Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Beschreibung des Systemverhaltens bei der Montage von Schraubenverbindungen in Abhängigkeit geometrischer und tribologischer Größen

Es sollen Untersuchungen zum besseren Verständnis der tribologischen und konstruktiven Zusammenhänge beim Anziehen und Losdrehen einer Schraubenverbindung mit ihrer Auswirkung auf Reibungskoeffizient, Drehmoment und Vorspannkraft im Fokus stehen. Für die notwendigen Anziehdrehmomente und Vorspannkräfte muss der Zusammenhang zwischen den im Eingriff befindlichen Oberflächen in Abhängigkeit verschiedener Flächenpressungen und Reibungskoeffizienten untersucht werden. Diese Wissenserweiterung führt zu den weiteren Projektteilzielen (Bewertung der derzeitigen Messsysteme und -verfahren, Analyse der unterschiedlichen Einflüsse, Erweiterung der Auswerteverfahren, Entwicklung eines praxisnahen Messverfahrens unter Berücksichtigung der Ergebnisse und Verbesserung der Vergleichbarkeit durch den Anschluss an das nationale Normal).

Das Anziehverhalten bei Schraubenverbindungen soll genauer beschrieben werden und zu einem verlässlicheren Erreichen der erforderlichen Vorspannkraft führen. Die Sicherheit von Schraubenverbindungen würde in allen Branchen deutlich verbessert und das Versagensrisiko durch eine falsche Vorspannkraft verringert. Die verlässliche Ermittlung der notwendigen Vorspannkraft für eine Schraubenverbindung bedeutet gerade für KMU eine wesentliche Erhöhung der Sicherheit ihrer Bauteile und Produkte und auch eine Qualitätsverbesserung.

Die Ergebnisse stehen branchenübergreifend zur Verfügung. Die Arbeitskreise werden fortlaufend über die anfallenden Ergebnisse informiert. Neben dem ausführlichen Schlussbericht ist die Veröffentlichung in rezensierten Fachzeitschriften sowie durch Fachvorträge auf Tagungen geplant. Durch die Lehre und in der Durchführung von Weiterbildungsveranstaltungen ist eine Weitergabe der Ergebnisse gegeben. Der erweiterte Anziehprüfstand steht Firmen für Prüfungs- und Forschungszwecke zur Verfügung. Der von der PTB entwickelte Prüfstand zur kombinierten Kalibrierung von Drehmoment und Vorspannkraft steht auch der Industrie zur Verfügung.

Ergebniszusammenfassung:

Ein erhöhtes Verständnis zur Wechselwirkung der jeweiligen Einflussgrößen auf das Montageverhalten von Schraubenverbindungen innerhalb der Anziehprüfung erhöht die Zuverlässigkeit der Schraubenverbindung. Die standardisierte Anziehprüfung sollte an die real zu verschraubenden Bauteile so nah wie möglich angelehnt sein, um die Einflüsse auf die Nachgiebigkeit und vor allem auf die lokale Flächenpressung zu minimieren. Die maximale lokale Flächenpressung in der Kopfauflage der Schraubenverbindungen lässt sich anhand der Reibkontaktfläche abschätzen und unterscheidet sich für unterschiedliche Beschichtungsvarianten und Schraubenabmessung. Die Flächenpressung hat einen unmittelbaren Einfluss auf die Höhe der zu berechnenden Reibungszahl. Der Mehrkomponentensensor des Anziehprüfstandes des Instituts für Werkstoffkunde zeigt sowohl für M10 als auch M16 Schraubenverbindungen eine gute Vergleichbarkeit zwischen den vom Anziehprüfstand verarbeiteten Signalen zu den berechneten Signalen durch das Umrechnungs-Polynom. Hierdurch vereinfachten sich die weiterführenden Untersuchungen. Die Anwendung des Umrechnungs-Polynoms ist im unteren Lastbereich (M8 Schraubenverbindung) nicht zulässig. Die Ergebnisse am tribologischen Ersatzmodell sind mit den Ergebnissen am Anziehprüfstand vergleichbar. Wesentlichster Unterschied besteht in der Kontaktart der beiden Systeme, die maßgeblich den deformativen und adhäsiven Reibungsanteil bestimmen. Beim Stift-Scheibe-Ersatzmodell führt der Punktkontakt bei ausreichend hoher Flächenpressung zu einer furchenden Beanspruchung, die so beim Linienkontakt in der Kopfauflage der Schraube im Anziehprüfstand nicht auftritt. Der direkte Vergleich zeigt aber, dass die unterschiedlichen funktionalen Schichtsysteme sich annähernd gleich hinsichtlich der Reibungszahlen differenzieren lassen und zum Anziehprüfstand vergleichbare Tendenzen aufweisen. Die lokale Flächenpressung sollte für eine nachvollziehbare Ergebnisdarstellung mit angegeben werden.