Wie definiert man die Festigkeit des Verbindungskopfes?

Hochfeste Schraubverbindungen sind wichtige Komponenten in fast allen Formen des Transportwesens und der Montage von Industriemaschinen. Während seit Jahrzehnten branchenweit anerkannte Standards für die Messung und Bewertung dieser Komponenten etabliert sind, haben die jüngsten Misserfolge von Gewindebefestigungen bei Verwendungs- und Qualifikationstests den Fokus erneut auf den kritischen Bereich zwischen dem Kopf des Befestigungselements und dem Schaft gerichtet.

Hochfeste, von außen angezogene Schrauben mit großem Durchmesser (0,5 Zoll oder mehr) (z. B. Sechskantkopf, 12-Punkt), die in Automobil- und Luft- und Raumfahrtanwendungen verwendet werden, wurden ausführlich analysiert. Bolzen und Schrauben unterhalb dieser Größenschwelle werden jedoch häufig weniger genau untersucht.

Der jüngste Ausfall von nach europäischen Normen hergestellten Verbindungselementen mit M5-Durchmesser hat dieses Problem deutlich gemacht. Bei Anwendungen in der Luft- und Raumfahrtindustrie werden beispielsweise häufig leichte Strukturen betont, die dünne Materialien und spezielle Befestigungselemente wie 100-Grad-Senkkopfschrauben erfordern. Solche dünnen Kopfkonstruktionen stellen besondere Herausforderungen bei der Entwicklung effektiver Drehmomentübertragungsmechanismen dar und sorgen gleichzeitig für die strukturelle Integrität der Kopf-Schaft-Schnittstelle.

Normungsorganisationen und Ingenieure für Verbindungselemente konzentrieren sich auf die Entwicklung von Teilenormen mit messbaren Attributen (z. B. Länge, Durchmesser, Kopfabmessungen), um die Einhaltung der Designanforderungen zu bestätigen. Allerdings bleibt es eine Herausforderung, die kritischen Spannungsbereiche an der Kopf-Schaft-Verbindung oder Gewichtsreduzierungsmerkmale genau zu messen, ohne die Schraube zu zerstören.

Daher besteht Konsens darüber, wie das Head Strength Ratio (HSR) berechnet werden soll, um die minimal akzeptable Zugfestigkeit an der Kopf-Schaft-Schnittstelle sicherzustellen, sowie über die Methoden und messbaren Daten, die bei diesen Berechnungen verwendet werden sollen.

1. Das Problem

Kürzlich durchgeführte Qualifizierungstests von Luft- und Raumfahrtschrauben (100-Grad-Senkkopf, Sechskant-Aussparung, Gewindekopf, Titanlegierung TI-P64001, eloxiert, Molybdändisulfid-beschichtet, ausgelegt für 900 MPa von Umgebungstemperatur bis 350 °C) ergaben, dass eine Charge von Schrauben mit M5-Durchmesser erfüllten die Grenzwerte des Zugtests nicht, und es kam zu Ausfällen an der Kopf-Schaft-Schnittstelle, die unterhalb des erforderlichen Schwellenwerts lagen.

Eine Untersuchung ergab, dass ähnliche Teile mit einer Nennfestigkeit von 1.100 MPa zuvor Tests auf der Grundlage analoger Standards für verschiedene Luft- und Raumfahrtschrauben mit unterschiedlichen Kopf- und Schaftgeometrien bestanden hatten. Dazu gehörten Linsenkopfschrauben mit gröberen Toleranzen und unterschiedlichen Gewinde-zu-Kopf-Übergängen. Die erheblichen Unterschiede in Design und Material werfen die Frage auf:

Welche Methoden oder Daten sollten verwendet werden, um die potenzielle Zugfestigkeit einer bestimmten Kopf-Schaft-Geometrie zu bewerten oder die Teileähnlichkeit für die Qualifizierung durch Analogie zu beurteilen?

Schlecht gestaltete Kopf- oder Aussparungsgeometrien können zu Fehlern an der Kopf-Schaft-Schnittstelle führen, wobei die Zugfestigkeit geringer als erwartet ist.

2. Variablen definieren

Die wichtigsten Variablen, die die Zugfestigkeit an der Kopf-Schaft-Schnittstelle beeinflussen, sind die effektive Geometrie der Schnittstelle und die Zugfestigkeit des Gewindeabschnitts, die auf der Grundlage der effektiven Zugspannungsfläche des Gewindes berechnet werden kann.

Für Verbindungselemente mit Übergang vom Schaft mit Gewinde zum Schaft ohne Gewinde: Die wirksame Zugspannungsfläche wird durch den Durchmesser am Übergang bestimmt.

Für Befestigungselemente mit Vollgewinde gilt: Der Bereich mit der schwächsten Zugspannung befindet sich typischerweise ein oder zwei Gewindegänge unterhalb des Übergangs.

Bei Verbindungselementen, bei denen das Gewinde bis zum Kopf reicht, liegt der Bereich mit der geringsten Zugspannung häufig im Übergang zwischen dem Gewinde und der Unterseite des Kopfes. Der effektive Zugspannungsdurchmesser an diesem Übergang kann dem Gewindesteigungsdurchmesser entsprechen oder etwas kleiner sein, wenn zur Reduzierung der Spannungskonzentration ein Kehlradius hinzugefügt wird.

Diese Unterscheidung ist für die Berechnung des HSR von entscheidender Bedeutung, da die effektive Zugfläche des Verbindungselements am Übergang zwischen Kopf und Schaft mit der gesamten Fläche des Schafts oder der Gewindesteigung verglichen wird. Idealerweise sollte der HSR 1 oder größer sein, um sicherzustellen, dass ein Zugversagen bei oder über der Mindestfestigkeit des Gewindesteigungsdurchmessers auftritt.

3. Berechnung des HSR

Zur Berechnung des HSR ist es wichtig, Worst-Case-Werte für Dimensionsvariablen wie den kleinsten Kopfdurchmesser und die größte Rillentiefe zu verwenden, um den niedrigstmöglichen Zugfestigkeitspunkt zu ermitteln.

Bei Befestigungselementen mit Vollgewinde wird die Querschnittsfläche unterhalb des Kopfes durch den Rohlingsdurchmesser bestimmt. Bei Verbindungselementen mit glattem Schaft wird der größere Körperdurchmesser verwendet. Der HSR wird dann als Verhältnis der effektiven Zugfläche zur Gewindesteigungsfläche berechnet.

Wichtige Überlegung: Verbindungselemente mit einem HSR von weniger als 1 sind im Allgemeinen für kritische Anwendungen ungeeignet, es sei denn, eine anwendungsspezifische Analyse beweist das Gegenteil.

4. Einfluss der Aussparungsgeometrie

Die Geometrie des Aussparungsantriebssystems beeinflusst die Kopffestigkeit erheblich. Kreuzantriebssysteme wie Phillips und Pozidriv haben eine definierte kreuzförmige Form, wobei der Spannungsbereich am engsten Schnittpunkt zwischen dem Kopf-Schaft-Übergangsradius und der Aussparung liegt. Zur Vereinfachung der Berechnung wird die Querschnittsfläche basierend auf dem Flügelaußendurchmesser näherungsweise kreisförmig angenommen.

Systeme mit geraden Wänden wie Torx behalten ein einheitliches Profil von der Oberseite des Kopfes bis zur Unterseite der Aussparung bei, wobei die effektive Fläche ähnlich bestimmt wird. Verbindungselemente mit glattem Schaft werden häufig in Anwendungen mit hoher Beanspruchung verwendet, bei denen ein HSR von 1 oder höher empfohlen wird.

Designs mit flachen Aussparungen oder Kopfkonfigurationen wie Knopf- oder Flachköpfe erzielen aufgrund der größeren Kopfmasse im Allgemeinen höhere HSR-Werte. Allerdings können Konstruktionen, bei denen eine reduzierte Kopfhöhe zur Gewichtseinsparung oder engere Abstände im Vordergrund stehen, die HSR beeinträchtigen, wenn die Aussparungstiefe nicht ausreichend minimiert wird.

Abschluss

Obwohl in dem Beispiel ein 100-Grad-Senkkopf-Befestigungselement für die Luft- und Raumfahrt verwendet wird, sollten die gleichen Prinzipien bei anfänglichen Bewertungen anderer Kopfkonfigurationen (z. B. Flachkopf, Halbrundkopf) gelten. Vorstehende Köpfe bieten im Allgemeinen einen höheren HSR aufgrund des größeren Materialvolumens an der Kopf-Schaft-Schnittstelle. Aussparungssysteme mit flachem Design, wie etwa die Schwalbenschwanzantriebe AS6305 MORTORQ oder NAS33750, können die Festigkeit bei Anwendungen mit dünnen Köpfen weiter verbessern.

Für Anwendungen mit hohem Drehmoment ist es wichtig, Aussparungssysteme mit einer großen Kontaktfläche zwischen Antriebswerkzeug und Aussparung zu entwerfen, um die erforderliche Klemmkraft zu erreichen.