Sicherung gegen Lösen von Gewindeverbindungen

Gewindeverbindungen können im Betrieb vielfältigen variablen Belastungen ausgesetzt sein, darunter auch extremen Vibrationen und Stößen. Unter diesen Belastungen kommt es in der Regel durch Lockerung und Materialermüdung zum Versagen von Gewindeverbindungen. Die Lebensdauer von Gewindeverbindungen gegen Vibrationslockerung ist im Allgemeinen deutlich kürzer als die Ermüdungslebensdauer der verwendeten Werkstoffe und Konstruktionen. Lange bevor es zu Materialermüdung kommt, kann es bereits zu einem Versagen der Gewindeverbindung durch Lockerung oder zu vorzeitiger Materialermüdung der Verbindungsstücke und deren Komponenten kommen. Das Versagen von Gewindeverbindungen beeinträchtigt den ordnungsgemäßen Betrieb von Produkten und Anlagen und kann sogar schwerwiegende Folgen haben. Die Vermeidung von Lockerung in Gewindeverbindungen ist daher eine wichtige Aufgabe bei der Entwicklung und Konstruktion von Gewindeverbindungselementen.

Es gibt drei grundlegende Arten von Sicherungsmethoden gegen das Lösen von Gewindeverbindungen:

1. Nicht abnehmbare Lockerungssicherung

Dies ist eine Methode zur Sicherung gegen Lösen, bei der durch Schweißen, Kleben oder Stanzen und Nieten eine lösbare Gewindeverbindung in eine unlösbare umgewandelt wird. Es handelt sich um eine sehr zuverlässige, traditionelle Methode. Ihr Nachteil besteht darin, dass die Gewindebefestigungen nicht wiederverwendet werden können und die Durchführung aufwendig ist. Sie wird häufig bei wichtigen Anwendungen eingesetzt, die eine hohe Zuverlässigkeit der Sicherung gegen Lösen ohne Demontage erfordern.

• SchweißenDie Mutter wird an den Bolzen oder das Befestigungselement an das Werkstück geschweißt.

• BindungTragen Sie Klebstoffe wie Epoxidharz oder anaeroben Klebstoff auf die Gewindeoberfläche auf. Nach dem Aushärten verbindet sich das Gewinde fest und sichert die Verbindung gegen Lösen. Unterschiedliche Klebstoffe weisen unterschiedliche Sicherungseigenschaften auf. Mit Epoxidharz beschichtete Befestigungselemente bieten eine hohe Klebkraft und sind nicht lösbar. Mit anaeroben Klebstoff beschichtete Befestigungselemente lassen sich zwar lösen, jedoch sind die Klebstoffreste nach der Demontage schwer zu entfernen und können das Gewinde beschädigen. Daher sollten diese Befestigungselemente nicht wiederverwendet werden.

• Stanzen/NietenDas Stanznietverfahren bewirkt nach dem Anziehen eine lokale Verformung von Schraube und Mutter, um ein Lösen zu verhindern. Die Verbindung ist zuverlässig und eignet sich für alle Verbindungen, die keine Demontage erfordern.

2. Lockerungsschutz für mechanische Verbindungselemente

Mechanische Verbindungselemente dienen der Fixierung und Sicherung von Gewindeteilen an verbundenen Teilen oder zwischen Gewindeteilen, um ein Lösen zu verhindern. Der Vorteil dieser Methode liegt in der zuverlässigen Lösesicherheit, deren Zuverlässigkeit im Allgemeinen von der statischen Festigkeit oder der Dauerfestigkeit des Verbindungselements (oder des Verbindungselements selbst, z. B. einer Schlitzmutter) abhängt. Zu den Nachteilen zählen das erhöhte Gewicht der Verbindung, die aufwendige Herstellung und Montage sowie die eingeschränkte Flexibilität bei der Montage, was zu relativ hohen Kosten führt. Aufgrund ihrer hohen Lösesicherheit findet diese Methode dennoch breite Anwendung in wichtigen Bauteilen von Maschinenbauteilen und Produkten der Luft- und Raumfahrtindustrie.

• Splinte mit SchlitzmutternSplinte werden durch die Schlitze in der Mutter und die Bolzenlöcher am Bolzenende geführt, um Mutter und Bolzen direkt zu sichern. Sie eignen sich für wichtige bewegliche Teile in losem Zustand ohne Vorspannung, beispielsweise für die Verbindung der beweglichen Gelenke des Joysticks im Cockpit von Luft- und Raumfahrzeugen sowie von Fahrzeugen. Auch bei besonders wichtigen Bauteilen, die hohe Zuverlässigkeit erfordern und ein Lösen unter dauerhaft starken Vibrationen verhindern müssen, kommen sie zum Einsatz. In diesem Fall müssen Muttern und Bolzen mit einer entsprechenden Vorspannung angezogen werden. Andernfalls erleiden die Splinte oder Muttern in der losen, nicht vorgespannten Verbindung Materialermüdung, was zum Lösen und Versagen der Verbindungselemente führt. Solche Unfälle treten häufig bei Verbindungen auf, die rauen Betriebsbedingungen ausgesetzt sind.

• LaschenscheibeVerwenden Sie eine oder zwei Stahlscheiben, um die Mutter und das Verbindungsteil oder zwei Muttern miteinander zu sichern. Dies verhindert zuverlässig ein Lösen und eignet sich für spielfreie Verbindungen in Hochtemperaturbauteilen. Häufig verwendet in wichtigen Teilen von Motorenprodukten.

• VerriegelungsdrahtMit Stahldraht werden mehrere Schrauben oder Muttern durch die kleinen Löcher in Schraubenköpfen oder Muttern verbunden und gesichert. Obwohl die Montage aufwendiger ist, wird diese Methode in wichtigen Fällen, insbesondere bei wichtigen Bauteilen von Luft- und Raumfahrtprodukten, eingesetzt, da sie ein Lösen zuverlässig verhindert. Sie eignet sich auch, um das Lösen von Schrauben oder Bolzen in Gruppen zu verhindern.

3. Lockerungsverhinderung durch Erhöhung der Reibung

Die Sicherung gegen Lösen wird durch Erhöhung der Reibung zwischen Gewinde bzw. Schraubenkopf und Mutternkopf oder durch gleichzeitige Erhöhung beider erreicht. Diese Methode ist zwar weniger zuverlässig als die beiden zuvor genannten, bietet aber den großen Vorteil, dass sie nicht durch den Einsatzraum eingeschränkt ist, wiederholte Montage und Demontage ermöglicht und flexibel einsetzbar ist. Einige Verbindungselemente (z. B. Nylonringmuttern, Ganzmetallmuttern) erreichen eine sehr hohe Sicherheit gegen Lösen. Daher findet diese Methode vor allem im Maschinenbau und in der Luft- und Raumfahrt Anwendung.

• Doppelmuttern:Die traditionelle Montage von Doppelmuttern besteht darin, zuerst die innere Mutter, dann die äußere Mutter und anschließend die innere Mutter umzudrehen. Dadurch entsteht eine leichte elastische Verformung des Gewindes zwischen den beiden Muttern, wodurch zusätzliche Reibung erzeugt und ein Lösen verhindert wird. In der Praxis hat sich diese Montagemethode jedoch als unzuverlässig für die Lösesicherung von Doppelmuttern erwiesen. Ihr Nachteil liegt darin, dass beim Umdrehen der inneren Mutter die Klemmkraft abnimmt und somit die Lösesicherheit reduziert wird. Die neue Montagemethode verzichtet auf das umgedrehte Anziehen der inneren Mutter. Stattdessen wird zuerst die innere, dann die äußere Mutter angezogen, wobei beide Muttern mit dem gleichen Drehmoment angezogen werden. Dadurch bleibt die Klemmkraft der Verbindung auf einem höheren Niveau. Tests im In- und Ausland haben gezeigt, dass die Lösesicherheit von Doppelmuttern durch die neue Montagemethode deutlich verbessert wird. Unter den verschiedenen Lösesicherungsmethoden für Gewindeverbindungen zählt sie zu denjenigen mit der höchsten Vibrationsbeständigkeit. Obwohl die Verwendung von zwei Muttern das Gewicht erhöht, zeichnet sich die Konstruktion durch eine einfache Struktur, eine gute Lösesicherheit und die Eignung für hohe Temperaturen aus und wird daher weiterhin in wichtigen Anwendungsbereichen eingesetzt, beispielsweise zur Sicherung von Gewindeverbindungen an Motoren.

• Flanschmuttern mit Verzahnung und BolzenDie Auflagefläche unter Mutter und Schraubenkopf ist gerändelt oder gezahnt. Beim Anziehen der Mutter oder Schraube entsteht Reibungswiderstand zwischen der Auflagefläche und dem verbundenen Bauteil. Besonders dann ist die Verbindung sehr fest, wenn die Rändelung in die Oberfläche des verbundenen Bauteils eingreift. Die Zahnform der Rändelung und die Klemmkraft beim Anziehen haben einen wesentlichen Einfluss auf die Sicherungswirkung. Ein stabiles Torsions-Zug-Verhältnis und eine ausreichend hohe Klemmkraft sind Voraussetzungen dafür, dass dieses Verbindungselement seine Sicherungswirkung beibehält. Tests haben gute Lösesicherheitseigenschaften gezeigt. Es kann nicht mit Unterlegscheiben verwendet werden und ist nicht geeignet für Gewindeverbindungen, die hohen Klemmkräften nicht standhalten oder deren Oberfläche empfindlich gegenüber Kratzern und Korrosion ist. Bei der Verwendung dieser Lösesicherheitsmethode ist auf eine angemessene Härteanpassung zu achten. Im Allgemeinen sollte die Härte des verbundenen Bauteils geringer sein als die Härte des Verbindungselements.

• Ganzmetall-Sicherungsmuttern:Das obere Ende des Mutterkörpers ist entweder mit einem nicht kreisförmigen oder einem geschlitzten Ende (letzteres wird auch als Schlitzmutter bezeichnet) verschlossen, um das Gewinde teilweise zu verformen. Nach dem Einschrauben der Schraube in die Mutter dehnt sich das Mutterende nach außen aus. Die Elastizität des Endes komprimiert das Gewindepaar seitlich, wodurch der Gewindespalt beseitigt, die Gewindereibung erhöht und Schraube und Mutter fest miteinander verbunden werden. Die Lösesicherheit ist gut, wobei die Schlitzmutter eine noch bessere Lösesicherheit aufweist. Bei Verwendung von Schrauben mit höherer Gewindegenauigkeit lässt sich die Lösesicherheit weiter verbessern. Durch die Verwendung von Schrauben mit höherer Härte, die der Härte der Mutter entspricht, kann die Lebensdauer der Verbindung nach wiederholtem Montieren und Demontieren deutlich erhöht werden. Unter den Ganzmetall-Sicherungsmuttern bietet die Schlitzmutter die beste Wiederverwendbarkeit. Sie kann für alle Befestigungselemente außer beweglichen Teilen verwendet werden.

• Nylon-Einsatz-Sicherungsmuttern: Ein Nylonring ist im oberen Ende der Mutter eingelassen, dessen Innendurchmesser etwas kleiner ist als der Gewindedurchmesser. Beim Eindrehen der Schraube wird das Innengewinde aus dem Nylonring herausgedrückt. Das hochelastische Nylonmaterial erzeugt dabei einen hohen und stabilen Reibungswiderstand mit der Schraube und gewährleistet so eine zuverlässige Sicherung. Die Mutter bietet eine gute Löslichkeitssicherheit und kann wiederholt montiert und demontiert werden. Sie eignet sich für den Einsatz in Umgebungen mit starken Stößen und Vibrationen. Sie ist mit Schrauben aller Präzisionsklassen und Festigkeitsklassen kompatibel. Die Betriebstemperatur ist materialbedingt und liegt üblicherweise zwischen -50 °C und +100 °C.

• FederscheibenFederscheiben nutzen die Federspannung zur Sicherung von Gewindeverbindungen. Ihre Vorteile liegen in der einfachen Konstruktion, den geringen Kosten und der leichten Handhabung. Sie werden häufig eingesetzt, um ein Lösen in unkritischen Teilen von elektromechanischen Geräten zu verhindern. Da Federscheiben jedoch nur eine geringe Sicherungswirkung aufweisen, eignen sie sich nicht für Bauteile, die starken Stößen und Vibrationen ausgesetzt sind. Zudem neigen elektrolytisch verzinkte oder kadmierte Stahlscheiben zu verzögerter Wasserstoffversprödung, was zu schwer erkennbaren, versteckten Gefahren und in der Folge zu Ausfällen führen kann. Daher werden Federscheiben nicht in kritischen Bereichen verwendet.

• ZahnscheibenBeim Anziehen von Muttern oder Schrauben werden die Zähne der Unterlegscheiben abgeflacht. Dadurch erhöht sich der Reibungswiderstand zwischen Gewinde und Auflagefläche, was eine Sicherungswirkung für die Gewindeverbindung bewirkt. Da die Zähne im Schraubenkopf (bzw. der Mutter) und in der Oberfläche der verbundenen Teile eingebettet sind, erhöht die dadurch verursachte Beschädigung die Korrosionsanfälligkeit. Bei hochbelasteten Verbindungselementen oder Bauteilen können diese Beschädigungen zu Rissen führen. Unter hohen Klemmkräften können die Zähne der Unterlegscheiben brechen oder reißen.

• Michelle
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