Mechanische Geräte und Stahlkonstruktionen werden aus verschiedenen Komponenten zusammengesetzt, die größtenteils durch Schraubverbindungen fest verbunden sind. Ein Versagen von Gewindebefestigungen führt direkt zu einer Fehlfunktion der Anlage. In schweren Fällen kann es zum Ausfall der Anlage, zum Einsturz der Struktur und sogar zu Unfällen mit Personenschäden kommen.

Angesichts der hohen Häufigkeit und der schwerwiegenden Gefahren von Verbindungsfehlern müssen Techniker die auslösenden Faktoren systematisch analysieren und gezielte Korrektur- und Präventionsmaßnahmen formulieren, um Verbindungsfehler grundsätzlich zu beseitigen.

Versagen von Verbindungselementen wird hauptsächlich in zwei Kategorien unterteilt. Die erste Kategorie ist der Bolzenbruch, der eine sofortige Trennung verbundener Strukturen zur Folge hat und in der Regel schwere Gerätefehler und Sicherheitsunfälle zur Folge hat. Die zweite Kategorie umfasst das Lösen von Fadenpaaren und das Durchrutschen von FadenpaarenSchrauben oder MutternDies führt zu einer geringfügigen relativen Verschiebung zwischen verbundenen Teilen und führt zu teilweisen Fehlfunktionen der Ausrüstung und einer verringerten Betriebsgenauigkeit.

Das Versagen von Verbindungselementen ist ein fortschreitender Prozess. Kleinere Lockerungen ohne rechtzeitige Behandlung verschlimmern sich weiter und führen schließlich zum vollständigen Lösen von Schrauben und Muttern, was zu schweren Sicherheitsunfällen führen kann. In praktischen Anwendungen missverstehen die meisten Mitarbeiter, dass Bolzenbrüche ausschließlich durch Materialfehler und das Lösen von Muttern durch schlechte Mutternqualität verursacht werden, während Kernprobleme wie unangemessene strukturelle Konstruktion und nicht-standardisierte Montageprozesse ignoriert werden. In diesem Artikel werden die Ursachen verschiedener Bolzenbrüche aus Konstruktions- und Montageperspektive systematisch analysiert.

1 Scherbruch

Schraubenscherbrüche treten meist bei Schraubverbindungen unter reiner Vorspannung auf. Die Scherbruchfläche befindet sich an der Verbindungsstelle zweier verbundener Teile und weist einen kleinen, glatten und hellen Scherbereich auf. Die spezifischen Fehlerursachen werden wie folgt zusammengefasst.

1.1 Designursachen

(1) Ein unzureichender Reibungskoeffizient an der Verbindungsschnittstelle oder falsch ausgewählte Schraubenspezifikationen führen zu einer unzureichenden Vorspannung. Wenn die Reibungskraft an der Verbindungsfläche geringer ist als die Querarbeitslast, ausgedrückt durch die Formel fF′＜F (wobei f der Grenzflächenreibungskoeffizient, F′ die Schraubenvorspannung und F die Querarbeitslast ist), tritt relativer Schlupf zwischen verbundenen Komponenten auf. Der Bolzenschaft ist der Extrusions- und Scherkraft der Lochwand ausgesetzt. Sobald die Scherspannung die Scherfestigkeit des Schraubenmaterials übersteigt, kommt es zum Scherbruch. Bewegliche Bauteile unter Stoßbelastungen sind anfälliger für einen solchen Ausfall. Beim Tragwerksentwurf können lastmindernde Teile und Positionierungsschultern zur Aufnahme von Querlasten eingesetzt werden, so dass Schrauben nur eine Zugverbindung ohne Aufnahme von Scherkräften eingehen.

(2) Verbindungselemente ohne Lockerungsschutz werden unter vibrierenden Arbeitsbedingungen eingesetzt. Langfristige Gerätevibrationen lockern das Gewindepaar und verringern die Schraubenvorspannung, was zu unzureichender Grenzflächenreibung und weiterem Verrutschen der Komponenten und Scherbruch der Schraube führt. Für Strukturen, die in Vibrationsumgebungen eingesetzt werden, sollten spezielle, sich lösende Befestigungselemente wie Spiralock-Muttern und Sicherungsmuttern mit vorherrschendem Drehmoment eingesetzt werden, um ein Versagen durch Lösen zu verhindern.

1.2 Montageursachen

Ein unzureichendes Anzugsdrehmoment der Baugruppe führt zu einer unzureichenden Schraubenvorspannung und unzureichender Schnittstellenreibung. Äußere Belastungen verursachen ein relatives Verrutschen der Komponenten und führen schließlich zu einem Scherbruch der Schraube. Das Schraubenanzugsdrehmoment ist ein kritischer Prozessindikator im Stahlkonstruktionsbau und in der Motorenmontage und erfordert eine strenge Kontrolle. Allerdings wird es in anderen Branchen aufgrund des Fehlens eines standardisierten Drehmomentmanagements oft vernachlässigt. In praktischen Fehlerfällen werden die meisten Gewindelockerungs- und -bruchfehler durch ein falsches Montagedrehmoment verursacht.

Die Spannkraft eines Gewindepaares wird durch rotierende Muttern oder Schrauben erzeugt und steht im positiven Zusammenhang mit dem Montagedrehmoment. Um sicherzustellen, dass die Vorspannung den Designanforderungen entspricht, muss das Montagedrehmoment in den Prozessdokumenten klar spezifiziert und im Betrieb strikt umgesetzt werden. Die Formel zur Berechnung des Montagedrehmoments lautet wie folgt:

M=KPD

Wobei: M - Montagedrehmoment (Nm); K - Drehmomentkoeffizient; P - Bestimmte Vorspannung (kN); D - Nennbolzendurchmesser (mm).

Bei der konventionellen Konstruktion wird die Schraubenvorspannung auf 60 % bis 80 % der Materialstreckgrenze eingestellt, mit einem Sicherheitsfaktor über 1,2. Die Streckgrenze von Schrauben mit unterschiedlichen Spezifikationen und Festigkeitsklassen kann auf GB/T 3098.1 verwiesen werden.

Der Drehmomentkoeffizient wird durch den Reibungskoeffizienten der Gewindepaare und der Kontaktfläche zwischen ihnen bestimmtVerbindungselementeund verbundene Teile. Sie wird durch die Oberflächenbehandlung, die Festigkeitsgenauigkeit, die geometrische Toleranz, die Gewindegenauigkeit, die Rauheit der Auflagefläche und die strukturelle Steifigkeit beeinflusst. Der dominierende Faktor ist die Oberflächenbehandlung. Unterschiedliche Oberflächenbehandlungen führen zu großen Unterschieden im Drehmomentkoeffizienten, bis hin zu fast dem Doppelten. Für Gewindepaare mit der gleichen Spezifikation und Festigkeit beträgt der Drehmomentkoeffizient der Phosphatierungsbehandlung etwa 0,13 bis 0,15, während der Drehmomentkoeffizient der Schwärzungsbehandlung zwischen 0,26 und 0,30 liegt.

Daher erzeugen Verbindungselemente mit Phosphatierungs- und Schwärzungsbehandlungen bei gleichem Montagedrehmoment einen nahezu doppelten Vorspannungsunterschied. Der Drehmomentkoeffizient muss durch Experimente kalibriert werden. Hersteller von Verbindungselementen müssen die Oberflächenbehandlungsprozesse streng kontrollieren, um konsistente Drehmomentkoeffizienten jeder Charge sicherzustellen. Benutzer dürfen die Anforderungen an die Oberflächenbehandlung nicht willkürlich ändern, um eine unzureichende Vorspannung, eine Dehnung der Schraube oder einen Bruch aufgrund von Schwankungen des Drehmomentkoeffizienten zu vermeiden.

2 Ermüdungsbruch

Ermüdungsbruch ist eine der häufigsten Arten von Bolzenversagen. Die meisten Ermüdungsausfälle sind auf Herstellungsfehler zurückzuführen, darunter unebene Übergangsrundungen unter den Schraubenköpfen, unzureichender Gewindegrundrundungsradius, Oberflächenkratzer und Materialeinschlüsse. Mittlerweile ist auch eine nicht standardmäßige Montage ein wichtiger Auslöser für Ermüdungsbrüche und mögliche Sicherheitsunfälle.

Am Beispiel von Kfz-Radschrauben ermöglicht die konstruktive Gestaltung, dass Radschrauben nur eine axiale Vorspannung ohne direkte radiale Belastung aufnehmen können. Ein unzureichendes Montagedrehmoment führt zu unzureichender Vorspannung und unzureichender Reibung zwischen Radnabe und Halbwelle, was zu relativem Schlupf während des Fahrzeugbetriebs führt.

Während der Raddrehung mit hoher-Geschwindigkeit dreht sich die Schraube periodisch mit der Nabe. Der Bolzenschaft ist einer abwechselnden Extrusionskraft von beiden Seiten der Lochwand ausgesetzt, was zu hochfrequenten zyklischen Radiallasten führt. Langfristige zyklische Belastungen initiieren und erweitern Ermüdungsrisse, was schließlich zu Bolzenermüdungsbrüchen führt.

Wenn es nach dem Fahrzeugbetrieb zu einem Bruch der Radschraube kommt, müssen die Prüfer zunächst die Bruchmorphologie beobachten, um das Ermüdungsversagen vorläufig zu beurteilen, bevor sie eine weitere eingehende Analyse durchführen.

3 Überlastungsfraktur

Unter Überlastbruch versteht man einen Zugbruch, wenn die gesamte axiale Belastung den zulässigen Grenzwert des Schraubenmaterials überschreitet. Da die effektive Auflagefläche des Gewindeabschnitts kleiner ist als die des glatten Schafts mit stärkerer Spannungskonzentration, kommt es meist am Gewindeabschnitt zu Überlastungsbrüchen, die vorab anhand der Bruchmorphologie identifiziert werden können.

Schrauben der Güteklasse 8.8 zeigen nach Überlastungsbruch eine deutliche Einschnürung; Schrauben der Güteklasse 10.9 weisen eine leichte Einschnürung auf; Hochfeste Schrauben der Güteklasse 12.9 weisen unter normalen Überlastbedingungen grundsätzlich keine Einschnürungserscheinungen auf.

Offensichtliche Einschnürungen können auch bei Schrauben der Güteklasse 8.8 bis 12.9 auftreten, wenn ungeeignete Materialien, unzureichende Wärmebehandlung, unvollständiges Abschrecken oder unzureichende Kernhärte vorliegen. Daher werden die Beurteilungskriterien für Überlastungsfrakturen wie folgt festgelegt:

(1) Bei Brüchen mit Einschnürung ist eine Probenprüfung gemäß GB/T 3098.1 durchzuführen. Ein Überlastungsbruch kann bestätigt werden, wenn die Kernhärte qualifiziert ist.

(2) Eine metallografische Analyse ist erforderlich fürHochfeste Schrauben der Güteklasse 12.9zur Bestimmung des Überlastbruchs, da Gewindeoberflächenfehler und Materialfehler ebenfalls zum Bruch des Gewindeabschnitts führen können und nicht nur anhand des Aussehens beurteilt werden können.

Überlastungsbrüche treten hauptsächlich bei Schraubenverbindungen unter axialer Belastung auf und haben drei Hauptursachen:

A. Ein zu hohes Montagedrehmoment führt dazu, dass die Vorspannung die Streckgrenze des Schraubenmaterials überschreitet, was zu einer Dehnung der Schraube oder einem Bruch während der Montage führt.

B. Zu hohe Montagevorspannung nahe der Streckgrenze der Schraube. Während des Gerätebetriebs trägt der Bolzen sowohl eine Restvorspannung als auch eine Arbeitslast. Die Überlagerung der beiden Belastungen, die die Materialfestigkeitsgrenze überschreiten, führt zum Überlastungsbruch. Bei konstanter Betriebslast führt eine höhere Vorspannung der Baugruppe zu einer höheren Restvorspannung und einem größeren Überlastungsrisiko.

C. Falsche Schraubenauswahl mit unzureichendem Nenngewindedurchmesser, wodurch die Lageranforderungen in der Strukturkonstruktion nicht erfüllt werden.

4-Schrauben-Bruch durch exzentrische Belastung der Montage

Ein Bolzenbruch aufgrund exzentrischer Belastung ist ein typischer Fehler im Montageprozess. Auf der Bolzenauflagefläche sind deutliche halbmondförmige Abnutzungsspuren zu erkennen, wobei die tatsächliche Auflagefläche nur 1/4 bis 1/3 der gesamten Auflagefläche ausmacht und die Spannungsverteilung stark ungleichmäßig ist. Der Bolzenschaft biegt sich in der Nähe des Bruchs entgegen der Spannungsrichtung und weist typische exzentrische Biege- und Brucheigenschaften auf.

Das Versagen von Schrauben durch exzentrische Belastung wird hauptsächlich durch zwei Faktoren verursacht:

Erstens ist die Kontaktauflagefläche der verbundenen Teile geneigt oder uneben, was zu einer lokalen Belastung der Teile führtSchraubenkopfund es entsteht eine exzentrische Belastung, die die Hauptursache für diesen Fehlerfall ist.

Zweitens verursachen übermäßige Geradheitsfehler oder Biegeverformungen des Schraubenschafts eine inhärente exzentrische Belastung während der Montage.

Die beiden Arten exzentrischer Lasten unterscheiden sich erheblich in der Spannungsposition und der Biegerichtung des Schafts, was durch Spannungsspuren der Auflagefläche und Richtung der Bolzenverformung unterschieden werden kann.

5 Fazit

Versagen von Verbindungselementen wie Bruch, Gewinderutschen und Lösen sind nicht immer auf inhärente Produktqualitätsmängel zurückzuführen. Sobald ein Befestigungsfehler auftritt, müssen standardisierte Fehlerbehebungsverfahren befolgt werden:

Konservieren Sie zunächst ausgefallene Proben vollständig und schützen Sie Bruchflächen vor Rost, Kollision und Sekundärschäden, um eine genaue Fehleranalyse zu gewährleisten.

Zweitens: Bestimmen Sie vorab die Art und Ursache des Versagens auf der Grundlage der Bruchmorphologie, des Aussehens der Probe, der Oberflächenspannungsspuren und der tatsächlichen Arbeitsbedingungen.

Drittens führen Sie professionelle physikalische und chemische Tests durch, einschließlich metallografischer Analysen und Härteerkennung. Wenn Material- und Wärmebehandlungsindikatoren den nationalen Standards entsprechen, ist der Fehler auf die Strukturkonstruktion oder den Montageprozess zurückzuführen; andernfalls wird es als Qualitätsmangel des Verbindungselements bestätigt.

Viertens: Formulieren Sie gezielte Korrektur- und Präventionsmaßnahmen entsprechend den bestätigten Fehlerursachen, standardisieren Sie Konstruktionsspezifikationen und optimieren Sie Montageprozesse, um die Wiederholung ähnlicher Fehler zu vermeiden.