Ermittlung der Gewindeposition selbstklemmender Befestigungselemente

Oft übersieht man, dass sich selbstklemmende Befestigungselemente nicht automatisch in ihrer zugehörigen Montagebohrung zentrieren. Dies ist so, weil die Installationskräfte sehr groß sind im Vergleich zu der Kraft, die von dem in die Unterschneidung des Befestigungselementes fließenden Metall erzeugt wird.

23. August 2013

Hinzu kommt, dass die Reibung zwischen den Flächen des Pressstößels, des Ambosses, des Blechs und des Befestigungselementes verhindert, dass das Befestigungselement seitlich rutschen kann, wie es für eine Selbst-Zentrierung im Loch erforderlich wäre.

Für eine gründliche Analyse der Toleranz zwischen den Gewinde-Mittelpunkten von zwei installierten selbstklemmenden Befestigungselementen muss man daher fünf Faktoren beachten:

1. Durchmesser-Toleranz des Montagelochs

2. Schaftdurchmesser-Toleranz des Befestigungselementes

3. Konzentrizität zwischen dem Schaft des Befestigungselementes und dem Gewinde-Wirkdurchmesser

4. Rechtwinkligkeit des Befestigungselementes gegenüber dem Blech (betrifft nur lange Schäfte und Abstandshalter)

5. Loch-zu-Loch Toleranz für die Montagebohrungen im Blech

Von diesen fünf Faktoren hat Pennengineering über die Punkte 1, 2 und 3 die volle Kontrolle und über Punkt 4 nur zum Teil die Kontrolle. Im Folgenden werden diese vier Punkte für drei grundlegende Typen selbstklemmender Befestigungselemente erläutert und quantifiziert – für Muttern, Abstandshalter und Bolzen. Punkt 5 wird im Folgenden nicht quantifiziert, da Pennengineering auf ihn keinen Einfluss hat; dieser Faktor muss in der Analyse aber berücksichtigt werden.

Bei den einfachen, runden selbstklemmenden Muttern der PEM-Typen S, SS, CLS, CLSS, CLA, SMPS, SL, und SP sollte man von einer Schaftdurchmesser-Toleranz des Befestigungselementes von 0,005" ausgehen. Die maximalen Schaftdurchmesser für alle diese Bauteile sind im Informationsblatt CL des PEM-Katalogs als Dimension "C" zu sehen.

Wie zu sehen ist, gibt es eine nominelle Maßdifferenz von 0,001" zwischen dem maximalen Schaftdurchmesser und den im Katalog aufgeführten minimalen Montagebohrungs-Durchmessern. Kombiniert man diesen Abstand von 0,001" mit der 0,003" Durchmesser-Toleranz der Montagebohrung und der 0,005" Schaftdurchmesser-Toleranz, dann ergibt sich im ungünstigsten Fall eine Durchmesser-Differenz von 0,009" zwischen der maximal großen Montagebohrung und dem minimalen Schaftdurchmesser. Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt des Schaftes um bis zu 0,0045" vom Mittelpunkt der Montagebohrung entfernt sein könnte.

Für diese Muttern können wir die Konzentrizität zwischen dem Außendurchmesser des Schafts und dem Gewinde-Wirkdurchmesser unter einem maximalen Anzeigewert von 0,005" oder einer maximalen Exzentrizität von 0,0025" halten. Addiert man diese Exzentrizität zusammen mit der oben beschriebenen Differenz der Montagebohrungs-Durchmesser, so ergibt sich im ungünstigsten Fall ein Positionsfehler von 0,007" vom echten Mittelpunkt der Montagebohrung bis zum Mittelpunkt des Gewinde-Wirkdurchmessers.

Für die PEM-Typen H und HNL gilt alles oben Gesagte mit Ausnahme der Montagebohrungs-Toleranz, die mit einem Wert von +0,005" größer ist. Dadurch ergibt sich ein Worst-Case Fehler von 0,008".

Für die selbstklemmenden Abstandshalter der Typen PEM SO, SOS, SOA, BSO, BSOS, BSOA, TSO, TSOS, TSOA, DSO, DSOS, BSO4 und SO4 zeigt das Informationsblatt SO im PEM-Katalog eine Hülsendurchmesser- (Maßangabe C) Toleranz von 0,005". Wie zu sehen ist, gibt es eine nominelle Maßdifferenz von 0,001" zwischen dem maximalen Hülsendurchmesser und dem Abstand von 0,001" zum 0,003" Toleranzwert der Montagebohrung; damit ergibt sich mit dem 0,005" Hülsendurchmesser -Toleranzwert im ungünstigsten Fall eine Durchmesser-Differenz von 0,009" zwischen der maximal großen Montagebohrung und dem minimalen Hülsendurchmesser. Wie im obigen Fall bedeutet dies, dass der Mittelpunkt der Hülse um bis zu 0,0045" vom Mittelpunkt der Montagebohrung entfernt sein könnte.

Die Gewinde-Konzentrizität lässt sich für die selbstklemmenden Abstandshalter der Typen PEM SO, SOS, SOA, BSO, BSOS, BSOA, TSO, TSOS, TSOA, DSO, DSOS, BSO4 und SO4 bei weniger als 0,005" absolut halten. Addiert man diese Exzentrizität zusammen mit der oben beschriebenen Differenz der Montagebohrungs-Durchmesser, so ergibt sich ein Worst-Case Positionsfehler von 0,007" vom echten Mittelpunkt der Montagebohrung bis zum Mittelpunkt des Gewinde-Wirkdurchmessers beim installierten Abstandshalter.

Bei langen Abstandshaltern kann die Rechtwinkligkeit zwischen der Abstandshalter-Hülse und dem Blech ebenfalls Einfluss auf die Position haben. Nach unseren Erfahrungen und unter Berücksichtigung aller Faktoren wird der hypothetische Zylinder des Wirkdurchmessers in der Regel innerhalb eines Toleranzbereichs von 2° rechtwinklig zum Blech stehen, in das der Abstandshalter installiert wird. Zwei Grad sind dabei schon ein ziemlich extremer und seltener Fall, und typische Installationen dürften mit weniger als 0,5° Abweichung von der Rechtwinkligkeit wesentlich besser sein.

Für selbstklemmende Bolzen der Typen PEM FH, FHS, FHA, FH4, FHP, FHL, FHLS, TFH, TFHS, HFE, HFH, HFHS, HFHB, HFG8 und HF109 werden im Informationsblatt FH des PEM-Katalogs keine Schaft-Durchmesser angegeben. In Bezug auf mögliche Positionsfehler verhalten sich Bolzen etwas besser als die oben besprochenen Muttern und Abstandshalter, da sich der Gewindeabschnitt des Bolzens nutzen lässt, um diesen in die Montagebohrung zu lenken.

Aus diesem Grund kann Pennengineering einen Schaftabschnitt mit größerem Durchmesser herstellen, der je nach Toleranz zu einer Überschneidung mit der Montagebohrung führt. Der Mindest-Durchmesser im Klemmbereich eines Bolzens ist nur 0,001" kleiner als der Montagebohrungs-Mindestdurchmesser. Bei einer Montagebohrungs-Toleranz von 0,003" beträgt die maximale Durchmesser-Differenz daher nur 0,004". Dies bedeutet, dass der Mittelpunkt des Bolzenkopfs höchstens 0,002" vom Mittelpunkt der Montagebohrung entfernt sein kann.

Da ein Teil der Klemmfunktion zur gleichen Zeit hergestellt wird, zu der auch die Gewinde an den Bolzen geschnitten werden, ist es möglich, diese beiden Elemente innerhalb von 0,004" absolut zueinander konzentrisch anzuordnen. Addiert man diese Exzentrizität zur oben beschriebenen Durchmesser-Differenz der Montagebohrung, so gibt sich insgesamt im ungünstigsten Fall ein Positionsfehler von 0,004" von der echten Mitte der Montagebohrung zum Mittelpunkt des Gewinde-Wirkdurchmessers beim installierten Bolzen. Ähnlich wie bei Abstandshaltern sollte man bei langen Bolzen auch auf Rechtwinkligkeit achten.

Nach der Erfahrung von Pennengineering wird der Gewindeabschnitt der Bolzen in der Regel innerhalb eines Toleranzbereichs von 2° rechtwinklig zum Blech stehen, in das der Bolzen installiert wird. Wie bereits bei den Abstandshaltern erwähnt, sind zwei Grad dabei schon ein ziemlich extremer und seltener Fall, und typische Installationen dürften mit weniger als 0,5° Abweichung von der Rechtwinkligkeit wesentlich besser sein.

Die oben aufgeführten Erläuterungen decken umfassend alle Faktoren ab, die man für die Ermittlung eines Worst-Case Positionsfehlers von der echten Mitte der Montagebohrung bis zur Mitte des Gewinde-Wirkdurchmessers für die verschiedenen Arten eingesetzter selbstklemmender Befestigungselemente berücksichtigen muss. Die daraus folgenden Werte für UST- und metrische Gewinde sind in den nachfolgenden Tabellen aufgeführt.

Der einzige Faktor, der für eine umfassende Analyse installierter Befestigungselemente zusätzlich berücksichtigt werden muss, ist die Loch-zu-Loch Toleranz für die Montagebohrungen im Blech. Da es sich hier um einen Faktor handelt, der nicht unter unserer Kontrolle steht, muss der Anwender diesen Punkt bei Bedarf selbst berücksichtigen.

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