Gleiten und Trennen in Schraubenverbindungen: Kriterien und konstruktive Maßnahmen für zwei Versagensarten
Zusammenfassung
Schraubenverbindungen haben zwei typische Versagensarten: Gleiten und Trennen. Dieser Artikel erläutert ihre mechanischen Kriterien, Entstehungsbedingungen und ihre Wechselbeziehung und gibt gezielte konstruktive Gegenmaßnahmen sowie ingenieurmäßige Prüfpunkte an die Hand.
Inhaltsverzeichnis
Zwei Versagen, zwei Mechanismen
Eine Schraubenverbindung gleitet unter Querlast und trennt sich unter Axialzuglast. Diese beiden Versagen sehen unterschiedlich aus, doch im Wesentlichen beruhen beide darauf, dass die durch die Vorspannung aufgebaute Reibungs- oder Klemmreserve erschöpft ist. Ihre Kriterien zu verstehen, ist die praktischste Grundfertigkeit im Verbindungsdesign.
Gleitversagen: Die Reibungsreserve ist erschöpft
Entstehungsbedingung
Wenn die Querbetriebslast FQ die Reibungsreserve der Fügeflächen übersteigt, entsteht ein relatives Gleiten zwischen den Klemmteilen. Das Kriterium lautet:
FQ ≤ μ × FK,res / SG
μ: Reibbeiwert der Fügefläche; FK,res: verbleibende Klemmkraft; SG: Gleitsicherheitsfaktor (typisch 1,2–1,5)
Folgen des Gleitens
Das Gleiten an sich führt nicht unbedingt sofort zum Versagen, löst aber eine Reihe von Folgeproblemen aus:
- Die Schraube trägt Schub: Hat das Gleiten einmal eingesetzt, wechselt die Schraube von „Last durch Reibung übertragen“ zu „Last durch Schraubenschub übertragen“, und der Spannungszustand ändert sich vollständig; die Schraube ist dann auf Schubfestigkeit neu nachzuweisen.
- Vorspannungs-Umverteilung: Nach dem Gleiten ändert sich der Kontaktflächenzustand, und der Reibbeiwert kann abfallen, was einen Teufelskreis bildet.
- Lochwand-Pressschaden: Wiederholtes Gleiten trägt die Lochwand ab und erweitert das Loch, wodurch die Verbindung weiter geschwächt wird.
- Beschleunigte Ermüdung: Reibkorrosion erzeugt Mikrorisse an der Oberfläche, die zu Ermüdungsausgangspunkten werden.
Reibbeiwert-Werte
| Fügeflächenzustand | Typischer μ-Bereich | Hinweise |
|---|---|---|
| Stahl–Stahl, trockene bearbeitete Oberfläche | 0,10–0,20 | Sinkt stark bei Ölverschmutzung |
| Stahl–Stahl, gestrahlt oder kugelgestrahlt | 0,30–0,50 | Oberflächenrauung erhöht die Reibung |
| Stahl–Aluminium | 0,15–0,25 | Auf Kontaktkorrosion achten |
| Mit Beschichtungsschicht dazwischen | 0,05–0,15 | Lackschichten verringern die Reibung stark |
| Mit Schmierstoff oder Korrosionsschutzöl | 0,05–0,12 | Ob zulässig, muss in der Konstruktion festgelegt werden |
Trennversagen: Die Klemmreserve ist erschöpft
Entstehungsbedingung
Die Axialzuglast FA verringert die Klemmkraft auf den Klemmteilen. Ist die Last groß genug, erreicht die Klemmkraft null und die Fügeflächen öffnen sich. Das Kriterium lautet:
FA × (1 − Φ) < FM / SD
SD: Trennsicherheitsfaktor (typisch 1,2–1,5)
Folgen des Trennens
- Sprunghafte Änderung der Verbindungssteifigkeit: Ist sie einmal geöffnet, wird die äußere Last vollständig von der Schraube getragen (Φ ändert sich von kleiner 1 zu 1), die Schraubenspannung schießt nach oben, und die Ermüdungslebensdauer bricht meist stark ein.
- Dichtungsversagen: Bei Verbindungen mit Dichtanforderung bedeutet Öffnen Undichtigkeit.
- Schlagartige Belastung: Der Öffnungs-Schließ-Zyklus erzeugt Schläge, was Ermüdung und Verschleiß beschleunigt.
- Plastische Verformung der Schraube: Übersteigt die Last nach dem Öffnen die Streckgrenze, dehnt sich die Schraube bleibend; auch späteres erneutes Anziehen kann die ursprüngliche Vorspannung nicht wiederherstellen.
Die Beziehung zwischen den beiden Versagen
Gleiten und Trennen sind keine unabhängigen Ereignisse; sie lösen sich oft gegenseitig aus:
| Ausgangsversagen | Folgeeffekt | Enderscheinung |
|---|---|---|
| Gleiten | Kontaktflächenverschleiß, Reibbeiwert-Abfall, Vorspannungslockerung | Trennen und Lockern verstärken sich |
| Trennen | Fügeflächen öffnen und schließen wiederholt, Reibkorrosion | Gleitsicherheit sinkt, allmähliches Gleiten |
| Beide gleichzeitig | Schraube trägt kombinierte Zug-Scher-Last | Bruchgefahr steigt deutlich |
Daher sind bei Verbindungen, die sowohl Axial- als auch Querlasten erfahren, die beiden Kriterien gleichzeitig nachzuweisen, und die Vergleichsspannung unter kombinierter Zug-Scher-Beanspruchung ist zu berücksichtigen.
Konstruktive Gegenmaßnahmen: sechs praktische Wege
Gegen das Gleiten
- Die Vorspannung erhöhen: innerhalb der Werkstoffgrenzen die Vorspannung erhöhen, um die Reibungsreserve direkt zu vergrößern. Dies ist die wirkungsvollste Maßnahme.
- Den Reibbeiwert erhöhen: die Fügeflächen sandstrahlen oder kugelstrahlen, oder spezielle reibmusterbehaftete Unterlegscheiben verwenden.
- Scherwiderstandselemente ergänzen: die Verbindung mit Passstiften, Scherbuchsen oder Keilen versehen, sodass die Querlast von den Scherwiderstandselementen getragen wird, während die Schraube nur klemmt.
- Die Anzahl der Fügeflächen erhöhen: bei gleicher Klemmkraft ergeben mehrere Fügeflächen die mehrfache Reibungsfläche (darauf achten, dass der Druck gleichmäßig verteilt ist).
Gegen das Trennen
- Den Kraftaufteilfaktor Φ senken: die Klemmteilsteifigkeit erhöhen (Auflagefläche vergrößern, Flanschdicke erhöhen, Buchsen ergänzen).
- Den Lastpfad steuern: die äußere Last möglichst von der Struktur selbst tragen lassen, um die unmittelbar auf die Verbindung wirkende Zuglast zu verringern.
Schnell-Diagnosetabelle
| Feldbeobachtung | Wahrscheinliche Versagensart | Prioritäre Untersuchungsrichtung |
|---|---|---|
| Schraubenloch klar zur Ellipse verschlissen | Gleiten | Hat sich der Reibbeiwert verändert? Stimmt die Vorspannung nach Spezifikation? |
| Rost- oder Undichtigkeitsspuren auf den Fügeflächen | Trennen | Wurde die Axialzuglast unterschätzt? Ist Φ zu groß? |
| Runder Verschleißring unter dem Schraubenkopf | Gleiten + Reibkorrosion | Auflageflächen-Pressung und Reibungszustand |
| Bruch am ersten Gewindegang | Ermüdung (trennungsbedingt) | Spannungsausschlag und Φ; prüfen, ob ein Öffnen stattfand |
| Gesamte Verbindung verschiebt sich, aber Schrauben intakt | Gleiten | Querlast vs. Reibungsreserve |
Fazit
Gleiten betrachtet die Reibungsreserve; Trennen betrachtet die Klemmreserve. Ihre gemeinsame Grundlage ist die Vorspannung. Beherrschen Sie den Reibungszustand richtig, setzen Sie ausreichende Vorspannung an und erhöhen Sie die Klemmteilsteifigkeit – dann lassen sich beide Versagen wirksam beherrschen. Wer dagegen nur an der Schraubenabmessung feilt, ohne diese drei Grundlagen zu verbessern, neigt dazu, dass das Problem an anderer Stelle wiederkehrt.
