Verbindungstechnik

Verbindung zwischen Schiene und Schwelle:
Formschluss quer zur Schiene und Kraft­schluss in Richtung der Schiene (rutscht bei Temperatur­dehnungen), Kraft­schluss unter den Schrauben­köpfen und der Mutter (durch Federringe verbessert)

Die Verbindungstechnik umfasst alle Methoden des i. d. R. festen Zusammenfügens von Maschinen, Apparaten, Geräten und Anlagen aus ihren Einzelteilen oder Baugruppen (Baugruppen sind selbst aus Einzelteilen zusammengefügt). Hingegen sind Gelenke in vorgegebener Art und Weise beweglich bleibende Verbindungen zwischen zwei starren Körpern.

Der Vorgang des Verbindens wird als Fügen bezeichnet und ist Teil der Fertigungstechnik. Als Montage werden alle Vorgänge des Zusammenbaus bezeichnet, ohne im Detail auf die Art und Weise des Fügems einzugehen. Im Bauwesen wird von Befestigungstechnik anstatt von Verbindungstechnik gesprochen.

Die Verbindungen können lösbar sein, wenn sie ohne Beschädigung der Bauteile wieder gelöst werden können (zum Beispiel Schraubverbindung oder Klettverschluss), oder nicht lösbar, wenn die Bauteile zerstört werden müssen (zum Beispiel Schweißverbindung), oder bedingt lösbar, wenn nur die Hilfsfügeteile zerstört werden müssen, aber nicht die Bauteile (Lösen eines Klebstoffs; Abschlagen der Niete einer Nietverbindungen). Viele in der Verbindungstechnik gebrauchte Bauteile wie Niete oder Schrauben gehören zu den einfachen und in großen Stückzahlen gebrauchten Maschinenelementen.

Die Einteilung nach physikalischen Wirkprinzipien lautet: formschlüssiges, kraftschlüssiges und stoffschlüssiges Verbinden.

Formschluss

Prinzip von Form- und Kraftschluss. Der obere Kubus lässt sich nur um ein weniges verschieben, da er in eine Aussparung eingepasst ist. Der untere Kubus wird durch eine Auflast auf die Unterlage gepresst und kann daher nur verschoben werden, wenn die hierzu aufgewendete Kraft die Haftreibung des Materials auf der Unterlage übersteigt.

Formschlüssige Verbindungen entstehen durch das Ineinandergreifen von mindestens zwei Verbindungspartnern. Dadurch können sich die Verbindungspartner auch ohne oder bei unterbrochener Kraftübertragung nicht lösen. Anders ausgedrückt ist bei einer formschlüssigen Verbindung der eine Verbindungspartner dem anderen im Weg. Bei Betriebsbelastung wirken Druckkräfte normal, das heißt rechtwinklig zu den Flächen der Verbindungspartner. Solche „Sperrungen“ kommen in mindestens einer Richtung vor. Ist ein zweites homogenes Flächenpaar gegenüber angeordnet, ist auch die Gegenrichtung gesperrt (siehe Abbildung, Prinzip-Darstellung und Spundung). Besteht das Paar aus zwei zueinander koaxialen Zylinderflächen, so besteht Formschluss in allen Richtungen der zur Zylinderachse senkrechten Ebene. Beispiel ist der in ein Loch gesteckte Stift, der wieder herausnehmbar ist. Das Loch ist vorteilhaft ein Sackloch, damit der Stift nicht durchfallen kann. Dabei kommt ein einseitiger Formschluss in Axialrichtung hinzu. Stiftartige Verbindungselemente sind auch Niete und Schrauben, wobei Schraubenverbindungen in der Regel sowohl form- als auch kraftschlüssig sind.

Primär sind nur zwei Bauteile formschlüssig miteinander zu verbinden, was aber oft mit Hilfe eines dritten Teils – des speziellen Verbindungselements – verwirklicht wird. Beispiel ist die Verbindung zweier sich überlappender Blechränder mittels Niete oder Schrauben. Der Formschluss ist außer in der Blechebene auch senkrecht dazu herzustellen. Die Bleche sollen aufeinander gehalten werden, und die Verbindungselemente sollen nicht herausfallen. Zu diesem Zweck haben die Niete beiderseits Köpfe. Die Schraube hat ihren Kopf, und gegenüber befindet sich die Mutter (falls die Schraube nicht ins Blech geschraubt ist).

Nietverbindungen einer alten Bahnbrücke

Bei dünnen Blechen oder großen Kräften zwischen den Blechen in Richtung ihrer Ebenen besteht die Gefahr plastischer Verformung oder Zerstörung an den Lochrändern der Bleche (Lochleibung) und der Scherung in den Stiften. Blechverbindungen werden in der Regel zusätzlich mit Kraftschluss versehen oder sogar ausschließlich so ausgelegt, dass der Kraftschluss allein der Beanspruchung widersteht. Die Niete und Schrauben werden axial elastisch gedehnt, was durch Schrumpfen nach dem Warmnieten beziehungsweise durch festes Anziehen der Schrauben geschieht.

Weitere Beispiele:
lösbar:

• Nut-Feder-Verbindung
• Passfeder
• Reißverschluss
• Klettverschluss
• Schwalbenschwanzverbindung
• Verbindungsbeschlag
• Zahnkupplung
• Ineinandergreifende Verzahnungen, z. B. Zahnrad und Zahnstange

nicht lösbar:

• Durchsetzfügen
• Heißverstemmen

Kraftschluss (Reibschluss)

Kraftschlüssige Verbindungen setzen eine Normal-Kraft auf die miteinander zu verbindenden Flächen voraus. Ihre gegenseitige Verschiebung ist verhindert, solange die durch die Haftreibung bewirkte Gegen-Kraft nicht überschritten wird. Der Kraft- beziehungsweise Reibschluss ist verloren und die Flächen rutschen aufeinander, wenn die tangential wirkende Last-Kraft größer als die Haftreibungs-Kraft ist, so zum Beispiel zwischen Rad und Schiene oder Straßenbelag bei Fahrzeugen mit eigenem Antrieb. In der Reibungskupplung eines Autos wird der Kraftschluss unterbrochen, wenn sie getreten wird. Wird sie nur teilweise gegen die die Normal-Kraft bewirkende eingebaute Feder getreten, schleift sie.

Kreuzknoten

$F_{\text{Last}}\leq F_{\text{Haft}}=\mu \cdot F_{\text{N}}$

$F_{\text{Last}}$ = tangentiale Last-Kraft (blau)     $F_{\text{Haft}}$ = tangentiale Haftreib-Kraft (rot)
$\mu$ = Haftreibungs-Koeffizient     $F_{\text{N}}$ = Normal-Kraft (grün)

Kraftschluss ist die Ursache für die Selbsthemmung von belasteten Keilen oder Schrauben. Die Haftreibung zwischen den Wirkflächen verhindert, dass der Keil herausrutscht oder sich die Schraube zu drehen beginnt. Schrauben werden deshalb fest angezogen, auch wenn ihre Vorspannung nicht zur Erzeugung eines Kraftschlusses zwischen den von ihnen verbundenen Teilen (zum Beispiel in einer Blechverbindung, siehe oben) benötigt wird. Damit sind fest angezogene Schraubverbindungen auch kraftschlüssige Verbindungen.

Das Klemmen ist ebenfalls ein Kraftschluss: Etwas zwischen Daumen und Zeigefinger oder mit einer Federklemme halten.

Zwei miteinander verknotete Seile übertragen eine Zugkraft nur über Kraftschluss, wenn man vernachlässigt, dass die Seile eine Reststeifigkeit gegen Verbiegen haben, also Formschluss in geringem Maße ebenfalls beteiligt ist.

Stoffschluss

Elektrisch geschweißte Naht (links) und nach der Bearbeitung mit Schlackenhammer und Drahtbürste (rechts)

Stoffschlüssige Verbindungen werden alle Verbindungen genannt, bei denen die Verbindungspartner durch atomare oder molekulare Kräfte zusammengehalten werden. Sie sind gleichzeitig nicht lösbare Verbindungen, die sich nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel trennen lassen:

• Löten
• Schweißen
• Kleben
• Vulkanisieren

Literatur

• Gottfried W. Ehrenstein: Handbuch Kunststoff-Verbindungstechnik. 1. Auflage, Hanser Verlag, München 2004, ISBN 978-3-446-22668-5.
• Manfred Neitzel, Peter Mitschang, Ulf Breuer (Hrsg.): Handbuch Verbundwerkstoffe. Werkstoffe, Verarbeitung, Anwendung, 2. aktualisierte und erweiterte Auflage, Hanser Verlag, München 2014, ISBN 978-3-446-43696-1.

Weblinks

Commons: Verbindungselemente – Sammlung von Bildern, Videos und Audiodateien

• DVS-Studie:Verbindungstechnik für Leichtbau und erneuerbare Energien (abgerufen am 15. Oktober 2015)