Selbstklemmende Befestigungselemente

Die Tragfähigkeit eines Einpressbefestigers lässt sich anhand zweier verschiedener Kriterien beschreiben: Das erste Kriterium betrifft das Selbstklemmverhalten. Dieses umfasst verschiedene Bewertungskriterien für die Festigkeit der Verbindung zwischen dem Befestigungselement und dem tragenden Blech. Das zweite Kriterium betrifft das Befestigungsverhalten und bezieht sich auf eine Reihe von Bewertungskriterien der Last-Tragfähigkeit des Befestigungselementes.

12. Juli 2013
Verlauf der Ausdrückkraft (1 lb. ~ 4,45 N
Bild 1: Selbstklemmende Befestigungselemente (Verlauf der Ausdrückkraft (1 lb. ~ 4,45 N)

Thema des vorliegenden Beitrages ist das Selbstklemmverhalten. Obwohl es hier hauptsächlich um den Selbstklemmprozess geht, sind die Grundprinzipien auch anwendbar auf andere Möglichkeiten der Fixierung von Befestigungselementen wie Räumen, Oberflächenmontage und Widerstandsschweißen anwendbar.

Selbstklemmverhalten

Das Selbstklemmverhalten umfasst drei zentrale Bewertungskriterien für die mechanische Festigkeit: Ausdrückkraft, Verdrehwiderstand (Torsionswiderstand) und Querbelastung.

Faktoren, die das Selbstklemmverhalten beeinflussen

Eine Reihe von Faktoren (siehe unten) beeinflussen das Selbstklemmverhalten und ihre Werte müssen korrekt gewählt sein, um ein optimales Klemmverhalten zu erzielen. Liegt irgendeiner dieser Faktoren nicht innerhalb des erforderlichen Bereiches, so kann sich dies nachteilig auf das Klemmverhalten auswirken.

1. Die Blechhärte darf den vorgeschriebenen Maximalwert nicht überschreiten.

2. Löcher im Blech müssen richtig dimensioniert und weit genug von Kanten und Biegungen entfernt sein.

3. Das Blech muss die Anforderungen des spezifischen Befestigungselementes and die Mindestdicke erfüllen.

4. Das Blechmaterial muss eine ausreichende Duktilität (Zähigkeit) besitzen.

5. Das Befestigungselement muss korrekt installiert werden (vorgegenbene Einpresskraft, stetiger Einpressvorgang, keine Hammerschläge) sowie komplett und ohne Überpressen eingesetzt werden.

6. Der Klemmbereich des Einpressbefestigers (Verdrängungselemente, Hinterschnitt) muss richtig dimensioniert sein.

7. Die Härte des Befestigungselementes muss größer als die spezifizierte Mindest-Härte sein.

8. Das Befestigungselement darf nicht durch Reinigung mit Säuren oder galvanische Oberflächenbehandlungen verspröden (Wasserstoffversprödung).

Mit Kenntnis der zahlreichen, damit verbundenen Faktoren kann man verstehen, dass die Anforderungen (ob wissentlich oder unwissentlich) in bestimmten Fällen nicht erfüllt werden können. In solchen Fällen können Tests erforderlich werden, um zu ermitteln, ob das Betriebsverhalten beeinträchtigt wurde.

Kriterien für das Klemmverhalten

Wie oben ausgeführt, sind die wichtigsten Kriterien des Selbstklemmverhaltens Ausdrückkraft, Verdrehwiderstand und Querbelastung. Im Folgenden werden diese Parameter genauer erläutert.

Die Ausdrückkraft ist ein Maß für die axiale Haltekraft der Klemmfunktion. Das Ausdrückverhalten betrifft alle selbstklemmenden Befestigungselemente, mit und ohne Gewinde. Die folgenden Fakten Bedingungen sind wichtig für das Ausdrückverhalten:

• Definitionsgemäß wirkt die angewendete Kraft in entgegengesetzter Richtung zur Montagekraft (Einpresskraft).

• Das Blech wird mit einer Buchse abgestützt, deren spezifizierter Innendurchmesser um 1,6mm größer ist als der größte Durchmesser, bzw. das größte Eckenmaß des Befestigungselementes.

• Angaben für Kraft sind bei Teilen mit UST-Gewinde in lbs., bei Bauteilen mit metrischem Gewinde in N oder kN spezifiziert.

• Die Pem-Katalogdaten zeigen typischerweise Werte für Stahl- und für Aluminium-Bleche.

Während des Installationsvorgangs wird eine Verdrängergeometrie (Kopfstege oder Rändel) am Befestigungselement in das Blech eingepresst. Dabei wird das verdrängte Material in einem Kaltfließ-Vorgang in die Hinterschneidungen des Befestigungselementes gedrückt, was eine dauerhafte Befestigung im Blech bewirkt. Um das Befestigungselement dann wieder aus dem Blech herauszudrücken, so muss man die Haltekräfte des eingedrückten Rändels und die des verdrängten Blechmaterials in der Hinterschneidung überwinden.

In der Regel wird das Material in der Hinterschneidung auf eine von zwei Arten versagen. In weichem Aluminium wird das Blechmaterial reißen, so dass ein ringförmiger Rest des Blechmaterials in der Hinterschneidung des ausgedrückten Befestigungselementes verbleibt. Bei kaltgewalztem Stahl wird das Blechmaterial zur Seite gebogen, so dass sich kein Blechmaterial mehr im Hinterschnitt des ausgedrückten Befestigungselementes befindet. Es gibt eine dritte Versagensart, die jedoch seltener auftritt: Der Schaft des Befestigungselementes kann brechen, so dass das verdrängte Blechmaterial prinzipiell unbeschädigt bleibt. Dieses Fehlerbild tritt nur bei Einpressmuttern und in der Regel nur in Verbindung mit Blechen mit höheren Härtewerten auf.

In einer korrekten selbstklemmenden Installation wird die Hinterschneidung komplett, also fast vollständig, mit dem Blechmaterial gefüllt, so dass dies mit der rückseitigen Abschrägung des Schaftes in Kontakt kommt. In diesem Fall addieren sich die Kraft zum Ausdrücken des Verdrängerelements mit der Kraft, die zum Entfernen des Blechmaterials aus dem Hinterschnitt benötigt wird zur maximalen Ausdrückkraft.

Kurve A in Abb. 1 zeigt den Verlauf der Kraft als Funktion des Wegs für diese Situation. Bei unzureichendem Härteunterschied zwischen Befestigungselement und Blech kann sich das Verdrängungselement deformieren, so dass die Hinterschneidung nicht komplett gefüllt wird. In diesem Fall erreicht die Kraft zum Entfernen des Blechmaterials aus der Hinterschneidung ihren Spitzenwert erst, nachdem die Kraft zum Austreiben des eingebetteten Verdrängerelements ihren Maximalwert erreicht hat.

Kurve B in Abb. 1 zeigt den Verlauf der Kraft als Funktion des Wegs für diesen Fall. Beachten Sie den unterschiedlichen Kurvenverlauf, sowie den Kraftabfall nach der ersten Spitze. Die bei einem Ausdrücktest erzeugten Kraft-Weg-Kurven sind ein nützliches Diagnosewerkzeug für die Untersuchung des Selbstklemmverhaltens von Einpressbefestigern.

Abb. 2 zeigt einen typischen Testaufbau für einen Ausdrücktest einer Einpressmutter; Abb. 3 zeigt den Aufbau für einen Einpressbolzen.

Der Verdrehwiderstand (Torsionswiderstand) ist ein Maß für die Haltekraft der Selbstklemmung gegen Verdrehen. Der Torsionswiderstand ist eher anwendbar für Einpressverbinder mit Gewinde als für solche ohne Gewinde, lässt sich aber auch auf gewindelose Befestigungselemente mit nicht-rundem Verdrängungselement anwenden. In Bezug auf das Ausdrehen ist Folgendes zu beachten:

• Definitionsgemäß ist die eingebrachte Last ein reines Drehmoment, welches keine axiale Last zwischen Befestigungselement und Blech verursachen darf.

• Aus praktischen Gründen wird das Drehmoment in der Regel in der Festzieh-Drehrichtung der Schraubverbindungen eingebracht, kann aber grundsätzlich in beliebiger Richtung angewandt werden.

• Das Blechteil wird mit geeigneten Mitteln gegen Verdrehen gesichert, zum Beispiel durch Fixierung in einem Schraubstock.

• Drehmoment-Angaben sind für Teile mit UST-Gewinde in in-lb., bei Bauteilen mit metrischem Gewinde in Nm spezifiziert.

• Die Pem-Katalogdaten zeigen typischerweise Werte für Stahl- und für Aluminium-Bleche.

Während des Installationsvorgangs wird eine Verdrängergeometrie am Befestigungselement in das Blech eingedrückt. Bei Befestigungselementen mit Gewinde besitzt das Verdrängerelement immer eine nicht-runde Form, die einen Drehwiderstand bietet.

Bei einem Ausdrehtest sind vor allem zwei Fehlerbilder zu beobachten. Beim ersten Fehlerbild reißt das Verdrängerelement das Blechmaterial beiseite und verdreht sich im Blech ohne oder mit nur geringer axialer Bewegung. Dieses Bild ist typisch für weiche Aluminiumbleche.

Das zweite Fehlerbild (“Cam-Out”) tritt auf, wenn angewinkelte Abschnitte des Verdrängerelementes eine axiale Kraft in Auspressrichtung erzeugen, sodass sich das Befestigungselement im Blech in axialer Richtung bewegt. Meist reißt das Blechmaterial dabei nicht, sondern verbiegt sich oder weicht dem Pfad des sich drehenden Verdrängerelements auf andere Weise aus.

Womöglich verformt sich das Verdrängerelement sogar selbst. Das deutlichste Beispiel für dieses Verhalten ist ein ausscheidungsgehärtetes Befestigungselement in einem rostfreiem Stahlblech der Serie 300. Reine “Cam-out”-Defekte sind bei vielen gängigen Blech-Befestigungerkombinationen eher selten; hier treten zumeist Versagensursachen auf, die aus einer Kombination der beiden Fehlerbilder bestehen, also mit axialer Verschiebung und einem Ausreißen des Blechmaterials.

Ein typischer Testaufbau für die Messung des Verdrehwiderstands ist in Abb. 4 für eine Einpressmutter und in Abb. 5 für einen Einpressbolzen zu sehen. Hier wird das Drehmoment in beiden Fällen über eine Komponente mit Außengewinde (Schraube) eingebracht. Bei Einpressverbinder mit Außengewinde wird die Verdrehfestigkeit vom Produkt selbst bestimmt und kann damit der begrenzende Faktor für den Verdrehwiderstand sein. Dies gilt vor allem für kleinere Gewindedurchmesser.

Bei Produkten mit Innengewinde wird der Verdrehwiderstand durch die Festigkeit der verwendeten Testschrauben begrenzt. Um den Einfluß der Schraubenfestigkeit zu minimieren, verwendet PennEngineering Testschrauben mit einer Festigkeit von 180ksi für UST Gewinde, bzw. Festigkeitsklasse 12.9 für metrische Gewinde.

Selbst diese hochfesten Schrauben versagen in der Regel bei überdimensionierten Gehäuse-Abstandshaltern wie etwa bei Gewindecode 6440 oder 3.5M3. Bitte beachten Sie, dass Penn-Engineering bei diesen Abstandshaltern prinzipiell den Verdrehwiderstand auf der Basis des eigentlichen Einpressbefestigers und nicht auf der Basis der Testschraube veröffentlicht.

Die Querbelastung ist ein Maß für die Kraft, die bei Einbringung auf das Befestigungselement parallel zum Trägerblech dazu führt, dass der Einpressverbinder versagt oder ein Nachgeben des Blechs oder des Befestigungselementes verursacht. In dünnerem Material kann das Blech nachgeben, während bei dickerem Blech die Klemmfunktion entweder durch ein Herauspressen auf der Druckseite der Biegung oder ein Durchziehen auf der Zugseite der Biegung versagt.

Zur Abschätzung der maximal zulässigen Querlasten für andere Abstände muss man zunächst das Biegemoment aus den veröffentlichten Last-/ und Abstandssangaben berechnen und dieses dann durch den gewünschten Abstand teilen. Abb. 6 zeigt einen typischen Testaufbau für die Ermittlung der Querbelastug für einen Pem-Keyhole-Abstandshalter.

Gewindepassung

Die Überprüfung der Gewindepassung ist kein Test der mechanischen Eigenschaften, wie die Ausdrückkraft oder der Verdrehwiderstand; sie kann aber aufdecken, ob Installationsvorschriften korrekt befolgt wurden.

Oft verwendet man eine Maßüberprüfung der Gewindepassung, um festzustellen, ob das Gewinde während des Installationsvorgangs beschädigt wurde. Die Gewinde bei Einpressbolzen und Einpressabstandshalter bleiben bei der Installation unversehrt, solange es keine Probleme bei den bezüglich der Abstandsmaße in den Einpresswerkzeugen gibt.

Bei Einpressmuttern allerdings gibt es zwei Möglichkeiten für die Beschädigung eines Gewindes während der Installation. Zum einen kann der Kopf bei übermäßigen Installationskräften nachgeben, sodass sich die Gewindesteigung ändert. In diesem Fall kann das Befestigungselement die Gut-Seite der Gewindeprüflehre nicht mehr aufnehmen. Ein zweites Szenario, das ebenfalls zu einem beschädigten Gewinde führt, tritt viel seltener auf. Hier kann das in die Hinterschneidung fließende Blechmaterial in seltenen Fällen eine übermäßig große radiale Kompression des Mutterngewindes im Hinterschnitt bewirken.

Hinweise zu den Leistungswerten bei selbstklemmenden Befestigungselementen

Die Ausdrückkraft muss hoch genug sein, um allen Kräften zu widerstehen, die durch das Einsetzen des passenden Gewinde-Gegenstücks eingebracht werden. Bei manueller Montage nimmt man oft eine maximale Kraft von F=450N (45 kg) an. Bei automatischer Montage können die Kräfte höher sein, die maximale Kraft dürfte aber meist auf ähnliche Werte begrenzt sein. Alle selbstklemmenden Befestigungselemente mit Ausnahme der kleinsten Gewindemaße können einer Ausdrückkraft von F=450N (45 kg) widerstehen.

Der Verdrehwiderstand muss höher sein als das höchste Drehmoment, welches das Befestigungselement im normalen Gebrauch aufnehmen muss. Fälschlicherweise nimmt man oft an, dass das durch das zugehörige Gegenbauteil eingebrachte Festzieh-Drehmoments zu 100 % auf den Einpressbefestiger einwirkt. Dies ist jedoch nicht der Fall. Eine Gewindeverbindung hat bestenfalls einen Wirkungsgrad von 15 %, was bedeutet, dass mindestens 85 % des Festzieh-Drehmoments durch Reibung verbraucht wird. Diese Reibung verteilt sich nahezu gleichmäßig auf die ineinandergreifenden Gewindegänge sowie die Kontaktfläche des drehenden Bauteils.

Im Falle eines Einpressbolzens ist die Kontaktfläche des drehenden Bauteils ist die belastete Stirnseite der Mutter bzw. im Falle einer Einpressmutter die Unterseite des Schraubenkopfs. Unter der Annahme, dass ca. 40 % des Gesamtdrehmoments durch Reibung an der Kontaktfläche zum drehenden Bauteil verbraucht werden, muss der Einpressbefestiger bei normaler Montage niemals mehr als 60 % des eingebrachten Festzieh-Drehmoments aufnehmen.

Bei der Montage nimmt die Klemmkraft normalerweise proportional zum eingebrachten Drehmoment zu, was die Verdrehtfestigkeit des Befestigungselementes im Blech verbessert. Diese beiden Faktoren (60 % Drehmoment sowie höherer Verdrehwiderstand bei vorhandener Klemmkraft) führen zu der Faustregel, dass das Festzieh-Drehmoment bei normaler Montage maximal doppelt so hoch sein darf als der Verdrehwiderstand des selbstklemmenden Befestigungselementes. Eine wichtige Ausnahme zu dieser Regel gibt es jedoch: Kommt es zu einem Verkanten der beiden Gewindekomponents (was selten vorkommt), so kann der Einpressbefestiger zu 100 % dem spezifizierten Festzieh-Drehmoments ausgesetzt sein.

Die Querbelastung bei Einpressbefestigern ist nur bei Abstandshaltern relevant. Die Festigkeit gegenüber Querbelastung ist so zu wählen, daß sie in jeden Fall größer ist als die maximal einwirkende Querkraft. Die Abschätzung der einwirkenden Querlast erweist sich in der Praxis aber oft als schwierig. Die Erfahrung hat gezeigt, dass Querlastanforderungen üblicherweise von den Vibrations-Testanforderungen abgeleitet werden können.

Penn-Engineering kann Entwickler in solchen Fällen durch eine Abschätzung der von den den Abstandshaltern getragenen Gesamtmasse sowie den Vibrationsanforderungen (Beschleunigungswerte) unterstützen. Für den Fall, dass für den definierten Abstandshalter keine Daten bezüglich zulässiger Querbelastung vorliegen, so kann man diese in der Regel aufgrund der verfügbaren Daten ähnlicher Teile unter Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse abschätzen.