Sichern von Schraubenverbindungen gegen selbsttätiges Lösen

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1 Sichern von Schraubenverbindungen gegen selbsttätiges Lösen 2. Hamburger Verschraubungsforum Hamburg, 6. und 7. Dezember 2016 M.Eng. Dipl.-Ing. (FH) Tobias Hübing Leiter Labor HEICO Befestigungstechnik GmbH Ensestraße Ense-Niederense

2 Lose Schraubenverbindungen Beispiele - Nachrichten

3 Selbsttätiges Lösen von Schraubenverbindungen Vorspannkraftverlust Lockern Losdrehen Setzen Kriechen / Relaxation Verminderung oder Aufhebung der Selbsthemmung Einebnen der Oberflächenrauhigkeiten der Kontaktflächen unter Druckbeanspruchung Zeitabhängige Plastifizierung durch Überschreiten der Fließgrenze des Werkstoffes Dynamische wechselnde Relativbewegungen der Kontaktflächen quer zur Schraubenachse Atmen des Muttergewindes bei axialer Beanspruchung

4 Selbsttätiges Lösen von Schraubenverbindungen Kriechen zeitabhängiges Überschreiten der Werkstofffließgrenze Lockern Setzen Einebnen von Oberflächenrauhigkeiten Relativbewegungen zwischen den Kontaktflächen Bis zum endgültigen Gleichgewicht: inneres Losdrehmoment Selbsthemmungsmoment Selbsttätiges Losdrehen Vorspannkraftabfall Kraftschluss (Vorspannung) erhalten Flächenpressung herabsetzen Setzbetrag ausgleichen Lockerungssicherung vorsehen Losdrehen verhindern Bis zum Auseinanderfallen infolge des Aufhebens des Selbsthemmungsmomentes Materialschluss herstellen Formschluss herstellen Losdrehsicherung vorsehen Auseinanderfallen verhindern Selbsthemmung erhöhen Verliersicherung vorsehen nach E DIN : Bild 1

5 Theorie des selbsttätigen Losdrehens 3 Phasen Phase 1: Überwindung des Reibschlusses in der Trennfuge Trennfugengleiten Schraubenkopf und Mutter folge Biegung der Schraube (S-Schlag) Mögliche Ursachen: Dimensionierungsfehler Gleitkriterium nicht eingehalten Außerordentliche Belastungen z. B. Auflaufstoß beim Ankoppeln von Eisenbahnwaggons Restklemmkraft durch Lockern bereits stark reduziert Unvorhersehbare Belastungsspitzen F Q, s Q F Q µt s Q µ M µg Gleiten, wenn: F Q > μ T F K F K F K µ K F Q t

6 Theorie des selbsttätigen Losdrehens 3 Phasen Phase 2: Überwindung der Haftreibung an der Schraubenkopf- und/oder Mutterauflagefläche Elastische Biegeverformung führt zu Rückstellkräften an den Auflageflächen Gleiten an den Auflageflächen Schraube = Feder, auch in transversaler (quer) Richtung, Biegesteifigkeit Rückstellkräfte nehmen mit größer werdender Querverschiebung zu Die Biegenachgiebigkeit ist abhängig vom Klemmlängenverhältnis F Q s Q µ M µg Gleiten, wenn: F Q > μ K,M F K F K F K µ K F Q Grenzverschiebung nach Blume: s Q F 3 Q l K 12EI mit F Q = F V μ K,M

7 Theorie des selbsttätigen Losdrehens 3 Phasen Phase 3: Überwindung der Gewindereibung Gewinde = aufgewickelte schiefe Ebene Ruhezustand: Selbsthemmung durch Haftreibung Wechslende Querverschiebung: Gleiten an den Gewindeflanken. Übergang Haft- in Gleitreibung Physikalischen Prinzip: Wenn die Haftreibung eines Körpers einer Masse m auf einer reibungsbehafteten Oberfläche durch eine Kraft in beliebiger Richtung überwunden wird, so kann der Körper durch eine Kraft welche kleiner ist als die Reibungskraft verschoben werden. F H F V F g = m g m F H µ G µ F Q

8 Theorie des selbsttätigen Losdrehens - inneres Losdrehmoment Gesamtanziehdrehmoment = Summe aus Teilmomenten Anziehen: M A = M K,R + M G,R + M G,St Steigungsmoment im Gewinde wirkt immer in Losdrehrichtung F UG,An F St φ F R FN F V d 2 π µ G P M L = M K,R M G,R + M G,St Losdrehen: F UG,Los Inneres Losdrehmoment = Steigungsmoment im Gewinde M L,i = M G,St = F V d 2 2 tan φ µ G F St φ F R F V d 2 π F N P

9 Losdrehgefährdete Schraubenverbindungen Risikofaktoren selbsttätiges Losdrehen: Niedrige Klemmkraft bzw. Restklemmkraft aufgrund vorangegangener Lockerungsvorgänge aufgrund unsicherer Montageparameter infolge hoher Reibung (z. B. Korrosion, Macken, Grate, falsche Schmierung, Fressen) Falsche Annahme der Reibungsverhältnisse Unsicheres Montageverfahren (Anziehfaktoren beachten) Kurze Klemmlänge l K < 3d 5d (VDI ) Niedrige Trennfugenreibung Einsatz unwirksamer Sicherungselemente aktuelle Normung beachten! Undefinierte Belastungen quer zur Schraubenachse

10 Vibrationstest nach DIN / DIN JUNKER -Test (Junker, G.: "New Criteria for Self-Loosening of Fasteners Under Vibration ) Messstellenanordnung (nach E DIN Bild B.2) F Q f F V M A ν ±s Q Kraft- oder Wegerregung HEICO Labor: Vibrationsprüfstand nach DIN 65151, M14 - M30 Schraubenverbindung Prüfling Datenerfassung und Auswertung

11 Selbsttätiges Losdrehen Prüfung von Sicherungselementen Bewertung der Sicherungswirkung anhand des Verlaufs der Vorspannkraft über der Lastwechselzahl s Q ±s Q F M ΔF V Vorspannkraft F V ungesichert, unwirksame Sicherung gesichert mit HEICO-LOCK F V,Rest = F KR ±s Q = konst. N Lastwechselzahl N Ungesicherte oder unzureichend gesicherte Schraubenverbindungen: Selbsttätiges Losdrehen bis zum vollständigen Vorspannkraftverlust Wirksame Schraubenverbindung: Hohe Restvorspannkraft F V,Rest bzw. garantieren eine geringen Vorspannkraftverlust ΔF V

12 Selbsttätiges Losdrehen Prüfung von Sicherungselementen Prüfvorgaben nach E DIN Anhang B ermöglichen eine vergleichende Prüfung von Sicherungselementen unter Berücksichtigung der Einflussgrößen: Eingestellte Querverschiebung (direkter Vergleich ungesichert / gesichert) Prüfstandsunabhängige Bezugsgröße: Losdrehverhalten der ungesicherten Schraubenverbindung aus Einstellversuchen. Vollständiger Vorspannkraftverlust in 300 ±100 Lastwechseln. Einzustellende Vorspannkraft (Ausnutzung R p0,2 zu 45%) Anziehfaktor α A = 2 Sicherheit für die Praxis (VDI für drehmomentgesteuertes Anziehverfahren) Klemmlängenverhältnis (l K /d = 1,7) Geringes Klemmlängenverhältnis stellt eine anspruchsvolle Prüfung dar Schmierzustand Unterbinden einer vorgetäuschten Sicherungswirkung z. B. durch Fressen Zustand Gegenlage (Oberfläche, Härte) Einbau Prüfgarnitur (Schraube, Mutter, Sicherungselement) Prüfkriterium: Restvorspannkraft > 80% nach 2000 Lastwechseln!

13 Selbsttätiges Losdrehen Unwirksame Sicherungselemente Federringe (DIN 127, DIN 128 und DIN 6905) Federscheiben (DIN 137 und DIN 6904) Zahnscheiben (DIN 6797) Fächerscheiben (DIN 6798 und DIN 6908) Sicherungsbleche (DIN 93, DIN 432 und DIN 463) Sicherungsmuttern (DIN 7967) Kronenmutter mit Splint (DIN 935/ DIN 94) Einige Normen wurden vom DIN im Jahr 2003 zurückgezogen.

14 Selbsttätiges Losdrehen Verliersicherungen Früher als Losdrehsicherungen eingeordnete Sicherungselemente werden als Verliersicherungen eingestuft: Muttern Polyamidklemmteil (DIN 985 / ISO10511) Ganzstahlsicherungsmuttern (DIN 980 / ISO 7042) Verarbeitung mit 2 Muttern (DIN 934 / ISO 4032) Kontermutter Sechskantmutter mit Flansch (DIN 6923) Verhindern nicht das selbsttätige Losdrehen Verhindern das Auseinanderfallen der Schraubenverbindung nach vollständigem Vorspannkraftverlust Ggf. geringe Restvorspannkraft

15 Sicherungselemente Übersicht nach DIN Sicherungsart Funktionsart Sicherungselement Hinweise Losdrehsicherung Verliersicherung sperrend, z. T. mitverspannt klebend klebend klemmend nach E DIN : Tabelle A.1 Elemente mit Nachweis nach E DIN Anhang B (Keilsicherungsscheiben, Rippschrauben und muttern) mikroverkapselter Klebstoff nach DIN Flüssigklebstoff Muttern mit Klemmteil Gewindeeinsätze Schrauben mit Kunststoffbeschichtungen nach DIN Härte der Auflagefläche muss kleiner als die des Sicherungselements sein. Anordnung unter Schraubenkopf bzw. Mutter. Einsatz bei gehärteten Oberflächen. Temperaturgrenzen beachten. Bei elektrischen Anwendungen nicht zulässig. Schmierung nicht zulässig. Verhindern des Auseinanderfallens der Schraubenverbindung. Temperaturgrenzen bei Kunststoffeinsätzen beachten. Bei elektrischen Anwendungen Spanbildung unzulässig.

16 Selbsttätiges Losdrehen Prüfung von Sicherungselementen Vorspannkraftverläufe: Prüfstand DIN 65151; M8-8.8; F M = 9,1 kn; s Q = ± 0,3 mm; f = 40 Hz

17 VIELEN DANK FÜR IHRE AUFMERKSAMKEIT