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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Ermittlung der Festigkeit einer Fügeverbindung der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
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Die
DE 44 01 134 C2 zeigt ein Verfahren zum Überwachen eines Nietvorgangs. Während eines Setzvorgangs eines Nietes wird eine durch den Niet geflossene Kraftkomponente sowie ein von einer Setzvorrichtung dabei ausgeführten Hubbewegung gemessen. Die gewonnenen Messwerte werden mit Referenzwerten verglichen, wonach der Setzvorgang des Nietes bewertet werden kann.
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Zum einen ist es mit diesem Verfahren lediglich möglich, für Nietvorgänge eine Güte der Nietverbindung abzuschätzen, zum anderen kann keine exakte Aussage hinsichtlich der Verbindungsfestigkeit getroffen werden, da diese nicht unmittelbar mit dem Verfahren gemessen wird.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchen die Festigkeit einer Fügeverbindung ermittelt werden kann.
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Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Ermittlung der Festigkeit einer Fügeverbindung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren zur Ermittlung der Festigkeit einer Fügeverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, welche durch ein Fügeelement miteinander verbunden sind, zeichnet sich dadurch aus, dass in Richtung einer Längsachse des Fügeelements eine erste Prüfkraft auf einen aus dem zweiten Bauteil herausragenden Endbereich des Fügeelements ausgeübt und gleichzeitig eine der ersten Prüfkraft entgegengerichtete zweite Prüfkraft auf einen Bereich des zweiten Bauteils ausgeübt wird, wobei die erste und die zweite Prüfkraft so lange erhöht werden, bis das Fügeelement zumindest im Wesentlichen aus dem zweiten Bauteil herausbefördert ist. Die Längsachse des Fügeelements entspricht dabei der Fügerichtung und verläuft dabei näherungsweise senkrecht zu den Oberflächen der beiden Bauteile in einem Fügebereich.
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Während also beim Verfahren gemäß der
DE 44 01 134 C2 Kräfte und Wege gemessen werden, welche beim Herstellen der Fügeverbindung auftreten, ist es demgegenüber erfindungsgemäß vorgesehen, eine bereits hergestellte Fügeverbindung wieder voneinander zu trennen. Durch eine Auswertung der aufgewendeten Prüfkräfte kann auf besonders einfache Weise die Festigkeit, insbesondere die Zugfestigkeit, der Fügeverbindung ermittelt werden. Zudem ist das erfindungsgemäße Verfahren bei einer Vielzahl von Fügeverbindungen anwendbar, wobei insbesondere solche Fügeverbindungen hinsichtlich ihrer Festigkeit überprüft werden können, welche mit Nägeln, Fließlochschrauben oder Vollstanznieten hergestellt worden sind. Bei den mit Nägeln hergestellten Fügeverbindungen kann es sich dabei insbesondere um so genannte RIVTAC-Verbindungen handeln, bei welchen zwei aufeinander liegende Bleche mittels eines mit hoher Geschwindigkeit durch beide Bleche hindurch getriebenen Nagels verbunden werden.
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Somit ist ein Verfahren zur Ermittlung der Festigkeit einer Fügeverbindung geschaffen, mittels welchem Festigkeiten, insbesondere Zugfestigkeiten, von Fügeverbindungen auf zuverlässige und reproduzierbare Art und Weise ermittelt werden können. Es können nicht nur Zweiblechverbindungen, sondern auch Drei- und Mehrblechverbindungen geprüft werden. In diesem Fall ist unter dem Begriff des „zweiten” Bauteils das „in Fügerichtung zuunterst liegende” Bauteil zu verstehen.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird der Verlauf der aufgewendeten ersten Prüfkraft und/oder der zweiten Prüfkraft gemessen. Mittels einer Analyse des Verlaufs der aufgewendeten Prüfkräfte kann die Festigkeit der Fügeverbindung auf besonders einfache Weise ermittelt werden, da das Maximum des Kraftverlaufs der Trennkraft entspricht, aus welcher unmittelbar die Festigkeit der Fügeverbindung abgeleitet werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass ein Maximalwert der aufgewendeten ersten Prüfkraft und/oder der zweiten Prüfkraft mit einem Schwellwert verglichen wird. Wenn der Maximalwert, welcher der Trennkraft entspricht, oberhalb des vorgegebenen Schwellwerts liegt, wird auf einfache Weise festgestellt, dass die Fügeverbindung qualitativ in Ordnung ist. Dieser Schwellwert kann beispielsweise durch eine Simulation und/oder durch entsprechende Tests ermittelt werden, wobei der Schwellwert je nach dem, in welchem Anwendungszusammenhang die Fügeverbindung eingesetzt wird, festzulegen ist.
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Zweckmäßigerweise wird vor dem Ausüben der Prüfkräfte eine Probe aus der Fügeverbindung herausgetrennt, welche zumindest einen Fügebereich der Fügeverbindung umfasst, in welchem die Bauteile durch das Fügeelement miteinander verbunden sind. Da die so gewonnene Probe kleiner in ihren Abmessungen als die beiden miteinander gefügten Bauteile ist, kann diese während des Verfahrens zur Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung wesentlich einfacher gehandhabt werden, sodass ein einfacherer und schnellerer Verfahrensablauf sichergestellt werden kann.
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Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass beim Heraustrennen der Probe ein erster Probebereich des ersten Bauteils mit einer geringeren Fläche als ein zweiter Probebereich des zweiten Bauteils herausgetrennt wird, wonach ein zumindest im Wesentlichen ringförmiger Bereich des zweiten Probebereichs den ersten Probebereich überragt und die zweite Prüfkraft anschließend auf den ringförmigen Bereich ausgeübt wird. Mit anderen Worten wird somit die erste Prüfkraft auf den aus dem zweiten Bauteil herausragenden Endbereich des Fügeelements ausgeübt und die zweite Prüfkraft, welche einer Gegenkraft der ersten Prüfkraft entspricht, auf den ringförmigen Bereich des zweiten Probebereichs ausgeübt. Die Kräfte werden so lange ausgeübt bzw. erhöht, bis das erste Bauteil mitsamt dem Fügeelement von dem zweiten Bauteil getrennt ist. Diese Messung gibt Auskunft über die eigentliche Qualität der Fügeverbindung, da die Verbindung des Fügeelements zum zweiten Bauteil im Wesentlichen für die Festigkeit der Fügeverbindung verantwortlich ist. Dadurch kann eine besonders exakte und zuverlässige Aussage hinsichtlich der Festigkeit der Fügeverbindung getroffen werden. Der aus dem zweiten Probebereich des zweiten Bauteils herausgetrennte Bereich braucht nicht ringförmig zu sein, sondern kann auch jede andere Form haben, kann insbesondere auch rechteckig sein.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass beim Ausüben der Prüfkräfte die Probe mit dem ringförmigen Bereich auf einer zylinderförmigen Prüfeinrichtung abgestützt wird, während der zweite Probebereich der Prüfeinrichtung zugewandt ist, in diese hineinragt und sie nicht berührt. Dadurch muss die zweite Prüfkraft nicht mehr aktiv aufgebracht werden, da die zylinderförmige Prüfeinrichtung während des Verfahrens als abstützendes Lager dient, sodass lediglich nur noch die erste Prüfkraft aktiv aufgebracht werden muss. Dies vereinfacht insgesamt den Verfahrensablauf zur Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung, so dass das Verfahren exakter und schneller durchgeführt werden kann.
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Schließlich sieht eine weitere vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung vor, dass, falls während einer Herstellung der Fügeverbindung zwischen dem ersten Bauteil und dem zweiten Bauteil ein Klebstoff aufgetragen wird und anschließend die Bauteile durch das Fügeelement miteinander verbunden werden, die Prüfkräfte noch vor einem Aushärten des Klebstoffes ausgeübt werden. Mit anderen Worten wird die Festigkeitsprüfung der Fügeverbindung vor dem Aushärten des Klebstoffs durchgeführt, da die Zugfestigkeit der Fügeverbindung im ausgehärteten Zustand des Klebstoffes im Wesentlichen durch die Klebverbindung bestimmt wird, deren Zugfestigkeit von den Klebstoffeigenschaften und der Klebefläche abhängt. Eine Festigkeitsprüfung im ausgehärteten Zustand der Klebeverbindung würde daher keine Aussage über die Qualität der mittels des Fügeelements hergestellten Fügeverbindung liefern. Insgesamt wird also sichergestellt, dass eine exakte Festigkeitsaussage hinsichtlich der Fügeverbindung getroffen werden kann, welche durch das Fügeelement bestimmt ist.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels sowie anhand der Zeichnung. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Perspektivansicht auf eine Fügeverbindung zwischen einem ersten Bauteil und einem zweiten Bauteil, welche durch ein Fügeelement der Fügeverbindung miteinander verbunden sind;
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2 eine aus der in 1 gezeigten Fügeverbindung herausgetrennte Probe in einer Draufsicht, wobei ein aus dem ersten Bauteil herausgetrennter erster Probebereich eine geringere Fläche als ein zweiter aus dem zweiten Bauteil herausgetrennter Probebereich aufweist, sodass der zweite Probebereich einen ringförmigen Bereich aufweist, welcher den ersten Probebereich überragt;
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3 eine perspektivische Seitenansicht eines Prüfaufbaus zur Ermittlung der Festigkeit der in 2 gezeigten Probe der Fügeverbindung, wobei die Probe auf einer zylinderförmigen Prüfeinrichtung positioniert und das Fügeelement mit einer ersten Prüfkraft mittels einer weiteren Prüfeinrichtung beaufschlagt ist und;
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4 zwei Schnittansichten der in den 2 und 3 gezeigten Probe, anhand welchen die Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung gezeigt ist.
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1 zeigt in einer schematischen Perspektivansicht eine Fügeverbindung 10 zwischen einem ersten Bauteil 12 und einem zweiten Bauteil 14, welche durch ein Fügeelement 16 miteinander verbunden sind. Bei dieser Fügeverbindung 10 handelt es sich um eine sogenannte RIVTAC-Verbindung, bei welcher das erste Bauteil 12 sowie das zweite Bauteil 14 als Bleche ausgebildet sind, die während eines Herstellvorgangs miteinander verklebt und anschließend mithilfe des als Nagel ausgebildeten Fügeelements 16 verbunden werden, indem dieser mit hoher Geschwindigkeit in die beiden Bauteile 12, 14 eingetrieben wird. Weiterhin ist ein Kopf 18 des als Nagel ausgebildeten Fügeelements 16 zu erkennen, welcher auf einer hier nicht näher bezeichneten Oberfläche des ersten Bauteils 12 anliegt.
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In 2 ist eine Aufsicht auf eine Probe 20 gezeigt, die aus der in 1 gezeigten Fügeverbindung 10 herausgetrenntwurde. Die Probe 20 umfasst dabei zumindest einen Fügebereich der Fügeverbindung 10, in welchem die Bauteile 12, 14 durch das Fügeelement 16 miteinander verbunden sind. Beim Heraustrennen der Probe 20 wird ein erster Probebereich 22 des ersten Bauteils 12 mit einer geringeren Fläche als ein zweiter Probebereich 24 des zweiten Bauteils 14 aus der Fügeverbindung 10 herausgetrennt, wobei ein zumindest im Wesentlichen ringförmiger Bereich 26 des zweiten Probebereichs 24 den ersten Probebereich 22 überragt. Zum Durchtrennen bzw. Heraustrennen des ersten und zweiten Probebereichs 22, 24 können beispielsweise unterschiedliche Hartmetall-Lochschneider mit entsprechenden Durchmessern verwendet werden. Dadurch, dass die herausgetrennte Probe 20 geringere Abmessungen als die Fügeverbindung 10 aufweist, lässt sich diese einfacher handhaben, sodass an der Probe 20 durchzuführende Prüfschritte zur Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung einfacher durchgeführt werden können.
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In 3 ist ein Prüfaufbau 28 zur Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung 10 in einer perspektivischen Seitenansicht gezeigt. Die in 2 gezeigte Probe 20 ist dabei auf einem ringförmigen Bereich 30 einer zylinderförmigen Prüfeinrichtung 32 abgelegt, während der erste Probebereich 22 der Prüfeinrichtung 32 zugewandt ist, in den ringförmigen Bereich 30 der Prüfeinrichtung 32 hineinragt und diese nicht berührt. Eine hier nicht näher bezeichnete Unterseite des zweiten Probebereichs 24 ist dabei einer oberhalb der zylinderförmigen Prüfeinrichtung 32 angeordneten Prüfeinrichtung 34 zugewandt. Mittels der Prüfeinrichtung 34 wird eine mit dem Pfeil 36 gekennzeichnete erste Prüfkraft auf das Fügeelement 16 ausgeübt, dessen Schaft 38 bzw. Spitze aus dem zweiten Probebereich 24 herausragt. Die Prüfeinrichtung 34 übt somit die erste Prüfkraft 36 auf einen in 3 nicht dargestellten Endbereich 40 des Fügeelements 16 aus, während die Prüfeinrichtung 32 den zweiten Probebereich 24 fixiert.
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In 4 ist anhand von zwei Schnittdarstellungen der in den 2 und 3 gezeigten Probe 20 ein Verfahrensablauf zur Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung 10 gezeigt. Das Fügeelement 16 ist im Bereich des Schafts 38 mit einer Riffelung versehen. Zwischen dem ersten und zweiten Probebereich 22, 24 ist im vorliegenden Fall ein Klebstoff 42 aufgetragen, wobei die Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung 10 bzw. der hier gezeigten Probe 20 noch vor dem Aushärten des Klebstoffs 42 durchgeführt wird. In Richtung der Längsachse 44 des Fügeelements 16 wird die erste Prüfkraft 36 auf einen aus dem zweiten Bauteil 14 bzw. dem zweiten Probebereich 24 herausragenden Endbereich 40 des Fügeelements 16 ausgeübt und gleichzeitig eine der ersten Prüfkraft 36 entgegen gerichtete zweite Prüfkraft 46 auf einen Bereich 26, im vorliegenden Fall auf den ringförmigen Bereich 26, des zweiten Bauteils 14 bzw. des zweiten Probebereichs 24 ausgeübt. Die erste und die zweite Prüfkraft 36, 46 werden so lange erhöht, bis das Fügeelement 16 zumindest im Wesentlichen aus dem zweiten Bauteil 14 bzw. im vorliegenden Fall aus dem zweiten Probebereich 24 herausbefördert ist. Währenddessen wird der Verlauf der aufgewendeten ersten Prüfkraft 36 gemessen, wobei im Prüfaufbau 28 gemäß der 3 die zweite Prüfkraft 46 nicht aktiv aufgebracht wird, da die Probe 20 wie bereits erläutert auf dem ringförmigen Bereich 30 der zylinderförmigen Prüfeinrichtung 32 gelagert ist. Bei einem anderen Prüfaufbau ist es allerdings auch denkbar, dass die zweite Prüfkraft 46 ebenfalls aktiv aufzubringen ist, wobei deren Verlauf dann ebenfalls während der Ermittlung der Festigkeit der Fügeverbindung 10 gemessen werden kann.
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Ein Maximalwert der aufgewendeten ersten Prüfkraft 36 und/oder der zweiten Prüfkraft 46 wird anschließend mit einem Schwellwert verglichen. Der Maximalwert entspricht dabei derjenigen Trennkraft, die dazu notwendig ist, das Fügeelement 16 zumindest im Wesentlichen aus dem zweiten Bauteil 14 bzw. dem zweiten Probebereich 24 herauszutrennen. Somit ist dieser Maximalwert ein Kennwert für die Festigkeit bzw. Zugfestigkeit der Fügeverbindung 10. Welcher Schwellwert für einevorgegebene Fügesituation angemessen ist, kann beispielsweise in Form von Simulationen oder Tests ermittelt werden. Der Schwellwert hängt davon ab, welchen Belastungen die Fügeverbindung 10 ausgesetzt werden soll. Für den Fall, dass der gemessene Maximalwert den vorgegebenen Schwellwert überschreitet, weist die Fügeverbindung 10 die geforderte Festigkeit auf.
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Zur Ermittlung der Festigkeit einer Fügeverbindung wird mit Hilfe des Prüfaufbaus 28 eine in Fügerichtung wirkende Kraft auf das zweite Bauteil 14 bzw. den zweiten Probebereich 24 unter Aufbringung der ersten Prüfkraft 36 auf den Endbereich 40 des Fügeelements 16 ausgeübt, so lange, bis das erste Bauteil 12 bzw. der erste Probebereich 22 mitsamt dem Fügeelement 16 von dem zweiten Bauteil 14 bzw. dem zweiten Probebereich 24 getrennt ist. Dabei aufgenommene Messwerte hinsichtlich der aufgebrachten ersten Prüfkraft 36 geben Auskunft über die eigentliche Qualität der Fügeverbindung 10, da die Verbindung des Fügeelements 16 zum unteren Blech, also im zweiten Bauteil 14 bzw. zum zweiten Probebereich 24, im Wesentlichen für die Festigkeit der Fügeverbindung 10 verantwortlich ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4401134 C2 [0002, 0007]
