Bolzen- und Stiftverbindungen: Unterschied zwischen den Versionen
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Version vom 11. Oktober 2008, 22:07 Uhr
Hallo 3.129.70.138, ich wünsche Dir viel Spaß beim Lesen dieser Seite...
Allgemeines
Bauteile lassen sich einfach und kostengünstig mit Bolzen, Stiften oder ähnlichen Formteilen verbinden. Diese Verbindungselemente werden sowohl für lose als auch für feste Verbindungen, für Lagerungen, für Führungen, Zentrierungen, Halterungen und zum Sichern der Bauteile gegen Überlastung (z.B. Brechbolzen und Sicherheits- kupplungen Sicherheits- kupplungen) verwendet. Bei losen Verbindungen und auch zur Aufnahme von Axialkräften müssen die Bolzen bzw. die gelagerten oder verbundenen Teile häufig durch Sicherungselemente, wie Splinte, Sicherungs -ringe oder Querstifte, gegen Verschieben oder Verdrehen gesichert werden.
Bolzen
Bolzen werden häufig angewendet als Gelenkverbindung. Für die Bolzendurchmesser empfehlen die Normen die Toleranzklasse h11. Für die Bolzen wählt man meist einen härteren Werkstoff als für die Bauteile, um Fressgefahr und übermäßigen Verschleiß zu vermeiden. Normbolzen werden aus Automatenstahl hergestellt.Bolzenverbindungen mit Schwenk- bzw. langsamen Umlaufbewegungen arbeiten meist im Bereich der Festkörper-bzw. Mischreibung und sind deshalb durch Fressen bzw. übermäßigen Verschleiß (Ausschlagen) gefährdet. Betriebssichere Lösungen lassen sich durch die Wahl geeigneter Gleitpartner nach TB 9-1 finden. Weiche Bolzen können mit Spannbuchsen eingebaut werden. Bei höheren Anforderungen (extreme Temperaturen, höchste Lagerbelastungen, Korrosion u.a) ermöglicht eine dünne Gleitbeschichtung aus Festschmierstoffe oft eine wartungsfreie Lebensdauer -schmierung. Soll eine Schmierung der Lauffläche mittels Schmiernippel durch den Bolzen hindurch erfolgen, dann sind Schmierlöcher nach DIN 1442 vorzusehen.
a) Bolzen ohne Kopf, b) Bolzen ohne Kopf und mit Splintlöchern, c) Bolzen mit Kopf und mit Splintloch (Form A ohne Splintloch), d) Bolzen mit Kopf und mit Gewindezapfen
Einsatz :
- Sehr einfache und kostengünstige Verbindung
- Sowohl für lose als auch feste Verbindungen
- Verdrehsicherung Nabe/Welle
- Halterung für Feder
- Lagegenaue Fixierung von Bauteilen
Anwendungsbeispiele für Bolzenverbindungen
Stifte
Stiftverbindungen werden hergestellt, in dem in eine durch alle zu verbindenden Teile gehende Aufnahmebohrung ein Stift mit Übermaß eingedrückt wird. Die entstehende Verbindung ist form- und kraftschlüssig. Stifte dienen zur Sicherung der Lage (Fixierung,Zentrierung) von Bauteilen ,zur scherfesten Verbindung von Maschinenteilen, zur Halterung von Federn oder "fliegenden" Lagerung von Maschinenteilen, zur Sicherung von Bolzen und Muttern und zur Wegbegrenzung von Maschinenteilen (Anschlagstifte). Bestimmend für den Einsatz der verschiedenen Stiftformen sind die verlangte Fixiergenauigkeit, Herstellkosten für die Aufnahmebohrung (Passarbeit), die Sitzfestigkeit, die Lösbarkeit und die verlangte Scherkraft. Stifte sollen aus einem härteren Werkstoff als die zu verbindenden Bauteile sein.
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)
Nach der Form wird grundsätzlich unterschieden zwischen:
- Kegelstift
- Zylinderstift
- Kerbstifte und Kerbnägel
- Spannstift (Spannhülsen)
- Spannbuchsen
Alle Stiftarten gibt es in verschiedenen Ausführungen.
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Kegelstifte
Kegelstifte können die bei häufigem Ausbau auftretende Abnutzung bzw. Lochaufweitung ausgleichen und stellen deshalb immer wieder die genaue Lage der Teile zueinander her. Sie werden überwiegend als Passstifte, aber auch als Verbindungsstifte z.B. als Querstifte bei Stellringen und Wellengelenken, verwendet. Da die Aufnahmebohrung kegelig aufgerieben und der Stift eingepasst werden muss, ist ihre Anwendung kostspielig. Kegelstifte lassen sich leicht lösen, sind aber nicht rüttelfest. Kann der Kegelstift nicht herausgeschlagen werden wie z.B. bei Grundlöchern, so sind Kegelstifte mit Gewindezapfen nach DIN EN 28737 bzw. mit Innengewinde DIN EN 28736 zu verwenden, die mittels einer Mutter bzw. Schraube gelöst werden können.
a) für durchgehende Löcher, b) mit Gewindezapfen (für Grundlöcher), c) mit Innengewinde (für Grundlöcher)
Zylinderstifte
Zylinderstifte aus ungehärtetem Stahl und austenitischem Stahl nach DIN EN ISO 2338 werden in den Toleranzklassen m6 und h8 gefertigt. Ihre anwendung entspricht den Kegelstiften. Das erforderliche Aufreiben der Bohrung macht ihre Anwendung kostspielig. Sie sind schwerer lösbar als Kegelstifte und auch nicht rüttelfest. Zum Verbinden und Fixieren von hochbeanspruchten und gehärteten Teilen an Vorrichtungen und Werkzeugen kommen durchgehärtete (Typ A) bzw. einsatzgehärtete (Typ B) Zylinderstifte nach DIN EN ISO 8734 mit der Toleranzklasse m6 in Frage. Kann der Zylinderstift nicht herausgeschlagen werden, wie z.B. bei Grundlöchern, so sind Zylinderstifte mit Innengewinde nach DIN EN ISO 8733 und nach DIN EN ISO 8735 ausgeführt. Durch eine leichte Abflachung oder Längsrille am Stiftmantel kann beim Eindrücken des Stiftes verdrängte Luft (Öl) entweichen. Die Stifte können unter Zuhilfenahme von Abziehschrauben "gezogen" werden.
a) für durchgehende Löcher, b) bis d) mit Innengewinde und Abflachung oder Längsrille zur Druckentlastung (für Grundlöcher) e) Lösen eines Stiftes mit Hilfe einer Abziehschschraube, f) Lösen eines Stiftes mit Hilfe eines von Hand geführten Schlaggewichtes
Kerbstifte und Kerbnägel
Im Gegensatz zu den glatten Kegel- und Zylinderstiften sind Kerbstifte und Kerbnägel am Umfang mit 3 Kerbwulstpaaren versehen, die beim Einschlagen in das nur mit dem Spiralbohrer hergestelte Loch elastisch in die Kerbfurchen zurückgedrängt werden.Die dadurch gegenüber der unbeschädigt bleibenden Bohrlochwandung entstehende radiale Verspannung hält den Kerbstift (Kerbnagel) rüttelfest.Er kann mehrfach wiederverwendet werden.Die Herstellung solcher Verbindungen ist aufgrund der einfachen Arbeitsweise sehr wirtschaftlich.Kerbstifte nach DIN EN ISO 8739 bis 8745 werden sowohl als Befestigungs- und Sicherungsstifte an Stelle von Kegel- und Zylinderstiften sowie auch als Lager- und Gelenkbolzen vielseitig verwendet.Mit Kerbnägeln nach DIN EN ISO 8746 und 8747 können gering beanspruchte Teile, wie Rohrschellen und Schilder, einfach und schnell befestigt werden.Um ein ein Fressen der Stifte zu verhindern, muss ihre Festigkeit größer als die der Bauteile sein.
a) Kerbprinzip, b) Passkerbstift mit Halös nach DIN 1469, c) Zylinderkerbstift mit Einführ-Ende, d) Kegelkerbstift,
e) Passkerbstift, f) Zylinderkerbstift mit Fase, g) Steckkerbstift, h) Knebelkerbstift, i) Halbrundkerbnagel, k) Senkkerbnagel
Spannstifte (Spannhülsen)
Spannstifte werden aus gewalztem Federbandstahl gerollt. Die leichte Ausführung nach DIN EN ISO 13337 unterscheidet sich von der schweren Ausführung nach DIN EN ISO 8752 nur durch die Wanndicke (0,1 * d bzw. 0,2 * d). Die in Längsrichtung geschlitzten Hülsen haben gegenüber dem Lochdurchmesser je nach Größe ein Übermaß von 0,2 bis 0,5mm, so dass sich nach dem Eintreiben ein rüttelfester Sitz ergibt. Die Stifte lassen sich leicht austreiben und können mehrfach wieder verwendet werden. Kegelige Stiftenden erleichtern das Einführen in die Aufnahmebohrung. Spannstifte sind zur Aufnahme von Stoß- und Schlagarbeit geeignet. Sie werden ähnlich wie Kerbstifte als Pass-, Befestigungs- und Sicherungsstifte wervendet. Als Schrauben- und Bolzenhülsen werden sie dort eingesetzt, wo Scherkräfte zu übertragen sind und die Schrauben und Bolzen entlastet und klein gehalten werden sollen. Beim Einbau der Stifte ist die Lage des Schlitzes zur Kraftrichtung zu beachten. Für große Scherkräfte können aus zwei ineinandergeschobenen Stiften Verbundspannstifte gebildet werden. Beim Connex-Spannstift bewirken die versetzt angeordneten Zähne des Schlitzes eine zusätzliche Axialspannung. Spiral-Spannstifte und Connex-Spannstift weisen gegenüber Spannstiften mit offenem Schlitz folgende Vorteile auf:Erhöhte Sitzfestigkeit, gleichhoher Scherfestigkeit in jeder radialen Richtung. Sie sind unempfindlich gegen Stoß- und Schlagbeanspruchung und werden als Pass-, Verbindungs- und Gelenkstifte eingesetzt. Die Aufnahmebohrungen für alle Spannstifte können einfach mit Spiralbohrern hergestellt werden.
a) Spannstift, b) weiche Federung (vermeiden), c) harte Federung, d) Verbundspannstift, e) Spiral-Spannstift,
f) Connex-Spannstift
Spannbuchsen
Spannbuchsen werden aus vergütetem Federbandstahl 55Si7 gerollt, wahlweise mit geradem, pfeilförmigem und schrägem Schlitz ausgeführt und als Einspannbuchsen für Bohrungen bzw. als Aufspannbuchsen für Zapfen verwendet.Sie können bei großen Lagerdrücken mit geringen Schwingbewegungen und bei nicht ausreichender Schmierung als Lager geeignet sein. Als leicht auswechselbare Verschleißteile erhöhen sie die Lebensdauer von Bauteilen, wie z.B. Bremsgestängen von Schienenfahrzeuge und Gelenken von Baumaschinen.Die aufnehmenden Bohrungen bzw. Zapfen werden in den Toleranzklassen H8 bzw. h8 ausgeführt.
a) Einspannbuchse ohne Aussenkung (Form E) und mit pfeilförmigem schlitz (Form P) für Lagerungen mit Umlaufbewegungen,
b)Aufpspannbuchse mit geradem Schlitz (Form G) für Lagerungen mit Schwenkbewegungen
Anwendungs Beispiele für Stifte
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Wiederholungsfragen
1-) Wie lassen sich Bauteile mit Bolzen und Stiften verbinden?
2-) Warum werden Bolzen bei losen Verbindungen gegen Verschieben oder Verdrehen gesichert?
3-) Aus welchen Werkstoff werden Bolzen hergestellt und warum wählt man einen härteren Werkstoff als für die Bauteile?
4-) Wie werden Stiftverbindungen hergestellt?
5-) Was ist bestimmend für den Einsatz der verschiedenen Stiftformen?
6-) Warum ist die Anwendung von Kegelstiften kostspielig?
7-) Wo kommen den Typ A und Typ B Zylinderstifte zum Einsatz?
8-) Was haben Kerbstifte Gegensatz zu den glatten Kegel und Zylinderstiften am Umfang?
9-) Wo werden Kerbnägel Eingesetzt?
10-) Wodurch unterscheiden sich die Leichte Ausführung und die schwere Ausführung von Spannstiften?
11-) Wo werden Spannbuchsen als leicht auswechselbare Verschleißteile eingesetzt?
Berechnungsgrundlagen für Bolzenverbindungen
Die Bolzenverbindungen werden in Prinzip wie im Bild dargestellt, gestaltet. Die Bolzen werden dabei auf Biegung, Schub und Flächenpressung beansprucht.
Die Fügebedingungen des Bolzens in der Gabel und in der Stange haben einen erheblichen Einfluss auf die Größe der im Bolzen auftretenden Biegemomente.
Einbaufälle und Biegemomente von Bolzen (Einbaufall 1)
Einbaufall 1
Der Bolzen sitzt in der Gabel und in der Stange mit einer Spielpassung.
1-) Bolzen als frei aufliegender Träger
2-) Querkraftfläche
3-) Momentenfläche
Mbmax = maximales Biegemoment
F = Nenn-Betriebskraft
ts = Dicke des Stangen
tG = Dicke des Gabelauges
Einbaufall 2
Der Bolzen sitzt in der Gabel mit einer Übermaßpassung und in der Stange mit einer Spielpassung.
4-) Bolzen als beidseitig eingespannter Träger
5-) Querkraftfläche im Bereich der Stange
6-) Momentenfläche im Bereich der Stange
Mbmax = maximales Biegemoment
F = Nenn-Betriebskraft
ts = Dicke des Stangen
Gleichgroßes Biegemoment in den Bolzenquerschnitten A-B und C-D.
Einbaufall 3
Der Bolzen sitzt in der Stange mit einer Übermaßpassung und in der Gabel mit einer Spielpassung.
7-) Bolzen als mittig eingespannter Träger
8-) Querkraftfläche im bereih der Gabel
9-) Momentenfläche im Bereich der Gabel
Mbmax = maximales Biegemoment
F = Nenn-Betriebskraft
tG = Dicke des Gabelauges
Größtes Biegemoment in den Einspannquerschnitten A-B .
Festlegen der Bauteilabmessungen
Bolzendurchmesser (Entwurfsberechnung)
Für Augen und Naben Durchmesser:
D = (2,5…3) * d (für Stahl und GS)
D = (3…3,5) * d (für GJL und GG)
d = Bolzendurchmesser
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung (TB 3-5c)
k = Einspannfaktor,abhängig vom Einbaufall (siehe Bild rechts)
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Fnenn = Nenn-Betriebskraft
σbzul = zulässige Biegespannung (Belastung abhängig siehe Bild rechts)
ts = Dicke des Stangen (Formel siehe Bild rechts)
tG = Dicke des Gabelauges (Formel siehe Bild rechts)
Für nicht gehärtete Normbolzen und Normstifte (Härte 125 bis 245 HV) kann mit dem Richtwert Rm = 400 N/mm2 gerechnet werden.
Biegespannung (Vollbolzen)
σb = Biegespannung
KA = Anwendunsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung (TB 3-5c)
M bnenn = Nenn-Biegemoment (Einbaufall beachten und M bmax Formel entsprechend auswählen)
W = Wiederstandsmoment
σbzul = zulässige Biegespannung (Belastungsfall beachten)
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Für nicht gehärtete Normbolzen und Normstifte (Härte 125 bis 245 HV) kann mit dem Richtwert Rm = 400 N/mm2 gerechnet werden.
Schubspannung in der Nulllinie (Vollbolzen)
τmax = Schubspannung
Fnenn = Stangenkraft
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung nach (TB 3-5c)
AS = Querschnittsfläche des Bolzens
τazul = zulässige Scherspannung (Belastungsfall beachten)
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Für nicht gehärtete Normbolzen und Normstifte (Härte 125 bis 245 HV) kann mit dem Richtwert Rm = 400 N/mm2 gerechnet werden.
Mittlere Flähenpressung
p = mittlere Flähenpressung
pzul = zulässige mittlere Flähenpressung (Belastungsfall beachten) (TB 9-1 für gleitende Belastung)
Fnenn = Stangenkraft
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung nach (TB 3-5c)
Aproj = Projektionsfläche zur Berechnung der mittleren Flächenpressung
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Für nicht gehärtete Normbolzen und Normstifte (Härte 125 bis 245 HV) kann mit dem Richtwert Rm = 400 N/mm2 gerechnet werden.
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Berechnungsaufgabe für eine Bolzenverbindung
Nach: Rololff/Matek
Vgl.: Beispiel 9.1 (Seite: 293 RM)
.JPG)
Ein Bolzengelenk soll durch eine sehr stark stoßhaft auftretende Kraft F=14,5kN schwellend belastet werden. Für Stangen- und Gabelkopf ist der Werkstoff S275JR vorgesehen. Als Bolzen soll ein ungehärteter Zylinderstift nach DIN EN ISO 2338,Toleranzfeld h8 verwendet werden, der in der Bohrung des Stangenkopfes mit einer Spielpassung und in der Bohrung der Gabel mit einer Übermaßpassung sitzt.Im Betrieb führt der Bolzen keine Gleitbewegung in dem Stangenkopf aus.
Gesucht:
a-) Die Hauptabmessungen des Gelenkes (d, ts, tG , D und l ) sind zu ermitteln. ( l= Stiftlänge) Für den Bolzen ist die Normbezeichnung anzugeben. (TB 9-3)
b-) Das Gelenk ist auf Abscheren und auf Flächenpressung in der Gabelbohrung und in der Stangenbohrung zu prüfen.
c-) Der Bolzen ist auf Biegespannung zu prüfen.
Berechnungsgrundlagen für Stiftverbindungen
Querstiftverbindung
Querstiftverbindungen, die ein Drehmoment zu übertragen haben, wie z.B. Hebelnaben, werden bei größeren Kräften auf Flächenpressung und auf Abscheren nachgeprüft.
mittlere Flächenpressung (Nabe)
.png)
maximale mittlere Flächenpressung (Welle)
Scherspannung im Stift
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung nach (TB 3-5c)
Tnenn = von der Verbindung zu übertragendes Nenndrehmoment
d = Stiftdurchmesser [Erfahrungsgemäß wird für den Entwurf gewählt: d = (0,2...0,3) * dw]
dw = Wellendurchmesser
D = 2 * s + dw
s = Dicke der Nabenwand [Erfahrungsgemäß wird für den entwurfgewählt: s = (0,25...0,5) * dw für St- und GS-Naben, s = 0,75 * dw für GJL-(GG-)Naben]
τazul = zulässige Scherspannung (Belastungsfall beachten) für Kerbstifte gelten 0,8 fache Werte
pzul = zulässige mittlere Flähenpressung, (Belastungsfall beachten) für Kerbstifte gelten 0,7 fache Werte (TB 9-1 für gleitende Belastung)
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Steckstiftverbindungen
Bei Steckstiftverbindungen entprechend Bild wird der Stift durch das Moment M = F * l auf Biegung und durch F als Querkraft auf Scub, der jedoch vernahlässigt werden kann, sowie auf Flächenpressung beansprucht.
Biegespannung
σb = Biegespannung
σbzul = zulässige Biegespannung (Belastungsfall beachten), für Kerbstifte gelten 0,8 fache Werte
M bnenn = Nenn-Biegemoment
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung nach (TB 3-5c)
d = Stiftdurchmesser
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Maximale mittlere Flächenpressung
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung nach (TB 3-5c)
Fnenn = senkrecht zur Stiftachse wirkende Nennbiegekraft
l = Hebelarm der Biegekraft
s = Einstecktiefe des Stiftes
d = Stiftdurchmesser
pzul = zulässige mittlere Flähenpressung, (Belastungsfall beachten) für Kerbstifte gelten 0,7 fache Werte (TB 9-1 für gleitende Belastung)
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Längsstiftverbindungen
Längsstiftverbindungen, die entsprechend Bild ein Drehmoment zu übertragen haben, werden auf Flächenpressung und Abscheren des Stiftes beansprucht. Da rechnerisch die mittlere Flächenpressung doppelt so groß wie die Abscherspannung ist, kann die Scherbeanspruchung in Vollstiften vernachlässigt werden, solange 2 * τazul > pzul ist, was für alle üdlichen Werkstoffpaarungen zutrifft.
mittlere Flächenpressung
p = mittlere Flähenpressung
KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung nach (TB 3-5c)
Tnenn = von der Verbindung zu übertragendes Nenndrehmoment
d = Stiftdurchmesser
[Erfahrungsgemäß wird für den Entwurf gewählt: d = (0,15...0,2) * dw]
dw = Wellendurchmesser
l = tragende Stiftlänge, abhängig von der Nabenbreite, üblich l = (1...1,5) * dw
pzul = zulässige mittlere Flähenpressung, (Belastungsfall beachten) für Kerbstifte gelten 0,7 fache Werte (TB 9-1 für gleitende Belastung)
Rm = Mindestzugfestigkeit des Bauteilwerkstoffes (TB 1-1)
Berechnungsaufgabe für eine Stiftverbindung
Nach: Rololff/Matek
Vgl.: Beispiel 9.3 (Seite: 295 RM)
Die Nabe eines Schalthebels aus EN-GJL-200 soll mit einer Welle aus E295 mit dw=32mm Durchmesser durch einen Kegelkerbstift nach DIN EN ISO 8744 als Querstift verbunden werden. Am Ende des Hebels mit Länge l1= 80mm ist zur Befestigung der Rückstellfeder ein Passkerbstift DIN 1469-C8x25-St (Kerbstift mit Hals und gerundeter Nut am Ende) eingesetzt, so dass bei s= 12mm, die freie Stiftlänge l2= 15mm beträgt. Die größte Federkraft F=400 N greift schwellend an. Stöße treten nicht auf.
Gesucht:
a-) Der zum Wellendurchmesser dw passende (mittlere) Durchmesser ( d ) des Querstiftes und dessen Länge l sind festzulegen,
wenn der Nabendurchmesser D= 2 * dw ausgeführt wird. Die Normbezeichnung des Kegelkerbstiftes ist anzugeben.
b-) Die Querstiftverbindung ist nach Flächenpressung (Nabe, Welle) und Abscheren zu prüfen.
c-) Der Passkerbstift ist zu prüfen ( auf Biegung ), für den zunächst ein Durchmesser d1= 8mm vorgesehen wird, der ggf. zu ändern ist.
d-) Die Flächenpressung für den Passkerbstift ist zu prüfen.
Formelzeichen mit Einheiten
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Powerpoint
Quellenangabe
- Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch,Vieweg Verlag, 18. Aufl. 2007, ISBN 3-834-80262-X , € 36,90.
- Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung,Vieweg Verlag, 8. Aufl. 2006. ISBN 3-834-80119-4, € 20,90.
- Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag , ISBN 3-8085-1673-9, € 21,50
Links
Gregory & Maackens GmbH & Co. KG
video.tu-clausthal.de Hier findest du eine Vorlesung zum Thema Bolzen und Stiftverbindungen.
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