Wie können Sie das Risiko verringern, dass sich Schraubverbindungen lösen?

Bei der Konstruktion von Verbindungen kann die Gefahr einer Lockerung wirksam vermieden werden, indem die erwartete Mindestvorspannung der Schrauben berücksichtigt wird. Wenn Sie keinen „Sicherheitsfaktor“ verwenden und stattdessen eine durchschnittliche Vorspannung zugrunde legen, ist es wahrscheinlich, dass sich viele Schrauben lockern. Sie müssen auch den Verlust der Vorspannung aufgrund der Einbettung berücksichtigen, der normalerweise im Gewinde und unterhalb der Kontaktfläche zwischen Schraubenkopf und Mutter auftritt, wenn sich die Kontaktfläche setzt.

Gewindebefestigungen verstehen

Tatsächlich spielen Verbindungselemente mit Gewinde eine wesentliche Rolle in jedem technischen Produkt, egal wie komplex es ist. Ein wesentlicher Vorteil von Schraubverbindungen gegenüber den meisten anderen Verbindungsmethoden besteht darin, dass sie abnehmbar und wiederverwendbar sind. Diese Eigenschaft ist oft ein wichtiger Grund dafür, dass sich Schraubverbindungen auszeichnen und anderen Verbindungsmethoden vorgezogen werden. Sie spielen oft eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität des Produkts. Allerdings darf nicht außer Acht gelassen werden, dass auch Gewindeverbindungen häufig eine große Problemquelle in Maschinen und anderen Bauteilen darstellen. Dies liegt unter anderem daran, dass sie sich unbeabsichtigt lösen können.

Das selbsttätige Lösen von Schraubverbindungen ist seit Beginn der industriellen Revolution ein Phänomen. Erfinder haben in den letzten 150 Jahren nach wirksamen Lösungen gesucht, um dieses Phänomen zu verhindern. Viele gängige Sicherungsmethoden für Gewindebefestigungen wurden vor mehr als 100 Jahren erfunden. Allerdings sind die wesentlichen Mechanismen, die zur Selbstlockerung führen, erst seit kurzem bekannt. Tatsächlich gibt es viele verschiedene Mechanismen, die zum Lösen von Gewindebefestigungen führen, die grob in zwei Kategorien unterteilt werden können: Rotationslockern und Nichtrotationslockern.

Rotierendes und nichtrotierendes Lösen

In den allermeisten Anwendungen werden Gewindebefestigungen angezogen, um eine Vorspannung auf die Verbindung auszuüben. Unter Lösen kann der nachträgliche Verlust der Vorspannung nach Abschluss des Anzugsvorgangs verstanden werden. Dies kann auf zwei Arten geschehen. Rotationslockerung, oft Selbstlockerung genannt, tritt auf, wenn sich das Befestigungselement unter äußerer Belastung dreht. Eine nichtdrehende Lockerung liegt vor, wenn zwischen Innen- und Außengewinde keine Relativbewegung stattfindet, aber die Vorspannung verloren geht.

Lockerung des Befestigungselements aufgrund nichtdrehender Lockerung

Durch Verformung des Befestigungselements selbst oder der Verbindung nach der Montage kann es zu einer nichtdrehenden Lockerung kommen. Dies kann die Folge eines teilweisen plastischen Zusammenbruchs dieser Grenzflächen sein.

Wenn zwei Oberflächen miteinander in Kontakt kommen, tragen die Unebenheiten auf jeder Oberfläche eine tragende Last. Da die tatsächliche Kontaktfläche selbst bei mäßiger Belastung erheblich kleiner sein kann als die scheinbare Fläche, sind die Unebenheiten größer als die Streckgrenze des Materials.

Vergrößerte Oberflächen mit Unebenheitskontakt

Dies führt dazu, dass die Oberflächen nach Abschluss des Spannvorgangs teilweise zusammenbrechen. Dieses Falten wird oft als Einbetten bezeichnet. Der Betrag der durch das Einbetten verlorenen Klemmkraft hängt von der Steifigkeit der Schraube und der Verbindung, der Anzahl der in der Verbindung vorhandenen Schraubenschnittstellen, der Oberflächenrauheit und den ausgeübten Lagerspannungen ab. Bei mäßiger Oberflächenbeanspruchung führt der anfängliche Zusammenbruch typischerweise dazu, dass innerhalb der ersten Sekunden nach dem Festziehen der Verbindung etwa 1 bis 5 % der Klemmkraft verloren gehen. Bei anschließender dynamischer Belastung des Gelenks durch einwirkende Kräfte kommt es aufgrund der an den Gelenkschnittstellen auftretenden Druckänderungen zu einer weiteren Reduzierung.

Bei Verbindungen mit mehreren dünnen Passflächen und einer kleinen Schraubenklemmlänge ist eine Lockerung aufgrund von Einbettungsverlusten problematisch. Wenn die Oberflächenbelastung unter der Druckstreckgrenze des Verbindungsmaterials gehalten wird, kann die Höhe des Einbettungsverlusts berechnet und die Verbindung so konstruiert werden, dass sie diesen Verlust ausgleicht.

Junkers Theorie der Selbstlockerung von Verbindungselementen

Gerhard Junker veröffentlichte 1969 einen technischen Artikel („A New Standard for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration“, SAE Paper 690055, 1969), in dem er die Ergebnisse seiner Testarbeiten präsentierte, um seine Theorie darüber zu untermauern, warum sich Gewindebefestigungen von selbst lösen . Seine wichtigste Erkenntnis: Vorgespannte Verbindungselemente können sich durch Rotation lösen, sobald eine Relativbewegung zwischen den Gegengewinden und zwischen der Auflagefläche des Verbindungselements und dem eingespannten Material auftritt. Junker fand heraus, dass querdynamische Belastungen Selbstlockerungsbedingungen hervorrufen, die viel schwerwiegender sind als dynamische Axialbelastungen. Der Grund dafür ist, dass die radiale Bewegung unter axialer Belastung deutlich geringer ist als die radiale Bewegung unter transversaler Belastung.

Querbewegung in Schraubverbindungen

Junker zeigte, dass sich vorgespannte Befestigungselemente selbst lösen können, wenn eine Relativbewegung zwischen den Gegengewinden und der Auflagefläche des Befestigungselements auftritt. Diese Relativbewegung entsteht, wenn die auf das Gelenk einwirkenden Querkräfte größer sind als der durch die Vorspannung der Schraube erzeugte Reibungswiderstand. Bei kleinen Querverschiebungen kann es zu Relativbewegungen zwischen den Gewindeflanken und den Kontaktflächen im Lagerbereich kommen. Sobald das Gewindespiel überwunden ist, wirken Biegekräfte auf die Schraube und bei anhaltendem seitlichen Gleiten kommt es zum Verrutschen der Schraubenkopfauflagefläche. Nach dem Einleiten sind die Gewinde und der Schraubenkopf vorübergehend reibungsfrei. Das aufgrund der auf den Gewindeschrägungswinkel wirkenden Vorspannung vorhandene innere Schließmoment erzeugt eine korrelierte Drehung zwischen Mutter und Schraube.

Bei wiederholten seitlichen Bewegungen kann dieser Mechanismus die Befestigung vollständig lösen. Um die Lockerungsursachen zu untersuchen, entwickelte Junker eine Prüfmaschine, die sogenannte „Junker-Maschine“, mit der die Wirksamkeit der Lockerungssicherungseigenschaften des Verbindungsdesigns quantifiziert werden soll.

Rollenlager werden verwendet, um die Auswirkungen der Reibung zwischen der beweglichen Platte und der festen Platte zu beseitigen. Wägezellen können die Schraubenlast kontinuierlich überwachen, während seitliche Bewegungen auf die bewegliche Platte ausgeübt werden, auf der die Mutter festgeklemmt ist. Dies ist ein großer Vorteil gegenüber Schlagteststandards, da der Verlust der Vorspannung während des Tests gemessen und als Funktion der Vorspannung gegenüber der Periode aufgetragen werden kann. Die Idee hinter der Junker-Maschine besteht darin, dass die durch die Nocke erzeugte seitliche Verschiebung eine Schaukelbewegung im Befestigungselement verursacht. Durch die Überwindung der Reibung im Befestigungselement kommt es zu einer Selbstlockerung.

Junker-Vibrationstest-Lockerungskurven

Tests wie der Junker-Test (Prüfungsdetails in der Spezifikation DIN 65151) ermöglichen den Vergleich der Leistung verschiedener Befestigungskonstruktionen mit der Selbstlockerung. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde viel Arbeit in die Untersuchung bestehender Befestigungskonstruktionen investiert, um sie mit der Lockerung durch Vibrationen zu vergleichen. Um einen gültigen Vergleich durchführen zu können, ist es wichtig, dass die gleiche Amplitude verwendet wird, da dies einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse hat. Typische Testergebnisse für eine Schraubenfederscheibe werden hier gezeigt.

Einige Tests haben gezeigt, dass das Anbringen einer Schraubenfederscheibe unter dem Schraubenkopf das Lösen beschleunigen kann, andere Tests haben gezeigt, dass die Verwendung einer solchen Unterlegscheibe eine ähnliche Leistung erbringt wie die Verwendung einer Schraube ohne Sicherungsvorrichtung. Viele große OEM-Hersteller sind sich dieser Erkenntnisse bewusst und spezifizieren solche Unterlegscheiben nicht mehr in ihren internen Standards. Gemessen an der fortgesetzten Verwendung dieser Unterlegscheiben scheinen sich viele Organisationen dieser Erkenntnisse jedoch nicht bewusst zu sein.

Viele Sicherungsvorrichtungen für Gewindebefestigungen basieren entweder auf der Verhinderung einer relativen Gewindebewegung zwischen Bolzen- und Muttergewinde (z. B. bei Nylon-Einsatzmuttern) oder auf der Verhinderung einer Bewegung der Mutter relativ zur Verbindung (z. B. bei verschiedenen Arten von „Sicherungs“-Unterlegscheiben). ). Junker und andere spätere Forscher haben jedoch darauf hingewiesen, wie wichtig es ist, seitliche Gelenkbewegungen zu verhindern. Schraubverbindungen sind so konstruiert, dass die Klemmkraft der Schrauben ausreicht, um seitliche Bewegungen durch Reibung zwischen den Verbindungsplatten zu verhindern und ein Lösen zu verhindern. Dies kann bereits in der Entwurfsphase erreicht werden, indem die Größe und Stärke des Befestigungselements so ausgewählt wird, dass die Vorspannung ausreichend Reibung erzeugen kann, um zu verhindern, dass äußere Lasten eine Gelenkbewegung verursachen.

Schlussfolgerungen

Bezüglich des Phänomens der Selbstlockerung bei Schraubverbindungen wird allgemein davon ausgegangen, dass Gelenkbewegungen, insbesondere seitliches Verrutschen zwischen den Schraubengewinden und der Auflagefläche, die Hauptursache sind und Vibrationen nicht der kritischste Faktor sind. Wenn vom Bolzen eine ausreichende Vorspannung erzeugt werden kann, um die Verbindung stationär zu halten, sind keine zusätzlichen Verriegelungsvorrichtungen erforderlich, da die Reibung ausreicht, um die Teile fest zusammenzuhalten. Bei der Konstruktion mit Schraubverbindungen geht es vor allem darum, sicherzustellen, dass die Vorspannung ausreicht, um die Teile auch bei wechselnden Reibungsbedingungen fest an Ort und Stelle zu halten. Die folgende Abbildung zeigt die Auswirkung von Reibungsänderungen auf die Schraubenvorspannung. Typischerweise wird in den Anzugsspezifikationen ein Drehmomentbereich festgelegt, der die Montageanforderungen der Verbindung erfüllt und gleichzeitig die Wirtschaftlichkeit berücksichtigt. Unter Berücksichtigung dieses Drehmomentbereichs sowie der möglichen Hauptdrehmomente (mit Maximal- und Minimalgrenzen) kann ein Diagramm erstellt werden, das die Variation der Vorspannung aufgrund unterschiedlicher Montagespezifikationen zeigt. Durch die Auslegung der Verbindung entsprechend der minimal zu erwartenden Vorspannung, die von den Schrauben erzeugt wird, wird das Risiko einer Lockerung effektiv eliminiert. Wenn andererseits der „Sicherheitsfaktor“ nicht angewendet wird und die Konstruktion auf der durchschnittlichen Vorspannung basiert, ist es wahrscheinlich, dass sich viele Schrauben lockern. Darüber hinaus muss ein gewisser Ausgleich für den Vorspannungsverlust durch Einbettung im Gewindebereich und unter dem Schraubenkopf und der Mutternfläche beim Setzen der Kontaktfläche geschaffen werden. Um die Einbettung zu kontrollieren, muss sichergestellt werden, dass die Lagerspannungen auf der Mutternfläche, dem Schraubenkopf und im Inneren der Verbindung immer innerhalb des maximalen Lagerspannungsbereichs liegen, den die eingespannten Materialien zulassen. In einigen Fällen, in denen Gelenkbewegungen nicht vermieden werden können, beispielsweise bei Gelenkbewegungen aufgrund von Wärmeausdehnung, sollten zuverlässige Verriegelungsvorrichtungen verwendet werden.