Verbindungsarten erklärt

Zum Verbinden von mindestens zwei oder mehr Bauteilen stehen grundsätzlich verschiedene Möglichkeiten , die sogenannten drei Verbindungsarten zur Verfügung, die auf unterschiedlichen physikalischen Prinzipien beruhen. Die Verbindung soll eine Trennung der Körper unter den während des Betriebs wirkenden Kräften verhindern und diese zuverlässig an Ort und Stelle halten. Hierbei unterscheidet man im Allgemeinen die formschlüssige Verbindung, die kraftschlüssige Verbindung und schließlich die stoffschlüssige Verbindung. Was man jeweils darunter versteht und wozu die gängigsten Fügeverfahren (z.B. Schrauben, Nieten, Kleben, usw.) zählen, erfahren Sie nachfolgend. Viel Spaß beim Lesen!

Die formschlüssige Verbindung

Simpel gesagt sind sich die bei der formschlüssigen Verbindung beteiligten Bauteile im Weg, wodurch das Lösen bei wirkenden Betriebskräften effektiv verhindert wird. Der Formschluss wird entweder durch das ineinander greifen von mindestens zwei Werkstücken erreicht oder auch durch das Einbringen eines weiteren Teils, einem Verbindungselement. Hierzu zählen beispielsweise Stifte, Bolzen oder eben auch Nieten. Die formschlüssige Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass im Lastfall, Normalkräfte, also senkrecht auf die sich gegenüberstehenden Flächen der Verbindungspartner wirkende Kräfte, wirken.

Auf dem nachfolgenden Bild ist ein typischer Fall abgebildet. Zwei überlappende Blechränder wurden durch ein Niet miteinander verbunden. Wie Sie selbst eine solche Verbindung herstellen können, lesen Sie in meiner Blindniet-Anleitung. In diesem Fall besteht der Formschluss in alle Richtungen auf der zur Zylinderachse senkrechten Ebene. Durch die Nietköpfe besteht auch entlang der Bohrachse ein Formschluss. Dies hat den Sinn die Bleche aufeinander zu halten, so dass diese sich bei Belastung nicht von einander abheben lassen.

Neben dem Nieten zählt hierzu beispielsweise auch die Nut-Feder-Verbindung, der Reißverschluss, Passfedern oder ineinander greifende Verzahnungen (Zahnräder). Abhängig von den mechanischen Festigkeiten der verwendeten Werkstoffen und der jeweiligen Materialdicke sind teils extreme Kräfte notwendig um die Verbindung zu lösen. Zum Lösen muss das Material vollständig versagen.

Formschlüssige Verbindungen bieten eine hohe Sicherheit gegenüber Lösen durch Vibrationen oder dynamische Belastungen. Sie sind in der Regel leicht zu montieren und zu demontieren, was Wartungsarbeiten vereinfacht. Zudem ermöglichen sie eine präzise Positionierung der Bauteile zueinander. Ein Nachteil  kann der erhöhte Fertigungsaufwand sein, da die Bauteile genau zueinander passen müssen. Auch kann es bei dynamischer Belastung zu Verschleiß kommen, wenn die Verbindung Spiel hat.

Die kraftschlüssige Verbindung

Bei dieser Verbindung wird die Bewegung der Bindungspartner durch Haftreibung verhindert. Die Reibung setzt Normalkräfte, also senkrecht zu den zu verbindenden Flächen der Bauteile wirkenden Kräfte, voraus. Auf dem unten stehenden Bild habe ich Ihnen den Sachverhalt beispielhaft aufgezeichnet. Die eingezeichneten Normalkräfte pressen die beiden Bauteile aufeinander, wodurch beim Versuch die Bauteile entlang der eingezeichneten Pfeilrichtung längs auseinander zu ziehen, Haftreibung entsteht, die der Bewegung entgegenwirkt.

Die Verschiebung wird dabei verhindert, so lange die durch die Haftreibung entstehenden Kräfte nicht überschritten werden. Sollte dies allerdings doch eintreffen, gleiten die aufeinander gepressten Flächen aneinander vorbei.

Aus dem Alltag ist die kraftschlüssige Verbindung nicht weg zu denken und Sie stellen jeden Tag unterbewusst etliche solcher her, denn auch das Klemmen und Halten von Gegenständen zwischen Daumen und Zeigefinger fällt unter diese Verbindungsart. Auch das Verknoten von Seilen oder Schnürsenkeln, aber auch jegliche Klemmverbindung zählt hierzu. Weitere prominente Beispiele sind Schraubverbindungen oder Presspassungen.

Kraftschlüssige Verbindungen sind in der Regel einfach herzustellen und oft lösbar, was Reparaturen und Wartung erleichtert. Sie können auch dynamische Belastungen aufnehmen und sind daher für bewegliche Verbindungen geeignet. Die Qualität einer kraftschlüssigen Verbindung hängt alelrdings stark von der Reibung zwischen den Bauteilen ab. Hohe Vorspannungen sind notwendig, um die notwendige Reibung zu gewährleisten, was zu Materialermüdung führen kann. Zudem können Mikrobewegungen Reibkorrosion verursachen.

Die stoffschlüssige Verbindung

Eine stoffschlüssige Verbindung zeichnet sich dadurch aus, dass die zu verbindenden Bauteile durch atomare oder molekulare Verbindungen miteinander verbunden sind. Darin ist auch die Tatsache begründet, dass diese Verbindungstype nur durch Zerstörung der Verbindungsmittel lösbar ist. Innerhalb dieser Gruppe kann man die Fügeverfahren weiter darin unterscheiden, ob die Verbindung durch arteigene oder artfremde Zusatzwerkstoffe zustande kommt. Nachfolgendes Bild stellt den Sachverhalt beispielhaft dar; das rot markierte Verbindungsmittel könnte hier zum Beispiel Klebstoff sein.

Das Löten, Schweißen und Kleben stellen hierbei die meiner Meinung nach bekanntesten Fügeverfahren dieser Gruppe dar. Vorteile dieser Verfahren ist die meist hohe Übertragbarkeit von Kräften und Momenten und der geringe Platzbedarf. Jedoch ist nicht jeder Werkstoff geeignet bzw. fallen beim Kleben oft aufwändige Vorbehandlungsschritte an.

Eine stoffschlüssige Verbindung iat extrem belastbar und bietet eine hohe Dichtigkeit. Diese Verbindungsart ist demnach ideal für Anwendungen, bei denen eine feste, dauerhafte Verbindung erforderlich ist. Die Herstellung stoffschlüssiger Verbindungen kann komplex sein und erfordert oft spezielle Ausrüstung und Fachkenntnisse. Beispielsweise muss der Klebstoff genau zu den zu verbindenden Materialien passen, um eine ausreichende Kraftübertragung zu gewährleisten. Zudem ist eine Demontage nur durch Zerstörung möglich, was die Reparatur und das Recycling erschwert.

FAQ zu den Verbindungsarten