Fast alle technischen Produkte unterschiedlicher Komplexität verwenden GewindeVerbindungselemente. Ein wesentlicher Vorteil von Schraubverbindungen gegenüber den meisten anderen Verbindungsmethoden besteht darin, dass sie demontiert und wiederverwendet werden können.
Dieses Merkmal ist in der Regel der Grund dafür, dass Schraubverbindungen anderen Verbindungsmethoden vorgezogen werden, und sie spielen oft eine entscheidende Rolle bei der Aufrechterhaltung der strukturellen Integrität von Produkten.
Sie stellen jedoch auch eine erhebliche Problemquelle in Maschinen und anderen Komponenten dar. Die Ursache dieser Probleme liegt in ihrem -Selbstlockerungsmechanismus. Dieser Selbstlockerungsmechanismus ist seit langem ein Problem, und in den letzten 150 Jahren haben Designer Methoden entwickelt, um dieses Phänomen zu verhindern.
Viele gängige Arten von Sicherungsmethoden für Gewindebefestigungen wurden vor mehr als 100 Jahren erfunden, doch erst in den letzten Jahren wurden die Hauptmechanismen, die zur Selbstlockerung führen, verstanden. Es gibt viele Mechanismen, die dazu führen können, dass sich Schraubverbindungen lösen. Diese können in rotierendes Lösen und nicht{3}}drehendes Lösen unterteilt werden.
Rotationslockerung und nicht-Rotationslockerung
In den allermeisten Anwendungen werden Schraubverbindungen angezogen und eine Vorspannung auf die Verbindung ausgeübt. Unter Lösen kann der nachträgliche Verlust der Vorspannung nach Abschluss des Anzugsvorgangs verstanden werden. Dies kann auf zwei Arten geschehen:
Rotationslockerung, allgemein als Selbstlockerung bezeichnet, bezieht sich auf die Drehung des Befestigungselements unter der Einwirkung äußerer Lasten.
Nicht-Rotationslockerung bezieht sich auf den Verlust der Vorspannung ohne relative Bewegung zwischen Innen- und Außengewinde.
Lockerung des Befestigungselements durch nicht-Rotationslockerung
Aufgrund der Verformung des Befestigungselements selbst oder der verbundenen Komponenten nach der Montage kann es zu einer Lockerung ohne Rotation kommen. Dies ist das Ergebnis eines teilweisen plastischen Zusammenbruchs dieser Grenzflächen.
Vergrößerte Ansicht des rauen Oberflächenkontakts
Wenn zwei Flächen miteinander in Kontakt stehen, trägt jede Fläche die tragende Flächenlast. Da die tatsächliche Kontaktfläche viel kleiner ist als die Oberfläche, treten auch bei moderaten Belastungen kontinuierlich sehr hohe lokale Spannungen auf, die die Streckgrenze des Materials übersteigen.
Dies kann dazu führen, dass die Oberfläche nach Abschluss des Spannvorgangs teilweise zusammenbricht; Dieser Zusammenbruch wird üblicherweise als Einbettung bezeichnet.
Die Menge an Klemmkraft, die durch das Einbetten verloren geht, hängt von der Steifigkeit der Schraube und der verbundenen Komponenten, der Anzahl der in der Verbindung vorhandenen Kontaktflächen, der Oberflächenrauheit und der aufgebrachten Auflageflächenspannung ab.
Bei mäßiger Oberflächenbeanspruchung führt die Einbettung innerhalb der ersten Sekunden nach dem Festziehen der Verbindung normalerweise zu einem Klemmkraftverlust von etwa 1 % bis 5 %. Wenn das Gelenk anschließend dynamischen Belastungen ausgesetzt wird, kann die Klemmkraft aufgrund von Druckänderungen an der Gelenkkontaktfläche weiter abnehmen.
Wenn die Oberflächenbelastung unterhalb der Druckstreckgrenze des verbundenen Komponentenmaterials gehalten wird, kann der Betrag des Einbettungsverlusts berechnet und bei der Verbindungskonstruktion ausgeglichen werden.
Junkers Theorie der Selbst-lockerung von Verbindungselementen
1969 stützte Gerhard Junker die Ergebnisse ingenieurwissenschaftlicher Versuche zur Untermauerung seiner Theorie, warum sich Schraubverbindungen automatisch lösen. Seine wichtigste Erkenntnis war, dass sich das vorgespannte Befestigungselement aufgrund der Drehung lockert, sobald eine Relativbewegung zwischen den Gegengewinden und zwischen der Auflagefläche des Befestigungselements und dem Klemmmaterial auftritt.
Es wurde außerdem festgestellt, dass querdynamische Belastungen stärkere Lockerungen hervorrufen als axialdynamische Belastungen. Der Grund liegt darin, dass die Radialbewegung bei Axiallasten deutlich kleiner ist als bei Querlasten.
Querbewegung von Schraubverbindungen
Junker zeigte, dass sich ein vorgespanntes Befestigungselement selbst -löst, wenn eine relative Bewegung zwischen den Gegengewinden und der Auflagefläche des Befestigungselements auftritt. Dies geschieht, wenn die auf das Gelenk wirkende Querkraft größer ist als die durch die Bolzenvorspannung erzeugte Reibungskraft.
Bei kleinen Querverschiebungen kann es zu Relativbewegungen zwischen den Gewindeflanken und den Lagerkontaktflächen kommen. Sobald das Gewindespiel überwunden ist, wird die Schraube Biegekräften ausgesetzt und bei anhaltendem Quergleiten kommt es zu einem Gleiten an der Auflagefläche unter dem Schraubenkopf.
Nach dem Start entsteht vorübergehend keine Reibung am Gewinde und unter dem Schraubenkopf. Das selbstlösende Drehmoment, das durch die auf den Gewindeschrägungswinkel wirkende Vorspannung erzeugt wird, bewirkt eine entsprechende Drehung zwischen Mutter und Schraube. Bei wiederholten Querbewegungen kann dieser Mechanismus dazu führen, dass sich die Verbindung vollständig löst.
Um die Ursachen von Lockerungen zu untersuchen, hat Junker eine Prüfmaschine entwickelt, wie in der Abbildung unten dargestellt, die die Anti-Lockerungswirksamkeit von Verbindungskonstruktionen quantifiziert.
Prüfmaschine für Verbindungselemente von Junker
Kugellager werden verwendet, um den Reibungseffekt zwischen der beweglichen und der festen Platte zu beseitigen. Wenn von der beweglichen Platte, die die Mutter festklemmt, eine Querbewegung ausgeübt wird, überwacht die Kraftmessdose kontinuierlich die Schraubenlast.
Im Vergleich zu herkömmlichen Vibrationsteststandards kann der Verlust der Vorspannung während des Tests gemessen und ein Diagramm der Vorspannung im Verhältnis zur Zyklenzahl erstellt werden.
Das Prinzip der Junker-Maschine besteht darin, dass die durch die Nocke erzeugte Querverschiebung das Befestigungselement in Schwingung versetzt und dabei die Reibungskraft des Befestigungselements überwindet, um eine Lockerung herbeizuführen.
Screenshot der Junker-Prüfmaschine
Junker-Vibrationstest-Lockerungskurve
Mithilfe von Junker-Tests kann die Leistung verschiedener Konstruktionen gegen Lösen von Verbindungselementen verglichen werden. In den letzten zwei Jahrzehnten wurde eine große Anzahl von Studien zu vorhandenen Lockerungsschutzkonstruktionen für Verbindungselemente durchgeführt, um deren Lockerungsschutzeigenschaften zu vergleichen.
Für einen effektiven Vergleich ist es entscheidend, die gleiche Schwingungsamplitude zu verwenden, da dies einen erheblichen Einfluss auf die Ergebnisse hat. Die folgende Abbildung zeigt ein typisches Testergebnis einer Federscheibe.
Der Test zeigte, dass das Anbringen einer Schraubenfederscheibe unter dem Schraubenkopf das Lösen tatsächlich beschleunigte. Andere haben auch nachgewiesen, dass die Verwendung solcher Unterlegscheiben eine ähnliche Leistung erbringt wie die Verwendung von Schrauben ohne Sicherungsvorrichtung.
Viele große OEMs sind sich dieser Erkenntnisse bewusst und spezifizieren solche Unterlegscheiben nicht mehr in ihren internen Standards.
Viele Sicherungsvorrichtungen für Gewindebefestigungen basieren darauf, eine relative Bewegung zwischen den Gewinden (z. B. Nylon-Sicherungsmuttern) oder eine relative Bewegung zwischen der Lagerfläche und den verbundenen Komponenten (z. B. verschiedene Arten von „Sicherungs“-Unterlegscheiben) zu verhindern.
Allerdings haben sowohl Junker als auch andere nachfolgende Forscher darauf hingewiesen, wie wichtig es ist, Querbewegungen der Verbindung zu verhindern: Eine geeignete Schraubenverbindungskonstruktion sorgt dafür, dass die Klemmkraft der Schraube ausreicht, um Querbewegungen durch die Reibung der Verbindungslaschen zu verhindern und so ein Lösen zu vermeiden.
Während der Entwurfsphase kann dies erreicht werden, indem die geeignete Größe und Festigkeit des Befestigungselements ausgewählt wird, sodass die Vorspannung ausreichend Reibung erzeugen kann, um Gelenkbewegungen aufgrund äußerer Lasten standzuhalten.
Scheiß auf Juns Fazit
Die Hauptursache für das Lösen von Gewindebefestigungen ist die Gelenkbewegung, insbesondere das Querverschieben des GewindesSchraubengewindeund Lagerflächen. Wenn vom Bolzen eine ausreichende Vorspannung erzeugt werden kann, um eine Gelenkbewegung zu verhindern, ist keine Verriegelungsvorrichtung erforderlich, da die Teile durch Reibung zusammengehalten werden.
Das Hauptproblem bei der Konstruktion von Gewindebefestigungen besteht darin, sicherzustellen, dass die Vorspannung ausreicht, um die Teile fest zusammenzuhalten, auch wenn sich die Reibungsbedingungen ändern.
Dieses Diagramm zeigt die Auswirkung von Reibungsänderungen auf die Schraubenvorspannung.
Der Schlüssel zur Verhinderung von Lockerungen liegt in der Bereitstellung einer ausreichenden Schraubenvorspannung
Im Allgemeinen sollten Verbindungen auf der Grundlage der minimalen Vorspannung konstruiert werden, die bei maximalem Reibungskoeffizienten erzeugt wird; Die Verwendung des durchschnittlichen Vorspannungswerts führt bei vielen zur LockerungSchrauben.
Gleichzeitig ist auch der Vorspannungsverlust durch Einbettung zu berücksichtigen. Um das Ausmaß der Einbettung zu begrenzen, muss sichergestellt werden, dass der maximale Spannungsbereich gewährleistet ist, dem das eingespannte Material standhalten kann.
In Fällen, in denen eine Gelenkbewegung nicht verhindert werden kann, beispielsweise bei thermischer Ausdehnung, sollte eine Verriegelungsvorrichtung mit nachgewiesener Leistungsfähigkeit angegeben werden.
