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Schrauben Schrauben ohne Verluste vorspannen

Autor / Redakteur: Lennart Gravert* / Dipl.-Ing. Dorothee Quitter

Smart Tensioner hat eine hydraulische Spannmutter (HTU) mit externer Pumpe entwickelt, deren gesamte Belastungskapazität für die Axialkraft verwendet wird.

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Mit der Hydraulic Tensioning Unit (HTU) ist auch ein paralleles Verspannen hochbeanspruchter Schraubverbindungen durch Synchronisation zwischen den Pumpen möglich.
Mit der Hydraulic Tensioning Unit (HTU) ist auch ein paralleles Verspannen hochbeanspruchter Schraubverbindungen durch Synchronisation zwischen den Pumpen möglich.
(Bild: Azeta)

Will man eine Schraubenverbindung auf eine zuvor definierte Vorspannung bringen, so bedient man sich zumeist eines Drehmomentschlüssels. Der Genauigkeit dieses Schraubwerkzeugs sind jedoch Grenzen gesetzt. Da die Kraft über Torsion auf die Schraube aufgebracht wird, gibt es erhebliche Verluste, die aufgrund der Reibung der Gewindeflanken auf der einen Seite und der Kopfreibung zwischen Schraubenkopf und Auflagefläche auf der anderen Seite entstehen. Der beschriebene Ablauf führt zudem zu Torsionsspannungen in der Schraube, die diese über ihre eigentliche Aufgabe, der axialen Belastung, hinaus beanspruchen. Hinzu kommen die Unsicherheiten im Zusammenhang mit der natürlichen Streuung der Reibungszahlen, die eine exakte Einstellung der Vorspannkraft unmöglich machen.

Wie erreicht man es also, die volle Belastungskapazität der Schraube für die Axialkraft zu verwenden und diese präzise einzustellen? Die Lösung ist hydraulisches Verspannen und kann durch die hydraulische Spannmutter HTU (HydraulicTensioning Unit) von Smarttensioner umgesetzt werden. Diese tritt an die Stelle der konventionellen Sechskantmutter.

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Beim hydraulischen Verspannen von Schrauben wird weder Schraube noch Mutter gedreht. Dies bietet den Vorteil, dass keine Torsionsspannungen entstehen, die die Schraubenbelastbarkeit wie bereits beschrieben um ca. 30 % reduzieren. Die gesamte Festigkeit der Schraube steht der axialen Belastbarkeit zur Verfügung und der Konstrukteur kann entsprechend mit höheren Axialkräften planen. Bolzen lassen sich bis exakt an die Belastungsgrenze des Werkstoffes verspannen. So können zum Beispiel Druckbehälter kleiner und leichter ausgeführt werden. Auf der anderen Seite können bei unveränderter Bauteilgeometrie die Nenngrößen der Schrauben reduziert bzw. ihre Anzahl verringert werden.

So funktioniert's

Die HTU besteht aus einem Nutkörper und einem in ihm sitzenden ringförmigen Kolben. In der Nut wird der hydraulische Druck aufgebaut. Dieser Zwischenraum ist mit zwei unterschiedlich viskosen Ölen gefüllt, welche durch eine Trennschicht voneinander separiert sind. Die Pumpe fördert das niedrigviskose Öl in die Nut und baut, während sich der Kolben gegen den Flansch drückt, den Druck bis zur gewünschten Vorspannkraft der Schraube auf. Das hochviskose Öl ist nicht förderbar und verändert sein Volumen während der Lebenszeit der HTU nicht. Es wird gegen die Dichtung am Kolben gepresst.

Druck wird gehalten

Der notwendige hydraulische Druck wird von einer dafür eigens entwickelten kleinen Pumpe erzeugt, die direkt auf die HTU montiert ist – die HTU kommt daher ohne Hochdruck-Hydraulikschläuche aus. Dadurch ist das System trotz hy- draulischer Drücke bis 2.500 bar sehr sicher. Nach Erreichen der Zielkraft wird der hydraulische Druck in der HTU dauerhaft verschlossen und es treten im Gegensatz zu anderen hydraulischen Spannverfahren bei der HTU keine Setzverluste auf, da der Druck über die gesamte Lebenszeit gehalten wird. Durch die parallele Verwendung von Ölen mit unterschiedlich hohen Viskositäten kann die dauerhafte Dichtigkeit und somit die Vorspannkraft garantiert werden. Die Schraubenbolzen können bis exakt an die Belastungsgrenze verspannt werden, was dem Konstrukteur größere Gestaltungsspielräume gewährt.

Einsatz im DESY möglich

Aufgrund von plastischer Verformung und weiteren Effekten, kann sich die Verspannung einer Flanschverbindung über die Zeit reduzieren. In der der HTU lässt sich der Druck – und damit die aktuell auf die Schraube wirkende Axialkraft – auch nach dem Verspannen noch permanent überwachen. Diesen Vorteil überlegt zum Beispiel das DESY zu nutzen, Deutschlands größtes Beschleunigerzentrum. In den Teilchenbeschleunigern, die aus vielen einzelnen Rohrabschnitten zusammengesetzt sind, muss Vakuum herrschen. Um nun bei Druckverlusten im System diejenige Rohrverbindung zu identifizieren, an der die Verluste auftreten ohne dabei jede Verbindung einzeln prüfen zu müssen, könnte die HTU genutzt werden. Die Sensoren, die diesen Druck kontrollieren, arbeiten sowohl mit Kabel als auch kabellos. (qui)

* Lennart Gravert, Design Engineer, Azeta GmbH & Co. KG, Hamburg

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