Bolzen-, Stiftverbindungen und Sicherungselemente

Funktion

Bauteile lassen sich einfach und günstig durch Bolzen, Stifte oder andere 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 axialen Kräften müssen die Bolzen bzw. die gelagerten oder verbundenen Teile häufig durch Sicherungselemente, wie Splinte, Sicherungsringe oder Querstifte, gegen Verschieben oder Verdrehen gesichert werden.

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 verbindenden 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. Diese 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. Aufgrund 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 zur Antwort Frage 2

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Varianten

Bolzen

Mit und ohne Kopf siehe DIN EN 22340 (Tab.B. S. 238)
Mit und ohne Splintloch DIN EN 22341 Einsatzgebiet ist hier als Gelenkbolzen für z. B. Stangenverbindungen
Bolzen mit Kopf und Gewindezapfen DIN 1445 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.S 237).

kommen zur Verbindung und zum Fixieren von Teilen an Vorrichtungen oder Werkzeugen in Frage. Sie haben außerdem das gleiche Einsatzgebiet wie Kegelstifte, sind allerdings schwerere lösbar als diese und sehr kostspielig.

• Kegelstifte DIN EN 22339

Kegelstifte werden genutzt, um die bei häufigem Ausbau auftretenden Abnutzungen oder Lochaufweitungen auszugleichen, und somit immer wieder die genaue Lage von Bauteilen zueinander zu gewährleisten.

• Kerbstifte, Spannstifte DIN EN ISO 8752

Durch die Kerben am Umfang hält der Kerbstift in einer "glatten" Bohrung rüttelfest. Selbst bei Demontage ist es möglich, dass dieser Stift in der Bohrung weiterhin rüttelfest hält. Eine so hergestellte Verbindung ist aufgrund der einfachen Arbeitsweise sehr wirtschaftlich.

Fragen zum Artikelabschnitt... Welche Vorteile bieten Kerbstifte gegenüber Kegel- oder Zylinderstiften? zur Antwort Frage 3

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Sicherungselemente

Sicherungsringe (Halteringe ugs. Seegering o.a. Sprengring)

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

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 Aluminiumlegierungen verwendet.

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

Stellringe

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

DIN 15058

Achshalter sind Maschinenelemente zur Sicherung von Bolzenverbindungen gegen unbeabsichtigtes Lösen des Bolzens. Der Achshalter besteht aus einem mit zwei Befestigungsschrauben verschraubten rechteckigen Blechstreifen, der in eine in den Bolzen eingestochene Nut eingreift. Soll der Bolzen auch gegen Verdrehen gesichert werden, so wird diese Nut gefräst. Achshalter werden eingesetzt an Bolzenverbindungen mit einem Durchmesser von mehr als 18 mm, sie sind in sechs Stufen bis zu einem Bolzendurchmesser von 250 mm genormt.

Fragen zum Artikelabschnitt... Welche Arten von Sicherungselementen gibt es und welchem Einsatzzweck dienen sie? zur Antwort Frage 4

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Dimensionierung

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. Hierbei empfiehlt es sich, die Oberflächen zu härten und zu schleifen.

Bolzen werden in der Regel auf Biegung, Schub und Flächenpressung beansprucht. Im Normalfall sind die Biegung und die Flächenpressung für die Auslegung einer Verbindung ausschlaggebend.

Hier kannst Du Dir Formeln zur Berechnung ansehen

Stiftverbindungen werden hergestellt, indem 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 von Bauteilen (Passstifte),
• zur scherfesten Verbindung von Maschinenteilen (Verbindungsstifte),
• zur Sicherung von Bolzen und Muttern (Sicherungsstifte) und
• zur Wegbegrenzung von Maschinenteilen (Anschlagstifte).

Wie auch bei der Herstellung von Bolzen, werden Stifte in der Regel aus ungehärtetem Stahl gefertigt. 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),
• Flächenpressung zwischen Stift und Bohrung (Lochleibung) und/oder
• Biegespannung im Stift.

Hier kannst Du Dir Formeln zur Berechnung ansehen

Da sich das Materialgefüge von Splinten 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. Deshalb sollte die Länge 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? zur Antwort Frage 5 zur Antwort Frage 6

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Berechnungsformeln

Bolzen

Biegebeanspruchung des Bolzendurchmessers	Festlegen der Bauteilabmessungen	Berechnung der Biegemomente in Bolzenmitte

d = Durchmesser

K_A = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

F_nenn = Stangenkraft

σ_{b zul} = zulässige Biegespannung

Abhängig von der Mindestzugfestigkeit R_m = K_t*R_mN gilt erfahrungsgemäß: 0,3*R_m bei ruhender, 0,2*R_m bei schwellender und 0,15*R_m 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

t_m = Dicke der Mittelachse

t_A = Dicke der äußeren Laschen

s = Spiel zwischen Mittel- und Außenlasche

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

R_e = Streckgrenze des Bauteilwerkstoffes unter Berücksichtigung der Erzeugnisdicke

M_{b max} = Größtes Biegemoment

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Stiftverbindungen

Querstift- Verbindungen

mittlere Flächenpressung in der Nabenbohrung	mittlere Flächenpressung in der Wellenbohrung	Scherspannung

T_nenn = von der Verbindung zu übertragendes Nenndrehmoment

K_A = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

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

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

d_w = Wellendurchmesser

p_zul = 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

Steckstift-Verbindungen

Vorhandene Biegespannung	Maximale mittlere Flächenpressung

M_bnenn = Nennbiegemoment

K_A = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

F_nenn = senkrecht zur Stiftachse wirkende Nennbiegekraft

l = Hebelarm der Biegekraft

s = Einstecktiefe des Stiftes

d = Stiftdurchmesser

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

Längsstift- bzw. Rundkeilverbindungen

Maßgebende mittlere Flächenpressung

T_nenn = von der Verbindung zu übertragendes Nenndrehmoment

K_A = Anwendungsfaktor zur Berücksichtigung stoßartiger Belastung

d = Stiftdurchmesser

d_w = Wellendurchmesser

l = tragende Stiftlänge, abhängig von der Nabenbreite, üblich l = (1 ... 1,5) · d_w

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

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Übungsaufgabe

Ein Zahnkranz mit z = 52 Zähnen, Modul m = 6 mm, ist mit einem Kranlaufrad (Ø 315 mm) drehfest zu verbinden. Zahnkranzbohrung und Laufradzapfen werden mit einem Fügedurchmesser von 210 mm und der Übergangspassung H7/m6 ausgeführt. Nach dem Aufpressen des Zahnkranzes auf das Laufrad wird die Verbindung durch zwei um 180 Grad versetzte Zylinderstifte DIN ISO 2338 – 16 m6 x 35 – St als Längsstifte gegen Verdrehen gesichert. Zahnkranz und Laufrad sind aus GS - 52.

Es ist zu prüfen, ob die beiden Längsstifte ein von den Zahnkräften verursachtes, mit mittleren Stößen schwelend auftretendes Drehmoment T = 1060 Nm übertragen können. Evtl. vorhandener Reibschluß durch die Übergangspassung wird sicherheitshalber nicht berücksichtigt.

Hier findest Du den Rechengang und die Lösung

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Links

Lieferanten

• Alstertaler.de
• Seeger-Orbis-GmbH
• Gregory & Maackens GmbH & Co. KG

Marco Schalwat