Mittwoch, 19. April 2017

Das Anziehen von Schraubverbindungen

Serie M: richtige und falsche Handhabung beim Anziehen der Schrauben

Serie M: richtige und falsche Handhabung beim Anziehen der Schrauben

Schraube mit Überlänge

Schraube mit Überlänge

Vorschlag zum Anziehen von Schrauben in Flanschverbindungen

Vorschlag zum Anziehen von Schrauben in Flanschverbindungen

Oberflächenbeschaffenheit

Oberflächenbeschaffenheit

In diesem Artikel bieten wir Ihnen Empfehlungen zum Thema „Verschrauben von Kraft-, Drehmoment- und Mehrkomponentenaufnehmern“ (im Folgenden kurz Aufnehmer genannt), um Ihnen Ihre Aufgaben als Konstrukteur oder Anwender zu erleichtern. Als Hersteller hochpräziser Messmittel möchten wir unsere Erfahrungen mit Ihnen teilen, um Fragen und Hinweise zum Einbau zu erläutern und Hinweise zu geben, mit denen Sie die besten und sichersten Ergebnisse bei Anwendung unserer Produkte erzielen.

Grundsätzliches

Aufnehmer werden üblicherweise mit Schraubgewinde(n) über Reib- bzw. Kraftschluss mit ihrer Peripherie verbunden. Die Dimensionierung der Schraubverbindung beruht zunächst auf der Annahme von Prozesskräften, welche sowohl in Messrichtung als auch in dazu abweichenden Richtungen wirken können (Querkräfte, Biegemomente, etc.). Die Schraubverbindung muss somit in der Lage sein, ein kombiniertes Lastkollektiv ohne Verrutschen der Anbauteile übertragen zu können.

Jedes Montageverfahren unterliegt jedoch gewissen Unsicherheiten: Unebenheiten, hohe Rauigkeitswerte oder variierende Anzugsmomente können Einflüsse bei Nullsignal, Kriechen, Hysterese oder Einbußen bei der Langzeitstabilität haben.

Die folgenden Vorschläge beruhen auf unserer Erfahrung im Bereich der Kraft- und Drehmomentmesstechnik und sollen helfen, die Unsicherheitseinflüsse beim Verschrauben von Aufnehmern zu mindern.

Prinzipiell ist der Anwender verantwortlich für die Einhaltung der korrekten Prozessgrößen bei der Montage und bei der Einhaltung der geltenden Sicherheitsvorschriften. GTM übernimmt keine Haftung für das Versagen von Bauteilen, Werkzeugen sowie Körperschäden und behält sich Änderungen dieser Empfehlungen vor. Diese Empfehlungen ersetzen keine Schulung und setzen eine Qualifikation des Anwenders voraus!

Anziehen und Lösen

Aufnehmer besitzen immer einen Bereich der Lasteinleitung und einen Bereich der Lastausleitung. Dazwischen befindet sich ein elastischer Bereich, mit dem an Hand der Verformungsdehnung bei Belastung die Kräfte und Momente gemessen werden. In manchen Fällen ist es möglich, dass die benötigten Anzugs- oder Lösemomente der Schraubverbindungen an den Lasteinleitungsstellen höher sind, als der elastische Bereich des Aufnehmers vertragen würde.

Ein Beispiel: Bei einem Drehmomentaufnehmer mit Nennlast 2 N·m sind die Schrauben der Flanschverbindungen mit einem Anzugsmoment von ca. 4 N·m anzuziehen. Wird dabei das Anzugsmoment über den elastischen Bereich des Aufnehmers geleitet und wirkt dazu noch zusätzlich eine Querkraft aus der Anwendung eines Drehmomentschlüssels, kann dies zur Zerstörung des Aufnehmers führen.

Unsere Empfehlung: Leiten Sie prinzipiell die zum Anziehen und Lösen der Schrauben benötigten Kräfte und Momente nicht über den Aufnehmer ab, sondern stützen Sie gegen fixierte Anbauteile ab.

Schraubenauswahl

In der Regel sind Zylinderkopfschrauben mit Innensechskant nach DIN EN ISO 4762 für die Montage von Aufnehmern am besten geeignet. Die Kopfauflage im Vergleich zu weit verbreiteten Sechskantschrauben nach DIN EN 24014 ist zwar annähernd identisch, aus platztechnischen Gründen sind diese Sechskantschrauben aber oft nachteilig, da für den Außensechskant und die benötigten Werkzeuge größere Senkdurchmesser in den angrenzenden Bauteilen nötig sind.

Vermeiden Sie Schraubenformen für untergeordnete Zwecke wie z.B. Schlitz-, Kreuzschlitz-,  Linsenkopfschrauben oder solche, die eine integrierte Schraubensicherung besitzen z.B. Federkopfschrauben oder Schrauben mit am Gewinde haftendem Kleber.

Die Größe bzw. der Nenndurchmesser der Schraubverbindungen an den Aufnehmern ist für die zu erwartenden Prozessgrößen ausgelegt worden. Es dürfen nur entsprechende Schrauben dieser Nenngrößen verwendet werden! Eine Reduzierung auf kleinere Nenndurchmesser, beispielsweise mit Gewindehülsen, kann aus sicherheitstechnischer Perspektive gefährlich sein und darüber hinaus zu messtechnischen Unsicherheiten führen.

Wenn nicht anders angegeben, sollten Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 verwendet werden. Höherfeste Schrauben sind gegebenenfalls nachteilig bezüglich der Dauerfestigkeit. Bei Schrauben geringerer Festigkeit wird gegebenenfalls die gewünschte Vorspannkraft nicht erzielt. Für die Verschraubung von Aufnehmern ist eine bestimmte Festigkeitsklasse empfohlen — diese sollte weder unter- noch überschritten werden.

Bei Aufnehmern und Anbauteilen aus Aluminium unter Verwendung von Stahlschrauben muss beachtet werden, dass die Gewinde im Aluminium gefährdeter sind als die Stahlschrauben und eher ausreißen. Hier sind unbedingt die Herstellerempfehlungen zu berücksichtigen und in der Regel höchstens Schrauben der Festigkeitsklasse 8.8 zu verwenden!

Die Schraubenlänge muss entsprechend der erwarteten Belastung und dem Mutternwerkstoff gewählt werden. Empfohlene Einschraubtiefen sollten nicht unterschritten werden. Insbesondere ist darauf zu achten, dass bei Gewindesacklöchern im Aufnehmer die Anschlusskonstruktion und die Schraubenlänge so ausgeführt ist, dass die Schraube nicht auf dem Gewindegrund aufsitzt, da dann die benötigte Vorspannkraft nicht erreicht werden kann.

Dehnschrauben

Dehnschrauben weisen bei gleicher Vorspannkraft eine größere elastische Längenänderung auf, als Starrschrauben. Durch die Elastizität wirken sich zusätzliche Belastungen durch dynamische Anteile in der Schraubenvorspannung geringer aus. Dehnschrauben sind deshalb bei dynamischem Einsatz zu empfehlen. In statischem Einsatz bieten sie in der Regel keine Vorteile.

Beim Einsatz von Dehnschrauben ist darauf zu achten, dass diese bei gleichem Nenngewinde­durchmesser mit geringerem Anzugsmoment zu verschrauben sind.

Flanschverschraubungen

Um einen Verzug von Bauteilen mit Flanschverbindungen zu vermeiden, empfehlen wir das Anziehen der Schrauben nach folgendem Ablauf:

  • Leichtes Andrehen aller Schrauben der Flanschverbindung von Hand
  • Drehmomentgesteuertes Anziehen der Schrauben in 3-4 gleichmäßigen Stufen (z.B. Stufe 1: 30 N·m, Stufe 2: 60 N·m, Stufe 3: 90 N·m).
  • Die Schrauben möglichst kreuzweise anziehen bzw. einen möglichst großen und regelmäßigen Abstand zwischen zwei aufeinander folgenden Schrauben wählen.
  • Nach Erreichen des gewünschten Anzugmomentes alle Schrauben nochmals reihum kontrollieren.

Um die messtechnischen Eigenschaften zu gewährleisten, müssen die Flanschverbindungen der Aufnehmer immer mit der vorgesehenen Schraubenanzahl verschraubt werden. Auch wenn festigkeitsmäßig eine geringere Schraubenanzahl ausreichend erscheint, müssen alle Flanschbohrungen ordnungsgemäß mit Schrauben belegt sein.

Reinigen und Fetten

Gewinde und Schraubenkopfauflagen müssen immer frei von Verunreinigungen sein, um möglichst optimale Reibverhältnisse zu gewährleisten und die höchste Vorspannkraft zu erreichen. Lackierungen und nichttragfähige Beschichtungen unter dem Schraubenkopf sind zu entfernen.

Die Gewindegänge der Schrauben können beispielsweise mit etwas Kupferpaste bestrichen werden, um die Reibverhältnisse im Gewinde nochmals zu verbessern. Die Krafteinleitungsflächen an den Aufnehmern und die Schraubenkopfauflagen dürfen jedoch nicht benetzt werden, um hystereseverursachende Gleitvorgänge zu vermeiden!

Anzugsverfahren

Drehmomentgesteuertes Anzugsverfahren

Für allgemeine Belastungsfälle ist das drehmomentgesteuerte Anzugsverfahren das kostengünstigste und zeitsparendste Verfahren, was auf einfache Art und Weise mit einem Drehmomentschlüssel durchgeführt werden kann. Hierbei wird durch das überwachte Einleiten des Drehmomentes in die Schraubenachse eine Montagevorspannkraft erzeugt, die sich in Abhängigkeit der anliegenden Reibverhältnisse zwischen Kopfauflage und im Eingriff stehenden Gewindeflanken ergibt.

Die in den Schrauben erzielte Vorspannkraft streut bei diesem Verfahren je nach Reibverhältnissen um etwa ±15%. Die Schrauben werden bis zu etwa 75% der Mindeststreckgrenze des Schraubenwerkstoffes ausgelastet.

Bei der Wahl des Montagemomentes bei diesem Verfahren ist eine Orientierung an der Richtlinie „VDI 2230“ zu empfehlen, worin eine mittlere Gesamtreibungszahl von µ=0,12 angesetzt wird.

Streckgrenzengesteuertes Anzugsverfahren

Um die Schrauben im Sinne höherer Vorspannkräfte besser auszulasten, um die Streuungen des drehmomentgesteuerten Anziehens zu minimieren oder um gegebenenfalls Dauerfestigkeitsvorteile in dynamischen Beanspruchungen zu erzielen, kann das streckgrenzengesteuerte Anzugsverfahren Vorteile bieten. Dabei werden die Schrauben bis hin zum Fließbeginn im plastischen Bereich ausgenutzt, was durch Überwachung des Drehmoment/Drehwinkel-Verhältnisses erkannt werden kann. Hierzu sind besondere Werkzeuge, beispielsweise Drehmomentschlüssel mit Drehwinkelmessung, notwendig. Die plastische Verlängerung ist bei diesem Verfahren minimal, so dass eine Wiederverwendbarkeit der Schraube kaum beeinträchtigt wird.

Da der Dehnungsbereich der plastischen Verformung bei einer zähen Schraube deutlich größer ist als der elastische Dehnungsbereich, streuen die Vorspannkräfte bei diesem Anzugsverfahren in der Regel weniger als beim drehmomentgesteuerten Anzugsverfahren.

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