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Die besten Tipps vom Verschraubungsexperten

Bolted hatte die einzigartige Gelegenheit, Japans führenden Experten für Schraubenverbindungen, Doktor Tomotsugu Sakai, zu treffen. Sein Buch „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ gilt nach wie vor als Standardwerk auf dem Gebiet geschraubter Befestigungen.

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

Wie definieren Sie eine ideale Befestigung, auf die Sie auch in Ihrem Buch eingehen?

„Im Idealfall sollte eine Befestigung auf der Verwendung von weit verbreiteten, standardisierten Befestigungselementen basieren und nicht auf individuell konstruierten Teilen. Noch wichtiger aber ist, dass die ideale Befestigung eine Schraubenbefestigungskonstruktion gewährleisten sollte, die zu keiner Art von Versagen führt. Die gesamte Gestaltung eines Produktes verliert ihre Gültigkeit, wenn auch nur ein einziger Ausfall auftritt. Jeder einzelne Aspekt muss beachtet werden. Für mich ist eine „Beurteilung ohne jede Auslassung“ am wichtigsten.

Ist es von Vorteil, Schmiermittel bei der Schraubenbefestigung zu verwenden?
„Ja, wenn die befestigten Objekte nicht gegeneinander gleiten, ist die Verringerung des Reibungskoeffizienten in jeder Hinsicht vorteilhaft. Wenn sich die befestigten Objekte in einer „Lockerungsumgebung“ befinden, ist deren Lockerung wahrscheinlicher, wenn der Reibungskoeffizient niedrig ist, aber dies führt nicht notwendigerweise zu einer Lockerung.
In einer „Lockerungsumgebung“ befinden sie sich dann, wenn sie durch eine Kraft, die einen bestimmten Grenzwert überschreitet, gezwungen werden, gegeneinander zu gleiten.

Wie führen von außen einwirkende Kräfte zum Gleiten, basierend auf Scherrichtung, Axialrichtung und Torsion?
„Wenn eine äußere Kraft in Scherrichtung einwirkt, führt sie zum Gleiten. Wirkt sie in axialer Richtung ein, trennen sich die befestigten Objekte voneinander – Separation. Unter diesen Bedingungen gilt, je niedriger der Reibungskoeffizient in der Trennfuge, desto wahrscheinlicher ist ein spontanes Lösen.

Beim Schreiben von „Bolted Joint Engineering – Fundamentals and Applications“ habe ich die konventionelle Sicht des Gleitphänomens verwendet, die das Gleiten von befestigten Objekten auf der Kontaktfläche erklärt – das sogenannte „Makrogleiten“. Das kann mit bloßem Auge beobachtet werden, da diese Art von Gleiten für eine visuelle Bestätigung nur 0,1 mm betragen muss. Um das Jahr 1988 wurde festgestellt, dass vor dem Makrogleiten ein nicht sichtbares „Mikrogleiten“ auftritt, das eine Drehung bewirkt, die so mikroskopisch klein ist, dass sie nicht mit bloßem Auge bestätigt werden kann, egal ob sie in Lockerungsrichtung oder nicht erfolgt. Dieses Phänomen, „Mikrogleiten“, verursacht eine allmähliche Abnahme der Axialkraft. Es wurde erstmals in einem Artikel im ‚Journal of the Japan Society for Precision Engineering‘ vorgestellt.“

„Wenn befestigte Objekte miteinander in Kontakt sind, kann der Gleitwert eines bestimmten Abschnitts der Kontaktfläche oder anderer Abschnitte durch herkömmliche Experimente nicht gemessen werden. Aber alle diese Werte lassen sich mithilfe der Finite-Elemente-Methode, FEM, berechnen. Sie wird etwa seit dem Jahr 2000 in der Befestigungsindustrie verwendet und kommt heute bei den meisten Forschungsarbeiten über Verbindungselemente mit Gewinde zum Einsatz. In einem Artikel von Doktor Satoshi Izumi et al. aus dem Jahr 2006 wurde die Entdeckung bekanntgegeben, dass nicht beim Makrogleiten (deutliches, sichtbares Gleiten), sondern beim Mikrogleiten (nicht sichtbares, mikroskopisch kleines Gleiten) eine allmähliche Drehlockerung auftritt. Als ich den Artikel zum ersten Mal las, war ich schockiert; er besagt, dass ein wiederholtes Auftreten von Mikrogleiten zu einer mikroskopisch kleinen Drehlockerung in einer Größenordnung von 1 Grad pro 1.000 Mal oder 1/1000 Grad bei jedem Mal führt. Eine Drehung um 1/1000 Grad ist mit bloßem Auge nicht erkennbar. Mit der Finite-Elemente-Methode kann sie jedoch perfekt untersucht werden und es wurde nachgewiesen, dass Mikrogleiten eine Drehlockerung verursacht. Nun war ich in Schwierigkeiten! [lacht] Die Ergebnisse stellten das Konzept eines kritischen Gleitwertes auf drastische Weise in Frage.

Ich hatte gedacht, dass Mikrogleiten zwangsläufig zu Reibverschleiß führt, zog jedoch nicht in Betracht, dass es eine Drehlockerung bewirken könnte. Zu dieser Zeit hatte ich keine Möglichkeit, das zu testen. Es war eine Erfahrung, die mir die Augen geöffnet hat.”

Fakten: Mikrogleiten
Ein Gleiten, das mit bloßem Auge nicht sichtbar ist. Es verringert nach und nach die Klemmkraft und kann letztlich zu einer sichtbaren Drehlockerung (Makrogleiten) führen. Auch Setz- und Relaxationserscheinungen des Materials können die Klemmkraft herabsetzen. Um beiden Arten des Gleitens entgegenzuwirken, hat die Nord-Lock Gruppe die X-series Keilsicherungsscheiben entwickelt. Durch ihre Federwirkung wird Klemmkraftverlust vermieden, während die Keilwirkung ein spontanes Lösen und eine Lockerung der Schraube verhindert.

Facten: Doctor Tomotsugu Sakai

  • 1941 – Geboren in Okazaki City, Japan
  • 1979 – Erhält nach der Arbeit für die Toyota Motor Corporation seinen Doktortitel in Maschinenbau; beschäftigt sich vor allem mit der Festigkeits- und Dauerbelastungsprüfung, Forschung und Entwicklung von verschiedenen Automobilteilen.
  • 2001 – Wechselt zu Toyota Techno Service Corp und ist dort für die Weiterbildung und technische Beratung auf dem Gebiet von Schraubenverbindungen zuständig.
  • 2007 – Geht in den Ruhestand und gründet die Firma „Sakai Consulting Office on Bolted Joint Engineering“, in der er sich bis heute auf die technische Beratung und Ausbildung im Bereich Schraubenverbindungen konzentriert.

Die Geschichte der Schraube

20 Dezember 2017
3 Kommentare

Text: Alannah Eames

Foto: Illustration: Kent Zeiron

Auf den ersten Blick mag eine Schraube eine einfache Komponente sein, die verschiedene Bauteile zusammenhält. Auf den zweiten Blick werden Sie jedoch feststellen, dass hinter den vermeintlich unbedeutenden Schrauben und Muttern deutlich mehr steckt. Ohne sie würden all unsere Geräte und Maschinen auseinanderfallen.

History of the bolt drawings

Erstveröffentlichung Bolted #2 2012.

Schrauben gehören zu den gängigsten Komponenten, die in der Bauindustrie und bei der Konstruktion von Maschinen verwendet werden. Sie halten alles zusammen – von den Schrauben einer elektrischen Zahnbürste oder eines Türscharniers bis hin zu den massiven Bolzen, mit denen in Gebäuden Betonträger an ihrem Platz gehalten werden. Aber Hand aufs Herz – haben Sie sich schon jemals gefragt, wo Schrauben eigentlich herkommen?

Die Geschichte des Gewindes kann bis ins 4. Jahrhundert v. Chr. zurückverfolgt werden, die wichtigsten Entwicklungen der modernen Schraubenverbindungen wurden in den letzten 150 Jahren gemacht. Die Meinung der Experten im Hinblick auf den Ursprung der einfachen Schraube und Mutter gehen auseinander. In seinem Artikel „Nuts and Bolts“ (Schrauben und Muttern) schreibt Frederick E. Graves, dass ein Gewindebolzen mit passender Mutter als Befestigungsmittel erstmals im 15. Jahrhundert auftaucht. Er basiert seinen Schluss auf den ersten schriftlichen Hinweis auf Schrauben, der in einem Buch aus dem frühen 15. Jahrhundert stammt.

Graves gibt jedoch zu, dass, auch wenn der Gewindebolzen erst im 15. Jahrhundert auftaucht, der Bolzen ohne Gewinde bis auf die Römerzeit zurückgeht. Damals diente er zum „Verriegeln von Türen, als Drehachse zum Öffnen und Schließen von Türen und als Keilbolzen in Form einer Stange oder eines Stabs mit einem Schlitz versehen, in den ein Keil eingesetzt wurde, um den Bolzen zu arretieren.“ Außerdem weist er darauf hin, dass die Römer die ersten Schrauben entwickelten, die aus Bronze und bisweilen sogar aus Silber bestanden. Die Gewinde wurden von Hand gefeilt oder bestanden aus einem Draht, der um den Stab gewunden und daran festgelötet wurde.

Laut Forschung des Schraubenexperten Bill Eccles geht die Geschichte des Schraubengewindes noch wesentlich weiter zurück. Archimedes (287 bis 212 v. Chr.) machte sich das Prinzip der Schraube für die Entwicklung einer Wasserhebeanlage zunutze. Es gibt jedoch eine Menge Anzeichen dafür, dass die Wasserschraube bereits im alten Ägypten, d. h. noch vor Archimedes, im Einsatz war. Sie wurde aus Holz gebaut und zum Bewässern von Äckern und zum Abpumpen von Schlagwasser aus Schiffsrümpfen verwendet. „Viele glauben jedoch, dass das Schraubengewinde um 400 v. Chr. von dem griechischen Philosophen Archytas von Tarent erfunden wurde, der als Erfinder der Mechanik gilt und ein Zeitgenosse Platons war“, schreibt Eccles auf seiner Webseite.

Die Geschichte kann in zwei Bereiche aufgeteilt werden: das Schraubenprinzip, das bis auf 400 v. Chr. zurückgeht, bei dem die Schrauben zum Fördern von Wasser und in Traubenpressen zum Herstellen von Wein verwendet wurden. Und die eigentliche Schraube als Befestigungsmittel und Verbindungselement, die seit ungefähr 400 Jahren im Einsatz ist.

Im 15. Jahrhundert verwendete Johannes Gutenberg Schrauben als Befestigungselemente in seinen Druckerpressen. Der Einsatz von Schrauben nahm enorm zu, als sie für Uhren und Waffen verwendet wurden. Laut Graves beinhalten Leonardo da Vincis Notizbücher vom Ende des 15. Jahrhunderts und Anfang des 16. Jahrhunderts verschiedene Entwürfe für Gewindeschneidemaschinen.

Etwas, über das sich die Mehrzahl der Forscher jedoch einig ist, ist die Tatsache, dass die Industrielle Revolution die Entwicklung von Schraube und Mutter vorangetrieben und sie als wichtige Komponente für Konstruktionen und Montagen etabliert hat.

In W.R. Willburs „History of the Nut and Bolt Industry in America“ (die Geschichte der Befestigungsmittelindustrie in Amerika) von 1905 steht geschrieben, dass die erste Maschine zur Herstellung von Schrauben und Muttern bereits 1568 von Besson in Frankreich gebaut wurde. Besson führte später die Gewindeschneidelehren oder -platten ein, die in Drehbänken verwendet wurden. 1641 verbesserte die englische Firma Hindley of York das Gerät, das daraufhin in großem Umfang eingesetzt wurde.

Auf der anderen Seite des Atlantiks, in den USA, ist im Carriage Museum of America einiges über die Geschichte der Schraube dokumentiert. Die Muttern von Fahrzeugen, die Anfang des 19. Jahrhunderts gebaut wurden, waren flacher und eckiger als die späterer Modelle. Bei den späteren Fahrzeugen kamen Muttern mit abgekanteten Ecken zum Einsatz und das Schraubengewinde wurde bündig am Bolzen abgedreht. Das Herstellen von Schrauben war zu dieser Zeit ein schwieriger, zeitraubender Prozess.

Anfänglich wurden die Gewinde der Schrauben von Hand gefertigt, aber schon bald war es aufgrund des steigenden Bedarfs erforderlich, den Produktionsprozess zu beschleunigen. In England führten J. und W. Wyatt 1760 einen Fabrikationsprozess für die Massenproduktion von Schraubengewinden ein. Dieser Meilenstein stellte die Konstrukteure jedoch vor eine neue Herausforderung: jedes Unternehmen stellte seine eigenen Gewinde her, d. h. dass es Muttern und Schrauben in unzähligen Größen gab, was zu Problemen für die Hersteller von Maschinen führte.

Es sollte bis 1841 dauern, bis Joseph Whitworth hierfür eine Lösung fand. Nach jahrelanger Forschung und dem Sammeln von Schrauben von zahllosen britischen Werkstätten, schlug er eine Standardisierung der Größe der Schraubengewinde in Großbritannien vor, damit z. B. die Schrauben eines Herstellers in England mit den Muttern eines Herstellers aus Schottland kompatibel waren. Sein Vorschlag beinhaltete, dass die Steigung des Gewindes auf 55 Grad standardisiert und die Anzahl Steigungen pro Inch für unterschiedliche Durchmesser definiert werden sollte.

Während diese Frage in England diskutiert wurde, versuchten die Amerikaner etwas ähnliches und begannen mit der Verwendung des Whitworth-Gewindes. 1864 schlug William Sellers ein Gewinde mit einer Steigung von 60 Grad und unterschiedliche Gewindesteigungen für unterschiedliche Durchmesser vor. Dies führte zur Entwicklung der American Standard Coarse Series und der Fine Series. Ein Vorteil, den die Amerikaner im Vergleich zu den Engländern hatten, war, dass ihre Gewindeform einen flachen Gewindegrund und flache Gewindespitzen hatte. Dies vereinfachte den Herstellungsprozess im Vergleich zum Whitworth-Standard mit abgerundetem Gewindegrund und runden Gewindespitzen. Es stellte sich jedoch heraus, dass das Whitworth-Gewinde in dynamischen Applikationen besser funktionierte und sich der abgerundete Gewindegrund des Whitworth-Gewindes günstig auf die Ermüdung auswirkte.

Während des 1. Weltkriegs wurde das Fehlen eines Schraubenstandards zwischen unterschiedlichen Ländern zu einem enormen Problem bei der Kriegsführung; im 2. Weltkrieg wurde es für die Alliierten zu einem noch größeren Problem. 1948 einigten sich Großbritannien, die USA und Kanada darauf, in allen Ländern, die imperiale Maßeinheiten verwendeten, das Unified-Gewinde als Standard einzuführen. Das Gewinde hat ein ähnliches Profil wie die metrische DIN-Schraube, die 1919 in Deutschland entwickelt worden war. Dies war eine Kombination aus den besten Eigenschaften des Whitworth-Gewindes (der abgerundete Gewindegrund, der sich günstig auf die Ermüdung auswirkte) und dem Sellers-Gewinde (60 Grad Steigung und flache Gewindespitzen). Es zeigte sich jedoch, dass der größere Radius des Gewindegrundes des Unified-Gewindes dem metrischen DIN-Profil überlegen war. Dies führte zur Entwicklung des metrischen ISO-Gewindes, das heutzutage in allen Industrieländern verwendet wird.

Alle, die in der Industrie arbeiten, können bezeugen, dass sich die Schrauben im Laufe der letzten Jahrzehnte deutlich verbessert haben. „Als ich vor 35 Jahren in der Industrie begann, war die Stärke der Schrauben noch nicht so klar definiert wie heute“, erinnert sich Eccles. „Mit der Einführung der modernen metrischen Eigenschaftsklassen und durch die neusten Aktualisierungen der relevanten ISO-Normen ist die Beschreibung der Stärke einer Schraube und der Testmethoden, die diese Eigenschaften festlegen, heute deutlich besser definiert.“

In dem Takt, in dem sich die Rohstoffindus­trie weiterentwickelt, werden Schrauben nicht nur aus Stahl sondern auch aus anderen, exotischeren Materialien hergestellt, um den geänderten Anforderungen der Industrie gerecht zu werden.
In den letzten 20 Jahren wurden Nickel-Legierungen entwickelt, die in Umgebungen mit hohen Temperaturen wie z. B. Turboladern und Motoren eingesetzt werden können, in denen Stahl nicht die gleiche Leistung bringt. Aktuelle Forschung konzentriert sich auf Leichtmetallschrauben wie Aluminium, Magnesium und Titan.

Die moderne Schraubentechnologie hat seit den Tagen, in denen Schrauben und Muttern noch von Hand gefertigt wurden, und Kunden lediglich zwischen einfachen Stahlschrauben und Muttern wählen konnten, eine beein­druckende Entwicklung durchlaufen. Heutzutage entwickeln Unternehmen wie Nord-Lock fantastische Verbesserungen in der Schraubentechnologie, einschließlich Keilsicherungssystemen. Kunden können zwischen vormontierten Keilsicherungsscheiben aus Edelstahl oder mit Zinkflockenbeschichtung, Radmuttern für Stahlflachfelgen oder Kombibolzen wählen, die an den spezifischen Einsatzzweck angepasst werden. Der Erwerb des US-Unternehmens Superbolt Inc. und des Schweizer Unternehmens P&S Vorspannsysteme AG (heute Nord-Lock AG) hat das Portfolio der Nord-Lock Gruppe um Schraubenprodukte für die Schwerindustrie wie Offshore, Energiegewinnung und Bergbau erweitert, und dazu geführt, dass der Konzern auf seinem Weg zum Weltmarktführer auf dem Gebiet Schraubensicherung einen großen Schritt weiter gekommen ist.

Heute wird zudem wesentlich mehr Gewicht auf das Analysieren der Schraubenverbindungen gelegt. „Früher gaben ausschließlich Erfahrungswerte bei der Entscheidung für eine bestimmte Schraubengröße den Ausschlag. Und man hielt den Atem an und hoffte, dass alles gut geht“, fährt Eccles fort. „Heutzutage legt man mehr Gewicht auf die Analyse und stellt sicher, dass die Konstruktion funktioniert, bevor Produkte gebaut und auf den Markt gebracht werden.“

Kennzeichnungen auf Muttern und Schrauben

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

F: Was bedeuten die Kennzeichnungen auf Muttern und Schrauben?
A:   Schraubenköpfe und Muttern sind oft mit einer Kennzeichnung in Form von Zahlen, Buchstaben, Bindestrichen, Schrägstrichen, Punkten oder diversen anderen Markierungen versehen. Verbindungselemente weisen im Allgemeinen zwei verschiedene Kennzeichnungen auf: Ein eindeutiges Herstellerkennzeichen – wie etwa Buchstaben oder Insignien – sowie Angaben zur Festigkeit des Verbindungselements. Diese Markierungen unterscheiden sich je nach Herstellungsart des Verbindungselements. In der nebenstehenden Tabelle sind die Verbindungselemente aus legiertem Stahl und Edelstahl aufgeführt, die den ISO-Normen entsprechen. Verbindungselemente mit UNC-Gewinde erfüllen hauptsächlich die Anforderungen der ASTM-Normen.

Da bei kleineren Größen, wie z. B. bei Durchmessern unterhalb von M5 nach ISO 898-1, nur wenig Platz vorhanden ist, können die Kennzeichnungen auch fehlen. Bei darüber liegenden Größen muss die Schraubenklasse jedoch auf dem Kopf angegeben sein.

 

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Nie wieder verschlissene Gelenklagerungen

13 September 2017
Kommentar

Text: Nic Townsend

Foto: Nord-Lock ILLUSTRATIONS: Dan Hambe

In vielen Branchen wird der Verschleiß von Gelenklagerungen einfach als unvermeidliche Tatsache akzeptiert. Aber muss das so sein?
Kann das Expander System eine praktikable Lösung bieten?

Erstveröffentlichung Bolted #2 2017.

Bei jeder Maschine mit beweglichen Gelenklagerungen tritt früher oder später Verschleiß auf. Am häufigsten ist dies bei Anwendungen der Fall, die starken Belastungen und Vibrationen ausgesetzt sind, wie etwa Bergbau- und Baumaschinen. Weitere Beispiele sind industrielle Pressen, Windkraftanlagen und Schwenkbrücken. Jede bewegliche Gelenklagerung in praktisch jeder Anwendung verschleißt irgendwann – je höher die Beanspruchungen, desto früher setzt ein solcher Verschleiß ein. Und wenn dies geschieht, gehen Präzision und Kontrolle verloren.

Dass ein Verschleiß von Gelenklagerungen bei der Verwendung konventioneller, gerader Bolzen unvermeidlich ist, hat drei wesentliche Gründe:

  1. Die Lagerungen bestehen in der Regel aus einem weicherem Werkstoff als der Bolzen; dadurch verformen sie sich, wenn sie miteinander in Kontakt stehen.
  2. In den Gelenklagerungen findet keine Druckverteilung statt. Das liegt an dem Spiel zwischen den Lagerungsbohrungen und dem Bolzen, das erforderlich ist, damit der Bolzen montiert werden kann. Bei Belastung des Bolzens wird der gesamte Druck von dem Bolzen auf dünne Linien in den Lagerungsbohrungen übertragen.
  3. Durch das vorhandene Spiel wirkt die Kraft, mit der der Bolzen beaufschlagt wird, bei jeder Änderung der Bewegungsrichtung der Maschine schlagartig und in vollem Umfang auf die Lagerungsbohrungen ein.

Die gängigste Lösung bei verschlissenen Gelenklagerungen ist eine Reparatur durch Schweißen und Aufbohren. Der erste Schritt bei diesem Verfahren besteht darin, die Gelenklagerung lastfrei zu machen und den Bolzen auszubauen. Anschließend muss das Bohrgerät ausgerichtet und an der Maschine „montiert“ werden. Die verschlissenen Lagerungen werden großzügig aufgebohrt, durch Auftragsschweißen wieder verengt und dann durch präzises Bohren zurück auf den ursprünglichen Durchmesser und die entsprechende Toleranz gebracht. Nach dem Entfernen des Bohrgeräts werden die Gelenklagerungen neu gestrichen und am Schluss wird ein neuer Bolzen eingebaut. Der ganze Vorgang kann je nach Größe und Komplexität der Anlage Stunden, aber auch einige Tagen dauern. In dieser Zeit kann die Maschine nicht verwendet werden.

Trotz des Zeitaufwands und der Kosten wird diese Methode allgemeinhin als unvermeidlich akzeptiert. „Das ist einfach eine Sache, die jeder tut, weil alle anderen es auch tun; und niemandem ist bewusst, dass es auch eine andere Möglichkeit gibt“, sagt Jonny Wiberg, Forschungs- & Entwicklungsingenieur bei Expander System. „Reparaturen werden einfach hingenommen und es wird nicht einmal nach einer anderen Lösung gesucht.“

Im Laufe der Jahre haben Ingenieure immer wieder nach besseren Lösungen für das Problem mit verschlissenen Gelenklagerungen gesucht. Keine dieser bisherigen Lösungen hat sich als wirklich effektiv erwiesen. Eine Möglichkeit besteht darin, einen Bolzen zu verwenden, der so stramm wie möglich in den Lagerungsbohrungen sitzt, dadurch das Spiel zwischen den beiden praktisch völlig beseitigt und die bestmögliche Druckverteilung für einen geraden Bolzen gewährleistet. Das macht die Gelenklagerung nicht nur teuer und die Montage des Bolzens schwierig – nach einiger Zeit weiten sich die Lagerungsbohrungen trotzdem wieder auf.

Beim Temperaturverfahren wird der Bolzen tiefgekühlt und in diesem Zustand montiert; eingebaut erwärmt er sich, dehnt sich aus und es entsteht eine perfekte Presspassung in den Gelenklagerungen. Bei diesem Verfahren müssen extrem enge Toleranzen von einigen hundertstel Millimetern (oder Toleranzklasse 6) beim Bolzen und den Lagerungsbohrungen eingehalten werden. Das macht die Gelenklagerung deutlich teurer. Gelenklagerungen, die nach dieser Methode hergestellt sind, werden oft als wartungsfrei betrachtet; tatsächlich aber ist eine Wartung gar nicht möglich, da der Bolzen nicht mehr ausgebaut werden kann.

Eine weitere Lösung besteht darin, die Festigkeit der Gelenklagerungen durch Buchsen zu verbessern. Dadurch wird aber das Einsetzen von Verschleiß nur hinausgeschoben und das Problem nicht vollständig behoben, da die Buchsen während der Lebensdauer der Maschine mehrmals ausgetauscht werden müssen.

Keine dieser Lösungen macht also kostspielige und zeitaufwändige Reparaturen von Gelenklagerungen komplett überflüssig. Im Gegensatz dazu ist das Expander System in der Lage, den Verschleiß von Gelenklagerungen ein für alle Mal zu beseitigen. Bei diesem System wird ein Bolzen mit konischen Enden und Spreizhülsen auf beiden Seiten verwendet. Im eingebauten Zustand dehnen sich die Hülsen radial aus und passen sich der Gelenklagerung so an, dass ein exakter Presssitz entsteht.

Da sich die Hülsen des Expander Systems in die Gelenklagerung ausdehnen, können sie Unebenheiten oder Verformungen ausgleichen. Ein Schweißen oder Aufbohren ist nicht mehr erforderlich. Dies führt zu einer drastischen Verkürzung der Montage- und Ausfallzeiten der Maschine. Der zeitaufwändigste Teil bei der Installation des Expander Systems ist die Demontage und der Ausbau des Originalbolzens – wobei dieser Arbeitsschritt aber auch vor dem Schweißen und Aufbohren notwendig ist. In einem jüngsten Beispiel wurde das schwedische Unternehmen Expander System zu einem Kostenvergleich für einen 70 Millimeter-Bolzen aufgefordert. Unter Berücksichtigung der Kosten des Spreizbolzens, der Kosten für den Aus- und Einbau des Bolzens sowie des Umsatzverlustes durch die Ausfallzeit wurden die Gesamtkosten der Expander System-Lösung mit rund 500 Euro berechnet. Ein herkömmlicher Bolzen kostet etwa ein Drittel, während die Kosten für den Ausbau und die Montage die gleichen sind. Die für das Aufbohren und den Transport der Bohrausrüstung benötigte Zeit sowie der finanzielle Verlust durch die deutlich höheren Stillstandszeiten trugen dazu bei, dass sich die Schätzung der Gesamtkosten am Ende auf über 2.300 Euro belief.

Der Einsatz des Expander Systems macht zwar nicht das Aufbohren, sehr wohl aber das Schweißen komplett überflüssig. Über die gesamte Lebensdauer treten an der jeweiligen Gelenklagerung keine Verschleißprobleme mehr auf. Bei herkömmlichen Bolzen würde der Verschleiß unweigerlich zurückkehren und der Reparaturvorgang müsste wiederholt werden. In einer typischen Anwendung ist dies über die gesamte Lebensdauer einer Maschine drei bis vier Mal oder alle 3.000 oder 4.000 Stunden der Fall. Das bedeutet, die Kosteneinsparungen können für jede einzelne Maschine mehrere Tausend Euro betragen.

Wie aus einem rostigen Nagel eine preisgekrönte Innovation wurde

In den 1950er Jahren bauten die Zwillingsbrüder Everth und Gerhard Svensson Straßen in ganz Schweden und wurden immer frustrierter, weil verschlissene Gelenklagerungen wieder und wieder zu Ausfallzeiten und Reparaturen führten. Als sich eines Tages erneut ein Gelenkbolzen löste, improvisierte Everth und nahm einen alten rostigen Nagel, um den Bolzen in der Lagerungsbohrung zu fixieren.

Als Notlösung gedacht funktionierte dieser rostige Nagel so gut, dass er Everth zur Entwicklung des Expander Systems inspirierte. Viele Jahre lang setzten die Zwillingsbrüder Expander-Produkte bei ihren Straßenbauprojekten ein. Doch erst 1986, als Everths Sohn Roger erkannte, wie genial die Lösung seines Vaters ist, wurde das Konzept patentiert und das Unternehmen Expander System Sweden AB gegründet. 1987 wurde das Expander System vom schwedischen Industrieminister mit dem Innovation Development Award in Erinnerung an Alfred Nobel ausgezeichnet.
Heute ist das Expander System in Millionen von Maschinengelenken auf der ganzen Welt eingebaut.

Mehr als 6,000 zusätzliche Betriebsstunden

Verschleiß ist ein weitverbreitetes Problem bei Gelenklagerungen von Maschinen. Es hat die Benutzer von Maschinen im Laufe der Jahre viel Geld gekostet – sowohl für Reparaturen, als auch hinsichtlich der Ausfallzeiten. Das Expander System kann dem ein für alle Mal ein Ende setzen.

Das Expander System ist in den meisten Fällen teurer als ein herkömmlicher gerader Bolzen. Aber bei sorgfältiger Berücksichtigung aller Kosten, einschließlich der Zeit und Kosten, die mit dem Schweißen und Aufbohren verbunden sind sowie des Produktionsverlustes durch Ausfallzeiten, erweist sich das Expander System als wesentlich kostengünstiger. Das volle Ausmaß der Einsparungen hängt von vielen verschiedenen Variablen ab, aber in aller Fairness lässt sich sagen, dass die möglichen Einsparungen umso höher sind, desto öfter Verschleiß an Gelenklagerungen auftritt und je höher die Kosten der Ausfallzeiten sind.

Für den schwedischen Baumaschinenhändler Maskinia AB bedeutet jede Minute Stillstandszeit für Maschinenreparaturen, dass bares Geld verloren geht. Aus diesem Grund setzt das Unternehmen seit 1999 das Expander System ein.

Vor kurzem wurde ein Bagger nach 3.700 Betriebsstunden zur Reparatur angeliefert. Mithilfe des Expander Systems konnte der Bolzen an der Gelenkverbindung zum Ausleger in nur 6 Stunden gewechselt werden. Im Gegensatz dazu hätte die Reparatur durch einen herkömmlichen Bolzen mit dem üblichen Schweißen und Aufbohren 3-4 Tage gedauert.

Lars Malmén, Aftermarket-Manager bei Maskinia, erklärt: „Das Expander System kostet zwar mehr als ein traditioneller Bolzen, aber wenn man die Reparaturzeiten und Ausfallzeiten mit den entsprechenden Umsatzverlusten mit einrechnet, fällt das Ergebnis eindeutig zugunsten des Expander Systems aus. Wenn Sie dann noch die Tatsache berücksichtigen, dass Expander eine 10-jährige Funktionsgarantie anbietet, können Sie sich auf mindestens 10.000 problemlose Betriebsstunden verlassen – im Vergleich zu den 3.700 Stunden, die für einen herkömmlichen Bolzen als normal gelten.“

 

Lernen Sie Expander System kennen

Ansehen: „Holen Sie das Beste aus Ihrer Maschine heraus.“

Tipps und Tricks: Optimierung einer Schraubenverbindung durch die Klemmlänge

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

F: Was ist die Klemmlänge?
A: Die Klemmlänge – LK – ist die freie Länge einer Schraube, die unter Spannung gedehnt wird; das bedeutet:

  • In einer Durchgangsbohrung (A) der Abstand zwischen dem Schraubenkopf und der Mutter.
  • In einer Sackbohrung (B) – oder bei einer Stiftschraube (C) – der Abstand zwischen dem Kopf (Mutter) und dem ersten Gewindegang, der in die Gewindebohrung eingreift.

Die Klemmlänge bezeichnet auch die Gesamtdicke der unter Druck verbundenen Teile.

Zur Optimierung einer Schraubenverbindung sollte die Klemmlänge mindestens das Drei- bis Fünffache des Schraubendurchmessers betragen. Durch Erhöhung der Elastizität des Befestigungselements werden die Eigenschaften der Verbindung erheblich verbessert, da:

  • sich die Dehnung der Schraube erhöht und die Setzung reduziert wird;
  • bei Erhöhung der Flexibilität des Befestigungselements das Risiko der Selbstlösung unter Vibrations- und Querbelastungseinwirkungen sinkt.
  • sich der Lastfaktor verbessert, wodurch die Amplitude dynamischer Belastungen in der Schraube abnimmt und die Gefahr eines Ermüdungsversagens minimiert wird.
  • bei hydraulischem Vorspannen der Lastübertragungsverlust minimiert wird.

Bei steifen Verbindungen, die keine lange Klemmlänge erlauben, besteht die Möglichkeit, intelligente und effektive Lösungen zu implementieren, um ein Versagen zu vermeiden. Anstatt teure und unattraktive Distanzstücke zu verwenden, können Sie z. B.:

  • Original Nord-Lock Keilsicherungsscheiben einsetzen, um ein spontanes Lösen der Schraube zu verhindern.
  • X-series Keilsicherungsfederscheiben von Nord-Lock benutzen, um sowohl ein spontanes Lösen der Schraube zu verhindern, als auch Setz- und Relaxationserscheinungen auszugleichen.
  • Superbolt Vorspannelemente verwenden, die sowohl eine direkte axiale Dehnung der Schraube ohne Vorspannungsverlust ermöglichen, als auch die Elastizität der Schraube und damit den Lastfaktor verbessern.

 

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Schmierung: Das Wann und Warum beim Vorspannen

8 Juni 2017
Kommentar

Text: Amaris Neidich & Joseph Vernam

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

F: Wie wirkt sich Schmierung auf das hydraulische axiale Vorspannen und das Vorspannen von Spannelementen mit Vielfachschrauben aus?
A: Beim traditionellen Anziehen einer Mutter mit einem Schraubenschlüssel ist die Schmierung sehr wichtig, da sich viele Flächen gegeneinander bewegen – die Gewindegänge der Mutter gegen die Gewindegänge der Schraube/des Bolzens und die Unterseite der Mutter gegen die Oberfläche der Verbindung. Die Überwindung dieser Reibungskräfte macht ungefähr 90 % der Arbeit (des Energieaufwands) aus, die zur Erzeugung der Vorspannkraft in der Verbindung aufgewendet wird.

MIT EINEM HYDRAULISCHEN Vorspannwerkzeug wird der Schraubenbolzen gegenüber den zu verspannenden Teilen torsionsfrei auf die Montagevorspannkraft vorgespannt. Die Mutter kann nun unter minimaler Reibung von Hand gegen die Verbindungsfläche gedreht werden. Da die Vorspannung nicht durch Drehen der Mutter erzeugt wird, spielt hier die Reibung praktisch keine Rolle. Aus diesem Grund kann auf Schmierung zum Ziel der Reibwertoptimierung verzichtet werden.

Da keine Reibung berücksichtigt werden muss, braucht der Reibungskoeffizient durch Schmierung nicht verkleinert zu werden. Außerdem sind wesentlich genauere und wiederholbare Ergebnisse möglich, da in der Anwendung keine Reibung vorhanden ist.

Bei Spannelementen mit Vielfachschrauben (Superbolt Multi-Jackbolt Tensioners, MJTs) hat die Schmierung des Hauptbolzengewindes keinen Einfluss auf die Vorspannung. Es ist aber ratsam, einen sehr dünnen Schmierstofffilm mit Gleiteigenschaften zu verwenden, um die spätere Demontage der Spannelemente zu erleichtern.

Im Gegensatz dazu hat die Schmierung der Druckschraubengewinde, sowie der Aufstandsflächen zwischen Druckschrauben und Druckscheibe einen signifikanten Einfluss auf die erzielbare Vorspannkraft.

DIE RICHTIGE SCHMIERUNG ist für eine wiederholgenaue Vorspannung von Superbolt-­Spannelementen von entscheidender Bedeutung. Nord-Lock verwendet hauptsächlich ein Schmiermittel auf Graphitbasis mit niedrigem und konstantem Reibungskoeffizienten, um eine punktgenaue Vorspannung zu erzielen. Die Lieferung der MJTs erfolgt mit vorgeschmierten Druckschrauben. Sollte beispielsweise die Nachschmierung der Druckschraubenaufstandsflächen wegen wiederholter Montage und Demontage erforderlich werden, ist das passende Schmiermittel bei Nord-Lock erhältlich. Mit der Verwendung des korrekten Schmiermittels wird sichergestellt, dass die vorgesehene Vorspannkraft zuverlässig bei jeder Montage erreicht wird.

 

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Nord-Lock Benutzerhandbücher zum Download

Wir wissen, dass Sicherheit für unsere Kunden ein hohes Gut ist. Unsere Produkte sind einfach in der Handhabung und wir wissen es zu schätzen, dass sie bei der Montage keine Fehler machen wollen.

Um Unklarheiten, die in der täglichen Arbeit auftauchen können, auszuräumen, freuen wir uns ab sofort unsere offiziellen Benutzerhandbücher für Nord-Lock Produkte bereitstellen zu können:

Folgende Benutzerhandbücher sind verfügbar (englisch):

 

Download

Anziehen mit Drehmoment oder Vorspannen – das ist hier die Frage

31 Januar 2017
Kommentar

Text: Nic Townsend

Foto: Nord-Lock ILLUSTRATIONS: Dan Hambe

Welche Methode eignet sich am Besten zum kontrollierten Anziehen einer Schraubenverbindung? In BOLTED treten nun hydraulische Drehmomentschrauber gegen hydraulisches axiales Vorspannen an.
Und der Gewinner ist …

Erstveröffentlichung Bolted #1, 2017.

Fast jeder hat irgendwann schon einmal eine Schraube oder Mutter durch Drehen, also tordierend, angezogen und versteht das Prinzip, das diesem Vorgang zugrunde liegt. Es ist das älteste, einfachste und für die meisten Nicht-Ingenieure auch das einzige Verfahren zum Anziehen von Schraubenverbindungen.

Ob von Hand oder mithilfe einer Hydraulik – die im Vergleich zu anderen Verfahren einfach verständlichen Grundlagen machen das tordierende Anziehen mittels Drehmoment im Allgemeinen zu der mit Abstand kostengünstigsten Lösung. Dies schließt aber die Notwendigkeit eines gewissen Trainings nicht aus, und auch die wichtigsten Faktoren, die Einfluss auf das Anziehen mit Drehmoment ausüben, sollten verstanden werden.

„Mit einem Drehmomentschlüssel und einer Reihe von Steckschlüsseleinsätzen können Sie Schrauben und Muttern in vielen verschiedenen Größen anziehen“, erklärt Robert Noble, Technischer Direktor, Asset 55. „Drehmomentwerkzeuge bieten eine recht große Flexibilität und Werkern kann ihre Benutzung leicht erklärt werden.“

Angesichts der Tatsache, dass sie bei den meisten Anwendungen effektiv eingesetzt werden können, ist klar, warum sie oft die erste Wahl sind.

Das hydraulische Anziehen mit Drehmoment hat jedoch seine Grenzen, vor allem auf Grund von Reibung, die Noble als „Drehmomentfeind Nummer Eins“ bezeichnet. In der Regel verschlingt allein die Reibung etwa 90% des aufgebrachten Drehmoments, mit dem die Mutter beaufschlagt wird, was bedeutet, dass nur ein kleiner Teil des Drehmoments in tatsächlich nutzbare Vorspannkraft umgewandelt wird. Da das Anziehen eine indirekte Art der Lastbeaufschlagung darstellt, ist es schwierig, die resultierende Vorspannkraft exakt vorherzubestimmen. Bei einer Reihe von Faktoren die zu beachten sind, gilt ein besonderes Augenmerk dem verwendeten Schmiermittel, ebenso wie der Vermeidung von Verschmutzungen und der einwandfreien Beschaffenheit der Gewinde und Kontaktflächen. Diese Sachverhalte müssen abgeklärt werden, um eine angemessene Genauigkeit bei der Verwendung von Drehmoment zur Erzeugung einer Vorspannung zu gewährleisten, um insbesondere bei krititschen Verbindungen Nachteile zu Vermeiden.

Noble betont, dass das Anziehen mit Drehmoment bei den meisten Verbindungen zu guten Resultaten führt, wenn geeignete Verfahren, kalibrierte Geräte und kompetente Mitarbeiter zur Verfügung stehen. Ein großes Thema ist die Streuung der Vorspannkraft, durch die in einer einzelnen Schraube eine Vorspannung erreicht wird, die bei +/- 25 Prozent des Sollwertes liegen kann; das übliche Ergebnis bei einem Flansch mit mehreren Schrauben ist aber eine durchschnittliche Vorspannkraft im engen Sollwertbereich (unter der Voraussetzung, dass ein bewährtes Verfahren eingesetzt und der Reibungskoeffizient berücksichtigt wird). „Für die meisten Flanschverbindungen mit Dichtung reicht diese Genauigkeit aus, so dass der Einsatz von tordierenden Verfahren eine sehr praktikable Lösung ist“, erklärt Noble.

Mit dem HYDRAULISCHEN axialen Vorspannen mit Spannzylindern wurde in den 1970er Jahren begonnen. Pionierarbeit auf diesem Gebiet leistete neben anderen auch der britische Ingenieur Fred Heaton, der später die Unternehmen Hydratight und Boltight gründete. In den folgenden 20 Jahren kam das Verfahren immer häufiger zum Einsatz und zählt heute zu den bevorzugten Methoden für das Anziehen großer kritischer Schraubenverbindungen in vielen Branchen, wie etwa in der Öl- und Gasindustrie, bei der Windkraft, in Unterwasseranwendungen und in der Stromerzeugung.

Verglichen mit dem Einsatz von hydraulischen Drehmomentschraubern, erfordert das axiale Spannen im Vorfeld eine genauere Betrachtung der Arbeitsschritte und Auswahl der passenden Ausrüstung. In bestimmten Anwendungen lassen sich durch axiales Vorspannen eine höhere Genauigkeit und Kontrolle, sowie auch kürzere Montagezeiten erzielen. Besondere Vorteile bietet das Verfahren bei Flanschen mit mehreren Schrauben. Üblicherweise weden alle Schrauben mit herkömmlichem Drehmoment nacheinander in einem bestimmten Muster angezogen, das sorgfältig eingehalten werden muss, um eine ungleichmäßige Lastbeaufschlagung der Dichtung oder des Flansches zu vermeiden. Im Gegensatz dazu kann durch anbringen mehrerer hydraulischer Spannzylinder eine noch gleichmäßigere Kompression der Dichtung erzielt werden.

„Hier liegt der eigentliche Ursprung des hydraulischen axialen Vorspannens“, erklärt Nitin Patel, Projects and Commercial Manager, Boltight. „Nun war es endlich möglich, die Klemmkraft genau zu steuern und zwar auf dem gesamten Flanschumfang; das ist wesentlich besser für die Dichtung, sowie die ganze Verbindung, deren Vorspannkraft man nun tatsächlich vorausberechnen kann.“

Eine weitere als Vorteil wahrgenommene Eigenschaft des axialen Vorspannens ist die höhere Genauigkeit, aber Noble weist darauf hin, dass es so einfach nicht ist. „Leider versucht die Industrie immer wieder, einfache, allgemeingültige Regeln aufzustellen, die sich aber auf Kriterien des Drehmoments und der Vorspannung nicht anwenden lassen“, führt er weiter aus. „Unter den richtigen Bedingungen kann axiales Vorspannen sehr genau sein. Das ist etwa bei Schrauben oder Bolzen, die im Verhältnis zum Durchmesser sehr lang sind – also lange, dünne Schrauben oder Bolzen – und auch in Situationen mit hohen Schraubenlasten der Fall. Bei diesen Anwendungen ist das axiale Vorspannen genauer als das tordierende Anziehen mit Drehmoment. Umgekehrt verliert das axiale Vorspannen bei kurzen, dicken Schrauben und niedrigen Schraubenlasten an Genauigkeit.“

Auch das axiale Vorspannen hat Nachteile; wenn beim Entspannen des Spannwerkzeuges die Last auf die Mutter übertragen wird, kommt es zu einem gewissen Verlust an Klemmkraft. Um dies auszugleichen, wird der Klemmkraftverlust geschätzt, und der Monteur rechnet diesen Wert im Voraus hinzu. Das bedeutet, Schraube, Dichtung und Flansche werden mit einer erhöhten Montagevorspannkraft beaufschlagt. Dieser Umstand muss bereits in der Entwurfsphase der Verbindung oder vor dem Einsatz des Werkzeugs berücksichtigt werden. Alternativ kann der Vorspannvorgang auch wiederholt werden, um die Setzungsvorgänge auszugleichen.

Überdies kann das hydraulische axiale Vorspannen auch praktische und logistische Nachteile haben. Da mehr Ausrüstung und Spezialwerkzeuge benötigt werden, kann es deutlich teurer sein. „Das axiale Vorspannen ist ein kompliziertes Verfahren und wird nur von denen wirklich verstanden, die es regelmäßig anwenden“, sagt Noble. „Es werden spezielle Vorspannwerkzeuge benötigt und es ist schwierig, Spannwerkzeuge mit der gleichen Flexibilität zu entwickeln, die ein Drehmomentwerkzeug bietet.“

Die Wahrheit liegt also wie so häufig in der Mitte: Ob das tordierende Vorspannen mit Drehmoment oder das axiale Vorspannen die bessere Methode ist, muss von Fall zu Fall entschieden werden.

„Pauschale Aussagen verursachen eine Vielzahl von Rückfragen und zwingen bisweilen auch zu Kompromissen bei der Vorspannkraft. Gehen Sie so vor, wie es für die jeweilige Schraubenverbindung am besten ist“, sagt Noble und stellt abschließend fest: „Manchmal kommt es einfach darauf an, eine Anwendung mit offenen Augen zu betrachten, sich zu überlegen, wie die Ausrüstung zum Anwendungsort geschafft werden kann, sich den Einsatzort selbst genau anzuschauen und dann zu entscheiden, welches Montageverfahren bei der Anwendung überhaupt möglich ist.“

Wussten Sie schon, dass …
bei tordierenden Anziehverfahren in der Regel 90% des Anziehdrehmomentes allein zur Überwindung der Reibung (µ-Bereich
0,08-0,16) verbraucht werden?

QUERVERBINDUNGEN
Bei Schraubenverbindungen müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden, bevor zwischen tordierend oder torsionsfreiem, axialen Vorspannen entschieden wird.

  • Legen Sie den Sollwert für die Vorspannkraft der Anwendung fest.
  • Ziehen Sie alle Faktoren in Betracht, die Ihre Wahl direkt beeinflussen können. Für Anwendungen, bei denen es von Vorteil ist, die Einwirkung von Torsionseffekten auf die Schraube/den Bolzen zu vermeiden, z.B. Fundamentbolzen in Beton, ist axiales Anziehen die beste Option. Wenn der Platz beschränkt ist, kann tordierendes Anziehen die bessere Option sein.
  • Unterschätzen Sie nicht die physikalischen und logistischen Beschränkungen. Damit ein Spannwerkzeug einen ausreichenden Eingriff hat, muss mindestens ein Gewindedurchmesser aus der Mutter herausstehen.