Versuch E15: Vorspannkraft und Anziehmoment von Schrauben

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1 MUT HAW Hamburg Fakultät Technik und Informatik Department Maschinenbau und Produktion Labor für Maschinenelemente und Tribologie S 12 Dipl.-Ing. Snezhana Kolarova Dipl.-Ing. Niels Eiben Dipl.-Ing. Thomas Rieling Einführungspraktikum Datum/Semestergruppe 1. Teilnehmende(r) 2. Teilnehmende(r) 3. Teilnehmende(r) geprüft: Vorbemerkung Die Versuche des Einführungslabors sind gemäß der jeweils im Skript vorhandenen Beschreibung durchzuführen. Das Skript stellt einen Teil des Versuchsprotokolls dar und soll so als Beispiel für die Anfertigung einer Ausarbeitung dienen. Von den Studierenden sind im Anschluss an die Laborveranstaltung jeweils ein Messprotokoll und eine Auswertung anzufertigen, die während der Laborveranstaltung mithilfe der Anhänge 1, 2 und 3 vorbereitet werden sollen. Die Abgabe der gesamten Unterlagen soll spätestens 14 Tage nach der Versuchsdurchführung erfolgen. Versuch E15: Vorspannkraft und Anziehmoment von Schrauben Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Grundlagen zu Schraubenverbindungen Gewindegeometrie Anziehdrehmoment für die Montage Festigkeitsklassen Gewindewirkungsgrad η Versuchsaufbau - der Schraubenprüfer Versuchsdurchführung Versuchsbedingungen Messungen Aufgaben und Diskussion der Ergebnisse Literaturverzeichnis...7 Anhang 1 - Maximale Vorspannkräfte und Anziehmomente...8 Anhang 2 - Messdatenblatt...9 Anhang 3 Auswertungsblatt

2 1 Einleitung Schrauben sind heute das am häufigsten verwendete Verbindungselement. Das wichtigste Einsatzgebiet der Anwendung von schraubenförmigen Körpern sind die Befestigungsschrauben. Das Standardgewinde für Befestigungsschrauben ist das metrische ISO-Gewinde. Im Folgenden wird ein Drehmoment-Vorspannkraft- Versuch in Anlehnung an DIN EN ISO durchgeführt, um eine Möglichkeit für zur Beurteilung von Schraubverbindungen zu zeigen. 2 Grundlagen zu Schraubenverbindungen In den folgenden Abschnitten werden einige grundsätzliche Zusammenhänge zum Verständnis der physikalischen Vorgänge an Schraubenverbindungen beschrieben Gewindegeometrie Die Grundform des Profils ist ein gleichseitiges Dreieck mit einem Flankenwinkel β von 60. Das metrische ISO-Gewinde wird häufig als Spitzgewinde oder Regelgewinde bezeichnet und ist in DIN 13-1 genormt. Bild 1: Gewindeprofil [1] Legt man wie in Bild 2 eine Linie in einem Steigungswinkel α um einen Zylinder, so entsteht eine Schraubenlinie. Wickelt man diese Schraubenlinie ab und trägt sie über den Umfang des Zylinders auf, so entsteht aus der Schraubenlinie eine Gerade mit konstantem Steigungswinkel α. 2

3 d P P α = π d tan (1) Bild 2: Abwicklung einer Schraubenlinie [2] Legt man statt einer Linie ein Profil um diesen Zylinder, so entsteht ein Gewinde. Die Geometrie und der Steigungswinkel α sind hierbei so gestaltet, dass auf jeden Fall Selbsthemmung erreicht wird, d.h. die Reibung zwischen den Flanken verhindert ein Lösen der Verbindung. Nur mit äußerer zusätzlicher Einwirkung kann eine Verbindung wieder gelöst werden. Bei den Befestigungsschrauben sind Gewinde mit großem Flankenwinkel β und kleinem Steigungswinkel α günstig (z. B. 20 ) Anziehdrehmoment für die Montage Mit dem Festdrehen der Schraube (bzw. der Mutter) werden die zu verbindenden Bauteile zusammengedrückt und die Schraube wird verlängert. Durch diese Verformung der Schraube entsteht die Montagevorspannkraft F V. Die Klemmkraft F Kl entsteht durch das Zusammendrücken der Teile. Im Montagezustand gilt F V = F Kl. Durch die Belastung mit Betriebskräften verändern sich die Verhältnisse, was weitere Berechnungen erfordert (z. B. gemäß VDI-Richtlinie 2230). An den Berührungsflächen der Schraubenverbindung tritt Reibung auf. Beim Anziehen ist neben dem Gewindeanziehmoment M G (zur Überwindung Reibung an den Gewindeflanken und Erreichen der Montagevorspannung) auch das Reibungsmoment M K (Reibung an der Kopf- oder Mutternauflagefläche) am mittleren Auflageradius r m (s. Bild 3): zu überwinden: 0,32 P M + G 0,5 FV d 1,16 µ G d2 2 (2) M = F r µ K V m K (3) Bild 3: mittlerer Auflageradius [3] Das gesamte Schraubenanziehmoment ergibt sich dann zu: M A = M G + M K = FV ( 0,16 P + 0,58 G d2 + µ K rm ) µ (4) bestehend aus Anteilen für Vorschub + Gewindereibung + Kopfreibung. 3

4 Für die Montage muss also ein bestimmtes Anziehmoment vorgeschrieben werden, um eine bestimmte Montagevorspannkraft zu erreichen. Im Versuch werden die Reibzahlen für das Gewinde µ G und die Kopfauflage µ K der Schraubenverbindung bestimmt, um zu erfahren, wie effektiv und reproduzierbar die Umwandlung in den Vorschub der Schraube erfolgt Festigkeitsklassen Die Bezeichnung der Festigkeitsklassen erfolgt durch 2 Zahlen (z. B. 10.9), die oft auf dem Schraubenkopf angegeben sind. Aus der ersten Zahl ergibt sich der Nennwert der Mindestzugfestigkeit des Werkstoffes R m und durch Multiplikation mit der zweiten Zahl erhält man 1/10 des Nennwertes der Mindeststreckgrenze des Werkstoffes R p0,2 jeweils in N/mm 2. R m = 100 Zahl 1 (5) R p 0,2 10 Zahl1 Zahl2 = (6) Die maximale Montagevorspannkraft F Vmax für einen Schraubenquerschnitt A S und eine bestimmte Festigkeitsklasse ist zugelassen bis zur 90-prozentigen Ausnutzung der Dehngrenze (R p0,2 ): 0,9 R p0,2 F V max A S (7) 2. 4 Gewindewirkungsgrad η Der Wirkungsgrad η ist das Verhältnis von abgegebener zu aufgewendeter Arbeit. Jede Umdrehung entspricht einem Axialvorschub (Längsweg) von der Gewindesteigung P. Die Sicherheit der Schraubenverbindung ist von der beim Anziehen der Schraube erreichten Vorspannkraft abhängig. Die oben beschriebenen Reibungsverluste verringern diese Kraft bis zu 90 %. Mit den gemessenen Werten der Spannkraft F V, dem Schraubenanziehmoment M A und mit Gewindeparametern kann der Wirkungsgrad η (Reibungsverluste) bestimmt werden: F P V η = (8) 2 π M A Bild 4: Kraftwirkung des Anziehens [2] 3 Versuchsaufbau - der Schraubenprüfer Das Hauptelement des Gerätes ist ein geschlitzter, elastisch verformbarer Stahlkörper (U-förmiger Biegebalken (4)). Durch Anziehen der prüfenden Schraube wird der geschlitzte Bereich verformt und erzeugt damit eine axiale Spannkraft F V (in der Schraube). Die Verformung wird mit einer mechanischen Messuhr (1) erfasst undist ein Maß für die erzeugte Vorspannkraft. Die Kraft-Weg-Konstante ist c 1 = 20 kn/mm. 4

5 Bild 5: Schraubenprüfer Das Anziehen und auch das Lösen der Schraubenverbindung erfolgt mit einem speziellen Drehmomentschlüssel. Zum gleichmäßigen und leichten Anzug der Schraube dienen ein elastischer Hebel (3) und eine Gewindespindel (6) mit Handrad (7). Eine umschaltbare Ratsche (5) ermöglicht eine Drehrichtungsumkehr, so dass auch das Losdrehmoment M L der Schraube gemessen werden kann. Die Verformung des elastischen Hebels wird durch die zweite Messuhr (2) gezeigt und dient als Maß für das Anziehmoment M A. Die Moment-Weg-Konstante ist c 2 = 10 Nm/mm. 4 Versuchsdurchführung Das Ziel des Versuches ist es, den Zusammenhang zwischen Schraubenanziehmoment M A (Nm) und Schraubspannkraft F V (kn) an genormten Schrauben zu finden sowie die Reibungsverhältnisse bzw. -verluste zu ermitteln. 5

6 4. 1 Versuchsbedingungen Zu prüfenden Schraubenverbindungen: Bis zu 4 verschiedene Schaftschrauben M8 x 100 (Stahl 8.8 verzinkt, Edelstahl A2, Edelstahl A4, Messing) und Mutter M8, Gewindesteigung P = 1,25; DIN 931. Belastungsgrenzen: Die Richtwerte für die maximale Montagevorspannkraft F V max und das maximale Anziehmoment M Amax werden berechnet bzw. nach Tabellen bestimmt (Anhang 1, S. 7). Diese sind nicht zu überschreiten! Wegmessuhren : mm, Teilung: 0,01 mm; c 1 = 20 kn/mm, c 2 = 10 Nm/mm 4. 2 Messungen Die fest oder drehbar wählbare Auflagerfläche der Mutter ermöglicht die Messung der Gesamtreibung oder nur der Gewindereibung. Bild 5: Einbauvarianten der Auflagerfläche [2] 01 Ermitteln Sie die maximalen Belastungen (F V max und M Amax ) anhand der Angaben auf der gewählten Prüfschraube sowie in Anhang Stellen Sie den Auflageteller (1) drehend oder fest ein (siehe Bild 5). 03 Prüfen Sie, ob die Einsatzplatte (2) richtig eingesetzt ist (ebene Auflagefläche nach oben).. 04 Setzen Sie die Verdrehsicherung (3) für den Schraubenkopf auf die Schraube und beide Teile von unten in die Durchgangsbohrungen der Biegebalken (4). 05 Setzen Sie die Mutter auf und ziehen Sie diese leicht an so dass gerade ein kleiner Widerstand zu spüren ist. 06 Setzen Sie die Ratsche mit dem Steckschlüsseleinsatz auf die Mutter. 07 Stellen Sie an der Ratsche die gewünschte Drehrichtung ein (zum Anziehen: Hebel nach links). 6

7 08 Stellen Sie die Messuhren auf Null. 09 Ziehen Sie über das Handrad langsam die Mutter an und notieren Sie die Werte für die Schraubenkraft und das Anziehmoment immer auf der Endposition der Spindel. Achten Sie darauf, dass die maximal zulässige Schraubenkraft nicht überschritten wird! 10 Stellen Sie zum Lösen der Mutter die Drehrichtung an der Ratsche um (Hebel nach rechts) und erfassen Sie den Wert für das Losdrehmoment. 11 Wechseln Sie die Einbauvariante und prüfen Sie anschließend mindestens 1 weitere Schraube Aufgaben und Diskussion der Ergebnisse a) Stellen Sie die M A - F V - und M G - F V - Diagramme (beide Einbauvarianten) dar, beschreiben Sie kurz die Unterschiede. b) Berechnen Sie für jede Schraube folgende Größen und fassen Sie diese in einer Tabelle zusammen: Gewindereibwert µ G (Gl. 2), Kopfreibwert µ K (Gl. 3, mit r m = 4 mm), Gewindewirkungsgrad η (Mittelwert, Gl. 8). c) Stellen Sie die drei Anteile des Schraubenanziehmomentes (Gl. 4) grafisch im Vergleich dar. d) Prüfen Sie, ob die Bedingung für F Vmax nach Gl. 7 erfüllt war. e) Versuchen Sie zu erklären, warum M L kleiner als M A gemessen wird. 5. Literaturverzeichnis [1] [2] Handbuch zum TM 320 Schraubenprüfer, Fa. GUNT, Barsbüttel b. Hamburg [3] Decker, Maschinenelemente, Carl Hanser Verlag 7

8 Anhang 1 - Maximale Vorspannkräfte und Anziehmomente Dargestellt für Schaftschrauben aus Stahl mit metrischem Gewinde wie DIN 912, 931, 934 aus verschiedenen Hersteller-Informationen. [ Augewählte Materialeigenschaften für Befestigungsschrauben M8 x 100 Material Zugfestigkeit Dehngrenze Anziehmoment Vorspannkraft Quelle R m [N/mm 2 ] R p0,2 [N/mm 2 ] M A [Nm] F V [kn] St ,3 18,1 1 A ,2 1 A ,7 1 Ms : 2: 8

9 Anhang 2 - Messdatenblatt Schraube 1: (Auflager drehend) (Auflager fest) l 1 [0,01 mm] F V [kn] l 2 [0,01 mm] M G [Nm] l 1 [0,01 mm] F V [kn] l 2 [0,01 mm] M A [Nm] Schraube 2: (Auflager drehend) (Auflager fest) l 1 [0,01 mm] F V [kn] l 2 [0,01 mm] M G [Nm] l 1 [0,01 mm] F V [kn] l 2 [0,01 mm] M A [kn] Schraube 3: (Auflager drehend) (Auflager fest) l 1 [0,01 mm] F V [kn] l 2 [0,01 mm] M G [Nm] l 1 [0,01 mm] F V [kn] l 2 [0,01 mm] M A [kn] l 1 und l 2 sind die gemessenen Deformationen von Messuhren 1 und 2. 9

10 Anhang 3 Auswertungsblatt Diagramme M A - F V bzw. M G - F V F V [kn] M A [Nm] M G [Nm] Wählen Sie eine sinnvolle Einteilung für die Messgrößen. 10