Häufige Konstruktionsfehler und wie Sie sie vermeiden #3

Dies ist eine Fortsetzung meines Blogs über häufige Konstruktionsfehler.

Schraubverbindung

Schraubverbindung

 

Fehler #3:
Schrauben auf Biegung belasten

Warum versagen Schraubenverbindungen?

Allgemein für die unterschiedlichsten Normen gilt:

Der Festigkeitsnachweis eines Bauteils gliedert sich in zwei Schritte:

  1. Statischer Nachweis:
    Betrachtung der maximalen Spannungen
  2. Dynamischer Nachweis:
    Betrachtung der Spannungsänderungen (Spannungsamplituden) bei Lastwechseln.

Maximale Spannung und Spannungsamplituden werden mit jeweils zulässigen Werten verglichen.

Statisch ergibt sich der zulässige Spannungswert aus der Dehngrenze oder der Zugfestigkeit, multipliziert mit einem Abminderungsfaktor.

Dynamisch ist der Vergleichswert die zulässige Spannungsamplitude, z.B. die Biegewechselfestigkeit, multipliziert mit einem Abminderungsfaktor.

Schraubenverbindungen versagen statisch, wenn die Kraft zu einer Überschreitung der statischen Spannung führt. Dies ist der Fall, wenn z.B. die Schraube zu stark angezogen wird oder die Belastung zu hoch für die Schraube ist.

Dynamisch versagt eine Schraube, wenn die Spannungsamplitude zu hoch wird.
Eine Faustformel ist hier, dass die Spannungsamplitude kleiner als 40 N/mm² sein soll.

Oft zeigt sich eine falsche Schraubenauslegung erst nach einer gewissen Betriebszeit durch Schraubenbrüche.

Eine Ursache für Schraubenbrüche kann sein, dass die Schraube zu schwach für die wirkenden Lasten ausgelegt wurde. Häufiger ist aber die Grund für Schraubenbrüche, dass die Vorspannkraft geringer geworden ist. Dadurch steigen die Spannungsamplituden.

Ursachen hierfür können u.a. sein:

  • Setzen der Schraube
  • Losdrehen
  • Kriechen
  • Zu kleine Klemmlänge
  • Vibrationen
  • Temperaturänderungen

Die einzelnen Punkte sind in einschlägigen Normen beschrieben und es werden hier auch Lösungen vorgeschlagen. Grundlegende Betrachtungen zu Schraubverbindungen finden Sie z.B. unter http://www.schrauben-lexikon.de/td3-werkstoffe-stahl.asp

Folgender Konstruktionsfehler begegnet mir aber häufig bei Schadensfällen:

Die Schraubverbindungen ist zwar normgerecht auf Zug- und Querkräfte ausgelegt, wird aber aufgrund der Konstruktion durch Biegung zusätzlich belastet.

Diese zusätzlichen Biegespannungen werden aber nicht berücksichtig.

Das folgende Bild soll diesen Fall verdeutlichen:

Schraubverbindungen mit und ohne Biegung

Schraubverbindungen mit und ohne Biegung

Ist der Flansch sehr steif, sieht die Schraube kaum Biegung, je dünner aber die Flansche werden, umso höher werden aber die Biegespannungen.

Üblicherweise legt man eine Schraubverbindung so aus, dass die reine Vorspannkraft zu einer Spannung von 70% – 90% der Dehngrenze führt.

Legt man eine Schraube der Festigkeitsklasse 8.8 zugrunde, beträgt die Dehngrenze etwa 640 N/mm².

Verbiegen sich aber die Flansche, ist die Dehngrenze durch die zusätzliche Biegespannung bei der üblichen Auslegung, welche nur die Normalkraft der Schraube betrachtet, schnell überschritten. Die Schraube verformt sich bei ein- oder mehrmaliger Belastung plastisch, die Vorspannung fällt ab und die Schraube sieht aufgrund der verringerten Vorspannkraft höhere Spannungsamplituden. Bei wechselnder Belastung ist somit sehr schnell die Zeitfestigkeit erreicht und die Schraube bricht.

Diese Effekte werden erst bei einer genaueren Betrachtung z.B. einer Finite-Elemente-Analyse sichtbar. Wenn dies im Rahmen einer Schadensanalyse betrachtet wird, ist es allerdings zu spät L

Für genormte Flanschverbindungen kann oftmals bei einer genaueren Betrachtung aller relevanten Effekte der Festigkeitsnachweis nicht geführt werden. Warum hier in Realität weniger Probleme auftreten, liegt an den üblicherweise nur geringen Lastspielzahlen.

Nimmt man aber dieses Konstruktionsprinzip für dynamisch hochbelastete Bauteile, z.B. einem Pumpendeckel, erlebt man oft unliebsame Überraschungen.

Es gilt nach wie vor das Prinzip, das Schrauben nicht auf Biegung belastet werden sollten.

Falls dies konstruktionsbedingt nicht anders möglich ist, sollte man sich die Spannungen z.B. über eine FEM-Berechnung genauer anschauen.

 

Ich freue mich auf Ihr Feedback 🙂

Stefan Merkle

PS: In dem nachstehenden Video sehen Sie die FEM-Simulation einer Schraubverbindung, bei der keine Biegung auftritt, da die Flansche aufeinander liegen.

➞ Jetzt Teil 4 des Artikels lesen

 

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