ettemeyer & olbrich: "konstruktionselemente" (chapter 6)

Konstruktionselemente

Kapitel 6: verschiedene Verbindungen

Prof. Dr.-Ing. Andreas Ettemeyer Dipl.-Ing. Otto Olbrich

Fachhochschule München Fachbereich 06 – Feinwerk- und Mikrotechnik

Version 3.02 vom 4.03.2007

Konstruktionselemente - 6.2 - Kapitel 06 - Verschiedene Verbindungen

Ettemeyer, Olbrich, Fachhochschule München V 3.02

Inhalt 6 Verschiedene Verbindungen .................................................................................................4

6.1 Bolzen.............................................................................................................................4 6.1.1 Bolzen ......................................................................................................................4 6.1.2 Auslegung von Bolzen .............................................................................................5 6.1.3 Berechnung der Bolzenverbindung:.........................................................................7

6.2 Stifte................................................................................................................................8 6.2.1 Zylinderstifte.............................................................................................................8 6.2.2 Kegelstifte ................................................................................................................9 6.2.4 Spannstifte DIN EN ISO 8752 und 13337................................................................9 6.2.4 Kerbstifte ..................................................................................................................9 6.2.4 Berechnung von Stiften..........................................................................................10

6.3 Wellen-Naben-Verbindungen .......................................................................................11 6.3.1 Passfeder DIN 6885 und 6892...............................................................................11 6.3.2 Keil-, Zahn- und Kerbzahnwellenverbindungen .....................................................11 6.3.3 Polygonverbindungen ............................................................................................13 6.3.4 Keile .......................................................................................................................13 6.3.5 Wellensicherungen.................................................................................................14

6.4 Nieten ...........................................................................................................................15 6.4.1 Übersicht ................................................................................................................15 6.4.2 Nietverbindungsarten und Schnittigkeit:.................................................................16 6.4.3 Berechnung der Nietverbindung ............................................................................16

6.5 Nicht lösbare Verbindungen .........................................................................................19 6.5.1 Bördeln...................................................................................................................19 6.5.2 Sicken ....................................................................................................................19 6.5.3 Läppverbindungen .................................................................................................20 6.5.4 Schränkverbindungen ............................................................................................20 6.5.5 Falzen ....................................................................................................................21 6.5.6 Einrollen .................................................................................................................21 6.5.7 Einspreizen ............................................................................................................21 6.5.8 Einbetten ................................................................................................................21 6.5.9 Pressen. Quetschen und Crimpen .........................................................................22

6.5 Lösbare Verbindungen .................................................................................................23 6.5.1 Klemmen ................................................................................................................23 6.5.2 Renken...................................................................................................................23



6.5.3 Schachteln .............................................................................................................23 6.6 Elektrische, kraftschlüssige Verbindungen ...................................................................24

6.5.4 Setzmuttern und SetzboIzen, Käfigmuttern ...........................................................24 6.5.5 Gewindeeinsätze....................................................................................................25



6 Verschiedene Verbindungen

6.1 Bolzen - Sehr einfache und billige Verbindung

- Sowohl für lose als auch feste Verbindungen

- Verdrehsicherung Nabe/Welle

- Halterung für Feder

- Lagegenaue Fixierung von Bauteilen

Häufig angewendet als Gelenkverbindung. Je enger die Passungen, umso genauer die Führung. Es kann aber auch Gründe für großes Spiel geben, z.B. zur Aufnahme von Wärmedehnungen oder falls starke Verschmutzungen erwartet werden -> Gelenk bleibt auch unter diesen Bedingungen leichtgängig.

6.1.1 Bolzen

DIN EN 22340

Typische Hauptbeanspruchung

Statisch: Biegung

Gleitend (Lager): Flächenpressung

(Zusätzlich: Schub)



6.1.2 Auslegung von Bolzen Betrachtung verschiedener Einbaufälle

b) Bolzen sitzt in der Gabel und in der Stange mit Spielpassung:

- Belastung durch Streckenlasten

- Querkraftverlauf

- Max. Biegemoment ( 2 )

8S G

bF t tM +

=

c) Bolzen sitzt in der Gabel mit Übermaßpassung und in der Stange mit Spielpassung:

- Bolzen als beidseitig eingespannter Träger

- Querkraftverlauf

- Max. Biegemoment 8S

bF tM ⋅

=

- F wird als Einzelkraft eingesetzt, um Nachgiebigkeit der Gabelwangen näherungsweise zu berücksichtigen

d) Bolzen sitzt in der Gabel mit Spielpassung und in der Stange mit Übermaßpassung:

- Bolzen als mittig eingespannter Träger

- Querkraftverlauf

- Max. Biegemoment 4G

bF tM ⋅

=

tG tGtStG tGtS



Festlegen der Bauteilabmessungen:

Richtwerte für die Abmessungen tS/d tG/d

Nicht gleitende Flächen 1,0 0,5

Gleitende Flächen 1,6 0,6

Abschätzung für die Bestimmung des Durchmessers:

A nenn

bzul

K Fd kσ⋅

≈ ⋅

Fnenn Stangenkraft

KA Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung (zwischen 1,0 für geringe und über 2,25 für starke stoßartige Belastung)

σbzul zulässige Biegespannung, typ. 0,3 Rm bei ruhender, 0,2 Rm bei schwellender, 0,15 Rm bei wechselnder Belastung

k Einspannfaktor – abhängig vom Einbaufall (Werte in Klammern für Gleitverbindung):

k= 1,6 (1,9) Einbaufall 1 (Bolzen lose in Stange und Gabel)

k= 1,1 (1,4) Einbaufall 2 (Bolzen mit Übermaßpassung in Gabel)

k= 1,1 (1,2) Einbaufall 3 (Bolzen mit Übermaßpassung in der Stange)

Anwendungsfaktor KA



6.1.3 Berechnung der Bolzenverbindung: Biegespannung:

0,1 ³A bnenn A bnenn

b bzulK M K MW d

σ σ⋅ ⋅= ≈ ≤

⋅

Flächenpressung Stange:

[ ]²S

F Npt d mm

=⋅

Flächenpressung Gabel:

[ ]2 ²G

F Npt d mm

=⋅ ⋅

Richtwerte für zulässige Flächenpressungen in N/mm²:

Werkstoff Festsitz – Last Gleitsitz

ruhend Schwellend wechselnd Geschmiert

St 50 / GG 70 50 32 5

Stgehärtet / Bz 32 22 16 10

St 50 / St 50 125 90 56 10

Stgehärtet / Stgehärtet 180 110 70 16

Materialien für das Lager

- Werkstoff des Stangenkopfes

- Lagerbuchse aus mit Öl getränktem Sinterwerkstoff

- Trockengleitlager-Buchsen

Wenn der Bolzen eingepresst wird, soll er in Gabel oder Stange eingepresst werden?

- Wenn es auf die Festigkeit ankommt in die Gabel (Max. Moment ist nur halb so groß wie bei Übermaßpassung in Stange)

- Wenn aus einfache Montage ankommt in die Stange (nur eine Bohrung, kein Federn der nicht abgestützten Gabelseite



6.2 Stifte Durch alle zu verbindenden Teile wird Stift mit Übermaß eingedrückt. Verbindung ist form- und kraftschlüssig.

Einsatz:

- Sicherung der Lage (Fixierung, Zentrierung),

- Sicherung gegen Verdrehen - scherfeste Verbindung von Maschinenteilen

- Halterung von Federn

- „Fliegende“ Lagerungen

- Sicherung von Bolzen und Muttern

- Wegbegrenzung von Maschinenteilen (Anschlagstifte)

6.2.1 Zylinderstifte

DIN EN ISO 2338 DIN EN ISO 8734 DIN EN 8733 - Aus ungehärtetem Stahl und aus austenitischem nichtrostenden Stahl

- Bohrung muss aufgerieben werden - > teuer

- Für hochbeanspruchte Teile durchgehärtete oder einsatzgehärtete Stifte

- Zylinderstifte mit Innengewinde, wenn Stift nicht herausgeschlagen werden kann

- Abflachung oder Längsrille dient zum Abfließen von Luft oder Öl

- Achtung auf Schwächung der Welle durch Bohrung



6.2.2 Kegelstifte - Kegel 1:50

- Für Passgenauigkeit,

- wenn die Verbindung öfters gelöst werden soll.

- Kegel gleicht Abnutzung oder Lochaufweitung aus

- Einsatz meist als Passstifte, aber auch als Verbindungsstifte

- Aufreiben der kegeligen Bohrung ist erforderlich, daher relativ teuer in der Herstellung.

- Nicht rüttelfest

- Kegelstifte werden in ungehärtetem Zustand eingesetzt

- Gewinde zum leichteren Lösen

6.2.4 Spannstifte DIN EN ISO 8752 und 13337

- Aus Federstahl 55 Si7, vergütet auf 422 … 560 HV 5

- Im Durchmesser elastisch

- Federwirkung gleicht Toleranzen aus

- Werden heute häufig anstelle von harten und weichen Stiften eingesetzt

- Wenn es um nicht zu genaue Fixierung geht

6.2.4 Kerbstifte - 3 Kerbwulstpaare am Umfang

- Bohrung einfach herstellbar (kein Aufreiben)

- Mein Einpressen nur elastische Verformung der Kerbwulste

- Rüttelfeste Verbindung

- Mehrfach wieder verwendbar

- Sehr wirtschaftliche Verbindung

- Einsatz als Sicherungsstifte,

- Kerbnägel für gering beanspruchte Teile

- Kerbstifte i.d.R. aus Stahl oder austenitischem nichtrostenden Stahl

DIN EN 22339 DIN EN 28737 DIN EN 28736



- Härte der Stifte soll größer sein als die der Bauteile

- Bei gehärtetem Stahl und Guss Stifte mit hoher Festigkeit verwenden

- Bezeichnung Bsp. ISO 8740 – 5 x 30 – St

- Heute selten verwendet

6.2.4 Berechnung von Stiften Nur für Stifte, die Kräfte aufnehmen müssen (nicht für Zentrier- und Lagesicherungsstifte)

Auslegen auf Abscheren und Flächenpressung

Scherspannung im Querstift bei Drehbeanspruchung MT:

4 ;²

T Azul

W

M Kd d

τ τπ

⋅ ⋅= ≤

⋅ ⋅

Maximale Pressung (Lochleibung) in der Nabe näherungsweise:n

;( )T A

W zulW

M Kp pd s d s

⋅= ≤

⋅ ⋅ +

Maximale Pressung (Lochleibung) in der Welle:

6 ;

²T A

W zulW

M Kp pd d⋅ ⋅

= ≤⋅

Zul. Werte bei glatten Stiften für Werkstoff von Nabe, Welle und Stift für Rm = 500N/mm²

Beanspruchung ruhend schwellend wechselnd

[ / ²]zul N mmτ 70 50 25

[ / ²]zulp N mm 100 100 50

Erfahrungswerte für Dimensionierung:

Stiftdurchmesser: (0,2...0,3) Wd d≈ ⋅

Flanschdicke: (0,25...0,5) Ws d≈ ⋅



6.3 Wellen-Naben-Verbindungen

6.3.1 Passfeder DIN 6885 und 6892 Einfache Verbindung zwischen Nabe und Welle zum Verhindern von Verdrehungen. Belastung des Keils durch Flächenpressung:

Passfeder Passfeder mit Halteschraube Scheibenfeder

Die Passfeder hat seitliches Spiel:

- Nicht für häufig wechselnde Lastrichtung (Gefahr des Ausschlagens)

- Nur eine Wirkfläche, daher Kraftübertragung begrenzt =>

- Nicht für größere Drehmomente

- Steigerung des übertragbaren Moments in Verbindung durch Schrumpf oder Presssitz erheblich steigerbar, aber Verbindung ist dann nur nicht mehr ohne Beschädigung lösbar.

- Für längsbewegliche Naben wird Passfeder zur Gleitfeder

- Scheibenfeder für kleine Momente, besonders im Feingerätebau

- Achtung: Passfeder trägt nur mit den Seitenflächen (im Gegensatz zum Nutenkeil!)

6.3.2 Keil-, Zahn- und Kerbzahnwellenverbindungen Vielnutprofil = Keilwellenprofil ist präzise herstellbar und bietet genaue Führung. Auch kann das Profil auf der Welle lang sein und damit eine Verschiebung der Nabe erlauben. Durch mehrere am Umfang verteilte Anlageflächen kann das übertragbare Drehmoment bis zur Festigkeitsgrenze der Welle gesteigert werden. Durch geringes Flankenspiel sind auch wechselnde Lastrichtungen möglich.

Einsatz

- als drehstarre Verbindung Welle – Nabe und als längsverschiebliche Verbindung (Getriebe)

- für wechselnde Drehrichtung und stoßartige Drehmomente

- für genauen Rundlauf Innenzentrierung wählen

- für stoßhaften Betrieb Flankenzentrierung wählen



Keilwelle DIN ISO 14; DIN 5464 Zahnwelle DIN 5466 Kerbzahnwelle DIN 5481

Vorteil Keilwelle Vorteil Zahnwelle

- Keine Radialkräfte - Geringere Querschnittsschwächung

- Höhere Tragkraft

- Feinere Winkellagen einstellbar

Berechnung des Keilwellenprofils: In Normalfällen ist eine Nachrechnung der Keilwellenverbindung nicht erforderlich, nur wenn die Keilwelle sehr kurz ist. Bestimmung der Flächenpressung:

2 ;' 0,75

A Tm zul

m

K Mp pd L h n

⋅ ⋅= ≤

⋅ ⋅ ⋅

MT zu übertragendes Nenndrehmoment

KA Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung (zwischen 1,0 für geringe und über 2,25 für starke stoßartige Belastung)

pzul zulässige Flächenpressung des schwächeren Werkstoffes (meist Nabe)

n Anzahl der Keile

h’ tragende Keilhöhe ≈0,4(D-d)

L Nabenlänge gleich tragende Keillänge; wähle L≤1,3d



6.3.3 Polygonverbindungen Vorteil:

- praktisch kerbfrei, daher sehr günstig hinsichtlich Festigkeit

- mit Spezialmaschinen einfacher, preiswerter, genauer herstellbar als Keilwellen

- kann auch unter Drehmoment längsverschoben werden

- selbst zentrierend

Einsatz: - Werkzeugmaschinen, Fahrzeugbau, Flugzeugbau, Elektroindustrie

6.3.4 Keile - Feste Verbindung zwischen Nabe und Welle bei rauem Betrieb und wechselnder,

stoßhafter Beanspruchung.

- Die Kraftübertragung erfolgt zunächst durch die untere und obere Fläche, also durch Reibung (Anzugsfläche mit Steigung 1:100)! Erst, wenn diese überwunden wird, tragen auch die Flanken.

Vorteil gegenüber Passfeder: Nachteil gegenüber Passfeder:

- unbedingt sicherer und fester Sitz der Nabe

- Eine zusätzliche Sicherung gegen axiales Verschieben ist nicht erforderlich

- Verkanten und außermittiger Sitz der Naben durch einseitiges Eintreiben des Keils

- Jeder Keil muss eingepasst werden

- Das Lösen (besonders von Nasenkeilen) schwierig, bei älteren Verbindungen kaum mehr möglich („Festrosten“)

- Gefahr des Reißens, besonders bei Naben aus Grauguss

Einlegekeil DIN 6883 Nasenkeil DIN 6884

Nabe wird auf Keil aufgetrieben Zum Ein- und Austreiben, wenn nur von

Liegt wie Passfeder in der Nut einer Seite zugänglich

Kegelverbindung: Verbindung erfolgt durch Kraftschluss

Keine zusätzlichen Passfedern verwenden, da bei erster Belastung sich das verspannte Außenteil schraubenförmig auf Kegel herauf schiebt



6.3.5 Wellensicherungen - Verhindern das Herunterrutschen von auf der Welle befindlichen Teilen

- Teilweise auch Verhindern des Verdrehens der gesicherten Teile.

a) Splint

- sichern z.B. eine Kronenmutter, die einen Innenring eines Kugellagers anstellt. Hier kann ja die Mutter nicht fest angezogen sein, weil mit ihr das Lagerspiel eingestellt wird.

b) Sicherungsringe (siehe Normen)

- nehmen z.B. die Axiallast einer Lagerung auf.

- Die Aufnahmenut muß nach Norm eingestochen werden, für besonders hohe Axiallast kann eine etwas tiefere Nut vorteilhaft sein. Solche Abweichungen von der Norm sind tunlichst durch Versuche im Einzelfall zu verifizieren.

c) Achshalter

- wirken nur einseitig und sind nicht als Sicherungselement in einer Bohrung geeignet.

- bieten aber eine zusätzliche Verdrehsicherung.

- Geeignet für größere Abmessungen

d) Stellringe

- siehe Klemmverbindung

e) Klemmringen / Spannringe

- wirken wie Sicherungsringe, sind aber auf glatter Welle anwendbar,

- vereinfacht die Herstellung der Welle vereinfacht

- bietet Möglichkeit eines axialen Toleranzausgleichs

- nehmen aber nur deutlich geringere Axialkräfte als Sicherungsringe auf.

f) Selbstsperrender Sicherungsring und

g) Selbstsperrender Dreiecksring

- wirken neben den Eigenschaften des Spannrings noch axial federnd.

- Bei der Demontage wird aber meist der Ring unbrauchbar und die Welle verkratzt.



6.4 Nieten Nieten ist eine unlösbare, meist formschlüssige Verbindung.

6.4.1 Übersicht Nietformen:

a) Nieten b) Hohlnieten c) Zapfennieten d) Hohlzapfennieten

Blindnieten:

a) Blindniet mit Sollbruchdorn

- Dorn bleibt unverlierbar im Kopf

- Einsatz Metall- und Fahrzeugbau, Fassadenbau, Gerätebau, Stahlrohrmöbel

b) Durchzieh-Blindniet

- Dorn bleibt nicht im Nietkopf

c) Blindniet mit Langbruchdorn

- Nietdorn bleibt ganz in der Hülse erhalten, dadurch wird Abscherfestigkeit erhöht bis zu Wert eines Vollniets

- Ende des Bruchdorns muss abgearbeitet werden

- druckdicht

- Genügt Sicherheitsanforderung Luft- und Raumfahrt



d) Spreiz-Blindniet

- Kerbstift wird in Hohlniet eingeschlagen

- Einsatz: Fahrzeugbau, Containerbau, Dach- und Zaunbefestigungen, Folienbefestigung

e) Blind-Einnietmutter

- Einsatz Computer und Schaltschrankbau

- Erlauben zusätzlich Anschluss weiterer Teile mittels Schraube/Mutter

6.4.2 Nietverbindungsarten und Schnittigkeit:

a) Überlappungsnietung, einreihig, einschnittig, b) Überlappung, zweireihig-parallel, einschnittig, c) Überlappung, zweireihig - zickzack, einschnittig, d) Laschennietung, zweireihig, einschnittig, e) Doppellaschen, einreihig, zweischnittig, f) Beanspruchung abhängig von Schnittigkeit

6.4.3 Berechnung der Nietverbindung Berechnung erfolgt nach Erfahrungswerten, weil ansonsten sehr kompliziert und kaum erfassbar.

Klemmlänge t∑ und Rohnietlänge /:



a) Halbrundkopf als Schließkopf,

b) Senkkopf als Schließkopf

( t∑ = bei Lochleibung maßgebender Schaftbereich)

Rohnietdurchmesser:

Für alle Niete im Stahlbau mit d1 ≥ 12mm ist Nietlochdurchmesser d= d1 +1mm

Nietlänge: Es muss genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches sowie zum Bilden des Schließkopfes vorhanden sein

ül t l= +∑

lü = Überstand

für Halbrundkopf 14 7( ... )3 4ül d≈ ⋅ (Maschinen bzw. Handnietung)

für Senkkopf 1(0,6...1,0)ül d≈ ⋅

Beanspruchung einer einschnittigen Nietverbindung.

a) wirklicher Verlauf des Lochleibungsdruckes lσ

b) und d) rechnerisch angenommener Verlauf der Lochleibungs- und Abscherspannungen lσ und aτ

c) Verformung unter Last (schematisch)



a azulF

n m Aτ τ= ≤

⋅ ⋅

minl l zul

Fn d t

σ σ= ≤⋅ ⋅

F = von Nietverbindung zu übertragende Kraft

A= Querschnittsfläche des geschlagenen Niets (=Lochquerschnittsfläche)

D Durchmesser des geschlagenen Niets

n Anzahl der kraftübertragenden Niete

m Schnittigkeit der Verbindung

tmin kleinste Summe der Bauteildicken (bei zweischnittigen Verbindungen der kleinere Wert von t1 oder 2t2. bei Senknieten 0,8t oder tS einsetzen

lσ , aτ zulässige Lochleibungsspannung bzw. Abscherspannung, je nach Beanspruchung und Anwendungsbereich aus Tabellenwerk auswählen.

z.B.

aτ ≈ 180N/mm² für Nietwerkstoff USt36 (Rm = 330 N/mm²)

lσ ≈ 655N/mm² für Bauteilwerkstoff S235 (Re = 240 N/mm²)



6.5 Nicht lösbare Verbindungen

6.5.1 Bördeln Arbeitsablauf beim Bördelrollen

Beispiele

6.5.2 Sicken mit eingelegter Sicke



mit vorgelegter Sicke

6.5.3 Läppverbindungen

Beispiel Läppverbindungen

6.5.4 Schränkverbindungen



6.5.5 Falzen

6.5.6 Einrollen

6.5.7 Einspreizen

6.5.8 Einbetten



6.5.9 Pressen. Quetschen und Crimpen

Pressen Quetschen

Verschiedene Crimpformen



6.5 Lösbare Verbindungen

6.5.1 Klemmen

6.5.2 Renken

6.5.3 Schachteln

Fügeschema



6.6 Elektrische, kraftschlüssige Verbindungen

6.5.4 Setzmuttern und SetzboIzen, Käfigmuttern

Setzmutter Käfigmutter

- Bei Setzmuttern und Setzbolzen ist ein gezackter Kragen angeformt.

- Beim Einschlagen oder Einpressen in ein etwas kleineres Loch fließt das Blech hinter den Kragen und in die Zackenlücken.

- Damit ist eine Sicherung in axialer Richtung und gegen Verdrehen erreicht.

- Axiale Beanspruchung darf aber nur so groß sein, dass der Kopf auf das Blech aufgepresst wird.

- Die Käfigmutter wird von der Feder nur gegen Verlieren gehalten.



6.5.5 Gewindeeinsätze Werden in weichen Werkstoffen (z.B. in Al, GG, Kunststoff, Holz) nur dann angewendet, wenn ein normales metrisches Gewinde in diesen Werkstoffen ohne Einsatz leicht ausreißen würde oder bei öfterem Einschrauben leicht fressen würde.

Der Drahteinsatz DIN 8140

- erfordert vorgeschnittenes Spezialgewinde mit gleicher Steigung wie das der

passenden Schraube.

- Mit dem Mitnehmerzapfen voraus wird der Einsatz mit einem Werkzeug eingedreht und am Ende der Zapfen abgebrochen.

Selbstschneidende Einsätze

- schneiden sich beim Eindrehen das Gewinde selbst.

Gewindeformender Einsatz - Drückt das Gewinde spanlos ein.

ettemeyer & olbrich: "konstruktionselemente" (chapter 6)

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