Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen. Dr. Christine Rohr, Dr. Hesse GmbH&Cie KG

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Tomas Lichtenberg
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1 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Dr. Christine Rohr, Dr. Hesse GmbH&Cie KG

2 Theoretischer Hintergrund Ziel der Verschraubung: Erreichen von festgelegtem F V der Schraubverbindung M A F v µ ges M F A V d P 2 D 2 KM mit: µ ges = Reibungszahl M A = Anziehdrehmoment F V = Vorspannkraft P = Gewindesteigung d 2 = Flankendurchmesser der Schraube D KM = mittlere Kopfauflage

3 Reibungszahlen in der Automobilindustrie Bereich: Häufige Schraubenmaße Resultierende Drehmomente 0,08 µ 0,14 (VDA) 0,12 µ 0,18 (frz. Fenster) M6 M16 ca Nm (abhängig von Festigkeit und Schraubengröße) Weitere Vorgaben Cr (VI)-Freiheit (seit 2001 / 2007)

4 Reibungszahlen vor der Cr (VI)-Umstellung 0,4 Chromatierungen 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Ø µ ges 0,1 0,05 0 Gelb Gelb E Oliv L Schwarz (CrVI) Oliv L Schwarz (CrVI) Gelb Gelb E Oliv L Schwarz (CrVI) Gelb Gelb E Oliv L Schwarz (CrVI) ohne Nachschmierung ohne Nachschmierung Alk. Zn Sauer Zink

5 Chromatierung Ø µ Gesamt = 0,21 0,28 Chromatierung + Nachschmierung Ø µ Gesamt = 0,08 0,14 bzw. 0,12 0,18

6 Reibungszahlen nach der Cr (VI)-Umstellung 0,5 0,45 Passivierungen, Chromatierungen auf Sauer Zink 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 Ø µ Gesamt 0,15 0,1 0,05 0 Co-Frei DISP 3 DüSP DiSP 1 DiSP 5 Gelb Gelb E Oliv L Schwarz (CrVI)

7 Reibungszahlen nach der Cr (VI)-Umstellung 0,5 Passivierungen, Chromatierungen auf Alkalisch Zink 0,45 0,4 0,35 0,3 0,25 0,2 Ø µ Gesamt 0,15 0,1 0,05 0 DiSP 4 Co-frei DiSP 2 DiSP 3 DüSP DiSP 1 DiSP 5 Gelb Gelb E Oliv L Schwarz (CrVI)

8 Chromatierung Ø µ Gesamt = 0,21 0,28 Chromatierung + Nachschmierung Ø µ Gesamt = 0,08 0,14 bzw. 0,12 0,18 Passivierung Ø µ Gesamt = 0,18 0,36 Passivierte Oberflächen - tendieren zu extremeren Reibungszahlen - weisen größere Streuung auf Schlechter kontrollierbar in der Montagetechnik Passivierte Oberflächen werden üblicherweise zusätzlich noch versiegelt.

9 Reibungszahlen nach der Cr (VI)-Umstellung 0,35 Passivierte und passiviert versiegelte Oberflächen 0,3 0,25 0,2 0,15 Ø µ Gesamt 0,1 0,05 0 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 DiSP 4 DiSP 3 DüSP DiSP 6 transp. DiSP 4 DiSP 3 DüSP DiSP 6 Alk. Zn Alk. ZnNi Sauer Zink

10 Reibungszahlen nach der Cr (VI)-Umstellung 0,35 Passivierte und passiviert versiegelte Oberflächen 0,3 0,25 0,2 0,15 Ø µ Gesamt 0,1 0,05 0 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 V 2 DiSP 4 DiSP 3 DüSP DiSP 6 transp. DiSP 4 DiSP 3 DüSP DiSP 6 Alk. Zn Alk. ZnNi Sauer Zink

11 Chromatierung Ø µ Gesamt = 0,21 0,28 Chromatierung + Nachschmierung Ø µ Gesamt = 0,08 0,14 bzw. 0,12 0,18 Passivierung Ø µ Gesamt = 0,18 0,36 Passivierung + Versiegelung Ø µ Gesamt = 0,09 0,16 Passivierung + Versiegelung, automotive Ø µ Gesamt = 0,08 0,14 bzw. 0,12 0,18 Passivierte Oberflächen - tendieren zu extremeren Reibungszahlen - weisen größere Streuung auf Schlechter kontrollierbar in der Montagetechnik Passivierte Oberflächen werden üblicherweise zusätzlich noch versiegelt. Reibungszahlen werden noch niedriger

12 Verbau chromatierter Oberflächen 0,4 0,35 Verschiedene Chromatierungen, verschraubt mit chromatierter Mutter 0,3 0,25 0,2 Ø µ Gesamt 0,15 0,1 0,05 0 beschichtet beschichtet beschichtet beschichtet Gelb Gelb Gelb E Gelb E Oliv L Oliv L Schwarz (CrVI) Schwarz (CrVI)

13 Verbau passivierter Oberflächen 0,18 0,16 Zink/DiSP/Vers, verschraubt mit beschichteten Muttern 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0 V S V 3 Stahl passiviert Stahl passiviert Stahl passiviert Versiegelung 2 Versiegelung 3 Versiegelung 1

14 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Drehmomentberechnung: M A = F v (0,16 P + µ ges (0,578 d 2 + D Km 2 Berechnung der Vorspannkraft: F v = M A (0,16 P + µ ges (0,578 d 2 + D Km 2 mit: µ ges = Reibungszahl M A = Anziehdrehmoment F V = Vorspannkraft P = Gewindesteigung d 2 = Flankendurchmesser der Schraube = mittlere Kopfauflage D KM

15 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Auswirkungen der Änderung der Reibungszahl M A µ = 0,25 µ = 0,16 µ ges MA P V F D d 2 2 KM 50 Nm µ = 0,12 F 14,7 kn 22,1 kn 28,5 kn

16 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Hohe Reibungszahlen - Alte Montagevorschriften, die auf Basis der chromathaltigen Oberflächen erstellt wurden -> aufwendige Änderungen aller Vorschriften -> werden alle Anwender erfaßt? - Schutz vor Überlastung der Schraubverbindung Nach Fest kommt Knack, nach Knack kommt ab

17 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Vergleich metrische Schrauben M3 und M10 M3 M10 Flankendurchmesser 2,675 9,026 Steigung 0,5 1,5 Vorspannkraft 2,5 28,8 Drehmoment bei µ = 0,08 0,96 36 Drehmoment bei µ = 0,15 1,62 61 Drehmoment bei µ = 0,20 2,1 80 Drehmoment bei µ = 0,25 2,6 98

18 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Vergleich metrische Schrauben M3 und M10 M3 M10 Flankendurchmesser 2,675 9, Ma (M10) Ma (M3) 3,50 3,00 Steigung 0,5 1, ,50 Vorspannkraft 2,5 28,8 Drehmoment bei µ = 0,08 0,96 36 Drehmoment bei µ = 0,15 1,62 61 Drehmoment bei µ = 0,20 2,1 80 Drehmoment bei µ = 0,25 2, ,08 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30 2,00 1,50 1,00 0,50 0,00

19 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Hohe Reibungszahlen erhöhen die Montagesicherheit bei kleinen Dimensionen -> höheres Drehmoment nötig -> überschüssige Kraft wird in Reibungswärme umgewandelt Ein Großteil des Drehmomentes wird in Reibungswärme umgewandelt: µ 0,08 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30 ca. % Energieverlust

20 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen 0,4 Hohe Reibungszahlen mit Versiegelungen 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Ø µ Gesamt 0,1 0,05 0 V 30 V 30 V 30 V 30 V 30 1,9 1,9 2,3 2,3 2,1 2,1 1,9 1,9 2,3 2, ,5 17, ph-wert Konzentration [%]

21 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen 0,4 Hohe Reibungszahlen mit Versiegelungen 0,35 0,3 0,25 0,2 0,15 Ø µ Gesamt 0,1 0,05 0 V 30 V 30 V 30 V 30 V 30 1,9 1,9 2,3 2,3 2,1 2,1 1,9 1,9 2,3 2, ,5 17, ph-wert Konzentration [%]

22 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen 0,35 0,3 0,25 = V 30 = V 25 = V19 = ohne Versiegelung 0,2 0,15 0,1 0,05 0 DiSP 1 DiSP 1 DiSP 1 DiSP 1 DüSP DüSP DüSP DüSP DiSP DiSP DiSP 2 DiSP 2 transp. transp. transp. Blau Blau Co-frei Co-frei Sauer Zink Alk. Zn Alk. ZnNi

23 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen 0,3 Einfluß versiegelter Oberflächen im Verbau 0,25 0,2 0,15 0,1 Ø µ Gesamt 0,05 0 V 30 V 30 Stahl DiSP Co-frei Co-frei Stahl DüSP Co-frei Co-frei V 30 V DE

24 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Vorgehen: 1) Analyse der Ist-Situation Verschraubung klappt nicht mehr - was war der letzte funktionierende Stand? - welche Oberflächen wurden miteinander kombiniert? - welche sonstigen Bedingungen sind bekannt? - was ist bis dato geändert worden? 2) Eingrenzung der Beschichtungsmöglichkeiten - Testbeschichtungen anhand Vergleichsmessungen auf einem Standardsystem - Analyse in der Verbausituation 3) Auswahl geeigneter Beschichtungssysteme Automobil-Fenster passende Versiegelungen für alternative, höhere Reibungszahlen

25 Reibungszahlen außerhalb automobiler Normen Fazit: Reibungszahlen sind abhängig - vom Gesamtsystem der Oberflächenbehandlung - von der Verbausituation (Gegenlage, Mutter) - von der Verbauart (Handmontage, automatische Montage) Verschraubungsprobleme müssen sorgfältig analysiert werden, damit sie gelöst werden können

26 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit Dr. Christine Rohr,

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