Verbindungstechnik

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Es tut mir außerordentlich leid, aber bevor wir los legen können, müssen wir erst einmal paar grundsätzliche Dinge klären.

Ein Fahrzeug ist grundsätzlich erstmal ein Zusammenschluss aus den verschiedensten Baugruppen, die wiederum aus den unterschiedlichsten Materialen bestehen. Und diese werden auf verschiedene Weise zusammen gesetzt und gehalten.

Grundsätzlich unterscheidet man bei der Verbindung zweier unterschiedlicher Materialien zwischen:

• formschlüssiger Verbindung
• kraftschlüssiger Verbindung
• stoffschlüssiger Verbindung

Formschluss

Von einer formschlüssigen Verbindung spricht man wenn zwei Teile durch ihre Form  aneinander halten und gegen Verrutschen gesichert werden. Typisches Beispiel hierfür wären zwei Bleche welche durch Falzen miteinander verbunden werden. Die Form der Falz selbst verhindert das sie wieder auseinander fallen. Aber auch Nieten wäre eine formschlüssige Verbindung. Die Niete geht durch die beiden Löcher zweier aufeinander liegender Bleche. Beide Enden der Niete sind nach dem Nietvorgang größer als die Löcher der Bleche, somit verhindert ihre Form ein auseinander fallen.

Bei Schrauben verhindert die Form des Gewindes ein gerades heraus fallen aus dem Gegenstück, beispielsweise einer Mutter. Die Form verhindert allerdings nicht das heraus drehen. Daher kann man Schrauben eher der nächsten Kategorie zuordnen, nämlich dem…

Kraftschluss

Von einer kraftschlüssigen Verbindung spricht man wenn die Kraft, mit welcher zwei Flächen aneinander gepresst werden, ein verrutschen verhindert, wie beispielsweise bei einer Kupplung oder einer Bremse

Kommen wir zurück zum Beispiel unserer Schraube. Hier entsteht der Kraftschluss dadurch dass beim Anziehen dieser die einzelnen Gewindesteigungen aneinander gepresst werden. Hierbei kommen materialspezifische Reibungswerte zum tragen, welche den Gewindegang am Rutschen hindern und somit die Schraube halten.

Umso größer die Kraft ist, mit der die Gewindeflanken aufeinander gepresst werden, desto größer ist auch die Hemmwirkungen sich wieder zu lösen. Diese erreicht man dadurch daß man beim kraftvollen Anziehen der Schraube diese ein ganz klein wenig in die Länge zieht, ähnlich einem Gummiband. Den ersten Bereich dieser Verformung nennt man elastischen Bereich. Das ist der Bereich, in dem sich die Schraube beim lösen wieder komplett zurück verformt. Wird die Kraft größer, gelangt man irgendwann in den plastischen Bereich. Eine Verformung hier bleibt dauerhaft. An diesem Punkt lässt sich auch die so genannte Vorspannkraft nicht weiter steigern, sondern sie nimmt wieder ab da durch die plastische Verformung des Materials die Schraube dünner wird und irgendwann einfach abreißt.

Wir können also fest halten das wir bei einer Schraube die maximal mögliche Vorspannkraft erreichen wollen um einen maximal möglichen Kraftschluss zu erreichen. Dieser Punkt befindet sich knapp vor dem erreichen des plastischen Bereichs. An dem Punkt wo wir merken das die Kraft nicht weiter zu nimmt, ist es somit schon zu spät. Um diesen Punkt möglichst exakt zu treffen, ohne über ihm hinaus zu kommen, benötigen wir einen Drehmomentschlüssel.

An dieser Stelle ein kleiner Exkurs in die Reibungslehre: Bei der Reibung, also der Kraft, welche benötigt wird um zwei aufeinander gepresste Oberflächen zueinander in Bewegung zu setzen, unterscheidet man zwischen Haftreibung und Geleitreibung. Um überhaupt erst eine Bewegung zu erzeugen muss die Haftreibung überwunden werden. Man spricht hier auch von dem Losbrechmoment. Um die dann in Bewegung zu halten müssen wir die Kraft der Geleitreibung überwinden, welche meist wesentlich geringer ist als die Haftreibung. Wir können diesen Effekt auch gut beobachten wenn wir uns mit der Hand auf einer Fläche abstützen. Solange die Hand ruht haben wir Halt. Kommt sie erstmal ins Rutschen, verlieren wir den Halt und sie rutscht weiter bei wesentlich geringerem Kraftaufwand.

Kommen wir also zurück zu unserer Schraube und fassen zusammen: Das Drehmoment ist die Drehkraft, welche wir aufwenden müssen um die aufeinander gepressten Gewindeflanken in Bewegung zu versetzen und weiter zu bewegen. Je weiter wir die Schraube anziehen, desto größer wird der Anpressdruck da wir die Schraube, ähnlich wie ein Gummiband, ein klein wenig in die Länge ziehen. Ziel ist es eine möglichst maximale Vorspannkraft zu erreichen, also den Punkt kurz bevor die Schraube sich plastisch verformt und Schaden nimmt. Diese können wir nicht messen. Was wir aber messen können ist der Drehmoment, welcher erforderlich ist um die Schraube zu drehen. Da dieser mit steigender Vorspannkraft größer wird, lässt sich mit einer mathematischen Formel errechnen bei welchem Drehmoment wir welche Vorspannkraft erreicht haben. Aber keine Sorge, wir müssen das jetzt nicht selber ausrechnen. Das haben andere schon für uns getan. Hersteller geben für nahezu alle Schrauben die dazugehörigen Anzugsdrehmomente an. Alternativ dazu gibt es auch Tabellen in denen steht für welchen Schraubendurchmesser, und bei welcher Gewindesteigung, welcher Drehmoment erforderlich ist.

Das fest ziehen einer Schraube nach Drehmoment muss jedoch immer in einer gleichförmigen, durchgehenden Bewegung erfolgen. Wie wir gelernt haben, ist die Haftreibung großer als die Geleitreibung. Der errechnete Drehmoment einer Schraube bezieht sich immer auf die Geleitreibung.

Wir könnten hier noch viele weitere Beispiele für eine kraftschlüssige Verbindung aufzählen, doch ich denke das Prinzip sollte nun klar sein. Somit kommen wir zur dritten Art, dem…

Stoffschluss

Von einer stoffschlüssigen Verbindung spricht man wenn die zu verbindenden Bauteile auf atomarer Ebene eine Verbindung eingehen. Hierzu zählt beispielsweise das Schweißen, wo die Teile miteinander verschmolzen werden, oder auch das Löten, wo ein Zusatzwerkstoff geschmolzen wird, der wiederum die beiden Werkstücke miteinander „verklebt“. Auch eine chemische Verklebung mit Klebstoff zählt zu den stoffschlüssigen Verbindungen. 

Bei einer stoffschlüssigen Verbindung werden Bindungskräfte zwischen einzelnen Atomen ausgenutzt um eine Verbindung herzustellen.