Was rechtfertigt die höheren Anschaffungskosten?

In fast allen Fällen sind die Anschaffungskosten für diese Befestigungselemente höher als die loser Befestigungselementen von gleicher Größe und Festigkeit. Dennoch werden jedes Jahr Milliarden von mechanisch befestigten Befestigungselementen mit Gewinde in einer Vielzahl von Branchen verbraucht.

Dafür gibt es zahlreiche Gründe, aber die meisten lassen sich in eine von drei Kategorien einordnen:

1 Begrenzter oder fehlender Zugang zu einer Seite der Befestigung

2 Gefahr der Beschädigung durch lose Bauteile

3 Bleche zu dünn und/oder schwach für Gewindelöcher

1. Begrenzter oder kein Zugang

Bei losen Befestigungselementen ist der Zugang zu beiden Seiten der Verbindung erforderlich. Zuerst müssen die Befestigungselemente platziert und das Gewinde eingefädelt werden, und dann muss ein Element mit einem Schraubenschlüssel gehalten werden, während das andere Element mit einem anderen Schraubenschlüssel oder Kraftschrauber angezogen wird. Wenn eine Seite nicht zugänglich ist wie z. B. bei einem geschlossenen Tank, einer Flugzeugtragfläche oder in der Mitte eines langen Hohlrohrs, können Atlas® Blindgewindeeinsätze auch mit nur einseitigem Zugang installiert werden. Da diese Einsätze sowohl einen Ausdrück- als auch einen Ausdrehwiderstand bieten, kann das entsprechende Befestigungselement mit Gewinde (in der Regel eine Schraube) mit nur einseitigem Zugang montiert und angezogen werden.

Wenn beide Seiten der Befestigung während der Herstellung zugänglich sind, können andere mechanische Befestigungsmittel verwendet werden. Obwohl das Einpressen in duktile Metallplatten am häufigsten vorkommt, können auch Rändeln, Bördeln, Schweißen, Nieten und Reflow-Löten (SMT) zur mechanischen Befestigung verwendet werden. Die Angaben zur Einsatzmöglichkeit bestimmen die am besten geeignete Methode der mechanischen Befestigung. Weitere Informationen finden Sie in unserem „Engineering Guide to Mechanical Attachment Methods“. Alle diese Methoden erfordern einen Zugang zu beiden Seiten des Blechs für die Installation (Befestigung) des Befestigungselements. Alle diese Methoden bieten jedoch ein ausreichendes Maß an Druck und Drehmoment zum Einrasten und Anziehen der entsprechenden Schraube oder Mutter, ohne dass das befestigte Befestigungselement mit einem Schraubenschlüssel gehalten werden muss.

2. Potenzial für Beschädigungen durch lose Bauteile

Lose Befestigungselemente verursachen im montierten Zustand keine Schäden. Nur wenn sie in unmontiertem Zustand im Gerät vorhanden sind, können sie Schäden verursachen. Wie können also nicht montierte lose Befestigungselemente in einem Gerät vorkommen?

Es gibt drei Hauptursachen, die im Folgenden aufgeführt sind, aber es gibt noch viele andere Möglichkeiten, wie etwas schief gehen kann.

1. Das Befestigungselement war bei der Herstellung des Geräts nicht montiert und konnte nicht wiederhergestellt werden.
2. Das Befestigungselement wurde versehentlich fallen gelassen und konnte bei der Wartung des Geräts nicht wiedergefunden werden.
3. Das Befestigungselement wurde ordnungsgemäß zusammengebaut, hat sich aber während des Betriebs durch Vibrationen gelöst und ist auseinandergefallen.

Es gibt ein breites Spektrum an Schäden, die durch nicht montierte, lose Verschlüsse verursacht werden können. Schwere Schäden können durch ein unmontiertes loses Befestigungselement verursacht werden, das in den Ansaugkrümmer eines Verbrennungsmotors gelangt. Am anderen Ende des Schadensspektrums kann ein nicht montiertes loses Befestigungselement, das in der Unterseite einer hohlen Autotürverkleidung landet, unter bestimmten Fahrbedingungen ein Klappern verursachen, das den Kunden leicht unzufrieden macht. Da die meisten Gewindeverbindungen aus Metall bestehen und leitfähig sind, sind unmontierte lose Verbindungen, die einen Kurzschluss verursachen, in jedem Gerät mit freiliegenden elektrischen Leitern oder Leiterplatten ein Problem.

Gewindeverbindungen umfassen immer zwei Komponenten, eine mit Außengewinde und eine mit Innengewinde. Wenn nur eine der beiden Komponenten mechanisch befestigt ist, besteht immer noch die Möglichkeit, dass sich die andere Komponente auf eine der drei oben genannten Arten löst.

Bei vielen Anwendungen ist es akzeptabel, wenn nur eine Gewindekomponente mechanisch befestigt ist. Wenn z. B. im Inneren eines Geräts mechanisch befestigte Befestigungselemente verwendet werden und Abdeckungen oder andere Komponenten mit losen Bauteilen an der Außenseite des Geräts befestigt sind, kann das Risiko einer Beschädigung minimal sein. Wenn sich die losen Befestigungselemente lösen, befinden sie sich wahrscheinlich an der Außenseite des Geräts und können nicht beschädigt werden. Bei anderen Anwendungen ist jedoch jedes Potenzial für nicht montierte lose Bauteile inakzeptabel. In diesen Fällen ermöglicht eine unverlierbare Paneelverbindung, dass beide Komponenten mechanisch befestigt werden. Dadurch ist die Gefahr von unmontierten losen Bauteilen praktisch ausgeschlossen. Diese Baugruppen ermöglichen eine axiale Bewegung des Gewindeelements, das in der Regel ein Außengewinde hat. Wenn mehrere Befestigungselemente zur Befestigung eines starren Gegenstandes verwendet werden, ermöglicht diese axiale Beweglichkeit, dass die Befestigungselemente nacheinander demontiert und wieder montiert werden können.

3. Zu dünne und/oder schwache Bleche für Gewindebohrungen

In einigen Fällen ist die Gewindebohrung eine brauchbare Alternative zu einem mechanisch befestigten Befestigungselement mit Innengewinde. Damit eine Gewindebohrung sinnvoll ist, muss das betroffene Blech dick genug sein und eine ausreichend hohe Scherfestigkeit aufweisen. Idealerweise werden Gewindeverbindungen so konstruiert, dass der Ausfallmodus ein Dehnungsbruch des mit dem Außengewinde versehenen Bauteils ist. Dies ist aus zwei Gründen der bevorzugte Ausfallmodus: Er ist leicht zu erkennen und leicht zu beheben.

Handelt es sich bei dem Element mit Außengewinde um eine lose Schraube, kann ein Dehnungsbruch leicht behoben werden, indem die gebrochene Schraube durch eine neue Schraube ersetzt wird. Es gibt jedoch noch zwei weitere mögliche Ausfallmodi, die in Betracht gezogen werden müssen: das Ausreißen des Außengewindes und das Ausreißen des Innengewindes.

Die einzige Möglichkeit, ein Ausreißen des Außengewindes zu verhindern, besteht darin, für eine ausreichende Länge des Gewindeeingriffs zu sorgen. Dies ist eine Frage der Geometrie und erfordert ein Gleichgewicht zwischen der Scherfläche des Außengewindes und der Zugspannungsfläche des Außengewindes. Weitere Einzelheiten finden Sie in unserem technischen Leitfaden zur Gewindefestigkeit. Als Faustregel gilt, dass eine Eingriffslänge von etwa 0,8 d erforderlich ist, wobei d der Nenndurchmesser des Gewindes ist. Ein M4-Gewinde mit d von 4 mm erfordert zum Beispiel eine Eingriffslänge von 3,2 mm.

Auch wenn die Eingriffslänge ausreichend ist, muss das Abstreifen des Innengewindes berücksichtigt werden. Bei einer bestimmten Eingriffslänge ist das Abstreifen des Innengewindes eine Funktion der Scherfestigkeit des Blechmaterials.

Bei den meisten Gewindegrößen muss bei einer Eingriffslänge von 0,8 d die Scherfestigkeit des Blechmaterials etwa 70 % der Scherfestigkeit des Schraubenmaterials betragen. Wenn wir für den Blechwerkstoff und den Schraubenwerkstoff das gleiche Verhältnis von Scher- zu Zugfestigkeit annehmen, können die 70 % auf die übliche Zugfestigkeit angewendet werden. Für Schrauben aus nicht wärmebehandeltem Stahl im Zugfestigkeitsbereich von 500 MPa/74 ksi sind viele gängige Blechwerkstoffe im Bereich von 350 MPa/52 ksi stark genug. Aber für wärmebehandelte Stahlschrauben im Bereich von 800 MPa/120 ksi haben weit weniger Plattenwerkstoffe die 560 MPa/84 ksi Zugfestigkeit, die für Gewindebohrer erforderlich ist, um rentabel zu sein.

Historisch gesehen wird die Mehrzahl der mechanisch befestigten Befestigungselemente in dünnen Blechen verwendet. In jüngster Zeit gibt es in der Transportindustrie einen Trend zur Verwendung noch dünnerer Bleche mit höherer Festigkeit, um Gewicht zu sparen. Aber wie oben erläutert, ist selbst bei einer sehr hohen Festigkeit, die ein Ausreißen des Innengewindes verhindert, für eine ordnungsgemäß ausgelegte Verbindung mit einer Gewindebohrung immer noch eine Dicke im Bereich von 0,8 d erforderlich.

Es sollte auch beachtet werden, dass selbst wenn das Blech dick und fest genug ist, um eine ordnungsgemäß ausgeführte Gewindebohrung aufzunehmen, dies nicht unbedingt die kostengünstigste Lösung ist. Das Gewindeschneiden ist in der Regel ein kostspieliger Vorgang und kann es erforderlich machen, dass das Bauteil zu einem anderen Gerät gefräst werden muss. Andererseits werden die meisten mechanisch befestigten Befestigungselemente mit Innengewinde bei hohen Produktionsraten automatisch mit einem Gewinde versehen und können bei hohen Produktionsraten automatisch installiert werden. Aus diesen Gründen können die Installationskosten für ein mechanisch befestigtes Befestigungselement in einem einfachen gestanzten Loch geringer sein als die Kosten für ein Gewindeloch.

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