DE202012009279U1 - Joint connection between two components, rivet sleeve and blind rivet for such a joint connection - Google Patents
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Abstract
Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, von denen vorzugsweise zumindest eines aus einem faserverstärkten Kunststoff (Laminat) besteht, wobei die Bauteile mit Hilfe zumindest eines Blindnietes miteinander verbunden sind, wobei der Blindniet eine Niethülse sowie einen Nietdorn aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Niethülse, insbesondere ein Hülsenschaft mehrlagig ausgebildet ist mit einer inneren Lage aus einem höherfesten Material und einer äußeren Lage aus einem geringerfesten Material.Joint connection between two components, in particular for a motor vehicle, of which preferably at least one made of a fiber-reinforced plastic (laminate), wherein the components are connected to each other by means of at least one blind rivet, wherein the blind rivet has a rivet and a rivet mandrel, characterized in that the rivet sleeve, in particular a sleeve shank is formed multi-layered with an inner layer of a higher-strength material and an outer layer of a low-strength material.
Description
Die Erfindung betrifft eine Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere für ein Kraftfahrzeug, von denen zumindest eines aus einem faserverstärkten Kunststoff besteht. Die Erfindung betrifft weiterhin einen Blindniet für eine derartige Fügeverbindung.The invention relates to a joint connection between two components, in particular for a motor vehicle, of which at least one consists of a fiber-reinforced plastic. The invention further relates to a blind rivet for such a joint connection.
Aufgrund des angestrebten Leichtbaus, insbesondere im Kraftfahrzeugbereich gehen die Bestrebungen dahin, im Kraftfahrzeug Faserverbundwerkstoffe einzusetzen, die bei geringem spezifischem Gewicht sehr gute mechanische Eigenschaften zeigen. Im Vergleich zu heute noch üblicherweise in der Großserie verwendeten Stahlblechen lassen sich derartige Faserverbundwerkstoffe, beispielsweise CFK-Bauteile, nur mit hohem Aufwand aneinander oder an weiteren Bauteilen befestigen. Aufgrund des hohen Automatisierungsgrades in der Automobilindustrie muss ein Fügeverfahren einen hohen Prozesstakt erlauben und darüber hinaus auch fehlertolerant im Hinblick auf Justierungenauigkeiten der zu fügenden Bauteile sein.Due to the desired lightweight construction, especially in the automotive sector, efforts are being made to use fiber composite materials in the motor vehicle which exhibit very good mechanical properties with a low specific weight. In comparison to steel sheets still commonly used in mass production today, such fiber composite materials, for example CFRP components, can be fastened to one another or to other components only with great effort. Due to the high level of automation in the automotive industry, a joining process must allow a high process cycle and, moreover, be fault-tolerant with regard to alignment inaccuracies of the components to be joined.
Hiervon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Fügeverbindung zwischen zwei Bauteilen, insbesondere Bauteilen für den Kraftfahrzeugbereich zu ermöglichen, bei denen zumindest eines der Bauteile ein Faserverbundwerkstoff-Bauteil ist.Proceeding from this, the object of the invention is to enable a joint connection between two components, in particular components for the motor vehicle sector, in which at least one of the components is a fiber composite component.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Fügeverbindung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.The object is achieved according to the invention by a joint connection with the features of claim 1.
Bevorzugte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen niedergelegt. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß weiterhin gelöst durch eine Niethülse sowie einen Blindniet gemäß den weiteren unabhängigen Ansprüchen.Preferred developments are laid down in the subclaims. The object is further achieved by a rivet and a blind rivet according to the further independent claims.
Danach ist vorgesehen, dass die Niethülse einen mehrlagigen, insbesondere zweilagigen Aufbau, zumindest im Bereich des Hülsenschafts zeigt, wobei die beiden Lagen aus Materialien mit unterschiedlicher Festigkeit ausgebildet sind und die äußere, an den zu verbindenden Bauteilen anliegende Lage aus einem Material mit geringerer Festigkeit besteht.Thereafter, it is provided that the rivet sleeve shows a multilayer, in particular two-layered structure, at least in the region of the sleeve shaft, wherein the two layers are formed of materials with different strength and the outer, applied to the components to be joined layer consists of a material with lower strength ,
Die äußere Lage ist also im Vergleich zu der inneren Lage deutlich weicher ausgebildet, so dass beim Setzvorgang die auf die Bauteile, insbesondere auf die Kanten am Lochrand nur vergleichsweise geringe Kräfte ausgeübt werden, so dass beim Setzvorgang eine Beschädigung des faserverstärkten Bauteils (CFK-Bauteil), insbesondere eine sogenannte Delamination, vermieden ist.The outer layer is therefore formed significantly softer compared to the inner layer, so that only relatively small forces are exerted on the components, in particular on the edges at the edge of the hole, so that during the setting process damage to the fiber-reinforced component (CFRP component ), in particular a so-called delamination, is avoided.
Die äußere Lage bildet daher gleichsam eine Schutzschicht für die Bauteile. Gleichzeitig wird durch die höherfeste innere Lage der Niethülse eine ausreichende Festigkeit der Gesamtniethülse erreicht. Durch die Aufteilung in zwei unterschiedliche Lagen können daher die Eigenschaften der Niethülse an unterschiedliche, teilweise gegenläufige Anforderungen optimal angepasst werden.The outer layer thus forms as it were a protective layer for the components. At the same time sufficient strength of the Gesamtriethülse is achieved by the higher-strength inner layer of the rivet. Due to the division into two different layers, therefore, the properties of the rivet can be optimally adapted to different, partially opposing requirements.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Niethülse sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Preferred embodiments of the rivet sleeve can be found in the subclaims.
Danach ist insbesondere vorgesehen, dass die innere Lage aus einem vorzugsweise korrosionsfesten Metall, insbesondere aus Edelstahl besteht. Die Festigkeit der Niethülse lässt sich – insbesondere auch bei gleicher Wandstärke – durch Wärmebehandlung (Aushärtung) in gewünschten Bereichen einstellen, so dass eine Niethülse mit gleichen Dimensionen für unterschiedliche Einsatzgebiete (Festigkeitsanforderungen) herangezogen werden kann.Thereafter, it is provided in particular that the inner layer consists of a preferably corrosion-resistant metal, in particular stainless steel. The strength of the rivet sleeve can be adjusted - in particular for the same wall thickness - by heat treatment (curing) in desired areas, so that a rivet sleeve with the same dimensions for different applications (strength requirements) can be used.
Die äußere Lage besteht vorzugsweise aus einem Kunststoff, insbesondere einem unverstärkten Kunststoff wie bspw. Polyamid oder dergleichen.The outer layer is preferably made of a plastic, in particular an unreinforced plastic such as polyamide or the like.
Die innere Lage weist aber allgemein eine deutlich höhere Festigkeit als die äußere Lage auf, die Festigkeiten unterscheiden sich hierbei um ein Vielfaches, zumindest um das 2 bis 5 fache.However, the inner layer generally has a much higher strength than the outer layer, the strengths differ in this case many times, at least by 2 to 5 times.
Zweckdienlicher Weise ist weiterhin auch eine unterschiedliche Wandstärke für die unterschiedlichen Lagen vorgesehen, wobei insbesondere die innere Lage eine deutlich geringere Wandstärke aufweist. Die Wandstärke der inneren Lage beträgt dabei vorzugsweise weniger als 0,5 mm und liegt insbesondere unterhalb 0,2 mm oder 0,1 mm.Conveniently, a different wall thickness for the different layers is furthermore provided, wherein in particular the inner layer has a significantly smaller wall thickness. The wall thickness of the inner layer is preferably less than 0.5 mm and is in particular below 0.2 mm or 0.1 mm.
Die äußere Lage weist demgegenüber zweckdienlicher Weise eine Wandstärke > 0,5 mm, insbesondere > 0,75 mm oder auch > 1 mm auf. Durch die vergleichsweise dicke Wandstärke ist ein zuverlässiger Schutz der Bauteile gewährleistet.The outer layer, by contrast, expediently has a wall thickness> 0.5 mm, in particular> 0.75 mm or even> 1 mm. The comparatively thick wall thickness ensures reliable protection of the components.
Die äußere Lage ist dabei insbesondere nach Art eines umspritzten Mantels ausgebildet, d. h., die äußere Lage wird zweckdienlicher Weise in einem Kunstsoff-Spritzprozess aufgebracht. Die äußere Lage ist dabei insbesondere an der Niethülse ausgebildet und erstreckt sich vorzugsweise über die gesamte Hülse, ist also auch auf der Unterseite des Setzkopfes der Niethülse ausgebildet und liegt mit der äußeren Lage damit auf dem oberen Bauteil der Fügeverbindung plan auf.The outer layer is formed in particular in the manner of an overmolded shell, d. that is, the outer layer is expediently applied in an art-spraying process. The outer layer is formed in particular on the rivet sleeve and preferably extends over the entire sleeve, so it is also formed on the underside of the setting head of the rivet and lies with the outer layer thus on the upper component of the joint flat on.
Weiterhin erfolgt über die im Vergleich zu den Bauteilen weichere äußere Lage der Hülse vorzugsweise eine Abdichtung über die Niethülse, so dass die Nietverbindung insgesamt die Bauteile dichtend verbindet. Die Abdichtwirkung wird durch die weichere Hülse erzielt, die sich dadurch beim Setzvorgang an die härteren Bauteile sowie auch an den härteren Restdorn dichtend anschmiegt.Furthermore, a seal over the rivet sleeve is preferably carried out via the outer layer of the sleeve, which is softer than that of the components, so that the riveted connection seals the components as a whole combines. The sealing effect is achieved by the softer sleeve, which thereby conforms sealingly during the setting process to the harder components as well as to the harder residual mandrel.
Der Blindniet ist dabei vorzugsweise korrosionsbeständig und weiterhin ist zumindest die äußere Lage der Niethülse elektrisch isolierend. Insbesondere bei einer Mischverbindung von Bauteilen unterschiedlicher Materialien, also insbesondere bei einer Verbindung eines Metall-Bauteils mit dem CFK-Bauteils ist eine elektrische Isolation der beiden Bauteile voneinander wesentlich, um eine Korrosion des metallischen Bauteils zu verhindern.The blind rivet is preferably corrosion-resistant and furthermore, at least the outer layer of the rivet sleeve is electrically insulating. In particular, in a mixed connection of components of different materials, ie in particular in a compound of a metal component with the CFRP component electrical insulation of the two components is essential to each other to prevent corrosion of the metallic component.
Bei der Herstellung von Kraftfahrzeug-Bauteilen wird heutzutage üblicherweise derart vorgegangen, dass die gesamte Karosserie in ein Bad zur Aufbringung eines Schutzlackes eingetaucht wird, nämlich in ein sogenanntes KTL-Bad (kathodische Tauch-Lackierung). In diesem Bad herrscht eine Temperatur im Bereich von etwa 180 bis 190°C. Die Karosserie wird darin etwa für eine halbe Stunde eingetaucht.Nowadays, in the production of motor vehicle components, the procedure is usually such that the entire body is immersed in a bath for applying a protective lacquer, namely in a so-called cathodic dip bath (cathodic dip coating). In this bath, a temperature in the range of about 180 to 190 ° C prevails. The body is immersed in it for about half an hour.
Der Blindniet muss entsprechend Temperaturbeständig sein, um dieser Belastung stand zu halten.The blind rivet must be temperature resistant in order to withstand this load.
Die beiden Bauteile werden bevorzugt mit Hilfe eines Klebers vollflächig miteinander verklebt. Bei dem Kleber handelt es sich hierbei um einen wärmeaushärtenden Kleber. Die Aushärtung erfolgt vorzugsweise im KTL-Bad.The two components are preferably glued together with the help of an adhesive over the entire surface. The adhesive is a thermosetting adhesive. Curing is preferably carried out in the cathodic dip bath.
Die Blindniete, über die die beiden Bauteile miteinander verbunden sind, dienen daher zur Fixierung der beiden Bauteile aneinander, bis der Kleber ausgehärtet ist.The blind rivets, via which the two components are connected to each other, therefore serve to fix the two components together until the adhesive has cured.
Ergänzend tragen die Blindnieten drüber hinaus bei fertiggestellter Fügeverbindung zur Festigkeit der Fügeverbindung bei. Insbesondere gilt dies für in Axialrichtung, also senkrecht zu den Bauteiloberflächen auftretende Kräfte. Die Kräfte parallel zu der Verbindungsebene zwischen den beiden Bauteilen werden üblicherweise bereits sehr gut über die Klebeverbindung aufgenommen. Zumal da die CFK-Bauteile als typischerweise laminierte Bauteile ein mit Kunststoffharz getränktes Gewebe aufweisen, welches vorzugsweise in alle Raumrichtungen in gleicher Weise belastbar ist.In addition, the blind rivets moreover contribute to the strength of the joint connection when the joint connection has been completed. This applies in particular to forces occurring in the axial direction, ie perpendicular to the component surfaces. The forces parallel to the connecting plane between the two components are usually already very well received via the adhesive bond. Especially since the CFRP components typically have laminated components impregnated with plastic resin tissue, which is preferably in all directions in the same way resilient.
Der Nietdorn weist vorzugsweise im Vergleich zu der Niethülse eine erhöhte Festigkeit auf. Insbesondere besteht er aus Edelstahl. Grundsätzlich kann auch ein Nietdorn aus Stahl eingesetzt wird. Allerdings besteht hierbei unter Umständen das Problem der Korrosion, insbesondere der Bruchstelle des Restdorns nach dem Setzvorgang.The rivet mandrel preferably has increased strength compared to the rivet sleeve. In particular, it is made of stainless steel. Basically, a rivet pin made of steel is used. However, under certain circumstances there is the problem of corrosion, in particular the breaking point of the residual mandrel after the setting process.
Generell ist der Blindniet vorzugsweise derart ausgebildet, dass eine möglichst große Auflagefläche sowohl auf Seiten des Setzkopfes als auch auf Seiten des Schließkopfes ausgebildet werden, um die Flächenpresskraft pro Flächeneinheit gering zu halten, um eine Beschädigung des CFK-Bauteils möglichst zu vermeiden.In general, the blind rivet is preferably designed such that as large a contact surface as possible is formed both on the sides of the setting head and on the sides of the closing head in order to keep the surface pressure per unit area small, in order to avoid damage to the CFRP component as far as possible.
In zweckdienlicher Ausgestaltung ist hierzu vorgesehen, dass die Wandung der über den Dornkopf zu verformenden Niethülse vergleichsweise groß ist. Es wird also eine vergleichsweise dickwandige Niethülse eingesetzt um einen möglichst breiten Schließkopf zu erreichen. Der Vergleich bezieht sich hierbei auf herkömmliche Stahlnieten. Insbesondere ist dabei vorgesehen, dass die Wandstärke der Niethülse im Vergleich zu dem Durchmesser des Nietdorns sehr groß ist und beispielsweise zumindest 70% des Durchmessers des Restdorns und darüber hinausgehend beispielsweise größer als der Durchmesser des Restdorns ist.In an expedient embodiment, it is provided for this purpose that the wall of the rivet sleeve to be deformed via the mandrel head is comparatively large. Thus, a comparatively thick-walled rivet sleeve is used in order to achieve the widest possible closing head. The comparison refers here to conventional steel rivets. In particular, it is provided that the wall thickness of the rivet sleeve in comparison to the diameter of the mandrel is very large and, for example, at least 70% of the diameter of the mandrel and beyond, for example, greater than the diameter of the residual mandrel.
Um ein fehlertolerantes, automatisiertes Fügen mit hoher Taktgeschwindigkeit zu ermöglichen ist insbesondere vorgesehen, dass das obere, dem Setzkopf zugewandte Bauteil einen größeren Lochdurchmesser aufweist als das darunter liegende (CFK-)Bauteil. Dadurch können Lageungenauigkeiten der beiden zueinander orientierten Bauteile problemlos ausgeglichen werden, ohne dass Scherkräfte auf den Blindniet einwirken.In order to enable a fault-tolerant, automated joining with high cycle speed is provided in particular that the upper, the setting head facing component has a larger hole diameter than the underlying (CFK) component. As a result, positional inaccuracies of the two mutually oriented components can be easily compensated, without shearing forces acting on the blind rivet.
Zweckdienlicher Weise ist weiterhin vorgesehen, dass der verbleibende Freiraum zwischen der Niethülse und der Lochwandung des oberen Bauteils mit einem Kleber verfüllt ist, wie dies beispielsweise in der
Bei den Bauteilen handelt es sich üblicherweise um vorgelochte Bauteile, bei denen die Löcher möglichst fluchtend übereinander positioniert werden.The components are usually pre-punched components in which the holes are positioned as close together as possible.
Zur Ausbildung der Fügeverbindung wird daher allgemein derart vorgegangen, dass der aushärtbare Klebstoff auf zumindest eines der Bauteile auf dessen Oberfläche vollflächig über dessen gesamte Oberfläche aufgebracht wird, dass anschließend das zweite Bauteil möglichst Lagegenau zum ersten Bauteil angesetzt/positioniert wird, so dass die Löcher für die Blindniete möglichst miteinander fluchten. Anschließend werden die Blindniete in die jeweiligen Durchgangslöcher eingesteckt und mit dem üblichen Blindniet-Setzvorgang gesetzt. Hierzu wird mit Hilfe eines Setzwerkzeuges am Nietdorn in Axialrichtung gezogen, so dass der Dornkopf in die Niethülse hineingezogen wird und diese dabei zur Ausbildung des Schließkopfes umgeformt wird. Der Nietdorn reist bei Erreichen einer vorgegebenen Setzkraft an einer Sollbruchstelle ab, die üblicherweise im Inneren der Niethülse angeordnet ist, so dass ein Restdorn in der Niethülse verbleibt. Anschließend werden die zusammengefügten Bauteile, die insbesondere auch Gegenstand eines komplexen Bauteils, beispielsweise einer gesamten Karosserie sein können, in ein heißes KTL-Bad eingetaucht und dort einer Lackierung unterzogen.To form the joint connection is therefore generally proceeded such that the curable adhesive is applied to at least one of the components on the surface over its entire surface over the entire surface, then that the second component is as accurate as possible attached to the first component / positioned, so that the holes for the blind rivets are aligned as possible. Subsequently, the blind rivets are inserted into the respective through holes and set with the usual Blindniet-setting process. For this purpose, it is pulled by means of a setting tool on the rivet mandrel in the axial direction, so that the mandrel head is pulled into the rivet and this is thereby formed to form the closing head. The rivet mandrel travels on reaching a predetermined setting force at a predetermined breaking point, which is usually inside the Rivet sleeve is arranged so that a residual mandrel remains in the rivet sleeve. Subsequently, the assembled components, which may in particular also be the subject of a complex component, for example an entire body, immersed in a hot cathodic dip bath and subjected there to a paint job.
Bei dieser Behandlung härtet der wärmehärtbare Kleber zwischen den zu verbindenden Bauteilen fertig aus.In this treatment, the thermosetting adhesive cures completely between the components to be joined.
Der Setzvorgang erfolgt automatisiert, insbesondere vollautomatisch, beispielsweise innerhalb einer Fertigungsstraße und mit einem Blindnietroboter (wie er beispielsweise in
Die Bezugszeichen bezeichnet folgende Merkmale:The reference numbers designate the following features:
BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS
- 22
- BlindnietRivet
- 44
- Setzkopfsetting head
- 66
- CFK-BauteilCFRP component
- 88th
- Klebstoffadhesive
- 1010
- Stahl-BauteilSteel member
- 1212
- Niethülserivet sleeve
- 12A12A
- Hülse (aus Edelstahl)Sleeve (made of stainless steel)
- 1414
- äußere Lage (Kunststoff)outer layer (plastic)
- 14A14A
- Ummantelung (Kunststoff PA 4.6 o. ä.)Sheathing (plastic PA 4.6 or similar)
- 1616
- Dornkopfmandrel head
- 1818
- NietdornMandrel
- 2020
- Fasernfibers
- 2222
- innere Lager (Edelstahl)inner bearings (stainless steel)
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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