Umfassender Leitfaden zu Befestigungselementen: Typen, Einsatzbereiche und Anwendungen

In der Industrie werden Bauteile unterschiedlichster Materialien häufig mittels Befestigungselementen verbunden, um saubere und feste Verbindungen zu erzielen. Alternative Fügemethoden wie Schweißen, Löten, Hartlöten oder Kleben erzeugen dauerhafte Verbindungen. Daher sind Befestigungselemente oft vorzuziehen, da die Verbindung gelöst und demontiert werden kann, ohne die Bauteile zu beschädigen – wobei einige Befestigungselemente wie Nieten dauerhaft verbinden und bei Demontage zerstört werden.

Heute lernen Sie Definition, Anwendungen, Funktionen, Materialien und Typen mechanischer Befestigungselemente kennen. Ebenso die Vor- und Nachteile gegenüber dauerhaften Fügeverfahren.

Was ist ein Befestigungselement?

Ein Befestigungselement ist eine Vorrichtung, die zwei oder mehr Objekte mechanisch miteinander verbindet. Normalerweise können Befestigungselemente permanent oder nicht-permanent sein, werden aber häufig für lösbare Verbindungen eingesetzt. Dies ermöglicht die Demontage ohne Beschädigung der verbundenen Teile. Andere Fügeverfahren wie Schweißen erzeugen permanente Verbindungen.

Befestigungselemente finden in verschiedenen Bereichen Anwendung, wie Metall- und Holzbearbeitung. Der Einsatz als Fügemethode hat viele Vorteile, die weiter unten erläutert werden. Metallische Befestigungselemente müssen fest und tragfähig sein. Sie werden häufig durch Pulvermetallurgie und Gießverfahren hergestellt.

Gewinde-Befestigungselemente sind am weitesten verbreitet, da sie sich einfach montieren und demontieren lassen. Gewinde sind nach zwei Hauptnormen standardisiert: ISO (metrisch) und ANSI (Zoll/Unified). Gewinde können rechts- oder linksgewinde sein, je nach Anwendung, wobei die Mehrheit rechtsgängig ist. Gewinde-Befestigungselemente lassen sich in drei Haupttypen unterteilen: Schrauben (Bolzen), Schrauben (Screws) und Stiftschrauben (Studs).

Anwendungen von Befestigungselementen

Anwendungen sind allgegenwärtig, da sie Vorteile gegenüber anderen Fügeverfahren bieten. Fast alle industriellen Anwendungen können mit Befestigungselementen realisiert werden, wobei folgende Faktoren berücksichtigt werden müssen:

• Gewindeart
• Auf das Befestigungselement wirkende Last
• Steifigkeit des Befestigungselements
• Anzahl der benötigten Befestigungselemente

Bei der Auswahl eines Befestigungselements für eine gegebene Anwendung sind zusätzlich zu beachten:

• Zugänglichkeit
• Montageprozess
• Umgebungsbedingungen: Temperatur, korrosive Medien, Feuchtigkeit
• Gewichtsbeschränkungen
• Zu verbindende Materialien

Alltägliche Beispiele: Stühle, Tische, Hocker, Türen, Fenster, Küchenutensilien, Elektrogeräte. Breiter industrieller Einsatz: Automobilindustrie, Luftfahrt, Landmaschinen, Schiffsbau – überall, wo Geräte gebaut werden, sind Befestigungselemente relevant.

Materialien für Befestigungselemente

Wie erwähnt, sind Pulvermetallurgie und Gießen gängige Herstellungsverfahren. Befestigungselemente werden häufig aus Stahl gefertigt. Die wichtigsten Stähle in der Industrie sind Kohlenstoffstahl, Edelstahl und Legierter Stahl. Edelstahl-Befestigungselemente kommen in drei Güteklassen: 200er-, 300er- und 400er-Serie.

Weitere Materialien wie Titan, Aluminium und diverse Legierungen werden ebenfalls verwendet. Oft werden spezielle Beschichtungen oder galvanische Überzüge aufgebracht, um Leistungseigenschaften zu verbessern, z. B. Korrosionsbeständigkeit. Zink, Chrom und Feuerverzinkung sind gängige Beschichtungen. Eisen ist Bestandteil der meisten Befestigungselemente.

Typen von Befestigungselementen

Im Folgenden die gängigen Typen und ihre Beschreibung:

Gewinde-Befestigungselemente

Ein Gewinde-Befestigungselement besitzt Innen- und Außengewinde. Schrauben, Muttern und Bolzen sind gängige Typen.

Bolzen (Schrauben mit Mutter) – besitzen an einem Ende einen Kopf (meist Sechskant) und am anderen Ende ein Gewinde. Werden generally mit einer Mutter und manchmal einer Unterlegscheibe verwendet.

Schrauben (Screws) – ähnlich wie Bolzen mit Kopf an einem Ende und Gewinde am anderen. Werden meist in ein Innengewinde eingedreht. Zylinderschrauben, Maschinenschrauben und Holzschrauben sind gängige Typen.

Stiftschrauben (Studs) – beidseitig gewindet, ohne Kopf. Dienen zum Verbinden zweier Bauteile mit Innengewinde.

Muttern

Muttern werden in Kombination mit einem Bolzen verwendet, um zwei oder mehr Teile zusammenzuklemmen. Gängige Typen:

Sechskantmuttern – schlichte, sechseckige Muttern mit Innengewinde. Der häufigste Typ, in zahlreichen Anwendungen im Einsatz.

Sicherungsmuttern (Locknuts) – werden verwendet, wenn die Mutter ohne Klemmung eines anderen Gegenstands fixiert werden soll.

Nylon-Einsatz-Muttern – sechseckige Muttern mit Nyloneinsatz, der vibrationsbedingtes Losdrehen verhindert.

Scher_muttern (Shear Nuts) – kegelförmige Muttern mit sechseckigem Anzugspunkt, der bei Erreichen des maximalen Drehmoments abschert. Schwer zu entfernen.

Flügelmuttern – besitzen zwei seitliche Flügel für manuelle Betätigung. Werden dort eingesetzt, wo die Mutter regelmäßig gelöst wird.

Unterlegscheiben

Scheiben werden zwischen Kopf von Bolzen, Schraube und Mutter sowie dem Bauteil platziert. Hauptzweck: Vergrößerung der Auflagefläche des Kopfes und Schutz des darunterliegenden Materials vor Beschädigung. Gängige Typen:

Flachscheiben – häufigster Typ, verteilen die Last von Bolzen, Schrauben und Muttern gleichmäßig beim Anziehen.

Beilagscheiben (Cup Washers) – schalenförmig, damit der Befestigungskopf hineingreift. Erzeugen bündigen Abschluss mit dem Kopfoberteil, verwendet in Kombination mit Holzschrauben.

Federringe (Spring Washers / Lock Washers) – verhindern, dass Bolzen, Schrauben oder Muttern sich durch Vibration lösen.

Reparaturscheiben (Penny Washers / Fender Washers) – für größere Auflagefläche und Verhinderung von Durchziehen. Kennzeichen: kleiner Innendurchmesser.

Nieten

Wie erwähnt, sind Nieten permanente Befestigungselemente – bei Demontage nicht wiederverwendbar. Einsatz in bestimmten Industrien und Spezialanwendungen, häufig zum Verbinden von Blechen und Platten.

Blindnieten (Pop-Nieten) – bestehen aus Hut und Mandrel (Dorn). Verbinden zwei Materialien. Beim Setzen wird der Mandrel in den Nietenhülsenkörper gezogen, dieser spreizt sich und greift im Material. Der überstehende Mandrel bricht ab.

Großflansch-Blindnieten – ähnlich wie Pop-Nieten, aber mit größerem Flansch.

Multi-Grip-Nieten – für das Verbinden von Materialien unterschiedlicher Dicke. Normalerweise wären verschiedene Nietengrößen nötig. Multi-Grip-Nieten sind vielseitig und kosteneffizient.

Vor- und Nachteile von Befestigungselementen

Vorteile:

• Gewichtsreduktion am Bauteil wird typischerweise erreicht
• Fügen von hochfestem Stahl bis zu einer Zugfestigkeit von Rm = 1500 MPa möglich
• Minimaler Platzbedarf im Werkzeug
• Einfache und unkomplizierte Werkzeugwartung
• Breites Spektrum an Blechdicken mit nur einem Muttern-Typ verbindbar (t = 0,5 bis 5 mm)
• Alle oberflächenbeschichteten Bleche einsetzbar
• Einfache Montage in jeder Arbeitsrichtung

Nachteile:

• Zusätzliches Gewicht am Bauteil
• Fügestellen sind sichtbar
• Erfordern Bohrungen, die das Bauteil schwächen
• Gesamte Last wird an spezifischen Punkten eingeleitet, was zur Ermüdung beiträgt
• Schwierigkeiten beim Nachziehen / Wiederbefestigen
• Korrosion
• Krafteinleitung erfordert Präzision

Fazit

Befestigungselemente können permanent oder nicht-permanent sein, werden aber häufig für lösbare Verbindungen eingesetzt. Sie sind Vorrichtungen, die zwei oder mehr Objekte mechanisch verbinden. In diesem Artikel wurden Definition, Anwendungen, Funktionen, Materialien und Typen mechanischer Befestigungselemente sowie deren Vor- und Nachteile besprochen.

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