Schrauben Optimierung von Schraubverbindungen durch realistische Haftreibungswerte

Selbst der erfahrene Praktiker kann häufig mit den in der Literatur und in den Regelwerken angegebenen Haftreibungszahlen nur ungenaue bzw. stark voneinander abweichende Reibwerte ermitteln. Die Fachhochschule Köln und Acument Global Technologies haben deshalb einen Prüfstand entwickelt, mit dem eine Messung der Haftreibwerte unter realen Bedingungen möglich wird.

Anbieter zum Thema

Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG

ACE Stoßdämpfer GmbH

Eine Schraube muss Bauteile zuverlässig miteinander verspannen, besonders wenn von außen wirkende Kräfte versuchen, die verspannten Bauteile gegeneinander zu verschieben. Dabei steuern die Montagevorspannkraft der Schraube und die Haftreibung in der Trennfuge der Verschiebung beider Bauteile entgegen.

Realistische Haftreibungswerte für den Kraftschluss in Bauteilfugen festzulegen ist deshalb ein ständiges Thema bei der Dimensionierung aller reibschlüssigen Verbindungen, so auch bei querbelasteten Schraubverbindungen. Die aus zahlreichen Quellen verfügbaren Richtwerte streuen aufgrund der vielfältigen Einflussgrößen auf die Reibung stark.

Besonders für Großserien mit den üblichen Fügeflächen ist die Messung von Fugenreibungszahlen von Interesse. Ihre exakte Ermittlung kann Bauraum, Gewicht und dadurch Kosten sparen.

Vielfältige Einflussgrößen auf die Reibung

Die Abhängigkeit der Haftreibung von der Flächenpressung verläuft keineswegs linear. Nach theoretischen Überlegungen für idealisierte Oberflächen wird die Haftreibung von einer Adhäsionskomponente und einer Deformationskomponente beeinflusst. Bei geringen Flächenpressungen überwiegt der Adhäsionsanteil und nimmt mit steigender Flächenpressung ab, während der Deformationsanteil hingegen stetig wächst. Deshalb sinkt mit zunehmender Flächenpressung zunächst die Haftreibung und steigt nach Erreichen eines Minimums wieder an.

Ebenso sind die Elastizitätsmoduli, wie auch die Mikrogeometrien der Kontaktflächen von Bedeutung. Bei höheren Flächenpressungen ändert sich der Adhäsionsanteil nur wenig. Die Festigkeitsgrenzen werden überschritten und infolge der Plastifizierung der in Kontakt stehenden Rauigkeitsspitzen dominiert der Deformationsanteil. Durch diese Überlegungen wird die bei eigenen Messungen festgestellte Charakteristik des Einflusses der Flächenpressung bestätigt.

Tatsächliche Reibungsverhältnisse am Prüfstand ermitteln

Zur Untersuchung des Haftreibwertes in der Trennfuge stehen dem Labor für Antriebs- und Fördertechnik der Fachhochschule Köln zwei Prüfstände zur Verfügung. In einem Prüfstand, der in Kooperation mit Acument Global Technologies entwickelt wurde, bilden zwei aufeinander stehende Proben in Form von Hohlzylindern die Trennfuge. Diese werden entlang ihrer Längsachse durch eine Normalkraft, anschließend durch eine ansteigende Querkraft gegeneinander belastet bis eine Verschiebung eintritt. Dieser Prüfstand eignet sich dazu, verschiedene Einflussgrößen auf den Reibwert zu untersuchen, wie beispielsweise die Flächenpressung, den Werkstoff (Festigkeit), die Oberfläche (Rauheit, Bearbeitungsverfahren, Bearbeitungsrichtung, Härte), die Beschichtung oder die Schmierung in der Trennfuge.

Mit dieser Versuchsanordnung wurden verschiedene, heute in der Praxis verwendete Werkstoffe untersucht, die zum Teil mit unterschiedlichen Bearbeitungsverfahren hergestellt wurden. Auch bei den Werkstoffpaarungen und Oberflächenbeschichtungen wurden die heutzutage in der Automobilindustrie gängigen Varianten berücksichtigt.

Zuverlässige Reibwerte für die Antriebs- und Fördertechnik

Mit dem zweiten Prüfstand können die Reibwerte in der Trennfuge zwischen dem Tellerrad und dem Gehäuse eines Ausgleichgetriebes ermittelt werden. An diesem Prüfstand wirkte allerdings keine Querkraft, sondern ein Drehmoment auf die Trennfuge. Die Verschiebung erfolgt dabei an den zwei drehmomentbelasteten Prüfkörpern rotatorisch.

Die Versuchsergebnisse zeigen, dass die ermittelten Haftreibungswerte des Torsionsversuchs denen des Querkraftversuchs entsprechen. Somit lassen sich die Messergebnisse verifizieren.

Mit dem gemeinsamen „Querkraftprüfstand“ der Fachhochschule Köln und Acument steht eine universelle Messvorrichtung zur Verfügung, der zur Untersuchung der Haftreibungszahl beliebiger Werkstoffpaarungen eingesetzt wird. Er bietet zur Messung von Reibwerten im Labor für Antriebs- und Fördertechnik eine geeignete Methode zur Reibwertbestimmung, um Schraubenverbindungen zu optimieren.

*Max Klöcker arbeitet am Institut für Produktentwicklung und Konstruktionstechnik der Fakultät für Anlagen-, Energie- und Maschinensysteme an der FH Köln. Robert Kupczyk ist technischer Leiter für Nordeuropa bei Acument Global Technologies Europe.

(ID:213075)