Verbindungselemente und Vibration

Befestigungselemente, Vibrationen und wie man verhindert, dass sich eine Schraube löst

Einer der Hauptvorteile von Schraubverschlüssen gegenüber dauerhaften Befestigungslösungen besteht darin, dass sie bei Bedarf wiederverwendet werden können. Unter bestimmten Bedingungen ist ihre Entfernbarkeit jedoch auch eine der größten Gefahren. Mit der Möglichkeit der Entfernbarkeit geht auch die Gefahr einher, dass sich Verbindungselemente unbeabsichtigt lösen. Dies ist besonders häufig bei Vibrationen der Fall. Frühe Metallschrauben wurden eigentlich als direkte Reaktion auf das Problem der Vibration erfunden. Bei den frühesten Schrauben handelte es sich um einfach modifizierte Nägel, und sie wurden als Waffenverschlüsse populär gemacht, die sich bei Schüssen nicht lösen ließen. Obwohl Vibrationen in der Branche ein weit verbreitetes Problem sind, werden Ursache, Wirkung und insbesondere deren Vermeidung häufig missverstanden. Falsche und ineffektive Schwingungsdämpfungskomponenten werden auch heute noch verwendet, und ein theoretisches Verständnis der Ursachen von Schwingungen ist unerlässlich, um Verwirrung bei der Auswahl der besten Problemlösung zu vermeiden.

Ursachen für die Lockerung von Schwingungen

Vibration ist überall. Die Hintergrundresonanz durchdringt alle Dinge (mit Ausnahme von Staubsaugern), obwohl sie selten eine Stärke erreicht, die Anlass zu ernster Besorgnis gibt. Schwingungen sind die durch Bewegungen und Geräusche hervorgerufenen Schwingungen. Sie können erwünscht sein, wie bei Musikinstrumenten, oder unerwünscht, wie etwa bei heftigen Maschinen, die sich selbst in Stücke rütteln. Vibrationen können eine große Gefahr für Ingenieure darstellen und in extremen Fällen sogar verheerendes Potenzial haben. Es ist sogar bekannt, dass die verstärkte Resonanz, die nur durch im Gleichschritt marschierende Soldaten verursacht wird, Hängebrücken zerstört. Im täglichen Gebrauch sind Vibrationen in der Regel weniger dramatisch, aber nicht weniger störend. In den meisten Fällen wirken Vibrationen allmählich, sodass sich die Verbindungselemente über Wochen, Monate oder sogar Jahre langsam lösen, wodurch die Verbindungselemente ihre Vorspannung verlieren und unzuverlässig werden. Vibrationen sind im Zeitalter der miniaturisierten modernen Elektronik besonders problematisch, da Geräte wie Mobiltelefone immer kleiner und leichter werden, auch ihre Bauteile. Kleinere, leichtere Befestigungselemente sind deutlich anfälliger dafür, sich bei Vibrationen zu lösen. Dies ist besonders häufig bei Computern der Fall, die ständig hochfrequenten Schwingungen von Lüftern oder Festplattenlaufwerken ausgesetzt sind und häufig aus Platzgründen mit Miniaturbefestigungen zusammengehalten werden. Das Lösen unter Vibration kann auch zu unnötigem Verschleiß innerhalb einer Baugruppe führen, da sich Befestigungselemente, die gelöst oder falsch vorgespannt sind (insbesondere Schrauben ohne Gewinde), frei bewegen können. Im besten Fall verursachen lose Verbindungselemente unerwünschte Geräusche, und im schlimmsten Fall nutzen sie sich ab und werden im Laufe der Zeit geschwächt, was zu einem Strukturversagen führen kann.

Der Junker-Test

Einer der wichtigsten Forschungsbereiche zu den Auswirkungen von Vibrationen auf Verbindungselemente ist der Junker-Test, der 1969 vom deutschen Ingenieur Gerhard Junker entwickelt wurde. Junker entwickelte eine Maschine, um gezielt starke seitliche Schwingungskräfte auf eine Schraube auszuüben. Die Junker-Maschine war so erfolgreich, dass ähnliche Geräte inzwischen in Prüfanlagen für Verbindungselemente alltäglich sind. Junker stellte fest, dass Vibrationen quer zur Achse des Verbindungselements zu weitaus stärkeren Lockerungsbedingungen führten als Schwingungen, die sich entlang der Achse eines Verbindungselements ausbreiten. Dies bedeutet, dass sich Schraubverschlüsse, die starken seitlichen Vibrationen ausgesetzt sind, deutlich schneller lösen als solche, die einer axialen Vibration ausgesetzt sind. Dies liegt daran, dass Seitenkräfte gegen die Unterseite eines Schraubenkopfs gleiten und die Schraube drehen, wohingegen axiale Schwingungen einfach gegen das Gewinde des Befestigungselements drücken, was einen weitaus geringeren Energieverbrauch bedeutet. In den meisten Anwendungen ist es schwierig, diese beiden Schwingungsarten zu isolieren, und beide treten häufig gleichzeitig auf, aber es sind die seitlichen Bewegungen, die den größten Effekt haben. Der Junker-Test hat auch gezeigt, dass bestimmte Verbindungselemente, die als „Schwingungsdämpfer“ vermarktet werden, wirksamer sind als andere. Insbesondere hatte Junker Federscheiben ins Visier genommen, die seit vielen Jahren als Allzweck-Schwingungsdämpferkomponenten verwendet werden. Er argumentierte, dass diese Art von Unterlegscheibe nur für leichte Anwendungen geeignet sei und bei Anwendungen, die starken Vibrationen ausgesetzt sind, potenziell sogar schädlich sei. Eine Junker-Maschine bestätigte seine Theorie. Der Grund dafür ist, dass Vibrationen auf beide Seiten einer Mutter gleichzeitig wirken und im Grunde versuchen, sich gleichzeitig im Uhrzeigersinn und gegen den Uhrzeigersinn zu drehen. Bauteile wie Federscheiben, die den Druck auf einen einzelnen Punkt einer Mutter oder eines Schraubenkopfs konzentrieren, beschleunigen den Lockerungsvorgang, indem sie die entgegengesetzten Anzugskräfte auf der gegenüberliegenden Seite einer Mutter effektiv zunichte machen.

Präventive Maßnahmen

Schwingungen in der Technik sind nichts Neues, und Lösungen für dieses Problem werden kontinuierlich entwickelt und verbessert. Im Bereich Verbindungselemente gibt es mehrere Produkte, die dieses Problem lösen können, und je nach Anwendung sind einige besser geeignet als andere:

Schraubverschlüsse — Verbindungen zur Gewindesicherung sind bemerkenswert verbreitet, und zwar so häufig, dass viele Menschen sie wahrscheinlich gesehen haben, ohne es zu merken. Bei Gewindesichern handelt es sich um die oft farbenfrohen Patches, die häufig auf den Schrauben von Computern und anderen elektronischen Geräten zu finden sind. Viele behaupten fälschlicherweise, dass diese farbigen Markierungen dazu dienen, Manipulationen zu erkennen, aber sie sind tatsächlich eine der effektivsten und kostengünstigsten Lösungen, um die Gewindereibung zu erhöhen und die Vibrationsfestigkeit einer Baugruppe zu erhöhen. Darüber hinaus kann die Gewindesichermasse von Accu zu fast jedem Verbindungselement hinzugefügt werden und hat den zusätzlichen Vorteil, dass sie möglicherweise mit einigen der unten aufgeführten Optionen kombiniert werden kann.

Sicherungsmuttern — Eine Reihe von Spezialmuttern wurden unter Berücksichtigung der Schwingungsdämpfung entwickelt und sind speziell dafür konzipiert, ein Lösen nach dem Einbau zu verhindern. Sicherungsmuttern aus Ganzmetall und Sicherungsmuttern aus Nylon sind sehr wirksam gegen Vibrationen. Ganzmetall-Kontermuttern haben auf einer Seite eine Reihe fester Gewinde, die nach dem Einbau das Gewinde einer Schraube festhalten. Sicherungsmuttern aus Nylon verfügen über ein ähnliches Sicherungssystem, das durch eine elastische Nylonhülse entsteht, die sich um das Gewinde der Schraube herum verformt und so den Widerstand gegen Lockern erhöht.

Trilobuläre Gewinde — das sind Verbindungselemente mit einem abgerundeten, aber leicht dreieckigen Gewindeprofil. Durch die Aussparungen eines trilobulären Gewindes kann das Gehäuse des Objektivs kalt umfließen oder um sie herum kriechen, wodurch eine erhöhte Vibrationsfestigkeit gewährleistet wird. Trilobuläre Gewinde haben den zusätzlichen Vorteil, dass sie beim Gewindeschneiden sehr effektiv sind. Aufgrund ihrer unregelmäßigen Gewindeform wird ihre Vibrationsfestigkeit jedoch bei wiederholter Verwendung stark reduziert, sodass sie sich besser als semipermanente Lösung eignen.

Verzahnung am Unterkopf — diese Funktion findet sich bei den gezahnten Sechskantschrauben und den gezahnten Zylinderkopfschrauben von Accu. Wellenschliffe sind so konzipiert, dass sie in ein Gehäuse einpassen, um ein Lösen zu verhindern. Sie eignen sich am besten für Anwendungen, bei denen Unterlegscheiben nicht geeignet sind. Formschlüssige Verriegelungen — Der wohl narrensichere Schutz gegen Vibrationen ist eine formschlüssige Verriegelung wie eine Schlossmutter, die nach der Installation durch einen Splint verriegelt wird. Produkte, die mit Kronmuttern befestigt sind, können sich nicht über einen bestimmten Punkt hinaus drehen und sind absolut vibrationsfest.

Andere Ursachen für eine Lockerung

Obwohl Vibrationen bei der Herstellung einer Baugruppe eine wichtige Rolle spielen, sind sie sicherlich nicht die einzige Ursache für das Lösen von Verbindungselementen. Andere Probleme, die zu einer Lockerung führen können, sind die Einbettung, bei der sich ein bestimmter Bereich eines Verbindungselements in eine Passfläche eingräbt, wodurch ein bestimmter Bereich mit hohem Druck entsteht. Dadurch gibt die restliche Oberfläche langsam nach, wodurch der Druck ausgeglichen wird, was zu Entspannung, Verlust der Vorspannung und Ermüdungserscheinungen führt. Die Einbettung kann durch verschiedene Probleme verursacht werden, darunter unebene Kontaktflächen, Wärmeausdehnungen und, was etwas verwirrend ist, Vibrationen. Ein weiteres Problem, das dazu führen kann, dass sich die Befestigungselemente lösen, ist die Verklebung. Abrieb tritt auf, wenn sich kalte Schweißnähte zwischen zwei sich berührenden Oberflächen bilden. Durch Abrieb wird das Gewinde einer Schraube spröde, was letztendlich zum teilweisen oder vollständigen Abziehen des Gewindes führen kann. Wenn Kontaktflächen aus derselben Metallsorte gefertigt sind, kommt es häufig zu Abrieb, da ähnliche kristalline Strukturen anfälliger für Kaltschweißen sind. Letztlich ist das Lösen von Verbindungselementen ein ernstes Problem, das unter einer Vielzahl von Bedingungen auftreten kann. Es ist wichtig, die gesamte Bandbreite potenzieller Gefahren im Auge zu behalten, da Schwingungsdämpfung allein nicht die Langlebigkeit einer Baugruppe garantiert. Wenn jedoch die richtigen Vorsichtsmaßnahmen getroffen und die für eine Anwendung idealen vibrationsfesten Komponenten verwendet werden, kann das Risiko, dass sich Vibrationen lösen, erheblich reduziert werden.