DE2411272A1 - Stiftniete - Google Patents

Description

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Stiftniete

Es wird eine Niete geschaffen, die aus einem kreisförmigen Zylinderstift und einem Kragen besteht, der gleitbar an einem Ende desselben angeordnet ist. Das andere Ende des Zylinders besitzt einen halbkugelförmigen Hohlraum, der an dessen längsseitiger Achse gebohrt ist, und der Hohlraum ist mit einem hydraulischen Medium, gefüllt. Sobald der Stift vermittels einer herkömmlichen Nietvorrichtung gestaucht wird, dehnt sich das Hohlraumende des Stiftes in eine in das Werkstück eingebohrte Versenkung aus. Das Kragenende dehnt sich in eine Hinterdrehung in dem Kragen aus.

Es gibt, im Sinne des Wortes, tausende vorbekannte Befestigungsvorrichtungen, einschließlich vieler Arten für das Befestigen von Aluminiumteilen von Hochleistungs-Flugzeugen. Es sind spezielle Befestigungs-Vorrichtungen hoher mechanischer Festigkeit entwickelt worden. Diese Spezial-Befestigungsvorrichtungen sind ebenfalls so ausgelegt, daß dieselben günstig die Ermüdungserscheinung der damit verbundenen Bauelemente beeinflussen, und zwar auf Grund der bekannten Erscheinung der "Lochverstärkung" (hole-propping). Diese Erscheinung läßt sich erzielen durch einen Festsitz der Bolzen in Löchern mit "Untergrößen" oder durch die Ausdehnung der nietartigen Befestigungselemente in Löchern mit Bewegungsmöglichkeit bzw. Bewegungssitz für die Niete.

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Die allgemeine Auffassung geht .dahin, daß eine geeignete nietartige Befestigungs-Vorrichtung eine gute Möglichkeit zur Verringerung der Kosten bezüglich der Herstellung und dem Einbau der Befestigungs-Vorrichtung gibt, sowie hierdurch ebenfalls bessere Werte bezüglich der Ermüdungserscheinung der Bauelemente erzielt werden. Da jedoch die speziellen Nieten eine hohe statische Scherfestigkeit vermittels Anwenden von Titan oder anderen Legierungen hoher mechanischer Festigkeit, die wesentlich härter und fester als Aluminium sind, aufweisen muß, ist eine erhebliche Sorgfalt bezüglich der Auslegung und Anwendung derartiger Nieten erforderlich. Ansonsten würde das Stauchen derartiger Nieten zu einer nicht annehmbaren Deformation und Verzerrung in deat aus Aluminium bestehenden Werkstück führen und fördert häufig bei vielen der im Zusammenhang mit dem Flugzeugbau angewandten Aluminiumlegierungen die Belastungskorrosion.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist* in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur la eine Querschnittsansicht der erfindungsgemäßen Niete vor dem Stauchen;

Figur 2 die Niete nach, dem Stauchen;

Figuren 2a, 2b und 2c eine Niete nach dem Stand der Technik in den verschiedenen Verformungsstadien;

Figuren 3a, 3b und 3c eine weitere Niete nach dem Stand der Technik.

Der Erfindungsgegenstand betrifft eine Hochleistungs-Niete, die eine neuartige Anordnung dergestalt aufweist, daß ein Teil der axialen Stauchkräfte in etwa geplanter Weise in radiale Kräfte umgewandelt wird, wodurch die übermäßigen Druckbelastungen in verringerter Weise oder gar nicht in die miteinander zu verbindenden Wertstücke eingeführt werden.

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Die schnelle radiale Ausdehnung des sich bildenden, fluchtenden Kopfes führt zu einer größeren Lagerfläche auf dem Werkstück, wodurch sich ein Widerstand bezüglich der immer stärker zunehmenden, axialen Stauchungskräfte ergibt. Die Niete besteht aus einem zylinderförmigen Stift, dessen eines Ende einen axial gleitbaren Kragen trägt. Das andere Ende weist einen halbkugelförmigen, axialen Hohlraum auf, der mit einem fließfähigen Medium gefüllt ist. Der Kragen wird auf dem Stift durch Reibungskräfte oder vermittels eines Reibungsmittels gehalten. Das Außenbord-Ende des Kragens ist mit einer radialen Hinterdrehung oder Versenkung versehen. Der Stift springt durch die zu befestigenden Werkstücke hindurch. Die Oberfläche der Werkstücke benachbart zu dem Hohlraumende des Stiftes weist eine Versenkung auf. Das fließfähige Medium kann eine beliebige Flüssigkeit sein, die in der Lage ist, eine hydraulische Wirkung apfzubilden und für das in Anwendung kommende spezifische Stiftmaterial geeignet ist.

Sobald die Niete gestaucht werden soll, werden axiale Kräfte in herkömmlicher Weise auf den Stift beaufschlagt. Es werden jedoch Teile dieser axialen Kräfte radial durch das hydraulische Medium übertragen, wodurch sich eine radiale Ausdehnung des Hohlraumendes des Stiftes in die Versenkung des Werkstückes ergibt, und es kann die radiale Ausdehnung des Kragenendes des Stiftes in die radiale Hinterdrehung des Kragens erfolgen.

Es gibt verschiedenen Hochleistungs-Nieten, die als Befestigungselemente ein begrenztes Anwendungsgebiet bei modernen Flugzeugen finden. Weiterhin finden üblicherweise eine Anzahl bolzenartiger Befestigungselemente anwendung. Beide Arten werden oftmals aus Titan-Legierungen hergestellt aufgrund deren hohen Verhältnisses der Festigkeit gegenüber dem Gewicht.

Die bekannten mit Festsitz arbeitenden, bolzenartigen Befestigungselemente, die üblicherweise Anwendung finden, haben sich als nicht vollständig zufriedenstellend erwiesen

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im Hinblick auf deren hohe Kosten und aufgrund deren nicht optimaler Ermüdungserscheinungen, die den Bauelementen hierdurch vermittelt wird aufgrund von unzureichender Lochverstärkung. Mit Festsitz arbeitende Befestigungselemente erfordern wesentlich stärker als dies bei Nieten der Fall ist eine Präzisionsvorbereitung des Loches, und dies ist insbesondere kostspielig.

Die bekannten nietenartigen Befestigungselemente dehnen sich bei dem Einbau in Aluminiumteile bei dem Stauchen nicht einheitlich aus. In einigen Fällen besteht der Nachteil in einer übermäßigen Ausdehnung, wodurch sich eine Deformation des Werkstückes ergibt, und in anderen Fällen ist die Ausdehnung nicht ausreichend um ausreichende Lochverstärkung in bestimmten Flächen der Greiflänge zu erreichen. Das Problem bezüglich der Entwicklung einer zufriedenstellenden Titan-Niete für Aluminiumbauteile ergibt sich aufgrund der Tatsache,daß das Nietenmaterial wesentlich härter als das damit verbundene Aluminiumteil ist. Das Stauchen einer derartigen Niete in dem weicheren Aluminiumteil führt zu einem Verlust bezüglich der Regelung der Nietenausdehnung. Mit anderen Worten, es ergibt sich eine nicht-einheitliche, übermäßige Ausdehnung des Schaftes wodurch sich örtlich eine übermäßige Strukturdeformation und ein allgemeines VErzerren der Bauanordnung ergibt. Eine derartige Metalldeformation induziert oftmals in dem Material eine Belastungskorrosion.

In den Figuren 2a bis 2c ist eine herkömmliche Niete gezeigt. Die Niete besteht aus einem zylinderförmigen Metallstück aus Titan-Legierung, das mit Bewegungssitz durch Löcher geführt ist, die in die Aluminium-Werkstükke 11 und 12 gebohrt sind. Eines der Werkstücke ist mit einer Versenkung versehen. Das Stauchen des MetalIstücks 10 führt zu einem Ausdehnen der Teile desselben unter Füllen der Versenkung und Ausbilden der Köpfe 14 und 15. Das vorspringende Teil des Kopfes 14 wird anschließend entfernt unter Ausbilden

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einer fluchtenden Oberfläche für aerodynamische ausgelegte Bauelemente oder entsprechender Ausführung für einen sich anschließenden Zusammenbau. Der vorspringende Kopf 14 kann in einigen Fällen in den ursprünglichen Zustand bestehen bleiben, (wenn es sich nicht um eine aerodynamische Anwendung handelt.).

Die in den Figuren 2a bis 2c gezeigte Niete ist im Einzelnen in einer Veröffentlichung von Speller & Randolph veröffentlicht in der Ausgabe Februar 1972 in Aircraft Engineering beschrieben. Diese Veröffentlichung gibt viele der Probleme an, die sich aufgrund der Ausdehnung des MetallStücks in das Aluminium-Werkstück ergeben. Wenn auch das Verfahren dazu führt, daß Spannungen in die Werkstücke eingeführt werden, behauptet doch diese Veröffentlichung, daß die Spannungskräfte symmetrisch vorliegen und die Verzerrungskräfte ausgeglichen sind. Die vorliegende Erfindung stellt nun eine Verbesserung gegenüber dieser Nietenart dar, da dieselbe dazu dient derartige Verzerrungskräfte zu verringern.

Die in den Figuren 3a bis 3c gezeigte Niete nach dem Stand der Technik unterscheidet sich von der Niete nach den Figuren 2a bis 2c dahingehend, daß ein Unterliegring 17 frei an einem Ende angeordnet ist. Das Anwenden des Unterliegrings unterstützt die Verteilung der Druckkräfte, um so einige der sich ergebenden Verzerrungen zu verringern, jedoch führt das Nicht-Vorhandensein einer einheitlich erzeugten Nietenausdehnung über die axiale Länger zu einem nicht-einheitlichen und unzureichenden Festsitz zwecks Erzielen hoher Ermüdungsfestigkeit des Bauelementes. Weiterhin erfordert eine derartige Niets die Handhabung von zwei Teilen, und dieselbe ist kostspielig in dar Herstellung ' da es erforderlich ist in präziser Weise den Kopf auszubilden.

Das erfindun.gsgemäße Nietensystem ist in den Figuren la und Ib gezeigt. Dasselbe besteht aus einem kreisförmigen Zylinderstift 20 mit einem Kragen 21. Der Kragen 21 wird an dem

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hinteren Ende des Stiftes- 20 gehalten. Das vordere Ende des Stiftes 20 ist mit einem halbkugeligen Hohlraum 22 versehen, der ein hydraulisches Medium 23-enthält. Während das Wurzelteil des Kragens im Eingriff an dem Stift gehalten wird, ist das Außenbord-Ende des Kragens 21 mit einer radialen Hinterdrehung oder Versenkung 24 versehen. Die Lage des Kragens kann während der Handhabung vermittels eines Festsitzes oder durch ein Reibungsmittel aufrechterhalten werden.

Der Stift 20 wird mit seinem durch Reibungskräfte festgehaltenen Kragen 21 durch Löcher in den Werkstücken 25 und 26 eingeführt, bezüglich derer zunächst ein Festsitz oder Bewegungssitz vorliegt. Das Werkstück 25 ist mit einer Versenkung 27 an dessen Oberfläche benachbart zu dem Hohlraumende des Stiftes 20 versehen.

Das hydraulische Medium kann jedes Material sein, das nicht in der Lage ist große innere Scherkräfte im Vergleich zu den anderen Metallteilen aufzunehmen. Es wurde gefunden, daß das Produkt Lubriplate 930-AA, hergestellt von der Firma Fiske Brothers Refining Co., ein geeignetes hydraulisches Material für diesen Anwendungszweck darstellt. Vorzugsweise ist Lubriplate 930-AA in Mikro-Kügelchen eingekapselt, so daß dasselbe zwecks leichter Handhabung in sich abgeschlossen im Inneren des Hohlraums vorliegt. Ein Vermittels Chromat inhibiertes Polysulfid-Dichtungsmittel stellt ein anderes hydraulisches Medium dar, das Anwendung finden kann. Ein Material dieser Art ist vorteilhaft dahingehend, daß dasselbe ebenfalls eine Abdichtung gegenüber der Umwelt darstellt. Dieses Material kann ebenfalls in Mikro-Kügelchen eingekapselt sein. Die Mikro-Kügelchen werden hergestellt gemäß den Vorschriften US Air Force Specification MIL-C-83130 and MIL-S-8802. Weiterhin ist ein Zink-Chromat-Grundierungsmittel als hydraulisches Medium geeignet.

Das hydraulische Medium fördert die radiale Ausdehnung der Stiftspitze und verringert die axiale Stauchungskräfte,

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so daß die Ausdehnung des Stiftes besser eingeregelt wird. Bei richtiger Einstellung des Vorsprungs der Stiftspitze aus den Werkstücken führt das Stauchen zu einer Ausdehnung der Spitze in die Versenkung, so daß der Nietenkopf fluchtend ohne Spanbildung vorliegt.

Die Geometrie des Hohlraums führt, abgesehen von der Aufnahme des hydraulischen Mediums und dem ermöglichen eines Aufschiagens der radialen hydraulischen Kräfte, zu der Ausbildung der abschließend vorliegenden Konfiguration, die einen fluchtenden Kopf ergibt, und zwar selbst ohne Anwenden des hydraulischen Mediums. Zusätzlich zu einem Fördern der radialen Verteilung der Stauchungskraft dient das hydraulische Medium als ein Schmiermittel, und dies fördert ebenfalls die radiale Ausdehnung durch Verringern der Amboßreibung während des Stauchens.

Die Wirkungen des hydraulischen Mediums werden dadurch aufrechterhalten, daß ein nahezu flacher Stauchungs-Amboß oder Schlagwerkzeug angewandt wird, so daß das Medium in dem Hohlraum eingeschlossen ist.

Der äußere Durchmesser der Stiftspitze kann geringfügig verjüngt zulaufen, um so einen leichten Eintritt in die Löcher in den zu verbindenden Bauteilen zu ermöglichen. Der Wurzeldurchmesser des Kragens ist dergestalt, daß eine enge Anpassung an dem Stiftdurchmesser vorliegt.

Die erfindungsgemäße Niete nach den Figuren la und Ib weist wenigstens die folgenden Vorteile gegenüber Niaten oder bolzenartigen Befestigungselementen nach dem Stand der Technik auf:

1. Die Niete ermöglicht die Handhabung eines Werkstückes, da der Kragen in Eingriff mit dem Stift steht und weil das fließfähige Medium aus einem Material besteht, das unabhängig eingeschlossen im Inneren des Hohlraums vorliegen kann.

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2. Bei richtiger Anordn ung in einem Aluminiumteil führt die Titan-Niete nicht zu einer übermäßgigen Deformation des Bauteils.

3. Eine fluchtende" Ausbildung des Kopfes wird automatisch während des Stauchens durch richtige Einstellung :3es Betrages erzielt, mit dem der Stift zunächst aus den Werkstücken vorspringt.

4. Aufgrund des neuartigen Verfahrens der Kräfte-Umverteilung und der Kragenverriegelung kann die Niete bei Verfahren angewandt werden, die sich starker Impulse und Schlag-Stauch-Kräfte bedienen, die normalerweise unvereinbar sine mit Nietenmaterialien, wie Titan, die zur Ausbildung von Spannungen in den zu verbindenden Teilen führen.

5. Die Herstellungskosten der Niete sind geringer als

für derzeitige Befestigungselemente, die bei vergleichbaren Hochleistungs-Anwendungsgebieten Verwendung finden. Alle Bestandteile werden ausgehend von herkömmlicher Fabrikware auf automatischen Maschinen hergestellt, ohne daß es erforderlich ist einen Kopf auszubilden, eine Wärmebehandlung auszuführen, oder verschiedene weitere Verfahrensschritte zur Durchführung zu bringen, wie sie derzeit überlichweise in Anwendung kommen.

6. Es wird ein nomineller, einheitlicher Festsitz über die gerade Grifflange vermittelt, d.h. die gesamte Dicke der Werkstücke 25 und 26, und dieser Festsitz wird ebenfalls vermittelt in dem Versenkungsloch.

7. Die Einregelung der Ausdehnung-und-Stauchung der Niete, wie es durch (a) die neuartige Spitze und (b) die Kragenkonfiguration bedingt wird, ermöglicht das Anwenden hochfester Stahl- und Nickellegierungen für die Anwendung des Nietenmaterials in Aluminium-Bauteilen.

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Claims (6)

1. Patentansprüche

   (ly Niete mit einem zylinderförraigen Stift, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hohlraum (22) in der Spitze des Stiftes (20) längs der längsseitigen Achse desselben ausgebildet ist, sowie ein fließfähiges Medium (23) im Hohlraum (22) vorliegt.
2. 2. Niete nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem anderen Ende des Stiftes (20) ein Kragen (21) vorliegt.
3. 3. Niete nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, daß der Kragen (21) vermittels Reibungskräften an dem. Stift (20) gehalten wird.
4. 4. niete nach Anspruch 3, dadaurch gekennzeichnet, daß das Außenbord-Ende des Kragens (21) eine radiale Hinterdrehung (24) aufweist.
5. 5. Niete nach Anspruch 1,dadurch gekennz eichnet, daß das fließfähige Medium ein Dichtungsmittel ist.
6. 6. Niete nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konfiguration so gewählt ist, daß die Spitze des Stiftes (20) bei dem ?iietvorgang fluchtend in eine Versenkung (27) mit der Oberfläche des Werkstücks(25) überführt wird und das untere Ende des Stiftes (20) deformiert wird unter Ausfüllen der Hinterdrehung (24)des Kragens (21).

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   L e e r s e i t e