In unserer industriellen Produktion brechen häufig Schrauben. Warum brechen Schrauben? Heute wird dies hauptsächlich unter vier Gesichtspunkten analysiert.
Tatsächlich sind die meisten Schraubenbrüche auf Lockerung zurückzuführen. Da die Situation beim Lockern und Brechen einer Schraube der eines Ermüdungsbruchs ähnelt, lässt sich die Ursache letztendlich immer in der Dauerfestigkeit finden. Diese ist sogar so hoch, dass man sie sich kaum vorstellen kann; Schrauben benötigen im Gebrauch eigentlich keine Dauerfestigkeit.
Erstens ist der Bolzenbruch nicht auf die Zugfestigkeit des Bolzens zurückzuführen:
Nehmen wir beispielsweise eine hochfeste Schraube M20×80 der Festigkeitsklasse 8.8. Sie wiegt nur 0,2 kg, ihre Mindestzugkraft beträgt jedoch 20 t, was dem 100.000-Fachen ihres Eigengewichts entspricht. Üblicherweise wird sie nur zum Befestigen von Bauteilen bis zu 20 kg verwendet, wobei lediglich ein Tausendstel ihrer maximalen Tragfähigkeit ausgeschöpft wird. Selbst unter Einwirkung anderer Kräfte im System ist es unmöglich, das Tausendfache des Bauteilgewichts zu überschreiten. Die Zugfestigkeit der Gewindeverbindung ist daher ausreichend, und ein Bruch der Schraube aufgrund mangelnder Festigkeit ist ausgeschlossen.
Zweitens ist der Bolzenbruch nicht auf die Dauerfestigkeit des Bolzens zurückzuführen:
Im Versuch zur Lockerung durch Querschwingungen lässt sich das Befestigungselement nur hundertmal lösen, im Dauerfestigkeitsversuch hingegen muss es eine Million Mal wiederholt schwingen. Anders ausgedrückt: Das Gewindebefestigungselement löst sich, wenn es nur ein Zehntausendstel seiner Dauerfestigkeit erreicht. Da wir nur ein Zehntausendstel seiner maximalen Belastbarkeit nutzen, ist die Lockerung des Gewindebefestigungselements nicht auf die Dauerfestigkeit der Schraube zurückzuführen.
Drittens ist die eigentliche Ursache für die Beschädigung von Gewindeverbindungen deren Lockerung:
Nach dem Lösen des Befestigungselements wird eine enorme kinetische Energie mv² freigesetzt, die direkt auf das Befestigungselement und das Gerät einwirkt und das Befestigungselement beschädigt. Nach der Beschädigung des Befestigungselements kann das Gerät nicht mehr ordnungsgemäß funktionieren, was wiederum zu weiteren Geräteschäden führt.
Das unter axialer Kraft stehende Schraubengewinde des Befestigungselements wird zerstört und die Schraube wird herausgezogen.
Bei Befestigungselementen, die einer Radialkraft ausgesetzt sind, wird der Bolzen abgeschert und das Bolzenloch ist oval.
Viertens ist die Wahl einer Gewindesicherungsmethode mit ausgezeichneter Sicherungswirkung die Grundlage für die Lösung des Problems:
Nehmen wir einen Hydraulikhammer als Beispiel. Der Hydraulikhammer GT80 wiegt 1,663 Tonnen und ist mit sieben M42-Schrauben der Festigkeitsklasse 10.9 an den Seiten befestigt. Die Zugkraft jeder Schraube beträgt 110 Tonnen, die Vorspannkraft wird mit der Hälfte der Zugkraft berechnet und erreicht somit 300 bis 400 Tonnen. Trotzdem brechen die Schrauben, weshalb sie nun durch M48-Schrauben ersetzt werden müssen. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Schraubensicherung nicht ausreicht.
Wenn eine Schraube bricht, liegt die Vermutung nahe, dass ihre Festigkeit unzureichend war. Daher greifen viele dazu, Schrauben mit größerem Durchmesser und höherer Festigkeitsklasse zu verwenden. Dadurch erhöht sich die Vorspannkraft und die Reibungskraft der Schrauben. Auch die Löslichkeit wird verbessert. Diese Methode ist jedoch nicht fachgerecht und mit hohem Aufwand und geringem Nutzen verbunden.
Kurz gesagt, die Devise lautet: „Wenn du sie nicht lockerst, bricht sie.“
Veröffentlichungsdatum: 29. November 2022
