Ein Leitfaden für Ingenieure zur Vorspannung und Spannkraft von Schrauben

Wenn Sie eine Schraube festziehen, passiert etwas, das leicht widersprüchlich ist: Sie dehnt sich aus. Nicht viel, aber dieses winzige bisschen Dehnung sorgt dafür, dass das gesamte Gelenk funktioniert. Der Bolzen verhält sich wie eine sehr steife Feder und die darin enthaltene Spannung zieht die festgeklemmten Teile fest zusammen. Diese Spannung wird als Vorspannung bezeichnet und ist der wichtigste Faktor dafür, ob eine Schraubverbindung hält oder versagt. Die Kompression, die dadurch in den zu klemmenden Teilen entsteht, ist die Spannkraft. Bei richtiger Vorspannung bleibt eine Verbindung jahrelang dicht. Wenn Sie es falsch machen, ist die Integrität der Schraubverbindung beeinträchtigt, was für eine überraschende Anzahl mechanischer Ausfälle verantwortlich ist.

In diesem Handbuch erfahren Sie, was Vorspannung und Spannkraft eigentlich sind, wie sie zueinander in Beziehung stehen, was schief geht, wenn sie ausgeschaltet sind, und wie Sie sie unter Kontrolle halten können. Die Ingenieure von Accu haben sich durchgehend mit einbezogen. Egal, ob Sie ein kritisches Gelenk herunterziehen oder einfach nur wissen möchten, was unter dem Schraubenschlüssel passiert, hier ist etwas für Sie dabei.

 

Inhalt:

• Was sind Schraubenvorspannung und Spannkraft und wie funktionieren sie?

• Was passiert, wenn Sie es falsch machen

• Drehmoment und Vorspannung in Schraubverbindungen

• Die Faktoren, die die Vorspannung und die Spannkraft beeinflussen

• Methoden zur Steuerung der Vorspannung und der Spannkraft

• Häufige Fehler und wie man sie vermeidet

• Die wichtigsten Imbissbuden

• Häufig gestellte Fragen

Was sind Schraubenvorspannung und Spannkraft und wie funktionieren sie?

 

Wenn Sie eine Schraube festziehen, wirken zwei Kräfte gegeneinander, gleich groß, aber in entgegengesetzter Richtung. Die erste ist die Vorspannung, also die Spannung, die sich im Inneren der Schraube aufbaut, wenn sie angezogen wird. Die zweite ist die Spannkraft, die Kompression, die durch dieselbe Aktion in das Gelenk gedrückt wird.

Die Vorspannung entsteht durch das Dehnen der Schraube. Wenn Sie die Mutter drehen, wird die Schraube festgezogen und etwas gedehnt. Wie jede gedehnte Feder kämpft sie darum, sich auf ihre ursprüngliche Länge zurückzuziehen. Dieser Widerstand, der Zug, den sie beim Versuch ausübt, zurückzufedern, ist die Vorspannung.

Diese Anziehungskraft muss etwas entgegenwirken. Die Mutter und der Schraubenkopf blockieren das Gelenk zwischen ihnen. Wenn die Schraube versucht, sich zusammenzuziehen, drückt sie die festgeklemmten Teile zusammen. Dieses Zusammendrücken ist die Spannkraft.

Vorspannung und Spannkraft sind miteinander verknüpft, da man das eine nicht ohne das andere haben kann. Sie sind normalerweise auch gleich groß. Bei einer Vorspannung von 10 Kilonewton (kN) beträgt die Spannkraft ebenfalls 10 kN.

Was passiert, wenn du es falsch machst

Wenn es um die Vorspannung von Schrauben geht, gibt es im Wesentlichen zwei Fehlerursachen: zu wenig und zu fest angezogen. Aus den Namen selbst ist es ziemlich selbsterklärend, wie Sie in einen dieser beiden Zustände kommen können, aber was passiert, wenn die Schraube aufgrund einer falschen Vorspannung entweder zu fest oder zu fest angezogen ist?

Beginnen Sie mit dem zu niedrigen Anziehen. Eine zu lockere Schraube kann nicht die Spannkraft erzeugen, die das Gelenk benötigt, um an seinem Platz zu bleiben, sodass das Gelenk rutscht. Sobald die Schraube rutscht, landet die Scherlast direkt auf dem Bolzenschaft, anstatt durch Reibung zwischen den eingeklemmten Flächen getragen zu werden, und das Risiko, dass sich die Schraube schert, steigt. Auch bei Ermüdung wird die Lebensdauer stark beeinträchtigt, da eine lose Schraube bei jedem Belastungszyklus den vollen Schwung erfährt und nicht bei leichten Schwankungen.

Das ist noch nicht das Ende. Bei abgedichteten Verbindungen führt zu wenig Spannkraft zu Undichtigkeiten. Und jeder, der schon einmal einen Junker-Test gesehen hat, wird Ihnen sagen, dass ein zu wenig festgezogenes Gelenk unter zyklischer Vibration gerne von selbst losgeht und sich von selbst löst.

Ein zu starkes Anziehen bringt eine Reihe anderer Probleme mit sich. Einige treten sofort auf und sind offensichtlich: abgezogene Gewinde, eine gescherte Schraube oder die Klemmflächen, die so weit gequetscht und verformt sind, dass das Gelenk an der Stelle reißt.

Neben diesen augenblicklichen Fehlschlägen gibt es noch andere, die subtiler sind oder deren Manifestation länger dauert. Ein zu starkes Anziehen kann dazu führen, dass sich die Schraube, eine anfängliche Reaktion auf die Vorspannung, die mit den ersten Phasen des Kriechens zusammenhängt, beschleunigt. Kurz gesagt, der Bolzenschaft wird gedehnt und verliert an Elastizität. Dadurch verlängert er sich dauerhaft, was zu einem Verlust der Vorspannkraft in der Schraubverbindung führt. Wenn Sie eine Schraubverbindung zu fest anziehen, kann dies ebenfalls zu einem Verrutschen des Gewindes führen.

All dies ist eine lange Art zu sagen, dass das Drehmoment eine wichtige Komponente der Vorspannung ist. Diese Tatsache muss unbedingt berücksichtigt und verstanden werden, um die richtige Vorspannung von Schraubverbindungen zu erreichen. Deshalb nehmen wir uns die Zeit, dies zu untersuchen.

Drehmoment und Vorspannung in Schraubverbindungen

Wenn Sie eine Mutter oder eine Schraube festziehen, üben Sie eine Verdrehkraft aus, die als Drehmoment bezeichnet wird. Die meisten Menschen mit technischem Hintergrund sind mit dem Drehmoment vollkommen vertraut, aber weniger bekannt ist, wie wenig davon tatsächlich als nützliche Arbeit die Schraube erreicht.

Ungefähr 50% des von Ihnen ausgeübten Drehmoments werden durch Reibung an der Stelle, an der die Mutter oder der Schraubenkopf an der Oberfläche anliegt, gegen die sie sich dreht, verschluckt. Weitere 35 bis 40% gehen durch Reibung in den Gewinden verloren. Damit bleiben nur noch etwa 10 bis 15 Prozent für die eigentliche Arbeit übrig: das Dehnen der Schraube, um eine Vorspannung zu erzeugen.

Wenn Sie also mit Ihrem Schraubenschlüssel ein Drehmoment von 100 Nm aufbringen, erzeugen nur etwa 10 bis 15 Nm eine echte Vorspannung. Der Rest ist nur Reibungswärme.

Die Beziehung zwischen Drehmoment und Vorspannung wird anhand der folgenden Formel für die Schraubenvorspannung erklärt:

T = K × F × d

Wenn Sie diese Gleichung zum ersten Mal sehen, bedeuten die verschiedenen Teile davon Folgendes:

• T ist das Drehmoment, das Sie anwenden

• F ist die Vorspannung, die du bekommst (die Spannung in der Schraube, die das ist, was du eigentlich willst)

• d ist der Schraubendurchmesser (eine größere Schraube bedeutet, dass bei gleicher Vorspannung mehr Drehmoment benötigt wird)

• K ist der Nussfaktor, und das ist der knifflige Faktor

K ist eine einzelne Zahl, die alle Reibungseffekte bündelt. Ein trockener, ungeschmierter Stahlbolzen kann einen K-Wert von etwa 0,20 haben, aber wenn Sie etwas Öl hinzufügen, sinkt er auf etwa 0,15. Verwenden Sie ein Spezialschmiermittel wie Molybdändisulfid und der Wert kann bis auf 0,10 sinken.

Hier ist der Grund, warum das so wichtig ist. Wenn Sie dasselbe Drehmoment auf dieselbe Schraube ausüben, aber die Schmierung ändern, erhalten Sie eine völlig andere Vorspannung. Eine Schraube mit einem Drehmoment von 50 Nm und einem K von 0,20 hat ungefähr die Hälfte der Vorspannung derselben Schraube mit einem Drehmoment von 50 Nm und einem K von 0,10.

Aus diesem Grund ist das Drehmoment allein keine perfekte Methode, um die Schraubenvorspannung zu kontrollieren. Sie messen nicht, was Ihnen wirklich wichtig ist (wie stark die Schraube gedehnt ist). Sie messen den Input (wie stark Sie gedreht haben) und hoffen, dass die Reibungsbedingungen Ihren Annahmen entsprechen. Die typische Genauigkeit beim Anziehen mit reinem Drehmoment liegt bei etwa 25 bis 35%, was bedeutet, dass Ihre tatsächliche Vorspannung überall in einem ziemlich breiten Band auf beiden Seiten des Sollwerts liegen kann.

Es funktioniert gut genug für die meisten alltäglichen Anwendungen, aber das ist der Grund, warum kritische Verbindungen oft präzisere Methoden verwenden und weshalb es so wichtig ist, das richtige Schmiermittel (oder kein Schmiermittel, wenn die Drehmomentspezifikation für trockene Bedingungen eingestellt wurde) zu verwenden. Das Austauschen der Schmierung ohne Anpassung des Drehmomentwerts ist eine der häufigsten Ursachen dafür, dass Schraubverbindungen gefährlich über- oder unterspannt angezogen werden.

Die Faktoren, die die Vorspannung und die Spannkraft beeinflussen

Schmierung ist nur ein Teil der Geschichte. Es gibt mehrere andere Faktoren, die beeinflussen, wie viel Vorspannung und Spannkraft Sie am Ende haben, und es lohnt sich zu wissen, um welche es sich handelt.

Reibung

Reibung widersteht den Fäden mehr als nur. Tatsächlich zeigt sie sich an zwei Stellen: in den Gewinden selbst und an der Auflagefläche, an der sich der Mutter- oder Schraubenkopf gegen die Verbindungsfläche dreht. Beide ziehen das Drehmoment ab, das sonst zur Vorspannung werden würde.

Der Zustand dieser Oberflächen wirkt sich auf die Vorspannung und die Spannkraft aus. Ein korrodiertes Gewinde oder eine korrodierte Schraube erzeugt zusätzliche Reibung. Dies gilt auch für ein wiederverwendetes Befestigungselement, da durch das Festziehen die Kontaktflächen auf mikroskopischer Ebene verformt werden. Selbst Beschichtungen und Plattierungen verändern das Verhalten der Verbindung.

Eine Unterlegscheibe zwischen dem Verbindungselement und der Verbindungsfläche sorgt für eine weitere Reibungsschnittstelle. Eine korrodierte Unterlegscheibe erzeugt mehr Reibung als eine neue Unterlegscheibe mit glatten, ebenen Oberflächen. Ebenso hat eine Kunststoffscheibe einen anderen Reibungskoeffizienten als eine Metallscheibe und interagiert unterschiedlich mit der Verbindungsfläche.

Wenn eine Mutter zur Sicherung des Drehmomentes verwendet wird, wird ein Teil des Drehmoments, das zur Befestigung auf die Schraubverbindung aufgebracht wird, zur Verformung des Gewindes verwendet. Das ist normal, so funktionieren Sicherungsmuttern, aber denken Sie daran, dass das Drehmoment, das zur Befestigung eines dieser Befestigungselemente erforderlich ist, beeinflusst wird und ein Teil davon hat keinen Einfluss auf die Vorspannung oder Spannkraft.

Materialeigenschaften und Schraubenqualität

Abgesehen von der Reibung bestimmen die Materialien selbst, wie viel Schraubenvorspannung und Schraubklemmkraft eine Verbindung aufnehmen kann.

Das Material der Schraube legt die Obergrenze dafür fest, wie viel Vorspannung Sie sicher erzeugen können. Jede Schraube hat eine Prüfkraft, d. h. die maximale Spannung, der sie standhalten kann, ohne sich dauerhaft zu verformen. Wenn Sie darüber hinausgehen, dehnt sich der Bolzen dauerhaft aus und verliert seine federähnliche Elastizität. Sobald das passiert, kann die Vorspannung nicht mehr richtig aufrechterhalten werden.

Das Standardziel für die meisten Allzweckverbindungen liegt bei etwa 75% der Prüfkraft der Schraube. In kontrollierteren Umgebungen, in denen die Reibung gut charakterisiert ist und die Anzugsmethoden präziser sind, könnten Ingenieure einen Wert von bis zu 90% erreichen. Bei einem höheren Wert bleibt fast kein Sicherheitsspielraum übrig, bevor die Schraube nachgibt.

Stahlschrauben werden nach Festigkeit sortiert. Die Zahlen auf den Schraubenköpfen (8.8, 10.9, 12.9) geben an, wie viel Last die Schraube aushalten kann. Die erste Ziffer gibt die Nennzugfestigkeit der Schraube in Hunderten von Megapascal (MPa) an, sodass 8,8 für etwa 800 MPa, eine 10,9 für 1000 MPa und eine 12,9 für 1200 MPa ausgelegt ist. Die zweite ist das Verhältnis zwischen Streckgrenze und Zugfestigkeit. Die 0,8 in 8,8 bedeutet also, dass die Schraube ihre Streckgrenze bei etwa 80% dieser Zugfestigkeit erreicht, was ungefähr 640 MPa entspricht. Je höher die Zahl, desto stärker ist die Schraube. Eine 12,9-Schraube, die die gleiche Größe wie eine 8,8-Schraube hat, kann deutlich mehr Vorspannung aufnehmen, bevor sie in Schwierigkeiten gerät, was bedeutet, dass sie mehr Spannkraft erzeugen kann.

Aber stärker ist nicht automatisch besser. Bei einer höherwertigen Schraube ist die Fehleranfälligkeit geringer. Wenn Sie das Drehmoment bei 8,8 überschreiten, haben Sie einen größeren Spielraum, bevor etwas schief geht. Machen Sie dasselbe bei einer 12,9 und Sie arbeiten viel näher an den Grenzen der Schraube. Die zusätzliche Festigkeit zahlt sich nur aus, wenn Ihr Anziehvorgang präzise genug ist, um sie auszunutzen, ohne zu überhöhen.

Die eingespannten Materialien sind genauso wichtig. Wenn die zusammengedrückten Teile weicher sind als die Schraube (Aluminiumgehäuse, Kunststoffteile, dünnes Blech), kann die Spannkraft die Verbindungsflächen beschädigen oder dauerhaft verformen, bevor die Schraube ihre Zielvorspannung erreicht.

In diesen Fällen wird die Druckfestigkeit der Verbindung zum limitierenden Faktor, nicht die Zugfestigkeit der Schraube. Unterlegscheiben helfen dabei, die Spannkraft auf einen größeren Bereich zu verteilen und weichere Oberflächen zu schützen. Denken Sie jedoch daran, dass sie, wenn Sie sie verwenden, die beim Befestigen entstehende Reibung beeinträchtigen.

Steifigkeit der Gelenke

Die Verbindungssteifigkeit bezieht sich darauf, wie sich die Schraube und die geklemmten Teile die äußere Belastung teilen, die nach der Montage aufgebracht wird.

Stellen Sie sich die Schraube als eine relativ flexible Feder und die geklemmten Teile als eine viel steifere Feder vor. Bei einer typischen Stahlverbindung kann das eingespannte Material zwischen 3 und 5 mal steifer sein als die Schraube. Wenn eine externe Zugbelastung auf das Gelenk trifft (etwas, das versucht, es auseinanderzuziehen), wird diese Last auf die beiden Federn aufgeteilt.

Da die eingespannten Teile steifer sind, absorbieren sie den größten Teil der äußeren Belastung, indem sie einen kleinen Teil ihrer Kompression abgeben. Die Schraube nimmt zusätzlich zu ihrer Vorspannung nur eine geringe zusätzliche Spannung auf. Dies wirkt sich enorm positiv auf die Lebensdauer aus, da die Schraube bei jedem Zyklus nur geringe Lastschwankungen erfährt und nicht die volle Stärke der äußeren Kraft.

Das ist auch der Grund, warum die Vorspannung so wichtig ist. Wenn die Spannkraft nicht ausreicht und sich das Gelenk löst, wird der Bolzen plötzlich direkt von außen belastet. Die Spannungsschwankungen steigen dramatisch an und ein Ermüdungsversagen ist schnell die Folge.

Die Gelenksteifigkeit kann konstruktionsbedingt beeinflusst werden. Ein längerer Bolzen mit größerer Grifflänge ist flexibler. Das klingt schlecht, bedeutet aber eigentlich, dass er externen Belastungen und Entspannung besser standhält, da er mehr Dehnung benötigt, um seine Vorspannung um einen bestimmten Betrag zu ändern. Wenn Sie eine geeignete Unterlegscheibe verwenden oder die Grundfläche des Schraubenkopfs vergrößern, verteilt sich die Spannkraft auf einen breiteren Materialkegel, wodurch die Verbindung effektiv steifer wird. Beide Effekte verbessern das Verhältnis zugunsten des Gelenks.

Einbettung und Entspannung

Eine frisch angezogene Schraube verliert in den Minuten und Stunden nach der Montage einen Teil ihrer Vorspannung, auch wenn sie nicht von außen belastet wird.

Auf mikroskopischer Ebene sind die Kontaktflächen (Gewindeflanken, Lagerflächen, Grenzflächen zwischen eingespannten Teilen) nie perfekt glatt. Wenn die Schraube zum ersten Mal angezogen wird, drücken sich die hohen Punkte auf diesen Oberflächen unter der Spannkraft zusammen und glätten sich ab. Wenn sie sich festsetzen, verkürzt sich die Gesamtlänge des Griffs um ein winziges Maß. Da der Bolzen auf eine bestimmte Länge gedehnt wurde, führt jede Verkürzung des Stapels dazu, dass sich der Bolzen leicht entspannt und die Vorspannung sinkt. Ein typischer Verlust liegt bei etwa 5 bis 10% der anfänglichen Vorspannung.

Dichtungen machen das noch schlimmer. Dichtungswerkstoffe sind so konzipiert, dass sie sich verformen, um eine Abdichtung zu erzeugen, sodass sie sich deutlich stärker zusammendrücken und kriechen als Grenzflächen zwischen Metall und Metall. Bei abgedichteten Verbindungen muss nach dem ersten Absetzen fast immer ein erneutes Anziehen des Drehmoments vorgenommen werden.

Auswirkungen auf die Temperatur

Jedes Material dehnt sich aus, wenn es erhitzt wird, und zieht sich zusammen, wenn es abgekühlt wird, aber verschiedene Materialien tun dies mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten. Dies kommt immer dann zum Tragen, wenn der Bolzen und die geklemmten Teile aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Stellen Sie sich ein übliches Szenario vor: eine Stahlschraube, die ein Aluminiumgehäuse festklemmt. Wenn sich die Baugruppe während des Betriebs erwärmt, dehnt sich das Aluminium stärker aus als der Stahlbolzen. Da die Schraube durch die Mutter eingeklemmt wird, dehnt sich die Schraube durch die zusätzliche Dehnung des Aluminiums effektiv weiter aus, sodass die Vorspannung und die Spannkraft zunehmen. Wenn der Temperaturanstieg groß genug ist, kann die Schraube nachgeben. Wenn die Baugruppe wieder abkühlt, löst sich die Schraube, da sie nun dauerhaft gedehnt ist.

Beim Abkühlen passiert das Gegenteil. Das Aluminium zieht sich stärker zusammen, die effektive Grifflänge schrumpft, sodass die Vorspannung sinkt. Im Extremfall oder nach einem Temperaturwechsel kann das Gelenk dadurch fast ohne Klemmkraft auskommen.

Methoden zur Steuerung von Vorspannung und Spannkraft

Jetzt, da wir wissen, was Vorspannung und Spannkraft sind, was passiert, wenn Sie sie falsch verstehen und welche verschiedenen Faktoren sie beeinflussen können, ist es an der Zeit, sich anzusehen, wie Sie sie kontrollieren können. Es gibt verschiedene Möglichkeiten, sie zu verwalten und sicherzustellen, dass Sie sie richtig machen. Nehmen Sie sich also einen Moment Zeit und überlegen Sie, welche davon für Ihre Anwendung und Ihren Arbeitsablauf am besten geeignet ist:

Beachten Sie, dass es sich bei den Genauigkeitswerten um Richtwerte handelt, die auf weit verbreiteten technischen Referenzen basieren. Die tatsächliche Genauigkeit hängt von den anwendungsspezifischen Bedingungen ab, einschließlich der Reibungskontrolle, der Fähigkeiten des Bedieners, der Kalibrierung der Ausrüstung und der Verbindungskonstruktion.

Häufige Fehler und wie man sie vermeidet

Inzwischen ist die Theorie da. Ingenieure wissen, was Vorspannung und Spannkraft sind, welche Auswirkungen sie haben und wie sie kontrolliert werden können. Dennoch versagen Schraubverbindungen immer noch ständig, und in den meisten Fällen handelt es sich eher um eine Handvoll einfacher, vermeidbarer Fehler als um etwas Kompliziertes. Hier sind die sieben, die Menschen am häufigsten erwischen, und wie Sie sich von ihnen fernhalten können.

1: Wiederverwendung einer Drehmomentspezifikation mit einem anderen Schmiermittel oder einer anderen Beschichtung

Dies ist wahrscheinlich die häufigste Art, bei der Gelenke gefährlich über- oder unterbelastet werden, und das passiert, weil es sich anfühlt, als hätte sich nichts geändert. Der Bolzen ist derselbe, der Schraubenschlüssel ist derselbe und der Drehmomentwert ist derselbe. Aber wenn die ursprüngliche Spezifikation für eine trockene Schraube festgelegt war und Sie ein Gewindeschmiermittel auftragen, ist der Mutternfaktor deutlich gesunken. Das bedeutet, dass ein weitaus größerer Teil Ihres Drehmoments in Vorspannung umgewandelt wird, als es in der Spezifikation vorgesehen war. Sie könnten also die Schraube leicht über ihre Prüfkraft hinaus bis zur Streckgrenze drücken oder das Gewinde aus einer Gewindebohrung herausziehen.

In die andere Richtung zu gehen ist genauso riskant. Wenn die Spezifikation davon ausgeht, dass die Gewinde geschmiert sind und Sie sie trocken montieren, wird die Sollvorspannung weit unterschritten und es kommt zu einer Verbindung, deren Spannkraft nicht ausreicht, um unter Betriebsbelastungen dicht zu bleiben.

Die Lösung ist einfach: Prüfen Sie immer, ob der von Ihnen verwendete Drehmomentwert für die spezifischen Reibungsbedingungen bestimmt ist, die Sie haben. Wenn sich das Schmiermittel, die Beschichtung oder die Beschichtung geändert haben, muss sich auch der Drehmomentwert ändern.

2: Anziehen von Verbindungen mit mehreren Schrauben in einem Arbeitsgang

Wenn Sie die erste Schraube in einer Flanschverbindung oder einer Deckplatte festziehen, zieht sie die Verbindungsflächen in ihrer unmittelbaren Umgebung zusammen. Da der Flansch jedoch nicht perfekt steif ist, biegt er sich leicht. Wenn Sie weitermachen und die zweite Schraube festziehen, verzieht sich der Flansch wieder und ein Teil der Spannkraft der ersten Schraube wird teilweise nachgelassen.

Wenn Sie alle Schrauben umgangen haben, liegen die Schrauben, die Sie zuerst angezogen haben, deutlich unter ihrer Sollvorspannung, was zu einer ungleichmäßigen Spannkraft im gesamten Gelenk führt. Dies führt zu einer lokalen Überlastung, einer ungleichmäßigen Kompression der Dichtung und zu potenziellen Undichtigkeiten.

Die Lösung besteht darin, in mehreren Durchgängen mit einem Stern- oder Kreuzmuster festzuziehen. Führen Sie drei oder vier Durchgänge durch und erhöhen Sie das Drehmoment jedes Mal schrittweise auf etwa 30%, 60%, 100%, und führen Sie dann einen letzten Kontrolldurchgang durch. Mit jedem Durchgang nähert sich die Gesamtverteilung der Gleichmäßigkeit an. Es dauert länger, aber bei jeder Verbindung mit mehr als vier Schrauben ist dies die einzige Möglichkeit, eine gleichbleibende Spannkraft in der gesamten Baugruppe zu erzielen.

3: Prüflast und Streckgrenze werden verwechselt

Diese beiden Begriffe klingen ähnlich und werden oft lose verwendet, aber sie sind nicht dasselbe. Die Prüfkraft ist die maximale Zugkraft, die eine Schraube aushalten kann, ohne sich dauerhaft zu verformen. Die Streckgrenze ist der Punkt, an dem sich das Material plastisch zu verformen beginnt.

Die Dehnspannung liegt unter der Streckgrenze (bei einer 8,8-Schraube beträgt die Dehngrenze 580 MPa gegenüber einer Streckgrenze von 640 MPa). Wenn Sie Ihre Zielvorspannung auf der Grundlage eines Prozentsatzes der Streckgrenze und nicht auf der Grundlage der Prüfkraft festlegen, streben Sie ein höheres Ziel an, als Sie sollten, und Sie haben die Sicherheitsmarge ausgeschöpft, die Reibungsstreuung, die Entspannung und die Genauigkeitsgrenzen Ihrer Anzugsmethode berücksichtigt.

Beziehen Sie sich bei der Berechnung der Zielvorspannung immer auf die Prüfkraft. Es ist die Zahl, bei der bereits das richtige Maß an Vorsicht eingebaut ist.

4: Wiederverwendung von Schrauben, die dem Drehmoment entsprechen

Manche Schrauben sind so konstruiert, dass sie über ihre Elastizitätsgrenze hinaus angezogen werden und sich plastisch verformen. Dadurch wird die Ungewissheit der Reibung zunichte gemacht, denn sobald die Schraube nachgibt, sorgt eine weitere Drehung für eine sehr gleichmäßige und vorhersehbare Klemmung. Diese werden als Bolzen mit Drehmoment bis zur Spannkraft bezeichnet. Zylinderkopfschrauben für Automobile und Pleuelschrauben sind gängige Beispiele dafür, wie sie in der Praxis eingesetzt werden.

Der Haken ist, dass sich der Bolzen jetzt dauerhaft gedehnt hat. Sein elastisches Verhalten hat sich geändert, er hat einen Teil seiner Fähigkeit verloren, die Vorspannung aufrechtzuerhalten, und seine Ermüdungsbeständigkeit wurde verringert. Da es sich konstruktionsbedingt um Einwegverschlüsse handelt, bedeutet ihre Wiederverwendung, dass Sie von einem unbekannten Ausgangswert ausgehen. Die Schraube kann fast sofort nachgeben, sie erzeugt möglicherweise keine ausreichende Spannkraft, aber in beiden Fällen ist ihre verbleibende Lebensdauer nicht vorhersehbar.

5: Verlassen Sie sich auf das Gefühl des Bedieners statt auf kalibrierte Werkzeuge

Ein erfahrener Monteur kann einem Solldrehmoment überraschend nahe kommen, wenn er kleinere Verbindungselemente tastet. Das Problem ist, dass „überraschend nah“ immer noch ein Streuband bedeutet, das viel breiter ist, als es bei einem Drehmomentschlüssel der Fall wäre, und das ist absolut nicht verifizierbar. Es gibt keine Aufzeichnungen, keine Wiederholbarkeit und keine Möglichkeit, das Gelenk im Nachhinein zu überprüfen.

Bei kritischen Verbindungen ist das Risiko offensichtlich, aber selbst bei routinemäßigen Montagearbeiten summiert sich der kumulative Effekt einer losen Vorspannungskontrolle. Am Ende entsteht eine uneinheitliche Spannkraft an einer Maschine oder Struktur, was bedeutet, dass einige Verbindungen mehr Last tragen, als sie sein sollten, während andere nicht genug tragen.

Kalibrierte Werkzeuge müssen nicht teuer sein. Ein einfacher Klick-Drehmomentschlüssel, der ordnungsgemäß kalibriert und ordnungsgemäß aufbewahrt ist, macht das Rätselraten überflüssig. Elektronische Drehmomentschlüssel, die jedes Schraubereignis protokollieren, ermöglichen die Rückverfolgbarkeit und Genauigkeit bei Arbeiten mit größerem Umfang oder höherer Kritikalität.

6: Entspannung ignorieren und nach anfänglichem Einpendeln nicht nachdrehen

Wie bereits erwähnt, verliert eine frisch gezogene Verbindung 5 bis 10% ihrer Vorspannung, wenn sich die Oberflächen absetzen, sich die Beschichtungen zusammendrücken und raue Oberflächenunebenheiten abflachen. Bei abgedichteten Verbindungen kann der Verlust deutlich höher sein.

Wenn das Anfangsdrehmoment aufgebracht wird und die Verbindung sofort ohne erneute Überprüfung in Betrieb genommen wird, ist die tatsächliche Spannkraft im Betrieb niedriger als das implizierte Montagedrehmoment. Bei vielen Verbindungen liegt dieser Setzverlust innerhalb des Konstruktionsspielraums und verursacht keine Probleme. Bei abgedichteten Verbindungen, Verbindungen in vibrierenden Geräten oder anderen Bereichen, bei denen der Spannkraftspielraum eng ist, ist jedoch ein erneutes Anziehen nach einer kurzen Einschwingzeit unerlässlich.

Bei einigen kritischen Anwendungen ist im Wartungsplan genau aus diesem Grund ein Intervall für die Drehmomentnachstellung vorgesehen. Der Zeit- und Kostenaufwand für einen erneuten Drehmomentwechsel ist im Vergleich zu einem Leck, einer gelösten Verbindung oder einem Ermüdungsausfall vernachlässigbar.

7: Vermischen von Schraubenqualitäten in derselben Verbindung

Wenn Sie sechs Schrauben in einem Flansch haben und fünf der Klasse 10,9 entsprechen, aber eine gegen eine Schraube mit 8,8 ausgetauscht wurde, haben Sie ein Problem. Diese 8,8-Schraube ist schwächer, sie kann nicht so viel Vorspannung aushalten wie die anderen. Ziehen Sie das gesamte Gelenk mit einem Drehmoment von 10,9 an, und von dieser einen Schraube wird mehr verlangt, als sie vorgesehen ist. Das heißt, sie könnte nachgeben, mit der Zeit an Vorspannung verlieren oder sogar komplett ausfallen.

In beiden Fällen ist die Spannkraft im gesamten Gelenk jetzt ungleichmäßig. Die verbleibenden fünf Schrauben nehmen den Durchhang auf, was bedeutet, dass sie mehr Last tragen, als sie ebenfalls vorgesehen waren.

Es funktioniert auch andersherum. Eine Schraube, die zu viele Spezifikationen überschreitet, versagt nicht unbedingt, führt aber zu Inkonsistenzen, was zu einem unvorhersehbaren Gelenkverhalten führt.

Jede Schraube in einer Verbindung sollte dieselbe Qualität, dasselbe Material und dieselbe Beschichtung haben. Hier kommt es auf die Beschaffung bei einem Qualitätslieferanten an. Konsistente, korrekt gekennzeichnete, zertifizierte Verbindungselemente bedeuten, dass Sie genau wissen, was sich in jeder Position befindet, und Sie können darauf vertrauen, dass sie sich alle gleich verhalten, wenn Sie sie festziehen.

Die wichtigsten Erkenntnisse

Vorspannung und Spannkraft bei Schraubverbindungen hängen zusammen, sodass das eine nicht ohne das andere möglich ist. Die Vorspannung hält eine Schraubverbindung zusammen, nicht das Drehmoment. Allerdings gibt es viele verschiedene Faktoren, die das Drehmoment beeinflussen können, das benötigt wird, um die erforderliche Vorspannung in einer Schraubverbindung zu erzeugen, wie zum Beispiel die Verwendung verschiedener Unterlegscheiben und die Materialien, die in den Verbindungselementen und der Verbindung selbst vorhanden sind. Reibung ist der größte Einzelfaktor, der die Vorspannung beeinflusst. Daher ist es wichtig, dies zu verstehen, um sicherzustellen, dass Sie die Verbindung nicht zu stark oder zu fest anziehen.

Wenn Sie immer noch nicht wissen, was Sie benötigen, um Ihre Gelenke richtig zu verschrauben, können Sie sich gerne an das Team qualifizierter und erfahrener Ingenieure von Accu wenden. Sie können Sie beraten, was Sie tun müssen, um sicherzustellen, dass Ihre Schraubverbindungen die richtige Vorspannung aufweisen, und Sie zu den richtigen Muttern und Schrauben führen, die Sie für Ihre Montage benötigen.

Weiterführende Lektüre:

• Lieferanten von Muttern and Bolts in Großbritannien: So finden Sie hochwertige Befestigungen für jede Anwendung.

• Verbindungselemente aus Edelstahl: Empfohlene Anzugsdrehmomente.

• Verbindungselemente und Vibration

Häufig gestellte Fragen:

F: Was ist der Unterschied zwischen Vorspannung und Spannkraft?

A: Aus zwei Perspektiven betrachtet handelt es sich um dieselbe Kraft.

• Die Vorspannung ist die axiale Spannung in der Schraube, die den Schraubenkopf und die Mutter zueinander zieht.

• Die Spannkraft ist die gleiche und entgegengesetzte Kompression, die auf die dazwischen liegenden Teile einwirkt.

Wenn die Schraube eine Vorspannung von 10 kN hat, wirkt eine Spannkraft von 10 kN auf das Gelenk. Ingenieure neigen dazu, von Vorspannung zu sprechen, wenn es um die Schraube geht (wird sie nachgeben oder ermüden?) und die Spannkraft, wenn es um die Verbindung geht (wird sie rutschen, abdichten oder sich lösen?).

F: Wie viel Vorspannung sollte eine Schraube haben?

A: Das Standardziel für die meisten Allzweckverbindungen liegt bei etwa 75% der Prüfkraft der Schraube. In kontrollierteren Umgebungen, in denen die Reibung gut charakterisiert ist und die Anzugsmethoden präzise sind, können Konstrukteure den Wert auf 90% erhöhen. Bei höheren Werten bleibt kaum Spielraum für Reibungsstreuung, Entspannung oder Anzugsgenauigkeit, bevor die Schraube nachgibt.

Das Ziel sollte niemals die Prüfkraft überschreiten und die gespannten Materialien müssen in der Lage sein, der resultierenden Spannkraft standzuhalten, ohne sich zu verformen.

F: Warum löst sich eine Schraube, auch wenn sie mit dem richtigen Drehmoment angezogen wird?

A: Die häufigste Ursache sind Quervibrationen. Selbst kleine Bewegungen von einer Seite zur anderen können die Gewindereibung überwinden und dafür sorgen, dass sich die Mutter schrittweise in Lockerungsrichtung dreht. Dieser Mechanismus ist als Junker-Effekt bekannt. Andere Ursachen sind Relaxation der Einbettung (Absetzen der Oberfläche, wodurch die Vorspannung kurz nach der Montage um 5 bis 10% reduziert wird), unzureichende Anfangsvorspannung, wodurch die Verbindung rutschgefährdet ist, thermische Zyklen, die die Spannkraft verändern, und Kriechen der Dichtung in abgedichteten Verbindungen.

In vielen Fällen liegt das Problem nicht darin, dass das Drehmoment falsch war, sondern dass die resultierende Vorspannung nicht hoch genug war, um die Verbindungsflächen unter den Betriebsbedingungen zusammenzuhalten.

F: Erhöht das Schmieren einer Schraube die Vorspannung?

A: Ja, bei gleichem aufgebrachten Drehmoment. Durch Schmierung wird der Mutternfaktor (K) reduziert, was bedeutet, dass weniger Drehmoment durch Reibung verloren geht und mehr in nutzbare Vorspannung umgewandelt wird. Eine trockene Stahlschraube mit einem K von 0,20 erzeugt bei gleicher Drehmomenteinstellung etwa die Hälfte der Vorspannung derselben Schraube, die auf einen K von 0,10 geschmiert wird.

Aus diesem Grund ist es wichtig, den Schmierstoff an die Drehmomentspezifikation anzupassen. Wenn ein Drehmomentwert für trockene Bedingungen ermittelt wurde und Sie Schmiermittel auftragen, ohne das Drehmoment herunterzuregeln, besteht die Gefahr, dass die Schraube über ihre Prüfkraft hinaus überlastet wird.

F: Können Sie die Schraubenvorspannung direkt messen?

A: Ja, obwohl nicht alle Methoden gleich praktisch sind. Der direkteste Ansatz besteht darin, die physische Dehnung der Schraube vor und nach dem Anziehen mit einem Mikrometer zu messen, da die Dehnung direkt proportional zur Vorspannung ist. Ultraschallsysteme erreichen das Gleiche, indem sie einen Schallimpuls entlang des Schraubenschaftes abtasten, und zwar mit einer Genauigkeit im Bereich von 1 bis 5%. Unterlegscheiben zur Lastanzeige (DTIs) bestätigen, ob eine Mindestvorspannung erreicht wurde oder nicht, und bei Schrauben mit optischer Rückmeldung (Farbwechsel oder Bündigstifte) lässt sich die Last auf einen Blick überprüfen.

Das Drehmoment allein misst die Vorspannung nicht direkt. Es misst die Eingangskraft und stützt sich auf Annahmen zur Reibung, um die Leistung abzuschätzen.

F: Was bedeutet Drehmoment im Verhältnis zum Streckwert?

A: Beim Torque-to-Yield (TTY) handelt es sich um ein Anzugsverfahren, bei dem die Schraube bewusst über ihre Elastizitätsgrenze hinaus bewegt wird und sich plastisch verformt. Die Schraube wird zuerst mit einem bestimmten Drehmoment angezogen und dann um einen weiteren Winkel gedreht, wodurch sie über die Dehngrenze hinaus gedrückt wird.

Sobald das Material nachgibt, erzeugt eine weitere Rotation unabhängig von der Reibung eine sehr konstante und vorhersehbare Vorspannung. Aus diesem Grund wird das Verfahren in Hochleistungsanwendungen wie Zylinderköpfen und Pleuelbaugruppen in Automobilen eingesetzt. Der Nachteil ist, dass sich der Bolzen dauerhaft gedehnt hat und nicht wiederverwendet werden kann. TTY-Schrauben sind konstruktionsbedingt Einwegverschlüsse.