Schweißen
Teil von Schraubverbindungen sichern mit mechanischen und chemischen Verfahren
Schraubverbindungen sichern: Lockerungsursachen, Setzverluste und Prüfung der Vorspannkraft
Warum sich Schrauben lockern, wo VDI 2230 Blatt 1 bei Setzbeträgen endet, was Forschung zur Keilsicherung zeigt und wie man Vorspannkraft prüft.
Warum sich Schraubverbindungen lockern
Durch zyklische und schlagartige Beanspruchungen kann sich eine geschraubte Verbindung unbeabsichtigt lösen. Schrauben können sich sogar trotz ausreichender Vorspannkraft selbstständig lockern. Bei tragenden Elementen unter starken mechanischen oder thermischen Belastungen ist ein sicherer Betrieb dann nicht mehr garantiert.
Die Funktionsfähigkeit einer Schraubenverbindung hängt von drei Größen ab: der prozesssicher aufzubringenden Montagevorspannkraft FM, den Setzkräften FZ und der daraus resultierenden Vorspannkraft FV. FV muss ausreichend hoch sein, damit die Verbindung nicht durch Dauerbruch oder selbsttätiges Lösen ausfällt. Für die Analyse von Fehlerquellen und Schadensbildern lohnt es sich, alle drei Größen getrennt zu betrachten.
Die Vorspannkraft wird bei der Montage aufgebracht. Sie muss spätere Setzerscheinungen berücksichtigen und trotzdem groß genug bleiben, um den Betriebslasten und den Umgebungseinflüssen standzuhalten. Wer eine Sicherung auswählt, sollte deshalb nicht nur auf das Sicherungselement achten. Entscheidend ist, wie viel Vorspannkraft über die Lebensdauer verloren geht.
Setzverluste und die Grenzen von VDI 2230 Blatt 1
Im Nachweis nach der VDI-Richtlinie 2230 Blatt 1 werden mögliche Vorspannkraftverluste durch Setzeffekte berücksichtigt. Sie entstehen durch die plastische Einebnung von Oberflächenrauheiten. Die dort angesetzten Setzbeträge gelten jedoch nur für stahlgepaarte Oberflächen.
In der Praxis kommen häufig Beschichtungen als Korrosionsschutz, Sicherungselemente zur Losdrehsicherung und alternative Verbindungselemente wie Schließringbolzensysteme zum Einsatz. Für diese Ausführungen sind keine Setzbeträge verfügbar. Streng genommen kann dann kein Nachweis geführt werden. Wer nach VDI 2230 auslegt, prüft deshalb zuerst die Oberflächenpaarung.
Aus den fehlenden Setzbeträgen folgt entweder ein erhöhtes Ausfallrisiko oder eine Überdimensionierung, die zu unwirtschaftlichen Konstruktionen führt. Übertragen Sie Ansätze für stahlgepaarte Oberflächen daher nicht ungeprüft auf beschichtete oder gesicherte Verbindungen. Dokumentieren Sie den gewählten Setzansatz gemeinsam mit der Berechnung von Drehmomenten und Vorspannkräften.
Keilsicherungsscheiben als untersuchtes Beispiel
Im Forschungsprojekt "Wartungsfreie Verbindungen in der Landwirtschaft" untersuchte das Fraunhofer IGP experimentell die Wirksamkeit branchentypischer Sicherungselemente. Anschließend wurde das Setzverhalten von Verbindungen mit wirksamen Sicherungselementen wie Keilsicherungsscheiben und mit Schließringbolzensystemen untersucht.
Das Projekt widmete sich gezielt den fehlenden Setzbeträgen. Variiert wurden die Art der Beschichtung, die Klemmlänge sowie Anzahl und Lage der Trennfugen. So entstanden Setzbeträge in Ergänzung zu den Vorgaben der VDI-Richtlinie 2230 Blatt 1. Zusätzlich wurden Einflussgrößen auf die Haftreibungszahl in der Trennfuge grundierter und pulverbeschichteter Bauteile bestimmt.
Die Ergebnisse ermöglichen die Berechnung und Auslegung wartungsfreier Verbindungen, weil die Setzkraftverluste über die Lebensdauer bekannt sind. Mit geeigneten Sicherungselementen lassen sich Verbindungen so bereits in der Auslegung losdrehsicher und wartungsfrei ausführen. Die zerstörungsfreie Demontage der Bauteile bleibt dabei gewährleistet.
Schließringbolzen sind eine Alternative zur Schraube. Sie bieten eine wirksame Sicherung gegen das selbsttätige Lösen des Schließrings und äußerst geringe Streuungen beim bedienerunabhängigen Einbringen der Vorspannkraft. Wie sich mechanische und chemische Verfahren zur Schraubensicherung grundsätzlich unterscheiden, behandelt ein eigener Beitrag.
Vorspannkraft messen: Verfahren im Vergleich
Bei Drehmoment-, Drehwinkel- oder Streckgrenzverfahren wird die Vorspannkraft nicht direkt gemessen. Gesteuert und überwacht werden Prozessparameter wie Drehmoment, Drehwinkel, Einschraubtiefe oder Einschraubzeit. Für die Instandhaltung entstehen so unkalkulierbare Randbedingungen.
Ein definiertes Vorspannkraftniveau lässt sich mit den gängigen Verfahren über längere Zeit nur schwer gewährleisten. Routinemäßige Sichtprüfungen oder Prüfungen mit dem Drehmomentschlüssel liefern keine Information über die tatsächlich anliegende Vorspannkraft. Die folgende Übersicht ordnet die Verfahren nach Messgröße und Voraussetzung.
| Verfahren | Was erfasst wird | Voraussetzung oder Grenze |
|---|---|---|
| Drehmoment-, Drehwinkel-, Streckgrenzverfahren | Prozessparameter, Vorspannkraft nur indirekt | kein direkter Messwert der Vorspannkraft |
| Sichtprüfung, Drehmomentschlüssel | Routinekontrolle | keine Information über die anliegende Vorspannkraft |
| Kraftmessdose | Vorspannkraft | Messmittel im Prüfaufbau |
| Ultraschall | Vorspannkraft direkt über die Schalllaufzeit | Referenzlaufzeit oder aufwändige Kennwertbestimmung je Schraubfall |
| Dünnschichtsensor auf Unterlegscheibe | Kraft über Widerstandsänderung, dazu Umgebungstemperatur | nachrüstbar für DIN-Schrauben, Überwachung in Montage und Betrieb |
Ein Schlussbericht zur Ultraschallmessung nennt als primären Vorteil ultraschallbasierter Verfahren, dass sie im Gegensatz zu konventionellen Verfahren eine direkte Messung der Vorspannkraft ermöglichen. Untersucht wurden dort auch verschiedene Schraubfälle sowie die Einflüsse Biegung und Korrosion auf die Vorspannkraft.
Ablauf der Ultraschallmessung
Der Messablauf folgt einer festen Reihenfolge. Ob ein Referenzzustand vorliegt, entscheidet über den Aufwand.
- Grundlaufzeit tL0 messen. Sie hängt von der Schraubenlänge im spannungsfreien Zustand L0 und der Schallgeschwindigkeit vL im jeweiligen Material ab.
- Bei zugänglichem Referenzzustand, also der Laufzeit im unbelasteten Zustand, genügt eine Wellenart, in der Regel die Longitudinalwelle. Das ist die Ein-Moden-Methode.
- Fehlen Informationen über die unbelastete Schraube, wie in praxisnahen Anwendungen häufig, muss die Vorspannkraft ohne Referenzlaufzeit bestimmt werden.
- Die akusto-elastischen Kennwerte sind geometrieabhängig. Für jeden Schraubfall ist deshalb eine aufwändige Kennwertbestimmung nötig, und die geometrischen Randbedingungen fließen in die Berechnung ein.
Sensorbasierte Systeme gehen einen anderen Weg. Eine integrierte Kraft- und Temperatursensorik überwacht die vorliegenden Vorspannkräfte. Das Dünnschichtsystem misst elektrische Widerstandsänderungen und ermittelt die Kraft über Widerstands-Kraft-Kennlinien. Eine Druckveränderung zeigt, ob sich die Schraube gelöst hat. Die Überwachung arbeitet drahtlos und energieautark.
Wirksamkeit der Sicherung prüfen
Weil für Sicherungselemente keine Setzbeträge vorliegen, sollte ihre Wirksamkeit im konkreten Aufbau geprüft werden. Für die dynamische Prüfung des Sicherungsverhaltens unter Querbeanspruchung gibt es Prüfstände nach DIN 65151 und DIN 25201-2.
Weitere normative Prüfungen betreffen angrenzende Fragen. Das Warmlöseverhalten wird nach VDA 235-203 bewertet. Furchmomentprüfungen erfolgen nach DIN 7500-1, DIN 267-30 und DIN 267-31. Die Reibwertprüfung richtet sich nach DIN EN ISO 16047, dem Drehmoment/Vorspannkraft-Versuch. Junker-Vibrationstests bietet zum Beispiel Bossard in technischen Prüflaboren an.
Schraublabore führen neben normativen auch kundenspezifische Prüfungen durch. DAkkS-kalibrierte Sensoren sind ein Qualitätsmerkmal, auf das Sie bei der Auswahl achten können. Eine Übersicht zu Anbietern und Prüfstellen hilft bei der Suche nach einem passenden Labor.
Auswahlhilfe in fünf Schritten
Die folgenden Schritte verbinden Ursachen, Setzansatz, Messung und Prüfung. Sie eignen sich für neue Konstruktionen und für die Instandhaltung betriebener Verbindungen.
- Beanspruchung erfassen.Halten Sie fest, ob zyklische oder schlagartige Beanspruchungen, Querbeanspruchung oder thermische Belastungen auftreten. Notieren Sie Betriebslasten und Umgebungseinflüsse.
- Aufbau beschreiben.Dokumentieren Sie Oberflächenpaarung, Beschichtung, Klemmlänge sowie Anzahl und Lage der Trennfugen. Sind die Oberflächen nicht stahlgepaart, fehlen Setzbeträge nach VDI 2230 Blatt 1.
- Sicherungsprinzip wählen.Benennen Sie das Sicherungselement, etwa eine Keilsicherungsscheibe, oder ein alternatives Verbindungsmittel wie Schließringbolzen.
- Messverfahren festlegen.Entscheiden Sie anhand der Tabelle, ob indirekte Prozessgrößen genügen oder ob Vorspannkraft direkt gemessen oder dauerhaft überwacht werden muss.
- Wirksamkeit prüfen und dokumentieren.Lassen Sie den Aufbau etwa unter Querbeanspruchung nach DIN 65151 oder DIN 25201-2 prüfen und halten Sie das Ergebnis mit einer Checkliste für die Montage fest.
Ändern sich Beschichtung, Klemmlänge oder Trennfugen, gilt die Auswahl nicht automatisch weiter. Prüfen Sie die veränderte Verbindung dann erneut, bevor Sie ein bewährtes Sicherungselement übernehmen.
