Anzugsmethoden für Schraubverbindungen

Eine der größten Herausforderungen bei der Schraubmontage besteht darin, durch geeignete Anzugsmethoden eine genaue Vorspannung zu erreichen. Eine unzureichende Vorspannung aufgrund ungenauer Anziehvorgänge ist eine häufige Ursache für das Versagen von Schraubenverbindungen. Konstrukteure müssen mit den Prinzipien und Merkmalen der gängigen Schraubenanziehtechniken vertraut sein. In diesem Artikel werden sechs Hauptmethoden zur Steuerung der Schraubenvorspannung systematisch vorgestellt. Es ist zu beachten, dass unabhängig von der verwendeten Anzugsmethode eine gewisse Streuung der Vorspannung unvermeidlich ist, was zu den normalen Prozesseigenschaften gehört.

Sechs gängige Methoden werden häufig zur Steuerung der Vorspannung von Gewinden verwendetVerbindungselemente:Drehmomentgesteuertes Anziehen, winkelgesteuertes Anziehen, Streckgrenzengesteuertes Anziehen, Schraubendehnungsfestziehen, thermisches Anziehen und spannungsanzeigendes Anziehen.

1. Drehmomentgesteuertes Anziehen

Das drehmomentgesteuerte Anziehen ist die am häufigsten verwendete Methode zur Vorspannungsregelung in industriellen Anwendungen. Das für die Schraubenmontage erforderliche Nennanzugsdrehmoment kann aus Standard-Drehmomenttabellen entnommen oder anhand der Korrelation zwischen Anzugsdrehmoment und Schraubenvorspannung berechnet werden.

Beim Anziehen steht der Schraubenschaft sowohl einer axialen Zugspannung als auch einer Torsionsschubbeanspruchung gegenüber. Herkömmliche Drehmoment-Referenztabellen ignorieren im Allgemeinen die Torsionsspannung und gehen davon aus, dass 75 % der Gesamtspannung zur effektiven Axialspannung beitragen. Unter Bedingungen hoher Reibung nimmt die Torsionsspannung deutlich zu. Bei Überlagerung mit axialer Spannung kann die äquivalente Spannung die Streckgrenze des Materials überschreiten und zum Versagen der Schraube führen. Für eine höhere Genauigkeit wird der Prozess so gesteuert, dass die kombinierte äquivalente Spannung etwa 90 % der Streckgrenze erreicht, wodurch eine sichere und zuverlässige Montage durch ausgewogene axiale und torsionale Spannungskopplung gewährleistet wird.

Drehmomentdominierte selbstsichernde Verbindungselemente wie zNylon-Sicherungsmuttern und mechanische Sicherungsmuttern werden häufig in vibrationsanfälligen Situationen eingesetzt, um ein Lösen zu verhindern. Diese Befestigungselemente erhöhen die Torsionsspannung im Schraubenschaft beim Anziehen erheblich und verändern die Effizienz der Umwandlung von Drehmoment in Vorspannung. Daher müssen die Drehmomentwerte bei der Parametereinstellung entsprechend angepasst werden.

Die größte Einschränkung des drehmomentgesteuerten Anziehens besteht darin, dass 85 bis 95 % des aufgebrachten Drehmoments zur Überwindung der Gewinde- und Lagerflächenreibung aufgewendet werden. Geringe Schwankungen der Reibungsbedingungen können zu erheblichen Abweichungen der Vorspannung führen. Durch die Anwendung von Reibungsstabilisatoren auf Verbindungselementen kann die Reibungsverteilung verringert und die Anzugsgenauigkeit verbessert werden.

Standardmaßnahmen zur Verbesserung der Drehmoment-Anziehgenauigkeit werden wie folgt zusammengefasst:

1. Vermeiden Sie die Verwendung von Unterlegscheiben. Der relative Schlupf zwischen Unterlegscheiben und Kontaktflächen verändert den effektiven Reibungsradius und verzerrt die Beziehung zwischen Drehmoment und Vorspannung. Wenn zur Reduzierung der Flächenpressung eine größere Auflagefläche erforderlich ist, sind Flanschschrauben und Flanschmuttern zu bevorzugen.

2. Anzugsdrehmoment durch tatsächliche Kalibrierung ermitteln. Für die Anzugskalibrierung vor Ort unter realen Montagebedingungen können Dehnungsmessstreifen am Schraubenschaft angebracht werden. Unter Schraubenköpfen installierte Wägezellen dienen als Hilfsmessung, sind jedoch aufgrund veränderter Kontakteigenschaften weniger genau als Dehnungsmessstreifen.

3. Wenn keine experimentelle Kalibrierung verfügbar ist, berechnen Sie das Standard-Anziehdrehmoment umfassend auf der Grundlage der Bearbeitungstoleranz des Befestigungselements, der Mutternlagerabmessungen und der Eigenschaften des Sicherungsdrehmoments. Das von Bolt Science entwickelte professionelle Drehmomentberechnungsprogramm TORQUE kann eine genaue Berechnung durchführen.

4. Geben Sie in den Montagezeichnungen Anzugsdrehmomente mit einer Standardtoleranz von ±5 % an. Verwenden Sie für kritische Verbindungen kalibrierte Drehmomentschlüssel und führen Sie eine Drehmomentüberprüfung nach der Montage durch.

Unterschiedliche Anzugsmethoden führen zu unterschiedlichen Vorspannungsstreuungsniveaus, wobei die reine Drehmomentsteuerung relativ große Abweichungen aufweist.

2. Winkelgesteuertes Anziehen

Das winkelgesteuerte Anziehen, auch als Mutterdrehmethode bekannt, wurde kurz nach dem Zweiten Weltkrieg für die manuelle Montage eingeführt und ist jetzt mit Geräten zum maschinellen Anziehen kompatibel. Der Prozess zieht zunächst die Schraube mit einem Anzugsdrehmoment an und dreht dann die Mutter um einen vorgegebenen Winkel, um die Schraube teilweise plastisch zu verformen. Diese Methode reduziert wirksam die durch Streckgrenzentoleranzen verursachte Vorspannungsschwankung und sorgt für eine bessere Vorspannungskonsistenz als beim reinen Anziehen mit Drehmoment.

Zu den Hauptnachteilen zählen die Notwendigkeit einer experimentellen Kalibrierung der Anzugswinkel (keine universell anwendbaren Parameter) und die eingeschränkte Wiederverwendbarkeit. Wiederholtes Anziehen nach plastischer Verformung führt leicht zum Ermüdungsversagen der Befestigungselemente.

3. Streckgrenzengesteuertes Anziehen

Diese von SPS entwickelte und auch als Joint-Control-Methode bekannte Technik liefert eine der höchsten Vorspannungsgenauigkeiten. Es minimiert den Einfluss von Reibungskoeffizientenschwankungen und sorgt für eine äußerst gleichmäßige Schraubenvorspannung.

Diese Methode basiert auf der manuellen Beurteilung des Anzugsgefühls und verwendet ein hochpräzises elektronisches Steuerungssystem, um Drehmoment- und Drehwinkeldaten in Echtzeit zu erfassen. Durch die Überwachung der Steigungsänderung des Drehmomentgradienten ermittelt das System genau die Streckgrenze der Schraube und beendet das Anziehen sofort, um eine Überlastung zu vermeiden.

Trotz der verbesserten Stabilität kommt es aufgrund der Gewindereibung immer noch zu geringfügigen Streuungen der Vorspannung. Eine höhere Gewindereibung erhöht die Torsionsspannung und verringert die axiale Vorspannung bei gleicher Streckgrenze. Mit dieser Methode lässt sich die Schraubennachgiebigkeit unter der kombinierten Wirkung von Spannung und Torsion genau ermitteln.

Streckgrenzengesteuertes Anziehen wird häufig für kritische Komponenten wie zZylinderkopfschrauben und Pleuelschrauben sorgen für eine stabile hohe Vorspannung und ermöglichen eine optimierte Schraubendimensionierung. Allerdings schränken die hohen Kosten spezieller intelligenter Schraubwerkzeuge eine breite Anwendung ein. Eine zuverlässige, hochpräzise Vorspannung kann bei der Wartung vor Ort ohne entsprechende professionelle Ausrüstung nicht gewährleistet werden.

4. Schraubendehnung und Anziehen

Schrauben mit großem Durchmesser erfordern ein extrem hohes Anzugsdrehmoment, was für herkömmliche Werkzeuge schwierig ist. Bei Schrauben mit einem Durchmesser von mehr als 20 mm wird üblicherweise die hydraulische Dehnung als Ersatz für hydraulische Drehmomentschlüssel eingesetzt, um eine übermäßige Drehmomentreaktionskraft und begrenzten Arbeitsraum zu vermeiden.

Funktionsprinzip: Ein spezieller Hydraulikzylinder wird über der Mutter angebracht. Das Bolzen- oder Bolzengewinde erstreckt sich vollständig durch die Mutter und verbindet sich mit der Spannvorrichtung. Der hydraulische Druck dehnt den Bolzen axial, um eine elastische Dehnung zu erzeugen. Unter Beibehaltung der Dehnlast wird die Mutter manuell gedreht und mithilfe eines Steckschlüsseleinsatzes und einer Drehmomentstange arretiert.

Diese Methode bietet eine extrem hohe Vorspannungsgenauigkeit durch präzise Steuerung des Hydraulikdrucks. Allerdings kommt es nach der Druckentlastung aufgrund der elastischen Rückfederung zu einem geringfügigen Vorspannungsverlust. Die Demontage korrodierter oder festgefressener Muttern stellt nach wie vor eine große betriebliche Schwierigkeit dar.

5. Thermisches Anziehen

Beim thermischen Anziehen werden die thermischen Ausdehnungseigenschaften von Metall genutzt. Der Bolzen wird erhitzt und gedehnt, und die Mutter wird gedreht und positioniert. Während des Abkühlens versucht der Bolzen sich zusammenzuziehen, wird jedoch durch die eingespannten Komponenten in Längsrichtung eingeschränkt, wodurch eine stabile axiale Vorspannung entsteht.

Zu den gängigen Heizmethoden gehören direkte Flammenheizung, Heizmantelspulen und Kohlenstoff-Widerstandsheizelemente. Der Prozess ist zeitaufwändig und eine präzise Dehnungsmessung erfordert eine vollständige Abkühlung auf Umgebungstemperatur, was zu einem geringen Wirkungsgrad führt. Es wird in der allgemeinen Industrie selten verwendet und ist nur für extrem große Hochleistungsschrauben anwendbar.

6. Spannungsanzeigendes Anziehen

Bei dieser Methode werden spezielle lastanzeigende Verbindungselemente, lastanzeigende Unterlegscheiben oder Deformationserkennungstechniken verwendet, um die Schraubendehnung und Vorspannung indirekt zu messen und so eine Vielzahl hochpräziser Montagelösungen abzudecken.

Typische spannungsanzeigende Schrauben sind Rotabolt und HiBolt. Rotabolt verfügt über eine zentrale Bohrung mit einem internen Messstift und einer drehbaren Abstandsstruktur. Bei der elastischen Dehnung bleibt der Stift unbelastet; Sobald die volle Vorspannung erreicht ist, verschwindet das Spiel und die Drehung wird blockiert, was ein korrektes Anziehen anzeigt. HiBolt nutzt ein ähnliches Prinzip, bei dem eine leichte Schraubenschrumpfung den zentralen Stift festklemmt, um den Spannungsstatus widerzuspiegeln.

Lastanzeigende Unterlegscheiben werden häufig in Stahlkonstruktionen im Tiefbau eingesetzt. Vorgefertigte Vorsprünge auf der Scheibenoberfläche unterliegen unter Belastung einer plastischen Verformung. Die korrekte Vorspannung wird durch Messung des Restspalts mit einer Fühlerlehre überprüft. Diese Art von Unterlegscheibe wird in der feinmechanischen Montage selten verwendet.

Die Schraubendehnung kann direkt mit Mikrometern gemessen oder mittels Ultraschallprüfung präzise erfasst werden. Dehnungswerte können in Echtzeit umgewandelt werdenBolzenVorspannung durch Kalibrierung oder Berechnung. Für die Ultraschallmessung müssen der Schraubenkopf und die Endfläche geschliffen werden, um eine optimale akustische Reflexion und Prüfgenauigkeit zu gewährleisten.