Bei zugfesten Schraubverbindungen wird die Gesamtfestigkeit der Verbindung hauptsächlich durch die Tragfähigkeit der Schraube selbst bestimmt. Die Schraubenfestigkeit wird von mehreren Faktoren beeinflusst, darunter Materialeigenschaften, Strukturform, Dimensionsparameter, Herstellungsprozesse und Montagetechniken. Um die Tragfähigkeit, Ermüdungsbeständigkeit und Gesamtzuverlässigkeit von Schraubverbindungen effektiv zu verbessern, kann eine Festigkeitssteigerung durch Strukturoptimierung, Prozessverbesserung und Montagestandardisierung erreicht werden. In diesem Artikel werden die wichtigsten technischen Maßnahmen zur Verbesserung der Festigkeit von Schraubverbindungen systematisch vorgestellt.
01 Verbesserung der Lastverteilung zwischen den Gewindezähnen
Bei Verwendung normaler Standardmuttern wird die Axiallast ungleichmäßig auf jeden in Eingriff befindlichen Gewindegang verteilt. Ausgehend von der Auflagefläche der Mutter trägt das erste Gewinde den größten Teil der Last, und die Last nimmt bei den nachfolgenden Gewindegängen allmählich ab. Theoretische Analysen und experimentelle Überprüfungen zeigen, dass eine größere Anzahl im Eingriff befindlicher Gewindegänge zu stärkeren Lastungleichmäßigkeiten führt. Gewinde jenseits der 8. bis 10. Windung sind kaum noch belastbar. Daher kann eine einfache Erhöhung der Mutterndicke und der Gewindeeingriffsdrehungen die Festigkeit von Schraubverbindungen nicht verbessern.
Aufgehängte Spannmuttern können die Gewindelastverteilung deutlich verbessern. Der konische aufgehängte Abschnitt der Mutter und der Schraubenschaft unterliegen einer synchronen Zugverformung, wodurch der Steigungsverformungsunterschied zwischen ihnen verringert wirdMutter und SchraubeDadurch wird eine gleichmäßige Lastverteilung auf alle in Eingriff stehenden Gewindegänge erreicht. Ringnutmuttern funktionieren nach einem ähnlichen Prinzip und gleichen die Gewindespannung effektiv aus, verbessern die Effizienz des Gewindeeingriffs und erhöhen die Gesamtfestigkeit der Verbindung.
02 Zusätzliche Biegespannungen vermeiden und reduzieren
Bei der Konstruktion, Bearbeitung und Montage sind Schrauben anfällig für zusätzliche Biegebelastungen, die durch Konstruktionsfehler, Bearbeitungsabweichungen und nicht{0}}standardmäßige Installation verursacht werden. Zusätzliche Biegebeanspruchung verschlechtert die Ermüdungsfestigkeit der Schrauben erheblich und ist eine der Hauptursachen für Schraubenbrüche, die bei Konstruktions- und Montagepraktiken beseitigt werden müssen.
Wenn Schrauben auf unbearbeiteten, rauen Oberflächen von Guss- oder Schmiedeteilen montiert werden, können unebene Kontaktflächen leicht zu exzentrischer Belastung und Schraubenverbiegung führen. In technischen Anwendungen werden Vorsprünge und Senksitze üblicherweise durch Präzisionsschneiden verwendet, um flache Lagerflächen zu bilden. Dies gewährleistet eine vollflächige Passung, verhindert Montageexzentrizitäten und verhindert die Entstehung zusätzlicher Biegespannungen.
03 Reduzierung der strukturellen Spannungskonzentration
Gewindewurzeln und die Übergangszone zwischen Schraubenkopf und Schaft sind typische Spannungskonzentrationsbereiche und kritische Fehlerstellen. Unter diesen Bereichen hat die Spannungskonzentration an den Gewindewurzeln den größten Einfluss auf die Ermüdungsfestigkeit der Schraube. Die Optimierung der Strukturgeometrie zur Entlastung der Spannungskonzentration ist für die Erweiterung von entscheidender BedeutungBolzenErmüdungsleben.
Zu den gängigen Optimierungsmaßnahmen gehören die Vergrößerung des Kehlradius der Gewindewurzeln, um lokale Spannungsspitzen abzumildern, die Vergrößerung der Übergangskehle zwischen Schraubenkopf und Schaft sowie die Gestaltung von Spannungsentlastungsnuten und Entlastungskerben an Stellen mit hoher Spannung. Diese Methoden verteilen konzentrierte Spannungen, reduzieren Spitzenspannungswerte und verbessern die Bruchfestigkeit der Schraube.
04 Reduzierung der Belastungsamplitude zur Verbesserung der Ermüdungsleistung
Bei konstanter maximaler Arbeitsspannung führt eine kleinere Spannungsamplitude zu einer besseren Ermüdungsleistung und einer längeren Ermüdungslebensdauer. Bei konstanter Arbeitslast und Restvorspannung kann eine Verringerung der Schraubensteifigkeit oder eine Erhöhung der Steifigkeit verbundener Komponenten die Spannungsamplitude wirksam verringern und die Ermüdungsfestigkeit verbessern. In solchen Fällen sollte die Vorspannung entsprechend erhöht werden, um die Verbindungssicherheit zu gewährleisten.
Zu den gängigen Methoden zur Reduzierung der Schraubensteifigkeit gehören die Erhöhung der effektiven Schraubenlänge, die moderate Reduzierung des Durchmessers des glatten Schafts, die Verwendung hohler flexibler Schraubenstrukturen und die Installation elastischer Elemente unter der Mutter, um einen flexiblen Schraubeneffekt zu erzielen. Flexible Bolzen zeichnen sich durch ein großes Verformungsvermögen und eine hervorragende Energieabsorption aus und eignen sich daher für Arbeitsbedingungen mit Stoß- und Vibrationsbelastungen.
Um die Steifigkeit verbundener Komponenten zu verbessern, sollten verformbare Dichtungen mit geringer Steifigkeit vermieden werden, da die Kompression der Dichtung die Steifigkeitsunterschiede erhöht und die Spannungsamplitude der Schrauben erhöht. Für die Abdichtung von Verbindungen werden hochstabile Dichtungsringe bevorzugt, um die Gesamtsteifigkeit der Verbindung aufrechtzuerhalten und die Spannungsverteilung zu optimieren.
05 Optimierung der Schraubenherstellungsprozesse
Fertigungsprozesse bestimmen direkt die Oberflächenmikrostruktur, den Eigenspannungszustand und das Ermüdungsverhalten von Schrauben, insbesondere fürBolzen aus hochfestem-Stahl. Das Gewindewalzen führt zu einer Oberflächenverfestigung, bildet kontinuierliche und intakte Metallflusslinien und erzeugt eine vorteilhafte Druckeigenspannung auf der Gewindeoberfläche. Gerollte Gewinde weisen im Vergleich zu konventionell gedrehten Gewinden eine wesentlich höhere Dauerfestigkeit auf.
Darüber hinaus können Oberflächenverstärkungsbehandlungen wie Karbonitrieren, Nitrieren und Kugelstrahlen Oberflächenmikrostrukturen verfeinern, Oberflächenmikrodefekte beseitigen und eine gleichmäßige Restdruckspannung erzeugen. Diese Behandlungen hemmen die Entstehung und Ausbreitung von Ermüdungsrissen und verbessern die Ermüdungsfestigkeit und die allgemeine Tragfähigkeit von Schrauben erheblich.
