Bewertung des selbsttätigen Losdrehens hochbeanspruchter Schraubenverbindungen unter zyklisch wirkender Beanspruchung

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1 Bewertung des selbsttätigen Losdrehens hochbeanspruchter Schraubenverbindungen unter zyklisch wirkender Beanspruchung Fachgebiet und Institut für Werkstoffkunde Prof. Dr.-Ing. Matthias Oechsner Dr.-Ing. Jörg Beyer Andrea Eberhard M.Sc. Lehrstuhl für Maschinenelemente, Verbindungstechnik und Produktinnovation Prof. Dr.-Ing. Christoph Friedrich Dr.-Ing. Georg Dinger 1 Einleitung Die Schraube hat als wichtigstes lösbares Verbindungselement eine sehr große Verbreitung in nahezu allen Bereichen des konstruktiven Ingenieurwesens. Die prozess- und betriebssichere Auslegung einer Schraubenverbindung ist deshalb von großer Bedeutung. Ein Vorspannkraftverlust im Betrieb kann durch unterschiedliche Ursachen hervorgerufen Einleitung 1

2 werden: Setzen oder Kriechen kann das Lockern der Schraubenverbindung zur Folge haben. Zum selbsttätigen Losdrehen von Schraube oder Mutter kann es durch schwingende mechanische Beanspruchung, Verringerung der Reibung z. B. durch Temperatureinfluss und einhergehender Aufhebung der Selbsthemmung des Gewindes kommen. Eine häufige Folge des Vorspannkraftverlusts sowie der zyklischen Überbeanspruchung von Schraubenverbindungen ist der Dauerbruch und damit der Funktionsverlust der Verbindung [1]. Um ein Lockern oder Losdrehen der Schraubenverbindung zu verhindern, werden daher oft Sicherungselemente eingesetzt. Schadensfälle durch selbsttätiges Losdrehen sind zwar u.a. aus den Veröffentlichungen des Kraftfahrtbundesamtes bekannt, die Vermeidung wird aber meist erst nach Auftreten von Losdrehereignissen experimentell gestützt vorgenommen. Zurzeit existiert keine etablierte Methode bei der Auslegung von Schraubenverbindungen, die ein selbsttätiges Losdrehen berücksichtigt. 2 Ziel Ziel des Forschungsvorhabens war es, den Mechanismus und die Chronologie des selbsttätigen Losdrehens näher zu untersuchen. Dies sollte über die rein vergleichende Prüfung hinaus, wie sie am Vibrationsprüfstand nach Junker möglich ist, mit numerischen und analytischen Berechnungsmodellen erfolgen. Hieraus sollten Kriterien abgeleitet werden, die sowohl bei der Verbindungsprüfung, als auch bei Realbauteilsystemen eine Sicherheit gegen selbsttätiges Losdrehen ermöglichen. 3 Vorgehensweise In dem Forschungsvorhaben wurden Sechskantschrauben mit Flansch der Abmessung M10 und M16 unter Variation der Oberflächen, Schmierungen, Klemmlängen und Vorspannkräfte hinsichtlich ihrer Losdreheigenschaften untersucht. Hierbei erfolgte zunächst eine Grundcharakterisierung der unterschiedlichen Schraubenverbindungen mit mechanisch-technologischen Prüfungen (Zugversuch, metallographische Untersuchung, Anziehversuche in Anlehnung an DIN EN ISO [2] und VDA [3]), um die Eingangsgrößen für die numerischen Modelle und die analytische Beschreibung zu bestimmen. Die Charakterisierung beinhaltete auch einen Ringversuch mit Anziehprüfständen, der mit Mitgliedern des projektbegleitenden Arbeitskreises durchgeführt wurde. 2 Ziel

3 Aufbauend auf diesen Untersuchungen wurden numerische Modelle für: die Schraubenverbindung am Vibrationsprüfstand nach Junker mit transversaler Belastung und unterschiedlichem Detaillierungsgrad der Gewindegeometrie sowie die Realverschraubung mit sowohl transversaler, rotatorischer als auch kombinierter Belastung aufgestellt, um an ihnen den Mechanismus und die Chronologie des selbsttätigen Losdrehens zu analysieren und die kritischen Bewertungsgrößen (Verschiebung, Querkraft, Rotationswinkel) herauszustellen. 4 Ergebnisse 4.1 Mechanisch-technologische Eigenschaften Zunächst wurden Eingangsdaten für die numerischen und die analytischen Berechnungen des selbsttätigen Losdrehens ermittelt. Zur Charakterisierung der Oberflächen und zur Ermittlung der Reibungszahlen beim Anziehen und Losdrehen wurden umfangreiche Untersuchungen an einem Anziehprüfstand durchgeführt. Die hierbei ermittelten Reibungszahlen haben bei den zink-phosphatierten Schrauben eine gute Übereinstimmung mit den Reibungszahlen am Vibrationsprüfstand nach Junker gezeigt. Durch Variation der im Forschungsvorhaben verwendeten Schmiermittel ergab sich vor allem eine Veränderung in der Kopfreibungszahl μ, wohingegen die Reibung im Gewinde μ kaum beeinflusst wurde. Beim Vergleich von Versuchen am Anziehprüfstand und Prüfungen in Anlehnung an VDA [3] am Torsionsprüfstand stellte sich heraus, dass das Verhältnis von Losdrehmoment zu Anziehdrehmoment M M nicht alleine geeignet ist, das selbsttätige Losdrehen zu bewerten. Der Quotient M M kann nur in Kombination mit der durchschnittlichen Gesamtreibungszahl μ verwendet werden. Dennoch gilt die qualitative Aussage, dass ein selbsttätiges Losdrehen unwahrscheinlicher wird, wenn eine hohe Reibungszahl μ und ein großes Verhältnis M M vorliegen. Anziehversuche an beiden Forschungsstellen ergaben, dass unabhängig von den Schraubenabmessungen (M10, M16), Schraubenoberflächen (zink-phosphatiert, vergütungsschwarz) und verwendeten Schmierungen die Kopfreibungszahl μ beim Losdrehen größer ist als beim Anziehen ( μ μ μ 0) und die Gewindereibungszahl μ beim Losdrehen kleiner ist als beim Anziehen ( μ μ μ 0). Hingegen ist die Ergebnisse 3

4 Differenz der Gesamtreibungszahlen μ μ μ 0 fast unverändert. Der Unterschied der Reibungszahlen beim Anziehen und Losdrehen wurde anhand von REM- und EDX-Untersuchungen an der Schraubenkopfauflage betrachtet, sowie im Rahmen eines Ringversuchs mit dem projektbegleitenden Arbeitskreis (Auszug siehe Bild 1) untersucht. Die Ursachen der unterschiedlichen Reibungszahlen beim Anziehen und Losdrehen konnten im Rahmen dieses Forschungsvorhabens nicht abschließend geklärt werden, da die Differenzen der Teilreibungszahlen in Abhängigkeit von der Prüfstandsart voneinander abwichen. Zudem ergab sich für Links- und Rechtsgewinde ein gegenläufiges Verhalten. Es kann geschlussfolgert werden, dass es sich gegebenenfalls um einen messtechnischen oder einen tribologischen Effekt handelt. = Losdrehen - Anziehen G1 G2 G3 G4 G5 G6 G7 K1 K2 K3 K4 K5 GK1 Prüfstand g ges K G Gemessen: G M A, F V, M G K M A, F V, M K GK M A, F V, M G, M K Bild 1: Ringversuch: Auswertung der Reibungszahldifferenz für alle Erstanzüge bei zink-phosphatierten Schrauben der Abmessung M10 und einer Vorspannkraft von 4.2 Untersuchungen am erweiterten Vibrationsprüfstand nach Junker Mit den Untersuchungen am Vibrationsprüfstand nach Junker in Kombination mit dem optischen Messsystem PONTOS konnte der Mechanismus und die Chronologie des selbsttätigen Losdrehens näher untersucht werden. Hierzu wurde ein Flussdiagramm (siehe Bild 2) erstellt, das vereinfacht die verschiedenen Zustände am Vibrationsprüfstand nach Junker darstellt, sowie deren Zusammenhänge. 4 Ergebnisse

5 Bild 2: Ablaufmatrix des selbsttätigen Losdrehens am Vibrationsprüfstand nach Junker Es konnten die Größen der maximalen und der kritischen Grenzverschiebung (s und s ) sowie der maximalen und der kritischen Querkraft (F und F ) ermittelt werden (siehe Bild 3), die später zur Verifizierung der numerischen Modelle verwendet wurden (siehe Bild 4). Sobald es zum kompletten Gleiten des Schraubenkopfes kommt, kann der Schraubenkopf der steigenden effektiven Amplitude s des Prüfstands nicht mehr folgen. Es ist die maximale Grenzverschiebung s [4] des Schraubenkopfes erreicht sowie die maximale Querkraft F [4] der Schraube. In diesem Forschungsvorhaben wurde abweichend von Koch [4] die kritische Grenzverschiebung s definiert, die dann überschritten ist, wenn es zu einer Steigungsänderung der relativen Amplitude des Schraubenkopfes bezogen auf den zeitlichen Verlauf kommt. An dieser Stelle wurde zusätzlich auch die kritische Querkraft F bestimmt. Ergebnisse 5

6 Bild 3: Bestimmung der maximalen Grenzverschiebung und der maximalen Querkraft (oben) sowie der kritischen Grenzverschiebung und der kritischen Querkraft (unten) mit Verlauf der effektiven Amplitude, der Verschiebung des Schraubenkopfes, der relativen Verschiebung des Schraubenkopfes, und der Querkraft Bei den numerischen Modellen wurde der Detailierungsgrad des Gewindes näher betrachtet. Hierbei zeigte sich, dass ein Modell mit axialsymmetrischem Gewinde (ohne Gewindesteigung) in Kombination mit einem vorgegebenen inneren Losdrehmoment M für die Ermittlung der Kenngrößen herangezogen werden kann. Gleiches gilt für ein Modell mit Gewinde und Gewindesteigung. Es wurde die vorgenommene Vereinfachung, die Vorspannkraft axial in der Schraubenverbindung aufzubringen, durch eine Gegenüberstellung mit drehender Montage bestätigt. Darüber hinaus wurde die Sensitivität der Modelle bezüglich der Abhängigkeit des selbsttätigen Losdrehens von den Reibungszahlen betrachtet sowie das Verhalten bei unterschiedlicher Gewindetoleranz. 6 Ergebnisse

7 max Grenzverschiebung s max in mm Vorspannkraft F V in kn max Querkraft F Q max in kn Vorspannkraft F V in kn krit Grenzverschiebung s krit * in mm Vorspannkraft F V in kn krit Querkraft F Q krit * in kn Vorspannkraft F V in kn Bild 4: Vergleich der maximalen Grenzverschiebung (links, oben), der kritischen Grenzverschiebung (links, unten), der maximalen Querkraft (rechts, oben) sowie der kritischen Querkraft (rechts, unten) von Versuchen am Vibrationsprüfstand mit dem optischen Messsystem PONTOS mit den Ergebnissen der Simulation bei den Klemmlängen, und, Die Formel der theoretischen Grenzverschiebung [1] wurde für die maximale und kritische Grenzverschiebung (s und s ) mit Hilfe von FE-Simulationen und den untersuchten Schraubenverbindungen weiterentwickelt, indem die Exponenten der Vorspannkraft und der Klemmlänge sowie die Steifigkeitsfaktoren (k und k ) angepasst wurden:,, 8,, Weiterhin wurden die sich ergebenden Formeln für die beiden Grenzverschiebungen mit den Versuchsergebnissen verglichen (siehe Bild 5). Zusätzlich wurde für die untersuchte Schraubenverbindung das Verhältnis aus kritischer und maximaler Grenzverschiebung (s und s ) ermittelt: Ergebnisse 7

8 s 8 15 s F, l, 4-3 max Grenzverschiebung s max in 10-3 m krit Grenzverschiebung s krit * in 10-3 m Vorspannkraft F V in 10 3 N Vorspannkraft F V in 10 3 N Bild 5: Vergleich der maximalen Grenzverschiebung nach Formel 4-1 (oben) und der kritischen Grenzverschiebung nach Formel 4-2 (unten) über der Vorspannkraft mit Versuchsergebnissen für die Klemmlängen, und, 4.3 Losdrehverhalten von verschraubten Realbauteilen Bei realen Bauteilsystemen treten noch weitere Aspekte gegenüber der einaxialen Querverschiebung bei der modellbezogenen Vibrationsprüfung auf. Dies sind: a) mehrere Schrauben im Bauteilsystem, die wechselwirken, b) unterschiedliche Belastungsarten, c) überlagerte Rotations- und Querverschiebungsbewegungen aufgrund der Bohrungstoleranzen der einzelnen Schrauben. Die Aspekte werden nachfolgend näher erläutert. Bei a) wird sofort ersichtlich, dass sich bei mehreren Schrauben unterschiedliche Klemmkraftverteilungen einstellen können, auch in Abhängigkeit von den erzielten streuenden Montagevorspannkräften je nach Montageprozess (z.b. mehr oder weniger große Abhängigkeit von den Reibungszahlen oder von den verwendeten Schraubgeräten). Dementsprechend können sich bei unterschiedlichen Klemmkräften an den einzelnen Schraubstellen unterschiedliche Bauteilbewegungen bei Belastung einstellen. Zudem kann bei einem realen Bauteilsystem die Belastungsart sehr unterschiedlich sein (Aspekt b; nicht wie bei der Vibrationsprüfung nur reine Querkraftbelastung, die zudem weg- 8 Ergebnisse

9 gesteuert ist). In Bild 6 sind die vier möglichen prinzipiellen mechanischen Belastungsarten (A, B, C, D) mit unterschiedlicher Wirkung auf das Losdrehverhalten für eine aus einem Gesamtsystem separierte Einschraubenverbindung dargestellt. Diese prinzipiellen Belastungsarten treten meist kombiniert auf. Haupteinflussparameter sind dabei Klemmlänge, Vorspannkraft, Nenndurchmesser der Schraube, Reibungszahlen in der Kopfauflagefläche, im Gewinde und in der Trennfuge, Elastizitätsmodul des Schraubenwerkstoffes, Geometrie des Schraubenkopfes, Gewindespiel, Gewindesteigung und Biegenachgiebigkeit des verspannten Bauteils. A: transversal B: zentrisch axial C: exzentrisch axial D: rotatorisch F x oder F z F y 2 F y 2 M x oder M z M y Bild 6: Losdrehkritische Lastfälle für separierte Einschraubenverbindung [5] Schließlich ist zu bedenken, dass meist erhebliche Bohrungstoleranzen bei den einzelnen Schrauben ein begrenztes Gleiten und Rotieren des Bauteils bei Belastung und zu kleiner Klemmkraft ermöglichen (Aspekt c). Dadurch können sich ein Gleitweg und ein Rotationswinkel einstellen. Dies wird im Kapitel 4.5 näher vertieft. Die Ausprägung ist bei kraftschlüssiger Verbindung besonders deutlich; bei formschlüssiger Verbindung sind die möglichen Bauteilbewegungen erheblich kleiner, hängen jedoch stark von der elastischen Bauteilverformung unter Last sowie von der Fertigungsgenauigkeit ab und sind deshalb auch nicht Null wie bei einer Starrkörperbetrachtung. 4.4 Kenngrößen zur Bewertung des Kontaktzustandes Eine Bewertung des Losdrehverhaltens kann numerisch anhand des lokalen Kontaktzustandes in der Kopfauflage und im Gewinde der Schraubenverbindung erfolgen [5, 6]. Bild 7 stellt die vektorielle Reibkraft F S_N und Normalkraft F N_N je Kontaktknoten in der Kopfauflagefläche, die zur Berechnung der Kenngrößen zur Bewertung des Kontaktzustandes verwendet werden, für zwei unterschiedliche Querverschiebungen dar. Zur gleichzeitigen Darstellung des Kontakt- Ergebnisse 9

10 zustandes (entweder Haften oder Gleiten) sind den Vektoren unterschiedliche Farben zugeordnet. Aus Reibkraft _ und Normalkraft _, je Kontaktknoten, wird die Kraftschlussausnutzung des Kontaktes je Knoten berechnet. Entsprechend der sich aus der Vorspannkraft für jeden Kontaktknoten einstellenden Normalkraft _ ergeben sich an Hand der Reibungszahl die maximal übertragbare Reibkraft _ je Kontaktknoten. Bild 7: Beispiel für Bewertung des lokalen und globalen Kontaktzustandes; DIN 6921 M10x60; ; ; ;, ;, [5] Die Richtung der Reibkraft _ verändert sich mit der Querverschiebung. Das Torsionsmoment im Schraubenschaft führt zu einer umfangsorientierten Ausrichtung, die Querkraft zu einer Ausrichtung in Richtung der Querverschiebung. Für die kritische Querverschiebung 0,55 haften nur noch 19 % der Kontaktfläche unter Kopf und im Gewinde liegt vollständiges Gleiten vor 0 %. Die Ausnutzung des Kontaktes unter dem Kopf ist hoch 92 %, auch in den noch haftenden Bereichen 19 %. Die zyklisch wechselnde Querverschiebungsamplitude 0,55 führt dazu, dass innerhalb eines kompletten Zyklus in allen Teilbereichen der Kontaktfläche unter Kopf sequentiell partielles Gleiten stattfindet. Dies ermöglicht dem gesamten Kontaktgebiet innerhalb eines gesamten Zyklus Relativbewegungen auszuführen. Im Gewinde liegt bereits für eine Querverschiebungsamplitude von 0,55 aufgrund des kleineren Durchmessers im 10 Ergebnisse

11 Vergleich zum Auflagedurchmesser ein vollständiges Gleiten vor [5]. Im Ergebnis bedeutet dies, dass die Schraube bereits bei sequentiell-partiellem Gleiten einen Losdrehwinkel aufbauen kann deshalb ist ein Losdrehen schon vor Erreichen der bisher analytisch betrachteten maximalen Querverschiebung möglich. 4.5 Kombinierte Belastung bei Mehrschraubenverbindungen In realen Schraubenverbindungen wirken in sehr vielen Fällen die meist einzeln behandelten Belastungen aus Translation sowie Rotation gleichzeitig (siehe Kapitel 4.3). Das kombinierte Auftreten der elementaren losdrehkritischen Lastfälle (A, B, C, D in Kapitel 4.3) führt zu einer Superposition der Ausnutzungen an den Kontaktstellen der Schraube in der Kopfauflagefläche und im Gewinde. Bild 8 zeigt das daraus resultierende Losdrehkennfeld für eine Beispielverschraubung. Dieses Kennfeld enthält sowohl numerisch berechnete Datenpunkte, als auch eine experimentelle Verifizierung ( 0,4 und 1 ). kein Losdrehen Drehwinkelamplitude Hmax [ ] Nein - Simulation Ja - Simulation Nein - Experiment Ja - Experiment Querverschiebungsamplitude s Qm ax [mm] s krit s max Losdrehen max Bild 8: Kennfeld für das Losdrehen bei kombinierter Belastung (Querverschiebung und Rotation); die schwarzen Markierungen bezeichnen kein Losdrehen, die gelben und roten Markierungen bezeichnen ein Losdrehen; das Diagramm enthält Datenpunkte für Berechnungsergebnis und Versuchsergebnis, beinhaltet also eine Verifizierung der Berechnung, zu erkennen an einer einheitlichen Grenzlinie zwischen den Bereichen ohne/mit Losdrehen (, und ;, / ; DIN 6921 M10x60; ; ; ;, ;, ) [5] Ergebnisse 11

12 Die Ergebnisse aus numerischer Berechnung und Experiment zeigen im Rahmen der Vielzahl an nichtlinearen Einflussgrößen eine wirklich gute Übereinstimmung. Es wird deutlich, dass selbsttätiges Losdrehen (beispielsweise 0,2 ; 0,7 ) deutlich unterhalb der Grenzen für die jeweiligen Einzelbewegungen auftritt. Im allgemeinen Fall ist mit den eindimensionalen kinematischen Kenngrößen (,, ) eine sichere Bewertung des selbsttätigen Losdrehens nicht möglich. Die zuverlässige Bewertung, ob ein selbsttätiges Losdrehen stattfindet, muss an Hand eines (berechneten oder gemessenen) Losdrehwinkelgradienten im Vergleich mit einem kritischen Losdrehwinkelgradienten erfolgen. 4.6 Bewertung des selbsttätigen Losdrehens Ziel der Auslegung gegen selbsttätiges Losdrehen einer Schraubenverbindung ist es, die während des Betriebs wiederholt auftretenden Belastungen unter Einbeziehung der Umgebungsbedingungen in der vorgesehenen Nutzungsdauer ohne Losdrehereignis bei Aufrechterhaltung der Klemmkraft zu ertragen. Die losdrehkritischen Kenngrößen dienen der Quantifizierung der Losdrehgefahr einer gegebenen Schraubenverbindung mit bekannter Betriebsbelastung (Lastfall). Die Vorgehensweise zur Ermittlung der maximalen Querverschiebung und maximalen Querkraft einer transversal belasteten Schraubenverbindung ist in [4, 5] beschrieben. Diese Kenngrößen erfassen, wann ein vollständiges Gleiten in der Kopfauflagefläche stattfindet, das zu einem selbsttätigen Losdrehen führt. Diese Parameter stellen für die Bewertung der Losdrehgefahr einer Schraubenverbindung nur eine notwendige, aber keine hinreichende Bedingung dar, da es bereits für partielles Gleiten in der Kopfauflagefläche zu einem selbsttätigen Losdrehen kommen kann (siehe Kapitel 4.4). Dies kann jedoch zunächst ohne Beachtung eines Rotationsfreiheitsgrads mit den Kenngrößen losdrehkritische Querverschiebung und dazugehörende Querkraft beschrieben werden. beschreibt die transversale Auslenkung des Schraubenkopfes bezogen auf die Mittelachse des Muttergewindes, bei der ein Losdrehwinkel am Schraubenkopf einen festgelegten kritischen Losdrehwinkelgradienten überschreitet. Dabei liegt in der Kopfauflagefläche nur partielles Gleiten vor. Zur Bestimmung des maximalen Drehwinkels des verspannten Bauteils bei rotatorischer Belastung wird die Drehwinkelamplitude des verspannten Bauteils je Versuchsdurchlauf solange iterativ vergrößert, bis sich ein relativer Losdrehwinkel am Schraubenkopf einstellt (kritischer Losdrehwinkelgradient 0,01/ ). Diese Winkelamplitude des 12 Ergebnisse

13 verspannten Bauteils entspricht nach erfolgter Verifizierung durch Wiederholversuche dann dem maximalen Drehwinkel des verspannten Bauteils. Führen kombinierte Belastungen zu einem selbsttätigen Losdrehen der Schraubenverbindung ist die Verwendung der oben genannten Kenngrößen, die sich auf die reinen losdrehkritischen Lastfälle transversal oder rotatorisch beschränken, nicht mehr möglich. Die Beschreibung des sich einstellenden Losdrehwinkels pro Zyklus erfolgt mit Hilfe des Losdrehwinkelgradient Δ /Δ. Dieser Kennwert gibt die Steigung des Losdrehwinkels über die Zyklenanzahl an und führt im Experiment zu einem vollständigen selbsttätigen Losdrehen. Für die Auslegung muss wegen der Messauflösung und des Torsionsspannungsabbaus ein zulässiger kritischer Losdrehwinkelgradient definiert werden. Der Parameter kann als eine vorgegebene Mindestsicherheit der Simulationsergebnisse betrachtet werden und sollte je nach Anwendungsfall definiert werden. Dies ist ebenfalls auch bei kombiniert belasteten Mehrschraubenverbindungen zu beachten (siehe Bild 8). In diesem Projekt wird ein kritischer Losdrehwinkelgradient von 0,01 / verwendet. 4.7 Auslegungsansatz gegen selbsttätiges Losdrehen Für einen Ablaufplan zur numerisch unterstützten Auslegung gegenüber selbsttätigem Losdrehen ist in Bild 9 die Vorgehensweise zur losdrehkritischen Bewertung in Abhängigkeit vom losdrehkritischen Lastfall gezeigt. Die direkte Bewertung des Losdrehwinkelgradienten stellt die einfachste und zuverlässigste Methode dar. Mit ihr kann jedoch nur bewertet werden, ob ein selbsttätiges Losdrehen auftritt oder nicht. Es kann nicht direkt beurteilt werden, wie weit oberhalb oder unterhalb der Grenze man sich befindet, für die selbsttätiges Losdrehen beginnt. Darum kann keine Aussage zur Sicherheit gemacht werden. Die Bewertung kann für die nicht überlagerten losdrehkritischen Lastfälle transversal und rotatorisch auch anhand der kinematischen Kenngrößen (, ) vorgenommen werden. Liegen diese Kenngrößen nicht vor, muss die Bewertung mit Hilfe des kritischen Losdrehwinkelgradienten durchgeführt werden. Ergebnisse 13

14 losdrehkritischer Lastfall bekannt Losdrehkritische Bewertung losdrehkritischer Lastfall unbekannt oder kombinierter Lastfall zentrisch axial kein selbsttätiges Losdrehen bei ausreichend hoher Vorspannkraft F V transversal kinematische Kenngrößen vorhanden? ja Bewertung mit kinematischen Kenngrößen (s krit, F krit ) nein Aussage: Losdrehsicherheit S s krit oder F krit max(s Q ) mit max(f Q ) = S max max( H ) = S S > 1 kein selbsttätiges Losdrehen S < 1 selbsttätiges Losdrehen rotatorisch Bewertung anhand der drei Fälle sowie des max. Verdrehwinkels max Aussage: Losdrehsicherheit S exzentrisch axial kombiniert Bewertung mit kritischem Losdrehwinkelgradient Gkrit Sicherheit erforderlich? ja Erforderliche Sicherheit S erf indirekt z.b. durch höhere Belastung berücksichtigen S. erf s Q ; S. erf F Q nein Aussage: Selbsttätiges Losdrehen? G < Gkrit S > S erf G < Gkrit G > Gkrit S < S erf G > Gkrit nein ja Bild 9: Losdrehkritische Bewertung in Abhängigkeit vom losdrehkritischen Lastfall [5] 5 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick Der Mechanismus und die Chronologie des selbsttätigen Losdrehens wurden bei der Vibrationsprüfung und bei unterschiedlichen losdrehkritischen Lastfällen analysiert (nichtlineares Übertragungsverhalten). Dabei ist zum einen quantifiziert worden, wie eine weggesteuert aufgebrachte Querverschiebung zum (partiellen) Gleiten mit in der Folge Losdrehwinkeln ab einem Amplitudenschwellwert führt, zum anderen, wie bereits vor dem vollständigen Abgleiten ebenfalls Losdrehwinkel entstehen können (,, ). Ein analytischer Berechnungsansatz wurde entwickelt, um das Losdrehverhalten zu erfassen. Da für das Losdrehverhalten neben vielen anderen konstruktiven und werkstofflichen Parametern (z.b. Klemmlänge aufgrund der konstruktiven Gestaltung, der Vorspannkrafthöhe und der Werkstoff-Festigkeit der Schraube) auch die Reibungszahlen in Losdrehrichtung wichtig sind, wurden diese bei eigenen Messungen und in einem Ringversuch detailliert ermittelt; dadurch lagen auch verlässliche Eingabedaten für die numerischen Berechnungen vor. Im Hinblick auf Realverschraubungen mit Bauteilen spielt die Berücksichtigung von lokal transversal und rotatorisch überlagernden Verschiebungen oder Verdrehungen an den Kontaktstellen einer Einzelschraube eine 14 Zusammenfassung, Schlussfolgerungen und Ausblick

15 wichtige Rolle. Der Einfluss der Verdrehung auf das selbsttätige Losdrehen konnte für die kombinierte Belastung nachgewiesen und quantifiziert werden. Die Unvollständigkeit der Anwendung von kinematischen Kenngrößen (, und ) zur Bewertung des selbsttätigen Losdrehens für kombinierte Belastung bei Realbauteilen, wie sie meist bei Mehrschraubenverbindungen vorliegt, wird deutlich; dies bedeutet, dass ein selbsttätiges Losdrehen bei kombinierter Belastung auch unterhalb der kritischen kinematischen Kennwerte, die sich auf eine rein transversale oder rotatorische Belastung beziehen, möglich ist. Eine Bewertung mit Hilfe des kritischen Losdrehwinkelgradienten ist jedoch für alle losdrehkritischen Lastfälle möglich (z.b. 0,01 / ). 6 Praktischer Nutzen Durch die detaillierte Betrachtung des Mechanismus und der Chronologie des selbsttätigen Losdrehens sowie der Beschreibung von kritischen Bewertungsgrößen für die Verschiebung, die Querkraft und den Drehwinkel bei unterschiedlichen Belastungen konnte dieser Versagensfall von Schraubenverbindungen eingehend untersucht werden. Begleitet wurden diese Untersuchungen sowohl experimentell, als auch numerisch und analytisch. Die abgeleiteten Bewertungsgrößen erlauben bereits im Auslegungsprozess die Berücksichtigung der Risiken für diesen Versagensfall. Dies ermöglicht eine Beurteilung, ob ein Einsatz von Sicherungselementen oder anderer konstruktiver Maßnahmen notwendig ist. Dadurch ergibt sich eine Verkürzung des Auslegungsprozesses, da zurzeit hauptsächlich experimentelle Untersuchungen an Realbauteilen / Prototypen durchgeführt werden. Damit sind die Grundlagen verfügbar, um eine Losdrehauslegung bei verschraubten Bauteilen vorzunehmen. 7 Hinweis auf Förderung Das IGF-Vorhaben N der Forschungsvereinigung Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.v. wurde über die AiF im Rahmen des Programms zur Förderung der industriellen Gemeinschaftsforschung und entwicklung (IGF) vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie aufgrund eines Beschlusses des Deutschen Bundestages gefördert. Die Langfassung des Schlussberichtes kann bei der Forschungsgesellschaft Stahlverformung e.v., Goldene Pforte 1, Hagen, angefordert werden. Praktischer Nutzen 15

16 Literatur [1] Kloos, Thomala (2007): Schraubenverbindungen, Grundlagen, Berechnungen, Eigenschaften, Handhabung, 5. Auflage, Springer-Verlag Berlin Heidelberg [2] DIN Deutsches Institut für Normung e. V. (Oktober 2005): DIN EN ISO Verbindungselemente Drehmoment/Vorspannkraft-Versuch, Beuth Verlag, Berlin [3] Verband der Automobilindustrie e. V. (August 2005): VDA VDA-Prüfblatt Verschraubungsverhalten / Reibungszahlen Praxis- und montageorientierte Prüfung, Frankfurt [4] Koch (2011): Beitrag zur numerischen Simulation des selbsttätigen Losdrehverhaltens von Schraubenverbindungen, Dissertation, Universität Siegen, Shaker Verlag [5] Dinger (2013): Ermittlung des selbsttätigen Losdrehens bei Mehrschraubenverbindungen, Dissertation, Aachen, Shaker [6] Dinger G., Friedrich C. (2011): Avoiding self-loosening failure of bolted joints with numerical assessment of local contact state, Engineering Failure Analysis, Vol. 18, Literatur