Was ist ein Schließringbolzen?

1. Einleitung

Schließringbolzen sind ein relativ neues Konzept in der Welt der Verbindungselemente, das in den 1940er Jahren von Louis C. Huck erfunden wurde. Er entwickelte das Schließringbolzenkonzept (damals als HuckBolt bekannt) für die US-Marine und den Schienenfahrzeugmarkt, um Probleme mit der Selbstlockerung herkömmlicher Muttern und Schrauben unter starken Vibrationen zu lösen. Das erste Schließringbolzen-Patent wurde 1950 erteilt und Lou Huck gründete die heute weithin bekannte Marke Huck.

Abbildung 1. Der erste patentierte Schließringbolzen, von Louis C. Huck

Die einzigartige Konstruktion des Befestigungselementes bot echte Lösungen für gängige Probleme wie 1) Verlust der Vorspannung unter Betriebslast, 2) Setz- und Entspannungseffekte im Gewinde, 3) Selbstlockerungseffekte unter Vibrationsbelastung, 4) Relativbewegung im Bereich des Gewindeträgers. Die neue Befestigungstechnik wurde bei den Herstellern von mechanischen Konstruktionen und Transportfahrzeugen schnell populär und bot sehr willkommene Vorteile gegenüber herkömmlichen Verbindungsmethoden.

Seit den 1940er Jahren haben die Huck-Ingenieure das ursprüngliche Design des Schließringbolzens weiterentwickelt, um die Leistung zu verbessern und ihn an eine Vielzahl von differenzierten Anwendungen und Märkten anzupassen.  Heute werden Schließringbolzen weltweit in einer Vielzahl von Branchen von Herstellern verwendet, die die Wartung von Schraubverbindungen reduzieren, die Gefahren und Risiken des Schweißens vermeiden oder einfach nur ihre Montageprozesse beschleunigen möchten.

Abbildung 2: Verschiedene Arten von Schließringbolzen

Die Definition eines Schließringbolzens:

Ein Schließringbolzen ist ein zweiteiliges Befestigungselement, das aus einem gehärteten Metallpin und einem Metallring besteht. Ein spezielles Montagewerkzeug greift den Pin eines Schließringbolzens und zieht dann, um die Spalten in den zu verbindenden Materialien zu schließen und den Schließring in die Nuten des Pins zu verformen, wodurch eine spezifische, gemessene Klemmkraft entsteht, um die montierten Teile zusammenzuhalten.

Schließringbolzensysteme bieten den Herstellern erhebliche Vorteile, wie z. B.: a) sehr schnelle Installation, b) gleichbleibend hohe Klemmkraft, c) wartungsfreie, vibrationsfeste Verbindungen und d) hervorragende Scher-, Zug- und Ermüdungsfestigkeit. Schließringbolzen sind im Allgemeinen in Größen von 4,8 mm bis 36 mm erhältlich.

2.Bezeichnung

 Abbildung 3: Bezeichnung der Hauptbestandteile eines Schließringbolzens ohne und mit Bolzenbruch/Break-neck

2.1 Kopf

Die Kopfgeometrie von Schließringbolzen unterscheidet sich von anderen herkömmlichen Gewindeverbindungen. In der Regel weist der Kopf eines Schließringbolzens keine äußeren oder inneren Antriebsmerkmale auf, da keine Drehkraft (Drehmoment) aufgebracht werden muss. Das Aussehen hängt von a) dem Schließringbolzensystem und b) der Anwendung ab.

Der Flachrundkopf ist die am häufigsten verwendete Kopfart für Schließringbolzen. Es gibt auch übergroße Köpfe, die z. B. bei weicheren Werkstoffen verwendet werden, oder Senkköpfe, wenn eine bündige Bauteiloberfläche erforderlich ist.

Geflanscht	Rund	Truss	Brazier	Countersunk	Low-profile

Abbildung 4: Übliche Kopfformen für Schließringbolzen

2.2 Schaft

Der Schaft ist in der Regel glatt/eben oder gerillt. Kurze Bolzen haben oft keinen glatten Schaft. Der glatte Schaft entspricht in der Regel dem Nenndurchmesser der Schraube und hat einen größeren Querschnitt als der gerillte Teil, so dass die Tragfähigkeit hier besonders hoch ist.

Für spezielle Anwendungen, wie z.B. Autositze, werden sogenannte Schulterbolzen verwendet, bei denen der Schaft einen größeren Durchmesser als der Nenndurchmesser hat. Die Schulterbolzen haben eine besonders hohe Scherkraft.       

Ohne glatten Schaft	Teilweise glatter Schaft	Schulterbolzen

Abbildung 5: Unterschiedliche Schaftausführungen; ohne glatten Schaft mit Schließrillen bis zum Kopf, ein teilweiser glatter Schaft und ein Schulterbolzen

2.3 Schließringnuten

Die Schließringnuten sind ein wesentliches Merkmal von Schließringbolzen und unterscheiden sich von herkömmlichen Schrauben durch ihre flachere Nutgeometrie, die bei gleichem Nenndurchmesser einen größeren Spannungsquerschnitt und eine geringere Kerbtiefe ergibt.

Dadurch haben Schließringbolzen eine deutlich höhere Dauerfestigkeit als Gewindeverbindungen. Die Dauerfestigkeit kann nach dem EFB-Merkblatt 3435-2 auf der Grundlage von VDI-2230-1 und Eurocode 3 (EN 1993-1-9) berechnet werden.

Abbildung 6: Vergleich von Gewindeverbindungen und Schließringbolzen mit Schließringnuten

2.4 Schließring

Schließringbolzen können nicht mit Muttern kombiniert werden, um die Verbindung herzustellen wird stattdessen wird ein spezieller "Schließring" verwendet. Der Schließring besteht aus einem etwas weicheren und dehnbareren Material als der Bolzen. Der Schließring ist innen glatt (gewindelos) und wird im Gegensatz zur Mutter nicht durch Drehen installiert, sondern durch das Bearbeitungswerkzeug axial fest in die Nuten des Bolzens gepresst, wodurch einerseits die Klemmkraft erzeugt und andererseits eine unlösbare Verbindung hergestellt wird.

Je nach Anwendung und Schließringbolzenart kann der Schließring mit oder ohne Flansch ausgeführt werden. Bei eingeschränkter Zugänglichkeit gibt es auch Varianten mit einem niedrigeren Profil, um den Überstand zu reduzieren. Schließringe müssen immer passend zum Bolzen ausgewählt werden und dürfen nicht mit anderen Systemen oder Verarbeitungswerkzeugen verwendet werden.

3. Einbau

3.1 Einbauwerkzeuge

Je nach Werkstoff und Durchmesser der Schließringbolzen werden unterschiedliche Einbauwerkzeuge verwendet. Bei kleinen Durchmessern und geringen Stückzahlen können dies handbetriebene Geräte sein. Für Größen von 3/16'' (4,8 mm) bis M14 stehen mobile Akkuwerkzeuge zur Verfügung, alternativ können auch pneumohydraulische, druckluftbetriebene Werkzeuge verwendet werden. Für größere Abmessungen (bis M36) werden in der Regel elektrische, diesel- oder batteriebetriebene Hydraulikwerkzeuge eingesetzt. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit der automatisierten Bearbeitung, die häufig bei sehr großen Mengen in der Serienfertigung eingesetzt wird. 

BT-Serie	SF-Serie	Hydraulische Werkzeuge	SureSet Prozesssteuerung	Akku-Werkzeug

Abbildung 7: Werkzeug- und Prozesskontrollsystem für Schließringbolzen

3.2 Ablauf des Einbaus

Der Installationsvorgang lässt sich in 4 Schritte unterteilen und kann von Personal durchgeführt werden, das keine besonderen Qualifikationen benötigt. Eine Grundschulung ist in der Regel ausreichend.

Abbildung 8: Installationsablauf von Schließringbolzen mit Pinabriss

1. Einsetzen des Schließringbolzens durch das Durchgangsloch und Drehen des Bunds im Uhrzeigersinn auf den Bolzen mit dem Flansch in Richtung des Bauteils.
2. Setzen Sie das Setzwerkzeug auf den Bolzen auf und drücken Sie den Auslöseknopf am Werkzeug. Die Spannbacken im Zugkopf greifen den Bolzen und schließen den Fügespalt durch Ziehen.
3. Durch weiteres Halten des Auslöseknopfes bewirkt der Greifmechanismus, dass der Zugkopf über den Schließring gezogen wird und diesen bei Erreichen des erforderlichen Anpressdrucks (Stauchkraft) in die Schließrillen des Bolzens einformt.
4. Der Zugkopf des Werkzeuges zieht sich nach dem Verformen automatisch zurück und löst das Werkzeug vom Schließring. Der Auslöseknopf des Werkzeuges kann losgelassen werden.

Der Setzvorgang ist mit der Verformung von mindestens einem der sechs Indikatoren am Flansch des umgeformten Bundes abgeschlossen. Bei Schließringen ohne Indikatoren kann zur Kontrolle des Einbauprozesses eine Lehrringprüfung durchgeführt werden. Zur Überwachung und Dokumentation des Einbauprozesses kann eine optionale Einbauprozesskontrolle eingesetzt werden.

3.3 Visuelle Inspektion

Prüflehren sind bei Howmet Fastening Systems erhältlich und werden empfohlen, da sie bestätigen, dass eine vollständige Verformung stattgefunden hat. Ein Beispiel für die Verwendung dieser Lehren ist unten abgebildet. Ringlehren sind besonders nützlich für Schließringe, die nicht über Verformungsindikatoren verfügen, um eine korrekte Installation zu gewährleisten.

                         
Abbildung 9: Sichtprüfung mit einem Lehrring

4. Werkstoffe

Schließringbolzensysteme werden üblicherweise aus Kohlenstoffstahl hergestellt. Übliche Festigkeitsklassen für die Bolzen sind 5.8, 8.8 oder 10.9 nach ISO 898-1 für metrische Abmessungen oder Klasse 2, 5 oder 8 nach ANSI/ASME B18.2.1 für zöllige Größen. Im Gegensatz zu einer klassischen Mutter hat der Schließring keine Festigkeitsklasse, da das Material wesentlich dehnbarer und weicher sein muss, um sich in die Sicherungsrillen einfügen zu können, sondern ist auf die Festigkeit des Bolzens abgestimmt. Schließringbolzen müssen immer als Satz vom gleichen Hersteller verwendet werden.

Für Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit oder für Leichtbauanwendungen sind Schließringbolzensysteme auch aus Edelstahl oder Aluminium erhältlich. Die Bolzen unterliegen jedoch in der Regel keiner Festigkeitsklasse, sondern es werden Mindestwerte für die Auslegung hinsichtlich Tragfähigkeit und Klemmkraft angegeben.

5. Beschichtungen

Während nichtrostende Stähle und Aluminiumlegierungen oft ohne zusätzliche Beschichtungen auskommen, müssen die Schließringbolzen aus Kohlenstoffstahl durch Beschichtungen vor der korrosiven Umgebung geschützt werden.

Die Art der Beschichtung und die Schichtdicke hängen von der Anwendung und den Anforderungen an die Korrosionsbeständigkeit ab. Die gebräuchlichsten Beschichtungen sind galvanische oder organische Beschichtungssysteme, z. B. Zink-Lamellen-Systeme (flZn), die für die meisten Anwendungen eine hohe Korrosionsbeständigkeit bieten und nicht anfällig für Wasserstoffversprödung sind. Darüber hinaus ist auch eine Sherardisierung oder Feuerverzinkung möglich.

Die Korrosionsbeständigkeit kann oft über die Schichtdicke durch die Prozesszeit eingestellt werden und wird üblicherweise in einem neutralen Salzsprühtest (ISO 9227) geprüft. Wird eine Deckbeschichtung (Versiegelung) aufgebracht, kann die Korrosionsbeständigkeit weiter verbessert werden. Die Korrosionsbeständigkeit wird in Stunden gegen Rotrost gemessen. Im Stahlbau werden in der ISO 12944 Korrosionsbeständigkeitskategorien definiert.

6. Anwendungen

Schließringbolzen können überall dort eingesetzt werden, wo der Zugang zur Verbindung von beiden Seiten gewährleistet ist. Sie stellen eine hervorragende Alternative zu Schraub- oder Schweißverbindungen dar, insbesondere wenn hohe Anforderungen an die Sicherheit über die gesamte Lebensdauer gestellt werden. So werden Schließringbolzen aufgrund ihrer hohen statischen Tragfähigkeit unter Scher- und Zugbelastung und ihrer hervorragenden Dauerfestigkeit in vielen Branchen eingesetzt, vom klassischen Stahlbau über erneuerbare Energien bis hin zum Schienen- und Nutzfahrzeugbau. Einige Anwendungsbeispiele sind in der folgenden Abbildung dargestellt.     

Stahlbau / Tiefbau	Solar	Wind	LKW / Anhänger	Züge / Gleisanlagen

Abbildung 10: Anwendungen für Schließringbolzen

7. Entwurf und Berechnung von Schließringbolzenverbindungen

Für die Auslegung und Berechnung von Schließringbolzenverbindungen stehen Merkblätter zur Verfügung (www.beuth.de). Das Merkblatt DVS/EFB 3435-1 gibt einen allgemeinen Überblick über die Schließringbolzen-Technik. Darüber hinaus enthält Teil 2 des Merkblatts (DVS/EFB 3435-2) die Bemessungsregeln für die Bemessung nach VDI 2230-1 und für Eurocode 3 (EN 1993-1-3 und EN 1993-1-9).

Darüber hinaus ist Howmet Fastening Systems Inhaber einer allgemeinen bauaufsichtlichen Zulassung des DIBt für Bobtail-Schließringbolzen (Z-14.4-591) mit Durchmesser M12 bis M36.

Wenn Sie Fragen zu Schließringbolzen haben oder wissen möchten, wie diese in Ihrer Anwendung eingesetzt werden können, zögern Sie bitte nicht, sich an unser Technikteam zu wenden, das Sie gerne unterstützt.