Schraubverbindungen testen

Schraubverbindungen auf Herz und Nieren prüfen

| Redakteur: Silvano Böni

Der Vibrationsprüfstand von Kistler simuliert die Belastung von Schraubverbindungen mit transversaler Wechsellast.
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Der Vibrationsprüfstand von Kistler simuliert die Belastung von Schraubverbindungen mit transversaler Wechsellast. (Bild: Kistler)

Um Kapazitäten zu erweitern und anspruchsvolle Belastungsprüfungen an Schraubverbindungen durchzuführen, setzt man im zentralen Entwicklungszentrum von ZF in Friedrichshafen einen softwaregesteuerten Schraubenprüfstand von Kistler mit Vibrationseinheit ein. Damit lassen sich Konstruktion und Entwicklung zuverlässig prüfen.

Schrauben sind ohne Zweifel ein Thema, das einem im Alltag öfter begegnet: So gut wie jeder, ob handwerklich geschickt oder nicht, hat schon mal eine Schraube festgezogen. Im industriellen und verkehrstechnischen Bereich herrschen andere Anforderungen und Bedingungen als zu Hause. Wie komplex ist also das Ganze? Einer, der es wissen muss, ist Marcus Hornikel. Von seinen Kollegen als «Schraubenpapst» bezeichnet, sorgt er als Teamleiter im Kompetenzzentrum Schraubverbindungen von ZF in Friedrichshafen seit 28 Jahren dafür, dass zusammenhält, was zusammengehört.

Als einer der weltgrössten Zulieferer von Fahrzeugtechnik betreiben die Getriebeexperten ein zentrales Forschungs- und Entwicklungszentrum am Bodensee, hinzu kommen lokale F&E-Einheiten. «Angefangen habe ich bei ZF 1985. Damals begann Schraubverbindungen relevant zu werden, so dass erste Richtlinien für die Reibwertprüfung festgelegt wurden. Heute haben wir bei ZF mit der Norm 5033 ein Regelwerk, das noch umfangreicher ist als der internationale Standard, die ISO 16047», erzählt Hornikel. Der neue Prüfstand ist für eine Belastung bis maximal 1000 Nm Drehmoment, 300 kN Vorspannkraft und 500 Nm Gewindemoment konfiguriert. «Dank des Prüfstands von Kistler sind wir nicht nur in der Lage, effizienter zu arbeiten, sondern verfügen mit der dynamischen Belastungsprüfung unter Vibration über ganz neue Möglichkeiten, Komponenten auszulegen und zu konstruieren.»

Belastungssimulation am Prüfstand optimiert Konstruktion

Eine der Hauptaufgaben des sechsköpfigen Teams von ZF besteht darin, Herausforderungen im Entwicklungs- und Konstruktionsprozess zu lösen. Wenn beispielsweise am Prototyp eines komplexen Bauteils wie einem LKW-Getriebe eine Schraubverbindung den dynamischen Belastungen nicht standhält, ohne dass auf den ersten Blick ersichtlich wäre warum, ist die Kompetenz des Teams gefragt, um in einem bereits fortgeschrittenen Entwicklungsprozess Alternativen aufzuzeigen. «Die Qualität einer Schraubverbindung hängt von vielen Faktoren ab: Liegt es am Bauteil oder am Werkzeug? Gibt es eventuell Restbestände von Schmiermittel, die die Verbindung beeinträchtigen? Wird mit einer zu hohen oder zu niedrigen Kraft angezogen? Am Schraubenprüfstand simulieren wir die unterschiedlichen Einflussgrössen und finden so heraus, woran es genau liegt», erklärt Hornikel.

Als Dienstleister für vor allem ZF-interne Kunden muss er in den meisten Fällen möglichst schnell ermitteln, wie sich eine problematische Schraubverbindung auf eine solide Grundlage stellen lässt. Am Ende steht häufig eine neue Montageanweisung. Jedoch kommen zunehmend auch Konstrukteure bereits im Entwicklungsprozess auf Hornikel zu, um gemeinsam zu einer Lösung zu finden. «Das ist natürlich deutlich effizienter, weil man wichtige Vorentscheidungen beeinflussen kann. Zum Beispiel, wo eine Schraube positioniert werden muss. Das im Vorfeld zu machen statt später, wenn das Kind bereits in den Brunnen gefallen ist, hat natürlich grosse Vorteile. Unser Ziel ist deshalb, mehr und mehr zur proaktiven Beratung überzugehen», fasst Hornikel zusammen.

Als Experte für Schraubtechnik informiert er sich auf Fachmessen über den neuesten Stand der Technik und überzeugt sich von den aktuellen Innovationen und Entwicklungen. Auf der Motek 2015 wurde er erstmals auf das neue Prüfsystem von Kistler aufmerksam. «Wir wollten ohnehin unsere Kapazitäten erweitern und haben uns deshalb nach einem neuen Prüfstand umgesehen. Die Kombination aus Schrauben-, Reibwert- und Vibrationsprüfung in einem Gerät hat mich besonders angesprochen und ist meines Wissens einzigartig auf dem Markt», betont Hornikel. Endgültig überzeugt vom Analysesystem war er, als er im November 2016 nicht nur bei Kistler zu Gast war, um sich genauer über das Produkt zu informieren, sondern als er auf dem Weg dahin feststellte, dass ein grosser Schraubenlieferant von ZF ebenfalls ein nahezu identisches Analysesystem von Kistler einsetzt.

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Jürgen Wahl ist Vertriebsingenieur für Schraubtechnik bei Kistler und hat das Projekt von Anfang an begleitet. Im Gespräch erläutert er weitere Verbesserungen des innovativen Prüfstands: «Im Gegensatz zu herkömmlichen ‹Junker-Prüfständen› ist unser Vibrationsprüfstand grösstenteils softwaregesteuert. Das hat den Vorteil, dass er sich mit deutlich geringerem Aufwand einrichten und benutzen lässt. Parameter wie Amplitude und Frequenz können sogar während der Prüfung verändert werden.»

Das Analysesystem von Kistler konnte noch Ende 2017 angeschafft werden und ist seit der Inbetriebnahme im Februar 2018 bei ZF erfolgreich im Einsatz. «Mit dem neuen Prüfstand entlasten wir nicht nur die alte, in die Jahre gekommene Anlage. Wir haben dank der einfachen Bedienbarkeit, der softwaregesteuerten Flexibilität und vor allem der integrierten Vibrationseinheit auch viel mehr Möglichkeiten, Schraubverbindungen mit Sicherheitselementen zu prüfen. Damit können wir unsere internen Kunden besser beraten und sie bei Herausforderungen effizienter unterstützen», erklärt Hornikel. Wahl ergänzt: «Die am Prüfstand eingesetzte Software für die Programmierung war den Mitarbeitern von ZF in ihrer Grundstruktur bereits aus der Praxis bekannt. Das erleichtert die Schulung und den praktischen Einsatz natürlich enorm.» Die zentrale Frage nach der benötigten Vorspannkraft kann damit in Zukunft noch schneller und zuverlässiger beantwortet werden – gerade auch unter dynamischen Bedingungen, wie sie in Fahrzeugen auf Schiene und Strasse, in der Luft und auf dem Wasser herrschen.

Um für die Komplexität der Schraubenprüfung zu sensibilisieren, hat Hornikel vor etwa sechs Jahren bei ZF die Arbeitsgruppe «Bolt Connections» ins Leben gerufen. Vertreter aus allen Bereichen des Unternehmens informieren sich dort über die neuesten Entwicklungen und tauschen Erfahrungen aus. Mit dem technologisch führenden Analysesystem von Kistler kann Hornikel seinen Kollegen aus den lokalen F&E-Abteilungen in diesem Jahr eine neuartige Dienstleistung anbieten, die Auslegungen von Schraubverbindungen ermöglicht, die in dieser Form heute kein anderer anbieten kann. Das zentrale Kompetenzzentrum wird seinen Anforderungen damit über die ganze Bandbreite gerecht. SMM

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