Kräfte auf Schraubenverbindungen

Kleine Verbindung, großer Halt?

Schraubenverbindungen sind lösbar, haben eine hohe Temperaturbeständigkeit und erlauben es, unterschiedliche Werkstoffe miteinander zu verbinden. „Nach Gefühl eindrehen“ reicht aber nicht aus, damit die Verbindung höchsten Beanspruchungen standhält – Schraubenverbindungen müssen berechnet werden.

Bild: Marten House / Shutterstock.com150629_VDI_RL_702x363-V1-T19

Schraubenverbindungen müssen berechnet werden

Der Schraubendreher ist vermutlich das meistgebrauchte Werkzeug im Haus und wohl so gut wie in jeder Küchenschublade zu finden. Kein Wunder, denn sämtliche Alltagsgegenstände sind verschraubt, und hin und wieder müssen diese Verbindungen gelöst werden. Beispielsweise, wenn eine Batterie im Kinderspielzeug gewechselt werden muss. Und das geht ganz einfach: Je nach Schraubentyp Schlitz- oder Kreuzschraubendreher an die Schraube ansetzen, gegen den Uhrzeigersinn aufdrehen, Gehäuse/Abdeckung entfernen, Batterien auswechseln, Gehäuse/Abdeckung wieder aufsetzen und im Uhrzeigersinn festschrauben.

Fest ist allerdings relativ: Wackelt die Abdeckung noch, war es nicht fest genug. Man dreht einfach noch ein wenig weiter. Knackt es bei der letzten Umdrehung, dann war es zu fest. Halbe Umdrehung zurück und gut. Bei Möbel zum Selbstaufbau hingegen gibt uns ein leichtes Knacken bereits bei der Montage das Gefühl, dass die Schraubenverbindung ausreichend fest ist und das Bücherregal später nicht in sich zusammenfällt.

Dieses „Schrauben nach Gefühl“ geht aber nur im Haushalt und keinesfalls in der Industrie. Laut einer Studie der Archetype Joint LLC geht die Automobilindustrie davon aus, dass 70 Prozent der Garantiekosten und 20 Prozent aller Rückrufe direkt oder indirekt durch fehlerhafte Schraubenverbindungen verursacht werden. Eine wackelnde Türverkleidung ist dabei noch nicht das Problem. Große Schäden entstehen durch eine mangelhafte Schraubenverbindung dann, wenn Kräfte auf die Verbindung einwirken, wie beispielsweise bei einem Getriebe.

Wenn Schrauben sich selbstständig lösen

Vor allem bei dynamischen Belastungen können Schraubenverbindungen durch Lockern und/oder selbsttätiges Losdrehen der Schrauben versagen. Das selbstständige Lösen einer Schraubenverbindung ist auf einen vollständigen oder teilweisen Verlust der Vorspannkraft zurückzuführen. So wird die erforderliche Kraft in axialer Richtung genannt, die für den Einbau einer Schraube nötig ist, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten. Bei der Montage wird diese Vorspannkraft mithilfe eines Drehmomentschlüssels erzeugt. Drehmomentschlüssel sind handgeführte Schraubwerkzeuge, mit denen ein definiertes Anzugsmoment auf ein Verbindungselement ausgeübt werden kann, um die notwendige Klemmkraft zwischen den zu verbindenden Bauteilen zu gewährleisten. Erhältlich sind diese Werkzeuge für drehmomentgesteuertes, drehwinkelgesteuertes, streckgrenzgesteuertes sowie stromgesteuertes Anziehverfahren mit Strom- und Anziehwinkelkontrolle.Dabei zeigen die Drehmomentschlüssel das jeweilige Drehmoment an und verfügen gegebenenfalls auch über eine Abschaltautomatik.

In der Industrie greift man auf handgeführte Werkzeuge nur bei schlecht zugänglichen Schraubstellen zurück oder wenn sich die Schrauben nicht automatisch zuführen lassen. Ansonsten geht man immer mehr dazu über, Schraubabläufe zu automatisieren. Dabei werden optimierte Montageverhältnisse durch Momentenabstützung und, wie in VDI/VDE 2862 gefordert, das Messen einer Steuer- und eine Kontrollgröße erreicht. Schließlich werden die Verschraubungswerte archiviert.

Vorspannkraft und Drehmoment

Um die Sicherheit einer Schraubenverbindung ausrechnen zu können, muss man alle Faktoren, die eine Schraubenverbindung beeinflussen, kennen. Und das sind weit mehr als Vorspannkraft und Drehmoment. Welche Kräfte wirken auf die Verbindung während der Montage, des Betriebs und bei Schwingungen ein? Welche Verformungen der Verbindungselemente sind dadurch zu erwarten? Wie hoch sind die elastischen Nachgiebigkeiten der Schraube und der aufeinanderliegenden verspannten Teile?

Exakt berechnet hält besser

Wie sich diese Kräfte beziehungsweise Größen speziell für zylindrische Einschraubenverbindungen berechnen lassen, erklärt die Richtlinie VDI 2230 Blatt 1. Diese seit 40 Jahren in der Praxis angewendete Richtlinie gilt weltweit als Standardwerk zur Berechnung von Einschraubenverbindungen. Die Berechnung einer Schraubenverbindung geht aus von der Betriebskraft, die von außen auf die Verbindung wirkt. Diese Betriebskraft und die durch sie verursachten elastischen Verformungen der Bauteile bewirken an der einzelnen Verschraubungsstelle eine axiale Betriebskraft, eine Querkraft, ein Biegemoment und gegebenenfalls ein Drehmoment. Zunächst muss die Gestalt der Verbindung so weit abstrahiert werden, bis sie einem berechenbaren mechanischen Modell entspricht. Anhand der Richtlinie lassen sich die Kräfte und axialen Verformungen in der Einschraubenverbindung mithilfe eines einfachen mechanischen Federmodells beschreiben. Bei einer erweiterten Betrachtung möglicher Einflüsse auf die Schraubenzusatzkraft reicht das einfache Federmodell nicht mehr aus. Hier müssen neben den elastischen axialen Nachgiebigkeiten der Schrauben und Platten dann ebenfalls die Biegenachgiebigkeiten dieser Teile berücksichtigt werden.

Bild: VDI 2230 Blatt 1Federmodell (00000002)

Quelle: VDI 2230 Blatt 1

Dadurch erklärt sich beispielweise, dass es noch einen weiteren Grund für das selbsttätige Losdrehen gibt: Üblicherweise werden Schraubenverbindungen im Maschinenbau so ausgelegt, dass Querkräfte durch Haftreibung in den Trennfugen einer vorgespannten Verbindung übertragen werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die Verbindungselemente wie eine Passschraube selbst oder weitere Elemente wie Stifte oder Hülsen Querkräfte formschlüssig übertragen. Wenn ein Richtungswechsel der äußeren Belastung zu Querschiebungen führt, kann bei ungesicherten Verbindungen ein selbsttätiges Losdrehen auftreten. Auch bei Schrauben mit geringer Biegesteifigkeit kann eine zusätzliche Sicherung notwendig sein, um einen unzulässigen Vorspannkraftverlust zu vermeiden. Losdrehsicherungen stellen sicher, dass als Restvorspannkraft mindestens 80 Prozent der Montagevorspannkraft verbleiben. Verliersicherungen verhindern lediglich ein vollständiges Aufheben der Gewindepaarung, das heißt, die Restvorspannkraft kann völlig verloren gehen.

Button 1
Button 3

Methoden zur Berechnung von Schraubenverbindungen und neu entwickelte Schraubverfahren bieten nicht nur die Möglichkeit, auf zusätzliche Sicherungselemente zu verzichten. Sie gestatten es auch, Schrauben in ihren Abmessung wesentlich zu verkleinern und dadurch deutlich Rohstoffe beziehungsweise Gewicht einzusparen. Das Wichtigste daran ist aber, dass sich die Verbindung richtig dimensionieren und somit auch mit kleinen Schrauben ein großer Halt erzielen lässt.

Wer sich zu diesem Thema weiterbilden möchte, dem möchten wir die beiden Seminare Mehrschraubenverbindungen nach der VDI Richtlinie 2230 Blatt 2 auslegen und berechnen sowie Schraubenverbindungen berechnen, gestalten und anwenden nach VDI 2230 Blatt 1 ans Herz legen.

Iris_LindnerAutorin: Iris Lindner
Die Diplom-Ingenieurin (FH) ist für uns in Sachen Berichterstattung rund um die VDI-Richtlinien in den sozialen Netzwerken unterwegs.

Kommentare & Pingbacks

2 Gedanken zu “Kleine Verbindung, großer Halt?

  1. Das Fraunhofer Instititut IST – Braunschweig hat dazu interessante technische Lösungen mit Kraftmessung an Unterlegscheiben. Damit kann man Theorie in der Praxis prüfen. Ansprechpartner ist dort Frau Dr.-Ing. Saskia Biehl

Schreibe einen Kommentar

Deine E-Mail-Adresse wird nicht veröffentlicht. Erforderliche Felder sind mit * markiert.

*