Die Auswahl geeigneter Verbindungselemente für Maschinenverkleidungen hängt von den auftretenden Belastungen, den Umgebungsbedingungen und der Häufigkeit ab, mit der die Verkleidung geöffnet werden muss. Für feststehende Schutzeinrichtungen gelten zusätzlich maschinensicherheitsrechtliche Vorschriften, die Einfluss auf die Auswahl der verwendeten Schrauben haben. In diesem Artikel erläutern wir die Festigkeitsklassen und Werkstoffe, Befestigungsmöglichkeiten in dünnen Blechen, den Korrosionsschutz, das Anziehdrehmoment sowie die Sicherung von Schraubverbindungen gegen selbstständiges Lösen.
Verbindungselemente – der Schlüssel zur Langlebigkeit
Die Aufgabe eines Verbindungselements in einer Maschinenverkleidung besteht darin, die erforderliche Klemmkraft zwischen den verbundenen Bauteilen während der gesamten Betriebsdauer aufrechtzuerhalten. Die Beständigkeit einer Verbindung gegenüber Vibrationen und Materialermüdung hängt in erster Linie von der richtigen Vorspannkraft und der Geometrie der Verbindungsstelle ab. Erst danach spielt die Festigkeitsklasse der Schraube eine entscheidende Rolle. Schwingungen der Maschine selbst werden durch Schwingungsisolatoren und Gummi-Metall-Elemente gedämpft, nicht durch die Verbindungselemente.
Maschinenverkleidungen und Schutzabdeckungen sind in der Regel nur geringen Belastungen ausgesetzt. Deshalb reichen für die meisten Anwendungen Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 (DIN EN ISO 898-1) oder Edelstahlschrauben der Klasse A2-70 aus. Die Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9 werden bei hochbelasteten Verbindungen eingesetzt, beispielsweise zur Befestigung schwerer Schutzabdeckungen am Maschinenrahmen. Bei Schrauben der Festigkeitsklasse 12.9 wird aufgrund des Risikos einer Wasserstoffversprödung auf galvanische Beschichtungen möglichst verzichtet.
In der Lebensmittelverarbeitung und der pharmazeutischen Industrie gehören Verbindungselemente aus Edelstahl A2 oder A4 (DIN EN ISO 3506-1) zum Standard. Beim Einsatz chloridhaltiger Reinigungsmittel wird Edelstahl A4 bevorzugt. In der chemischen Industrie muss die Stahlsorte auf das jeweilige Medium abgestimmt werden, da selbst Edelstahl A4 nicht in allen chemischen Umgebungen ausreichend beständig ist. Der Schraubenhersteller und Lieferant Marcopol Sp. z o.o. bietet Verbindungselemente.
Sicherheit feststehender Schutzeinrichtungen
Die Maschinenrichtlinie 2006/42/EG schreibt vor, dass feststehende Schutzeinrichtungen ausschließlich mithilfe eines Werkzeugs entfernt werden können. Die Befestigungselemente müssen nach dem Entfernen der Schutzeinrichtung möglichst an dieser oder an der Maschine befestigt bleiben. Entsprechende Anforderungen enthält auch die Verordnung (EU) 2023/1230, die ab dem 20. Januar 2027 gilt. Weitere Einzelheiten sind in DIN EN ISO 14120 festgelegt.
In der Praxis werden für feststehende Schutzeinrichtungen unverlierbare Schrauben verwendet, die auch nach dem Lösen in der Schutzabdeckung verbleiben. Eine weitere Möglichkeit sind Vierteldrehverschlüsse, die mit einem Schlüssel betätigt werden. Von Hand bedienbare Drehknöpfe und Flügelschrauben erfüllen die Anforderung der Werkzeugbetätigung nicht.
Schutzeinrichtungen, zu denen häufig Zugang erforderlich ist, beispielsweise mehrmals pro Arbeitsschicht, werden üblicherweise als bewegliche Schutzeinrichtungen mit Verriegelung nach DIN EN ISO 14119 ausgeführt.
Auswahl von Verbindungselementen für die Konstruktion
Vor der Auswahl geeigneter Verbindungselemente müssen der Werkstoff und die Dicke der zu verbindenden Bauteile, die Art der Belastungen, die Umgebungsbedingungen sowie die Häufigkeit der Demontage bekannt sein.
Befestigung in dünnen Blechen
In dünnen Stahl- und Aluminiumpaneelen lassen sich metrische Gewinde mithilfe von Blindnietmuttern herstellen, die mit einem geeigneten Werkzeug von einer Seite des Blechs gesetzt werden. Dadurch entfällt das Gewindeschneiden in der dünnen Blechwand. Auch ein Zugang zur Rückseite ist nicht erforderlich, was die Montage und spätere Wartungsarbeiten erheblich erleichtert. Eine Alternative sind Einpressmuttern, für deren Montage jedoch eine Presse und der Zugang zu beiden Seiten des Bauteils notwendig sind.
Die Tragfähigkeit einer Blindnietmutter wird durch die Festigkeit des umgebenden Blechs begrenzt. Bei dünnem Aluminium besteht insbesondere die Gefahr, dass sich die Blindnietmutter beim Anziehen der Schraube in der Bohrung mitdreht. Abhilfe schaffen Blindnietmuttern mit gerändeltem oder sechskantigem Schaft.
Die Ausführung des Flansches wird auf die jeweilige Konstruktion abgestimmt. Zur Auswahl stehen Flachflansche, reduzierte Flansche und Senkflansche. Der Klemmbereich der Blindnietmutter muss zur Dicke des Blechs passen.
Um eine Verformung dünner Paneele beim Anziehen zu vermeiden, werden Unterlegscheiben mit vergrößertem Außendurchmesser oder Distanzhülsen eingesetzt, die die Klemmkraft begrenzen.
Herausforderungen durch Korrosion und Umgebungsbedingungen
Feuchtigkeit, Kondenswasser, Kühlschmierstoffe und Reinigungsmittel beschleunigen die Korrosion von Verbindungselementen aus Kohlenstoffstahl. Unter solchen Bedingungen werden häufig Verbindungselemente aus Edelstahl A2 oder A4 verwendet. Ihre Korrosionsbeständigkeit beruht auf einer passiven Chromoxidschicht. Eine weitere Möglichkeit sind Verbindungselemente aus Kohlenstoffstahl mit Zinklamellenbeschichtung. Edelstahl wird normalerweise nicht zusätzlich galvanisch beschichtet.
Eine Vernickelung eignet sich nicht als zuverlässiger Korrosionsschutz für Verbindungselemente, die mit Kühlschmierstoffen in Kontakt kommen. Sie dient hauptsächlich dekorativen Zwecken. An Poren und beschädigten Stellen der Beschichtung kann die Korrosion des darunterliegenden Stahls sogar beschleunigt werden.
Galvanische Korrosion
Galvanische Korrosion entsteht, wenn unterschiedliche Metalle bei Anwesenheit von Feuchtigkeit miteinander in Kontakt kommen. Ein typischer Fall bei Maschinenverkleidungen ist ein Verbindungselement aus Stahl oder Edelstahl, das in einem Aluminiumblech befestigt wird. In trockenen Innenräumen verursacht eine solche Verbindung normalerweise keine Probleme. In feuchten Umgebungen kann jedoch das Aluminium rund um das Verbindungselement korrodieren.
Das Risiko lässt sich durch drei Maßnahmen reduzieren: durch die Verwendung von Blindnietmuttern aus demselben Werkstoff wie das Blech, durch isolierende Unterlegscheiben und Hülsen sowie durch die Abdichtung der Kontaktflächen zwischen den Metallen.
Dichtheit von Maschinenverkleidungen
Der Schutz von Elektronik, SPS-Steuerungen und Hydrauliksystemen vor Staub und Wasser wird durch die IP-Schutzart nach DIN EN 60529 beschrieben. Entscheidend für die Dichtheit sind die verwendete Dichtung und eine gleichmäßige Anpresskraft entlang des gesamten Umfangs. Dafür müssen der Schraubenabstand und die Steifigkeit des Flansches entsprechend ausgelegt sein. Bei Schrauben, die durch die Gehäusewand geführt werden, kommen zusätzliche Dichtscheiben zum Einsatz.
Anziehdrehmoment und Montagetoleranzen
Ziel des Anziehens einer Schraubverbindung ist es, die erforderliche Vorspannkraft zu erzeugen. Das gleiche Anziehdrehmoment kann jedoch je nach Reibungskoeffizient zu sehr unterschiedlichen Klemmkräften führen. Entscheidend sind dabei die Oberflächenbeschichtung, die Schmierung und der Zustand des Gewindes.
Ein Tabellenwert für das Anziehdrehmoment einer unbeschichteten Stahlschraube darf deshalb nicht ohne entsprechende Anpassung auf eine Edelstahlschraube oder eine Schraube mit Zinklamellenbeschichtung übertragen werden. Der richtige Wert muss aus der technischen Dokumentation für die jeweilige Kombination aus Schraube, Beschichtung und Montagebedingungen entnommen werden.