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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Befestigen wenigstens eines
Bauteils an einem Grundbauteil mit Hilfe eines sich durch eine Öffnung
in dem Bauteil erstreckenden Befestigungselements, wobei das Befestigungselement
mit einem Befestigungsende an dem Grundbauteil befestigt wird und
anschließend plastisch verformt wird. Die Erfindung betrifft ferner
ein Befestigungselement zur Durchführung des genannten
Verfahrens.
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Ein
Verfahren der angegebenen Art ist aus
DE 10 2005 006 253 B4 bekannt.
Bei diesem bekannten Verfahren wird ein T-förmiger Bolzen
durch eine Bohrung in dem zu befestigenden Bauteil hindurchgesteckt
und dann mit seiner Stirnfläche auf der Oberfläche
des Grundbauteils elektrisch aufgeschweißt. Anschließend
wird der Schaft des Bolzens, der an seinem freien Ende einen Kopf
aufweist, durch einen nach dem Aufschweißen der Stirnfläche
erzeugten zweiten elektrischen Impuls erhitzt und gleichzeitig gestaucht,
bis die Unterseite des Kopfes auf der Oberfläche des Bauteils
aufliegt. Der Schaft des Bolzens kann hierbei so weit gestaucht
werden, dass er bereichsweise in Umfangsrichtung die Bohrung des
Bauteils vollständig ausfüllt. Dieses bekannte
Verfahren eignet sich nur für Anwendungen, bei denen das
Bauteil beim Fügen fest an das Grundbauteil angedrückt
werden kann. Es hat weiterhin den Nachteil, dass das Bauteil vor
dem Anschweißen des Bolzens auf dem Grundbauteil angeordnet
werden muss und das Anschweißen des Bolzens in Gegenwart
beider Bauteile erfolgt. Dies schränkt das Schweißverfahren
und auch die Werkstoffwahl des Bauteils erheblich ein. Weiterhin
ist von Nachteil, dass das Grundbauteil mit der zum Stauchen des Bolzens
erforderlichen Kraft belastet wird und unter Umständen
auf der der Fügeseite abgekehrten Seite zusätzlich
abgestützt werden muss.
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Bei
dem Fügen von Bauteilen besteht vielfach das Problem, dass
an den Fügestellen der Bauteile durch Herstellungstoleranzen
bedingte Maßabweichungen auftreten. Insbesondere beim Fügen von
Blechteilen im Automobilbau kann es vorkommen, dass an den Fügestellen
herstellungsbedingte Maßabweichungen ausgeglichen werden
müssen, um zu vermeiden, dass die miteinander zu verbindenden
Bauteile oder Baugruppen beim Fügen verspannt oder verzogen
werden. Zum Ausgleich solcher Maßabweichungen beim Fügen
sind, z. B. aus
DE
10 84 766 T5 Ausgleichsverschraubungen bekannt, die meist
aus drei oder vier separaten Elementen bestehen, teuer sind und
aufwendig zu montieren sind.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs
genannten Art anzugeben, welches dazu geeignet ist, Maßabweichungen zwischen
Bauteil und Grundbauteil auszugleichen und ein spannungsfreies Fügen
der Bauteile zu ermöglichen. Das Verfahren soll außerdem
einfach und kostengünstig durchführbar sein. Weiterhin
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein zur Durchführung
des Verfahrens geeignetes Befestigungselement zu schaffen, das einfach
und kostengünstig herstellbar ist.
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Nach
der Erfindung ist zur Lösung der genannten Aufgabe ein
Verfahren vorgesehen, bei welchem wenigstens ein Bauteil an einem
Grundbauteil mit Hilfe eines Befestigungselements befestigt wird, das
eine Hülse mit einem Befestigungsende und einen in der
Hülse angeordneten Zugdorn aufweist, durch den die Hülse
zur Vergrößerung ihres Durchmessers plastisch
verformbar ist, wobei das Befestigungselement mit seinem Befestigungsende
an dem Grundbauteil befestigt wird, das Bauteil gegenüber dem
Grundbauteil und dem Befestigungselement in einer vorbestimmten
Lage ausgerichtet wird, wobei sich das Befestigungselement durch
eine Öffnung in dem Bauteil erstreckt, mit Hilfe des Zugdorns
der Durchmesser der Hülse in einem von dem Bauteil umgebenen
Bereich vergrößert und eine Haftung, insbesondere
Lochleibung, zwischen der Hülse und dem Bauteil erzeugt
wird und anschließend der Zugdorn zumindest teilweise entfernt
wird. Vorzugsweise wird durch eine Vergrößerung
der Hülse eine Sitzfläche an der Unterseite des
Bauteils gebildet und auf der Oberseite des Bauteils ein Gegenkopf
angestaucht.
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Durch
das erfindungsgemäße Verfahren ist das Fügen
eines Bauteils an einem Grundbauteil in einem Bereich möglich,
der sich von einem Abstand Null zwischen den Bauteilen bis zu einem
durch die Länge der Hülse vorgegebenen Abstand
erstreckt. Auf diese Weise kann das Bauteil jeweils in der vorliegenden,
herstellungsbedingten Toleranzlage mit dem Grundbauteil gefügt
werden, ohne dass es zu einem Verspannen oder Verziehen der Bauteile kommt.
Nachdem das Befestigungselement an dem Grundbauteil befestigt ist,
erfolgt die Fügeverbindung zwischen dem Befestigungselement
und dem Bauteil durch Ausübung einer Zugkraft an dem Zugdorn
mit Hilfe eines üblichen, zum Setzen von Blindnieten bekannten
Werkzeugs, wobei die Gegenkraft mit Hilfe des Werkzeugs an dem freien
Ende der Hülse abgestützt wird. Es treten daher
keine nennenswerten äußeren Kräfte auf,
die das Grundbauteil oder das Bauteil belasten. Ist die Sitzfläche
an der Unterseite des Bauteils gebildet und auf der Oberseite des
Bauteils ein Gegenkopf angestaucht, so wird der aus dem Gegenkopf
herausragende Teil des Zugdorns, ähnlich wie beim Blindnieten,
durch erhöhte Zugkraft von dem die Verformung bewirkenden
Kopf abgerissen und entfernt. Beide Bauteile sind nunmehr zumindest reibschlüssig,
z. B. durch Lochleibung, oder formschlüssig in der Position
miteinander verbunden, in der sie zuvor spannungsfrei zueinander
positioniert worden sind. Alternativ kann auch der Zugdorn vollständig
aus der verformten Hülse herausgezogen werden.
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Das
Befestigungsende des Befestigungselements kann auf unterschiedliche
Weise, beispielsweise durch Schweißen, Löten,
Kleben oder auch mechanisch, beispielsweise Schrauben, an dem Grundbauteil
befestigt werden. Eine bevorzugte Befestigungsart ist jedoch das
Hubzündungsschweißen, welches sich insbesondere
im Automobilbau bewährt hat und eine stabile und schnell
herstellbare Verbindung von Grundbauteil und Hülse gewährleistet.
Da sich beim Schweißen oder Löten ein Ringwulst
am Befestigungsende des Befestigungs elements ausbilden kann, kann
nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung das Bauteil auf seiner
Unterseite mit einer die Öffnung umgebenden Vertiefung versehen
werden, die den Ringwulst aufnehmen kann. Hierdurch wird gewährleistet,
dass das Bauteil auch nahe der Fügestelle auf dem Grundbauteil
aufliegen und in dieser Lage mit Hilfe des Befestigungselements
gefügt werden kann.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren lässt zwei unterschiedliche
Verfahrensabläufe zu. Nach einem ersten Verfahrensablauf
wird zunächst das Befestigungselement allein an dem Grundbauteil,
beispielsweise durch Schweißen, befestigt. Anschließend wird
dann das Bauteil mit seiner Öffnung auf das Befestigungselement
aufgesteckt und in die vorgegebene Fügeposition gebracht.
Eine alternative Verfahrensweise sieht vor, dass zunächst
das Befestigungselement durch die Öffnung des Bauteils
hindurchgesteckt wird und anschließend die Befestigung
des Befestigungselements an dem Grundbauteil erfolgt. Diese Vorgehensweise
erfordert allerdings entweder ein besonderes Schweißverfahren, beispielsweise
das Widerstandsschweißen, oder ein Bauteil, welches aus
einem elektrisch nicht leitenden Material besteht. Weiterhin ist
es möglich, das Befestigungselement gegenüber
dem Bauteil elektrisch zu isolieren, um es im Bauteil vormontiert
im Hubzündungsverfahren anzuschweißen.
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Das
Befestigungselement umfasst nach der Erfindung eine Hülse
mit einem Befestigungsende und einen in der Hülse angeordneten
und aus dieser herausragenden Zugdorn, durch den die Hülse
zur Vergrößerung ihres Durchmessers plastisch
verformbar ist. Die Hülse weist vorzugsweise einen geschlossenen
Boden auf, der zum Anschweißen, insbesondere mittels elektrischem
Hubzündungsschweißverfahren, ausgebildet ist.
Der Zugdorn hat ein dem Befestigungsende benachbarten Kopf größeren
Durchmessers, einen aus der Hülse herausragenden Schaft
kleineren Durchmessers und zwischen dem Kopf und dem Schaft einen
eingeschnürten Abreißabschnitt, an dem der Schaft
von dem Kopf trennbar ist. Die Hülse des Befestigungselements
hat vorzugsweise eine zylin drische Außenfläche
und ihre Innenfläche umgibt eng anliegend Kopf, Schaft
und Abreißabschnitt des Zugdorns.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen
näher erläutert, die in der Zeichnung dargestellt
sind. Es zeigen
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1 eine
erste Ausführungsform eines Befestigungselements nach der
Erfindung,
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2 eine
zweite Ausführungsform eines Befestigungselements nach
der Erfindung,
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3 einen
Querschnitt durch eine nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren hergestellte Fügeverbindung und
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4 bis 12 eine
schematische Darstellung der einzelnen Stufen bei der Herstellung
einer Fügeverbindung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren.
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Das
in 1 gezeigte Befestigungselement 1 besteht
aus einer zylindrischen Hülse 2 mit einem geschlossenen
Boden 3. In der Hülse 2 befindet sich ein
Zugdorn 4, der einen Kopf 5, einen Schaft 6 und zwischen
diesen einen eingeschnürten Abreißabschnitt 7 aufweist.
Der Kopf 5 grenzt unmittelbar an den Boden 3 an
und hat die Form eines Zylinders. Auf der dem Abreißabschnitt 7 zugewandten
Seite weist der Kopf 5 eine kegelstumpfförmige
Schulter 8 auf, die den Übergang zu dem kleineren
Durchmesser des Abreißabschnitts 7 bildet. Der
Abreißabschnitt 7 ist ebenfalls zylindrisch. An
ihn schließt sich mit einer radialen Schulter der zylindrische
Schaft 6 an, dessen Durchmesser größer
ist als der Durchmesser des Abreißabschnitts 7 und
kleiner als der Durchmesser des Kopfes 5. Der Schaft 6 ragt
mit dem größeren Teil seiner Länge aus
der Hülse 2 heraus und ist an seinem freien Ende
kegelstumpfförmig angefast. Die Länge des Schaftes 6 wird
in erster Linie durch die Gestaltung des Setzwerkzeugs bestimmt,
dessen Backen eine ausreichend große Angriffsfläche
an dem Schaft 6 benötigen, um die zum Verformen
und Abreißen erforderliche Zugkraft auf den Schaft 6 übertragen
zu können.
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Bei
der in 2 gezeigten Ausführungsvariante eines
Befestigungselements 1a ist das freie Ende des Schaftes 6a mit
einer Kugelkappe 9 versehen. Die Kugelkappe 9 hat
einen größeren Durchmesser als der Schaft 6a und
bildet mit ihrer Unterseite eine Schulter 10, an der ein
Werkzeug angreifen kann. Hierdurch kann die axiale Länge
des Schaftes 6a kleiner bleiben. Die Kugelkappe 9 hat
außerdem den Vorteil, dass das Aufsetzen und Einfädeln der Öffnung
des zu montierenden Bauteils erleichtert wird. Der maximale Durchmesser
der Kugelkappe 9 ist nicht größer als
der Außendurchmesser der Hülse 2a.
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Die
Hülse 2a des Befestigungselements 1a hat
einen offenen Boden mit einem gegenüber dem Kopf 5a vorspringenden
Kragen 11, der das Anschweißende bildet. Durch
diese Gestaltung kann die Herstellung des Befestigungselements 1a vereinfacht
werden.
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3 zeigt
eine erfindungsgemäß ausgebildete Fügeverbindung
zwischen einem Grundbauteil 12 und einem Bauteil 14.
Mit Grundbauteil 12 ist hier das Bauteil bezeichnet, an
dem das Befestigungselement 1 vor der plastischen Verformung
durch Schweißen oder auf andere geeignete Weise befestigt
wird. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Grundbauteil 12 wie
auch bei dem Bauteil 14 um Bleche, wie sie im Karosseriebau
der Kraftfahrzeugindustrie verwendet werden.
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An
dem Grundbauteil 12 ist bei der in 3 gezeigten
Ausführung der Boden 3 der Hülse 2 angeschweißt.
Das Bauteil 14 ist für die Montage mit einer Öffnung 15 und
einer durch einen Durchzug gebildeten Vertiefung 16 auf
seiner dem Grundbauteil zugekehrten Unterseite 17 versehen.
Um das Bauteil 14 in der gezeigten Stellung relativ zum
Grundbauteil 12 zu halten, ist durch Aufweiten der Wand
der Hülse 2 eine Sitzfläche 18 gebildet,
an der sich das Bauteil 14 mit seiner Unterseite 17 abstützt.
Auf der Oberseite 19 des Bauteils 14 bildet der
durch Stauchen verformte obere Randbereich der Hülse 2 einen
ringförmigen Gegenkopf 20, der den Rand der Öffnung 15 übergreift
und dadurch das Bauteil 14 an der Sitzfläche 18 festhält.
Der Kopf 5 des Zugdorns 4 wurde beim Aufweiten
der Hülse 2 bis in die in der Zeichnung dargestellte
Position gezogen. Durch den Widerstand, den das Bauteil 14 an
dieser Stelle dem weiteren Aufweiten der Hülse 2 entgegensetzt,
ließ sich der Kopf 5 nicht weiter nach oben bewegen,
so dass nach einer gewissen Erhöhung der auf den Zugdorn
einwirkenden Zugkraft und einer damit verbundenen Stauchung des
Gegenkopfes 20 der Schaft des Zugdorns 4 an dem
Abreißabschnitt 7 abgerissen ist.
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Das
Herstellen der in 3 gezeigten Fügeverbindung
wird nachfolgend anhand der 4 bis 12 beschrieben.
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In 4 wird
das Befestigungselement 1 mittels einer Schweißvorrichtung 30 nach
dem elektrischen Hubzündungsschweißverfahren mit
dem Boden 3 auf das Grundbauteil 12 aufgeschweißt.
Der Schweißstrom kann hierbei über den Zugdorn 4 auf die
Hülse 2 übertragen werden, da der elektrische Kontakt
zwischen beiden Teilen sehr gut ist.
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5 zeigt
das an das Grundbauteil 12 angeschweißte Befestigungselement 1 nach
Entfernen der Schweißvorrichtung 30.
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Im
nächsten Schritt wird, wie aus 6 zu ersehen,
das Bauteil 14 mit seiner Öffnung 15 auf
der Hülse 2 des aufgeschweißten Befestigungselements 1 positioniert.
Die Lage, die das Bauteil 14 hierbei einnimmt, entspricht
der spannungsfreien Lage, die sich aus verschiedenen, in der Zeichnung
nicht sichtbaren Kontaktstellen zwischen dem Grundbauteil 12 und
dem Bauteil 14 ergibt.
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Anschließend,
wie 7 zeigt, wird ein Setzwerkzeug mit seinem Mundstück 32 auf
den Schaft 6 des Zugdorns 4 aufgesteckt und mit
seiner Stirnfläche 33 bis zur Anlage an der Stirnseite
der Hülse 2 gebracht.
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In
den 8 und 9 wird der Schaft 6 des Zugdorns 4 in
das Mundstück 32 hineingezogen, wobei sich das
Setzwerkzeug an der Hülse 2 abstützt. Hierbei
wird durch den Kopf 5 der zwischen dem Grundbauteil 12 und
dem Bauteil 14 befindliche Bereich der Hülse 2 von
unten nach oben fortschreitend plastisch verformt und auf einen
größeren Durchmesser aufgeweitet. In 9 beginnt
der durch den Kopf 5 aufgeweitete Bereich der Hülse 2 sich
an der Öffnung 15 des Bauteils 14 abzustützen,
so dass der Widerstand, den die Hülse 2 dem Aufweiten
durch den Kopf 5 entgegensetzt, größer
wird. Die Zugkraft an dem Zugdorn 4 und die Abstützkraft
an dem Mundstück 32 steigen entsprechend an. Dies
hat zur Folge, wie aus 10 zu ersehen, dass das Material der
Hülse 2 nun auf beiden Seiten der Öffnung 15 des Bauteils 14 gestaucht
wird und Lochleibung zwischen der Hülse 2 und
dem Rand der Öffnung 15 eintritt.
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Die
weitere Steigerung der Zugkraft an dem Zugdorn 4 und damit
auch der dieser entgegengesetzten Abstützkraft an dem Mundstück 32 bewirken die
vollständige Ausbildung der Sitzfläche 18 und
des Gegenkopfs 20, wie in 11 gezeigt.
Schließlich reißt der Abreißabschnitt 7,
wodurch der Schaft des Zugdorns 4 in das Setzwerkzeug eingezogen
wird, siehe 12.
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Das
beschriebene Fügeverfahren hat eine Reihe von Vorteilen.
Wesentlich ist zunächst, dass ein zwischen dem Grundbauteil
und dem Bauteil vorhandener Spalt in seiner Größe
beim Fügevorgang erhalten bleibt, die Bauteile also nicht
verspannt werden. Die Größe des Spalts zwischen
dem Grundbauteil und dem Bauteil kann zwischen Null und einem Maß variieren,
das durch die Länge der Hülse begrenzt wird. Auf
der Rückseite des Grundbauteils ergibt sich kein Überstand
und der gesamte Fügevorgang kann von einer Seite des Grundbauteils
aus erfolgen. Im Grundbauteil ist keine Öffnung erforderlich,
so dass die Dichtig keit der Verbindung am Grundbauteil in jedem
Fall gewährleistet ist. Das exakte Ausrichten zweier Löcher,
eines im Grundbauteil und eines im Bauteil, wie es bei Niet- oder
Schraubverbindungen erforderlich ist, entfällt. Zur Herstellung der
Fügeverbindung kommt nur ein einziges Befestigungselement
zum Einsatz, in welchem die anzuwendenden Fügefunktionen
integriert sind. Das Herstellen der Fügeverbindung nutzt
vorhandene und erprobte Technologien wie das Bolzenschweißen
zum Anschweißen der Hülse und das Verformen des
Befestigungselements mit Hilfe eines Zugwerkzeugs, wie es zum Setzen
von Blindnieten bekannt ist. Die Verbindung ist unlösbar
und schwingungsfest und ihre Herstellung ist kostengünstig.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005006253
B4 [0002]
- - DE 1084766 T5 [0003]