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 d ₂ Ringschulter-Innendurchmesser d3 Ringschulter-Außendurchmesser Fs Setzkraft dmax maximaler Durchmesser

T Totpunkt s Übertotpunkt-Hubweg I Nietelement-Längsachse a Spreizwinkel