Schrauben Schraubverbindungen ohne Vorspannkraftverluste

Ein Losdrehen einer Schraube kann gravierende Folgen haben: die Produktionsanlage steht still und es besteht ein erhöhtes Sicherheitsrisiko. Was verursacht ein solches Losdrehen? Und welche Maßnahmen können es verhindern?

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Schrauben sind in vielen Branchen und Anwendungsbereichen das Befestigungselement der Wahl, vor allem, weil sie sich leicht demontieren lassen. Dadurch können sie sich aber auch selbst losdrehen und die Vorspannkraft verlieren. Deshalb sollten Schraubenverbindungen so dimensioniert werden, dass die Restklemmkraft nach Setzkraftverlusten, thermischen Ausdehnungen oder wiederholter außergewöhnlicher Querbelastung für die Übertragung der einwirkenden Kräfte nachweislich ausreicht. Der Idealzustand hierbei ist, dass die Verbindung für alle Lastfälle gleitfest ist, sich also auch unter außergewöhnlichen Belastungen keine Querverschiebung zwischen den Bauteilkomponenten ergibt. Kann in Ausnahmesituationen die Querverschiebung jedoch nicht ausgeschlossen werden, so besteht die Gefahr des sogenannten selbsttätigen Losdrehens. Das kann, je nach Anwendung, gravierende Folgen haben. Eine lockere Schraube kann eine ganze Produktionsanlage zum Stillstand bringen und ein Unternehmen viel Geld kosten, während in anderen Anwendungsbereichen Schrauben ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen können.

Warum dreht sich die Schraube los?

Doch was sind die Ursachen für das Losdrehen von Schrauben? Durch die Relativbewegungen im Gewinde und an den Mutter- bzw. Kopfauflageflächen hebt sich der Reibschluss auf. Die Verbindung wird dann scheinbar reibungsfrei. Physikalisch erklärt: die Haftkräfte werden in eine Richtung überwunden, so dass alle übrigen Richtungen in derselben Ebene ebenfalls betroffen sind. Das innere Losdrehmoment einer Schraube wird somit maximal wirksam (µ= 0). Die Schraube dreht sich los.

Dabei können Vorspannkraftverluste in Schraubenverbindungen in zwei Kategorien aufgeteilt werden. Dem sogenannten „Lockern“ infolge Setzens, bzw. Kriechens und dem „selbsttätigen Losdrehen“ von Schraube und/oder Mutter.

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Was bedeuten Setzen und Kriechen?

Das Setzen beschreibt das Einebnen von Oberflächenrauigkeiten. Betroffen sind sowohl die Bauteil- und Trennfugenoberflächen als auch die Oberflächen der Verbindungselemente. Setzerscheinungen treten meistens direkt während des Anziehvorgangs und kurz danach auf. Können sich die Bauteile relativ zueinander bewegen, treten weitere Setzerscheinungen auch während der Nutzungsdauer auf. Die Vorspannkraftverluste aus Setzen sind meist nach einigen Stunden bis Tagen zum Großteil abgeklungen.

Beim Kriechen, dem zeitabhängigen Fließen des Werkstoffs, können weitaus größere Vorspannkraftverluste auftreten, die sich über einen deutlich größeren Zeitraum erstrecken. Kriechen tritt bevorzugt dann auf, wenn Werkstoffe niedriger Festigkeit, z.B. weiche Unterlegscheiben mitverspannt werden oder wenn lokal die Flächenpressung der Bauteile überschritten wird. Dieses Phänomen lässt sich auch auf Bauteilbeschichtungen übertragen. Insbesondere weiche organische Beschichtungen drücken sich teilweise seitlich aus dem Schraubenbereich heraus. Gleichzeitig wird die in der Verbindung verbleibende Beschichtung mit der Zeit immer kompakter. Es kommt erneut zu einer Entspannung der Schraube.

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Die vier Phasen des Losdrehens

Beim Losdrehen einer Schraube und/oder Mutter kommt es zum Dauerbruch der Schraube und am häufigsten versagt eine dynamisch belastete Verbindung. Der Dauerbruch der Schraube kann auch die Folge eines partiellen Losdrehens sein. Nach DIN E 25201-4:2021-01 lässt sich das Losdrehen in die folgenden Phasen unterteilen:

• 1. Es kommt zu einer Relativbewegung zwischen den verspannten Bauteilen. Die Schraube wird auf Biegung beansprucht.

• 2. Mit zunehmender Lastübertragung kommt es durch Gewindegleiten zu einem Pendeln des Schrauben- und/oder Muttergewindes. Der Schraubenkopf bzw. die Mutter beginnt zu Kippen.

• 3. Der losdrehkritische Zustand setzt ein. Wirksam werden elastisch gespeicherte Torsionsanteile aus dem Anziehen und zunehmend auch das Steigungsmoment, so dass die Rotation des Gewindes einsetzt.

• 4. Der Schraubenkopf beginnt zu rutschen. Es kommt zum vollständigen Losdrehen.

Richtig gegen Vorspannverluste sichern

Doch wie kann die Schraubverbindung gegen Vorspannverluste gesichert werden? Beim Sichern geht es darum, die Schraubverbindung in ihrer vollen Leistungsfähigkeit durch zusätzliche Bauteile oder Maßnahmen aufrechtzuerhalten. Dabei wird in die Sicherungsaufgaben: Sichern gegen Lockern; Sichern gegen selbsttätiges Losdrehen und Sichern gegen Verlieren unterschieden.

Wie die Sicherungsmaßnahmen angewandt werden und wirken kann von Fall zu Fall variieren. So werden beispielsweise mitfedernde Elemente durch ihren Federweg und ihre Federkraft begrenzt oder eine hohe Schraubenvorspannkraft steht der Einhaltung der Grenzflächenpressung gegenüber.

Wie gegen selbsttätiges Losdrehen sichern?

Wie wird eine Schraubverbindung gegen Lockern gesichert?

• Schraubenverbindungen beanspruchungsgerecht konstruktiv gestalten(z.B. Klemmlängenverhältnis)

• Montagevorspannkraft definieren

• Grenzflächenpressung von Bauteilen berücksichtigen

• Oberflächen mit geringer Rautiefe realisieren

• dicke Beschichtungen vermeiden

• Anzahl der Trennfugen verringern

• Zusätzliche federnde Elemente einsetzen (Anwendungsgrenzen berücksichtigen: Federweg, Federkraft)

Beim Sichern gegen selbsttätiges Losdrehen empfiehlt es sich die Schraubenvorspannkraft, die Nachgiebigkeit der Schraube und die Reibung in der Trennfuge zu erhöhen. Zudem sollten die Querverschiebungen der Bauteile begrenzt und geeignete Sicherungselemente oder Klebstoffe eingesetzt werden.

Eine Schraubenverbindung gegen Verlieren zu sichern, erfordert neben der konstruktiven Gestaltung, auch klemmende oder blockierende Elemente einzusetzen.

Die Lösung: Keilsicherungsfederscheiben

Mit den Keilsicherungsfederscheiben bietet Nord-Lock eine Lösung für alle drei Sicherungsaufgaben. Sie basieren auf auf dem Keilsicherungsprinzip. Eine Keilsicherungsscheibe besteht aus einem Scheibenpaar. Auf der Außenseite befinden sich radiale Rippen, welche einerseits einen Formschluss mit dem zu verbindenden Bauteil und andererseits mit dem Schraubenkopf und/oder der Mutter herstellen.

Sobald dieser Formschluss hergestellt ist, werden unter dynamischen Beanspruchungen die sogenannten Keilflächen zwischen dem Scheibenpaar aktiv. Die Steigung dieser Keile ist größer als die Gewindesteigung der Schraube. Sofern sich die Schraube oder Mutter losdrehen möchte, muss sie zunächst über die Keile wandern. Dies impliziert eine Längung der Schraube und somit Erhöhung der Vorspannkraft. Je mehr die Schraube sich Losdrehen möchte, desto mehr wird sie in Position gehalten. Zusätzlich zu dem Keilsicherungsprinzip sind die Keilsicherungsfederscheiben gewölbt. Sie wirken zusätzlich dem Lockern entgegen. Eine gegen Losdrehen und Lockern gesicherte Schraubenverbindung ist in Konsequenz auch gegen Verlieren gesichert.

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