Bolzen- und Stiftverbindungen

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Allgemeines

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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

Häufig angewendet als Gelenkverbindung, für die Bolzendurchmesser empfehlen die Normen die Toleranzklasse h11. Meist wählt man einen härteren Werkstoff als für die Bauteile, Normbolzen werden aus Automatenstahl hergestellt,Verschleiß (Ausschlagen) gefährdet, Wahl geeigneter Gleitpartner nach TB 9-1 finden.Weiche Bolzen können mit Spannbuchsen eingebaut werden.Eine dünne Gleitbeschichtung aus Festschmierstoffe ermöglicht oft eine wartungsfreie Lebensdauer -schmierung oder man setzt Schmiernippel.

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 billige Verbindung

• Sowohl für lose als auch feste Verbindungen

• Verdrehsicherung Nabe/Welle

• Halterung für Feder

• Lagegenaue Fixierung von Bauteilen

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

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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

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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

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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)

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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

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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

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Anwendungs Beispiele für Stifte

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Berechnungsgrundlagen

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

Der Bolzen sitzt in der Gabel und in der Stange mit einer Spielpassung.

1-) Bolzen als frei aufliegender Träger

2-) Querkraftfläche

3-) Momentenfläche

M_bmax = maximales Biegemoment

F = Nenn-Betriebskraft

ts = Dicke des Stangen

t_G = Dicke des Gabelauges

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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

M_bmax = maximales Biegemoment

F = Nenn-Betriebskraft

ts = Dicke des Stangen

Gleichgroßes Biegemoment in den Bolzenquerschnitten A-B und C-D.

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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

M_bmax = maximales Biegemoment

F = Nenn-Betriebskraft

t_G = Dicke des Gabelauges

Berechnungsaufgabe für eine Bolzenverbindung

Nach: Rololff/Matek

Vgl.: Beispiel 9.1 (Seite: 293 RM)

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, t_G , 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.

Hier geht's zur Lösung!

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.

Hier geht's zur Lösung!

Powerpoint

Bolzen-,Stiftverbindungen

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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