Diskussion:Nietverbindungen
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Viaduktträger HHA Abb.1.1. |
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Allgemeines
Einführung und Umgang mit diesem Artikel
Dieser Artikel entsteht im Zusammenhang der Techniker-Ausbildung an der BBS-Winsen
Im Download-Bereich befindet sich eine Offline-Version des Artikels, der es ermöglicht, diesen Artikel bequem als PDF-Datei auf einem Personalcomputer (PC/MAC) oder ggf. PDA zu betrachten, ohne dass Onlinekosten anfallen.
An dem oben aufgeführten Inhaltsverzeichnis kann man bereits einen kleinen Überblick über diesen Artikel gewinnen. Zwischendurch besteht die Möglichkeit, das Gelesene in kleinen Wissenstandsabfragen zu überprüfen, dies erfolgt in den orangefarbenen Kästchen. Die Kontrolle erhält man durch Anklicken auf den Link (Lösung).
Durch das Anklicken auf den Link in den grauen Balken kommt man schnell zurück zum Inhaltsverzeichnis, um sich schneller wieder einen Überblick zu verschaffen. Zur Vertiefung in das Thema Nietverbindungen erhält man am Ende des Artikel Quellenangaben zu Büchern und Webseiten, spätestens hier sollten dann auch die letzten offenen Fragen geklärt sein.
Nun viel Spaß beim Lesen...
Was ist eine Nietverbindung?
Nieten ist ein Fügen (DIN 8593-0) durch Umformen(DIN 8580) eines Verbindungselements, wobei eine i.allg.(<- Abkürzung) unlösbare und zumindest bei hoher Belastung formschlüssige tragende Verbindung entsteht.
Hinsichtlich der Verwendung, Berechnung und Ausführung unterscheidet man die Nietverbindung in:
- "Feste Verbindungen" im Stahlhochbau, Kranbau und Brückenbau bei Trägerschlüssen und Knotenpunkten.
- "Feste und dichte Verbindungen" im Kessel- und Druckbehälterbau.
- "Vorwiegend dichte Verbindungen" im Behälterbau bei Silos und Rohrleitungen.
- "Haftverbindungen" für Blechverkleidungen im Karosserie-, Waggon- und Flugzeugbau.
Vor- und Nachteile
Nieten bietet gegenüber Schrauben den Vorteil, dass in keines der Bauteile ein Gewinde eingebracht werden muss. Der Nachteil jedoch ist, dass die Verbindung nicht zerstörungsfrei zu lösen ist. Dieser "Nachteil" ist jedoch in einigen Bereichen der wichtigste Vorteil dieser Fügetechnik, eben dort wo es auf unlösbare Verbindungen ankommt. U.a. dient es auch der Verhinderung von Vandalismusschäden, hier benötigt man schon eine Bohrmaschine oder einen Winkelschleifer, um die Verbindung wieder zu trennen. Hierzu gehört unter anderem der Flugzeugbau, bei dem Nietverbindungen die wesentliche Grundlage der Strukturbauteile darstellen. Die Oberflächen der zu fügenden Teile stellen sich bei einer Vernietung besser dar, was dazu führt, dass ein besseres Strömungsverhalten auftritt. Im Gegensatz zu Schraubenverbindungen, welche durch komplexe Messungen (Drehmoment u. ä.) überprüft werden müssten, ist eine kraftschlüssige Nietverbindung optisch und ohne Messaufwand an dem geformten Schließkopf zu erkennen. Bei Warmnieten schrumpft der Niet und presst die gefügten Teile zusammen. Beim Schrumpfen wird der Nietschaft erheblich gespannt und auf Zug beansprucht. Weiterhin ist gegenüber dem Schweißen hier der Vorteil, dass keine Gefügeveränderung durch Wärmeeinbringung erfolgt. Dem steht aber gegenüber, dass eine Stumpfstoßverbindung nicht möglich ist.
| Wissenstandsabfrage 1:
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Bauarten/Nietform
Abb.1.2.
Siehe auch Normung am Ende dieses Artikels.
Blindniet: Abb.1.3.
Blindniet im Schnitt: Abb.1.3.1.
Eine Sonderform stellt die Blindeinnietmutter (DIN / ISO:90402) dar: Abb.1.4.
Sammelsurium von Nietformen: Abb.1.5.
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Werkzeuge
Unterschiedliche Setzkopfsetzer mit Gegenhalter Abb. 1.6.
Setzkopfsetzer mit Gegenhalter Abb. 1.7.
Einnietwerkzeug zur Befestigung von Blindeinnietmuttern (DIN / ISO: 90402) Abb. 1.8.
Werkzeug im montagefertigem Zustand Abb. 1.9
Blindeinniet Betätigungswerkzeug zum Einbringen der Blindeinnietmutter in einem begrenzten Arbeitsraum z.B. vertiefte Stellen in einem Kfz. Abb. 2.
Popnietzange, sehr gut zu sehen die unterschiedlichen Einsätze für die Popniete Abb. 2.1.
Pneumatische Popnietzange Abb. 2.2.
| Wissenstandsabfrage 2:
Nenne drei Werkzeuge zum Verarbeiten von Nieten |
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Einsatzgebiet
Anwendung
Definition: Die Nietverbindung ist eine formschlüssige Verbindung zweier oder mehrer Bauteile durch ein plastisch verformtes, zylindrisches Verbindungselement. Durch diese Bauteile wird der Niet hindurch geschoben, so dass der eigentliche Niet über diese Bauteile hinaus steht. Anschließend wird das überstehende Ende des Niets durch Bearbeiten mit dem Hammer zu einem Kopf (dem so genannten Schließkopf) geformt, der die Bauteile sicher verbindet. Der dem Schließkopf gegenüber liegende Teil des Nietes heißt Setzkopf, der Teil dazwischen Nietschaft. Ausnahmen gab es früher bei geschlossenen Bauteilen, hier wurden Sprengnieten verwenden. Diese besaßen im Bereich des Setzkopfes eine Treibladung, die durch Einbringung von Wärme gezündet wurde. Des Weiteren gibt es Blindnieten (Popnieten), die mechanisch oder pneumatisch gesetzt werden.
Zum Schließen der Niete gibt es ein spezielles Werkzeug, den sog. Döpper (Pneumatikhammer, der eine stetige rotatorische Bewegung ausführt) und Werkzeuge wie z.B. "Nietenzange" oder pneumatisch betriebenem "Niethammer" und dem "Gegenhalter". Nietverbindungen sind nicht lösbare, feste (o. bewegliche) Verbindungen eines oder mehrerer Teile mit einem Hilfsfügeteil - dem Niet. Bei Blindnietverbindungen genügt die Zugänglichkeit von einer Seite, "Nichtblindniet-Verbindungen" müssen von beiden Seiten zugänglich sein, Ausnahme die oben genannten Sprengnieten. Nietverbindungen werden häufig an Stelle von Schraubverbindungen eingesetzt, wenn...
- es nicht auf eine genau aufrecht zu erhaltende Vorspannkraft ankommt,
- Demontierbarkeit nicht erforderlich oder gar unerwünscht ist,
- Schraubverbindungen zu teuer wären,
- glatte Oberflächen bei sicherer Befestigung verlangt werden - Flugzeugaußenhaut, Verbindungen mit Textilien und Leder.
| Wissenstandsabfrage 3:
Wie ist die Bezeichnung der beiden Seiten eines Niet? |
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Verwendung
Im Flugzeugbau bzw. Leichtbau finden Nieten heute noch eine große Verwendung. Im Bereich des Flugzeugbaus gelten besondere Luftfahrtsnormen, die hier genannten Normen gehen nur in den Bereich der DIN.
Sie sind oft zu sehen an Brücken und an Brückenkonstruktionen. An historischen Fahrzeugen wie z.B. alten "Lanz-Bulldog" Traktoren oder im Kesselbau z.B. bei alten Dampflokomotiven findet man noch vermehrt Nietverbindungen. In der Fahrzeugtechnik findet man eine Nietverbindung an Kupplungsbelägen, diese sind meist aufgenietet.
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Hersteller
Lieferanten
Hier findet man eine Herstellersuchmaschine: Herstellersuchmaschine
Kosten
Ein Kostenvergleich zwischen einem Niet und einer Schraube ist von geringer Aussagekraft, da es sich um unterschiedliche Verbindungselemente handelt. Wenn man den Vergleich drauf reduziert, dass man sagt, man möchte nur einmal etwas miteinander Verbinden, ohne es später ein mal wieder zu lösen und die geforderte Beanspruchung gleich ist, so kann man eine Aussage zum Verhältnis treffen. Nur unter diesen Bedingungen ist ein Niet bei gleichem Werkstoff billiger. Vom Arbeitsaufwand aber in solcher Situation ähnlich zu einer Schweißnaht. Siehe u.a. Schweißverbindungen
Dimensionierung
Abb.2.3.
Niet- und Nietlochdurchmesser
In Abhängigkeit von der kleinsten zu verbindenden Blechdicke "t" wird im Stahlbau der Rohnietdurchmesser auch nach der Gebrauchsformel gewählt:
Festgelegt wird der nächstliegende genormte Nietdurchmesser nach DIN 124, s. TB 7-4 im Roloff/Matek. Für alle Niete im Stahlbau mit d1 ≥12 mm ist der Nietlochdurchmesser d = d1 + 1 mm.
Nietlänge
Der Rohniet muss so lang sein, dass genügend Werkstoff zum Füllen des Nietloches und Schließkopfes vorhanden ist. Bei üblichem Lochdurchmesser ergibt sich die Rohnietlänge aus: l = ∑t + lü ;
lü = Überstand; man wählt bei einem Schließkopf als:
- Halbrundkopf: Bei Maschinennietung lü≈(4/3)*d1
bei Handnietung lü≈(7/4)*d1
- Senkkopf : lü≈(0,6...1,0)*d1
siehe Abb.2.3.
Je größer die Klemmlänge, umso größer ist der Überstand lü zu wählen bzw. das Lochspiel zu verkleinern, um damit das größere Lochvolumen auszufüllen.
Auslegung
Bei Warmnieten schrumpft der Niet und presst so die gefügten Teile zusammen. Beim Schrumpfen wird der Nietschaft erheblich gespannt und auf Zug beansprucht. Da die Schrumpfspannung der Nietlänge proportional ist, soll die Klemmlänge 
sein. Wo Stahlniete mit dem Durchmesser > 10 mm verwendet werden, muss i. allg. vor dem Nieten auf Hellrotglut erwärmt werden. Kleine Stahlniete sowie Leichtmetall-, Messing- und Kupferniete werden kaltgeschlagen.
Berechnung
Tragfähigkeit der Niete
Nietverbindungen gelten in den Berechnungsvorschriften als Scher-Lochleibungs-Passivverbindungen ("SLP-Verbindungen"). Schwieriger als bei ebenen Flächen sind die Pressungsverhältnisse an der Oberfläche eines zylindrischen Nietschaftes. Die Flächenpressung p ist in Belastungsrichtung am größten (pmax) und nimmt nach den Seiten hin bis auf Null ab. Vereinfacht betrachtet rechnet man mit einem Mittelwert der Flächenpressung. Dazu denkt man sich die Kraft F gleichmäßig über die projizierte Fläche Aproj des Niets verteilt. Die Flächenpressung (siehe TAB S. 45) am Nietschaft wird Lochleibungsdruck σl genannt. Er ist abhängig von der aufzunehmenden Kraft F, von der projizierten Schaftfläche A proj = d1s eines Nietes.
Abb. 2.4.
Tragfähigkeit der Niete
Abscherspannung
Ein wichtiger Begriff ist die Schnittigkeit, die die Anzahl der auf Scherung beanspruchten Nietquerschnitte angibt. Anzustreben sind zweischnittige Nietverbindungen.
Lochleibungsdruck
Erläuterung zu t min:
Bei einschnittigen Nietverbindungen muss man für t min die kleinere der beiden Blechdicken einsetzen. Ist die Verbindung mehrschnittig, dann ist t min die kleinere der beiden Blechdickensummen in einer Kraftrichtung. Siehe Bild:
Abb. 2.6.
Vierschnittiges Beispiel s1 = 7 mm; s2 = 3,5 mm; Kraftrichtung = siehe F. So ergibt sich für :
- t min = ∑s1> ∑s2
- t min= 2 * 7 mm > 3 * 3,5 mm
- t min = 14 mm > 10,5 mm
Nach dem Bsp. müsste man für den Lochleibungsdruck σl den Wert 10,5 mm für t min einsetzten.
Berechnungsbeispiel
Abb. 2.7.
Aufgabe: Die einschnittige Nietverbindung hat mit zwei Nieten eine Zugkraft F = 30 kN aufzunehmen.
Gesucht:
| a) der Nietdurchmesser d1 des geschlagenen Nietes (= Lochdurchmesser), wenn die zulässige Abscherspannung 140 N/mm2 beträgt (ohne Gebrauchs-Formel).
b) der vorhandene Lochleibungsdruck für s = 8 mm c) die Breite b der Flachstähle (ohne Berücksichtigung des außermittigen Kraftangriffs), wenn die zulässige Spannung 140 N/mm2 nicht überschritten werden darf. |
| Lösung:
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Werkstoff
Bei den Werkstoffen besitzt man die freie Wahl, es gibt fast alle Nietformen in fast allen Materialien, die man benötigt. Die Wahl ist davon abhängig, welche Kräfte auf die Verbindung wirken und aus welchem Material die zu fügenden Teile sind, um ggf. eine Kontaktkorrosion zu vermeiden. Hier beginnt die Bandbreite vom Aluminium über Kunststoff bis hin zum Niet aus Vanadium/-Legierungen bzw. bei Bedarf mit einem Oberflächenschutz.
Um eine Zerstörung zu vermeiden, sind hierbei die Festigkeitswerte des zu verwendenden Materials sowie dessen Stellung in der Elektrochemischen Spannungsreihe zu berücksichtigen.
Man beachte:
Sind zwei verschiedene (unterschiedlichem Potential) Metalle miteinander elektrisch leitend verbunden, und durch direkten metallischen Kontakt oder ähnliches, so geht bei Anwesenheit eines Elektrolyten (Feuchtigkeit) das unedlere Metall in Lösung – es korrodiert. Als möglicher Schutz dienen Gesamtanstriche (Versiegeln) oder Isolierungsmaßnahmen. Gleiche Werkstoffwahl führt auch zu einer gleichmäßigen Wärmeausdehnung, so entsteht eine Minderung von Spannungsrissen.
Normung
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Anhang
Quellenangabe
Internet:
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Fachbücher:
Der Dubbel, Taschenbuch für den Maschinenbau ISBN 3-540-22142-5 Bezugsquelle: Springerverlag oder schaut mal bei Ebay.
- Roloff/Matek: Maschinenelemente, Lehrbuch und Tabellenbuch, Vieweg Verlag, 23. Aufl. 2017, ISBN 978-3-658-17895-6, € 39,99.
- Roloff/Matek Maschinenelemente Formelsammlung, Vieweg Verlag 7., Aufl. 2003. ISBN 3-528-64482-6, € 20,90.
- Bezugsquelle: Roloff Matek Vieweg Verlag
- Alfred Böge: Mechanik und Festigkeitslehre, 20. Auflage, Vieweg Verlag, ISBN 3-528-74010-8.
- Tabellenbuch Metall, 43. Auflage. Europa Verlag, ISBN 3-8085-1673-9, € 20,90.
- Buchhändler suche über die ISBN-Nr.
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Nietverbindungen
Weitere Bildverweise/Darstellungen von Nietverbindungen
Brückenkonstruktion Abb.2.9.
Museumswagen T220 der Hamburger Hochbahn AG gebaut 1921 Abb.3.0.
Drehgestell des T220 Abb.3.1.
Abbildungsverzeichnis
Abbildung
- Abb. 1.1. Viaduktträger HHA, am Barmbeker Bahnhof mit den gut sichtbaren Nietverbindungen
- Abb. 1.2. Div. Nietformen in einer Schnittdarstellung mit der zugehörigen DIN
- Abb. 1.3. Blindniet (Popniete) in einer Schnittdarstellung, sehr gut zu sehen die Funktionsübernahme des Dornes
- Abb. 1.3.1. Dito
- Abb. 1.4. Blindeinnietmutter in einer Schnittdarstellung, gut zu sehen wie ein Gewinde z.B. in ein dünnes Blech realisiert werden kann.
- Abb. 1.5. Div. Nietformen aus unterschiedlichen Materialien und unterschiedlichen Setzkopfgrößen
- Abb. 1.6. Unterschiedliche Setzkopfsetzer mit Gegenhalter, die Variation liegt in dem Durchmesser der Setzkopfmulde
- Abb. 1.7. Gute Darstellung des Verformungsbereiches
- Abb. 1.8. Einnietwerkzeug zur Befestigung von Blindeinnietmuttern. Zu sehen sind die Werkzeuge separat (Innensechskantschlüssel, Ratsche und Aufnahme für die Einnietmutter)
- Abb. 1.9. Werkzeuge im montagefertigen Zustand.
- Abb. 2.0. Auch ein Einnietwerkzeug, es basiert auf dem gleichen Prinzip, doch in einer anderen Umsetzung um den Anwendungszweck leichter zu erfüllen.
- Abb. 2.1. Popnietzange (mechanisch), zu sehen sind die unterschiedlichen Einsätze für den Nietdorndurchmesser
- Abb. 2.2. Pneumatische Popnietzange.
- Abb. 2.3. Bild zur Erklärung einer Nietlängenwahl
- Abb. 2.4. Erläuterung zur Flächenpressung
- Abb. 2.5. Dito
- Abb. 2.6. Bild zum Berechnungsbeispiel Schnittigkeit
- Abb. 2.7. Darstellung der Übungsaufgabe
- Abb. 2.8. Normungstabelle des unterschiedlichen Nietes
- Abb. 2.9. Brückenkonstruktion/ Viadukt
- Abb. 3.0. Museumswagen T220 der Hamburger Hochbahn AG gebaut 1921
- Abb. 3.1. Drehgestell des T220
Epilog
Wenn Ihr Euch die Zeit genommen habt diesen Artikel zu Lesen. Wäre es des Dankes Lohn, wenn man nicht gleich wieder alles vergessen würde, so hat sich die Arbeit an diesen Artikel gelohnt.
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