 42 und die 0,0 bis 0.075 mm hohe Krone, die zurückbleibt, einen geringeren aerodynamischen Widerstand erzeugen als Verbindungen mit normalen fluchtenden Nieten, kann indessen der gesetzte Niet abgeschliffen werden unter Benutzung der in der Mitte gelegenen Vertiefung 41 oder der konzentrischen Vertiefung 42, die als Zentrierungsvertiefung dient. Hiernach wird die Vertiefung mit einem geeigneten Material wie Farbe oder Kitt ausgefüllt, so daß eine glatte Außenseite erzeugt wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Nietverbindung zum Verbinden mehrerer Bauteile, mit einem ersten Glied, das eine sich gleichmäßig aufweitende Aussenkung mit einem größten und mit einem kleinsten Durchmesser und eine zylindrische öffnung aufweist, die auf die Aussenkung axial ausgerichtet ist, mit einem zweiten Glied mit einer zylindrischen öffnung, die benachbart zur zylindrischen öffnung des ersten Gliedes und auf diese ausgerichtet ist, mit einem Niet, der in die miteinander fluchtenden öffnungen eingesetzt ist und einen Schaft und einen Kopf aufweist, wobei diese Elemente komplementär zu den öffnungen ausgestaltet sind, in diesen einen Axialdruck ausüben und die öffnungen radial ausdehnen, wobei der Kopf des Nietes vor dem Eintreiben einen erhöhten, flachen, mittleren oberen Abschnitt und einen geneigten Umfangsabschnitt aufweist, welcher den flachen Mittelabschnitt umgibt, dadurch gekennzeichnet, daß der Umfangsabschnitt (24) ähnlich dem kleineren Teil eines Torus ausgebildet ist, daß der Bereich des größten Durchmessers des Nietkopfes (12) unterhalb der Ebene (34) des Bereichs des größten Durchmessers der Aussenkung (20) angeordnet ist und daß der flache Mittelabschnitt (23) im Durchmesser und in der Höhenlage über der Ebene (34) des Bereichs des größten Durchmessers der Aussenkung (20) so dimensioniert ist, daß gewährleistet ist, daß der Schaft (14) die zylindrische öffnung mit kontrollierter Volumensteuerung beim Nietvorgang radial ausdehnt.

2. Nietverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Flächenbereich des flachen Mittelabschnitts (23) im wesentlichen gleich dem Oberflächenbereich des Nietschaftendes (38) ist.

3. Verfahren zum Herstellen einer Nietverbindung nach Anspruch 1, wobei eine sich gleichmäßig aufweitende Aussenkung mit einem größten und einem kleinsten Durchmesser an einem der Bauteile vorgesehen wird, wobei an den Bauteilen axial ausgerichtete zylindrische öffnungen eines vorbestimmten Durchmessers vorgesehen werden, der ähnlich dem kleinsten Durchmesser der Aussenkung ist, wobei diese öffnungen in den Bauteilen fluchten, wobei ein Niet durch diese fluchtenden Öffnungen eingesetzt wird, welcher einen Schaft und einen Kopf aufweist, deren Formen komplementär zu den Öffnungen sind, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet (10) verformt wird, indem gleichzeitig der Mittelabschnitt (23) einer oberen Fläche, die ähnlich dem kleinen Teil eines gefüllten Torus ausgebildet ist, und ein Schaftende (38) ergriffen werden, welches einen Bereich ähnlich dem Bereich des Mittelabschnitts (23) aufweist, daß der ebene Mittelabschnitt sich oberhalb der Ebene des größten Durchmessers der Aussenkung in einem Abstand von wenigstens 0,05 mm erstreckt, so daß das Material des Nietes (10) axial einwärts und radial auswärts fließt, und daß der ebene Mittelabschnitt (23) um nicht mehr als 0,075 mm oberhalb der Ebene maximalen Durchmessers der Aussenkung liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Niet in die ausgerichteten öffnungen eingesetzt wird, so daß die Ebene des Nietkopfumfanges größten Durchmessers unterhalb der Ebene maximalen Durchmessers der Aussenkung liegt.