Bolzen-, Stiftverbindungen und Sicherungselemente

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Funktion und Wirkung

Bauteile lassen sich einfach und günstig durch Bolzen, Stiften oder anderen Formteile miteinander verbinden. Diese Verbindungselemente werden sowohl für lose als auch für feste Verbindungen, für Lagerungen, Führungen, Halterungen und zum Sichern von Bauteilen gegen Überlastung, z.b. als Brechbolzen in Sicherheitskupplungen, verwendet. Bei losen Verbindungen und zur Aufnahme von Axialenkräften müssen die Bolzen bzw. die gelagerten oder verbundenen Teile häufig durch Sicherungselemente, wie Splinte, Sicherungsringe oder Querstifte, gegen Verschieben oder Verdrehen gesichert werden.

Aufbau

Verwendung

Unter einem Bolzen versteht man ein Maschinenelement zur gelenkigen Verbindung von Werkstücken. In der Verbindung wird der Bolzen nicht nur auf Zug, sondern überwiegend auf Scherung belastet. Bolzen können verschraubt oder durch Sicherungsstifte in der Verbindung gehalten werden. Hochwertige Bolzenverbindungen mit großem Durchmesser werden über einen Achshalter gesichert, die zugehörige Passung ist meist eine Spielpassung. Bolzenverbindungen werden nach dem Passungssystem Einheitsbohrung gefertigt.

Stiftverbindungen werden hergestellt, indem in eine durch alle zu verbindende Teile gehende Aufnahmebohrung ein Stift mit Übermaß eingedrückt wird. Die entstehende Verbindung ist form- und kraftschlüssig. Stifte dienen zur Sicherung der Lage von Bauteilen. Neben der Lagesicherung von zwei Teilen, dienen Stiftverbindungen zur Kraftbegrenzung (Scherstift), zur Sicherung von Schrauben (Steckstift) oder zur gelenkigen Verbindung und Lagerung von Scheiben oder Rollen (Gelenkstift).


Zu den Sicherungselementen zählen Sicherungsringe, Splinte, Achshalter u.a. derartige Elemente, sie dienen zur Sicherung von Maschinenteilen gegen axiales Verschieben. Sicherungsringe nach DIN 471 für Wellen und DIN 472 für Bohrungen werden in Ringnuten (übliche Toleranz H13, H11) eingesetzt. Durch die besondere Form der aus Federstahl bestehenden Ringe wird erreicht, dass diese sich beim Einbau rund verformen und mit gleichmäßiger radialer Vorspannung in der Ringnut sitzen. Wegen der hohen Kerbwirkung der Nuten sollen Sicherungsringe möglichst nur an den Enden von Bolzen, Achsen oder Wellen angeordnet werden. Durch funktionsgerechte Verwendung der Sicherungsringe läßt sich oftmals eine konstruktive Vereinfachung erzielen und somit Kosten einsparen. Sicherungsringe werden üblicherweise nach Firmenangaben (z.B.Seeger-Orbis-GmbH) gegen Umstülpen durch Axialkraft und Ablösen durch Fliehkraft berechnet.


Fragen zum Artikelabschnitt...

Wie werden Bolzen in der Regel beansprucht?

Welche Verbindungsart entsteht bei einer Stiftverbindung?

zur Antwort Frage 1

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Normung

==== Bolzen ==== Bolzen.gif

  • Mit und ohne Kopf siehe DIN EN 22340 (Tab.B.S238)


  • Mit und ohne Splintloch DIN EN 22341Einsatzgebiet ist hier als Gelenkbolzen für z.B. Stangenverbindungen
  • Bolzen mit Kopf und Gewindezapfen DIN 1445Bolzen mit Kopf.gif

diese werden vorwiegend als festsitzende Lager- und Achsbolzen, z.b. für Seil- und Laufrollen verwendet.

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Stifte

werden unterteilt in...

  • Zylinderstifte DIN EN ISO 2338 (Tab.B.S237)Zylinderstift.gif.

Zur Verbindung und Fixieren von Teilen an Vorrichtungen oder Werkzeugen kommen Zylinderstifte in Frage. Außerdem haben sie das gleiche Einsatzgebiet wie Kegelstifte sind allerdings schwerere lösbar als Kegelstifte, außerdem sehr kostspielig.

  • Kegelstifte DIN EN 22339Kegelstift.gif

werden genutzt, um die bei häufigem Ausbau auftretenden Abnutungen oder Lochaufweitungen auszugleichen, um so immer wieder die genaue Lage von Bauteilen zueinander zu gewährleisten.

  • Kerbstifte, Spannstifte DIN EN ISO 8752 Kerbstift.gif

durch die Kerben am Umfang hält der Kerbstift in einer "glatten" Bohrung rüttelfest. Selbst bei Demontage ist es möglich, dass ein neuer Stift in der Bohrung weiterhin rüttelfest hält.


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Welche Vorteile bieten Kerbstifte gegenüber Kegel- oder Zylinderstiften?

zur Antwort Frage 3





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Sicherungselemente

Sicherungsringe (Halteringe) Sicherungsring.gif

DIN 471 für Wellen

DIN 472 für Bohrungen

Sicherungsringe werden federnd in Nuten eingesetzt. Der aus der Nut ragende Sicherungsring bildet dann eine axiale belastbare Schulter und dient zum Festlegen von Bauteilen wie z.b. Wälzlagern. Wälzlagerungen


Splinte und Federstecker Splint.gif

DIN EN ISO 1234

Die einfache und billige Splintsicherung wird vorwiegend bei losen, gelenkartigen Bolzenverbindungen und bei Schraubenverbindungen angewendet. Als Werkstoff für Splinte wird überwiegend weiches Material wie z.b. Kupfer, Kupfer - Zink- und Aluminium- Legierungen verwendet.

Achtung: Splinte dürfen bei wichtigen Verbindungen nur einmal verwendet werden!



Stellringe Stellring.gif


DIN 705

Stellringe sollen das axiale Spiel von Wellen, Achsen und Bolzen begrenzen oder lose auf diesen sitzende Teile seitlich führen. Die Stellringe werden durch Gewindestifte befestigt. Um mögliche Unfallgefahren zu vermeiden dürfen Stellringe nicht überstehen.

Habermann - Schrauben


Achshalter pf_1206th.jpg

DIN 15058

Achsen und Bolzen werden oft durch Achshalter gleichzeitig gegen Verschieben und Verdrehen gesichert. Sie sind entgegengesetzt oder parallel zur Belastungsrichtung der Achse anzuordnen, damit die Befestigungsschrauben durch die Achskraft nicht beansprucht werden.


Fragen zum Artikelabschnitt...

Welche Arten von Sicherungselementen gibt es und welchem Einsatzzweck dienen sie?

zur Antwort Frage 4



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Auslegung

Für die Bolzen wählt man überwiegend einen härteren Werkstoff, als für die übrigen Bauteile um Fressgefahr und übermäßigen Verschleiß zu vermeiden. Normbolzen werden aus Automatenstahl (Härte 125 bis 245 HV) hergestellt. Bolzen für höherwertige Belastungen stellt man aus entsprechendem Einsatz- und Vergütungsstahl her, hier empfiehlt es sich die Oberflächen zu härten und zu schleifen. Bolzen werden in der Regel auf Biegung, Schub und Flächenpressung beansprucht. Im Normalfall ist die Biegung und die Flächenpressung für die Auslegung einer Verbindung ausschlaggebend.

hier kannst du dir Berechnungen ansehen



Stifte werden in der Regel wie auch Bolzen aus ungehärtetem Stahl hergestellt. Um ein Fressen der Stifte zu verhindern muss ihre Festigkeit größer sein, als die der übrigen Bauteile. Bei gehärtetem Stahl oder Guss ist stets ein Stiftwerkstoff mit hoher Festigkeit zu verwenden. Stiftverbindungen, die hauptsächlich zur Zentrierung und Lagesicherung von Bauteilen dienen und nur geringe Kräfte aufnehmen, werden in der Regel nicht berechnet. Der Durchmesser der Stifte wird erfahrungsgemäß in Abhängigkeit von der Größe der zu verbindenden Teile gewählt.

Die Dimensionierung bzw. der Tragfähigkeitsnachweis von Stiftverbindungen erfolgt in Abhängigkeit von der dominierenden Beanspruchung durch Bewertung

- der Schubspannung im Stift (Abscheren),

- der Flächenpressung zwischen Stift und Bohrung (Lochleibung) und/oder

- der Biegespannung im Stift.

hier kannst du dir Berechnungen ansehen


Da sich das Materialgefüge von Stiften beim Sichern und Entsichern verändert, dürfen Standardsplinte nach ISO 1234 aus Sicherheitsgründen nach einer Demontage und Montage nicht wieder verwendet und müssen durch neue Teile ersetzt werden. Durchmesser von Splint und zugehöriger Bohrung ("Splintloch") müssen aufeinander abgestimmt sein. Sie bilden gemeinsam eine Spielpassung. Der Splint muss leicht durchsteckbar sein, darf aber radial und axial nur wenig Spiel haben. Die Schenkel werden nach dem Durchstecken gegeneinander aufgebogen (gespreizt). Sie dürfen durch Abschneiden gekürzt werden. Keinesfalls ist aber die Verwendung zu kurzer Splinte gestattet; die Länge sollte ungefähr das Doppelte der Bohrungslänge betragen.


Fragen zum Artikelabschnitt...

Woraus werden Bolzen für höherwertige Belastungen hergestellt und welche Besonderheiten gibt es dabei?


Welches ist die häufigste Anwendungsart von Stiften?


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Lieferant

Alstertaler.de

Seeger-Orbis-GmbH

Berechnungen

Berechnung von Bolzen

Biegebeanspruchung des Bolzendurchmessers Festlegen der Bauteilabmessungen Berechnung der Biegemomente in Bolzenmitte
Biegebeanspruchung des Bolzendurchmessers.jpg Festlegen der Bauteilabmessung.jpg Berechnung der Bolzenmitte.jpg

d= Durchmesser

KA= Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

Fnenn= Stangenkraft

σb zul= zulässige Biegespannung

Abhängig von der Mindestzugfestigkeit Rm = Kt*RmN gilt erfahrungsgemäß: 0,3*Rm bei ruhender, 0,2*Rm bei schwellender und 0,15*Rm bei wechselnder Belastung

k= Einspannfaktor, abhängig vom Einbaufall (Klammerwerte bei Gleitverbindungen)

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

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

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

F= aus maßgebender Einwirkungskombination ermittelte Stabkraft

tm= Dicke der Mittelachse

tA= Dicke der äußeren Laschen

s= Spiel zwischen Mittel- und Außenlasche

SM= Teilsicherheitsbeiwert 1,1 (DIN 18800-1)

Re= Streckgrenze des Bauteilwerkstoffes unter Berücksichtigung der Erzeugnisdicke

Mb max= Größtes Biegemoment


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Auslegung


Berechnung von Stiftverbindungen

Berechnung von Querstift- Verbindungen

mittlere Flächenpressung in der Nabenbohrung mittlere Flächenpressung in der Wellenbohrung Scherspannung
PN Flächenpressung.jpg Pw Flächenpressung.jpg Scherspannung.jpg

Tnenn = von der Verbindung zu übertragendes Nenndrehmoment

KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

d = Stiftdurchmesser; Erfahrungsgemäß wird für den Entwurf gewählt: d= (0,2-0,3)*dw

s = Dicke der Nabenwand Erfahrungsgemäß wird für den Entwurf gewählt: s= (0,25...0,5)* dw für St- und GS- Naben, s= 0,75 * dw für GG- Naben

dw = Wellendurchmesser

pzul = zulässige mittlere Flächenpressung wie zu Gl. (9.4), für Kerbstifte gelten 0,7 fache Werte

τ zul = zulässige Schubspannung wie zu Gl. (9.3), für Kerbstifte gelten 0,8 fache Werte

Berechnung von Steckstift- Verbindungen

Vorhandene Biegespannung Maximale mittlere Flächenpressung
Vorhandene Biegespannung.gif Maximale mittlere Flächenpressung.gif

Mbnenn= Nennbiegemoment

KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

Fnenn = senkrecht zur Stiftachse wirkende Nennbiegekraft

l = Hebelarm der Biegekraft

s = Einstecktiefe des Stiftes

d = Stiftdurchmesser

pzul = zulässige mittlere Flächenpressung wie zu Gl. (9.4), für Kerbstifte gelten 0,7 fache Werte

Berechnung von Längsstift- (Rundkeil-) Verbindungen

Maßgebende mittlere Flächenpressung

Maßgebende mittlere Flächenpressung.gif

Tnenn = von der Verbindung zu übertragendes Nenndrehmoment

KA = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

d = Stiftdurchmesser

dw = Wellendurchmesser

l = tragende Stiftlänge, abhängig von der Nabenbreite, üblich l= (1,...,1,5)* dw

pzul = zulässige mittlere Flächenpressung wie zu Gl. (9.4), für Kerbstifte gelten 0,7 fache Werte



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