Umfassender Leitfaden für das Wissen über Verbindungselemente

Verbindungselemente sind gängige Komponenten, die im täglichen Leben häufig verwendet werden. Heute werden wir eine detaillierte Einführung in die Klassifizierung, Auswahl und Befestigungsverfahren geben. Dieser Leitfaden ist vollgepackt mit nützlichen Informationen und es lohnt sich, ihn aufzubewahren.

Definition von Verbindungselementen

Verbindungselemente, die auf dem Markt auch als Normteile bezeichnet werden, sind eine Klasse von mechanischen Bauteilen, die dazu dienen, zwei oder mehr Teile (oder Komponenten) sicher miteinander zu verbinden.

Schrauben sind ein umgangssprachlicher Begriff für Verbindungselemente, aber sie sind nur eine Art von Verbindungselementen.

Die Unterschiede zwischen den verschiedenen Verbindungselementen liegen in ihren Formen, Größen und Materialien, so dass sie unterschiedliche Anwendungsanforderungen erfüllen können. Die Hauptfunktion von Verbindungselementen besteht darin, eine mechanische Verbindung herzustellen, die die Position und Integrität von Bauteilen aufrechterhält.

Sie können zum Beispiel zwei oder mehr Teile verbinden oder Komponenten an einer Struktur oder Oberfläche befestigen. Verbindungselemente zeichnen sich durch ihre Vielfalt, ein hohes Maß an Standardisierung, Serialisierung und Generalisierung aus. In Technik und Fertigung sind Verbindungselemente unverzichtbar für den Bau von einfachen Möbeln bis hin zu komplexen Maschinen, elektronischen Geräten und Schiffen.

Arten von Verbindungselementen

1. Bolzen

Bolzen bestehen aus einem Kopf und einer Schraube (einem zylindrischen Körper mit Außengewinde) und werden zusammen mit Muttern verwendet, um zwei Teile mit Durchgangslöchern zu verbinden. Diese Art der Verbindung wird als Bolzenverbindung bezeichnet. Wird die Mutter von der Schraube entfernt, können die beiden Teile getrennt werden, so dass Schraubverbindungen lösbar sind.

2. Nieten

Eine Art von Befestigungselement ohne Kopf, mit Außengewinde an beiden Enden. Ein Ende muss in ein Teil mit Innengewinde eingeschraubt werden, während das andere Ende durch ein Teil mit Durchgangsbohrung geführt und dann mit einer Mutter befestigt wird, wodurch eine lösbare Verbindung entsteht, die als Bolzenverbindung bezeichnet wird. Bolzen werden vor allem dort verwendet, wo die Dicke des zu verbindenden Teils groß ist, was eine kompakte Struktur erfordert, oder wo eine häufige Demontage erforderlich ist, so dass Schraubenverbindungen ungeeignet sind.

3. Schrauben

Auch diese Verbindungselemente bestehen aus einem Kopf und einer Schraube. Je nach Verwendungszweck lassen sie sich in drei Kategorien einteilen: Maschinenschrauben, Gewindestifte und Schrauben für besondere Zwecke. Maschinenschrauben werden zur Befestigung von Teilen mit Innengewinde an Teilen mit Durchgangslöchern verwendet, ohne dass Muttern erforderlich sind (dies wird als Schraubverbindung bezeichnet und ist auch abnehmbar). Gewindestifte werden verwendet, um die Position zweier Teile zueinander zu fixieren. Spezialschrauben, wie z. B. Augenschrauben, werden zum Anheben von Teilen verwendet.

4. Nüsse

Muttern haben Innengewinde und sind im Allgemeinen sechseckig, können aber auch quadratisch oder zylindrisch sein. Sie werden zusammen mit Bolzen, Stiftschrauben oder Maschinenschrauben verwendet, um zwei Teile sicher miteinander zu verbinden, so dass sie eine Einheit bilden.

5. Selbstschneidende Schrauben

Ähnlich wie Maschinenschrauben, aber mit Gewinden, die speziell für das Selbstschneiden ausgelegt sind. Sie werden verwendet, um zwei dünne Metallteile miteinander zu verbinden, so dass sie eine Einheit bilden. Die Teile müssen über vorgebohrte Löcher verfügen, und aufgrund der hohen Härte dieser Schrauben können sie direkt in die Teile geschraubt werden, wobei sich Innengewinde bilden. Diese Art der Verbindung ist auch wieder lösbar.

6. Holzschrauben

Ähnlich wie Maschinenschrauben, aber mit einem für Holz geeigneten Gewinde. Sie können direkt in Holzteile (oder -komponenten) eingeschraubt werden, um ein Metallteil (oder Nichtmetallteil) mit einem Durchgangsloch an einem Holzteil zu befestigen. Diese Art der Verbindung ist auch wieder lösbar.

7. Unterlegscheiben

Flache, runde Verbindungselemente werden zwischen der Auflagefläche eines Bolzens, einer Schraube oder einer Mutter und der Oberfläche des zu verbindenden Teils angebracht. Sie vergrößern die Kontaktfläche, verringern den Druck pro Flächeneinheit und schützen die Oberfläche des verbundenen Teils vor Beschädigungen. Elastische Unterlegscheiben können auch verhindern, dass sich Muttern lockern.

Tipps: Erfahren Sie mehr über "Arten von Unterlegscheiben“.

8. Sprengringe

Wird in den Nuten von Wellen oder Bohrungen verwendet, um zu verhindern, dass sich Teile auf Wellen oder in Bohrungen seitlich bewegen.

9. Stifte

Sie werden hauptsächlich für die Positionierung von Teilen verwendet, können aber auch Teile verbinden, befestigen, Kraft übertragen oder andere Verbindungselemente sichern.

10. Nieten

Nieten bestehen aus einem Kopf und einem Schaft und werden verwendet, um zwei Teile mit Durchgangslöchern zu verbinden, so dass sie eine Einheit bilden. Diese Art der Verbindung wird als Nieten bezeichnet und ist nicht lösbar. Um die verbundenen Teile zu trennen, muss der Niet zerstört werden.

Tipps: Klicken Sie hier, um mehr zu erfahren über "Niettypen" und "Teileanschlussverfahren“.

11. Baugruppen und Verbindungssätze

Baugruppen beziehen sich auf einen Typ von Befestigungselementen, die in Kombination geliefert werden, z. B. eine Maschinenschraube (oder Bolzen, selbstschneidende Schraube) in Kombination mit einer Unterlegscheibe (oder Federscheibe, Sicherungsscheibe). Verbindungssätze beziehen sich auf spezifische Kombinationen von Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben, die zusammen geliefert werden, wie z. B. hochfeste Sechskantschrauben-Verbindungssätze für Stahlkonstruktionen.

Anwendungsmerkmale der verschiedenen Schraubentypen:

Aus der Vielfalt der verfügbaren Schrauben lassen sich ihre Anwendungsmerkmale wie folgt zusammenfassen:

1. Bolzen, Schrauben und Stiftschrauben mit Muttern oder Gewindelöchern: Sie werden vor allem für hochfeste Verbindungen verwendet, die große Lasten tragen. Sie haben einfache und stabile Strukturen.

2. Selbstschneidende Schrauben mit vorgebohrten Löchern: Sie werden im Allgemeinen verwendet, um leichte Gegenstände, wie z. B. Autoinnenräume und kleine elektrische Teile, auf Blechen zu befestigen.

3. Kunststoffbefestigungselemente wie Klammern und Klemmen: Diese werden in der Regel zur Befestigung von Kabelbäumen und Rohren mit kleinem Durchmesser in Blechen verwendet.

4. Schlauchschellen und Ringschellen: Sie werden häufig in Niederdruck-Hydrauliksystemen, Pneumatiksystemen, Kühlleitungen usw. eingesetzt.

Auswahl der Verbindungselemente

Bei der Auswahl geeigneter Verbindungselemente aus dem Bestand an Verbindungselementen sind nicht nur die Befestigungsleistung, sondern auch die Montagefreundlichkeit, die Wartungsfreundlichkeit nach dem Verkauf, die ästhetischen Anforderungen und die Kosteneffizienz zu berücksichtigen.

1. Festlegen von Spezifikationen und Leistungsgraden

Die Festigkeit und der Reibungskoeffizient jeder Schraube sind klar definiert. Die Vorspannung, die sie bieten kann, variiert je nach den verschiedenen Drehmomentstrategien, aber die Mindestvorspannung kann für eine bestimmte Drehmomentstrategie bestimmt werden.

Nachdem Sie die für die Verbindungsstelle erforderliche Mindestvorspannung ermittelt haben, vergleichen Sie, welche Schraubenspezifikationen mindestens diese Mindestvorspannung gewährleisten können, und wählen Sie die wirtschaftlichsten Spezifikationen und Leistungsstufen aus.

Die allgemeinen Schritte sind wie folgt:

1. Bestimmen Sie die Art der Verbindung: Trägt sie eine Zuglast, eine Scherlast oder eine Kombination davon?

2. Bestimmen Sie die Tragfähigkeit des Verbindungssatzes anhand der Art der Verbindung.

3. Berechnen Sie die Axial- und Scherkräfte auf die Schraube.

4. Bestimmen Sie die minimale Spannkraft.

5. Überprüfen Sie die Flächenpressung der eingespannten Teile, um Quetschungen zu vermeiden.

6. Bestimmen Sie die geeigneten Spezifikationen und Leistungsstufen.

2. Auswahl der Kopftypen

Die Formen der Schraubenköpfe variieren, um den unterschiedlichen Einbauräumen, Anzugsniveaus und Anforderungen an das Aussehen der Verbindungen gerecht zu werden. Die Hauptfunktionen des Kopfes sind Tragen und Drehen, und die Auswahl sollte diese Faktoren berücksichtigen.

Kopf-Typ-Diagramm	Name	Verwendungshinweise
	Sechskant-Flansch	Bei hochfesten Schrauben sollten vorzugsweise Sechskantflanschköpfe verwendet werden, die im Vergleich zu Sechskantschrauben die Gefahr des Quetschens der eingespannten Teile verringern.
	Sechskantkopf	Nicht empfohlen, in der Regel mit Federringen und Unterlegscheiben verwendet.
	Innensechskant-Kopf	Ausgewählt nur für hochfeste Bolzen/Schrauben mit begrenztem Schlüsselraum.
	Senkkopf	Wird hauptsächlich an Stellen verwendet, die nach der Befestigung eben sein müssen, z. B. zur Befestigung von Schlossverschlüssen an Schiebetüren. Die Abmessungen der Senkbohrungen müssen streng den nationalen Normen entsprechen.
	Pan-Kopf	Wird hauptsächlich für flache Lagerflächen verwendet, die keine Senkköpfe erfordern, und ist im Vergleich zu Senkköpfen wirtschaftlicher.
	Torx	Sie werden vorzugsweise anstelle von Kreuzschlitzköpfen für Innenverschraubungen verwendet, da sie weniger leicht abrutschen und ein höheres Drehmoment aushalten können.

3. Auswahl der Oberflächenbehandlung

1. Das Prinzip für die Auswahl der Farbe des Befestigungselements ist, dass es zu den eingespannten Teilen passt. Für nicht sichtbare Teile ist vorrangig die Farbe Silber zu verwenden.

2. Je nach den verwendeten Teilen können unterschiedliche Rostschutzgrade gewählt werden.

3. Für mechanische Leistungsklassen über 8.8 wird nicht empfohlen, Folgendes zu verwenden Verzinkung und Passivierung zur Oberflächenbehandlung. Im Allgemeinen werden nicht-elektrolytische Zinklamellenbeschichtungen empfohlen. Bei Federringen und anderen Verbindungselementen mit einer Härte von mehr als 350HV sollten Verzinkung und Passivierung vermieden werden, um ein Versagen durch Wasserstoffversprödung zu verhindern.

4. Auswahl der Sortenkompatibilität

Im Allgemeinen sollten die mechanischen Leistungsklassen von Muttern denen von Bolzen, Stehbolzen oder Schrauben wie folgt entsprechen:

1. Muttern der Güteklasse 8 können mit Bolzen, Stehbolzen oder Schrauben der Güteklasse 8.8 kombiniert werden.

2. Muttern der Güteklasse 10 können mit Bolzen, Stehbolzen oder Schrauben der Güteklasse 10.9 kombiniert werden.

3. Muttern der Güteklasse 12 können mit Bolzen, Stehbolzen oder Schrauben der Güteklasse 12.9 kombiniert werden.

Im Allgemeinen können Muttern der höheren Leistungsklasse die Muttern der niedrigeren Klasse ersetzen. Zum Beispiel können Muttern der Güteklasse 10 Muttern der Güteklasse 8 ersetzen, die zu Bolzen, Stehbolzen oder Schrauben der Güteklasse 8.8 passen.

5. Auswahl der Befestigungsverfahren

Bevor ein Befestigungsverfahren gewählt wird, müssen die Konstrukteure feststellen, ob das Produkt zerlegt und gewartet werden muss. Beispielsweise müssen Produkte wie Feuermelder, Fernbedienungen für Fernsehgeräte und tragbare Informationsterminals so konstruiert sein, dass der Verbraucher sie zerlegen kann, um die Batterien zu wechseln. Umgekehrt müssen Produkte wie Haartrockner und medizinische Einweggeräte im Allgemeinen nicht für die Demontage oder Wartung ausgelegt sein. Darüber hinaus können manche Konstrukteure Komponenten speziell so gestalten, dass sie manipulationssicher sind, so dass die Verbraucher die Produkte nicht ohne weiteres zerlegen können (z. B. elektronische Produkte).

Produkte, die eine abnehmbare Wartung erfordern

Schrauben, Bolzen und Schnappverbindungen (d. h. Kunststoffklammern) sind die am häufigsten verwendeten Befestigungsmethoden bei Produkten, die eine abnehmbare Wartung erfordern. Bolzen und Schrauben üben eine Klemmkraft aus, die die Komponenten in die Baugruppe hineindrückt. Wenn das Drehmoment von Bolzen/Schrauben den Berührungspunkt zwischen dem Kopf und den Gegenstücken übersteigt, ist die Befestigungsanforderung erfüllt. Im Vergleich zu Schnappverbindungen bieten Bolzen und Schrauben einen besseren Halt, während sich Schnappverbindungen mehr auf die Festigkeit der Kunststoffteile selbst verlassen.

Schnappverbindungen bieten Halt durch das Ineinandergreifen mehrerer Komponenten. Schnappverbindungen ermöglichen eine schnelle Montage und vereinfachen den gesamten Montageprozess, da weniger Teile in der Materialliste enthalten sind. Wenn bei Kunststoffprodukten ein minimaler Halt erforderlich ist, werden in der Regel Schnappverbindungen bevorzugt. Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, werden bei den meisten Taschenrechnern Schnappverbindungen an der Batterieabdeckung verwendet, um den Batteriewechsel durch den Verbraucher zu erleichtern.

Tipps: Klicken Sie hier, um mehr zu erfahren über "Arten von Schnappverschlüssen“.

Dauerhafte Produkte

Feste Stifte, Klebstoffe, Schrauben, Bolzen und Schnappverbindungen sind gängige Methoden zur dauerhaften Befestigung von Komponenten. Obwohl die Konstrukteure bei neuen Produkten oft nicht ausdrücklich verlangen, dass sie abnehmbare Wartungskonstruktionen verwenden, werden bei vielen Produkten immer noch abnehmbare Befestigungselemente wie Schrauben verwendet, um die Benutzer mit ihrer Verwendung vertraut zu machen. Wie in der obigen Abbildung zu sehen ist, verwenden die meisten Taschenrechner Schrauben, um die Kunststoffgehäuse zu verbinden, auch wenn die Verbraucher die Komponenten während der Lebensdauer des Produkts nicht auseinandernehmen müssen.

Massivstifte und Klebstoffe sind die bevorzugten Befestigungsmethoden für dauerhafte Bauteile, da sie Kunststoffen einen hervorragenden Halt bieten. Klebstoffe verbinden mehrere Komponenten miteinander und sorgen für Halt, während massive Stifte eine Verformung des Grundmaterials bewirken, was zu Interferenzen führt und für Halt sorgt. Beachten Sie, dass massive Stifte mit Rückhaltevorrichtungen (z. B., Rändeln) sind besser als einfache Stifte, da sie größere Bohrungstoleranzen zulassen und die Belastung der Kunststoffteile verringern. Die Manipulationssicherheit trägt dazu bei, das Risiko von Garantieansprüchen, Produktschäden oder Umwelteinflüssen (z. B. Feuchtigkeit, Partikel) zu verringern.

Außerdem stellen abnehmbare Befestigungselemente (z. B. Schrauben) bei Produkten wie Kinderspielzeug ein erhebliches Sicherheitsrisiko (Erstickungsgefahr) dar. Für nicht abnehmbare Wartungselemente sind feste Stifte und Klebstoffe in der Regel die bevorzugten Befestigungsmethoden.

Solide Stifte

Massivstifte lassen sich mit einer manuellen oder vollautomatischen Presse leicht einbauen. Während des Einsetzens übt die Presse eine lineare Kraft aus, um die Stifte bis zum Erreichen eines vorbestimmten Anschlagabstands zu bewegen. Bei Bauteilen mit mehreren Bolzenlöchern kann eine Plattenpresse verwendet werden, um mehrere Vollbolzen gleichzeitig einzubauen. Daher ist der Montagezyklus für Massivstifte schneller als für Schrauben oder Bolzen. Massivstifte haben im Vergleich zu anderen Befestigungsmethoden die niedrigste Ausfallrate, wenn die Bauteile korrekt befestigt und ausgerichtet sind. Die für die Montage von Massivstiften verwendete Ausrüstung erfordert nur minimale Wartung.

Aus ästhetischen Gründen sind einige massive Stifte bei der Endmontage nicht sichtbar.

Klebstoffe

Klebstoffe können mit Handpistolen oder automatischen Dosiergeräten aufgetragen werden. In der Regel ist eine Oberflächenvorbereitung der Grundkomponenten erforderlich. Der Klebstoffauftrag während der Montage ist recht komplex und erfordert geschultes Personal. Wird zu wenig oder zu viel Klebstoff auf ein einzelnes Bauteil aufgetragen, kann dies zu Fehlern in der Praxis führen. Außerdem müssen viele Klebstoffe vor dem Kontakt mit den Basiskomponenten auf Temperatur und Druck kontrolliert und/oder mit verschiedenen Flüssigkeiten gemischt werden. Nach dem Auftragen durchlaufen die Klebstoffe einen Aushärtungsprozess, der in manchen Fällen über 24 Stunden dauern kann!

Klebstoff-Dosiergeräte müssen umfassend gewartet und überwacht werden, da Klebstoffe problematisch sein können. Verunreinigungen können zu einer Verstopfung der Geräte führen, und viele Klebstoffe haben eine begrenzte Haltbarkeitsdauer. Diese Faktoren erhöhen die Kosten und die Komplexität des Montageprozesses und verringern die Maschinenverfügbarkeit. Aufgrund der zahlreichen Variablen besteht die größte Herausforderung in der Wiederholbarkeit und Kontrolle.

Schrauben

Nach dem Einsetzen der Schrauben in die Host-Komponenten können diese mit handgehaltenen Drehmoment-Schraubendrehern oder feststehenden automatischen Schraubendrehern montiert werden. Beide Arten von Schraubenziehern drehen die Schrauben mit dem angegebenen Drehmoment an. Es ist wichtig zu wissen, dass dieser Prozess viel komplexer ist als der Einbau von massiven Stiften. Die Hersteller können bei der Ausrichtung der Schrauben auf den Schraubendreher und beim Sichern der Schrauben auf Probleme stoßen. Wenn die Schrauben nicht vollständig ausgerichtet sind, können sie den Kunststoff des Grundkörpers beschädigen, was zu Ausschuss führt. Ein weiteres häufiges Problem beim direkten Einbau von Schrauben in Kunststoff ist, dass sich die Schrauben mit der Zeit lockern können, weil plastisches Kriechen oder Spannungsabbau. Obwohl Schrauben preiswert, leicht erhältlich und den Bedienern vertraut sind, stellen sie bei der Montage eine Herausforderung dar.

Bolzen

Bolzen funktionieren ähnlich wie Schrauben, nur dass sie in Muttern oder Metalleinsätze und nicht in Kunststoffhalterungen geschraubt werden. Von den hier erörterten Befestigungsmethoden bieten Bolzen den höchsten Halt. Wenn sie mit Muttern oder Gewindeeinsätzen verwendet werden, lassen sich Schrauben unbegrenzt montieren und demontieren, ohne den Kunststoff zu beschädigen. Ordnungsgemäße Schraubenverbindungen in Kunststoffbauteilen erfordern drei separate Teile: die Schraube, eine Begrenzungshülse und eine Mutter oder einen Gewindeeinsatz. Dies erhöht die Stückliste sowie die Komplexität und die Kosten des Montageprozesses. Schraubenverbindungen sollten vermieden werden, es sei denn, alternative Befestigungsmethoden können die erforderliche Klemmkraft nicht erreichen.

Snap-fit-Verbindungen

Schnappverbindungen werden in der Regel manuell durch Zusammendrücken der Komponenten zusammengefügt. Der Montageprozess kann je nach Konstruktion der ineinander greifenden Komponenten erheblich variieren. Einige Schnappverbindungen sind für eine abnehmbare Wartung ausgelegt, während andere dauerhaft sind. Durch die Verwendung von Schnappverbindungen können die Hersteller die Gesamtzahl der in jeder Baugruppe verwendeten Teile minimieren. Dieser Ansatz reduziert letztendlich die Kosten, den Lagerbestand und die Schwierigkeiten bei der Handhabung. Im Vergleich zu anderen Befestigungsmethoden bieten Schnappverbindungen jedoch den geringsten Halt, da sie sich auf die Festigkeit der Kunststoffkomponenten selbst verlassen. Schnappverbindungen werden bevorzugt für Bauteile eingesetzt, die nur geringen Belastungen ausgesetzt sind. Schnappverbindungen sind jedoch störanfällig und können Gefahren für die Umwelt mit sich bringen, z. B. Erstickungsgefahr.

Bei der Konstruktion von Kunststoffgehäusen müssen die Konstrukteure Leistung, Einfachheit, Kosten für Befestigungselemente und Montagekosten berücksichtigen. Es wird empfohlen, dass Konstrukteure bereits in der Konstruktionsphase mit Fertigungsingenieuren zusammenarbeiten, um den gesamten Montageprozess zu berücksichtigen. In den meisten Fällen werden beim endgültigen Entwurf eines neuen Produkts der Montagezyklus, die Ausschussrate, die Wartungskosten und das Verbraucherverhalten während der Lebensdauer des Produkts nicht berücksichtigt.

Schlussfolgerung

Als industrielle Schlüsselkomponenten, die verschiedene Teile miteinander verbinden, darf die Bedeutung von Verbindungselementen in der industriellen Produktion nicht unterschätzt werden. Wenn Verbindungselemente versagen oder sich lockern, kann dies zu Maschinen- oder Anlagenausfällen führen, die Stillstandszeiten, Produktionsverzögerungen, Verluste und Sicherheitsrisiken zur Folge haben. Daher ist die Verwendung hochwertiger, zuverlässiger Verbindungselemente und korrekter Befestigungsmethoden in der industriellen Produktion von entscheidender Bedeutung.