Lockere Schraube - Warum lösen sich Schrauben?
Schrauben sind in vielen Branchen und Anwendungsbereichen das Befestigungselement der Wahl, vor allem, weil sie sich leicht demontieren lassen. Dadurch können sie sich aber auch selbst losdrehen und die Vorspannkraft verlieren.
Je nach Anwendung kann das Losdrehen von Schrauben gravierende Folgen haben. Eine lockere Schraube kann eine ganze Produktionsanlage zum Stillstand bringen und ein Unternehmen viel Geld kosten, während in anderen Anwendungsbereichen Schrauben ein erhebliches Sicherheitsrisiko darstellen können. Was sind also die Ursachen für das Losdrehen von Schrauben? Im Wesentlichen gibt es zwei Hauptursachen: spontanes Losdrehen und Lockern.
„Die Hauptursache und die Folgen eines Ausfalls hängen vom Zweck der Schraubenverbindungen, der Umgebung und in der Regel auch von der Branche ab“, sagt Georg Dinger von der Siegenia- Aubi KG, der die Ursachen und Auswirkungen sich lösender Schrauben ausgiebig untersucht hat.
„Zum Beispiel hat die petrochemische Industrie in erster Linie Korrosionsprobleme, während ein Lockern durch Materialermüdung oder Lösen durch Vibration meist von geringerer Bedeutung sind. Die Automobilindustrie dagegen würde wahrscheinlich selbsttätiges Losdrehen und Korrosion als ihre zwei größten Probleme nennen. Die wichtigsten Sorgen in der Stahlbauindustrie sind Schlupf und Korrosion von Schraubenverbindungen, wobei Losdrehen und Undichtigkeiten seltener vorkommen. Die Luft- und Raumfahrtindustrie würde wahrscheinlich Materialermüdung als erstes auflisten.“
„Wiederholt auftretende Relativverschiebungen zwischen den Kontaktflächen unter dem Einfluss des Schaftmoments, bedingt durch das Gewindesteigmoment, können eine allmähliche Drehung der Schraube oder Mutter zur Folge haben“, so Dinger. „Dies führt zum Verlust der Vorspannkraft und damit zu einem Funktionsverlust der Schraubenverbindung. Die Auswirkungen sind bekannt, aber die Prävention erfolgt in der Regel experimentell und erst nach einem Vorfall durch Losdrehen.
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Die Hauptursachen für lockere Schrauben:
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Spontanes Losdrehen von Schrauben
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Lockern von Schrauben
Um ein spontanes Lösen zu vermeiden, muss der Schlupf zwischen den miteinander verbundenen Teilen beseitigt oder zumindest auf einen Wert unter dem kritischen Niveau verringert werden.
Dies kann erreicht werden durch:
- Erhöhung der Axialspannung,
- Erhöhung der Reibung zwischen den eingespannten Teilen oder
- Verringerung der zyklischen Belastung, wie Stoß, Schwingung oder zyklische thermische Belastung.
Ein weiteres übliches Verfahren ist die Erhöhung der Reibung zwischen den Schraubengewinden. Es gibt hierfür eine Reihe von Lösungsansätzen, und obwohl einige davon tatsächlich funktionieren, haben sie alle auch ihre Nachteile. Klebstoff kann eine wirksame reibungsbasierte Methode darstellen, wobei getrockneter Klebstoff bei der Demontage und Entfernung der Schraube zum Problem werden kann. Darüber hinaus nimmt durch die Erhöhung der Reibung zwischen den Gewinden die erreichbare Vorspannkraft bei einem bestimmten Drehmoment ab.
Materialermüdung ist eine dauerhafte Beschädigung oder Verformung in der Schraube und den eingespannten Teilen. Sie entsteht durch einen Verlust der Vorspannkraft, der schließlich zum Öffnen der Schraubenverbindung führt. Es gibt zwei grundlegende Mechanismen für den Verlust der Vorspannkraft – Lockern und spontanes Losdrehen.
Beim spontanen Losdrehen wird eine Schraube im Wesentlichen durch Stoß, Schwingung oder dynamische Belastung gelöst. Schon eine kleine Drehung kann ausreichen, damit eine Schraubenverbindung ihre gesamte Vorspannung verliert. Dies ist die häufigste Ursache für das Losdrehen einer Schraube.
Lockern dagegen wird durch drei Mechanismen ausgelöst: Setzen, Kriechen und Relaxation.
„Das Setzen ist problematisch, wenn es durch dynamische Belastungen hervorgerufen wird. Dabei kommt es zu einer dauerhaften Verformung des eingespannten Materials, wenn die Schraubenverbindung dem erhöhten Druck dynamischer Belastungen ausgesetzt wird“, erklärt Harlen Seow, Technical Manager bei der Nord-Lock Gruppe. „Die meisten Teile einer Schraubenverbindung nehmen nach dem Lösen wieder ihre ursprüngliche Form an, sofern die Belastung in den Teilen nicht die jeweiligen Streckgrenzen überschritten hat. Einige Materialien an der Kontaktfläche, wie Lacke, verformen sich mit großer Wahrscheinlichkeit dauerhaft“, sagt er und fährt fort:
„Selbst wenn sich das Material nur für ein paar Mikrometer setzt, nimmt die Dehnung der Schraube ab und führt zu einem Verlust der Vorspannkraft.“
Mit Kriechen ist die dauerhafte Verformung durch längere Einwirkung hoher Belastungen unterhalb der Streckgrenze des Materials in der Schraubenverbindung gemeint.
Die Folgen sind in Anwendungen mit hohen Temperaturen gravierender. Zu Relaxation kommt es, wenn sich die Mikrostruktur im Material einer Schraubenverbindung verändert und im Laufe der Zeit aus einer bestehenden elastischen Verformung eine plastische Verformung macht. Anders als beim Setzen oder Kriechen verändert sich bei der Relaxation nicht die Klemmlänge, wodurch diese Erscheinung schwerer zu erkennen ist. „Eine Möglichkeit zur Messung des Verlusts der Vorspannkraft besteht darin, nach einer bestimmten Zeit im Betrieb die Schraubenlänge zu ermitteln und mit der direkt nach dem Anziehen gemessenen Schraubenlänge zu vergleichen“, ergänzt Seow. „Relaxation wird dadurch allerdings nicht erkannt, was die ganze Sache problematischer macht.“ Eine allgemeine Fehleranalyse von Schraubenverbindungen ist notwendig.
Der Schlüssel zur Vermeidung von Materialermüdung ist eine gute Planung, die in den letzten Jahren durch die erhöhten Anforderungen an viele Schraubenverbindungen und den verstärkten Einsatz von Leichtbaumaterialien an Bedeutung gewonnen hat. Es ist wichtig, sich nicht nur auf die Zugfestigkeit von Schrauben zu konzentrieren, denn dadurch können andere entscheidende Parameter wie Elastizität und Steifigkeit übersehen werden.
„Die richtige Planung von Schraubenverbindungen ist der Schlüssel zur Erzielung einer gleitfesten Verbindung mit einer hohen Vorspannkraft und damit einer hohen Rutschfestigkeit über die gesamte Lebensdauer“
„Bislang liegt der Fokus der Konstrukteure auf Ausfällen, die durch Schraubenbrüche hervorgerufen werden. Mittlerweile treten jedoch neue Ausfallmechanismen in Erscheinung, da die Leistung der Schraubenverbindungen zunimmt und ihr Gewicht immer weiter reduziert wird. Die Mechanismen Relaxation und Losdrehen kommen gerade in leichten Konstruktionen immer häufiger vor.“
Je nach Schraube und Anwendung sowie Ursache des Verlusts der Vorspannkraft gibt es in der Regel mehrere Möglichkeiten für die Gestaltung besserer Schraubenverbindungen.
„Bei einer thermischen Belastung kann die Schraubenverbindung durch die Wahl eines Werkstoffs mit gleichem Wärmeausdehnungskoeffizient für die eingespannten Teile optimiert werden“, sagt Dinger. „Um während des Betriebs Setzerscheinungen zu minimieren und eine hohe Vorspannkraft aufrechtzuerhalten, kann die Rauheit zwischen den Kontaktflächen verringert werden. Maßnahmen wie feine Lochdurchmesser oder gezahnte Oberflächen können dazu beitragen, die Relativverschiebung auf ein Mindestmaß zu begrenzen.“
„Grundsätzlich“, so Seow, „besteht eine gute Schraubenverbindung aus sehr elastischen Schrauben und äußerst steifen eingespannten Teilen. Erreichen lässt sich das auf verschiedene Arten. Eine Möglichkeit zur elastischen Verbesserung der Schraube ist die Wahl einer großen Klemmlänge. Bei einem Flansch, dessen Klemmlänge nicht zu groß sein kann, können zur Optimierung der Konstruktion mehr, aber dafür kleinere Schrauben zum Einsatz kommen. Anstatt fünf großen können also zehn kleinere Schrauben verwendet werden, was zu einer elastischeren Schraubenverbindung führt.“
Insgesamt sollten zur Erzielung einer optimalen Schraubenverbindung verschiedene Variablen und Konstruktionsmöglichkeiten berücksichtigt werden.
Die Vorspannkraft
Ein Begriff mit vielen Bedeutungen im technischen Kontext. Eine davon ist die Spannung, die beim ersten Anziehen eines Befestigungselements entsteht. Wenn sich die Schraube ausdehnt, werden die Teile zwischen der Schraube und der Mutter zusammengedrückt und erhöhen damit die sogenannte Klemmkraft bis zum Ende des Anziehvorgangs.
Der Junkertest
Die Erforschung der Ursachen des Losdrehens von Schrauben nahm vor fast 60 Jahren ihren Anfang und noch immer bildet die wegweisende Arbeit des deutschen Ingenieurs Gerhard Junker aus den 1960er Jahren die Grundlage für moderne Methoden und Theorien rund um die Vermeidung von losdrehenden Schraubenverbindungen. Die von ihm verwendete Testmethode zur Bestimmung, an welchem Punkt sich ein Vibrationen ausgesetztes Befestigungselement losdreht, ist heute allgemein als Junkertest bekannt und wurde sogar zum internationalen Standard, beispielsweise in Form der DIN 65151.
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