Technische und wirtschaftliche Optimierung bei der Sicherung von Schraubverbindungen

Wenn nicht für immer, dann wenigstens ewig

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Einkaufskosten gesenkt, aber zu welchem Preis: Rückrufaktionen, Nachbearbeitskosten, Unfälle, nachhaltig beschädigtes Image. Ausfälle und Reklamationen zeigen, wie wichtig es ist, nicht an der falschen Stelle zu sparen. Das Sichern von Schraubverbindungen wird deshalb künftig weiter an Bedeutung gewinnen. Denn diese Kosten sind gering im Vergleich zu denen bei Versagen einer Schraubverbindung, bei deren Auslegung auch noch viel Potenzial vorhanden ist.

Die Problematik einer Schraubverbindung besteht im Wesentlichen darin, dass ihre Komplexität in der Regel unterschätzt wird. Die alte Bewertung: „Es ist ja nur eine Schraube”, hat sich bis dato häufig noch nicht geändert. Dabei war es schon immer wichtig, das System von Schraube, Mutter, zu verschraubenden Bauteilen und Montage in Wechselwirkung mit der konstruktiven Gestaltung und den Betriebsbedingungen ganzheitlich zu betrachten. Nur so kann gewährleistet werden, dass eine Verbindung auch dauerhaft ihren Zweck erfüllt.

Schaut man sich die Variantenvielfalt im Bereich der Sicherung von Schraubverbindungen an, so hat diese heute ein fast unüberschaubares Maß angenommen. Dabei gilt es immer wieder unterschiedlichste Entscheidungskriterien zur Auswahl der optimalen Schraubensicherung abzuwägen. Im Vordergrund stehen technische Aspekte wie die Sicherungswirkung, die Mehrfachverwendbarkeit und die Temperaturbeständigkeit. Darüber hinaus gewinnen wirtschaftlichen Faktoren zunehmend an Bedeutung, insbesondere dann, wenn mehrere Alternativen in Frage kommen. Neben den Kosten für das reine Verbindungselement, das oft nur 20 % der Gesamtkosten ausmacht, sind die Prozess- und Montagekosten die wesentlichen Hebel bei der Auswahl der wirtschaftlich und technisch besten Lösung.
Viele so genannte Sicherungselemente sind wirkungslos
Unsichere Schraubverbindungen können Schäden hervorrufen, die eine teuere Produkthaftung nach sich ziehen und das Image eines Unternehmens nachhaltig beschädigen. So ist es sehr verwunderlich, dass heute noch millionenfach Federringe nach DIN 127 und 128 sowie Federscheiben nach DIN 137 eingesetzt werden, obwohl diese vermeintlichen Sicherungselemente bei höherfesten Schraubverbindungen völlig wirkungslos sind und das Deutsche Institut für Normung diese Normen längst zurückgezogen hat. Schon lange ist bekannt, dass eine sachgerecht ausgeführte Schraubverbindung wesentlich höhere Spannkräfte aufbaut, als ein Federring oder eine Federscheibe an Federkraft aufbauen könnte.
Weitere unwirksame Sicherungselemente sind Scheiben mit Lappen/Sicherungsblechen nach DIN 93, 432 und 463, Zahn- und Fächerscheiben aus Federstahl nach DIN 6797 und 6798 sowie Sicherungsmuttern nach DIN 7967. Dabei gehören Schraubverbindungen nach wie vor zu den wichtigsten lösbaren Befestigungen in der Konstruktion und bei der Montage. Dennoch stellen sich Generationen von Menschen immer wieder die Frage: Warum lockern sich Schrauben, obwohl sie fest angezogen wurden.
Warum lockern sich Schrauben, die fest angezogen wurden?
Generell wird die Zuverlässigkeit einer Schraubverbindung von vier wesentlichen Merkmalen bestimmt: Von der Berechnung und Gestaltung der Verbindung, vom Montageverfahren, der Sicherungsmethode und den Eigenschaften der Schraube. Dabei gilt generell, dass eine gut ausgelegte und kontrolliert angezogene Schraubverbindung unter statischen Betriebsbedingungen in der Regel keine zusätzliche Schraubensicherung benötigt, da die Vorspannkraft auch unter Betriebsbelastung weitestgehend erhalten bleibt.
Gleichwohl zeigt die Praxis, dass Schraubverbindungen speziell unter dynamischen und statischen Belastungen, etwa Vibrationen, immer wieder versagen. Unterschieden werden grundsätzlich zwei Ursachen für das Versagen von Schraubverbindungen: Lockern und Losdrehen.
Beim Lockern verursachen dynamische oder statische Belastungen speziell in axialer Richtung ein Überschreiten zulässiger Spannungen, was Setzerscheinungen und Kriechvorgänge hervorruft. Dabei verringert sich die verbleibende Klemmlänge und somit reduziert sich auch die aufgebrachte Vorspannkraft.
Im Gegensatz dazu wirken beim Losdrehen dynamische Belastungen quer zur Schraubenachse und verschieben dadurch die verspannten Bauteile zueinander. Wird eine so genannte „Grenzverschiebung” überschritten, bei der die wirkenden Querkräfte größer sind als die durch die Vorspannkraft hervorgerufene Haftreibung zwischen den verspannten Bauteilen, kann eine Taumelbewegung um die Schraubenachse erzeugt werden. Durch diese Relativbewegung wird ein inneres Losdrehmoment erzeugt, das zu einem völligen Verlust der Vorspannkraft und im Extremfall sogar zum Auseinanderfallen der Verbindung führen kann.
Maßnahmen gegen das Lockern
Um die Einflüsse für das Lockern von Schraubverbindungen zu minimieren, müssen diese sorgfältig berechnet und korrekt montiert werden. Vor allem Kombischrauben beispielsweise nach DIN EN ISO 10644:1998-10, vermindern die Flächenpressung und damit das Setzen an den Auflageflächen. Die gleiche Wirkung haben Flanschschrauben beispielsweise nach DIN EN 1665.
Rettung vor dem selbstständigen Lösen versprechen so genannte „mitverspannte Sicherungselemente“. Für einige Anwendungen geeignet sind Spannscheiben oder Tellerfedern mit hoher Steifigkeit sowie Kombischrauben und Kombimuttern. Diese können Setzverluste durch die zusätzlich mitverspannte Federwirkung kompensieren. Zu beachten ist hierbei die angemessene Relation von Vorspannkraft zu hinreichend großer Federwirkung.
Maßnahmen gegen das Losdrehen
Die besten Sicherungsmaßnahmen gegen Losdrehen sind seit jeher konstruktiver Art. Als Grundregel gilt, Relativbewegungen in den Trennfugen und den Gewindeflanken zu verhindern. Dazu sollten die zu verbindenden Bauteile möglichst starr, die zugehörige Schraubverbindung dagegen möglichst elastisch sein. Erreicht wird dies durch den Einsatz hochfester Schrauben mit großer Nachgiebigkeit, großen Klemmlängen und kleinen Schaftdurchmessern. Als zusätzliche Maßnahme bieten sich formschlüssige und klemmende Elemente als Verliersicherung sowie sperrende oder klebende Komponenten als Losdrehsicherung an.
Verliersicherungen lassen zwar ein teilweises Lockern oder Losdrehen der Schraubverbindungen zu, verhindern aber das Auseinanderfallen. Verliersicherungen sind daher keinesfalls gleichzusetzen mit wirkungsvollen Schraubensicherungen, deren Zweck es ist, einen Großteil der Vorspannkraft zu erhalten. Zu den bekanntesten, aber nicht empfehlenswerten „formschlüssigen“ Verliersicherungselementen gehören Kronenmuttern, Schrauben mit Splintloch sowie Drahtsicherungen.
Als Verliersicherung ebenfalls eingesetzt sind „klemmende“ Elemente wie Muttern mit Kunststoffeinsatz, Schrauben mit Kunststoffbeschichtung im Gewinde oder Ganzmetallmuttern mit Klemmteil wie beispielsweise die Sicherungsmuttern aus dem „Helicoil“-Programm der Böllhoff-Gruppe. Bei diesen Muttern, die mit dem Gewindeeinsatz „Helicoil plus screwlock“ verbunden sind, wird die Schraubenklemmung durch eine oder mehrere polygon geformte Windungen erzielt. Diese wirken klemmend auf die Flanken der eingedrehten Schrauben, so dass ein elastisch federnder Reibschluss entsteht.
Im Gegensatz zu Verliersicherungen verhindern Losdrehsicherungen das Lösen der Schraubverbindung. Eine sehr hohe Sicherungswirkung, insbesondere auch bei niedrigen Vorspannkräften, kann mit der Keilscheibensicherung „Nord-Lock“ erzielt werden. Dieses Schraubensicherungssystem nutzt die unterschiedlichen Winkelverhältnisse zwischen den innenliegenden Keilflächen und dem Schraubgewinde.
Weitere Losdrehsicherungen sind Sicherungselemente mit Sperrverzahnung beziehungsweise Profilierung. Die Funktion dieser Sicherungswirkung basiert darauf, dass sich die Zähne beziehungsweise Rippen in die Gegenauflage eingraben und einen Reibschluss erzeugen, der beim Lösen überwunden werden muss.
Neu auf dem Markt: Schraubensicherung Ripp Lock
Neu auf dem Markt ist die Sicherungsscheibe „Ripp Lock“, die sich dieses Prinzip zu Nutze macht. Diese mechanische Schraubensicherung vereint viele individuelle Vorteile bisheriger Sicherungselemente und Scheiben. Als Universalprodukt kann sie nahezu überall eingesetzt werden, insbesondere dort, wo hohe Anforderungen an die Sicherheit und/oder an die Reduzierung der Teilevielfalt gestellt werden, ist die Ripp Lock-Scheibe eine sinnvolle Alternative – auch unter wirtschaftlichen Aspekten.
Ripp Lock-Sicherungsscheiben sind beidseitig mit Radialrippen versehen. Bei der Montage prägen sich die Radialrippen formschlüssig in die Gegenauflage und die Unterseite des Schraubenkopfes beziehungsweise der Mutter ein. Somit kann die Relativbewegung nur in der Trennfuge zwischen Schraubenkopf beziehungsweise Mutter und Scheibe stattfinden. Dadurch wird eine sehr gute Sicherungswirkung erzielt – auch bei extremen Vibrationen und dynamischen Belastungen. Die Scheiben sind aus Stahl mit der Härte 350 bis 500 HV gefertigt und mit einer Zinklamellenbeschichtung ausgestattet. Die Korrosionsbeständigkeit liegt bei 480 h gegenüber Weißrost. Aufgrund der hohen Härte ist der Einsatz bei Schrauben aller Festigkeitsklassen bis 12.9 möglich.
Mit Ripp Lock können viele unterschiedliche Sicherungselemente substituiert werden. Die Teilevielfalt wird deutlich reduziert und damit reduzieren sich auch die Prozesskosten. Darüber hinaus ist die Sicherungsscheibe besonders geeignet für empfindliche Oberflächen (verzinkt, verchromt, lackiert, pulverbeschichtet), optimal bei Langloch-Anwendungen und effektiv bei verstellbaren Befestigungen und Elementen. Die Montage und Demontage ist einfach. Wiederholmontagen sind möglich.
Chemische Schraubensicherungen
Bei gehärteten Werkstoffen stoßen sperrende Sicherungselemente an ihre Grenzen und sind eher ungeeignet. Vorteile versprechen hier chemische Schraubensicherungen mit mikroverkapselten Klebstoffen. Die Montage erfolgt in der Regel wie bei jeder anderen Schraube auch. Beim Schrauben wird der mikroverkapselte Kleber zwischen den Flanken der Schraube, beziehungsweise des Muttergewindes, freigesetzt und damit die Klebesicherung aktiviert. Ein Lösen der Schraube oder des Gewindeträgers ist jederzeit möglich, der Kraftaufwand dazu ist allerdings deutlich höher.
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