Nietverbindung und Nietvorrichtung zur Herstellung der Nietverbindung

Die Erfindung betrifft eine Nietverbindung mit einem ersten Werkstück und mit wenigstens einem zweiten Werkstück, sowie mit einem die Werkstücke verbindenden Niet. Des Weiteren betrifft die Erfindung eine Nietvorrichtung, durch die sich die Nietverbindung herstellen lässt.

Aus der DE 103 20 189 A1 ist eine Nietverbindung mit einem Niet bekannt, der einen Nietkopf und einen Nietschaft umfasst, der sich durch zwei zu vernietende Werkstücke erstreckt und in einen durch einen Nietprozess geformten Nietkranz mit mehreren radial nach außen gerichteten Kranzelementen übergeht. Nach dem Nietprozess liegen die Kranzelemente mit einer Spitze an dem Werkstück an, das dem Nietkranz zugewandt ist. Der Nietkopf hintergreift das andere Werkstück, so dass der Niet die beiden Werkstücke formschlüssig miteinander verbindet.

Wenn die Nietverbindung in Längsrichtung des Niets, also entlang der Längsachse des Nietschafts beansprucht wird, indem beispielsweise die beiden Werkstücke in dieser Richtung auseinander gezogen werden, besteht die Gefahr, dass die Spitzen der Kranzelemente in das Material des ersten Werkstücks eindringen. Dies gilt insbesondere dann, wenn es sich um ein weiches Material, wie beispielsweise Karton oder Pappe handelt. Durch das Eindringen der Kranzelemente entstehen im Material kleine Risse oder andere Beschädigungen, von denen aus sich Risse fortpflanzen können, sodass das Werkstück einreißt und somit die Nietverbindung zerstört wird.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Nietverbindung bereitzustellen, die sich einfach herstellen lässt und die eine große Festigkeit aufweist, auch wenn weichere Materialien für die Werkstücke verwendet werden. Eine weitere Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung bereitzustellen, durch die sich die Nietverbindung einfach herstellen lässt.

Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden durch Anspruch 1 und Anspruch 7 gelöst. Bevorzugte Ausführungen können den übrigen Ansprüchen entnommen werden.

Die Nietverbindung gemäß Anspruch 1 zeichnet sich dadurch aus, dass jedes Kranzelement im Wesentlichen als Kreisbogen geformt ist, der an dem Nietschaft ansetzt und einen Winkelbereich von mindestens 270° aufweist. Somit weist im Wesentlichen jedes Kranzelement im Querschnitt die Form eines nicht geschlossenen Kreises auf. Zu betonen ist, dass es sich bei der Form des

Kranzelements nicht um einen Kreisbogen im engeren Sinne handelt, sondern um ein gebogenes Element, dessen Biegeradius in etwa konstant ist.

Dadurch, dass das Kranzelement einen Winkelbereich von mindestens 270° aufweist, kann vermieden werden, dass eine Spitze des Kranzelementes bei axialer Belastung der Nietverbindung in das dem Nietkranz zugewandten Werkstück (zweite Werkstück) eindringt, wodurch dieses beschädigt werden kann. Ein derartiges Eindringen der Spitze ist nicht möglich, das die Spitze nicht in Richtung zweites Werkstück zeigt, sondern dazu parallel verläuft oder sogar von dem zweiten Werkstück weg zeigt.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Winkelbereich mehr als 300°, in einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel mehr als 315°. Somit handelt es sich bei dem Kranzelement um einen fast vollständig geschlossenen Kreisbogen, wobei die Spitze des Kranzelements von dem Nietkopf deutlich weg zeigt. Das zweite Werkstück liegt dabei mit einer kranzseitigen Oberseite wie eine Tangente auf dem Kranzelement auf, so dass die Gefahr gering ist, dass das Kranzelement in das Material des zweiten Werkstück eindringt.

Ein weiterer Vorteil der kreisbogenförmigen Kranzelemente mit einem Winkelbereich größer 270° besteht darin, dass bei axialer Zugbelastung der Nietverbindung, also in Richtung entlang der Längsachse des Nietschafts, die Kranzelemente wie eine Blattfeder wirken. Somit können Belastungsspitzen durch die Kranzelemente abgefedert werden, wodurch das zweite Werkstück und somit die gesamte Nietverbindung geschützt wird.

Der Nietkranz kann acht Kranzelemente umfassen. Dies stellt einen guten Kompromiss zwischen der Komplexität des Werkzeugs zum Formen des Nietkranzes und der Verformbarkeit und Tragfähigkeit der einzelnen Kranzelemente dar. Natürlich können auch andere Anzahlen von Kranzelementen gewählt werden, beispielsweise 4, 6, 10 oder 12. Auch eine ungerade Anzahl von Kranzelementen ist denkbar.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Nietschaft in seiner gesamten Länge hohlzylindrisch ausgebildet. Somit lässt sich der Niet durch eine einfache Niethülse herstellen, die an einem kopfseitigen Ende zur Aufnahme eines separaten Nietdeckels umgeformt, z.B. umgebördelt sein kann. Der Niet kann auch einstückig ausgebildet sein, wobei sich der gesamte Nietkopf vorzugsweise durch Umformen des Nietschafts am kopfseitigen Ende ergibt.

Ein anderes Ende des Nietschafts, also das vom Nietkopf abgewandte Ende, kann dazu dienen, zu dem Nietkranz mit den mehreren Kranzelementen umgeformt zu werden. Um ein Umformen kontrollierter ablaufen zu lassen, können an dem dem Nietkopf abgewandten Ende axiale Schlitze vorgesehen sein, die das Hülsenende in mehrere Umfangssegmente teilt, deren Anzahl dann mit

der Anzahl der zu formenden Kranzsegmente übereinstimmt. Es haben sich jedoch auch gute Ergebnisse mit einer ungeschlitzten Niethülse erzielen lassen.

Ein Verhältnis eines mittleren Außendurchmessers des Kreisbogens zu einem Innendurchmesser des Nietschafts kann in einem Bereich zwischen 0,5 und 0,75 liegen. Beträgt beispielsweise der Innendurchmesser des Schafts 4 mm, so ergibt sich für den Nietkranz eine Breite oder ein äußerer Nietkranzdurchmesser von 8 bis 10 mm.

Der äußere Nietkranzdurchmesser kann 1 ,5 bis 2,5-fach größer sein als ein Außendurchmesser des Nietschafts. Besonders gute Ergebnisse liefert eine Nietverbindung, bei der der äußere Nietkranzdurchmesser 2 bis 2,4-fach größer als der Außendurchmesser des Nietschafts ist.

Das zweite Werkstück, das bei der Nietverbindung an den einzelnen Kranzelementen anliegt, kann aus einem weichen Material wie Pappe oder Karton sein. Durch die besondere Formgebung der Kranzelemente kann ein schädigendes Eindringen der Spitzen der Kreiselemente in das Material des zweiten Werkstücks zuverlässig vermieden werden, so dass, wie oben bereits beschrieben, das zweite Werkstück und somit die gesamte Nietverbindung geschützt wird.

Das erste Werkstück, an dem der Nietkopf anliegt, kann ebenfalls Pappe oder Karton sein, aber auch aus einem anderen Material, wie Blech oder Kunststoff.

Die Nietvorrichtung gemäß Anspruch 8 dient zur Herstellung der oben beschriebenen Nietverbindung. Die Nietvorrichtung umfasst einen Stempel, durch den ein zur Herstellung des Niets dienenden Niethalbzeug gemeinsam mit den Werkstücken, durch die ein Nietschaft des Niethalbzeugs greift, entlang einer Nietlängsachse gegen ein Werkzeugunterteil drückbar ist, das ein Umformdorn trägt, durch den ein freies Ende des Nietschafts des Niethalbzeugs in die Kranzsegmente des herzustellenden Niets umformbar ist. Als Abstützung für die Werkstücke ist ein bewegbarer Abstandshalter vorgesehen, der sich über eine Federeinrichtung an dem Werkzeugunterteil abstützt und für einen Zwischenraum zwischen dem Umformdorn und den Werkstücken sorgt. In dem Zwischenraum lässt sich beim Umformen des freien Endes des Nietschafts des Niethalbzeugs jedes Kranzsegment im Wesentlichen ungehindert in die Form des Kreisbogens mit dem Winkelbereich größer 270° bringen. Es wird dadurch vermieden, dass die Spitzen der Kranzelemente beim Einformen in das zweite Werkstück gedrückt werden, wodurch Materialschädigungen schon bei der Herstellung der Nietverbindung entstehen.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Abstandshalter als Abstandsbuchse ausgebildet, die koaxial zum Umformdorn angeordnet ist. Eine Stirnseite der Abstandsbuchse kann dabei als Auflage für die Werkstücke dienen, während eine andere Stirnseite der Buchse mit der Federeinrichtung verbunden ist.

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Eine Höhe des Zwischenraums kann in einer Endstellung des Abstandshalters in etwa dem mittleren Außendurchmesser jedes Kranzsegmentes entsprechen. Dies führt dazu, dass am Ende des Nietprozesses, bei dem der Abstandshalter seine Endstellung erreicht, das zweite Werkstück auf den Kreisbogen jedes Kranzsegments aufsetzt. Dadurch kann eine im Wesentlichen spielfreie Nietverbindung zwischen dem Niet und den Werkstücken erreicht werden. Zudem kann der Zwischenraum so bemessen sein, dass die einzelnen Kranzsegmente leicht eingedrückt und somit elastisch vorgespannt sind. Dies ist dann der Fall, wenn der Zwischenraum geringfügig kleiner ist als der mittlere Außendurchmesser jedes Kranzsegments.

Die Federeinrichtung kann eine Schraubenfeder umfassen. Die Schraubenfeder kann dabei als Druckfeder ausgebildet sein, die sich einerseits an dem Werkzeugunterteil und andererseits an der Abstandsbuchse abstützt. Somit drückt die Schraubenfeder die Abstandsbuchse von dem Werkzeugunterteil weg. über einen radial nach innen gerichteten Bund der Abstandsbuchse, der mit einem Anschlag des Werkzeugunterteils zusammenwirkt, kann eine Anfangsstellung des Abstandshalters definiert werden, in der sich die Abstandsbuchse am Anfang des Nietprozesses befindet.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel kann ein Innendurchmesser der Abstandsbuchse in etwa dem zweifachen mittleren Außendurchmesser jedes Kreissegments zuzüglich dem Innendurchmesser des Nietschafts entsprechen. Somit gleicht der Innendurchmesser der Abstandsbuchse in etwa dem Außendurchmesser des zu formenden Nietkranzes. Eine Mantelinnenfläche der Abstandsbuchse kann somit als Führung für die Kranzsegmente beim Umbiegeprozess fungieren, da sie eine Ausweitung der Kranzsegmente in radialer Richtung beschränkt.

Die oben beschriebene Nietverbindung eignet sich insbesondere für die Verbindung von Werkstücken, von denen eins relativ weich ist oder eine geringe Oberflächenhärte aufweist. Eine bevorzugte Verwendung der oben beschriebenen Nietverbindung in ihren unterschiedlichen Ausführungen besteht im Befestigen eines Tragegriffs, vorzugsweise aus Kunststoff, an einer Seitenwand eines Waschmittel-Behälters aus Karton oder Pappe. Hier weist die erfindungsgemäße Nietverbindung ausreichend hohe Festigkeiten auf, insbesondere in den Fällen, in denen der Traggriff in der Nähe der Nietverbindung in Richtung Nietlängsachse gezogen wird, um den Waschmittel-Behälter seitlich heranzu oder zu drehen. Dieses Heranziehen oder Drehen kann mit großen Kräften verbunden sein, insbesondere dann, wenn sich der Waschmittel-Behälter im Stapel mit anderen darüber angeordneten Waschmittel- Behältern befindet, deren Gewicht auf den zu bewegenden Waschmittel-Behälter lastet.

Anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 in perspektivischer Ansicht einen Waschmittel-Behälter mit Traggriff;

Figur 2 einen Nietkranz eines Niets von unten;

Figur 3 im Schnitt eine Nietverbindung mit dem Niet gemäß Figur 2;

Figur 4 in schematischer Weise eine Nietvorrichtung zur Herstellung der

Nietverbindung gemäß Figur 3; und

Figur 5 die Nietvorrichtung der Figur 4 in einer anderen Stellung.

Eine mögliche Anwendung für eine erfindungsgemäße Nietverbindung, die weiter unten näher beschrieben wird, zeigt Figur 1. Dargestellt ist ein quaderförmiger Behälter 1 zur Aufnahme von Waschmittel, der sich aus einem oder mehreren Zuschnitten aus Pappe oder Karton falten lässt. Der Behälter 1 umfasst einen bandförmigen Handgriff 2, der an seinen zwei Enden 3 jeweils mit einer Seitenwand 4 des Behälters 2 verbunden ist. Die Verbindung zwischen dem jeweiligen Ende 3 des Handgriffs 2 und der zugehörigen Seitenwand 4 erfolgt dabei über eine Nietverbindung 5, die in Figur 1 lediglich als schwarzer Punkt dargestellt ist.

üblicherweise wird die Nietverbindung 5 bei dem Behälter 1 auf Scherung beansprucht. Wird der Behälter 1 mit Hilfe des Handgriffs 2 angehoben, so wird eine Hebekraft in Richtung X über die Nietverbindung 5 in die Seitenwand 4 eingeleitet. In besonderen Fällen kann die Nietverbindung 5 auch auf Zug beansprucht werden, beispielsweise dann, wenn zum seitlichen Verschieben des Behälters 1 der Handgriff 2 im Bereich des Endes 3 in Richtung Y gezogen wird. Derartige Belastungsfälle können sich dann ergeben, wenn der Behälter 1 innerhalb eines Stapels auf einer Palette mit weiteren Behältern im Stapel zwecks kundenorientierter Ausrichtung verschoben oder verdreht werden muss.

Der Behälter 1 der Figur 1 weist einen üblichen Aufbau mit den bereits oben erwähnten Seitenwänden 4 auf. Des Weiteren sind eine Frontwand 6 und eine klappbarer Deckel 9 zu erkennen. Ein Boden 8 sowie eine Rückwand 7 sind in der perspektivischen Ansicht der Figur 1 verdeckt.

Die Figuren 2 und 3 zeigen die Nietverbindung 5 der Figur 1 im Detail, wobei Figur 3 eine Schnittzeichnung und Figur 2 eine Ansicht entlang der Linie M-Il in der Figur 3 ist. Die

Nietverbindung 5 umfasst einen Niet 10, der einen Nietkopf 1 1 und einen Nietschaft 12 aufweist. Der Nietschaft 12 erstreckt sich durch zwei Schichten, von denen die obere der Handgriff 2 und die untere die Seitenwand 4 des Behälters 1 sind.

Der Niet 10 ist zu einer Nietlängsachse 13 symmetrisch aufgebaut. Der Nietschaft 12 weist zum Nietkopf 11 einen umgebogenen oder umgebördelten Rand 14 auf, der zur Aufnahme eines Kopfdeckels 15 dient. Der scheibenförmige, leicht gewölbte Kopfdeckel 15 umgreift den Rand 14 von außen mit nach innen gebogenen Enden 16, so dass der Kopfdeckel 15 unlösbar mit dem Nietschaft 12 verbunden ist. Das Ende 16 liegt dabei auf dem Handgriff 2 auf.

An dem Nietschaft 12 ist ein Nietkranz 17 einstückig angeformt. Der Nietkranz 17 umfasst dabei acht sich in radialer Richtung erstreckende Kranzelemente 18. Sie bilden in der Darstellung der Figur 2 einen gleichmäßigen Stern. Auf die Herstellung des Nietkranzes 17 wird später näher eingegangen.

Im Schnitt weist jedes Kranzelement 18 im Wesentlichen die Form eines Kreisbogens 19 auf, der in dem Ausführungsbeispiel der Figuren 2 und 3 einen nahezu geschlossenen Kreis bildet. Der Kreisbogen 19 weist dabei einen Winkelbereich von ca. 330° auf, wobei dieser Winkelbereich an einem übergang 20 zwischen dem Nietschaft 12 und dem Kreisbogen 19 beginnt und bis zu einer Spitze 21 des Kreisbogens 19 reicht. Die Spitze 21 ist dabei in Richtung der Längsachse 13 gerichtet und zeigt von dem Nietkopf 11 weg. Eine gedachte Verlängerungslinie 22 und die Längsachse 13 schließen einen Winkel α ein, der rund 30° beträgt.

Der Kreisbogen 19 liegt mit einem äußeren Umfang 23 an der Seitenwand 4 an. Eine Auflagestelle 24 des Kreisbogens 19 befindet sich dabei in Umfangsrichtung gesehen 270° von dem übergang 20 zwischen Nietschaft 12 und dem Kreisbogen 19 entfernt. Der übergang 20 kann dabei als die Stelle am Nietschaft 12 definiert werden, an der eine Mantelinnenfläche des Nietschafts 12 vom Nietkopf 11 aus gesehen beginnt, sich auszuweiten. Ab dieser Stelle verläuft die Mantelinnenfläche nicht mehr parallel zur Nietlängsachse.

Wird die Nietverbindung 5 auf Zug beansprucht, in dem der Handgriff 2 und somit auch der daran anliegende Nietkopf 11 von der Seitenwand 4 abgehoben wird, werden die Kranzelemente 18 mit ihren jeweiligen Auflagestellen 24 gegen die Seitenwand 4 gedrückt. Jedes kreisbogenförmige Kranzelement 18 wirkt dabei wie eine Blattfeder, so dass gewisse Belastungsspitzen von dem Nietkranz 17 aufgenommen werden. Aufgrund der abgerundeten Auflagestellen 24 kann vermieden werden, dass bei Zugbelastung der Nietverbindung 5 die Kranzelemente 18 in ungewünschter Weise in das Material der Seitenwand 4 eindringen und dort aufgrund der Materialschädigung zu Belastungsspitzen führen.

In Figur 3 ist ein mittlerer Außendurchmesser D _E des Kranzelements 18 eingezeichnet. Der Außendurchmesser D _E beträgt dabei rund 80 % eines Innendurchmessers l _s des Nietschafts 1 1. Ein Verhältnis zwischen einem äußeren Durchmesser D _NK des Nietkranzes 17 ist und einem Außendurchmesser des Nietschafts 11 beträgt hier rund 2,25.

Die Figuren 4 und 5 stellen eine Vorrichtung 25 zum Herstellen der Nietverbindung 5 dar. Die Figuren 4 und 5 zeigen dabei unterschiedliche Stellungen der Nietvorrichtung 25.

Die Nietvorrichtung 25 umfasst einen Stempel 26, der entlang einer Achse 27 verfahrbar angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Nietvorrichtung 25 ein feststehendes Werkzeugunterteil 28, auf dem ein Umformdorn 29 angeordnet ist.

In Figur 4 ist ein Niethalbzeug 30 mit einem Nietschaft 31 in die Nietvorrichtung 25 eingesetzt, der durch den Handgriff 2 und die Seitenwand 4 greift. Das Niethalbzeug 30 dient zum Herstellen des Niets 10 der Figuren 2 und 3. Ein Nietkopf 32 entspricht dabei in Form und Aufbau dem Nietkopf 11 des Niets 10, so dass hier auf die obige Beschreibung verwiesen wird.

Das Niethalbzeug 30 sowie der Handgriff 2 und die Seitenwand 4 werden in der Nietvorrichtung 25 von einer Abstandsbuchse 33 gehalten, die wie der Stempel 26 entlang der Achse 27 beweglich angeordnet ist. Zwischen der Abstandsbuchse 33 und dem Werkzeugunterteil 28 ist eine Schraubenfeder 34 geschaltet, die die Abstandsbuchse 33 mit einem stirnseitigen Bund 35 gegen einen Anschlag 36 des Werkzeugunterteils 28 drückt, wodurch eine Anfangsstellung der Abstandsbuchse 33 definiert wird.

Der Prozess zum Herstellen des Niets 10 aus dem Niethalbzeug 30 wird aus der Zusammenschau der Figuren 4 und 5 deutlich. Der Stempel 26 wird in Richtung Werkzeugunterteil 28 gedrückt, wobei ein freies Ende 37 des Nietschafts 31 des Niethalbzeugs 30 gegen den Umformdorn 29 gedrückt wird. Der Dorn 29 ist dabei so ausgebildet, dass er einerseits das freie Ende 37 in mehrere Kranzelemente 18 aufteilt und andererseits diese Kranzelemente so verformt, dass letztlich ein Nietkranz 17 entsteht, so wie er in den Figuren 2 und 3 dargestellt ist.

Die Abstandsbuchse 33 sorgt beim Runterfahren des Stempels 26 dafür, dass zwischen dem Umformdorn 29 und der Seitenwand 4 ein genügend großer Zwischenraum verbleibt, so dass sich die Kranzelemente 18 als Kreisbögen 19 ausbilden können. In Figur 5 hat die Abstandsbuchse 33 eine Endstellung erreicht.

In dieser Endstellung ist der Zwischenraum zwischen Umformdorn 29 und der Seitenwand 4 so bemessen, dass er dem mittleren Außendurchmesser des Kreisbogens 19 entspricht oder sogar ein wenig kleiner ist. Dadurch wird der Kreisbogen 19 in Längsrichtung der Achse 27 ein wenig zusammengedrückt, so dass der Niet 10 ohne Spiel den Handgriff 2 und die Seitenwand 4 zusammenhält und die Nietverbindung 5 eine gewisse Vorspannung aufweist. Die Endstellung der Abstandsbuchse 5 kann beispielsweise über eine Blockstellung der Feder 34 erfolgen.

Bezugszeichenliste:

1 Behalter

2 Handgriff

3 Ende

4 Seitenwand

5 Nietverbindung

6 Frontwand

7 Rückwand

8 Boden

9 Deckel

10 Niet

11 Nietkopf

12 Nietschaft

13 Nietlängsachse

14 Rand

15 Kopfdeckel

16 Ende

17 Nietkranz

18 Kranzelement

19 Kreisbogen

20 übergang

21 Spitze

22 Verlängerungslinie

23 Außenumfang

24 Auflagestelle

25 Nietvorrichtung

26 Stempel

27 Achse

28 Werkzeugunterteil

29 Umformdorn

30 Niethalbzeug

31 Nietschaft

32 Nietkopf

33 Abstandsbuchse

34 Feder

35 Bund

36 Anschlag

37 Ende

X Richtung

Y Richtung

D _E Außendurchmessser eines Kranzelementes

Is Innendurchmesser des Nietschafts

D _s Außendurchmesser des Nietschafts

D _NK Außendurchmesser des Nietkranzes