DE69303889T2

DE69303889T2 - Blindniet

Info

Publication number: DE69303889T2
Application number: DE69303889T
Authority: DE
Inventors: Soheil Eshraghi
Original assignee: Textron Inc
Current assignee: Textron Inc
Priority date: 1992-11-24
Filing date: 1993-11-23
Publication date: 1996-11-28
Anticipated expiration: 2013-11-24
Also published as: WO1994012799A1; EP0623192B1; EP0623192A1; JPH07503310A; AU5728894A; DE69303889D1; US5286151A

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf mechanische Befestigungselemente, etwa Blindniete, bei denen der Zugang zur Anbringung des Befestigungselements nur von einer Seite möglich ist, obwohl die Erfindung auch bei "nichtblinden" Situationen nützlich sein kann. Im besonderen bezieht sich die Erfindung auf eine verbesserte Einrichtung zum Zurückhalten eines Befestigungselementbolzenkopfes in einem angebrachten Befestigungselementkörper.

Hintergrund der Erfindung

Bei der Anbringung einer Blindniet wird die Kombination aus einem rohrförmigen Befestigungselementkörper oder einer Hülse mit einem zylindrischen Bolzen in sich durch ausgerichtete Löcher in zwei oder mehr gestapelten Werkstücken hindurch eingesetzt. Typischerweise weist die Hülse an einem Ende einen vorgeformten Kopf auf, der eine Seite des kombinierten Werkstücks greift, und weist an ihrem von der entgegengesetzten Seite des Werkstücks vorstehenden Endbereich einen geraden rohrförmigen Aufbau auf. Der Bolzen weist gewöhnlich einen vergrößerten Kopf auf, der mit dem Endbereich der Befestigungshülse in Eingriff kommt, und weist einen sich über das Kopfende der Hülse hinaus erstreckenden langgestreckten Abschnitt auf, der von einem Anbringwerkzeug gegriffen werden soll. Der Bolzen wird von dem Werkzeug so gezogen, daß sein vergrößerter Kopf den Endbereich der Hülse verformt. Wenn die Hülse auf diese Art eingesetzt ist, bewirkt ein weiteres Ziehen des Bolzens sein mit dem Äußeren des Hülsenkopfes bündiges Abbrechen.
Es ist wünschenswert, daß der sich durch die Hülse erstrekkende Abschnitt des Bolzens in der Hülse gefangen bleibt, womit der Bolzen dem Befestigungselement eine zusätzliche Scherfestigkeit verleiht, und bei vielen Anbringungssituationen ist es nicht akzeptabel, in einem unzugänglichen Abschnitt der Struktur eingeschlossene lose Nietenbolzen zu haben. Bei einem dreistückigen blinden Befestigungselement paßt ein Verriegelungsring in eine passende ringförmige Rille zwischen dem Bolzen und der Hülse, um den Bolzen in der Hülse zu verriegeln. Ein solches Befestigungselement wird weit verbreitet verwendet und hat viele Vorteile, wobei ein Vorteil ist, daß ein gegebenes Befestigungselement zu Werkstücken innerhalb eines Bereiches von Werkstückdicken passen kann, indem der Bolzen drahtgezogen wird, bis ein sicherer Anschlag erreicht ist.
Es besteht jedoch ein Bedürfnis nach einem zweistückigen Befestigungselement, das natürlich preiswerter ist und das ein gutes Zurückhalten des Bolzenes ohne Losesein bietet. Um diese Ziele zu erreichen, sind verschiedene Versuche unternommen worden, jedoch nur Teilerfolge erzielt worden.
Das US-Patent 5,102,274 - Norton, et al., offenbart ein blindes Befestigungselement mit einem Ziehbolzen mit einem vergrößerten Kopf und einer vergrößerten Schulter an einem Ende, um gute Eigenschaften beim Zurückhalten des Bolzens zu gewährleisten. Die vergrößerte Schulter an dem Bolzen weist eine sich nach außen bauchende, vorzugsweise sphärisch gewölbte Vorderoberfläche auf, die mit dem Endbereich der Hülse anfangs in Eingriff kommt und sie vergrößert. Ein Paar von Hülsendehnlippen oder -vorsprüngen, die diametral beabstandet sind und sich über den Rand der Schulter hinaus erstrecken, verformen den Hülsenendbereich in einen im wesentlichen ellipsenförmigen Querschnitt. Das Ziehen des Bolzens in die Hülse erlaubt ein Sich-nach-innen-Legen der Hülsenenden in Ausnehmungen zwischen den Lippen, um den Bolzenkopf innerhalb des Hülsenendbereichs einzuschließen und zu fangen. Der elliptische Endabschnitt paßt jedoch nur im wesentlichen über das Ende des Bolzenkopfes, und eine feste axiale Passung ist nicht sicher gewährleistet. Daher ist der Bolzen häufig innerhalb des Niets lose und kann klappern.
Das US-Patent 3,047,181 - Heidenwolf offenbart ein zweistükkiges blindes Befestigungselement mit einem vergrößerten Endbereich an seinem Bolzen, das eine kegelstumpfförmige Vorderoberfläche und eine sphärische Rückoberfläche aufzuweisen scheint. Das Patent gibt an, daß ... "der Hülsenendbereich über die ebene Oberfläche des sphärischen Endabschnitts des Dorns oder Bolzens fließt und den vergrößerten Endbereich einschließt." Es sind jedoch an dem äußersten Ende der Hülse ferner Zähne vorgesehen, um das Einschließen des Bolzenendbereichs zu erleichtern.
Das US-Patent 3,073,205 - Siebol offenbart ein Befestigungselement mit einer schräg zulaufenden Vorderoberfläche, und der vergrößerte Bolzenkopf wird in dem Endbereich der Hülse gefangen. Die Hülse weist jedoch eine an ihrer Innenoberfläche ausgebildete ringförmige Rille auf, um die Rückhaltefähigkeit zu gewährleisten. Eine solche Rille trägt natürlich zu den Kosten der Struktur bei.
Das US-Patent 4,211,145 - Dolch offenbart einen Blindniet mit einem Bolzen mit einem vergrößerten kegelförmigen Kopf, und das US-Patent 4,236,429 - Dolch offenbart einen sphärischen Endbereich. In jedem Fall wird von den Köpfen angegeben, daß sie innerhalb des Endes der Hülse gefangen werden. Diese Befestigungselemente sind jedoch aus thermoplastischem Material hergestellt, und am äußersten Ende der Hülse ist eine sich nach innen erstreckende ringförmige Rippe ausgebildet, um den Bolzenkopf zu fangen. Es wird angegeben, daß dies vorgesehen ist, weil das thermoplastische Material nach Wegnahme des Verformungsdrucks zum Zurückkehren in seine ursprüngliche Form neigt. Für viele Anwendungen sind thermoplastische Befe stigungselemente natürlich nicht akzeptabel.
Ein zweistückiges blindes Befestigungselement ist in einem Katalog cc-04-84-589, veröffentlicht von der Cherry Division der Textron Inc., betitelt "Commercial Fastening Systems", offenbart. Das Befestigungselement wird als "N-Niet" bezeichnet und verwendet einen Bolzen mit einem vergrößerten Kopf mit einer im wesentlichen flachen Vorderoberfläche, einer gewölbten konvexen Rückoberfläche und einem Paar entgegengesetzter, im wesentlichen flacher Seiten, was dem vergrößerten Kopf eine etwas elliptische Querschnittsform verleiht. Wenn ein Kopf mit einer solchen Form in das Ende der Hülse eintritt, wird der Hülsenendbereichquerschnitt verformt, indem er in der längeren Ausdehnung des Bolzenkopfes vergrößert wird, mit dem Ergebnis, daß die benachbarten Seiten des Hülsenendbereichs nach innen gezogen werden und zum sich über das Ende des Bolzenkopfes Einlegen neigen, wodurch sie ihn innerhalb des Endes der Hülse fangen. Obwohl ein solches Befestigungselement relativ preiswert ist und für viele Anwendungen weit verbreitet verwendet wird, ist ein besserer Weg zum festen Greifen des Bolzens innerhalb der Hülse wünschenswert. Dies trifft besonders zu, wenn dieses Ergebnis ohne erheblich erhöhte Kosten erzielt werden kann.
Die US-Patente 3,850,021 und 3,880,042 - Binns offenbaren die Verwendung axial beabstandeter, sich nach außen erstreckender, diametral und axial beabstandeter Flansche an einem Befestigungselementbolzen, und diese Flansche verformen das Ende einer Hülse in nicht kreisförmige Formen. Die Herstellung scheint jedoch schwierig zu sein.
Das US-Patent 3,136,204 - Reynolds offenbart ein zweistückiges blindes Befestigungselement, bei dem ein Hülsenendbereich von einem Stiftkopf mit einer Kegeloberfläche und einer bekränzten Rückseitenoberfläche in eine sogenannte Tulpenform verformt wird. Der Hülsenendbereich bietet eine gewisse eingeschränkte Bolzenrückhaltefähigkeit, jedoch offensichtlich nicht genug, weil der Hülsenkopfferner in Rillen an dem Bolzen verstaucht wird.
Das US-Patent 2,538,623 - Keating offenbart einen zweistückigen Nietenaufbau, bei dem eine Hülse einen Kopfabschnitt eines verminderten Durchmessers aufweist und Hülsenmaterialien zum Bolzenzurückhalten durch einen Stiftabschnitt mit einem größeren Durchmesser in einer Rille in dem Bolzen verstaucht wird.
Es besteht weiterhin ein Bedürfnis nach einem verbesserten, preisgünstigen, zweistückigen, blinden Befestigungselement, das eine Bolzenrückhaltefähigkeit gewährleisten und den Bolzen relativ zu dem Niet fest am Ort halten kann.

Zusammenfassende Beschreibung der Erfindung

Kurz gesagt beinhaltet die vorliegende Erfindung ein Blindbefestigungselement, das gekennzeichnet ist durch einen Ziehbolzen mit einem Bolzenkopf, der in der Form um eine Längsachse des Bolzens auf solche Weise verdreht ist, daß der Hülsenendbereich eines Nietenkörpers dazu gebracht wird, sich seiner Form anzupassen. Der Bolzenkopf ist also in besonderer Weise zum Verformen des Hülsenendbereichs, während er innerhalb der Hülse eines Befestigungselements festgehalten wird, geformt. Dadurch nimmt das anfänglich rohrförmige Hülsenende eine verdrehte Ellipsenform an, die zu der Form des Bolzenkopfes paßt und dadurch von einer axialen Bewegung relativ zu dem Bolzen abgehalten wird.
Nach einem Ausführungsbeispiel des Ziehbolzens kommt eine dem Bolzenkopf benachbarte vergrößerte Schulter anfangs in Eingriff mit dem Endbereich der Hülse Wenn das Befestigungselement angebracht wird, tritt die Schulter in die Hülse ein und vergrößert sie, während die Werkstücke zusammengezogen werden. In Rückwärtsrichtung von der Schulter erstrecken sich nach außen gewandte Kanten des verdrehten, im wesentlichen rechteckigen Kopfes über den Rand der Schulter hinaus. Zu Anfang erhöht ein Übergangsbereich die Breite des Kopfes über die diametral entgegengesetzten Kanten über die der Schulter hinaus bis zu einem ungefähr dem Außendurchmesser der Befestigungselementhülse entsprechenden Abstand, woraufhin die Breite bis zu dem Hinterende des Kopfes im wesentlichen konstant bleibt. Diametral entgegengesetzte Breitseiten des verdrehten Kopfes trennen die vorstehenden Kanten, wodurch Kehlen oder Ausnehmungen begrenzt werden, in die sich die Nietenhülse nach innen verformen kann.
Das Ziehen des Bolzens, um die Schulter und den Übergangsbereich in den Endbereich der Hülse zu ziehen, verformt den Hülsenendbereich in einen im wesentlichen ellipsenförmigen Querschnitt mit einer Hauptachse über die vorstehenden Kanten und einer Nebenachse über die Kehlen. Das Weiterziehen des Bolzens zwingt den verdrehten Kopf in den Endbereich der Hülse und verformt den Hülsenendbereich von einem ellipsenförmigen Querschnitt in einen anderen von dem anderen rotationsmäßig verschobenen. Der Endbereich der Hülse wird weiter verformt in neu orientierte Ellipsenformen, wenn der Kopf sich in die Spiral-Außenenden des Kopfes bewegt. Der Rest des Hülsenendbereichs erfährt eine ähnliche Verformung, während der verdrehte Kopf in die Hülse gezwungen wird. Weiteres Ziehen des Bolzens in die Hülse verformt den Hülsenendbereich in eine im wesentlichen verdrehte, elliptische Konfiguration, um den Bolzenkopf innerhalb des Hülsenendbereichs einzuschließen und zu fangen.
Ein zusätzliches Zurückhalten des Bolzens wird erzielt, indem für eine erhöhte Wechselwirkung zwischen Rillen an dem Bolzen und dem Innendurchmesser der Hülse in dem Kopfende der Hülse gesorgt wird. Vorzugsweise sind die Verzahnungen axial ausgerichtet. Diese Einrichtung zum Zurückhalten des Bolzens dient ferner zum Verhindern einer Drehung der gesamten Hülse um den Bolzen, wenn der Endbereich Verdrehungsverformungskräfte erfährt, etwa beim Bolzen-"Herauszieh"-Test.

Kurzbeschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 ist eine perpektivische Explosionsansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels des Befestigungselements nach der Erfindung.
Fig. 2 ist ein vergrößerter Aufriß des Kopfendes des Dorns entlang der Linie 2-2 in Fig. 1.
Fig. 3 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht eines Bereichs des Befestigungselements aus Fig. 1, die in einem Werkstück angebracht ist, jedoch vor dem Einsetzen.
Fig. 4 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht entsprechend Fig. 3, wobei das Befestigungselement in einem Werkstück teilweise eingesetzt ist.
Fig. 5 ist eine aufgeschnittene Seitenansicht des vollständig angebrachten Befestigungselements aus Fig. 3.
Fig. 6 ist eine aufgeschnittene Draufsicht auf das vollständig angebrachte Befestigungselement aus Fig. 3.
Fig. 7 ist eine Endansicht des Nietenendbereichs nach dem Anbringen entlang der Linie 7-7 in Fig. 5.
Fig. 8 ist eine schematische perspektivische Explosionsansicht einer Vorrichtung zum Formen des Bolzenkopfes in den Fig. 1 bis 7.
Fig. 9 ist eine schematische Querschnittsansicht entlang der Linie 9-9 in Fig. 8 vor dem Formen des Kopfes.
Fig. 10 ist eine vergrößerte Fragmentansicht entlang der Linie 9-9 in Fig. 8 nach dem Formen des Kopfes.

Detaillierte Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist ein mit einem rohrförmigen Nietenkörper oder einer Hülse 22 ausgerichteter langgestreckter Dorn 20 vor der Anbringung in einem Werkstück gezeigt. Der Niet 22 weist einen rohrförmigen Zapfen 24 und einen vergrößerten Kopf 26 an einem Ende zusammen mit einem zylindrischen Endbereich 28 an dem anderen Ende auf. Durch den Nietenzapfen 24 und den Kopf 26 erstreckt sich ein zylindrischer Hohlraum oder eine Bohrung 30, die zur Aufnahme des Dorns 20, der dort hinein eingesetzt wird, bemessen ist.
Der Dorn 20 weist einen langen zylindrischen Bolzen 38 auf, der in einem Kopf an einem Ende mit einer Schulter 42 dazwischen endet. Der Bolzen 38 weist ringförmige Verzahnungen 44 um einen erheblichen Abschnitt des dem Kopf 40 entgegengesetzten Endes für den Zweck des Greifens bei der Anbringung auf. In einem ungefähr der Dicke der beiden zu verbindenden Teile gleichen Abstand von der Schulter 42 ist eine ringförmige Kerbe oder Bruchrille 46 angeordnet. Zwischen der Bruchrille 46 und der Schulter 42 ist eine Vielzahl von axialen Rillen und erhöhten Rippen oder Verzahnungen 48 vorhanden.
Die den Rillen 48 zugewandte Vorderoberfläche der Schulter 42 weist einen von dem Bolzen 38 zu einem Maximum beim Zusammentreffen mit dem Kopf 40 ansteigenden Durchmesser auf. Die Schulter kann eine kegelförmige Oberfläche aufweisen, weist jedoch vorzugsweise eine konvexe, bevorzugt eine sphärische Krümmung auf. Die Schulter 42 bildet eine Vorderoberfläche für die anfängliche Ausdehnung des Nietenendbereichs 28 und erleichtert das Anheften der Werkstücke.
Der in den Fig. 2, 3 und 4 gezeigte Kopf 40 weist eine besondere Form zum Erleichtern der Verformung des Nietenendbereichs 28 beim Anbringen auf, die den Bolzen an dem Schwenkkörper (richtig: Nietenkörper) verriegelt. Die Schulter 42 endet abrupt mit einer dem Kopf 40 an zwei diametral beabstandeten Seiten zugewandten Kante 50. Jede Kante 50 weist, wie in Fig. 2 zu sehen, die allgemeine Form eines Kreissegments auf, das an seiner radial nach innen gerichteten Seite mit einer Breitseite 52 des Kopfes 40 verbunden ist. Die äußeren Grenzen der Breitseiten 52 enden in im wesentlichen zu den Seiten senkrechten Kanten 54. Eine Endoberfläche 56 verbindet die abschließenden Enden der Seiten 52 und der Kanten 54 und ist im wesentlichen zu der Achse des Dorns 20 senkrecht.
Die vorstehenden Kanten 54 weisen den Nietenendbereich 28 verformende Materialausdehner auf. Die beiden Kanten 54 erstrecken sich radial über den Durchmesser der Schulter 42 hinaus und beinhalten einen Übergangsbereich 60 und einen Bereich 62 mit im wesentlichen konstantem Durchmesser. Der Übergangsbereich 60 verbreitert den Abstand über die Kanten 54 von dem Schulterdurchmesser 42 zu dem Außendurchmesser des Nietenzapfens 24 und erstreckt sich ungefähr über 1/3 der axialen Länge des Kopfes 40. Die Kanten 54 sind vorzugsweise abgerundet, um ein Einkerben oder anderweitiges Schwächen der Nietenhülse 22 durch scharfe Kanten in Kontakt mit der Innenbohrung 30 des Zapfens 24 zu verhindern.
Wie zu sehen, haben die Breitseiten 52 und die Kanten 54 eine spiralförmige oder verdrehte Form, wobei die Endoberflächen 56 auf den Umfang bezogen ungefähr um 600 relativ zu dem der Schulter 42 unmittelbar benachbarten Abschnitt des Kopfes 40 versetzt sind. Die axiale Höhe des Kopfes 40 über die Schulter hinaus ist vorzugsweise ungefähr gleich dem Durchmesser des Bolzenss oder 1D. Somit bildet jede Seite 52 eine etwas konkave verdrehte Kehle, die die Kante 50 innen vom Durchmesser der Schulter schneidet und sich in einem Spiralweg zu der Endoberfläche 56 fortsetzt. Wie am besten in Fig. 4 zu sehen, bilden die diametral entgegengesetzten Kehlen eine Ausnehmung 58 für den Nietenendbereich 28. Man kann auch sagen, daß der Endbereich eine Ellipsenform mit einem ellipsenförmigen oder rennbahnförmigen Querschnitt hat.
Die Endoberfläche 56 des Kopfes 40 weist eine im wesentlichen sphärische Krümmung auf und ist mit den Seiten 52 und Kanten 54 verbunden, die um die Achse des Dorns 20 verdreht sind. Der Radius der Krümmung der Endoberfläche 56 ist erheblich größer als der maximale Radius der Schulter.
Wie in den Fig. 3-7 zu sehen, wird der Dorn 20 in die Bohrung 30 des Niets 22 eingefügt, bis die Schulter 42 in Eingriff mit dem Nietenendbereich 28 kommt. Die Außendurchmesser der die Rillen oder Verzahnungen 48 bildenden Rippen sind etwas größer (vielleicht ungefähr 0,05 mm (0,002")) als der Innendurchmesser der dem Endbereich der Hülsen benachbarten Nietenbohrung 30, so daß zwischen den beiden Komponenten eine Wechselwirkungs- oder Reibungspassung besteht. Dies ist wünschenswert, um sie bei der Handhabung vor dem Anbringen zusammen zu halten. Zusätzlich sorgen die Verzahnungen 48 für eine Greifwechselwirkung, um einer Drehung der Hülse 22 relativ zu dem Bolzen entgegenzustehen. Die Bohrung 30 in der Hülse 22 weist einen Bereich 70 mit vermindertem Durchmesser (vielleicht ungefähr 0,07 mm (0,003")) bezüglich des benachbarten Kopfendes der Bohrung auf, was zu einer weiteren Wechselwirkung mit den Verzahnungen 48 führt.
Wenn der Dorn in den Nietenkörper eingesetzt ist, erstreckt sich der Bolzen 38 wesentlich über den Nietenkopf 26 hinaus und wird in ein Standardanbringungswerkzeug (nicht gezeigt) eingesetzt, wo die Verzahnungen 44 von Klemmklauen des Anbringungswerkzeuges gegriffen werden. Der Nietenaufbau ist in Fig. 3 in ausgerichteten Löchern in Werkstücken 64 und 66 angebracht gezeigt, die durch das Befestigungselement zu verbinden sind. Das Befestigungselement fügt sich ein, bis die Seite 32 des Nietenkopfes 26 bündig mit der sichtbaren Oberfläche der Platte 64 ist. Da es sich um Blindniete handelt, ist in einer typischen Situation nur eine der zusammenzubauenden Komponenten zugänglich oder sichtbar. Daher wird der Niet in dem gezeigten Aufbau von der rechten Seite in Fig. 3 in ein Loch in dem Werkstück 66 eingesetzt. Bei der Anbringung drückt die Nase des Werkzeugs gegen den Nietenkopf 26, während an den Dorn 20 eine Ziehkraft angelegt wird, wie mit dem Pfeil 68 gezeigt. Somit wird die Dornschulter 42 in Kontakt mit dem Hülsenendbereich 28 gezogen.
Fig. 4 zeigt, wie die Dornschulter 42 teilweise in den Hülsenendbereich 28 gezogen wird, wobei die Schulter allmählich den Hülsenendbereich vergrößert. Dies wiederum bewirkt, daß sich das Äußere des vergrößerten Endbereichs gegen die linke Seite der Platte 64 drückt. Wenn die Platten 64 und 66 durch einen Zwischenraum getrennt sind, wird die Ausdehnung der Hülse auf der Blindseite die Platten zusammendrücken oder aneinanderheften. Diese Aneinanderheftwirkung wird durch die sphärische Form der Schulter erleichtert und bietet eine bessere Anheftung als z.B. Befestigungselemente mit einer abrupteren Schulter.
Fig. 4 zeigt ferner den Übergangsbereich 60 der vorstehenden Kanten 54, wie er anfangs in den Hülsenendbereich 28 gezogen wird. Wenn die Schulter 42 unter Krafteinwirkung in den Hülsenendbereich 28 gezogen wird, wird der Endbereich symmetrisch in eine zylindrische Form vergrößert. Wenn die Übergangsbereiche 60 in den Endbereich 28 gezogen werden, wird der Endbereich weiter nach außen verformt, jedoch nur in den mit den Übergangsbereichen in Eingriff stehenden diametral entgegengesetzten Bereichen. Die bogenförmigen Seiten des Endbereichs 28 zwischen den Übergangsbereichen 60 erfahren eine umfangsmäßige Spannung und werden auf die zurückgesetzten Kehlen 58 zu nach innen gezogen, um sich dem kürzesten Weg zwischen den nach außen vorstehenden Bereichen anzupassen. Somit verformt sich der Querschnitt des Endbereichs 28 in eine Ellipsenform mit einer Hauptachse über die Übergangsbereiche 60 und einer Nebenachse über die Kehlen 58.
Wie in Fig. 5 zu sehen, ist der verdrehte Kopf 40 vollständig in den Nietenendbereich 28 zurückgezogen worden, was eine Verformung und ein Verriegeln über dem Kopf des Endbereichs bewirkt. Das Endbereich 28 bildet so etwas wie eine 5-förmige Ellipse in der Nähe der Endoberfläche 56 des Kopfes 40 und in einem 60º-Winkel von der von dem Übergangsbereich 60 gebildeten anfänglichen Ellipse. Der Bereich 62 mit konstantem Durchmesser der vorstehenden Kanten 54 setzt sich distal von dem Übergangsbereich 60 in der bereits erwähnten Spiral- Konfiguration fort. Wenn sich der Endbereich 28 über die vorstehenden Kanten 54 hin fortbewegt, verformen die Spiralkanten den Endbereich in so etwas wie 5-förmige Ellipsen, die in der Form identisch sind, jedoch Hauptachsen in verschiedenen Drehwinkeln haben. Der größte Teil des Zapfens 64 folgt hinter dem Endbereich 28, um sich in ähnlicher Weise dem verdreht erscheinenden Kopf 40 anzupassen, was zu einer kontinuierlichen Reihe von elliptischen Formen um den Kopf von der Endoberfläche 56 bis zu der Schulter 42 führt. Wie oben festgestellt, ist die Hauptachse der der Endoberfläche 56 benachbarten Ellipse vorzugsweise 600 aus der Hauptachse der Ellipse bei der Schulter 42 gedreht.
Fig. 5 zeigt das Sich-nach-innen-Legen der Ellipsenform des Endbereichs 28. Auf diese Weise schließt der Hülsenendbereich 28 den Kopf 40 ein. Dieser Einschluß verhindert ein Herausfallen des Dorns aus dem angebrachten Befestigungselement. Da die Werkstücke 64 und 66 aneinandergeheftet sind und die Schulter nicht in das Werkstück eintritt, wird eine erhöhte Zuglast an dem Bolzen seinen Bruch an der Bruchrille 46 ungefähr bündig mit dem Äußeren des Nietenkopfes 26 bewirken. Der Abschnitt 70 mit verminderter Bohrung steht in fester Wechselwirkung mit den sich nach außen erstreckenden Verzahnungen 48, was für ein weiteres Zurückhalten des Bolzens sorgt.
Fig. 6 zeigt in gegenüber Fig. 5 um 90º veränderter Blickrichtung die in den Material ausdehnenden Kanten 54 endende Breitseite 52. Der Übergangsbereich 60 verbreitert den Endbereich 24 in eine Ellipsenform, nachdem die Hülse von der Schulter 42 symmetrisch ausgedehnt worden ist.
Zusätzlich zu einem einfachen Zurückhalten des Dorns 20 durch den Niet 22 paßt die endgültige verdrehte Ellipsenkontur des Endbereichs 28 eng über den Kopf 40, um eine relative axiale Bewegung dazwischen zu verhindern. Der Kopf 40 wird durch die verengten Seiten des Endbereichs 24 von einer axialen Bewegung innerhalb des Endbereichs 28 abgehalten, wenn sie ihre Orientierung in axialer Richtung verändern. Wenn der Endbereich 24 einmal über den Kopf 40 geformt worden ist, wird der Dorn 20 fest am Platz gehalten, was ein Klappern in Verbindung mit dem Losesein früherer Befestigungselemente verhindert.
Es sind Tests durchgeführt worden, den Dornkopf aus dem angebrachten Niet herauszudrücken, und zwar im Vergleich zu dem N-Niet. Diese ergaben, daß die zum Herausschieben des Dornkopfes nach der vorliegenden Erfindung aus der Hülse erforderliche Spitzenlast ungefähr das Doppelte des Werts für den oben erwähnten N-Niet beträgt. Diese Resultate zum Zurückhalten des Dorns sind natürlich sehr anstrebenswert und waren überraschend, weil der N-Niet an dem angebrachten Hülsen- Endbereich ein etwas ellipsenförmiges Ende zeigt.
Zusätzlich zu dem durch das verdrehte Endbereich bewirkten Zurückhalten liegt ein durch die Verzahnungen 48 und die Hülsenbohrung 30 bewirktes Zurückhalten durch Reibung vor. Noch wichtiger ist, daß die Wechselwirkung zwischen dem Bolzen und der Hülse Relativdrehungen widersteht, wenn an das Befestigungselement Drehkräfte angelegt werden, was bei Vibrationen auftreten kann. Wie oben bemerkt, ist der Innendurchmesser 70 des Hülsenkopfes 26 etwas kleiner als der Innendurchmesser des Restes der Hülse Bei einem Prototyperzeugnis beträgt der Anfangsaußendurchmesser der Rippen 48 ungefähr 0,005 Zoll mehr als der Innendurchmesser des Hülsenkopfendabschnitts 70. Wenn also die Bolzenrippen 48 weiter in den Kopfabschnitt 70 mit vermindertem Durchmesser gezogen werden, wird ein zusätzliches Zurückhalten des Dorns erzielt. Es kann eine gewisse Rückspringkraft auftreten, wenn der Bolzen an der Bruchstelle bricht. Die Wechselwirkung zwischen dem Bolzen 38 und der Hülse 22 steht solchen Rückspringbewegungen entgegen. Axialrippen sind besonders bevorzugt, weil sie am besten einer Drehung zu widerstehen scheinen, wenn die Hülse 22 durch den verdrehten Kopf 40 des Dorns Torsionskräften ausgesetzt wird.
Die Fig. 8 bis 10 illustrieren schematisch ein bevorzugtes Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung des Bolzenkopfes 40. Als anfänglicher konventioneller Schritt wird ein Bolzenmetallstab 70 an einem Ende verformt oder mit einem Kopf versehen, um ein vergrößertes zylindrisches Ende 42 zu bilden, das über eine Schulter 42 mit dem anfänglichen Stab mit kleinerem Durchmesser verbunden ist. Als Nächstes wird der Stab durch ein Loch 74 in einer Stempelgehäusekappe 76 und ein Loch 78 in einem passenden Stempelgehäuse 80 eingesetzt. Die Löcher sind ausgerichtet mit einem vertikalen Schlitz 82 in dem Gehäuse 80, wobei der Schlitz einen rechteckigen Querschnitt hat. Der Durchmesser des Loches in dem Bodengehäuse ist etwas kleiner als die Breite des Schlitzes. Bei einem erfolgreichen Prototyp des Befestigungselementkopfes nach der Erfindung hatte das Stabende mit großem Durchmesser 0,200 Zoll und war die Breite des Schlitzes 0,250 Zoll. Ein oberer Stempel 84 und ein unterer Stempel 86 sind in dem Schlitz an entgegengesetzten Seiten des Stabendes 72 angeordnet, wie in Fig. 9 gezeigt. Die zueinander passenden Seiten der Stempel sind so gebildet, daß sie die erwünschte verdrehte oder spiralförmige Form des Bolzenkopfes liefern, wie in den Fig. 1 - 7 gezeigt.
Die Stempel werden aufeinander zu gepreßt, um das Stabende zu verformen. Dieser Vorgang bewirkt eine Verformung des Stabendes, so daß Seitenkanten des Stabes nach außen und in Eingriff mit den Seitenwänden des Schlitzes gedrückt und gebeult werden, wie gezeigt. In Fig. 10 ist zu sehen, daß dieser Vorgang ferner ein Anschrägen der an die Schulter anschließenden Kanten bewirkt, um den Übergangsbereich 60 zu erzeugen, wie oben diskutiert. Mit anderen Worten begrenzen oder beschränken die Wände des Schlitzes den Durchmesser des verformten Kopfes. Dies erzeugt im wesentlichen parallele Seitenkanten benachbart der Außenfläche 56 des großen Endes, an dem der Schulter 42 benachbarten Ende laufen jedoch die Seitenkanten schräg nach außen zu, um den Übergangsbereich zu erzeugen. Es ist anzumerken, daß auch die oben erwähnten Kanten 50 bei diesem Formvorgang gebildet werden. In anderen Worten: Wenn der Abschnitt mit großem Durchmesser des Stabendes gebildet worden ist, wird der Rest des Kopfes bei diesem einem Stempel- oder Verformungsvorgang gebildet.
Wie oben bemerkt, sind die Enden des fertiggestellten Bolzenkopfes, auf den Umfang bezogen, zueinander versetzt. Das Ausmaß der Verdrehung oder Spiralität, die dem Kopf verliehen werden kann, ist innerhalb dieses Ein-Schritt-Stempelvorgangs begrenzt. Das heißt, wenn die Endfläche des Bolzenkopfes, auf den Umfang bezogen, 180º zu einem der Schulter benachbarten Abschnitt des Kopfes versetzt sein soll, kann eine solche Konfiguration nicht in einem einzelnen Stempelvorgang gebildet werden. Es ist darüber hinaus anzumerken, daß ein 60º- Versatz ungefähr alles ist, was erwünscht ist, weil der Bolzenkopf bei zu großem Versatz im wesentlichen wie ein Bohrer wäre und den Hülsenendbereich einfach vergrößern würde, statt ihn seiner Spiral- oder Ellipsenkonfiguration anzupassen. Wenn der Versatz zu klein ist, wird der Bolzen nicht so gut in der Hülse verriegelt.
Bei der Arbeit mit einem erfolgreichen Prototyp wurden die Stempel einfach geformt, indem mit einem einfachen langgestreckten. Stempelelement mit einem quadratischen Querschnitt begonnen wurde, wie in Fig. 8 gezeigt. Dieses Element wurde mit einer Elektronenentladungsbearbeitung in den oberen und den unteren Stempel zerschnitten, wobei das Element auf solche Weise durch einen gekrümmten elektrischen Entladungsbearbeitungs- oder -schneideweg bewegt wurde, daß die in der Zeichnung illustrierten glatten, leicht gewölbten Stempelflächen erzeugt wurden. Dieses Vorgehen erzeugt zwei vollständig passende Stempelflächen. Die Sternpelflächen können natürlich auch auf andere Weise, etwa durch mechanische Bearbeitung, gebildet werden.

Claims

1. Befestigungselernent, mit einem rohrförmigen Nietenkörper (22), der einen Zapfen (24) zum sich durch ein Werkstück (64, 66) Erstrecken mit einem über das Werkstück hinausstehenden Endbereich (28) aufweist, und einem sich durch den Nietenkörper erstreckenden Bolzen (38) mit einem Kopf (40) an einem Ende, der sich über den Nietenkörper hinaus erstreckt und dazu ausgelegt ist, mit dem Endbereich in Eingriff zu kommen und ihn zu vergrößern und die Werkstückkomponenten zusammenzuziehen, wenn der Bolzen bei einem Befestigungselement-einsetzvorgang auf das Werkstück zu gezogen wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (40) in der Form um eine Längsachse des Bolzens (38) auf solche Weise verdreht ist, daß der Endbereich (28) dazu gebracht wird, sich der Form des Schaftkopfes anzupassen und den Schaftkopf zu fangen, um ihn von einer Axialbewegung relativ zu dem Nietenkörper abzuhalten.

2. Befestigungselernent nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftkopf (40) so geformt ist, daß er in jeder axialen Position entlang dem Endbereich (28) einen im wesentlichen elliptischen Querschnitt bildet, wobei der kleinere Durchmesser eines solchen Querschnitts ausreichend klein ist, um einer axialen Bewegung des Bolzens nach dem Setzen der Niet entgegenzustehen.

3. Befestigungselement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftkopf (40) eine nach vorne gewandte Schulter (42) aufweist, die mit dem Endbereich in Eingriff kommt und ihn vergrößert.

4. Befestigungselement nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Schulter eine konvexe Konfiguration aufweist.

5. Befestigungselement nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kopf (40) zu der Rückseite der Schulter (42) hin beabstandete Verformungskanten (54) aufweist, die einen größeren Durchmesser als die Schulter definieren, so daß sie, wenn die Kanten in Eingriff mit dem Nietenendbereich (28) kommen, diesen Endbereich im Bereich des Eingriffs weiter vergrößern, wobei sich die Kanten, auf den Umfang bezogen, nur um einen Abschnitt des Schaftkopfes erstrecken und so angeordnet sind, daß sie eine Vergrößerung des Endbereiches im Durchmesser in einer Querrichtung bewirken.

6. Befestigungselernent nach einem der Ansprüche 1, 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftkopf (40) einen langgestreckten, in wesentlichen rechteckigen Querschnitt mit abgerundeten Kanten (54) aufweist.

7. Befestigungselement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Querschnittsformen der Enden des Schaftkopfes (40) einander ähneln, jedoch auf den Umfang bezogen um 600 zueinander versetzt sind.

8. Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Länge des Schaftkopfes (40) ungefähr dem Durchmesser des Schaftes (38) gleich ist.

9. Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftkopf (40) diametral beabstandete Ausnehmungen (58) aufweist, die eine Verformung des Endbereiches (28) nach innen auf einen verminderten Durchmesser zulassen.

10. Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bolzen (38) einen Durchmesser mit Abschnitten innerhalb des Nietenkörpers (22) aufweist, die etwas größer als der Innendurchmesser des Nietenkörpers sind, so daß zwischen den beiden Komponenten eine Reibung aufrecht erhalten wird und zum Trennen der Komponenten überwunden werden muß.

11. Befestigungselement nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser des Nietenkörpers (22) in dem Bereich eines Kopfes (26) an dem Nietenkörper relativ zu dem Bereich zwischen dem vermindertem Bereich und dem Nietenendbereich (28) vermindert ist, so daß die Reibungswechselwirkung zwischen den Komponenten erhöht ist, wenn der Niet in ein Werkstück gesetzt ist.

12. Befestigungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Schaftkopf (40) eine nach vorne gewandte Schulter (42) aufweist, mit einer im wesentlichen flach, aber verdreht erscheinenden Form benachbart der Schulter mit zwei entgegengesetzten Breitseiten (52), die durch zwei entgegengesetzte kleinere Kanten (54) verbunden sind, wobei die diametrale Abmessung der Breitseiten gleichmäßig von der Schulter aus und nach außen auf einen im wesentlichen konstanten Durchmesser schräg zuläuft, der größer als der Durchmesser der Schulter ist, so daß der Nietenendbereich (28) durch Eingriff mit den Kanten (54) nach außen verformt wird, wobei die Dicke des Kopfes zwischen den Breitseiten deutlich geringer ist als der Durchmesser der Schulter, so daß Kanten (50) mit in etwa der Form von Kreissegmenten an der Rückseite der Schulter benachbart den Breitseiten gebildet sind, wobei die Axialenden des Kopfes (40), auf den Umfang bezogen, um einen Betrag voneinander versetzt sind, der den Nietenendbereich zum sich der außeren Form des Kopfes Anpassen bringen und den Schaft davon abhalten wird, aus dem Langende ohne Relativdrehung zwischen dem Schaftkopf und dem Langende herausgeschoben zu werden.

13. Verfahren zum Befestigen von Teilen aneinander, mit einem Befestigungselement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, beinhaltend die Schritte des Ausrichtens von Öffnungen in zwei oder mehr zu verbindenden Werk-Stükken, des Einsetzens der Hülse (22) des Befestigungselements von einer ersten Seite der Werk-Stücke aus durch die Öffnung und des Durchführens des Bolzens (38) durch die Hülse von einer zweiten Seite der Werk-Stücke aus, so daß der Schaftkopf (40) und der Nietenendbereich (28) über die zweite Seite hinaus vorstehen; gekennzeichnet durch das Ziehen des Bolzens (38) von der ersten Seite aus, so daß der Schaftkopf (40) der Nietenendbereich in eine spiralförmige, etwas ellipsenförmige Konfiguration verformt, bis der Endbereich abbricht, wobei der Restabschnitt des Bolzens axial in der Hülse (22) gehalten verbleibt.

14. Verfahren zur Herstellung eines Schaftkopfes (40) an einen Befestigungselement nach einem der Ansprüche 1 bis 12, gekennzeichnet durch

das Komprimieren der Seiten eines Endes eines Schaftstabes (70) zwischen passenden Stempelflächen (82, 84), um das Stabende abzuflachen, um eine Verformung kürzerer Seitenkanten des abgeflachten Endes nach außen zu bewirken, wobei die Stempelflächen so geformt sind, daß sie eine spiralartige Konfiguration an dem abgeflachten Stabende erzeugen, wobei die Querschnittsform eines axialen Endes des Stabes, auf den Umfang bezogen, gegenüber einer Querschnittsform an dem entgegengesetzten axialen Ende des abgeflachten Endes versetzt ist.

15. Verfahren nach Anspruch 14, gekennzeichnet durch den Schritt des Begrenzens der nach außen gerichtete Verformung der kürzeren Kanten durch Eingriff innerhalb gegenüberliegender Wände eines Schlitzes (82).

16. Verfahren nach Anspruch 14, beinhaltend den Schritt des Einsetzens des Bolzenstabes (70) in ein Loch (78) innerhalb eines Stempelgehäuses (80), wobei ein vergrößertes Ende des Bolzenstabes in einem sich durch das Stempelgehäuse quer zu dem Gehäuseloch erstreckenden Schlitz angeordnet ist, wobei der Schlitz etwas größer als der Durchmesser des vergrößerten Endes des Bolzenstabes ist, wobei die Auswärtsverformung der kürzeren Kanten durch Eingriff mit den Schlitzwänden beschränkt ist.

17. Verfahren nach Anspruch 14, 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, daß das abgeflachte Stabende durch die Stempel (82, 84) in solcher Weise verformt wird, daß die Enden des Kopfes (40) in ausreichendem Maße, auf den Umfang bezogen, versetzt werden, um den Kopf zum Verformen eines Befestigungselement-Nietenendbereich (28) zu bringen, und den Endbereich dazu zu bringen, sich im wesentlichen der äußeren Form des Kopfes anzupassen, wenn der Kopf in den Endbereich gezogen wird, wobei die Verformung zum Verriegeln des Bolzenkopfes innerhalb des Hülsenendbereiches ausreichend ist.

18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Endbereiches, auf den Umfang bezogen, um ungefähr 600 zueinander versetzt werden.