DAS KRÄFTE-ZWISCHENSPIEL IN EINER SCHRAUBVERBINDUNG
Natürlich sollten Schraubverbindungen zuverlässig sein und ohne Risiko, sich selbst zu lockern. Um ein hohes Maß an Zuverlässigkeit zu generieren, ist es extrem wichtig, die Kräfte zu verstehen, die auf eine Schraubverbindung wirken, da jedes Element innerhalb der Verbindung das Endergebnis beeinflusst.
| Abbildung 1 | Abbildung 2 |
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Vereinfacht dargestellt, gibt es zwei mögliche Typen statischer Lasten in einer Schraubverbindung:
- Ohne Klemmkraft - die Kraft wir zwischen den Flächen durch Stauchkräfte und Schubkräfte im Körper des Bolzens oder des Gewindes übertragen. Die miteinander zu verbindenden Flächen bewegen sich in Relation zueinander bis die Bohrungen sich auf den Körper der Schraube oder das Gewinde legen. In diesem Fall werden die Bolzen durch Schubkräfte (Querlast) belastet; siehe Abbildung 1.
- Mit einer starken Klemmkraft - diese Klemmkraft schützt die verklemmten Teile vor dem verrutschen. Die Kraft wird durch Reibung übertragen und die Bolzen werden durch Ausdehnung (Achslast) belastet; siehe Abbildung 2.
Typischerweise ist ein gegenseitiges Verschieben der zu verbindenden Teile nicht erwünscht.
Daher muss auf die Bolzenverbindung eine ausreichende Klemmkraft ausgeübt werden. Diese Kraft ist die Vorlast, die erzielt wird, nachdem die Mutter oder Schraube angezogen wurde.
Wenn die Kräfte auf die Struktur regelmäßig ihre Richtung ändern oder nicht konstant sind, liegt eine dynamische Last vor. Unten wird dargestellt, dass eine dynamische Last einer der Gründe sein kann, dass sich Schraubverbindungen lösen oder Schrauben sogar brechen.
Damit eine Verbindung funktionieren kann, ist insbesondere bei einer dynamischen Last die Klemmkraft von wesentlicher Bedeutung.
ELASTISCHE NACHGIEBIGKEIT EINER GEWINDEVERBINDUNG
Bei der Konstruktion und Produktion einer Gewindeverbindung ist es wichtig, die folgenden Punkte zu verstehen:
- Die Schrauben und verbundenen Teile fungieren wie eine elastisch nachgebende Einheit. Die geklemmten Elemente werden elastisch zusammengepresst, während die Schraube sich während der Montage ausdehnt. Wenn die Schraube sich aufgrund einer externen Last weiter ausdehnt, federn die geklemmten Teile zurück.
- Die Zugkraft in den Schrauben entspricht also dem Druck auf die geklemmten Elemente, was in Abbildung 3 dargestellt wird.
Abbildung 3
Das Zwischenspiel von Kräften und Deformierung wird im so genannten Kräfte-/Deformierungsdreieck dargestellt, siehe Grafik A unten. Linie 1 in der Grafik zeigt die Deformierung an, die eine Schraube aufgrund der Zugkraft aufweist. Linie 2 bezieht sich auf die verbundenen Teile, die sich durch den Druck auf die Schraube deformieren.
fsm= Dehnung der Schraube aufgrund der Klemmkraft Fm
fpm= Kompression der geklemmten Elemente aufgrund der Klemmkraft Fm
Die Grafik oben zeigt, dass bei einer Klemmkraft Fm die Ausdehnung der Schraube fsm entspricht und dass die Kompression der geklemmten Teile fpm ist. Aufgrund der für die Schrauben und geklemmten Teile verwendeten, unterschiedlichen Materialien und das Design sind fsm und fpm normalerweise nicht identisch.
Auf diese Schraubverbindung wird eine externe Last Fa ausgeübt; siehe Abbildung 4.
Abbildung 4
Um diese externe Zugkraft Fa in Grafik A darzustellen, muss diese zwischen beide Deformierungsmerkmale positioniert werden. Wenn die Schraube sich aufgrund der externen Kraft ausdehnt, federt das geklemmte Material dementsprechend zurück; siehe Grafik B.
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Fm = ursprüngliche Klemmkraft in der Verbindung
Fa = externe Achslast
Fpa = Reduktion der Klemmkraft durch Fa
Fsa = Zunahme der Schraublast durch Fa
Fkr = Rest-Klemmkraft in der Verbindung
Fs = gesamte Last der Schraube
EINE ELASTISCHERE SCHRAUBE VERURSACHT EINE GERINGERE SCHRAUBLASTZUNAHME
Auf der einen Seite bewirkt Fa eine Reduktion der Klemmkraft (Fpa) und auf der anderen Seite führt sie zu einer Lastzunahme für die Schraube (Fsa).
Es ist wünschenswert, dass die Lastzunahme so gering wie möglich ist, nicht nur, um die Schraube vor einer Überlastung zu schützen. Wenn die externe Last dynamisch ist, weist die Schraube nur die Fluktuationen in Fsa auf. Ein hoher Ausschlag dieser Kraft Fsa kann schnell einen Bruch aufgrund Materialermüdung verursachen. Darüber hinaus darf die Rest-Klemmkraft Fkr niemals gleich null sein. Wenn dies passiert, bricht die Verbindung auseinander.
Die Zunahme der Schraublast Fsa kann durch Anwendung einer sehr elastischen Schraube so weit wie möglich eingegrenzt werden. Als eine Folge ist die Deformierungskurve der Schraube weniger steil, da die externe Kraft bei einer Reduktion der Klemmkraft wesentlich mehr aufgenommen wird; siehe Grafik C.
Der gleiche Effekt wird erreicht, indem sehr fest geklemmte Materialien verwendet werden: Infolgedessen wird die Deformierungskurve der geklemmten Materialien viel steiler und die externe Kraft wird nahezu vollständig durch Reduktion der Klemmkraft absorbiert; siehe Grafik D.
Festere Klemmmaterialien bewirken eine geringere Schraublastzunahme.
ZUSAMMENFASSUNG
Insbesondere bei einer dynamischen Last ist es besonders wichtig, jede zusätzliche Belastung der Schraube so gering wie möglich zu halten, da ansonsten wegen Materialermüdung ein Bruch auftreten kann.
Bei einer externen Last gibt es verschiedene Möglichkeiten, die zusätzliche Last auf die Schraube so weit wie möglich zu verringern:
- Die strukturellen Teile müssen eine maximale Festigkeit haben.
- Die Klemmkraft muss so hoch wie möglich sein und auf jeden Fall höher als die externe Last.
- Es können elastische Schrauben verwendet werden, wobei (1) ein größeres Klemmlängen-/Durchmesserverhältnis (≥ 5xD) gewählt werden sollte, (2) eine größere Gewindelänge gewählt werden sollte und bei Bedarf (3) ein reduzierter Schaftdurchmesser (reduzierte Schaftbolzen) verwendet werden sollten.