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Die Erfindung betrifft einen Befestigungspin zum Einsetzen in eine Öffnung eines Bauteils, eine Baugruppe mit einem Befestigungspin sowie ein Montageverfahren.
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Befestigungspins dienen der Befestigung von Anbauteilen an einem Karosserieteil. Der Befestigungspin wird in eine Aufnahme des Bauteils eingesetzt und in dieser fixiert. Anschließend kann am Befestigungspin ein Bauteil, beispielsweise ein Innenraumverkleidungsteil des Fahrzeugs, befestigt werden. Solche Befestigungspins sollen einfach und schnell zu montieren sein. Der montierte Pin sollte aber auch eine möglichst hohe Auszugskraft aufweisen, sodass das Bauteil sicher gehalten ist und ein Lösen, beispielsweise bei einem Unfall, ausgeschlossen ist. Aus dem Stand der Technik sind Befestigungspins bekannt, die Rastelemente aufweisen, die in die Aufnahme eingeschoben werden und mit den Rastelementen an der Innenseite der Aufnahme verrasten. Die Montagekräfte sowie die Auszugskräfte sind bei diesen Befestigungspins von der Geometrie der Rastelemente abhängig bzw. von der Federkraft, mit der die Rastelemente in der Aufnahme gehalten sind. Eine geringe Federkraft ermöglicht zwar eine einfache Montage, da die Rastelemente einfach umgebogen werden können. Dies hat aber zur Folge, dass die Befestigungspins nur eine geringe Auszugskraft aufweisen. Eine Erhöhung der Auszugskraft ist nur mit einer gleichzeitigen Erhöhung der Montagekräfte möglich. Eine Alternative sind Befestigungspins mit einem Gewinde, die in die Aufnahme eingeschraubt werden können. Bei diesen ist aber eine zusätzliche Fixierung erforderlich, beispielsweise durch Sicherungsscheiben, was zu einem erhöhten Herstellungs- und Montageaufwand führt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Befestigungspin zum Einsetzen in eine Öffnung eines Bauteils bereitzustellen, der nach der Montage eine möglichst hohe Auszugskraft bietet und einfach zu montieren ist.
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Erfindungsgemäß ist dafür ein Befestigungspin zum Einsetzen in eine Aufnahme eines Bauteils vorgesehen, mit einem Kopf und einem länglichen Schaft, wobei der Schaft einen an den Kopf angrenzenden ersten Schaftbereich sowie einen zweiten Schaftbereich aufweist. Der erste Schaftbereich hat einen kleineren Durchmesser als der zweite Schaftbereich. Am Kopf ist ein in Richtung des Schaftes ragender, umlaufender Verdrängungsvorsprung vorgesehen, der so ausgebildet ist, dass dieser beim Einschieben des Befestigungspins in die Aufnahme in die Oberfläche der Aufnahme eingedrückt werden kann und Material von dem Bauteil plastisch so in Richtung der Aufnahme verformen kann, dass dieses einen Formschluss mit dem ersten Schaftbereich des Pins bildet.
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Der Befestigungspin besteht vorzugsweise aus einem härteren Material als das Bauteil. Die Aufnahme des Bauteils ist auf den Durchmesser des zweiten Schaftbereichs angepasst, sodass dieser annähernd spielfrei oder mit leichter Presspassung in die Aufnahme eingeschoben werden kann, während der erste, im Durchmesser kleinere Schaftbereich beim Einschieben des Befestigungspins keinen Kontakt mit der Aufnahme bzw. dem Bauteil hat. Ist der Befestigungspin annähernd vollständig in die Aufnahme eingeschoben, kommt der Verdrängungsvorsprung mit der Oberfläche des Bauteils in Anlage. Wird der Befestigungspin weiter in die Aufnahme eingepresst, verdrängt der Verdrängungsvorsprung plastisch Material des weicheren Bauteils. Das Material wird in den freien Raum, der bisher zwischen der Aufnahme und dem ersten Schaftbereich gebildet ist, verformt, sodass der freie Raum durch das vom Verdrängungsabschnitt verformte Material aufgefüllt wird. Dadurch wird zum einen in axialer Richtung ein Formschluss zwischen der Aufnahme und dem ersten Schaftbereich hergestellt. Zum anderen hintergreift das verdrängte Material den zweiten, größeren Schaftbereich, sodass ein Herausziehen des Befestigungspins nicht bzw. nur durch ein erneutes Verformen des Material möglich ist. Der Befestigungspin kann also, da er anfangs nahezu widerstandsfrei in das Bauteil eingesetzt werden kann, einfach in der Aufnahme zentriert bzw. vorpositioniert werden. Nach dem Einsetzen des Befestigungspins in die Aufnahme ist das Aufbringen einer größeren Einpresskraft, die zum vollständigen Einpressen Befestigungspins erforderlich ist, wesentlich einfacher möglich, da der Befestigungspin durch den zweiten Schaftbereich bereits sicher in der Aufnahme gelagert ist. Nach der vollständigen Montage hat der Befestigungspin aufgrund des verdrängten Materials eine sehr hohe Auszugskraft.
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Der Verdrängungsvorsprung kann beispielsweise in Einschubrichtung konisch zulaufend ausgebildet sein. Das heißt, der Verdrängungsvorsprung bildet im Querschnitt gesehen einen Keil, der anfangs mit einer Schneide bzw. einer sehr geringen Auflagefläche in die Oberfläche des Bauteils eingedrückt werden kann. Zu Beginn des Einpressvorgangs des Verdrängungsvorsprungs ist dadurch nur eine geringe Einpresskraft erforderlich. Anschließend kann die Einpresskraft erhöht werden, um auch den breiteren Abschnitt des Verdrängungsvorsprungs in das Bauteil einpressen zu können und dadurch mehr Material des Bauteils zu verformen.
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Um noch mehr Material zu verdrängen, kann beispielsweise am Kopf zwischen Schaft und Verdrängungsvorsprung ein in Richtung des Schaftes in axialer Richtung erhöhter Bereich vorgesehen sein. Das Material des Bauteils wird in diesem Fall also nicht nur durch den Verdrängungsvorsprung, sondern auch durch den erhöhten Bereich verdrängt, wodurch, eine wesentlich größere Materialmenge verformt werden kann.
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Der Schaftbereich kann beispielsweise auch einen dritten, an den zweiten Schaftbereich anschließenden Schaftbereich aufweisen, der einen im Vergleich zum zweiten Schaftbereich geringeren Durchmesser aufweist. Dieser dritte Schaftbereich dient beispielsweise dem Zentrieren des Befestigungspins in der Aufnahme bzw. einer einfacheren Montage des Befestigungspins.
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Die Fixierung des Befestigungspins in der Aufnahme des Bauteils erfolgt überwiegend über den Formschluss des Bauteils mit dem ersten Schaftbereich sowie über den für den zweiten Schaftbereich gebildeten Hinterschnitt. Eine Erhöhung der Auszugskraft ist also durch eine Vergrößerung des Durchmessers des zweiten Schaftbereichs bzw. eine Anpassung des Verhältnisses der Durchmesser des ersten und des zweiten Schaftbereichs oder über eine Verlängerung des ersten Schaftbereichs möglich. Da lediglich der Durchmesser des zweiten Schaftbereichs relevant ist, kann die Länge des zweiten Schaftbereichs beliebig angepasst werden.
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Unabhängig von der Form des ersten und des zweiten Schaftbereichs ist es auch denkbar, dass am Schaft ein Gewinde vorgesehen ist. Der Befestigungspin kann also nicht nur durch Einpressen in die Aufnahme eingesetzt werden, sondern kann auch in die Aufnahme eingeschraubt werden. Die Funktionsweise des Befestigungspins ändert sich dadurch nicht: Der Befestigungspin wird in die Aufnahme eingeschraubt, bis der Verdrängungsvorsprung an der Oberfläche anliegt. Anschließend wird beim weiteren Einschrauben der Verdrängungsvorsprung in die Oberfläche des Bauteils eingepresst und verdrängt Material des Bauteils in Richtung zur Aufnahme. Durch den entstehenden Formschluss wird der Befestigungspin fixiert. Die Aufnahme kann dazu ein vorgeschnittenes Gewinde aufweisen. Da der Befestigungspin aus einem härteren Material hergestellt ist als das Bauteil, ist es aber auch möglich, dass das Gewinde ein selbstschneidendes Gewinde ist.
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Am Kopf des Befestigungspins ist in diesem Fall vorzugsweise eine Werkzeugaufnahme vorgesehen, in die ein geeignetes Werkzeug eingeführt werden kann.
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Um ausreichend Material des Bauteils zu verformen, muss der Verdrängungsvorsprung beim Einpressen des Befestigungspins auf der Oberfläche des Bauteils anliegen. Die ist nur möglich, wenn der Durchmesser des Verdrängungsvorsprungs größer ist als der Durchmesser der Aufnahme. Der Durchmesser der Aufnahme ist an Durchmesser des zweiten, breiteren Schaftbereichs angepasst, wobei der Durchmesser der Aufnahme geringfügig größer bzw. kleiner sein kann als der Durchmesser des zweiten Schaftbereichs. Der Verdrängungsvorsprung muss also in Axialrichtung gesehen vollständig radial außerhalb des zweiten Schaftbereichs liegen, um an der Oberfläche des Bauteils anliegen zu können.
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Die radiale Innenwand des Verdrängungsvorsprungs kann beispielsweise konisch zum Kopf nach innen verlaufen. Durch diese Geometrie wird das Material beim Einpressen radial nach innen verformt, sodass das Material in den freien Raum zwischen dem ersten Schaftbereich und der Aufnahme verformt wird.
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Erfindungsgemäß ist des Weiteren eine Baugruppe vorgesehen, mit einem erfindungsgemäßen Befestigungspin und einem Bauteil, an dem der Befestigungspin befestigt werden kann. Das Bauteil hat eine im Wesentlichen von der Oberfläche ausgehende, zylindrische Aufnahme für den Befestigungspin. Der Rand der Aufnahme ragt im montierten Zustand in den durch den ersten Schaftbereich gebildeten Hinterschnitt.
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An der Oberfläche des Bauteils gemäß einer Ausgestaltung ist ein um die Aufnahme umlaufender Fortsatz vorgesehen, dessen Radius kleiner ist als der Radius des Verdrängungsvorsprungs. Dieser Fortsatz stellt zusätzlich Material zur Verfügung, das beim Einpressen des Befestigungspins den freien Raum zwischen der Aufnahme und dem ersten Schaftbereich füllen kann und dadurch einen Formschluss zwischen der Aufnahme und dem ersten Schaftbereich herstellt.
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Um ein einfaches Zentrieren des Befestigungspins in der Aufnahme zu ermöglichen, ist es auch denkbar, dass an der Oberfläche des Bauteils eine um die Aufnahme umlaufende Vertiefung vorgesehen ist, deren Radius im Wesentlichen dem Radius des Verdrängungsvorsprungs entspricht. Beim Einpressen des Befestigungspins gelangt der Verdrängungsvorsprung mit dieser Vertiefung in Anlage, wodurch die Position des Befestigungspins festgelegt ist.
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Des Weiteren ist erfindungsgemäß ein Verfahren zur Montage einer erfindungsgemäßen Baugruppe vorgesehen, das folgende Schritte aufweist:
- – Einpressen des Befestigungspins in die Aufnahme des Bauteils, bis der Verdrängungsfortsatz am Rand der Aufnahme anliegt, und
- – weiteres Einpressen des Befestigungspins, wobei der Verdrängungsvorsprung Material vom Rand der Aufnahme radial nach innen gegen den ersten Schaftbereich verdrängt, sodass ein Formschluss zwischen Bauteil und erstem Schaftbereich gebildet wird.
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Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen. In diesen zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Baugruppe mit einem erfindungsgemäßen Befestigungspin in einem ersten Montageschritt,
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2 die Baugruppe aus 1 in einem Zwischenmontageschritt,
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3 die Baugruppe aus 1 in einem Endmontagezustand,
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4 eine Detailansicht der Baugruppe aus 3,
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5 eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baugruppe in einem ersten Zwischenmontagezustand,
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6 die Baugruppe aus 5 in einem zweiten Zwischenmontageschritt, und
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7 die Baugruppe aus 5 in einem Endmontagezustand.
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In 1 ist ein Befestigungspin 10 dargestellt, der in eine Aufnahme 12 eines Bauteils 14 eingesetzt werden kann. Das Bauteil 14 kann ein Teil einer Fahrzeugkarosserie sein. Der Befestigungspin 10 dient der Anbringung eines weiteren Bauteils, beispielsweise eines Verkleidungsteils, am Karosserieteil. Der Befestigungspin 10 kann aber auch lediglich zur Abdichtung der Aufnahme 12 im Bauteil 14 dienen.
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Der Befestigungspin 10 hat einen im Wesentlichen scheibenartigen Kopf 16 sowie einen im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten, länglichen Schaft 18. Der Schaft 18 umfasst einen ersten Schaftbereich 20, der direkt an den Kopf 16 anschließt, sowie einen zweiten Schaftbereich 22, wobei der Durchmesser d des ersten Schaftbereichs 20 kleiner ist als der Durchmesser D des zweiten Schaftbereichs 22. Das freie Ende 23 des Schaftes 18 ist konisch zulaufend ausgebildet, um das Einsetzen des Befestigungspins 10 in die Aufnahme 12 zu erleichtern. Am Kopf 16, genauer an dessen Unterseite, ist des Weiteren ein Verdrängungsvorsprung 24 vorgesehen, der im Wesentlichen ringförmig um den Schaft 18 umlaufend ausgebildet ist und in Richtung des Schaftes 18 vom Kopf 16 vorsteht.
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Die Aufnahme 12 des Bauteils 14 ist im Wesentlichen kreiszylindrisch ausgebildet, wobei sich die Aufnahme 12 hier zur Oberfläche 26 des Bauteils hin schrittweise aufweitet. Diese Aufweitung dient lediglich der einfachen Zentrierung des Befestigungspins 10 in der Aufnahme 12. Die Aufnahme 12 könnte aber auch vollständig kreiszylindrisch ausgebildet sein und keine solche Aufweitung aufweisen.
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Das Bauteil 14 ist hier aus einem Material hergestellt, das weicher ist als das Material des Befestigungspins 10.
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Der Durchmesser der Aufnahme 12 ist im Wesentlichen an den Durchmesser D des zweiten Schaftbereichs 22 angepasst. Im hier gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Durchmesser der Aufnahme geringfügig kleiner als der Durchmesser D des zweiten Schaftbereichs 22, sodass beim Einschieben des Befestigungspins 10 eine Presspassung zwischen Schaft 18 und Aufnahme 12 entsteht.
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Es ist aber auch denkbar, dass die Aufnahme 12 den gleichen oder einen geringfügig größeren Durchmesser aufweist, sodass der Befestigungspin 10 zu Beginn des Einpressvorgangs ein geringfügiges Spiel in der Aufnahme 12 aufweist.
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Wird der Befestigungspin 10 in eine axiale Einpressrichtung R in die Aufnahme 12 eingeschoben, kommt zuerst das konusförmige freie Ende 23 mit der Oberfläche 26 des Bauteils 14 bzw. der Aufnahme 12 in Kontakt und zentriert den Befestigungspin 10 zur Aufnahme 12. Anschließend wird der Befestigungspin 10 in Einpressrichtung R so weit in die Aufnahme 12 eingeschoben, bis der Verdrängungsvorsprung 24 an der Oberfläche 26 des Bauteils 14 anliegt (2).
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Der Verdrängungsvorsprung 24 ist hier so ausgebildet, dass dieser in radialer Richtung vollständig außerhalb des zweiten Schaftbereichs 22 liegt. Dadurch liegt der Verdrängungsvorsprung 24 auf der Oberfläche 26 des Bauteils 14 auf und wird nicht in die Aufnahme 12 eingeschoben. Zwischen dem ersten Schaftbereich 20 und der Innenwand 28 der Aufnahme 12 in diesem Zwischenmontagezustand ein freier Raum 30 gebildet. Das heißt, der erste Schaftbereich 20 hat keinen Kontakt zum Rand der Aufnahme 12.
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Wird der Befestigungspin 10 in Einpressrichtung R weiter eingepresst, wird der Verdrängungsvorsprung 24 in die Oberfläche 26 des Bauteils 14 eingepresst (3). Das Material des Bauteils 14, das während dieses Vorgangs vom Verdrängungsvorsprung 24 verdrängt wird, wird dabei plastisch in Richtung der Aufnahme 12 verformt. Das Material des Bauteils 14 füllt den freien Raum 30 zwischen erstem Schaftbereich 20 und Aufnahme 12 (siehe auch 4), sodass zwischen erstem Schaftbereich 20 und Aufnahme 12 eine formschlüssige Verbindung hergestellt ist.
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Dies Effekt wird dadurch verstärkt, dass der Kopf 16 des Befestigungspins 10 an der Oberfläche 26 des Bauteils 14 anliegt, sodass das Material des Bauteils 14 bezüglich 3 und 4 nicht nach oben, also in Richtung der Oberfläche 26 ausweichen kann. Somit kann das Material nur in Richtung der Aufnahme 12 bzw. in den freien Raum 30 zwischen ersten Schaftbereich 20 und Aufnahme 12 verformt werden.
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Wie insbesondere in den 3 und 4 zu sehen ist, ist durch das verformte Material ein Formschluss zwischen dem ersten Schaftbereich 20 des Befestigungspins 10 und der Aufnahme 12 gebildet. Zudem bildet der erste Schaftbereich 20 entgegen der Einpressrichtung R betrachtet einen Hinterschnitt 32, der mit dem Material gefüllt ist, sodass ein Herausziehen des Befestigungspins 10 aus der Aufnahme 12 verhindert wird.
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Die Fixierung des Befestigungspins erfolgt also zum einen Ober den Formschluss zwischen dem ersten Schaftbereich 20 und der Aufnahme 12, zum andere über die Bildung eines Hinterschnittes 32, der ein Herausziehen des zweiten Schaftbereichs 22 aus der Aufnahme 12 verhindert.
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Das Verdrängungsverhalten des Verdrängungsvorsprungs 24, also die Menge des von dem Verdrängungsvorsprung 24 verformten Materials kann wesentlich durch die Geometrie des Verdrängungsvorsprungs 24 beeinflusst werden. Wie insbesondere in 4 zu sehen ist, ist der Verdrängungsvorsprung 24 in Einpressrichtung R konisch zulaufend ausgebildet, wobei die radiale Innenwand 36 des Verdrängungsvorsprungs 24 konisch zum Kopf 16 nach innen verläuft, während die radiale Außenwand 38 im Wesentlichen in Einpressrichtung R verläuft. Dadurch wird das Material, das vom Verdrängungsvorsprung 24 plastisch verformt wird, radial nach innen gegen den ersten Schaftbereich 20 verdrängt. Wäre die Außenwand 38 des Verdrängungsvorsprungs 24 konisch zulaufend ausgebildet, würde Material zusätzlich radial nach außen verdrängt und nicht wie gewünscht gegen den ersten Schaftbereich 20.
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Zusätzlich ist am Kopf 16 zwischen dem Schaftbereich 18 und dem Verdrängungsvorsprung 24 ein in axialer Richtung erhöhter Bereich 34 vorgesehen, durch den zusätzlich Material verdrängt werden kann.
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Eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Baugruppe ist in den 5 bis 7 dargestellt. Der Befestigungspin 10 entspricht hier im Wesentlichen dem in den 1 bis 4 dargestellten Befestigungspin 10. Der Schaftbereich 18 hat hier lediglich einen an den zweiten Schaftbereich 22 anschließenden dritten Schaftbereich 40. Dieser dritte Schaftbereich 40 hat einen geringeren Durchmesser als der zweite Schaftbereich 22. Dadurch kann der Befestigungspin 10 zu Beginn des Einpressvorgangs wesentlich leichter in die Aufnahme 12 eingesetzt werden, da der Einpresswiderstand aufgrund des geringeren Durchmessers reduziert ist. Des Weiteren ist am Befestigungspin 10 hier zwischen Verdrängungsvorsprung 24 und Schaftbereich 18 kein erhöhter Bereich vorgesehen.
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Das Bauteil 14 wurde dahin gehend verändert, dass an der Oberfläche 26 eine um die Aufnahme 12 umlaufende Vertiefung 42 vorgesehen ist sowie zwischen der Vertiefung 42 und der Aufnahme 12 ein entgegen der Einpressrichtung R vorstehender Fortsatz 44.
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Wie in 6 zu sehen ist, entspricht der Durchmesser der umlaufenden Vertiefung 42 im Wesentlichen dem Durchmesser des Verdrängungsvorsprungs 24. Der Verdrängungsvorsprung 24 kommt in der Zwischenmontageposition mit dieser Vertiefung in Anlage, wodurch der Befestigungspin 10 zur Aufnahme 12 zentriert ist. Der Fortsatz 44 kommt in dieser Zwischenmontageposition zwischen Verdrängungsvorsprung 24 und Schaftbereich 18 mit dem Kopf 16 in Anlage.
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Beim weiteren Einpressen des Befestigungspins 10 wird das Material des Bauteils 14 vom Verdrängungsvorsprung 24 plastisch so verformt, dass dieses einen Formschluss mit dem ersten Schaftbereich 20 des Befestigungspins 10 bildet. Der Fortsatz 44 stellt hier zusätzlich Material zur Verfügung, das verdrängt werden kann und einen Formschluss mit dem Befestigungspin 10 bilden kann.
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Die Haltekraft des Befestigungspins 10 wird hier überwiegend durch den Formschluss des ersten Schaftbereichs 20 mit dem Bauteil 14 bzw. durch den Hinterschnitt gebildet, der ein Herausziehen des zweiten Schaftbereichs 22 verhindert. Eine Erhöhung der Auszugskraft ist also durch eine Vergrößerung des Durchmessers D des zweiten Schaftbereichs 22 bzw. eine Anpassung des Verhältnisses der Durchmesser d, D des ersten und des zweiten Schaftbereichs 20, 22 oder über eine Verlängerung des ersten Schaftbereichs 20 möglich. Die Länge des zweiten Schaftbereichs 22 kann dagegen beliebig angepasst werden.
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Da die Haltekraft des Befestigungspins 10 über den Formschluss des ersten Schaftbereichs 20 bzw. über den Hinterschnitt bereitgestellt wird, kann die Aufnahme auf einen geringfügig größeren Durchmesser aufweisen als der zweite Schaftbereich 22, wodurch ein einfacheres Einpressen des Befestigungspins 10 möglich ist. Es ist lediglich erforderlich, sicherzustellen, das die Aufnahme 12 sowie der erste Schaftbereich 20 so dimensioniert sind, dass durch das verdrängte Material des Bauteils 14 ein Formschluss zwischen der Aufnahme 12 und dem ersten Schaftbereich 20 bzw. ein Hinterschnitt 32 für den zweiten Schaftbereich 22 entsteht. Dies kann beispielsweise auch über die Anpassung des verdrängten Materials, also beispielsweise auch über einen entsprechend größer dimensionierten Verdrängungsvorsprung 24 erfolgen.
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Der Befestigungspin 10 wird bei den hier gezeigten Ausführungsformen lediglich in Einpressrichtung R in die Aufnahme 12 eingepresst. Es ist aber auch denkbar, dass der Befestigungspin 10 am Schaftbereich 18 ein Außengewinde aufweist und in die Aufnahme 12 eingeschraubt werden kann. In der Aufnahme 12 kann dabei ein vorgeschnittenes Gewinde vorgesehen sein, es ist aber auch denkbar, dass das Gewinde des Befestigungspins 10 ein selbstschneidendes Gewinde ist. Aufgrund des weicheren Materials des Bauteils 14 kann der Befestigungspin 10 das Gewinde beim Eindrehen des Befestigungspins 10 selbstständig schneiden. Zum Eindrehen des Befestigungspins 10 ist vorzugsweise am Kopf 16 eine Werkzeugaufnahme vorgesehen, die insbesondere zur Übertragung eines Drehmoments geeignet ist.