Wie kann das Risiko einer Lockerung von Gewindebefestigungen verringert werden?

Durch die Konstruktion von Verbindungen auf der Grundlage der minimalen erwarteten Vorspannung, die von der Schraube erzeugt wird, wird jegliches Risiko einer Lockerung ausgeschlossen. Allerdings kann die Auslegung auf der Grundlage der durchschnittlichen Vorspannung ohne Anwendung eines „Sicherheitsfaktors“ zum Lösen vieler Schrauben führen. Es muss auch der Vorspannungsverlust durch Einbettung berücksichtigt werden, der an der Gewindeschnittstelle und unter dem Schraubenkopf und der Mutternfläche beim Setzen der Kontaktfläche auftritt.

Gewindebefestigungen verstehen

Praktisch jedes technische Produkt komplexer Komplexität verwendet Gewindebefestigungen. Ein wesentlicher Vorteil von Schraubverbindungen gegenüber den meisten anderen Verbindungsmethoden besteht darin, dass sie demontiert und wiederverwendet werden können. Diese Eigenschaft macht Schraubverbindungen oft zur bevorzugten Verbindungsmethode und spielt eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität. Sie sind jedoch auch eine Hauptursache für mechanische und andere Komponentenprobleme. Ein Teil des Problems rührt von ihrer unbeabsichtigten Selbstlockerung her.

Seit der Industriellen Revolution ist die Selbstlockerung eine Herausforderung. In den letzten 150 Jahren haben Erfinder nach Möglichkeiten gesucht, dies zu verhindern. Viele gängige Sicherungsmethoden für Gewindebefestigungen wurden vor über 100 Jahren erfunden, die primären Mechanismen, die zur Selbstlockerung führen, wurden jedoch erst vor kurzem verstanden. Zum Lösen von Gewindebefestigungen tragen mehrere Mechanismen bei, die grob in rotierendes und nicht rotierendes Lösen eingeteilt werden.

Rotierendes und nichtrotierendes Lösen

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

Lockerung der Befestigungselemente aufgrund nichtdrehender Lockerung

Nach der Montage kann eine Verformung des Verbindungselements selbst oder der Verbindung zu einer nichtdrehenden Lockerung führen. Dies kann durch einen teilweisen Kunststoffkollaps an diesen Grenzflächen entstehen.

Wenn zwei Oberflächen in Kontakt kommen, tragen die Unregelmäßigkeiten auf jeder Oberfläche die Last. Da die tatsächliche Kontaktfläche oft deutlich kleiner ist als die scheinbare Fläche, können selbst mäßige Belastungen die Streckgrenze des Materials überschreiten.

Verstärkter Oberflächenkontakt

Dies führt zu einem teilweisen Zusammenbruch der Oberfläche nach dem Spannvorgang, ein Phänomen, das allgemein als Einbettung bezeichnet wird. Das Ausmaß des Klemmkraftverlusts aufgrund des Einbettens hängt von der Steifigkeit der Schraube und des Gelenks, der Anzahl der Schnittstellen innerhalb des Gelenks, der Oberflächenrauheit und der ausgeübten Lagerspannung ab. Bei mäßiger Oberflächenbeanspruchung führt das anfängliche Zusammenfallen typischerweise zu einem Verlust von etwa 1 % bis 5 % der Klemmkraft innerhalb der ersten Sekunden nach dem Anziehen. Bei anschließender dynamischer Belastung des Gelenks kommt es zu weiteren Reduzierungen durch Druckänderungen an den Gelenkschnittstellen.

Problematisch ist die einbettungsbedingte Lockerung bei Verbindungen mit mehreren dünnen Schnittstellen und geringer Schraubenklemmlänge. Bleibt die Oberflächentragspannung unter der Druckstreckgrenze des Verbindungsmaterials, kann der Betrag des Einbettungsverlusts berechnet und die Verbindung so konstruiert werden, dass dieser Verlust ausgeglichen wird.

Junkers Theorie zur Selbstlockerung von Verbindungselementen

In Gerhard Junkers technischem Aufsatz „Neue Kriterien für die Selbstlockerung von Verbindungselementen unter Vibration“ (SAE Paper 690055) aus dem Jahr 1969 wurden Testergebnisse vorgestellt, die seine Theorie darüber, warum sich Gewindebefestigungen von selbst lösen, untermauern. Seine wichtigste Erkenntnis war, dass sich vorgespannte Befestigungselemente durch Rotation lösen, sobald eine Relativbewegung zwischen den Gegengewinden und den Auflageflächen des Befestigungselements und des geklemmten Materials auftritt. Junker stellte fest, dass durch querdynamische Belastungen verursachte Selbstlockerungszustände weitaus schwerwiegender waren als solche durch dynamische Axialbelastungen. Dies liegt daran, dass die radiale Bewegung bei axialer Belastung deutlich kleiner ist als bei Querbelastung.

Seitliche Bewegung bei Schraubverbindungen

Junker zeigte, dass sich vorgespannte Befestigungselemente selbst lösen, wenn eine Relativbewegung zwischen den Gegengewinden und den Auflageflächen des Befestigungselements auftritt. Diese Relativbewegung entsteht, wenn die auf das Gelenk wirkende Querkraft den durch die Vorspannung der Schraube erzeugten Reibungswiderstand übersteigt. Bei kleinen seitlichen Verschiebungen kann es zu Relativbewegungen zwischen den Gewindeflanken und den Lagerkontaktflächen kommen. Sobald das Gewindespiel überwunden ist, erfährt die Schraube Biegekräfte, und wenn die seitliche Verschiebung anhält, gleitet die Auflagefläche des Schraubenkopfes. Nach dem Einleiten kommt es vorübergehend zu keiner Reibung zwischen dem Gewinde und dem Schraubenkopf, was aufgrund des Schließdrehmoments, das durch die Vorspannung auf den Steigungswinkel des Gewindes ausgeübt wird, zu einer relativen Drehung führt.

Durch wiederholte Querbewegungen kann sich die Befestigung vollständig lösen. Zur Untersuchung der Lockerungsursachen entwickelte Junker eine Prüfmaschine, die sogenannte Junker-Maschine, um die Wirksamkeit von Verbindungskonstruktionen gegen Selbstlockerung zu quantifizieren.

Prüfmaschine für Verbindungselemente von Junker

Um Reibungseffekte zwischen den beweglichen und stationären Platten zu eliminieren, werden Rollenlager eingesetzt. Während auf die durch die Mutter festgeklemmte bewegliche Platte eine Querbewegung ausgeübt wird, überwacht eine Kraftmessdose kontinuierlich die Schraubenlast. Dies stellt einen erheblichen Vorteil gegenüber Schlagteststandards dar, da der Vorspannungsverlust während des Tests gemessen und als Funktion der Zyklen dargestellt werden kann. Die Junker-Maschine simuliert eine Schaukelbewegung innerhalb des Verbindungselements, die durch eine von einer Nocke erzeugte Querverschiebung verursacht wird. Die Überwindung der Reibungskräfte des Verbindungselements führt zu einer Selbstlockerung.

Lockerungskurve des Junker-Vibrationstests

Tests wie der Junker-Test (detailliert in DIN 65151) ermöglichen den Vergleich der Leistung verschiedener Befestigungskonstruktionen bei der Verhinderung des Selbstlockerns. In den letzten zwei Jahrzehnten wurden umfangreiche Untersuchungen durchgeführt, um die Widerstandsfähigkeit bestehender Befestigungskonstruktionen gegen ein Lösen durch Vibrationen zu bewerten. Für einen effektiven Vergleich ist die Verwendung derselben Amplitude erforderlich, da dies erhebliche Auswirkungen auf die Ergebnisse hat. Typische Testergebnisse für Schraubenfederscheiben werden hier angezeigt.

Einige Tests deuten darauf hin, dass das Anbringen einer Schraubenfederscheibe unter dem Schraubenkopf das Lösen beschleunigt, während andere zeigen, dass die Verwendung solcher Unterlegscheiben eine ähnliche Wirkung hat wie Schrauben ohne Sicherungsvorrichtung. Viele große OEM-Hersteller haben diese Erkenntnisse erkannt und spezifizieren solche Unterlegscheiben nicht mehr in ihren internen Standards. Der fortgesetzte Einsatz dieser Unterlegscheiben lässt jedoch darauf schließen, dass viele Organisationen sich dieser Erkenntnisse noch nicht bewusst sind.

Forschungsergebnisse

Die am weitesten verbreitete Ursache für die Selbstlockerung von Gewindeverbindungen sind nicht Vibrationen an sich, sondern Gelenkbewegungen, insbesondere Quergleiten zwischen den Schraubengewinden und den Auflageflächen. Wenn vom Bolzen eine ausreichende Vorspannung erzeugt werden kann, um eine Gelenkbewegung zu verhindern, sind Verriegelungsvorrichtungen nicht erforderlich, da die Teile durch Reibung zusammengehalten werden. Die größte Herausforderung bei der Konstruktion mit Gewindebefestigungen besteht darin, eine ausreichende Vorspannung sicherzustellen, um die Teile trotz Änderungen der Reibungsbedingungen sicher zusammenzuhalten. Die Grafik zeigt die Auswirkung von Reibungsänderungen auf die Schraubenvorspannung.

Der Schlüssel zur Verhinderung einer Selbstlockerung: Ausreichende Schraubenlast

Typischerweise enthalten die Anzugsspezifikationen einen Drehmomentbereich, um eine wirtschaftliche Verbindungsmontage zu ermöglichen. Unter Berücksichtigung dessen und potenzieller primärer Drehmomentschwankungen (mit maximalen und minimalen Grenzwerten) kann ein Diagramm erstellt werden, das die durch Montagespezifikationen verursachten Vorspannungsschwankungen zeigt.

Durch die Konstruktion von Verbindungen auf der Grundlage der erwarteten minimalen Vorspannung, die von der Schraube erzeugt wird, wird jegliches Risiko einer Lockerung ausgeschlossen. Allerdings kann die Auslegung auf der Grundlage der durchschnittlichen Vorspannung ohne Anwendung eines „Sicherheitsfaktors“ zum Lösen vieler Schrauben führen. Es muss auch der Vorspannungsverlust durch Einbettung berücksichtigt werden, der an der Gewindeschnittstelle und unter dem Schraubenkopf und der Mutternfläche auftritt. Um das Einbetten zu begrenzen, stellen Sie sicher, dass die Lagerspannung unter der Mutternfläche, dem Schraubenkopf und innerhalb der Verbindung innerhalb des zulässigen Bereichs für das geklemmte Material bleibt.

In Fällen, in denen eine Gelenkbewegung nicht verhindert werden kann, beispielsweise bei Wärmeausdehnung, sollte eine zuverlässige Verriegelungsvorrichtung vorgesehen werden.