SFS: Schrauben optimal sichern

Schraubenverbindungen richtig sichern

| Autor / Redakteur: Konstantin Matt / Konrad Mücke

Mit Sicherungslack gegen Verdrehen versehener Bolzenkopf.
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Mit Sicherungslack gegen Verdrehen versehener Bolzenkopf. (Bild: SFS unimarket)

In einer Vielzahl technischer Branchen nutzen Konstrukteure vorteilhaft Schrauben mit Muttern, um Bauteile lösbar miteinander zu verbinden. Allerdings dürfen sich die Schraubenverbindungen nicht unbeabsichtigt lockern oder lösen. Dies gelingt mit sachgerechten Sicherungen.

Ist eine Schraubenverbindung konstruktiv richtig ausgelegt und fachgerecht montiert, sollte sie keine Schraubensicherung benötigen. Die Klemmkraft verhindert Relativbewegungen der miteinander verschraubten Bauteile. Diese können durch axial oder normal zur Schraubenachse wirkende Kräfte und Momente verursacht sein. Eine ausreichend grosse Klemmkraft überbrückt zudem eine Elastizität der Schraubenverbindung, die durch Setzen und Kriechen der beteiligten Elemente und Bauteile entsteht. Das ist allerdings häufig nicht gewährleistet. Die Schraubenverbindung verliert dadurch ihre Funktion.

Setzen und Kriechen

Ein Lockern einer Schraubenverbindung hat mehrere Ursachen. An allen berührenden und durch die Vorspannkraft zusammengepressten Flächen entsteht ein sogenanntes Setzen. Rauigkeiten an den Oberflächen werden unter Belastung eingeebnet.

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Je grösser die Oberflächenrauheit vor der Montage, desto mehr werden sich die beteiligten Elemente nach der Montage setzen. Für Berechnungen gilt es, für jede Trennfuge etwa 4 µm Weg beim Setzen anzunehmen. Beispielsweise bei vier Trennfugen ergeben sich bei einer üblichen Schraubenverbindung mit zwei Flanschoberflächen insgesamt 16 µm. Dieser Setzbetrag bewirkt einen Verlust an Vorspannkraft. Einhergehend verringert sich die Klemmkraft.

Die zweite Ursache für einen Verlust an Klemmkraft findet sich in Kriechvorgängen. Letztere bezeichnen eine plastische Verformung der Werkstoffe. Diese ist zeit- und temperaturabhängig. Besonders grossen Einfluss haben Kriechvorgänge, wenn die maximale Flächenpressung an Grenzflächen der einzelnen Trennfugen überschritten wird. Ebenso wirkt Kriechen besonders ausgeprägt bei zu hohen Temperaturen.

Folgen ungenügender Klemmkraft

Der sogenannte Klemmkraftverlust infolge von Setzen und Kriechen bewirkt, dass sich die Schraubenverbindung lockert. Dabei gibt es noch keine Relativbewegungen zwischen Schraube und Mutter. Man kann also augenscheinlich nicht erkennen, dass die Festigkeit der Schraubenverbindung nicht mehr gegeben ist. Das ist speziell bei sicherheitsrelevanten Verbindungen sehr gefährlich. Auch ein Schraubensicherungslack, der das Losdrehen der Mutter verhindern soll, kann daran nichts ändern.

Verliert die Schraubenverbindung an Klemmkraft, bewirken äussere statische und dynamische Kräfte und Momente, dass auch der Reibschluss zwischen den verschraubten Bauteilen verloren geht. Dann können sich die Bauteile zueinander verschieben. Diese Gleitbewegungen verursachen das Lösen und Losdrehen der Schraubenverbindung. Mutter und Schraube bewegen sich relativ zueinander. Bei weiteren dynamischen Belastungen löst sich die Mutter vollständig von der Schraube. Die Schraubenverbindung fällt auseinander.

Wirkung unterschiedlicher Sicherungselemente

Um das Lösen von Schraubenverbindungen zu verhindern, nutzt man Sicherungen gegen das Setzen, das Losdrehen und das Verlieren.

Setzsicherungen gleichen Kriech- und Setzbeträge aus. Sie verhindern, dass die Klemmkraft unzulässig stark abnimmt. Diese Elemente müssen somit federn können. Vorteilhaft nutzt man Spannscheiben und Tellerfedern. Federringe, Feder-, Fächer- und Zahnscheiben sind dagegen zu vermeiden. Sie haben eine völlig unzureichende Sicherungswirkung bereits bei niedrigen Festigkeitsklassen. Deshalb wurden auch die Normen dieser Elemente bereits vor Jahren zurückgezogen. Setzsicherungen wirken nicht ausreichend gegen ein Losdrehen unter wechselnder Querbelastung. Sie sind deshalb nur bei überwiegend axial belasteten Schrauben anzuwenden.

Losdrehsicherungen müssen ein Losdrehen der Schraubenverbindung zuverlässig verhindern. Sie müssen die Relativbewegungen zwischen Mutter und Bolzen blockieren. Dies gelingt zum Beispiel mit Verzahnungen und Rippen an den Auflageflächen. Beispiele sind Keilsicherungsscheiben (Nordlock), sogenannte Schnorr-Scheiben sowie Muttern und Schrauben mit speziellen Geometrien (unter anderem Verbus Ripp, Tensilock). Letztere wirken hervorragend bei Schrauben und Muttern bis zur Festigkeitsklasse 12.9. Auch gewindefurchende Schrauben sowie Schrauben mit Mikro- verkapselung können ein Losdrehen wirksam verhindern.

Als Verliersicherungen bezeichnet man Muttern mit Klemmteil aus Polyamid und aus Metall. Kronenmuttern, Draht- und Blechsicherungen nutzt man inzwischen im allgemeinen Maschinenbau nur noch selten.

Konstruktion optimieren

Sicherungselemente kann man in ihrer Funktion unterstützen. Dazu trägt bei, möglichst wenige Trennfugen und glatte Oberflächen zu verwirklichen. Zudem sollen Schraubenverbindungen ein ausreichend grosses Klemmlängenverhältnis haben. Allerdings sind die jeweils ausreichenden Längen von unterschiedlichen Faktoren abhängig. Dazu zählen die Vorspannkraft, die Reibungszahlen und das Spiel zwischen Durchgangsloch und Schraubenschaft. Als Faustformel gilt es für Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 und höher in Verbindung mit Durchgangslöchern nach DIN EN ISO 20273 (mittel), eine Klemmlänge von mindestens 5 x d anzustreben. Ein nachträgliches Festdrehen der Schraubenverbindung nach den ersten Betriebsstunden wäre nützlich. Allerdings lässt sich das in der Praxis oft nicht verwirklichen.

Häufig werden Standardscheiben nach DIN EN ISO 7090 und 7092 sowie DIN 7989 nicht normgerecht eingesetzt. Gemäss den Vorgaben der Norm eignen sich Scheiben der Härteklasse 200 HV bis zur Festigkeitsklasse 8.8, der Härteklasse 300 HV bis zur Schrauben-Festigkeitsklasse 10.9. Als Standard haben die Scheiben jedoch eine Härte von nur 140 HV. Nutzt man diese für Schrauben mit hohen Festigkeiten, werden die zulässigen Pressungen an den Grenzflächen weit überschritten. Daraus entsteht ein erhebliches Kriechen. Sicherungselemente aus korrosionsfesten Werkstoffen eignen sich wegen der niedrigen Festigkeiten nur bedingt. Deutlich besser sind solche aus Federstahl. Das ist beim Einsatz korrosionsfester Sicherungselemente unbedingt zu beachten.

Sichern von Schraubenverbindungen

Bei grossen Klemmlängen und statischer Beanspruchung erübrigen sich Sicherungselemente. Je kürzer die Klemmlänge ist und je stärker die Schraubenverbindung dynamisch beansprucht wird, umso eher ist eine Sicherung unverzichtbar.

Um die Wirksamkeit von Sicherungselementen zu bewerten, nutzt man den sogenannten Junker-Test nach DIN 65151. Er zeigt den Verlust an Vorspannkraftverlust bezogen auf die Dauer der dynamischen Belastung. Auf Schraubenverbindungen und -sicherungen spezialisierte Unternehmen wie SFS verfügen über geeignete Prüfeinrichtungen. Sie können entsprechend prüfen und die Abläufe und Ursachen beim Lösen von Schraubenverbindungen demonstrieren.

Solche Prüfungen zeigen beispielsweise, dass häufig eingesetzte Sicherungselemente völlig unwirksam sind.

Beispielsweise bleiben allein bei sogenannten Schnorr-Sicherungsscheiben und bei speziellen Keilsicherungsscheiben (Nordlock) bei dynamischer Belastung dauerhaft 90 bis 100 Prozent der Vorspannkraft erhalten. Ähnlich wirksam sind auch Sicherungselemente mit speziellen Geometrien wie Verbus Ripp und Tensilock. Sie eignen sich auch für Schrauben der Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9. - kmu - SMM

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