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31.07.2018 | Maschinenelemente | Im Fokus | Onlineartikel

Sichere Schraubenverbindungen

Autor:
Dieter Beste

Der Zustand sicherheitskritischer Schraubenverbindungen muss verlässlich überwacht werden können. Wissenschaftler erarbeiten deshalb jetzt eine genormte, branchenübergreifende Methode zur Überprüfung eingebauter Schrauben.

Schrauben sind neben dem Schweißen das am häufigsten verwendete Maschinenelement zur Verbindung von Bauteilen. Einfach herzustellen, werden Schraubenverbindungen selbst da eingesetzt, wo eine lösbare Verbindung eigentlich nicht zwingend erforderlich wäre. Je nach der Nutzung der Hauptfunktion der Schraube, nämlich eine Kraft in Längsrichtung ausüben zu können, unterscheiden die Springer-Autoren Paul Naefe und Michael Kott in
•    Befestigungsschrauben zur Verbindung von Bauteilen,
•    Dichtungsschrauben zum Verschließen von Öffnungen,
•    Spannschrauben zum Fixieren und Verspannen von Bauteilen sowie
•    Bewegungsschrauben zum Umwandeln einer Drehbewegung in eine lineare Bewegung oder dem Ausüben einer Hubkraft.

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Schraubenverbindungen


Allerdings kommt es bei Schraubenverbindungen vor allem an den Gewindeteilen zu Kerbwirkungen und Kraftumlenkungen, die zu unübersichtlichen Spannungsverhältnissen führen. Das wird in Festigkeitsberechnungen zwar berücksichtigt, denn "wie in der Festigkeitslehre, wird auch bei den Schraubenverbindungen vorausgesetzt, dass sowohl die Schraube als auch die zu verbindenden Teile ausschließlich elastischen Verformungen unterworfen sind" (Paul Naefe, Michael Kott: Konstruktionslehre für Einsteiger, Seite 242). Hinzu kommen dann jedoch noch statische und/oder dynamische Belastung der Verbindung. 

Ermittlung der Vorspannkraft mit Ultraschall

Die Konsequenz daraus: Die Dauerhaltbarkeit von Schraubenverbindungen muss im Rahmen von Instandhaltungsplänen zum Teil aufwendig überprüft werden. Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Zerstörungsfreie Prüfverfahren (IZFP) in Saarbrücken und des Instituts für Werkstoffkunde (IfW) wollen deshalb eine aussagekräftige und vielseitig einsetzbare Ultraschallmethode entwickeln, mit der die Vorspannkraft eingebauter Schrauben ohne vorheriges Kalibrieren überprüft werden kann. Konkret: In dem vom Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) geförderten Projektes wollen die Forscher anhand der Geschwindigkeit von zwei Ultraschallwellenarten den genauen Spannungszustand der Schrauben bestimmen. "Je langsamer sich die beiden Ultraschallwellenarten durch die Schrauben bewegen, umso höher ist die Vorspannkraft, d. h. Veränderungen der Vorspannkraft können auch noch Jahre nach dem Einbau gemessen werden", erklärt Michael Becker, projektverantwortlicher Ingenieur am IZFP. Nach erfolgreicher Entwicklung und Testung soll das Ultraschallverfahren genormt und für einen universellen Einsatz qualifiziert werden. Damit wäre nach Ansicht der Fraunhofer-Forscher zusammen mit anderen Systemen zur ultraschallgestützten Vorspannkraftermittlung der gesamte Lebenszyklus von Verschraubungen lückenlos überwachbar.

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