6 Arten von Nieten, ihre Anwendungen und Alternativen zur Verbindung von Metall
In diesem Artikel konzentrieren wir uns auf eine der ältesten Methoden, zwei Teile miteinander zu verbinden: die Niete. Von ägyptischen…
Moderne Maschinen sind wahre Wunderwerke der Technik. In den Zylindern von Generator-Verbrennungsmotoren beispielsweise finden kontrollierte Explosionen mit einer Frequenz von bis zu 3600 Umdrehungen pro Minute statt. Das entspricht 60 Explosionen pro Sekunde bei einem Zweitaktmotor oder 30 Explosionen pro Sekunde bei einem Viertaktmotor. Zudem laufen Dieselgeneratoren meist rund um die Uhr. Daher müssen Maschinen in der Lage sein, extremen Kräften über lange Zeiträume standzuhalten.
Ein weiterer wichtiger Aspekt in der Produktentwicklungsphase ist die Wartungsfreundlichkeit. Jede Maschine benötigt nach bestimmten Betriebsstunden Wartungsarbeiten. Das Design sollte so ausgelegt sein, dass Ingenieure und Techniker problemlos auf möglichst viele Teile zugreifen und diese demontieren können, um sie zu warten, zu reparieren oder auszutauschen. Aus diesem Grund ist es notwendig, Maschinenelemente mit lösbaren Verbindungselementen zu sichern.
Die teils extremen Kräfte in Kombination mit der erforderlichen Flexibilität führen dazu, dass Verbindungselemente eine hohe Variabilität aufweisen müssen. Ihre Hauptaufgabe ist es, Maschinenteile trotz starker Vibrationen, Kräfte und Drücke sicher zu fixieren und dennoch eine einfache Demontage zu ermöglichen, sofern es sich um nicht-permanente Verbindungselemente handelt.
Wie der Name schon sagt, lassen sich Verbindungselemente grob in permanente und nicht-permanente Verbindungselemente unterteilen. Beispielsweise sind Nieten und einige Kupplungsarten permanent und können nach der Montage nicht wieder entfernt oder wiederverwendet werden.
Die meisten anderen Verbindungselemente sind nicht-permanent. „Nicht-permanent“ bedeutet jedoch keineswegs, dass die Verbindung schwach ist. Im Gegenteil: Hydraulikbolzen und Schrauben (eine Art nicht-permanenter Verbindung) kommen in den anspruchsvollsten Anwendungen zum Einsatz.
Der Begriff bezieht sich lediglich darauf, dass sich die Teile bei Bedarf zur Wartung oder Inspektion wieder trennen lassen. Im eingebauten Zustand halten sie jedoch – vorausgesetzt, sie werden mit dem empfohlenen Drehmoment angezogen – auch extremen Bedingungen stand.
In diesem Artikel stellen wir die verschiedenen Arten von Verbindungselementen vor, die zur Verfügung stehen.
Schrauben sind die gebräuchlichsten Verbindungselemente. Diese Maschinenelemente dienen meist dazu, zwei ungewindete Bauteile miteinander zu verbinden. Eine Schraube besitzt an einem Ende ein Außengewinde und am anderen einen sechseckigen Kopf.
Im Regelfall wird die Schraube mit einer Mutter auf der gegenüberliegenden Seite befestigt. Manchmal verfügt eines der Bauteile über ein Innengewinde, sodass die Mutter entfallen kann und die Anzahl der benötigten Bauteile sinkt.
Es stehen viele verschiedene Schraubentypen zur Auswahl, die jeweils spezifische Vor- und Nachteile bieten. Im Folgenden werden einige der gängigsten Schraubentypen vorgestellt.
Sechskantschrauben besitzen einen sechseckigen Schraubenkopf, der sich mit einem Schraubenschlüssel leicht anziehen lässt. Die sechs Seiten ermöglichen eine flexible Werkzeugführung – besonders wichtig bei Schrauben, die schwer zugänglich sind.
Sechskantschrauben verfügen über ein Maschinengewinde, das entweder teilweise oder vollständig bis zum Kopf reicht. Teilweise gewindete Schrauben bieten eine höhere Scherfestigkeit. Aufgrund ihrer einfachen Montage und Demontage sind Sechskantschrauben weit verbreitet.
Die benötigten Werkzeuge sind ebenfalls gängig und erschwinglich. Für schwer zugängliche Stellen empfiehlt sich ein Steckschlüsselsatz. Mit einem verstellbaren Schraubenschlüssel können verschiedene Größen bearbeitet werden, allerdings sollte dies nicht zur Regel werden.
Doppelendbolzen ähneln einfachen Gewindestangen. Der Unterschied besteht darin, dass sie an beiden Enden ein Gewinde besitzen, nicht über die gesamte Länge.
Sie können mit einer Mutter an einem oder beiden Enden verwendet werden, wobei das andere Ende in ein entsprechend gewindetes Loch eingeschraubt wird.
Ringschrauben haben an einem Ende ein Gewinde und am anderen eine Öse. Der Verwendungszweck der Öse richtet sich nach der Größe und dem Maschinendesign.
Mehrere Ringschrauben können beispielsweise gemeinsam genutzt werden, um eine Konstruktion beim Heben zu tragen. Eine weitere Möglichkeit ist es, Kabel oder Drähte durch eine Serie von Ringschrauben zu führen.
Im Prinzip handelt es sich um eine Sechskantschraube mit einem entscheidenden Unterschied: Der Schraubenkopf hat fünf statt sechs Seiten. Dadurch lassen sich diese Schrauben nicht mit handelsüblichen Werkzeugen lösen oder befestigen.
Das erhöht die Sicherheit, da nicht jeder mit einem Schraubenschlüssel die Konstruktion zerlegen kann.
Schlossschrauben (auch bekannt als Carriage Bolts) besitzen einen halbrunden Kopf, gefolgt von einem vierkantigen Schaft und einem Gewinde. Sie werden hauptsächlich zur Befestigung von Holzelementen verwendet. Durch das Einpressen des Vierkants in das Holz wird ein selbstsichernder Effekt erzielt.
Die Schraube wird unter leichtem Hammerschlag eingetrieben und auf der Gegenseite mit einer Mutter gesichert. So entsteht eine passgenaue Aufnahme für den Vierkant, der die Schraube fixiert.
Auch bekannt als Inbusschrauben, weisen diese Verbindungselemente einen zylindrischen Kopf mit einem Innensechskant auf. Zum Anziehen wird ein Innensechskantschlüssel oder ein entsprechender Steckaufsatz verwendet.
Es gibt auch Varianten mit gewölbtem Kopf oder flachem Senkkopf.
Sie benötigen wenig Platz, da der Kopf bündig oder unterhalb der Materialoberfläche abschließen kann, sofern entsprechend vorgebohrte Löcher vorhanden sind.
U-Bolzen haben die Form eines Hufeisens. Während der gebogene Bereich kein Gewinde besitzt, sind die geraden Enden meist durchgehend mit Gewinde versehen.
U-Bolzen eignen sich hervorragend, um Rohre oder andere Teile an Rohren zu befestigen, ohne in das Rohr selbst ein Loch bohren zu müssen.
Weitere Bolzenvarianten im Handel sind:
Schrauben ähneln im Aufbau den Bolzen. Sie haben ein durchgängiges Außengewinde und verschiedene Kopfformen. Es gibt jedoch wichtige Unterschiede: Während Bolzen mit einer Mutter auch ungewindete Teile verbinden können, benötigen Schrauben meist ein Innengewinde zur Befestigung.
Üblicherweise sind Schrauben selbstschneidend, das heißt, sie erzeugen beim Eindrehen ihr eigenes Gewinde im Material. Ein vorheriges Gewindeschneiden ist daher nicht erforderlich.
Es existieren zahlreiche Schraubendesigns, die jeweils spezifische Vorteile und Anwendungsbereiche bieten. Im Folgenden eine Übersicht der wichtigsten Schraubentypen:
Wir stellen im Folgenden einige besonders wichtige Schraubenarten vor, auf die es bei der Auswahl ankommt.
Bohrschrauben, auch als selbstschneidende Schrauben bekannt, erzeugen beim Eindrehen ihr eigenes Innengewinde. Ihr Hauptmerkmal ist ein durchgängiges Gewinde vom Kopf bis zur Spitze. Das Schraubenmaterial ist härter als das zu verbindende Material.
Die Schraubenspitze ist meist leicht konisch und mit einer Kerbe versehen, sodass sich die Schraube beim Eindrehen selbst ihren Weg ins Material bahnt.
Blechschrauben dienen dazu, zwei Metallteile miteinander zu verbinden. Sie besitzen ein durchgängiges Gewinde und einen Kopf, der flach oder rund ausgeführt sein kann.
Die Spitze der Blechschraube ist besonders scharf, um das Material zu durchdringen und sich fest zu verankern. Das Gewinde besteht aus hartem Material, um das Innengewinde beim Eindrehen zu formen.
Diese Schraube ist vielseitig einsetzbar und wird neben Metall auch für Kunststoff und Holz verwendet.
Es gibt zwei Typen: selbstbohrend und selbstschneidend. Die selbstschneidende Variante benötigt lediglich eine Vorbohrung im Werkstück; das Innengewinde entsteht beim Eindrehen. Selbstbohrende Schrauben verfügen über eine spezielle Bohrspitze.
Maschinenschrauben sind in der modernen Technik weit verbreitet. Ihr Aufbau ähnelt den bereits genannten Schrauben, sie sind in unterschiedlichen Kopf- und Spitzenformen erhältlich. Der Schraubenkopf ist meist mit einem Kreuz- oder Schlitzantrieb versehen.
Typischerweise werden Maschinenschrauben in vorgebohrte Löcher eingesetzt, es gibt jedoch auch Varianten, die beim Einschrauben das Gewinde formen.
Eine Mutter ist ein Verbindungselement mit Innengewinde und wird zusammen mit einer passenden Schraube verwendet. Ursprünglich waren Muttern (genauso wie Schraubenköpfe) quadratisch, da sie sich von Hand leichter fertigen ließen. Heute kommen sie kaum noch zum Einsatz, außer in speziellen Anwendungen.
Quadratische Muttern bieten durch die größere Kontaktfläche und Länge des Schraubenschlüssels mehr Griff und ein höheres Drehmoment als Sechskantmuttern.
Sechskantmuttern sind heute am gebräuchlichsten, da sie mehr Ansatzpunkte bieten (6 statt 4). Viele Schraubenschlüssel sind zudem um 15 Grad abgewinkelt, wodurch sich die Zahl der möglichen Ansatzpunkte auf 12 erhöht – besonders vorteilhaft auf engem Raum oder bei flachen Oberflächen.
Muttern gibt es auch in anderen Ausführungen wie Flügelmuttern (für werkzeuglose Montage) oder Käfigmuttern für beengte Einbauorte.
Auch als Kappen- oder Dome-Muttern bekannt, sind sie an einem Ende geschlossen und haben eine gewölbte Form. Dadurch ist die Schraubverbindung besser gegen Umwelteinflüsse geschützt und erhält ein ansprechendes Finish.
Kronen- oder Schlitzmuttern sind an einem Ende mit Schlitzen versehen. Sie ermöglichen das Einsetzen eines Splints durch die Schlitze (das Schraubengewinde muss entsprechend gebohrt sein), um die Position der Mutter zu sichern.
Sie eignen sich für Anwendungen mit geringen Drehmomenten, etwa zur Fixierung eines einfachen Wälzlagers.
Der Name sagt es bereits: Diese Muttern werden auf eine Oberfläche aufgeschweißt. Schweißen bietet sich für schwer zugängliche Stellen an, an denen eine herkömmliche Schraubverbindung schwierig wäre.
Die mit Abstand am häufigsten verwendete Mutter; sie ist kostengünstig und lässt sich einfach mit einem Schraubenschlüssel montieren.
Nyloc-Muttern ähneln Sechskantmuttern, besitzen jedoch einen zusätzlichen Kunststoffring (Nylon), der sich beim Anziehen ins Schraubengewinde drückt und ein Lösen verhindert.
Eine hervorragende Alternative zu Schweißmuttern, wenn wenig Platz zur Verfügung steht. Zwar sind sie teurer, dafür entfällt jedoch das Schweißen.
Runde Nietmuttern können sich unter Umständen verdrehen. Daher empfiehlt sich die Verwendung von sechseckigen Nietmuttern. In diesem Fall muss jedoch die Bohrung im Werkstück entsprechend ausgeführt werden, was den Einsatz von Laserschneiden erforderlich macht.
Werden die Teile ohnehin per Laser geschnitten, spielt die Lochform in Bezug auf die Endkosten kaum noch eine Rolle.
Weitere Mutternarten sind:
Unterlegscheiben sind kleine, runde Metallscheiben in Ringform. Sie kommen meist zusammen mit Schrauben und Muttern zum Einsatz und werden unter Muttern, Verbindungen oder Achslagern platziert. Sie erfüllen verschiedene Funktionen:
Als Material dienen sowohl Metalle als auch Kunststoffe. Unterlegscheiben werden in drei Hauptgruppen unterteilt:
Flache Unterlegscheiben dienen dazu, das Werkstück vom Verbindungselement zu isolieren. Dies kann zur Isolierung oder zum Oberflächenschutz (z.B. bei lackierten Teilen) erforderlich sein.
Eine weitere wichtige Funktion ist die Verteilung der Belastung durch Vergrößerung der Kontaktfläche. Ist die Bohrung zu groß, kann eine Unterlegscheibe den Unterschied ausgleichen. Flache Unterlegscheiben unterscheiden sich wie folgt:
Federscheiben wirken durch ihre Form wie eine Feder. Sie verleihen der Verbindung axiale Elastizität und verhindern so ein unbeabsichtigtes Lösen oder Festziehen der Verbindung durch Vibrationen. Es gibt verschiedene Federscheiben, darunter:
Sicherungsscheiben bieten gegenüber Federscheiben eine noch bessere Sicherung gegen das Lösen. Sie werden eingesetzt, wenn ein Nachlassen der Reibung oder eine Drehbewegung während des Betriebs zu befürchten ist. Zu den gängigsten Sicherungsscheiben zählen:
Sicherungsringe sind metallische Verbindungselemente, die dazu dienen, eine Welle oder Baugruppe zu fixieren. Es gibt sie in verschiedenen Ausführungen.
Sicherungsringe werden in zahlreichen Maschinenanwendungen eingesetzt. Ein typisches Beispiel ist der Sicherungsring (Seegerring) zur Fixierung des Kolbenbolzens eines Kolbens im Verbrennungsmotor. Auch in der Hochdruck-Kraftstoffpumpe eines Dieselgenerators finden sie Verwendung.
Die meisten Sicherungsringe werden nur einmal verwendet und beim Überholen der Maschine ersetzt, einige Varianten sind jedoch wiederverwendbar. Grundsätzlich unterscheidet man vier Haupttypen, die sich weiter unterteilen lassen:
Nieten sind permanente Verbindungselemente zur Fixierung verschiedenster Materialien. Sie sind leicht und bieten hervorragenden Widerstand gegen Scherkräfte. Der Kopf an beiden Enden ermöglicht es, auch axiale Lasten bis zu einem gewissen Grad aufzunehmen. Die Montage erfolgt mit einem Spezialwerkzeug (Blindnietzange/Nietpistole). Für Nieten werden keine Gewinde in den Bohrungen benötigt.
Im Gegensatz zu gewindeten Verbindungselementen entstehen bei Nieten dauerhafte Verbindungen, die nicht wieder gelöst oder wiederverwendet werden können. Nieten bieten ein hervorragendes Verhältnis von Festigkeit zu Gewicht und sind zudem einfach zu prüfen (im Gegensatz zu Schweißverbindungen), bei denen spezielle Prüfgeräte erforderlich sind.
Diese Vorteile machen Nieten zum bevorzugten Verbindungselement in der Luftfahrtindustrie. Sie ermöglichen sowohl Stumpf- als auch Überlappungsverbindungen. Zu den gängigen Niettypen zählen:
Dübel sind spezielle Verbindungselemente zur Befestigung von Metall an Beton oder anderen Materialien wie Epoxidharz, Vinylester oder Polyesterharz. Einige Dübel werden bereits beim Gießen des Betons eingebaut, andere nachträglich in das ausgehärtete Material gesetzt.
Dübel dienen zur Befestigung unterschiedlichster Objekte und sind daher in zahlreichen Ausführungen erhältlich. Ein Dübel leitet sowohl Zug- als auch Scherkräfte in den Untergrund ab. Zu den bekanntesten Dübeltypen gehören:
Gewindeeinsätze gibt es in unterschiedlichen Formen, da sie eine Vielzahl von Aufgaben als Verbindungselemente erfüllen. Sie dienen zur Verstärkung von Verbindungen, zur Reparatur beschädigter Innengewinde, als Passfedern in drehenden Maschinen oder zur Befestigung von Ankerbolzen an hängenden Rohrleitungen.
Einige Einsätze verfügen sowohl über ein Innen- als auch ein Außengewinde. Das Außengewinde des Einsatzes wird in das beschädigte Loch im Werkstück geschraubt, anschließend kann eine kleinere Schraube oder ein Bolzen in das Innnengewinde eingesetzt werden.
Gewindeeinsätze lassen sich in folgende Gruppen einteilen:
