EP4355525A1 - Nietverbindung - Google Patents

Nietverbindung

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Publication number
EP4355525A1
EP4355525A1 EP22728470.0A EP22728470A EP4355525A1 EP 4355525 A1 EP4355525 A1 EP 4355525A1 EP 22728470 A EP22728470 A EP 22728470A EP 4355525 A1 EP4355525 A1 EP 4355525A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rivet
foot
component
section
rivet foot
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP22728470.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Jan-Oliver Brassel
Jörg Spindler
Jochen Rintelmann
Patrick Siegmann
Alexander Warkentin
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Audi AG
Original Assignee
Audi AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Audi AG filed Critical Audi AG
Publication of EP4355525A1 publication Critical patent/EP4355525A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23P—METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; COMBINED OPERATIONS; UNIVERSAL MACHINE TOOLS
    • B23P19/00—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes
    • B23P19/04—Machines for simply fitting together or separating metal parts or objects, or metal and non-metal parts, whether or not involving some deformation; Tools or devices therefor so far as not provided for in other classes for assembling or disassembling parts
    • B23P19/06—Screw or nut setting or loosening machines
    • B23P19/062—Pierce nut setting machines
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B5/00—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them
    • F16B5/04—Joining sheets or plates, e.g. panels, to one another or to strips or bars parallel to them by means of riveting
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/04—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates
    • F16B37/06—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting
    • F16B37/062—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of riveting
    • F16B37/065—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of riveting by deforming the material of the nut
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B37/00—Nuts or like thread-engaging members
    • F16B37/04—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates
    • F16B37/06—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting
    • F16B37/062—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of riveting
    • F16B37/068—Devices for fastening nuts to surfaces, e.g. sheets, plates by means of welding or riveting by means of riveting by deforming the material of the support, e.g. the sheet or plate
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B21—MECHANICAL METAL-WORKING WITHOUT ESSENTIALLY REMOVING MATERIAL; PUNCHING METAL
    • B21J—FORGING; HAMMERING; PRESSING METAL; RIVETING; FORGE FURNACES
    • B21J15/00—Riveting
    • B21J15/02—Riveting procedures
    • B21J15/025—Setting self-piercing rivets
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16B—DEVICES FOR FASTENING OR SECURING CONSTRUCTIONAL ELEMENTS OR MACHINE PARTS TOGETHER, e.g. NAILS, BOLTS, CIRCLIPS, CLAMPS, CLIPS OR WEDGES; JOINTS OR JOINTING
    • F16B35/00—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws
    • F16B35/04—Screw-bolts; Stay-bolts; Screw-threaded studs; Screws; Set screws with specially-shaped head or shaft in order to fix the bolt on or in an object
    • F16B35/06—Specially-shaped heads

Definitions

  • the invention relates to a rivet connection according to the preamble of claim 1.
  • a rivet foot of a rivet element is driven into a component with a setting force, specifically while maintaining a residual base thickness in the component and with the rivet foot being expanded.
  • the cross-section of the rivet foot is reduced in the undeformed state.
  • the rivet foot has an expanded cross-section.
  • such a rivet connection is produced in a riveting process in which the rivet element has an expanded rivet head and a rivet foot with an open inner curvature at the rivet foot tip.
  • the component without a pre-hole is clamped between a die and a holding-down device of a setting device.
  • the rivet element is driven in with a predefined setting force, as a result of which the rivet foot tip expands radially outwards over an expansion distance.
  • the tip of the rivet foot is surrounded by the component material in a form-fitting manner. This prevents relative movement, for example caused by springback of the rivet foot after spreading, because this would require deformation of the component.
  • a joint connection is known from DE 10 2018 122 200 A1.
  • a punch riveting process is known from WO 95/35174 A1.
  • DE 10 2015 014 941 A1 discloses a method for producing a connection between a functional element and a plate-shaped component.
  • the object of the invention is to provide a rivet connection in which the rivet element is secured in a simple manner against unintentional detachment from the component.
  • the invention is based on a rivet connection in which a rivet foot of a rivet element is driven into at least one component with a setting force, specifically while maintaining a residual base thickness in the component and with the rivet foot being spread open.
  • the cross-section of the rivet foot is reduced in its undeformed state.
  • the rivet foot has a widened cross-section.
  • the characterizing part of claim 1 in contrast to a conventional punch riveting process, there is no form-fitting embracing of the widened rivet foot tip.
  • the following active principle is used to secure the rivet element on the component:
  • the rivet foot forms a bistable spring section that has two states of equilibrium.
  • a first state of equilibrium corresponds to the cross-sectionally reduced, non-deformed rivet foot state.
  • the effect of the setting force causes the rivet foot to switch to the second state of equilibrium, in which the rivet foot is expanded with an expanded cross-section in the component.
  • the envelope in the spread state takes place in Essentially without building up a springback force that biases the rivet element in the direction of the undeformed state.
  • the rivet element is deformed in the setting process using the so-called spring buckling effect (also known as the click 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.
  • the component in the non-deformed state cannot be formed completely without pre-holes, but rather have a pre-hole at the joint to be produced.
  • the rivet foot of the rivet element is braced against the inner circumference of the pilot hole.
  • the rivet element can be rotationally symmetrical with respect to a longitudinal axis of the rivet element.
  • the rivet element can have a widened rivet head, which merges into the rivet foot in the axial direction.
  • a further functional element for example a screw bolt, can also be formed on the upper side of the rivet head.
  • the rivet foot can be divided into a head-side solid rivet foot section and an adjoining inner curvature. This is open to the rivet foot tip and ends at a ring-shaped edge.
  • the inner curvature is delimited by a circumferential rivet foot wall, which transitions from the same material and in one piece to the solid material section of the rivet foot. In this case, the rivet foot wall can form the bistable spring section.
  • the rivet foot wall can be folded over in the opposite direction to the setting direction, ie in the direction of the rivet head.
  • the positioning edge can be in spreading engagement with the inner circumference of the pilot hole for the component.
  • the rivet foot wall surrounds the rivet foot solid material section in a plate shape and without interruption or continuously in the circumferential direction.
  • the component can be a cast part, for example an aluminum pressure die-cast part, while the rivet element can be made of a cold impact material.
  • the component is stressed during the setting process essentially without plastic deformation, that is to say in particular only elastically.
  • the component can particularly preferably remain largely undeformed after the setting process has taken place.
  • the pre-hole in the component has a corresponding activation contour.
  • the activation contour By means of the activation contour, the rivet element can be transferred reliably from the undeformed state to the second expanded state during the setting process.
  • the component pilot hole can have the following geometry:
  • the component pilot hole can be implemented as a blind hole with a closed bottom.
  • the blind hole can have a large-diameter insertion section. At a circumferential ring shoulder, this merges into a small-diameter countersink.
  • the contact edge of the still undeformed rivet element can lie on a diameter that is larger than the inner diameter of the ring shoulder. This allows (in preparation for the setting process) the rivet element to be positioned with its contact edge on the ring shoulder of the component pilot hole.
  • the rivet element When the setting force is applied, the rivet element can expand with its contact edge radially outwards, specifically until a maximum outer diameter is reached.
  • the solid material section of the rivet foot can be driven into the pre-drill countersink by an additional over-centre stroke. This results in over-shaping or over-spreading of the rivet foot, during which the rivet foot changes to the spread state.
  • the rivet element can preferably be made of a cold impact material, in which a deformation limit is exceeded, particularly during overspreading, at which point the rivet element material hardens, 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 shape supports the spreading of the rivet foot. Instead of this, the component can be clamped between a hold-down device and a planar anvil.
  • the setting process according to the invention can be part of a fully automatic process chain, in which a setting tool is attached to the distal end of a robot arm of an industrial robot, which works autonomously using a program control.
  • a setting tool is attached to the distal end of a robot arm of an industrial robot, which works autonomously using a program control.
  • the outside diameter of the rivet foot is dimensioned smaller than the outside diameter of the ring shoulder. In this way, the still undeformed rivet element can be positioned with its contact edge in a floating bearing, i.e. with lateral play, on the annular shoulder, whereby component and/or manufacturing tolerances can be compensated for.
  • the component pilot hole can be created in the component surface during the casting process.
  • the component pilot hole can have a cone-like inner circumference, which serves as a draft angle.
  • 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 ring shoulder of the pre-hole in the component.
  • FIG. 1 shows a rivet connection in a cross section view
  • FIGS. 2 to 4 each show views based on which the process steps for producing the rivet connection are illustrated;
  • FIGS. 5 and 6 each show views of a comparative example not covered by the invention.
  • FIGS. 5 and 6 With a view to a simpler understanding of the invention, reference is first made to FIGS. 5 and 6, on the basis of which a riveted connection known from the prior art is described.
  • the rivet connection shown in FIG. 5 consists of a rivet element 1 and a component 3.
  • the rivet element 1 is designed to be rotationally symmetrical with respect to a longitudinal axis L of the rivet element.
  • the rivet element 1 has a widened rivet head 9 which merges into a rivet foot 11 in the axial direction.
  • the rivet foot 11 is divided into a head-side rivet foot solid material section 13 and an adjoining cylindrical rivet foot wall 17. This ends at a ring-shaped peripheral contact edge 15 and borders an open inner curvature 14 at the rivet foot tip.
  • the setting process is carried out with the aid of a setting device which has a hold-down device 27, a setting piston 29 and a die 30 in FIGS.
  • the die contour is designed in such a way that, during the setting process, the rivet foot 11 is supported to spread outwards radially.
  • the pre-hole-free component 3 is clamped between the die 30 and the hold-down device 27 .
  • the rivet element 1 is driven in by the setting piston 29 with a predefined setting force Fs, as a result of which the rivet foot tip expands radially outwards over an expansion path.
  • the setting force Fs introduced into the rivet element 3 is divided at a crest point above the inner curvature 14 into load paths, which in FIG.
  • the rivet element 1 is driven in by a setting stroke up to a bottom dead center T (FIG. 6).
  • T bottom dead center
  • the end face of the rivet foot tip is in contact with the component material and the spread angle a is increased (compared to FIG. 5). This results in between the rivet head 9 and the expanded rivet foot tip an undercut that is filled with component material.
  • the rivet element 1 is not only plastically but also elastically deformed, specifically with the build-up of a restoring force that prestresses the rivet element 1 in the direction of the non-deformed state.
  • the tip of the rivet foot in FIG. 6 is surrounded by component material in a form-fitting manner. This prevents a relative movement, for example caused by the springback of the rivet foot 11 after spreading, because this would require a deformation of the component 3 . In this way, the rivet element 1 is reliably secured against loosening.
  • the component material In order to achieve such a form-fitting enclosing of the rivet foot tip by means of the component material, the component material must have a sufficiently high flowability or ductility.
  • the rivet connection according to the invention can also be realized with a component 3 whose flowability or ductility is reduced compared to the prior art.
  • the rivet element 3 is not secured by a form-fitting enclosing of the rivet foot tip by means of the component material, but by the securing mechanism described below:
  • the rivet element 1 is drilled into a component pilot hole 5, which extends conically up to a pilot hole depth t and ends there with a pilot hole bottom 7.
  • the essence of the invention is that the rivet foot 11 acts as a bistable spring section. This has two states of equilibrium, namely the non-deformed state with reduced cross-section (FIG. 2) and an expanded spread state (FIG. 1 or 4).
  • the rivet element 1 changes from the undeformed state (FIG. 2) to the expanded state, in which the rivet foot 11 with the expanded cross section is expanded in the component 3.
  • the spread-to stand ( Figure 1 or 4) is characterized in that (in contrast to the prior art) essentially no resilience is built up, the the rivet element 1 biases towards undeformed state. Therefore, according to the invention, a form-fitting enclosing of the rivet foot tip by means of the component material can be dispensed with.
  • the rivet foot 11 is divided into a head-side rivet foot solid material section 13 and an adjoining inner curvature 14 which is open at the rivet foot tip.
  • the inner bulge 14 terminates at a ring-shaped circumferential contact edge 15 of the rivet element 1 from.
  • the inner curvature 14 is delimited by a circumferential rivet foot wall 17 which merges into the solid material section 13 of the rivet foot from the same material and in one piece.
  • a func onsabêt 19 for example a bolt, is on the top of the rivet head 9, formed.
  • the turning over of the rivet foot wall 11, which acts as a bistable spring section, is supported by means of a special activation contour 32 (Figure 2) in the component pilot hole 5, which is designed as follows:
  • the component pilot hole 5 in Figure 2 has an insertion section 21 with a large diameter . This goes in the direction of the pre-hole bottom 7 at a circumferential annular shoulder 23 stu fenartig in a small-diameter pre-hole countersink 25 over.
  • the contact edge 15 runs on a diameter di which is larger than the inner diameter d2 of the ring shoulder 23.
  • the outer diameter of the rivet foot is smaller than the ring shoulder outer diameter d3.
  • the rivet foot 11 widens radially outward with its contact edge 15 until a setting stroke dead center T is reached (FIG. 3).
  • the contact edge 15 of the rivet element 1 is expanded with a maximum diameter dmax and is in expanding engagement with the inner circumference of the diameter-large insertion section 21 of the component pilot hole 5.
  • the front side of the rivet foot tip is in contact with the annular shoulder 23 over a large area
  • the spread angle ⁇ spanned by the spread lines is approximately 180°.
  • the setting stroke is extended beyond the dead center T with an over-dead center flow path s (FIG. 3).
  • the solid material section 13 of the rivet foot is therefore driven into the pre-hole depression 25 by the over-dead point flow path s.
  • the spread angle a spanned by the spreading lines 16 is increased to approximately 200°.
  • the rivet foot wall 17 is therefore turned over in the opposite direction to the setting direction, ie in the direction of the rivet head 9 .
  • the turned-over rivet foot wall 17 extends in the circumferential direction continuously and in the form of a plate around the rivet foot solid material section 13 of the rivet element 1.
  • the inner circumference of the large-diameter insertion section 21 of the component pilot hole 5 is conical, so that the inner circumference acts as an insertion bevel, by means of which the rivet element 1 can be easily inserted into the component pilot hole 5.
  • the rivet element 1 is positioned on the annular shoulder 23 in a floating position ( Figure 2), i.e. positioned with lateral play. whereby component and/or manufacturing tolerances can be compensated for.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Insertion Pins And Rivets (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung, bei der ein Nietfuß (11 ) eines Nietelements (1) mit einer Setzkraft (Fs) in ein Bauteil (3) eingetrieben ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietfußes (11), wobei der Nietfuß (11) im noch unverformten Zustand querschnittsreduziert ist und im eingetriebenen Zustand einen ausgeweiteten Querschnitt aufweist. Erfindungsgemäß ist der Nietfuß (11) als ein bistabiler Federabschnitt ausgebildet, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist, nämlich den unverformten querschnittsreduzierten Zustand und einen ausgeweiteten Spreiz-Zustand. Durch Einwirken der Setzkraft (Fs) schlägt das Nietelement (1) vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand um, in dem der Nietfuß (11) mit ausgeweitetem Querschnitt im Bauteil (3) verspreizt ist, und zwar insbesondere ohne Aufbau einer Rückfederkraft, die das Nietelement (1 ) in Richtung unverformtem Zustand vorspannt.

Description

Nietverbindung
BESCHREIBUNG:
Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung gemäß dem Oberbegriff des An- Spruches 1.
Bei einer solchen Nietverbindung ist ein Nietfuß eines Nietelements mit einer Setzkraft in ein Bauteil eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Bauteil sowie unter Aufspreizung des Nietfußes. Der Nietfuß ist im noch unverformten Zustand querschnittsreduziert. Im eingetrie benen Zustand weist der Nietfuß einen ausgeweiteten Querschnitt auf.
Im Stand der Technik wird eine solche Nietverbindung in einem Nietprozess erzeugt, bei dem das Nietelement einen ausgeweiteten Nietkopf sowie einen Nietfuß mit an der Nietfußspitze offener Innenwölbung aufweist. Bei einem Setzvorgang ist das vorlochfreie Bauteil zwischen einer Matrize und einem Niederhalter eines Setzgerätes geklemmt. Das Nietelement wird mit einer vordefinierten Setzkraft eingetrieben, wodurch sich die Nietfußspitze über ei nen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Dadurch ergibt sich eine Hinter- schneidung zwischen dem Nietkopf und der ausgeweiteten Nietfußspitze, die mit Bauteil-Material gefüllt ist. Die Nietfußspitze ist dabei formschlüssig von Bauteil-Material eingefasst. Dadurch wird eine Relativbewegung, zum Bei spiel hervorgerufen durch Rückfederung des Nietfußes nach dem Spreizen, verhindert, weil dafür eine Verformung des Bauteils erforderlich wäre.
Bei Verwendung von Bauteilmaterial mit geringer Duktilität, zum Beispiel Alu minium-Druckguss, ist ein solches formschlüssiges Umfassen der Nietfuß spitze nur eingeschränkt möglich, sodass es nach dem Setzvorgang zu einer Rückfederung des Nietfußes (nach dem Spreizen) kommt. Von daher ist das Nietelement nicht ausreichend gegen ein Lösen gesichert. Zudem besteht bei Bauteil-Material mit geringer Duktitilität die Gefahr von Kerbbildung, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.
Aus der DE 10 2018 122 200 A1 ist eine Fügeverbindung bekannt. Aus der WO 95/35174 A1 ist ein Stanznietprozess bekannt. Aus der DE 10 2015 014 941 A1 ist ein Verfahren zur Erzeugung einer Verbindung zwischen einem Funktionselement und einem plattenförmigen Bauteil bekannt.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nietverbindung bereitzustel len, bei der das Nietelement in einfacher Weise gegen ein unbeabsichtigtes Lösen vom Bauteil gesichert ist.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Nietverbindung aus, bei der ein Nietfuß eines Nietelements mit einer Setzkraft in zumindest ein Bauteil eingetrieben ist, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Bauteil sowie un ter Aufspreizung des Nietfußes. Der Nietfuß ist im noch unverformten Zu stand querschnittsreduziert. Im eingetriebenen Zustand weist der Nietfuß da gegen einen ausgeweiteten Querschnitt auf.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 wird im Gegensatz zu einem herkömmlichen Stanznietprozess auf ein formschlüssiges Umfassen der ausgeweiteten Nietfußspitze verzichtet. Anstelle dessen kommt erfin dungsgemäß zur Sicherung des Nietelements am Bauteil das folgende Wirk prinzip zum Einsatz: So bildet der Nietfuß einen bistabilen Federabschnitt, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist. Ein erster Gleichgewichtszustand entspricht dem querschnittsreduzierten, unverformten Nietfuß-Zustand.
Durch Einwirken der Setzkraft schlägt der Nietfuß in den zweiten Gleichge wichtszustand um, in dem der Nietfuß mit einem ausgeweiteten Querschnitt im Bauteil verspreizt ist. Das Umschlagen in den Spreiz-Zustand erfolgt im Wesentlichen ohne Aufbau einer Rückfederkraft, die das Nietelement in Richtung unverformtem Zustand vorspannt.
Erfindungsgemäß erfolgt also die Verformung des Nietelements im Setzpro zess unter Nutzung des sogenannten Springbeuleffekts (auch bekannt als Knackfroscheffekt). Unter dem Springbeuleffekt versteht man einen physika lischen Effekt, bei dem die Gestalt des Nietelements zwei stabile Zustände aufweist, die durch eine geeignete Krafteinwirkung ineinander überführt wer den können.
In einer technischen Umsetzung kann das Bauteil im unverformten Zustand nicht komplett vorlochfrei gebildet sein, sondern vielmehr an der herzustel lenden Fügestelle ein Vorloch aufweisen. Im Zusammenbauzustand ist der Nietfuß des Nietelements gegen den Innenumfang des Vorloches verspreizt.
Das Nietelement kann mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse rotations symmetrisch ausgebildet sein. Zudem kann das Nietelement einen ausge weiteten Nietkopf aufweisen, der in Achsrichtung in den Nietfuß übergeht. An der Oberseite des Nietkopfes kann zudem ein weiteres Funktionselement, zum Beispiel ein Schraubbolzen, angeformt sein. Erfindungsgemäß kann der Nietfuß aufgeteilt sein in einen kopfseitigen Nietfuß-Vollmaterialabschnitt und in eine sich daran anschließende Innenwölbung. Diese ist zur Nietfußspitze offen gestaltet und schließt an einer ringförmig umlaufenden Aufsetzkante ab. Die Innenwölbung ist von einer umlaufenden Nietfußwand begrenzt, die materialeinheitlich und einstückig in den Nietfuß-Vollmaterialabschnitt über geht. Die Nietfußwand kann in diesem Fall den bistabilen Federabschnitt bil den. Im Spreiz-Zustand kann die Nietfußwand entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf, umgeschlagen sein. In diesem Fall kann die Aufsetzkante in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des Bauteil-Vorloches sein. Zudem umzieht die Nietfußwand den Nietfuß-Vollmaterialabschnitt tel lerförmig sowie in Umfangsrichtung unterbrechungsfrei bzw. durchgängig. In einer technischen Realisierung kann das Bauteil ein Gussteil, zum Beispiel ein Aluminium-Druckgussteil sein, während das Nietelement aus einem Kalt schlagmaterial gefertigt sein kann. Speziell in diesem Fall ist es bevorzugt, wenn das Bauteil während des Setzvorgangs im Wesentlichen ohne plasti sche Verformung, das heißt insbesondere nur elastisch beansprucht wird. Das Bauteil kann besonders bevorzugt nach erfolgtem Setzprozess weitge hend unverformt bleiben.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Überführung des Nietelements vom unver formten Zustand in den Spreiz-Zustand ist es von Vorteil, wenn das Bauteil- Vorloch eine entsprechende Aktivierungskontur aufweist. Mittels der Aktivie rungskontur kann im Setzvorgang ein Überführen des Nietelement vom un verformten Zustand in den zweiten Spreiz-Zustand prozesssicher gestaltet werden. In einer bevorzugten Ausführungsvariante kann das Bauteil-Vorloch die folgende Geometrie aufweisen: So kann das Bauteil-Vorloch als ein Sackloch mit geschlossenem Boden realisiert sein. Das Sackloch kann einen durchmessergroßen Einführabschnitt aufweisen. Dieser geht an einer umlau fenden Ringschulter in eine durchmesserkleine Senkung über. Die Aufsetz kante des noch unverformten Nietelements kann auf einem Durchmesser lie gen, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser der Ringschulter. Dadurch kann (in Vorbereitung auf den Setzprozess) das Nietelement mit seiner Aufsetzkante auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches positioniert werden.
Bei Einwirken der Setzkraft kann sich das Nietelement mit seiner Aufsetz kante nach radial außen aufweiten, und zwar bis Erreichen eines maximalen Außendurchmessers. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann der Niet- fuß-Vollmaterialabschnitt um einen zusätzlichen Übertotpunkt-Hubweg in die Vorloch-Senkung eingetrieben werden. Dadurch erfolgt eine Überformung beziehungsweise Überspreizung des Nietfußes, bei der der Nietfuß in den Spreiz-Zustand umschlägt. Bevorzugt kann das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung eine Umformgrenze überschrit ten wird, bei der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt, die im Hinblick auf eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Nietele ment und dem Bauteil von Vorteil ist. Von daher kann erfindungsgemäß auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizenform ein Aufspreizen des Nietfußes unterstützt. Anstelle dessen kann das Bauteil zwischen einem Nie derhalter und einem ebenflächigen Amboss zwischengeklemmt sein.
Der erfindungsgemäße Setzprozess kann Bestandteil einer vollautomati schen Prozesskette sein, bei der ein Setzgerät am distalen Ende eines Ro boterarms eines Industrieroboters befestigt ist, der mittels einer Pro grammsteuerung autonom arbeitet. Um einen einwandfreien Setzvorgang zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn der Nietfuß-Außendurchmesser kleiner bemessen ist als der Ringschulter-Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das noch unverformte Nietelement mit seiner Aufsetzkante in schwim mender Lagerung, das heißt mit Querspiel, auf der Ringschulter positioniert werden, wodurch Bauteil und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen wer den können.
Bei Verwendung eines Druckgussteils kann das Bauteil-Vorloch während des Gießverfahrens in der Bauteil-Oberfläche erzeugt werden. In diesem Fall kann das Bauteil-Vorloch einen konusartigen Innenumfang aufweisen, der als Entformungsschräge dient. Der konusartige Innenumfang wirkt während des Setzvorgangs zusätzlich auch als eine Einführschräge, um eine ein wandfreie Positionierung des Nietelements auf der Ringschulter des Bauteil- Vorloches zu gewährleisten.
Nachfolgend ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beigefüg ten Figuren beschrieben.
Es zeigen:
Figur 1 eine Nietverbindung in einer Querschliff-Ansicht; Figuren 2 bis 4 jeweils Ansichten, anhand derer die Prozessschritte zur Er zeugung der Nietverbindung veranschaulicht sind;
Figuren 5 und 6 jeweils Ansichten eines nicht von der Erfindung umfassten Vergleichsbeispiels.
Im Hinblick auf ein einfacheres Verständnis der Erfindung wird zunächst Be zug auf die Figuren 5 und 6 genommen, anhand derer eine aus dem Stand der Technik bekannte Nietverbindung beschrieben ist. Die in der Figur 5 ge zeigte Nietverbindung besteht aus einem Nietelement 1 und einem Bauteil 3. Das Nietelement 1 ist mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse L rotati onssymmetrisch ausgebildet. Zudem weist das Nietelement 1 einen ausge weiteten Nietkopf 9 auf, der in Achsrichtung in einen Nietfuß 11 übergeht.
Der Nietfuß 11 ist aufgeteilt in einen kopfseitigen Nietfuß-Vollmaterialab schnitt 13 und in eine daran anschließende zylindrische Nietfußwand 17. Diese schließt an einer ringförmig umlaufenden Aufsetzkante 15 ab und be grenzt eine an der Nietfußspitze offene Innenwölbung 14.
Der Setzprozess erfolgt mit Hilfe eines Setzgeräts, das in den Figuren 5 oder 6 einen Niederhalter 27, einen Setzkolben 29 und eine Matrize 30 aufweist. Die Matrizenkontur ist derart ausgebildet, dass im Setzvorgang ein Aufsprei zen des Nietfußes 11 nach radial außen unterstützt wird. Bei einem Setzvor gang ist das vorlochfreie Bauteil 3 zwischen die Matrize 30 und dem Nieder halter 27 geklemmt. Das Nietelement 1 wird vom Setzkolben 29 mit einer vordefinierten Setzkraft Fs eingetrieben, wodurch sich die Nietfußspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Die in das Nietelement 3 ein geleitete Setzkraft Fs teilt sich an einer Scheitelstelle oberhalb der Innenwöl bung 14 in Lastpfade auf, die sich in der Figur 5 oder 6 entlang von gedach ten (gestrichelt angedeuteten) Spreizlinien 16 erstrecken. Die Spreizlinien 16 spannen einen Spreizwinkel a auf. Beim Setzvorgang (Figur 6) wird das Nie telement 1 um einen Setzhub bis zu einem unteren Totpunkt T (Figur 6) ein getrieben. Im unteren Totpunkt T befindet sich die Stirnseite der Nietfuß spitze in Kontakt mit dem Bauteil-Material und ist der Spreizwinkel a (im Ver gleich zur Figur 5) vergrößert. Dadurch ergibt sich zwischen dem Nietkopf 9 und der ausgeweiteten Nietfußspitze eine Hinterschneidung, die mit Bauteil- Material gefüllt ist.
Im Setzvorgang wird das Nietelement 1 nicht nur plastisch, sondern auch elastisch verformt, und zwar unter Aufbau einer Rückstellkraft, die das Nie telement 1 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Um eine Rückfede rung in den unverformten Zustand zu verhindern, ist in der Figur 6 die Niet fußspitze formschlüssig von Bauteil-Material eingefasst. Dadurch wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch die Rückfederung des Nietfußes 11 nach dem Spreizen, unterbunden, weil dafür eine Verformung des Bauteils 3 erforderlich wäre. Auf diese Weise ist das Nietelement 1 zu verlässig gegen ein Lösen gesichert. Um ein solches formschlüssiges Einfas sen der Nietfußspitze mittels des Bauteil-Materials zu bewerkstelligen, ist eine ausreichend große Fließfähigkeit bzw. Duktilität des Bauteil-Materials erforderlich.
In Abkehr davon kann die erfindungsgemäße Nietverbindung auch mit einem Bauteil 3 realisiert werden, dessen Fließfähigkeit bzw. Duktilität im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist. Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Si cherung des Nietelements 3 nicht durch ein formschlüssiges Einfassen der Nietfußspitze mittels des Bauteil-Materials, sondern durch den nachfolgend beschriebenen Sicherungsmechanismus:
Gemäß der Figur 1 ist das Nietelement 1 in ein Bauteil-Vorloch 5 eingetrie ben, das sich konusartig bis zu einer Vorlochtiefe t erstreckt und dort mit ei nem Vorloch-Boden 7 abschließt. Der Kern der Erfindung besteht darin, dass der Nietfuß 11 als ein bistabiler Federabschnitt wirkt. Dieser weist zwei Gleichgewichtszustände auf, nämlich den unverformten querschnittsreduzier ten Zustand (Figur 2) und einen ausgeweiteten Spreiz-Zustand (Figur 1 oder 4). Durch Einwirken der Setzkraft Fs schlägt das Nietelement 1 vom unver formten Zustand (Figur 2) in den Spreiz-Zustand um, in dem der Nietfuß 11 mit dem ausgeweiteten Querschnitt im Bauteil 3 verspreizt ist. Der Spreiz-Zu stand (Figur 1 oder 4) zeichnet sich dadurch aus, dass (im Unterschied zum Stand der Technik) im Wesentlichen keine Rückfederkraft aufgebaut ist, die das Nietelement 1 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Von daher kann erfindungsgemäß auf ein formschlüssiges Einfassen der Nietfußspitze mittels des Bauteil-Materials verzichtet werden.
Nachfolgend werden anhand der Figuren 2 bis 4 die Vorloch-Geometrie des Bauteils 3, die Nietelement-Geometrie sowie der erfindungsgemäße Setzvor gang beschrieben: So ist gemäß der Figur 2 das noch unverformte Nietele ment 1 mit Bezug auf seine Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Nietfuß 11 ist in der Figur 1 aufgeteilt in einen kopfseitigen Nietfuß-Voll- materialabschnitt 13 und in eine sich daran anschließende Innenwölbung 14, die an der Nietfußspitze offen ist. Die Innenwölbung 14 schließt an einer ring förmig umlaufenden Aufsetzkante 15 des Nietelements 1 ab. Zudem wird die Innenwölbung 14 von einer umlaufenden Nietfußwand 17 begrenzt, die ma terialeinheitlich sowie einstückig in den Nietfuß-Vollmaterialabschnitt 13 übergeht. In den Figuren ist an der Oberseite des Nietkopfes 9 ein Funkti onsabschnitt 19, zum Beispiel ein Schraubbolzen, angeformt.
Das Umschlagen der als bistabiler Federabschnitt wirkenden Nietfußwand 11 wird mittels einer speziellen Aktivierungskontur 32 (Figur 2) im Bauteil-Vor- loch 5 unterstützt, die wie folgt ausgebildet ist: So weist das Bauteil-Vorloch 5 in der Figur 2 einen durchmessergroßen Einführabschnitt 21 auf. Dieser geht in Richtung Vorloch-Boden 7 an einer umlaufenden Ringschulter 23 stu fenartig in eine durchmesserkleine Vorloch-Senkung 25 über. Bei noch un verformtem Nietelement 1 verläuft die Aufsetzkante 15 auf einem Durchmes ser di, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser d2 der Ringschul ter 23. Zudem ist der Nietfuß-Außendurchmesser kleiner bemessen als der Ringschulter-Außendurchmesser d3.
Der Setzvorgang wird mit einem Setzgerät durchgeführt, das in der Figur 3 den Niederhalter 27 aufweist, in dem ein Setzkolben 29 hubverstellbar ge führt ist. Das Bauteil 3 ist zwischen dem Niederhalter 27 und einer ebenflä chigen Gegenkontur 31 zwischengeklemmt. Die Gegenkontur 31 weist im Gegensatz zu der aus dem Stand der Technik bekannten Matrize 30 (Figu- ren 5 und 6) keine spezielle Kontur zur Unterstützung eine Aufspreizbewe gung des Nietfußes 11 auf, sondern ist diese vielmehr ebenflächig ausgebil det. Auch kommt es zu keiner Verformung des Bauteils 3, wie es in dem in den Figuren 5 und 6 gezeigten Stand der Technik der Fall ist. In der Figur 3 ist das Nietelement 1 mit seiner Aufsetzkante 15 auf der Ringschulter 23 im Bauteil-Vorloch 5 abgestützt. Bei Einwirken der Setzkraft Fs weitet sich der Nietfuß 11 mit seiner Aufsetzkante 15 nach radial außen auf, und zwar bis Erreichen eines Setzhub-Totpunktes T (Figur 3). Im Setzhub-Totpunkt T ist die Aufsetzkante 15 des Nietelements 1 mit einem maximalen Durchmesser dmax ausgeweitet und in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des durchmes sergroßen Einführabschnitts 21 des Bauteil-Vorloches 5. Zudem befindet sich die Stirnseite der Nietfußspitze großflächig in Kontakt mit der Ringschul ter 23. Ferner liegt im Setzhub-Totpunkt T (Figur 3) der von den Spreizlinien aufgespannte Spreizwinkel a bei etwa 180°.
Der Setzhub ist erfindungsgemäß über den Totpunkt T hinaus mit einer Übertotpunkt-Flubweg s (Figur 3) verlängert. Im weiteren Verlauf des Setz prozesses wird daher der Nietfuß-Vollmaterialabschnitt 13 um den Übertot punkt-Flubweg s in die Vorloch-Senkung 25 eingetrieben. Auf dieser Weise ergibt sich eine Überformung beziehungsweise Überspreizung der Nietfuß wand 17, bei der die Nietfußwand 17 in den Spreiz-Zustand umschlägt. Im Spreiz-Zustand ist der von den Spreizlinien 16 aufgespannte Spreizwinkel a (im Vergleich zum Setzhub-Totpunkt T gemäß der Figur 3) bis auf etwa 200° vergrößert. Die Nietfußwand 17 ist daher entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf 9, umgeschlagen. Die umgeschlagene Nietfuß wand 17 erstreckt sich in der Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerför mig um den Nietfuß-Vollmaterialabschnitt 13 des Nietelements 1.
Wie aus der Figur 2 weiter hervorgeht, ist der Innenumfang des durchmes sergroßen Einführabschnittes 21 des Bauteil-Vorloches 5 konusartig ausge bildet, sodass der Innenumfang als Einführschräge wirkt, mittels der ein leichtgängiges Einsetzen des Nietelements 1 in das Bauteil-Vorloch 5 ermög licht ist. Zudem ist das Nietelement 1 auf der Ringschulter 23 in schwimmen der Lagerung positioniert (Figur 2), das heißt mit Querspiel positioniert, wodurch Bauteil- und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden kön nen.
BEZUGSZEICHENLISTE:
1 Nietelement
3 Bauteil 5 Vorloch
7 Vorloch-Boden 9 Nietkopf 11 Nietfuß 13 Nietfuß-Vollmaterialabschnitt 14 Innenwölbung
15 Aufsetzkante
16 Spreizlinien 17 Nietfußwand 19 Funktionsabschnitt 21 durchmessergroßer Einführabschnitt
23 Ringschulter 25 Vorloch-Senkung 27 Niederhalter 29 Setzkolben 30 Matrize
31 ebenflächige Gegenkontur
32 Aktivierungskontur im Bauteil-Vorloch t Vorlochtiefe di Aufsetzkanten-Durchmesser d2 Ringschulter-Innendurchmesser d3 Ringschulter-Außendurchmesser Fs Setzkraft dmax maximaler Durchmesser
T Totpunkt s Übertotpunkt-Hubweg I Nietelement-Längsachse a Spreizwinkel

Claims

PATENTANSPRÜCHE:
1. Nietverbindung, bei der ein Nietfuß (11 ) eines Nietelements (1 ) mit ei ner Setzkraft (Fs) in ein Bauteil (3) eingetrieben ist, und zwar unter Auf spreizung des Nietfußes (11 ), wobei der Nietfuß (11 ) im noch unver formten Zustand querschnittsreduziert ist und im eingetriebenen Zu stand einen ausgeweiteten Querschnitt aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietfuß (11 ) als ein bistabiler Federabschnitt ausge bildet ist, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist, nämlich den un verformten querschnittsreduzierten Zustand und einen ausgeweiteten Spreiz-Zustand, und dass durch Einwirken der Setzkraft (Fs) das Nie telement (1 ) vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand um schlägt, in dem der Nietfuß (11 ) mit ausgeweitetem Querschnitt im Bau teil (3) verspreizt ist, und zwar insbesondere ohne Aufbau einer Rückfe derkraft, die das Nietelement (1 ) in Richtung unverformtem Zustand vorspannt.
2. Nietverbindung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) im unverformten Zustand an der herzustellenden Fügestelle ein Vorloch (5) aufweist, und dass in der Nietverbindung der Nietfuß
(11 ) des Nietelements (1 ) gegen den Innenumfang des Vorloches (5) verspreizt ist.
3. Nietverbindung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Nietelement (1 ) mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse (L) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, und/oder dass das Nietele ment (1 ) einen ausgeweiteten Nietkopf (9) aufweist, der in Achsrichtung in den Nietfuß (11) übergeht, und/oder dass der Nietfuß (11) aufgeteilt ist in einen kopfseitigen Nietfuß-Vollmaterialabschnitt (13) und in eine daran anschließende zylindrische Nietfußwand (17), die an einer ring förmig umlaufenden Aufsetzkante (15) abschließt und eine an der Niet fußspitze offene Innenwölbung (14) begrenzt, und/oder dass die Niet fußwand (17) den bistabilen Federabschnitt bildet.
Nietverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass im Spreiz-Zustand des Nietelements (1 ) die Nietfußwand (17) entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf (9), umgeschlagen ist, und/oder dass die Nietfußwand (17) tellerförmig den Nietfuß-Vollmateri alabschnitt (13) umzieht, und/oder dass insbesondere die Aufsetzkante (15) in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des Bauteil-Vorloches (5) ist.
Nietverbindung nach einem der Ansprüche 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil-Vorloch (5) eine Aktivierungskontur (32) aufweist, die im Setzvorgang ein Überführen des Nietelements (1 ) vom unverformten Zustand in den Spreiz-Zustand unterstützt.
Nietverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil-Vorloch (5) ein Sackloch mit geschlosse nem Boden
(7) ist, und/oder dass insbesondere zur Ausbildung der Ak tivierungskontur (32) das Sackloch (5) einen durchmessergroßen Ein führabschnitt (21 ) aufweist, der an einer umlaufenden Ringschulter (23) stufenartig in eine durchmesserkleine Senkung (25) übergeht, und dass insbesondere die Aufsetzkante (15) des noch unverformten Nietele ments (1) auf einem Durchmesser (di) liegt, der größer als der Innen durchmesser (d2) der Ringschulter (23) ist, so dass in Vorbereitung auf den Setzprozess das Nietelement (1 ) mit seiner Aufsetzkante (15) auf der Ringschulter (23) des Bauteil-Vorloches (5) positionierbar ist.
Nietverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Setzhub das Nietelement (1 ) bis zu einem Totpunkt (T) in das Bauteil-Vorloch (5) eintreibbar ist, und dass im Totpunkt (T) das Nietele ment (1) mit seiner Aufsetzkante (15) bis Erreichen eines maximalen Durchmessers (dmax) nach radial außen aufgeweitet ist und/oder die Nietfußspitze mit ihrer Stirnseite in flächigem Kontakt mit der Vorloch- Ringschulter (23) ist, und dass der Setzhub mit einem Übertotpunkt- Hubweg (s) verlängert ist, mit dem der Nietfuß-Vollmaterialabschnitt (13) in die Vorloch-Senkung (25) eintreibbar ist, so dass eine Überfor mung bzw. Überspreizung der Nietfußwand (17) erfolgt, bei der die Nietfußwand (17) in den Spreiz-Zustand umschlägt.
8. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich im Setzvorgang das Nietelement (1) plas tisch verformt, während das Bauteil (3), weitgehend ohne plastische Verformung, im Wesentlichen elastisch beansprucht wird und/oder ins besondere weitgehend unverformt bleibt.
9. Nietverbindung nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenumfang des Bauteil-Vorlochs (5), insbeson dere der durchmessergroße Einführabschnitt (21) des Bauteil-Vorlochs (5), eine konusartige Einführschräge bildet.
10. Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (3) ein Gußteil, insbesondere ein Aluminium-Druckgußteil, mit geringer Duktilität ist, und/oder dass das Nietelement (1) aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt ist, bei dem ins besondere bei der Überspreizung eine Umformgrenze überschritten wird, ab der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt.
11. Nietverbindung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietfuß-Außendurchmesser kleiner bemessen ist als der Ringschulter-Außendurchmesser (dß), so dass das noch unver formte Nietelement (1) mit seiner Aufsetzkante (15) in schwimmender Lagerung auf der Ringschulter (23) positionierbar ist.
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