Verhindern Sie die Selbstlockerung der Schraube, indem Sie für das richtige Drehmoment sorgen
Wie sich selbst lösende Schrauben schnell vom kleinen Ärgernis zum großen Problem entwickeln können.
Lose Schrauben können ein lästiges Übel sein, aber sie können auch zu ernsten und sogar katastrophalen Folgen führen.
Im Jahr 2012 wurden beispielsweise 432 Barrel synthetischer Bohrflüssigkeit in den Golf von Mexiko freigesetzt, als 4-Fuß-Schrauben an einer Bohrinsel versagten. Nach einer Untersuchung musste der Hersteller der Schrauben 10.000 bereits eingesetzte Schrauben ersetzen, und das Ölbohrunternehmen musste den Tiefseebetrieb unterbrechen.
„Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Schraubverbindungen entscheidet oft über die Gesamtzuverlässigkeit und -sicherheit von mechanischen und tragenden Systemen“, weiß Dr. Cheng Siong Phua, Vice President of Technology bei STANLEY® Engineered Fastenings Asia Pacific & Global Electronic Division.
Das Selbstlockern von Schrauben wird durch jede Art von dynamischer Belastung verursacht, wie z. B. Vibrationen oder Temperaturschwankungen, unzureichende Vorspannkraft und schlecht sitzende Teile, so dass Relativbewegungen das Risiko des Selbstlockerns erhöhen, heißt es in einem Artikel aus dem Jahr 2017 im Magazin Engineer Live. Die Summe dieser sehr kleinen Bewegungen führt schließlich zum Lösen der Verschraubung.
Laut Bolt Science, einem britischen Beratungs- und Schulungsunternehmen, ist die bei weitem häufigste Ursache für das Lösen ein seitliches Gleiten des Mutter- oder Schraubenkopfes relativ zur Verbindung, was zu einer relativen Bewegung in den Gewinden führt.
„Ein Lockerungsproblem weist auf eine unzureichende Vorspannung hin, die zu Bewegungen in der Verbindung führt“, sagt Bill Eccles, Gründer von Bolt Science und ein auf Verschraubungsprobleme spezialisierter Berater.
Die in den Gewinden auftretenden Relativbewegungen können auf drei häufige Probleme zurückgeführt werden: Biegung der Teile, unterschiedliche thermische Effekte und von außen auf eine Verbindung einwirkende Kräfte.
Die Sicherheit und Zuverlässigkeit von Schraubverbindungen entscheidet oft über die Gesamtzuverlässigkeit und -sicherheit von mechanischen und tragenden Systemen. – Dr. Cheng Siong PhuaVice President of Technology
STANLEY Engineered Fastening, Asia Pacific & Global Electronic Division
Eine Schlussfolgerung, über die sich die Experten einig sind: Vibrationen in einer auf Scherung belasteten Verbindung haben eine weitaus größere Wirkung als in einer nur auf Zug belasteten Verbindung. Wenn beispielsweise die Achse einer Schraube parallel zu einer noch so starken Vibration verläuft, kann dies über einen längeren Zeitraum zu einer Verringerung der Vorspannung von bis zu 40 % führen, was jedoch in der Regel nicht zu einem vollständigen Verlust der Vorspannung oder zum Verlust eines Befestigungselements führt. Andererseits können starke Querschwingungen, die senkrecht zur Achse der Schraube verlaufen, zu einem katastrophalen Versagen aller Vorspannungen führen, was auch häufig geschieht.
Es ist sogar möglich, dass eine bestimmte Art von Schwingung ein Verbindungselement manchmal festzieht, manchmal lockert und manchmal nichts davon tut, wenn Verbindungselemente weder einer reinen Quer- noch einer reinen Axialbewegung ausgesetzt sind, sondern einer Kombination. Dadurch entsteht so genannter Bogenschlupf.
So widersinnig es auch klingen mag: Ein Vorspannungsverlust kann auch dann auftreten, wenn sich das Verbindungselement nicht dreht und keine Relativbewegung zwischen dem Außen- und dem Innengewinde stattfindet. Das nennt man Entspannung. Eine Form der Entspannung – das Einbetten – tritt auf, wenn die Oberflächenrauheit abnimmt und die tatsächliche Kontaktfläche kleiner wird als die scheinbare Kontaktfläche in den Gewinden, an den Verbindungsflächen und unter der Mutternfläche.
Der anhaltende Trend zu leichteren, kleineren Produkten führt zu einer Zunahme der Vibrationen in einer Verbindung, so ein Artikel aus dem Jahr 2014 in der Zeitschrift Assembly. Diese beiden Trends können mitunter Hand in Hand gehen. Leichtere Materialien vibrieren beispielsweise stärker, während kleinere Befestigungselemente im Allgemeinen weniger Vibrationen aushalten. Infolgedessen sind Verbindungselemente in kleinen, leichten Produkten anfällig für eine Lockerung, es sei denn, es werden Konstruktionsoptionen in Betracht gezogen, um diesem Risiko zu begegnen.