Suchen

Schraubenberechnung

Schraubenverbindungen exakt auslegen

| Redakteur: Juliana Pfeiffer

Schraubenverbindungen nach VDI 2230 Blatt 1 und 2 sicher und schnell berechnen – Mdesign hat mit den Programmen Mdesign Bolt und Mdesign Multibolt die passende Lösung entwickelt.

Firmen zum Thema

Mit dem Modul Mdesign multibolt können die Kernpunkte des Blattes 2 der VDI 2230 effizient umgesetzt werden.
Mit dem Modul Mdesign multibolt können die Kernpunkte des Blattes 2 der VDI 2230 effizient umgesetzt werden.
(Bild: Mdesign)

Seit mehr als 25 Jahren steht die Richtlinie VDI 2230 den Konstrukteuren im Maschinenbau treu zur Seite. Die Richtlinie findet auch in der von Tedata entwickelten Berechnungssoftware Mdesign Anwendung. Speziell in dem Modul Mdesign Bolt wird bei der Auslegung von einzelnen Schraubenverbindungen die Richtlinie VDI 2230 Blatt 1 umgesetzt und das Modul kann zudem über den angegebenen Geltungsbereich hinaus verwendet werden. Die Angaben und Berechnungen der VDI-2230-Richtlinie gelten nur für Stahlschrauben mit einem Befestigungsgewinde und einem 60°-Flankenwinkel. Desweiteren gilt die Richtlinie bei hochbeanspruchten und hochfesten Schraubenverbindungen mit den Festigkeitsklassen 8.8 bis 12.9 bzw. 70 und 80 bei Edelstahlschrauben und mit einer kraftschlüssigen Übertragung der Betriebsbelastung. Es werden aber darüber hinaus auch Biegemomente und Querkräfte zugelassen und in der Berechnung berücksichtigt. Grundsätzlich wird bei allen Verbindungen die Parallelität der Schraubenachsen im unbelasteten Zustand vorausgesetzt. Plastische Verformungen werden im mikrogeometrischen Bereich in Form der Setzkraftverluste berücksichtigt und im Übrigen ausgeschlossen. Es wird eine ideale Geometrie und Isotropie der Werkstoffe vorausgesetzt, ebenso gelten die Daten der Werkstoffe streng genommen nur bei Raumtemperatur. Der Abmessungsbereich der Schraubengröße wird offiziell nur von M4 bis M39 angegeben, aber die Richtlinie kann, laut eigener Angabe, sinngemäß für Schrauben aus anderen Werkstoffen, abweichenden Festigkeiten und auch für andere Durchmesser angewendet werden.

Software erweitert Geltungsbereich

Die Software Mdesign Bolt erweitert den Geltungsbereich der VDI 2230 optional und erlaubt bei der Berechnung auch andere Werkstoffe, Verspannungen mit bis zu zehn verspannten Bauteilen, Berechnungen mit Temperaturabhängigkeiten und auch eigene Schraubengeometrien wie z. B. Hohlschrauben. Neue Elemente in Mdesign Bolt sind auch die implementierten Sicherungsringe und selbstsichernden Muttern. Zur Problematik der Mehrschraubenverbindungen stellt der VDI das Blatt 2 der Richtlinie 2230 und in ihr unterschiedliche Modelltypen für die Finite-Elemente-Berechnung zur Verfügung. Die Richtlinie wird zur Auslegung fast aller maschinenbaurelevanten Verschraubungen eingesetzt, denn die Berechnung von einer Einschraubenverbindung läuft nach genau festgelegten Rechenschritten (R0 bis R13) ab und ist ein einfaches Verfahren: Über die Randbedingungen der einzelnen Schraubenverbindung wie Funktion, Belastung, Geometrie, Werkstoffe, Festigkeitsklasse, Oberflächen, Anziehverfahren und Anziehgeräte werden zunächst in den Rechenschritten R0-R2 die Vorgaben berechnet oder einfach angegeben; R0 stellt dabei nur einen überschlägigen Erstentwurf des Schraubennenndurchmessers dar: R0: Nenndurchmesser, Grenzabmessung d, G R1: Anziehfaktor αA R2: Mindestklemmkraft FKerf

Bildergalerie

Als nächstes wird das sogenannte Verspannungsdreieck „konstruiert“ und es werden die Vorspannkräfte mithilfe der Rechnungen R3 bis R6 ermittelt: R3: Aufteilung der Betriebskraft / Kraftverhältnis: FSA (Schraubenzusatzkraft), FPA (Plattenentlastungskraft), Φ (relatives Nachgiebigkeitsverhältnis) R4: Vorspannkraftänderungen FZ, Vorspannkraftminderung infolge Setzens ΔF`Vth (temperaturabhängige Vorspannkraftänderung) R5: Mindestmontagevorspannkraft FM min R6: Maximalmontagevorspannkraft FM max All diese Faktoren sind Bestandteil der Hauptdimensionierungsformel, welche die Basis der VDI 2230 Schraubenberechnung bildet:

F M max = αA [F Kerf + (1 – Φ ) F A + F Z + Δ F` Vth ]

Schließlich werden die Beanspruchungsfälle und die Festigkeitsnachweise sowie das anzuwendende Anziehdrehmoment in den Rechenschritten R7 bis R13 errechnet: R7: Montagebeanspruchung σred,M , FMzul R8: Betriebsbeanspruchung σred,B , SF R9: Schwingbeanspruchung σa , σab , SD R10: Flächenpressung pmax, Sp R11: Mindesteinschraubtiefe meff min R12: Gleiten, Abscheren SG, τQmax R13: Anziehdrehmoment MA Das Blatt 1 der VDI 2230 behandelt jedoch lediglich die Einschraubenverbindung und betrachtet nur die Kräfte an einer einzelnen Schraube. Wie mit Mehrfachverschraubungen umzugehen ist, wird in Blatt 2 der Richtlinie aufgezeigt. Ein Hauptziel besteht dabei vor allem darin, dem Berechnungsingenieur eine Hilfe bei der Suche nach der höchstbelasteten Einschraubenverbindung innerhalb einer Mehrschraubenverbindung an die Hand zu geben. Die Hilfestellung wird durch eine genaue Analyse verschiedener Berechnungsmethoden (Verfahren der Starrkörpermechanik, Verfahren der Elastomechanik und numerische Methoden wie FEM) sowie deren Möglichkeiten und Grenzen gegeben. Im Modul Mdesign Multibolt wird das gesamte Schraubensystem auf einfache Art parametrisch beschrieben. Durch eine automatisierte FE-Methodik kann die höchstbelastete Einzelschraube innerhalb des Schraubenfeldes bestimmt werden. Diese wird anschließend nach Blatt 1 und den FE-Daten normgerecht nachgewiesen. Für die ausgewählten Schraubenfelder übernimmt die Software die aufwendige und zeitintensive Modellierung. Mdesign Multibolt berechnet Außen- und Innenflansche, starre Kupplungen sowie verschraubte kreisförmige Deckel und Böden. Miteinander verbundene Balken, Platten und eckige Flansche vervollständigen das Berechnungsangebot. Im Gegensatz zu den speziellen FEM-Programmen bietet Mdesign Multibolt den Vorteil, dass sämtliche Eingaben und Voreinstellungen, die einfache Modellgenerierung, die automatisierte Berechnung und die Ergebnisse nachvollziehbar und normgerecht generiert und dokumentiert werden können.

Unterstützung für den Konstrukteur

Mdesign Bolt und Multibolt sowie alle weiteren Mdesign-Module bieten dem Konstrukteur in jeder Phase der Berechnung umfassende Unterstützung wie Grafikhilfen, Auswahlfenster und umfangreichen Texthilfen zur Erleichterung der Eingabe sowie Handbücher zum Verständnis der eigentlichen Berechnungen. Über die „Hilfefenster“ wird außerdem eine Vielzahl an Tabelleninformationen, z. B. für Anziehfaktoren und Gleitreibungszahlen, direkt bei der Eingabe bereitgestellt. Eine überschaubare Anwenderoberfläche erleichtert das Bedienen. Zahlreiche Tabellen, Datenbanken, eine umfangreiche technische Formelsammlung, aktuelle Zulieferer- und Produktinformationen sowie Kontaktmöglichkeiten in Forschung und Entwicklung vernetzen den Konstrukteur mit wertvollen Quellen und Wissensressourcen. (jup)

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 42843869)