Das sichere und zuverlässige Verbinden von Bauteilen unter Ausnutzung der Materialeigenschaften ist einer der Hauptbereiche der Innovation in der Fertigungsindustrie. Eine solche Technik wird als Presssitz bezeichnet – eine Methode, die auf Reibung beruht und kein Löten, Schweißen oder Bearbeiten der Teile erfordert.

Wie Sie später sehen werden, sind Presspassungen einige der genauesten Beispiele für die Befestigung zweier Teile. Obwohl sie sehr starke Teile herstellen, ist diese Methode nicht für alle Szenarien geeignet. Lesen Sie weiter, während wir die Grundlagen der Presssitze behandeln und die Presssitztoleranz definieren.

Was ist Press Fit?

Eine Presspassung, manchmal auch als Presspassung bezeichnet, ist eine Methode zum Verbinden von zwei eng anliegenden Teilen, die auf Reibung beruhen. Dies ist eine der am meisten bevorzugten Befestigungsmethoden für Anwendungen, die eine dauerhafte Verbindung und perfekte Ausrichtung erfordern. Das Verfahren erfordert in der Regel keine extreme Temperaturbelastung der Teile, erfordert kein Löten und ist mit automatisierten Systemen kompatibel.

Bei jeder Presssitzanwendung gibt es zwei Gegenstücke, die sehr dicht miteinander verbunden sind. Diese beiden Gegenstücke können unterschiedliche Formen annehmen. Das häufigste Beispiel wäre eine Welle und ein Loch, aber Presssitze werden auch für kleinere Komponenten wie die elektrischen Anschlüsse auf einer Leiterplatte (PCB) verwendet. Presssitze sind ideal für Verbindungen mit elektrischen Komponenten, da der enge Sitz der Teile einen zuverlässig leitenden Kontakt gewährleistet.

Aufgrund der großen Reibungskräfte erfolgt das Zusammendrücken der beiden Gegenstücke typischerweise durch einen hydraulischen oder pneumatischen Kolben. Dies ist ein langsamer und bewusster Prozess, der sich mehr auf die Ausrichtung als auf die Auswirkung konzentriert.Die Press-Fit-Technologie ist aufgrund ihrer Zuverlässigkeit und relativen Einfachheit weit verbreitet. Obwohl es sehr genaue Messungen an den Gegenstücken erfordert, kann die tatsächliche Ausführung von Gegenstücken zusammen auch ohne ein außergewöhnliches Maß an Geschick durchgeführt werden.

Wie ein Presssitz funktioniert

Um zu verstehen, wie ein Presssitz funktioniert, müssen wir zuerst die physikalischen Eigenschaften der beiden zusammenpassenden Teile beschreiben. Für das grundlegende Beispiel einer Welle und eines Lochs ist es wichtig zu erkennen, dass das Loch etwas kleiner als die Welle ist.

Wenn die Welle in das Loch gedrückt wird, erfährt das Material der Welle eine leichte Kompression. Dies veranlasst die Welle, eine normale Kraft auf die innere Oberfläche des Laderaums auszuüben. Gleichzeitig drückt das Loch nach innen, da es aufgrund des Einführens des Schafts auch eine leichte Ausdehnung durchläuft. Diese Normalkraft trägt zur Erzeugung einer großen Reibungskraft bei, die die beiden Komponenten zusammenhält.

Die tatsächliche Größe der Normalkraft, die von den Loch- und Wellenkomponenten ausgeübt wird, hängt von dem Material ab, aus dem sie hergestellt sind. Hartmetalle wie Stahl sind widerstandsfähiger gegen Verformung und üben eine größere Normalkraft aus. Andererseits erzeugen Kunststoffe und Weichgummi aufgrund ihrer Verformungsneigung kleinere Normalkräfte.

Die Presssitztoleranz, auf die wir später näher eingehen werden, ist ein Maß dafür, wie groß die Welle im Vergleich zum Loch „überdimensioniert“ ist. Dieses misst die Menge der Kompression oder der Expansion, die das Material aushalten muss und wie viel Normalkraft sie ausüben.

Best Practices bei der Gestaltung von Presspassungen

Wie bei fast jedem industriellen Prozess oder jeder industriellen Technik ist eine Presspassung keine Allround-Lösung für alle Befestigungsanforderungen. Wenn Sie erwägen, Presssitze zu verwenden, sind hier einige Faustregeln zu beachten:

Materialauswahl und Kompatibilität

Die Befestigungsfähigkeit eines Presssitzes hängt von der Fähigkeit des Materials ab, als Reaktion auf seine Verformung eine konstante Normalkraft zu halten. Es gibt jedoch Materialien, die sich bei konstanter Kraft auf natürliche Weise verformen oder in eine neue Orientierung „fließen“. Wenn solche Materialien in einem Presssitz verwendet werden, neigen sie dazu, mit der Zeit an Reibung zu verlieren, wodurch der Griff der befestigten Teile gelockert wird.

Weiche Kunststoffe wie Nylon, Polyurethan und Polycarbonat sind gute Beispiele für Materialien, die für den Presssitz ungeeignet sind. Dies ist auch der Grund, warum die meisten Kunststoffteile stattdessen eine „Schnappverbindung“ haben, die eher auf einem Verriegelungsmechanismus als auf einer anhaltenden Spannung beruht.

Temperaturschwankungen antizipieren

Fast alle Materialien reagieren ähnlich auf Temperaturänderungen – Objekte dehnen sich beim Erhitzen aus und ziehen sich beim Abkühlen zusammen. Der Grad, in dem diese Phänomene auftreten, hängt jedoch von dem betreffenden Material ab. Zum Beispiel dehnt sich ein Stück Aluminium bei hohen Temperaturen im Vergleich zu einem gleichwertigen Stück Gummi stärker aus.

Diese Disparität im thermischen Ausdehnungs- und Kompressionsverhalten spielt eine Rolle, wenn wir eine Presssitzbaugruppe aus zwei verschiedenen Materialien haben. In unserem vorherigen Beispiel kann eine Baugruppe aus einem Gummischaft in einem Aluminiumloch bei extremer Hitze den Halt verlieren.

Um es klar zu sagen, es ist vollkommen akzeptabel, zwei verschiedene Materialien miteinander zu verbinden, solange sie entweder keinen extremen Temperaturen ausgesetzt sind oder ähnliche Wärmeausdehnungskoeffizienten haben.

Teileausrichtung ist der Schlüssel

Die Ausrichtung von Teilen, die mit Presssitzen verbunden sind, hat eine sehr geringe Toleranz. Eine perfekt ausgerichtete Baugruppe sollte Schnittgrößen haben, die gleichmäßig verteilt sind, um sicherzustellen, dass die Teile auch dann zusammengehalten werden, wenn sie starken Vibrationen ausgesetzt sind.

Aus diesem Grund haben die Hersteller viele Mittel entwickelt, um eine perfekte Ausrichtung zu erreichen. Richtiges Werkzeug und Befestigung sind kritische Faktoren in diesem Schritt. Die meisten Hersteller würden die zusammenpassenden Teile entwerfen, um Rändel oder zusammenpassende Paare von Projektionen und von Vertiefungen zu haben. Dies stellt sicher, dass Teile perfekt mit wenig Raum für Fehler zusammenpassen.

Obwohl die hydraulischen oder pneumatischen Pressen, die zum Kombinieren von Teilen für Presssitze verwendet werden, viel Kraft benötigen, werden sie typischerweise sehr langsam betrieben. Dies ermöglicht eine Neuausrichtung der Teile, wenn sie zusammengedrückt werden. Im Idealfall ist ein Bedienereingriff nicht erforderlich, kann jedoch durchgeführt werden, wenn die Situation dies erfordert.

Erwägen Sie, das Gegenstück zu verjüngen

Eine gängige Strategie beim Entwerfen von Teilen für Presssitzungen besteht darin, das Ende der Welle zu verjüngen. Dies wird als Fase bezeichnet und hilft sowohl bei der Ausrichtung der Teile als auch bei der gleichmäßigen Kraftverteilung um den Umfang des Lochs. Das Zusammendrücken der Teile wird auch durch das Hinzufügen einer Fase erleichtert und geschmeidiger, da sich die Druckkräfte tendenziell allmählicher aufbauen.

Bestimmung der richtigen Presssitztoleranz

Die Größe der Normalkraft hängt auch davon ab, wie stark sich das Material nach dem Befestigen komprimiert oder ausdehnt. Denken Sie daran, dass die Welle normalerweise etwas größer als das Loch ist. Dieser Unterschied in den Abmessungen wird typischerweise als „Presssitztoleranz“ bezeichnet.“ Dies ist eine sehr kleine Zahl, typischerweise weniger als 1/1000 Zoll.

Die entsprechenden Werte für die Presssitztoleranz berücksichtigen die Abmessungen und das Material sowohl der Welle als auch der Bohrung. Beispielsweise erfordern Gummiteile eine höhere Toleranz, da sie eine größere Neigung zur Verformung aufweisen. Die Toleranz nimmt auch mit zunehmender Größe des Teils zu, obwohl diese Beziehung nicht unbedingt linear sein muss.

Leider sind die Berechnungen zur Bestimmung der richtigen Toleranz für eine Presspassung alles andere als einfach. Abgesehen von den Abmessungen der Welle und des Lochs verursachen auch Fasen auf beiden Seiten der Welle eine Verschiebung der Werte. Die vorgesehene Betriebstemperatur für das zu montierende Teil muss ebenfalls berücksichtigt werden.

Wenn ein Teil mehr als einen Stift enthält, muss die Toleranz möglicherweise auch unter Berücksichtigung der maximalen Druckkraft der verwendeten hydraulischen oder pneumatischen Presse angepasst werden.

Die Schwierigkeit, die richtige Presssitztoleranz zu berechnen, ist die größte Herausforderung bei der Integration einer solchen Technologie in eine automatisierte Montagelinie. Wenn ein falsch ausgerichteter Presssitz oder eine zu große Toleranz nicht erkannt wird, kann dies entweder das zu montierende Teil oder die pneumatische Presse beschädigen. Mit der Größe der beteiligten Kräfte könnte ein solcher Unfall ziemlich katastrophal sein.

Shrink fit – eine Alternative zum Presssitz

Trotz der vielen Vorteile von Presssitzen ist die Tatsache, dass nicht alle mechanischen Verbindungen ersetzt wurden, der Beweis genug, dass es nicht perfekt ist. Eine der beliebtesten Alternativen zu einer Presspassung ist eine Schrumpfform. Bei diesem Verfahren werden die Abmessungen eines der beiden zu montierenden Teile durch Erhitzen oder Kühlen verändert.

Die Idee hinter der Methode ist, die thermische Ausdehnung zu nutzen, um die beiden Teile leichter miteinander zu verbinden, wonach sie wieder auf Raumtemperatur gebracht werden. Toleranz ist bei dieser Technik immer noch kritisch, aber viel verzeihender. Es verringert auch die Kraft, die eine hydraulische oder pneumatische Presse ausüben muss, um die beiden Teile zusammenzubringen.

Der Nachteil dieser Technik ist, dass es eine längere Zeit in Anspruch nimmt wegen der Notwendigkeit, die Teile zu extremen Temperaturen zu erwärmen oder abkühlen. Es gibt auch eine Tonne anderer Ausrüstung beteiligt. Bevor eine Schrumpfung durchgeführt werden kann, werden Metallteile entweder auf Temperaturen von bis zu 300 ° C erhitzt oder mit flüssigem Stickstoff abgekühlt. Es ist definitiv ein bisschen mehr technisches Geschick erforderlich, um die beiden Teile zuverlässiger miteinander zu verbinden als mit einem Presssitz.

Abschließende Gedanken

An der Oberfläche scheint ein Presssitz eine sehr einfache Möglichkeit zu sein, zwei Komponenten zu einem einzigen Teil zusammenzufügen. Es ist schnell, zuverlässig und erfordert kein Löten oder Bearbeiten. Es gibt jedoch so viele Dinge, die bei einer Presspassung schief gehen können. Eine richtig durchgeführte Presspassung ist nur eine Illustration eines Prozesses, der so aufwendig vorbereitet wurde, dass er so reibungslos abläuft, dass er einfach aussieht.