DE102022126974A1

DE102022126974A1 - Nietverbindung

Info

Publication number: DE102022126974A1
Application number: DE102022126974.4A
Authority: DE
Inventors: Jan-Oliver Brassel; Jochen Rintelmann
Original assignee: Audi Planung GmbH
Current assignee: Audi Planung GmbH
Priority date: 2022-10-14
Filing date: 2022-10-14
Publication date: 2024-04-25

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung mit zumindest zwei Fügepartnern (1, 2, 3), die im Setzprozess miteinander verbindbar sind, bei dem ein Nietelement (7) mit seinem Nietschaft (13) in Setzrichtung durch den zumindest einen setzseitigen Fügepartner (2, 3) bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) eintreibbar ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts (13), so dass die Fügepartner (1, 2, 3), in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf (9) und einer Schaftspitze des Nietelements (7) geklemmt sind. Erfindungsgemäß ist der setzseitige Fügepartner (2, 3) in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf (9) des Nietelements (7) und dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) geklemmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 oder gemäß dem Oberbergriff des Anspruches 19 sowie ein Nietelement nach Anspruch 20.
Ausgangspunkt der Erfindung ist ein gattungsgemäßer Setzprozess, in dem zumindest zwei Fügepartner miteinander verbindbar sind. In dem Setzprozess ist ein Nietelement unter Aufspreizung seines Nietschafts in Setzrichtung durch den zumindest einen setzseitigen Fügepartner bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner eintreibbar. Nach erfolgtem Setzprozess sind die Fügepartner, in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf und einer Schaftspitze des Nietelements geklemmt sind. Im Setzprozess wird das Nietelement mit einer im Stand der Technik üblichen hohen Setzkraft (von z.B. 50 kN) eingetrieben, wodurch sich die Nietfußspitze über einen Spreizweg nach radial außen ausweitet. Dadurch ergibt sich eine Hinterschneidung zwischen dem Nietkopf und der ausgeweiteten Nietfußspitze, die mit Bauteil-Material gefüllt ist. Die Nietfußspitze ist dabei formschlüssig von Bauteil-Material eingefasst. Auf diese Weise wird eine Relativbewegung, zum Beispiel hervorgerufen durch Rückfederung des Nietfußes nach dem Spreizen, verhindert, weil dafür eine Verformung des Bauteils erforderlich wäre.
Speziell bei einer Fügepartner-Kombination aus einem Kunststoffbauteil, einem Aluminiumbauteil oder einem Stahlbauteil als setzseitigen Fügepartner und einem Metalldruckgussteil als von der Setzseite abgewandten Fügepartner ergibt sich die folgende Problematik:

Zum einen weist Metalldruckguss im Vergleich zu einem Metallblech eine sehr geringe Duktilität auf. Bei Verwendung eines Metalldruckgussteil als von der Setzseite abgewandten Fügepartner ist daher das oben beschriebene formschlüssige Umfassen der Nietfußspitze - aufgrund der geringen Duktilität - nur eingeschränkt möglich, so dass es nach dem Setzvorgang zu einer Rückfederung des Nietfußes (nach dem Spreizen) kommen kann. Von daher ist das Nietelement nicht ausreichend gegen ein Lösen gesichert. Zudem besteht bei Metalldruckguss aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.

Zum anderen weist das Metalldruckgussbauteil im Vergleich zum Kunststoffbauteil eine sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung auf, und kann zu anderen Aluminiumbauteilen oder Stahlbauteilen eine unterschiedliche Wärmeausdehnung aufweisen. Eine Fügepartner-Kombination aus Metalldruckgussteil und Kunststoffbauteil ist daher im Vergleich zu einer Fügepartner-Kombination aus Metallblechteilen anfällig gegen quer zur Setzrichtung ausgerichtete Bauteilspannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Fügepartner hervorgerufen werden. Aufgrund der im Stand der Technik üblichen hohen Setzkraft (von z.B. 50 kN) wird eine derart hohe Verbindungsfestigkeit erzielt, die keine Relativbewegung innerhalb der Nietverbindung zulässt, um einen Spannungsausgleich zu ermöglichen.
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 bereitzustellen, die im Vergleich zum Stand der Technik konstruktiv einfach betriebssicher gestaltet ist, und bei der insbesondere Bauteilspannungen, hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen, und/oder die Gefahr von Kerbbildung reduziert sind.
Die Aufgabe ist durch die Merkmale der Ansprüche 1, 19 oder 20 gelöst. Bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart.
Die Erfindung geht von einer Nietverbindung mit zumindest zwei Fügepartnern aus, die im Setzprozess miteinander verbindbar sind. In dem Setzprozess ist ein Nietelement mit seinem Nietschaft in Setzrichtung durch den zumindest einen setzseitigen Fügepartner bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner unter Aufspreizung des Nietschafts eintreibbar. Dadurch sind die Fügepartner, in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf und einer Schaftspitze des Nietelements geklemmt. Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 ist der setzseitige Fügepartner in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf des Nietelements und dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner geklemmt. Auf diese Weise ist eine Schubspannung quer zur Setzrichtung, insbesondere hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner, durch eine Querbewegung des setzseitigen Fügepartners reduzierbar oder abbaubar.
Zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung kann zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem setzseitigen Fügepartner ein Gleitelement, insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet sein, mittels der ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem setzseitigen Fügepartner herabsetzbar ist. Bevorzugt kann das Gleitelement als eine Unterlegscheibe am Nietelement vormontierbar sein. In diesem Fall kann eine einteilige Vormontageeinheit, bestehend aus Nietelement und Unterlegscheibe vorgehalten werden. Die Unterlegscheibe kann bevorzugt in leichter Presspassung auf den Nietschaft aufgeschoben sein. Alternativ dazu kann das Gleitelement als eine auf die Nietkopf-Unterseite angespritzte Kunststoffbeschichtung ausgebildet sein.
Mit dem aus Kunststoff gebildeten Gleitelement wird eine einfache Verarbeitung gewährleistet. Zudem erfolgt die Verarbeitung oberflächenschonend und elektrisch isolierend. Ferner kann eine Kontaktkorrosion verhindert werden.
Die erfindungsgemäße schwimmende Lagerung ist besonders bevorzugt bei einer Fügepartner-Kombination, in der der setzseitige Fügepartner ein Kunststoffbauteil, Aluminiumbauteil oder Stahlbauteil ist und/oder der von der Setzseite abgewandte Fügepartner ein Metallbauteil ist, was im Vergleich zum Kunststoffbauteil, Aluminiumbauteil oder Stahlbauteil eine sehr ausgeprägte oder zumindest unterschiedliche Wärmeausdehnung aufweist. Erfindungsgemäß können die unterschiedlichen Wärmeausdehnungen durch die Querbeweglichkeit des setzseitigen Fügepartners ausgeglichen werden.
Der setzseitige Fügepartner kann ein Durchgangsvorloch aufweisen. Durch das Durchgangsvorloch ist im Setzprozess das Nietelement in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner eintreibbar. Auf diese Weise kann im setzseitigen Fügepartner ein Spannungsaufbau quer zur Setzrichtung reduziert werden oder gänzlich wegfallen. Zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung des setzseitigen Fügepartners ist der Nietschaft bevorzugt mit Lochspiel durch das Durchgangsvorloch des setzseitigen Fügepartners geführt, so dass insbesondere innerhalb des Lochspiels die Ausgleichsbewegung des setzseitigen Fügepartners quer zur Setzrichtung ermöglicht ist.
Der von der Setzseite abgewandte Fügepartner kann besonders bevorzugt als ein Metalldruckgussbauteil, insbesondere Aluminiumdruckguss, angefertigt sein. Das Metalldruckgussbauteil weist nicht nur eine sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung, sondern auch eine im Vergleich zu einem Metallblechteil geringe Duktilität auf. Im Metalldruckgussbauteil besteht aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr von Kerbbildung, die in einem herkömmlichen Setzprozess zu einem Bauteilriss oder -bruch führen kann.
Vor diesem Hintergrund ist es bevorzugt, wenn auf im Gegensatz zu einem herkömmlichen Setzprozess auf ein formschlüssiges Umfassen der ausgeweiteten Nietschaftspitze verzichtet wird und anstelle dessen zur Sicherung des Nietelements an dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner das folgende Wirkprinzip zum Einsatz kommt: So bildet der Nietschaft einen bistabilen Federabschnitt, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist. Ein erster Gleichgewichtszustand entspricht dem querschnittsreduzierten, unverformten Nietschaft-Zustand. Durch Einwirken der Setzkraft schlägt der Nietschaft in den zweiten Gleichgewichtszustand um, in dem der Nietschaft mit einem ausgeweiteten Querschnitt im Vorloch des ersten Fügepartners verspreizt ist. Das Umschlagen in den Spreizzustand erfolgt im Wesentlichen ohne Aufbau einer Rückfederkraft, die das Nietelement in Richtung unverformtem Zustand vorspannt.
Erfindungsgemäß erfolgt also die Verformung des Nietelements im Setzprozess unter Nutzung des sogenannten Springbeuleffekts (auch bekannt als Knackfroscheffekt). Unter dem Springbeuleffekt versteht man einen physikalischen Effekt, bei dem die Gestalt des Nietelements zwei stabile Zustände aufweist, die durch eine geeignete Krafteinwirkung ineinander überführt werden können.
Ein besonderer Vorteil dieses neuen Wirkprinzips besteht im folgenden Sachverhalt: Die zur Überführung in den Spreizzustand erforderliche Setzkraft ist weitaus geringer als die im herkömmlichen Setzprozess erforderliche Setzkraft. Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Setzkraft wird der setzseitige Fügepartner mit wesentlich geringerer Druckspannung beaufschlagt als es bei einem herkömmlichen Setzprozess der Fall wäre. Somit ist ein Setzprozess der Baugruppe bestehend aus Nietelement und Gleitelement erst möglich. Erst aufgrund dieser geringeren Druckspannung ist - im Zusammenspiel mit dem Gleitelement - die Ausgleichsbewegung der beiden oberen Fügepartner zum Spannungsausgleich ermöglicht. Im Gegensatz dazu wird im herkömmlichen Setzprozess das Nietelement in die Fügepartner mit einer derart großen Setzkraft eingetrieben, dass eine Querbeweglichkeit des setzseitigen Fügepartners mit Bezug auf den von der Setzseite abgewandten Fügepartner nicht gegeben ist.
Wie oben erwähnt, ist der von der Setzseite abgewandte Fügepartner im unverformten Zustand nicht komplett vorlochfrei gebildet, sondern weist dieser vielmehr an der herzustellenden Fügestelle ein Vorloch auf. Im Zusammenbauzustand ist der Nietschaft des Nietelements gegen den Innenumfang des Vorloches verspreizt.
Das Nietelement kann mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse rotationssymmetrisch ausgebildet sein. Zudem kann das Nietelement einen ausgeweiteten Nietkopf aufweisen, der in Achsrichtung in den Nietschaft übergeht. An der Oberseite des Nietkopfes kann zudem ein weiteres Funktionselement, zum Beispiel ein Gewindebolzen, angeformt sein. Der Nietschaft kann eine zur Nietschaftspitze offen gestaltete Innenwölbung aufweisen; zudem kann der Nietschaft an der Schaftspitze mit einer ringförmig umlaufenden Schneidkante abschließen.
Im Spreizzustand kann die Nietschaftwand entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf, umgeschlagen sein. In diesem Fall kann die Schneidkante in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des Bauteil-Vorloches sein. Zudem umzieht die Nietschaftwand den Nietschaft-Vollmaterialabschnitt tellerförmig sowie in Umfangsrichtung unterbrechungsfrei bzw. durchgängig.
In einer bevorzugten technischen Realisierung kann der erste Fügepartner ein Metalldruckgussteil, zum Beispiel ein Aluminium-Druckgussteil, sein, während das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein kann. Speziell in diesem Fall ist die erfindungsgemäße Nietverbindung von Vorteil, da hier der erste Fügepartner während des Setzvorgangs im Wesentlichen ohne plastische Verformung, das heißt insbesondere nur elastisch, beansprucht wird. Der erste Fügepartner bleibt erfindungsgemäß nach erfolgtem Setzprozess weitgehend unverformt.
Im Hinblick auf eine einwandfreie Überführung des Nietelements vom unverformten Zustand in den Spreizzustand ist es von Vorteil, wenn das Bauteil-Vorloch eine entsprechende Aktivierungskontur aufweist. Mittels der Aktivierungskontur kann im Setzvorgang ein Überführen des Nietelement vom unverformten Zustand in den Spreizzustand prozesssicher gestaltet werden.
Gemäß einer ersten Ausführungsvariante kann die Aktivierungskontur als ein, vom Vorloch-Boden vorragender Spreizkegel realisiert sein. Mit Hilfe der Aktivierungskontur kann der fußseitige Schaftabschnitt des Nietschafts im Setzprozess entgegen der Setzrichtung in den Spreizzustand umgeschlagen werden. Nach dem Umschlagen in den Spreizzustand geht ein radial innerer kopfseitiger Schaftabschnitt des Nietschafts an einer nietkopffernen Umschlagkante in den, in Richtung Nietkopf ragenden, fußseitigen Schaftabschnitt über, der den kopfseitigen Schaftabschnitt radial außen umzieht.
Die im Bauteil-Vorloch ausgebildete Aktivierungskontur kann zusätzlich eine Ringkehle aufweisen, die den Spreizkegel an seinem Kegelfuß umzieht. Die Ringkehle kann radial nach außen an einem, insbesondere gerundeten Inneneckbereich in die Vorloch-Umfangswand übergehen. Speziell der Spreizkegel in Kombination mit der Ringkehle sowie dem Vorloch-Inneneckbereich führen zu einem Umschlagen des fußseitigen Schaftabschnittes des Nietschafts, wie es oben beschrieben ist.
Nachfolgend ist ein mit der oben angegebenen Aktivierungskontur durchführbarer Setzprozess beschrieben: So kann zu Beginn des Setzprozesses das Nietelement mit seiner Schneidkante auf der Kegelmantelfläche des Spreizkegels sitzen. Durch Einwirken der Setzkraft kann das Nietelement mit seiner Schneidkante entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle gleiten, ohne in das Material des Fügepartners einzudringen. Auf diese Weise wird der fußseitige Schaftabschnitt des Nietschafts unter Materialverdünnung vorgespreizt. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses wird der materialverdünnte, fußseitige Schaftabschnitt des Nietschafts vom Spreizkegel in die Ringkehle geführt. Zum Abschluss des Setzprozesses wird die fußseitige Schneidkante des Nietelements an der Vorloch-Umfangswand in das Material eingetrieben.
Wie oben erwähnt, findet im Setzprozess am Spreizkegel eine Vorspreizung des Nietschafts statt. Durch die Vorspreizung wird der Nietschaft von seinem formstabilen, zylindrischen unverformten Zustand konisch ausgeweitet. Die konische Ausweitung des Nietschafts erfolgt unter Reduzierung der Wandstärke der Schaftwandung. Dadurch reduziert sich die Formstabilität des Nietschafts. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann daher der Nietschaft prozesssicher in seinen Spreizzustand umschlagen.
Für einen prozesssicheren Ablauf des Setzvorganges ist es von Bedeutung, dass das Nietelement mit seiner Schneidkante zu Beginn des Setzprozesses nicht am Spreizkegel in das Material des ersten Fügepartners eindringt. Vor diesem Hintergrund kann eine Schneidflanke an der Schneidkante einen Schneidenwinkel aufweisen, der in etwa einem Kegelwinkel entspricht, der zwischen der Kegelmantelfläche des Spreizkegels und einer rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist. Dadurch ist gewährleistet, dass das Nietelement mit seiner Schneidkante entlang der Kegelmantelfläche des Spreizkegels in Richtung Ringkehle abgleiten kann, ohne in das Material des ersten Fügepartners einzudringen.
Die Vorloch-Umfangswand kann an einem Vorloch-Öffnungsrand in eine setzseitige Oberfläche des ersten Fügepartners übergehen. Dabei kann sich die Vorloch-Umfangswand vom bodenseitigen Vorloch-Inneneckbereich bis zum Vorloch-Öffnungsrand konisch ausweiten oder zylinderförmig verlaufen. Der Vorloch-Durchmesser ist bevorzugt größer bemessen als der Nietschaft-Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das Nietelement in Vorbereitung auf den Setzprozess mit Lochspiel leichtgängig in dem Vorloch des ersten Fügepartners vorpositioniert werden.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann die Aktivierungskontur wie folgt ausgebildet sein: So kann das sacklochartige Vorloch des ersten Fügepartners einen durchmessergroßen Einführabschnitt aufweisen. Dieser geht an einer umlaufenden Ringschulter in eine durchmesserkleine Senkung über. Die Schneidkante des noch unverformten Nietelements kann auf einem Durchmesser liegen, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser der Ringschulter. Dadurch kann (in Vorbereitung auf den Setzprozess) das Nietelement mit seiner Schneidkante auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches positioniert werden.
Bei Einwirken der Setzkraft kann sich das Nietelement mit seiner Schneidkante nach radial außen aufweiten, und zwar bis Erreichen eines maximalen Außendurchmessers. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses kann der Nietschaft um einen zusätzlichen Übertotpunkt-Hubweg in die Vorloch-Senkung eingetrieben werden. Dadurch erfolgt eine Überspreizung des Nietschaftes, bei der der Nietschaft in den Spreizzustand umschlägt.
Bevorzugt kann das Nietelement aus einem Kaltschlagmaterial gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung eine Umformgrenze überschritten wird, bei der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt, die im Hinblick auf eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Nietelement und dem Bauteil von Vorteil ist. Von daher kann erfindungsgemäß auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizenform ein Aufspreizen des Nietschaftes unterstützt. Anstelle dessen kann der erste Fügepartner zwischen einem Niederhalter und einem ebenflächigen Amboss zwischengeklemmt sein.
Der erfindungsgemäße Setzprozess kann Bestandteil einer vollautomatischen Prozesskette sein, bei der ein Setzgerät am distalen Ende eines Roboterarms eines Industrieroboters befestigt ist, der mittels einer Programmsteuerung autonom arbeitet. Um einen einwandfreien Setzvorgang zu gewährleisten, ist es bevorzugt, wenn der Nietschaft-Außendurchmesser kleiner bemessen ist als der Ringschulter-Außendurchmesser. Auf diese Weise kann das noch unverformte Nietelement mit seiner Schneidkante in schwimmender Lagerung, das heißt mit Querspiel, auf der Ringschulter positioniert werden, wodurch Bauteil und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können.
Bei Ausführung des von der Setzseite abgewandten Fügepartners als ein Druckgussteil kann das Vorloch während des Gießverfahrens im ersten Fügepartner erzeugt werden. In diesem Fall kann das Vorloch einen konusartigen Innenumfang aufweisen, der als Entformungsschräge dient. Der konusartige Innenumfang wirkt während des Setzvorgangs zusätzlich auch als eine Einführschräge, um eine einwandfreie Positionierung des Nietelements auf der Ringschulter des Bauteil-Vorloches zu gewährleisten.
In einer konkreten Ausgestaltung kann das Nietelement im unverformten Zustand eine Nietelementlänge von beispielhaft 2 bis 5 mm aufweisen. Die Wandstärke der Schaftwandung des Nietschafts kann im unverformten Zustand in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,7 mm liegen, insbesondere bei 0,5 mm. Zudem kann das Nietelement je nach Anwendungsfall zum Beispiel aus einem schweißgeeigneten Drahtwerkstoff, oder aus einem herkömmlichen Kaltschlagstahl gefertigt sein, bei dem insbesondere bei der Überspreizung, das heißt beim Umschlagen während des Setzprozesses, eine Umformgrenze überschritten wird, bei der eine Verfestigung des Nietelement-Materials eintritt, die im Hinblick auf eine gesteigerte Verbindungsfestigkeit zwischen dem Nietelement und dem Bauteil von Vorteil ist. Erfindungsgemäß kann während des Setzprozess auf eine Matrize verzichtet werden, deren Matrizengravur ein Aufspreizen des Nietschafts unterstützt. Anstelle dessen kann das Bauteil im Setzprozess zwischen einem Niederhalter und einem ebenflächigen Amboss zwischengeklemmt sein.
In einer oben angegebenen Ausführungsform sind die beiden Fügepartner unmittelbar im Setzprozess miteinander verbindbar, bei dem das Nietelement mit seinem Nietschaft in Setzrichtung durch den setzseitigen Fügepartner bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner eintreibbar ist. Dadurch sind die beiden Fügepartner, in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf und einer Schneidkante des Nietschafts des Nietelements geklemmt.
In einer zweiten Ausführungsform kann im Setzprozess das Nietelement mit seinem Nietschaft in Setzrichtung nur in einen ersten Fügepartner eintreibbar sein. Der zweite Fügepartner kann dagegen unabhängig vom Setzprozess am Nietelement befestigbar sein, insbesondere in einer Clip-, Schraub-, Rast- oder Schweißverbindung.
Zur Realisierung der obigen zweiten Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn der Vorloch-Durchmesser am Vorloch-Öffnungsrand des sacklochartigen Vorloches des ersten Fügepartners (entspricht dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner) kleiner bemessen ist als ein Kopfdurchmesser des Nietkopfes, so dass nach erfolgtem Setzprozess die Nietkopf-Unterseite in Anlage mit dem Öffnungsrandbereich des Bauteil-Vorloches ist. An der Nietkopf-Oberseite des Nietelements kann ein Bolzen zur Anbindung des zweiten Fügepartners, insbesondere ein Gewindebolzen oder Schweißbolzen, ausgebildet sein. Im Zusammenbauzustand kann der Bolzen durch ein Durchgangsloch des zweiten Fügepartners geführt sein. Auf der, aus dem Durchgangsloch des zweiten Fügepartners ragenden Gewindebolzenspitze kann ein Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement befestigt sein. In diesem Fall kann der zweite Fügepartner zwischen dem Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement und dem ersten Fügepartner verspannbar sein.
Bei einer Verschweißung kann der Schweißbolzen im Zusammenbauzustand durch ein Durchgangsloch des zweiten Fügepartners geführt sein. Auf der aus dem Durchgangsloch des zweiten Fügepartners ragenden Schweißbolzenspitze kann ein dritter Fügepartner oder ein Kopfelement, etwa eine Schweißkappe, mit dem ein Gleitelement (zum Beispiel Gleitelementringscheibe) fest verbunden ist, mittels Widerstandspunktschweißen aufschweißbar sein. Der zweite Fügepartner kann daher zwischen dem dritten Fügepartner oder der Schweißkappe und dem Nietkopf verspannt werden.
Erfindungsgemäß ist der zweite Fügepartner in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf des Nietelements und dem zweiten Fügepartner geklemmt. Auf diese Weise ist eine Schubspannung quer zur Setzrichtung, insbesondere hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner, durch eine Querbewegung des zweiten Fügepartners reduzierbar oder abbaubar. Zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner kann - analog zur ersten Ausführungsform - ein Gleitelement, insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet sein, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner herabsetzbar ist. Ebenfalls kann das Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement zum Beispiel mit einem Bund ausgeführt sein, an dem eine Kunststoff-Zwischenlage, etwa eine Kunststoffscheibe befestigt ist oder ein Kunststoffring angespritzt ist, mittels dem ein Reibwert zwischen dem Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement und dem zweiten Fügepartner herabsetzbar ist.
Nachfolgend sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Figuren beschrieben. Es zeigen:

1 bis 5 Ansichten einer Nietverbindung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel;
6 bis 9 Ansichten einer Nietverbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel; und
10 bis 12 Ansichten einer Nietverbindung gemäß weiteren Ausführungsbeispielen.

In 1 ist eine Nietverbindung mit einem unteren ersten Fügepartner 1, einem mittleren zweiten Fügepartner 2 und einem der Setzseite zugewandten dritten Fügepartner 3 gezeigt. Die Nietverbindung wird in einem anhand der 4 angedeuteten Setzprozess mit Hilfe eines als Halbhohlniet ausgebildeten Nietelements 7 erzeugt, das einen durchmessergroßen Nietkopf 9 aufweist, der als Flachkopf realisiert ist. Der Nietkopf 9 geht an seiner Nietkopf-Unterseite in einen durchmesserkleinen Nietschaft 13 über, der an einer umlaufenden Schneidkante 15 abschließt. Das Nietelement 7 ist im unverformten Zustand als ein um eine Längsachse L rotationssymmetrisches Bauteil realisiert und in den Figuren in einer Querschliffansicht gezeigt.
In der, in der 1 gezeigten Nietverbindung ist das Nietelement 7 durch den setzseitigen Fügepartner 3 sowie durch den mittleren Fügepartner 2 bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 eingetrieben, und zwar unter Aufrechterhaltung einer Restbodendicke im Fügepartner 1. In der 1 ist der Nietschaft 13 aufgespreizt. Die drei Fügepartner 1, 2 und 3 sind daher unter einer in Setzrichtung S wirkenden Druckspannung miteinander verklemmt.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist eine Mischbauverbindung realisiert, bei der der von der Setzseite abgewandte Fügepartner 1 ein Aluminiumdruckgussteil ist, während der setzseitige Fügepartner 3 und der mittlere Fügepartner 2 jeweils ein Kunststoffbauteil, zum Beispiel ein thermoplastisches Kunststoffteil, oder ein CFK-Bauteil ist. In einer alternativen Ausgestaltung kann der setzseitige Fügepartner 3 und/oder der mittlere Fügepartner 2 auch ein Stahlbauteil oder Aluminiumbauteil sein.
Eine solche Fügepartner-Kombination aus Aluminiumdruckgussteil und Kunststoffbauteil ist im Vergleich zu einer herkömmlichen Fügepartner-Kombination aus Metallblechteilen anfällig gegen quer zur Setzrichtung ausgerichtete Bauteilspannungen, die durch unterschiedliche Wärmeausdehnungen der Fügepartner 1, 2, 3 hervorgerufen werden. Zudem weist der von der Setzseite abgewandte Fügepartner 1 (d.h. das Aluminiumdruckgussteil) im Vergleich zu herkömmlichen Metallblechen eine sehr geringe Duktilität auf. Ein herkömmlicher Setzprozess, bei dem der Nietschaft vom Druckgussmaterial des von der Setzseite abgewandten Fügepartners 1 komplett formschlüssig umfasst ist, ist daher nicht prozesssicher durchführbar. Zudem besteht bei Metalldruckguss aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr, dass es im Setzprozess zu einer Kerbbildung kommt, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.
Ein Kern der Erfindung besteht darin, dass die beiden oberen Fügepartner 2, 3 in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf 9 des Nietelements 7 und dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 geklemmt sind. Auf diese Weise kann eine Bauteilspannung quer zur Setzrichtung S, die zum Beispiel durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner 1, 2, 3 hervorrufen wird, durch eine quergerichtete Ausgleichsbewegung der oberen Fügepartner 2, 3 reduziert oder abgebaut werden.
Zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem obersten Fügepartner 3 ein Gleitelement 6 angeordnet, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem obersten Fügepartner 3 herabsetzbar ist. Das Gleitelement 6 ist beispielhaft eine Kunststoff-Unterlegscheibe, die am Nietelement 7 vormontierbar ist.
Zur weiteren Unterstützung der schwimmenden Lagerung weisen die beiden oberen Fügepartner 2, 3 jeweils ein Durchgangsvorloch 17 auf, durch das das Nietelement 7 in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 eintreibbar ist. Der Nietschaft 13 ist dabei mit einem Lochspiel Δx durch die Durchgangsvorlöcher 17 der Fügepartner 2, 3 geführt, so dass innerhalb des Lochspiels Δx die Ausgleichsbewegung B der oberen Fügepartner 2, 3 quer zur Setzrichtung ermöglicht ist.
Auf diese Weise kann bei einer Wärmebeanspruchung ein Spannungsausgleich zwischen den Fügepartnern 1, 2, 3 erfolgen.
Im Setzprozess (3 bis 5) wird das Nietelement 7 belastungsfrei durch das Vorloch 17 der beiden Fügepartner 2, 3 geführt und im weiteren Verlauf in den von der Setzseite abgewandten ersten Fügepartner 1 eingetrieben.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Nietverbindung mit einem von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 realisierbar ist, dessen Fließfähigkeit bzw. Duktilität im Vergleich zum Stand der Technik reduziert ist (zum Beispiel ein Bauteil aus Aluminiumdruckguss). Erfindungsgemäß erfolgt nämlich die Sicherung des Nietelements 7 nicht durch ein vollständiges formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 13 im Material des ersten Fügepartners 1, sondern durch den nachfolgend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Sicherungsmechanismus:

Gemäß der 1 ist das Nietelement 7 in ein Vorloch 5 des von der Setzseite abgewandten ersten Fügepartners 1 eingetrieben, das sich konusartig bis zu einer Vorlochtiefe t erstreckt und dort mit einem Vorloch-Boden abschließt.

Im Vorloch 5 des ersten Fügepartners 1 eine Aktivierungskontur 31 (3 oder 4) ausgebildet ist, die im Setzprozess das Überführen des Nietelements 7 vom unverformten Zustand in den Spreizzustand steuert. Die Aktivierungskontur 31 weist einen vom Vorloch-Boden vorragenden Spreizkegel 33 auf, der an seinem Kegelfuß von einer, im Vorloch-Boden ausgebildeten Ringkehle 35 umzogen ist. Die Ringkehle 35 geht radial nach außen an einem gerundeten Inneneckbereich 37 in eine Vorloch-Umfangswand 39 (4 oder 5) über. In den 1 bis 5 erstreckt sich die glattflächige Vorloch-Umfangswand 39 vom Vorloch-Inneneckbereich 37 bis zu einem Vorloch-Öffnungsrand 41 ( 2) an der setzseitigen Oberfläche des ersten Fügepartners 1 geringfügig konisch ausgeweitet.
Gemäß der 1 ist ein fußseitiger Schaftabschnitt 43 des hohlen Nietschafts 13 mit seiner Schneidkante 15 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Material des ersten Fügepartners 1 eingetrieben.
Wie aus der 2 hervorgeht, ist der Vorloch-Durchmesser dv größer bemessen als der Nietschaft-Außendurchmesser d_A, sodass das Nietelement 7 in Vorbereitung auf den Setzprozess mit einem Lochspiel im Vorloch 5 des ersten Fügepartners 1 vorpositionierbar ist. Der Vorloch-Durchmesser dv ist zudem kleiner bemessen als ein Kopfdurchmesser d_K des Nietkopfes 9. Dessen Unterseite ist nach erfolgtem Setzprozess in Anlage mit dem Öffnungsrandbereich eines Durchgangsvorloches 17 des oberen setzseitigen Fügepartners 3. Wie aus der 2 weiter hervorgeht, ist der Nietschaft 13 im unverformten Zustand außenseitig zylindrisch ausgebildet. Die Innenwölbung 14 des Nietschafts 13 ist hohlzylindrisch realisiert, wodurch sich über die Nietelement-Längsachse L eine konstante Wandstärke w der Schaftwandung ergibt. Das Nietelement 7 ist insgesamt rotationssymmetrisch zur Nietelement-Längsachse L ausgeführt.
Nachfolgend wird anhand der 3 bis 5 ein Setzprozess beschrieben: Zu Beginn des Setzprozesses (3) wird das (durch die Fügepartner 2, 3 geführte) Nietelement 7 mit seiner Schneidkante 15 in Anlage mit der Kegelmantelfläche des Spreizkegels 33 gebracht. Das Nietelement 7 ist dabei koaxial zum Spreizkegel 33 ausgerichtet. Mit Einleitung der Setzkraft F gleitet das Nietelement 1 mit seiner Schneidkante 15 entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle 35. Auf diese Weise wird der fußseitige Schaftabschnitt 43 des Nietschafts 11 vorgespreizt. Durch die Vorspreizung weitet sich einerseits der zylindrische Nietschaft 13 konisch aus. Andererseits reduziert sich durch die konische Ausweitung des Nietschafts 13 speziell am fußseitigen Schaftabschnitt 43 die Wandstärke w. Aufgrund der konischen Ausweitung sowie der reduzierten Wandstärke w kann die Aktivierungskontur 31 im weiteren Setzprozess den Nietschaft 13 prozesssicher in den Spreizzustand überführen. Zum Abschluss des Setzprozesses (5) wird die Schneidkante 15 des Nietelements 7 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Material des ersten Fügepartners 1 eingetrieben.
In der 2 laufen am Nietschaft 13 zwei Schneidflanken 45, 47 unter Bildung der Schneidkante 15 zusammen. Die radial innere Schneidkante 45 spannt mit einer zur Nietelement-Längsachse L rechtwinkligen Ebene einen Schneidenwinkel β auf. Dieser entspricht einem Kegelwinkel γ, der zwischen der Kegelmantelfläche des Spreizkegels 33 und einer zur Nietelement-Längsachse L rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist. Auf diese Weise ist gewährleistet, dass im Setzprozess die Schneidkante 15 prozesssicher in Richtung Ringkehle 35 abgleitet, ohne in das Material einzudringen.
Mit Hilfe der Aktivierungskontur 31 wird der fußseitige Schaftabschnitt 43 des Nietschafts 11 im Setzprozess entgegen der Setzrichtung S umgeschlagen. In der fertiggestellten Nietverbindung geht daher ein kopfseitiger Schaftabschnitt 49 an einer nietkopffernen Umschlagkante 51 in den, in Richtung Nietkopf 9 ragenden fußseitigen Schaftabschnitt 43 über. Der umgeschlagene fußseitige Schaftabschnitt 43 erstreckt sich in Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerförmig um den kopfseitigen Schaftabschnitt 49. Es ist hervorzuheben, dass lediglich der umgeschlagene fußseitige Schaftabschnitt 43 mit seiner Schneidkante 15 des Nietschafts 11 an der Vorloch-Umfangswand 39 in das Material des ersten Fügepartners 1 eindringt, während der kopfseitige Schaftabschnitt 49 ohne Materialeingriff mit dem ersten Fügepartner 1 verbleibt.
Der Nietschaft 11 wirkt somit wie ein bistabiler Federabschnitt, der im Setzprozess in den ausgeweiteten Spreizzustand umschlägt. Der Spreizzustand (1 oder 5) zeichnet sich dadurch aus, dass im Gegensatz zum Stand der Technik im Wesentlichen keine Rückfederkraft im Nietschaft 13 aufgebaut wird, die das Nietelement 7 in Richtung unverformtem Zustand vorspannt. Von daher kann erfindungsgemäß auf ein nahezu komplett formschlüssiges Einfassen des Nietschafts 11 in das Material verzichtet werden.
Gemäß den 3 bis 5 weist das erfindungsgemäße Setzgerät als Gegenhalter 30 keine Matrize mit Matrizengravur, sondern einen ebenflächigen Amboss auf.
Ein besonderer Vorteil dieses neuen Wirkprinzips besteht im Folgenden: Die zur Überführung in den Spreizzustand erforderliche Setzkraft F ist weitaus geringer als die im herkömmlichen Setzprozess erforderliche Setzkraft. Aufgrund der im Vergleich zum Stand der Technik geringeren Setzkraft F werden das Nietelement 7 mit dem Gleitelement 6 und den beiden oberen Fügepartnern 2, 3 mit wesentlich geringerer Druckspannung beaufschlagt als es bei einem herkömmlichen Setzprozess der Fall wäre. Erst aufgrund dieser geringeren Druckspannung ist - im Zusammenspiel mit dem Gleitelement 6 - die quergerichtete Ausgleichsbewegung der beiden oberen Fügepartner 2, 3 zum Spannungsausgleich ermöglicht. Im Gegensatz dazu wird im herkömmlichen Setzprozess das Nietelement in die Fügepartner mit einer derart großen Setzkraft eingetrieben, dass eine Querbeweglichkeit der Fügepartner 2, 3 mit Bezug auf den von der Setzseite abgewandten Fügepartner 1 nicht gegeben ist.
In den 6 bis 9 ist eine Nietverbindung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel gezeigt, deren Aufbau im Wesentlichen dem Aufbau des ersten Ausführungsbeispiels der 1 bis 5 entspricht. Wie im ersten Ausführungsbeispiel wirkt auch im zweiten Ausführungsbeispiel der Nietschaft 13 als ein bistabiler Federabschnitt, der die beiden Gleichgewichtszustände aufweist, nämlich den unverformten querschnittsreduzierten Zustand (7) und einen ausgeweiteten Spreizzustand (6 oder 9).
Nachfolgend werden anhand der 6 bis 9 die Vorloch-Geometrie des ersten Fügepartners 1, die Nietelement-Geometrie sowie der erfindungsgemäße Setzvorgang beschrieben: So ist gemäß der 7 das noch unverformte Nietelement 7 mit Bezug auf seine Längsachse L rotationssymmetrisch ausgebildet. Der Nietschaft 13 ist in der 6 oder 7 aufgeteilt in einen kopfseitigen Schaftabschnitt 49 und in einen sich daran anschließenden fußseitigen Schaftabschnitt 43, der eine Innenwölbung 14 begrenzt, die an der Nietschaftspitze offen ist. Die Innenwölbung 14 schließt an einer ringförmig umlaufenden Schneidkante 15 des Nietelements 7 ab.
Das Umschlagen des als bistabiler Federabschnitt wirkenden Nietschafts 13 wird mittels einer Aktivierungskontur 31 (7) im Vorloch 5 des ersten Fügepartners 1 unterstützt, die wie folgt ausgebildet ist: So weist das Vorloch 5 des ersten Fügepartners 1 in der 7 einen durchmessergroßen Einführabschnitt 21 auf. Dieser geht in Richtung Vorloch-Boden 22 an einer umlaufenden Ringschulter 23 stufenartig in eine durchmesserkleine Vorloch-Senkung 25 über. Bei noch unverformtem Nietelement 7 verläuft die Schneidkante 15 auf einem Durchmesser d₁, der größer bemessen ist als der Innendurchmesser d₂ der Ringschulter 23. Zudem ist der Nietschaft-Außendurchmesser kleiner bemessen als der Ringschulter-Außendurchmesser d₃.
Der Setzvorgang wird mit einem Setzgerät durchgeführt, das in den 7 bis 9 den Niederhalter 27 aufweist, in dem ein Setzkolben 29 hubverstellbar geführt ist. Die drei Fügepartner 1, 2, 3 sind zwischen dem Niederhalter 27 und einem ebenflächigen Amboss 30 zwischengeklemmt.
Bei Einwirken der Setzkraft F weitet sich der Nietschaft 13 mit seiner Schneidkante 15 nach radial außen auf, und zwar bis Erreichen eines Setzhub-Totpunktes T (8). Im Setzhub-Totpunkt T ist die Schneidkante 15 des Nietelements 1 mit einem maximalen Durchmesser d_max ausgeweitet und in Spreizeingriff mit dem Innenumfang des durchmessergroßen Einführabschnitts 21 des Bauteil-Vorloches 5. Zudem befindet sich die Stirnseite der Nietschaftspitze großflächig in Kontakt mit der Ringschulter 23.
Der Setzhub ist erfindungsgemäß über den Totpunkt T hinaus mit einer Übertotpunkt-Hubweg s (8) verlängert. Im weiteren Verlauf des Setzprozesses wird daher der kopfseitige Schaftabschnitt 49 um den Übertotpunkt-Hubweg s in die Vorloch-Senkung 25 eingetrieben. Auf dieser Weise ergibt sich eine Überspreizung des fußseitigen Schaftabschnitts 43, bei der der fußseitige Schaftabschnitt 43 in den Spreizzustand umschlägt. Der fußseitige Schaftabschnitt 43 ist daher entgegen der Setzrichtung, das heißt in Richtung Nietkopf 9, umgeschlagen. Des fußseitige Schaftabschnitt 43 erstreckt sich in der Umfangsrichtung durchgängig sowie tellerförmig um den kopfseitige Schaftabschnitt 49 des Nietelements 7.
Wie aus der 7 weiter hervorgeht, ist der Innenumfang des durchmessergroßen Einführabschnittes 21 des Bauteil-Vorloches 5 konusartig ausgebildet, sodass der Innenumfang als Einführschräge wirkt, mittels der ein leichtgängiges Einsetzen des Nietelements 7 in das Vorloch 5 des ersten Fügepartners 1 ermöglicht ist. Zudem ist das Nietelement 7 auf der Ringschulter 23 in schwimmender Lagerung positioniert (7), das heißt mit Querspiel positioniert, wodurch Bauteil- und/oder Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden können.
In der 10 ist eine weitere Nietverbindung gezeigt, in der der erster Fügepartner 1 mit Hilfe des Nietelements 7 mit dem zweiten Fügepartner 2 verbindbar ist. Analog zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird das Nietelement 7 in einem Setzprozess mit seinem Nietschaft 13 in Setzrichtung in den ersten Fügepartner 1 eingetrieben. Der zweite Fügepartner 2 wird dagegen unabhängig vom Setzprozess in einem separaten Montageprozess am Nietelement 7 befestigt. Hierzu ist das Nietelement 7 an seiner Oberseite mit einem Gewindebolzen 53 ausgebildet. Im Zusammenbauzustand ist der Gewindebolzen 53 durch ein Durchgangsloch 55 des zweiten Fügepartners 2 geführt. An der in der 10 aus dem Durchgangsloch 55 des zweiten Fügepartners 2 ragenden Gewindebolzenspitze kann eine Bundschraubmutter 57 aufgeschraubt werden, so dass der zweite Fügepartner 2 zwischen der Bundschraubmutter 57 und dem Nietkopf 9 verspannbar ist.
Der zweite Fügepartner 2 ist in der 10 - analog zum vorangegangenen Ausführungsbeispiel - in schwimmender Lagerung, zwischen dem Nietkopf 9 des Nietelements 7 und dem zweiten Fügepartner 2 geklemmt. Dadurch kann eine Schubspannung quer zur Setzrichtung, zum Beispiel hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner 1, 2, durch eine Querbewegung des zweiten Fügepartners 2 reduziert oder abgebaut werden.
Zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung ist zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner 2 ein Gleitelement 6 angeordnet, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner 2 herabsetzt. Das Gleitelement 6 ist beispielhaft eine Kunststoff-Unterlegscheibe, die am Gewindebolzen 53 des Nietelements 7 vormontierbar ist.
Zur weiteren Unterstützung der schwimmenden Lagerung ist außerdem zwischen dem zweiten Fügepartner 2 und der zugewandten Unterseite der Bundschraubmutter 57 ein Gleitelement 6 angeordnet, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner 2 herabsetzt. Das Gleitelement 6 ist beispielhaft eine auf die Unterseite der Bundschraubmutter 57 gespritzte Kunststoffbeschichtung oder eine fest montierte Kunststoffscheibe.
Zudem weist der zweite Fügepartner 2 zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung ein Durchgangsvorloch 17 auf, durch das der Gewindebolzen 53 mit einem Lochspiel Δx geführt ist, so dass innerhalb des Lochspiels Δx die Ausgleichsbewegung B der zweiten Fügepartners 2 quer zur Setzrichtung ermöglicht ist.
In der 11 ist eine weitere Nietverbindung gezeigt, in der der erster Fügepartner 1 mit Hilfe des Nietelements 7 mit dem zweiten Fügepartner 2 verbindbar ist. Analog zu den vorangegangenen Ausführungsbeispielen wird das Nietelement 7 in einem Setzprozess mit seinem Nietschaft 13 in Setzrichtung in den ersten Fügepartner 1 eingetrieben. Der zweite Fügepartner 2 wird dagegen unabhängig vom Setzprozess in einem separaten Schweißprozess am Nietelement 7 befestigt. Hierzu ist der Nietkopf 9 des Nietelements 7 an seiner Oberseite mit einem Schweißbolzen 53 ausgebildet, der durch ein Durchgangsloch 55 des zweiten Fügepartners 2 führbar ist. An der in der 11 aus dem Durchgangsloch 55 des zweiten Fügepartners 2 ragenden Schweißbolzenspitze kann der als Blechbauteil gebildete dritte Fügepartner 3 mittels Widerstandspunktschweißen aufgeschweißt werden, so dass der zweite Fügepartner 2 mitsamt Kunststoff-Unterlegscheibe 6 zwischen dem dritten Fügepartner 3 und dem Nietkopf 9 verspannbar ist.
Alternativ kann in der 12 an der aus dem Durchgangsloch 55 des zweiten Fügepartners 2 ragenden Schweißbolzenspitze eine Schweißkappe 56 mittels Widerstandspunktschweißen aufgeschweißt werden, so dass der zweite Fügepartner 2 zwischen der Schweißkappe 56 und dem Nietkopf 9 verspannt ist. Um eine schwimmende Lagerung zu gewährleisten, ist zwischen dem zweiten Fügepartner 2 und der Schweißkappe 57 ein weiteres Gleitelement 6 angeordnet, mittels dem ein Reibwert zwischen der Schweißkappe 57 und dem zweiten Fügepartner 2 herabsetzbar ist. Das weitere Gleitelement 6 ist in der 12 beispielhaft als ein auf die Unterseite der Schweißkappe 56 gespritzter Kunststoffbeschichtungsring oder als eine fest verbundene Gleitelementringscheibe ausgeführt.
In einer weiteren Ausführungsvariante kann das Gleitelement 6 als eine Folierung auf dem Nietkopf 9, dem Fügepartner 3 (in 11) und/oder der Bundschraubmutter 57 aufgebracht sein, die ggf. eine entsprechende Materialaussparung 58 für den Schweiß- oder Gewindebolzen 53 des Nietelements 7 aufweist.
Bezugszeichenliste

1: erster Fügepartner
2: zweiter Fügepartner
3: dritter Fügepartner
5: Vorloch
6: Gleitelement
7: Nietelement
5: sacklochartiges Vorloch im ersten Fügepartner 1
9: Nietkopf
13: Nietschaft
14: Innenwölbung
15: Schneidkante
17: Durchgangsvorloch
22: Vorloch-Boden
21: durchmessergroßer Einführabschnitt
23: Ringschulter
25: Vorloch-Senkung
27: Niederhalter
29: Setzkolben
30: Amboss
31: Aktivierungskontur
33: Spreizkegel
35: Ringkehle
37: Inneneckbereich
39: Vorloch-Umfangswand
41: Vorloch-Öffnungsrand
43: fußseitiger Schaftabschnitt
45,47: Schneidenflanken
49: kopfseitiger Schaftabschnitt
51: Umschlagkante
53: Bolzen
55: Durchgangsloch
56: Kopfelement bzw. Schweißkappe
58: Materialaussparung
57: Clip-, Rast-, Schraub- oder Schweißelement
dA: Schaft-Außendurchmesser
dK: Kopfdurchmesser
dv: Vorlochdurchmesser
w: Wandstärke
F: Setzkraft
S: Setzrichtung
L: Nietelement-Längsachse
β: Schneidenwinkel
γ: Kegelwinkel
t: Vorloch-Tiefe
Δx: Lochspiel

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102018122200 A1 [0005]
WO 9535174 A1 [0005]
DE 102015014941 A1 [0005]

Claims

Nietverbindung mit zumindest zwei Fügepartnern (1, 2, 3), die im Setzprozess miteinander verbindbar sind, bei dem ein Nietelement (7) mit seinem Nietschaft (13) in Setzrichtung durch den zumindest einen setzseitigen Fügepartner (2, 3) bis in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) eintreibbar ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts (13), so dass die Fügepartner (1, 2, 3), in Setzrichtung betrachtet, unter Druckspannung zwischen einem Nietkopf (9) und einer Schaftspitze des Nietelements (7) geklemmt sind, dadurch gekennzeichnet, dass der setzseitige Fügepartner (2, 3) in schwimmender Lagerung zwischen dem Nietkopf (9) des Nietelements (7) und dem von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) geklemmt ist, so dass eine Bauteilspannung quer zur Setzrichtung, insbesondere hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner (1, 2, 3), durch eine Querbewegung des setzseitigen Fügepartners (2, 3) reduzierbar oder abbaubar ist.
Nietverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem setzseitigen Fügepartner (2, 3) ein Gleitelement (6), insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet ist, mittels dem ein Reibwert zwischen der Nietkopf-Unterseite und dem setzseitigen Fügepartner (2, 3) herabsetzbar ist.
Nietverbindung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitelement (6) als eine Unterlegscheibe am Nietelement (7) vormontierbar ist, oder dass das Gleitelement (6) als eine auf die Nietkopf-Unterseite angespritzte Kunststoffbeschichtung ausgebildet ist.
Nietverbindung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der setzseitige Fügepartner (2, 3) ein Kunststoffbauteil und/oder der von der Setzseite abgewandte Fügepartner (1) ein Metallbauteil ist, das im Vergleich zum Kunststoffbauteil eine sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung aufweist.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der setzseitige Fügepartner (2, 3) ein Durchgangsvorloch (17) aufweist, durch das das Nietelement (7) in den von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) eintreibbar ist, und dass insbesondere zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung des setzseitigen Fügepartners (2, 3) der Nietschaft (13) mit Lochspiel (Δx) durch das Durchgangsvorloch (17) des setzseitigen Fügepartners (2, 3) geführt ist, so dass insbesondere innerhalb des Lochspiels (Δx) eine Ausgleichsbewegung des setzseitigen Fügepartners (2, 3) quer zur Setzrichtung ermöglicht ist.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Setzseite abgewandte Fügepartner (1) ein Metalldruckgussbauteil, insbesondere Aluminiumdruckguss, ist, das nicht nur eine sehr ausgeprägte Wärmeausdehnung aufweist, sondern auch eine im Vergleich zu einem Metallblechteil geringe Duktilität aufweist, und dass insbesondere im Metalldruckgussbauteil aufgrund der geringen Duktilität die Gefahr von Kerbbildung besteht, die zu einem frühzeitigen Bauteilriss oder -bruch führen kann.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nietschaft (13) als ein bistabiler Federabschnitt ausgebildet ist, der zwei Gleichgewichtszustände aufweist, nämlich den querschnittsreduzierten unverformten Zustand und den ausgeweiteten Spreizzustand, und dass durch Einwirken der Setzkraft (F) das Nietelement (7) vom unverformten Zustand in den Spreizzustand umschlägt, in dem der Nietschaft (13) mit ausgeweitetem Querschnitt im von der Setzseite abgewandten Fügepartner (1) verspreizt ist, und zwar insbesondere ohne dass im Nietelement (7) beim Umschlagen in den Spreizzustand eine Rückfederkraft aufgebaut ist, die das Nietelement (7) in Richtung unverformtem Zustand vorspannt.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der von der Setzseite abgewandte Fügepartner (1) im unverformten Zustand an der herzustellenden Fügestelle ein insbesondere sacklochartiges Vorloch (6) aufweist, und dass im Spreizzustand ein fußseitiger Schaftabschnitt (43) des Nietschafts (13) mit seiner Schneidkante (15) an einer Vorloch-Umfangswand (39) in das Material des ersten Fügepartners (1) eingetrieben ist.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Nietelement (7) mit Bezug auf eine Nietelement-Längsachse (L) rotationssymmetrisch ausgebildet ist, und/oder dass das Nietelement (7) einen ausgeweiteten Nietkopf (9) aufweist, der in Achsrichtung in den Nietschaft (13) übergeht, der an der Schaftspitze mit der bevorzugt ringförmig umlaufenden Schneidkante (15) abschließt und/oder eine an der Nietschaftspitze offene Innenwölbung (14) begrenzt.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Setzprozess ein fußseitiger Schaftabschnitt (43) des Nietschafts (13) entgegen der Setzrichtung (S) umschlägt, so dass insbesondere ein radial innerer kopfseitiger Schaftabschnitt (49) an einer nietkopffernen Umschlagkante (51) in den in Richtung Nietkopf (9) ragenden radial äußeren fußseitigen Schaftabschnitt (43) übergeht, der den kopfseitigen Schaftabschnitt (49) tellerförmig umzieht, und dass insbesondere lediglich der umgeschlagene fußseitige Schaftabschnitt (43) des Nietschafts (13) mit seiner Schneidkante (15) an der Vorloch-Umfangswand (39) in das Material des ersten Fügepartners (1) eindringt, während bevorzugt der kopfseitige Schaftabschnitt (49) und/oder die Umschlagkante (51) ohne Materialeingriff mit dem Material des ersten Fügepartners (1) verbleiben.
Nietverbindung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass im Vorloch (6) des von der Setzseite abgewandten Fügepartners (1) eine Aktivierungskontur (31) ausgebildet ist, die im Setzprozess ein Umschlagen des Nietelements (7) vom unverformten Zustand in den Spreizzustand steuert.
Nietverbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Aktivierungskontur (31) einen vom Vorloch-Boden des von der Setzseite abgewandten Fügepartners (1) vorragenden Spreizkegel (33) aufweist, und dass insbesondere die Aktivierungskontur (31) eine im Vorloch-Boden ausgebildete Ringkehle (35) aufweist, die den Spreizkegel (33) an seinem Kegelfuß umzieht, und dass insbesondere die Ringkehle (35) radial nach außen an einem insbesondere gerundeten Inneneckbereich (37) in die Vorloch-Umfangswand (39) übergeht.
Nietverbindung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass zu Beginn des Setzprozesses das Nietelement (7) mit seiner Schneidkante (15) auf der Kegelmantelfläche des Spreizkegels (33) sitzt und anschließend entlang der Kegelmantelfläche in Richtung Ringkehle (35) gleitet, so dass sich der fußseitige Schaftabschnitt (43) des Nietschafts (13) unter Materialverdünnung vorspreizt, und dass insbesondere im weiteren Verlauf des Setzprozesses der materialverdünnte fußseitige Schaftabschnitt (43) des Nietschafts (11) vom Spreizkegel (33) in die Ringkehle (35) führbar ist, so dass durch Einwirken der Setzkraft (F) das Nietelement (7) in den Spreizzustand umschlägt, in dem die fußseitige Schneidkante (15) des Nietelements (7) an der Vorloch-Umfangswand (39) in das Material des ersten Fügepartners (1) eingetrieben ist.
Nietverbindung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im unverformten Zustand des Nietelements (7) am Nietschaft (13) zwei Schneidflanken (45, 47) unter Bildung der Schneidkante (15) zusammenlaufen, und dass eine der Schneidkanten (45) mit einer zur Nietelement-Längsachse (L) rechtwinkligen Ebene einen Schneidenwinkel (β) aufspannt, und dass der Schneidenwinkel (α) einem Kegelwinkel (γ) entspricht, der zwischen der Kegelmantelfläche und der rechtwinkligen Ebene aufgespannt ist.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorloch-Umfangswand (39) an einem Vorloch-Öffnungsrand (41) in eine Oberfläche des von der Setzseite abgewandten Fügepartners (1) übergeht, und dass insbesondere die Vorloch-Umfangswand (39) sich vom Vorloch-Inneneckbereich (37) bis in Richtung Vorloch-Öffnungsrand (41) konisch ausweitet oder zwischen dem Vorloch-Inneneckbereich (37) und dem Vorloch-Öffnungsrand (41) zylinderförmig verläuft.
Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorloch-Durchmesser (dv) größer bemessen ist als der Nietschaft-Außendurchmesser (d_A), so dass das Nietelement (1) mit Lochspiel in dem Bauteil-Vorloch (6) vorpositionierbar ist.
Nietverbindung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausbildung der Aktivierungskontur (31) das Vorloch (6) des ersten Fügepartners (1) einen durchmessergroßen Einführabschnitt (21) aufweist, der an einer umlaufenden Ringschulter (23) stufenartig in eine durchmesserkleine Vorloch-Senkung (25) übergeht, und dass insbesondere die Schneidkante (15) des noch unverformten Nietelements (7) auf einem Durchmesser (d₁) liegt, der größer als der Innendurchmesser (d₂) der Ringschulter (23) ist, so dass in Vorbereitung auf den Setzprozess das Nietelement (7) mit seiner Schneidkante (15) auf der Ringschulter (23) des Bauteil-Vorloches (6) positionierbar ist.
Nietverbindung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem Setzhub das Nietelement (7) bis zu einem Totpunkt (T) in das Bauteil-Vorloch (6) eintreibbar ist, und dass im Totpunkt (T) das Nietelement (7) mit seiner Schneidkante (15) bis Erreichen eines maximalen Durchmessers (d_max) nach radial außen aufgeweitet ist, und dass der Setzhub mit einem Übertotpunkt-Hubweg (s) verlängert ist, mit dem der Nietschaft (13) in die Vorloch-Senkung (25) eintreibbar ist, so dass eine Überspreizung des fußseitigen Schaftabschnittes (43) erfolgt, ei der dieser in den Spreizzustand umschlägt.
Nietverbindung, in der in einem Setzprozess ein Nietelement (7) mit seinem Nietschaft (13) in Setzrichtung in zumindest einen Fügepartner (1) eintreibbar ist, und zwar unter Aufspreizung des Nietschafts (11), wobei der Nietfuß (11) im noch unverformten Zustand querschnittsreduziert ist und im eingetriebenen Zustand einen ausgeweiteten Querschnitt aufweist, wobei an einer Oberseite eines Nietkopfes (9) des Nietelements (7) ein Bolzen (53) zur Anbindung eines zweiten Fügepartners (2), insbesondere ein Gewindebolzen oder ein Schweißbolzen, ausgebildet ist, wobei im Zusammenbauzustand der Bolzen (53) durch ein Durchgangsloch (55) des zweiten Fügepartners (2) geführt ist, und wobei auf der aus dem Durchgangsloch (55) des zweiten Fügepartners (2) ragenden Bolzenspitze ein weiteres Element (3, 56, 57) befestigt ist, so dass der zweite Fügepartner (2) zwischen dem weiteren Element (3, 56, 57) und dem Nietkopf (9) verspannbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Fügepartner (2) in schwimmender Lagerung, insbesondere entsprechend einem der vorhergehenden Ansprüche, zwischen dem Nietkopf (9) des Nietelements (7) und dem weiteren Element (3, 56, 57) geklemmt ist, so dass eine Bauteilspannung quer zur Setzrichtung, insbesondere hervorgerufen durch unterschiedliche Wärmeausdehnung der Fügepartner (1, 2), durch eine Querbewegung des zweiten Fügepartners (2) reduzierbar oder abbaubar ist, und dass insbesondere zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung zwischen der Nietkopf-Oberseite und dem zweiten Fügepartner (2, 3) ein Gleitelement (6), insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet ist, und/oder dass zur Unterstützung der schwimmenden Lagerung zwischen dem zweiten Fügepartner (2, 3) und dem weiteren Element (3, 56, 57) ein Gleitelement (6), insbesondere eine Kunststoff-Zwischenlage, angeordnet ist.
Nietelement für eine Nietverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.