Verständnis der Auswirkungen des Reibungskoeffizienten auf die Stabilität von Schraubverbindungen

Zusammenfassung: Schraubverbindungen halten zwei oder mehr verbundene Teile durch die Klemmkraft zwischen ihnen fest zusammen. Der Reibungskoeffizient der Auflagefläche und des Gewindes sind zwei kritische Faktoren, die die Klemmkraft beeinflussen. In diesem Artikel liegt der Schwerpunkt auf dem Montageprozess von hochfesten Schrauben für die Drehverbindung eines großen [...]

Inhaltsverzeichnis

Zusammenfassung:

Schraubverbindungen befestigen zwei oder mehr miteinander verbundene Teile durch die Klemmkraft zwischen ihnen fest.

Der Reibungskoeffizient der Auflagefläche und des Gewindes sind zwei entscheidende Faktoren, die die Spannkraft beeinflussen.

In diesem Artikel geht es um den Montageprozess von hochfesten Schrauben für die Drehverbindung eines Großkrans.

Der Artikel beginnt mit einer Analyse der theoretischen Beziehung zwischen Installationsdrehmoment, Reibungskoeffizient, Drehmomentkoeffizient und dem Spannen Kraft.

Anschließend wird durch einen Vergleichstest des Anziehens unter vollständig geschmierten Bedingungen für das Gewinde und die Gewinde- und Lageroberfläche gezeigt, dass der Schmierzustand einen erheblichen Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Schraubenmontage und die Streuung des Drehmomentkoeffizienten und des Reibungskoeffizienten hat.

Bei Vollschmierung ist die Streuung des Reibungskoeffizienten und des Drehmomentkoeffizienten geringer, was zu einer höheren Stabilität und Zuverlässigkeit der Schraubverbindungen führt.

Vorwort

Bolzenverbindungen sind eine häufig verwendete mechanische Verbindungsart in Hebezeugen. Ihre Zuverlässigkeit ist entscheidend für die Gesamtleistung von Hebezeugen, insbesondere für die hochfesten Schraubverbindungen von Schlüsselkomponenten wie der Drehverbindung.

Eine zuverlässige Schraubverbindung ist für den normalen Betrieb des Produkts unerlässlich, und ein Fehler in der Verbindung kann zu schweren Sicherheitsunfällen führen.

Der Zweck einer Schraubverbindung besteht darin, dass zwei oder mehr miteinander verbundene Teile fest miteinander verbunden sind. Um die Bewegungslast zu tragen, muss eine ausreichende Klemmkraft zwischen den verbundenen Teilen aufrechterhalten werden, um ihre zuverlässige Verbindung und ihren normalen Betrieb zu gewährleisten.

Eine unzureichende Spannkraft kann zu einem seitlichen Gleiten zwischen den beiden Teilen führen, wodurch die Schraube einer unnötigen Scherbeanspruchung ausgesetzt wird und brechen kann.

Daher ist die Verbesserung der Zuverlässigkeit und Stabilität von hochfesten Schraubverbindungen immer wichtiger geworden. Ungeeignete Anzugsparameter oder eine unsachgemäße Prozesssteuerung können die Zuverlässigkeit der Schraubverbindung negativ beeinflussen und zu Ausfällen führen.

Unter dem Gesichtspunkt der Verringerung der Streuung der Klemmkraft und der Optimierung des Anziehverfahrens werden in diesem Artikel das Installationsdrehmoment und das Anziehverfahren von hochfesten Schrauben für den Drehkranz von großen Hebezeugen durch theoretische Analyse und Vergleich von Testdaten bestimmt.

1. Theoretische Analyse

1.1 Der Drehmomentkoeffizient kann anhand der folgenden Formel ermittelt werden, die auf dem Verhältnis zwischen Anzugsmoment und Spannkraft beruht.

Wo:

  • K - Drehmomentkoeffizient;
  • T - Anzugsdrehmoment;
  • F - Spannkraft;
  • D - Nenndurchmesser des Gewindes

1.2 Gemäß GBT16823.3 muss das Drehmoment der Schrauben

Wo,

  • P: Spindelsteigung
  • μth: Gewindereibungskoeffizient
  • μb: Reibungskoeffizient der Auflagefläche der Mutter oder Schraube
  • d2: Steigungsdurchmesser des Gewindes
  • dh: Innendurchmesser der Auflagefläche in Kontakt
  • d0: Außendurchmesser der Lagerfläche.

Bei der Schraubenmontage kann das Anzugsdrehmoment T in drei Teile unterteilt werden:

Das Reibungsmoment der Lagerfläche (Tb) ist das Drehmoment, das durch die Reibung zwischen der Mutter und der Unterlegscheibe entsteht.

Das Gewindedrehmoment (Tth) und die Klemmkraft (F) werden durch die Reibung zwischen dem Schraubengewinde und dem Gewinde der Mutter (des Körpers) aufgebraucht.

Bei der Montage der Schraubverbindung geht der größte Teil des Installationsdrehmoments durch diese beiden Reibungsquellen verloren.

Daher sind der Endreibungskoeffizient (μb) und der Gewindereibungskoeffizient (μth) die Hauptfaktoren, die die Klemmkraft (F) beeinflussen.

Die Klemmkraft kann je nach Reibungskoeffizienten stark variieren.

Die Streuung des Stirnflächen-Reibungskoeffizienten (μb) und des Gewindereibungskoeffizienten (μth) bestimmt direkt die Stabilität der Klemmkraft (F). Siehe Abbildung 1.

Abb. 1

1.3 Der Gewindereibungskoeffizient kann näherungsweise berechnet und durch die Beziehung zwischen Gewindedrehmoment und Klemmkraft mit der folgenden Formel bestimmt werden.

1.4 Der Reibungskoeffizient der Lagerfläche kann anhand der Beziehung zwischen dem Reibungsmoment der Lagerfläche und der Spannkraft mit Hilfe der folgenden Formel annähernd berechnet und bestimmt werden.

Der Drehmomentkoeffizient, der Gewindereibungskoeffizient und der Reibungskoeffizient der Lageroberfläche können durch Messung des Anzugsdrehmoments, des Gewindedrehmoments, des Reibungsdrehmoments der Lageroberfläche und der Klemmkraft bestimmt werden.

2. Testanalyse

Der Einfluss des Drehmomentkoeffizienten, des Reibungskoeffizienten des Gewindes und des Reibungskoeffizienten der Lagerfläche auf die Klemmkraft in Schraubverbindungen unter verschiedenen Bedingungen wurde analysiert und untersucht, indem der Anziehprozess verschiedener Serien von Drehkranzbefestigungsschrauben getestet wurde. Als Prüfgerät wurde ein vertikales Reibungskoeffizientenprüfgerät der Firma Schatz, Deutschland, verwendet, und die Prüfmethode entspricht der Norm GB/T 16823.3.

Das Gesamtdrehmoment, das Gewindedrehmoment, das Reibungsdrehmoment der Lagerfläche und die Klemmkraft werden mit einem Drehmoment-/Winkelsensor und einem Klemmkraftsensor gemessen. Der Drehmomentkoeffizient, der Gewindereibungskoeffizient und der Stirnflächenreibungskoeffizient können automatisch mit den Formeln (1), (3) und (4) auf dem Prüfgerät berechnet werden.

Abb.2

Die für die Drehkranzmontage eines großen Krans ausgewählten Schrauben werden getestet, um die tatsächlichen Montagebedingungen zu simulieren. Die Testmuttern werden durch tatsächliche Muttern ersetzt, und ihre Materialien, die Verarbeitungsausrüstung und der Montageprozess stimmen mit den Endprodukten überein.

Die Spezifikationen der Bolzen sind:

  • Norm: DIN931
  • Größe: M48-10.9
  • Werkstoff: 40CrNiMo
  • Oberfläche: Dacromet

Die entsprechende Unterlegscheibe ist:

  • Norm: DIN6919
  • Innendurchmesser: 49mm
  • Äußerer Durchmesser: 82 mm

Die Ersatzprüfmuttern sind aus dem einheimischen Werkstoff 960 hergestellt.

Als Schmiermittel wird ein Hochtemperatur-Anti-Seize-Mittel auf Silberbasis verwendet.

Es wurden zwei Gruppen von Vergleichstests durchgeführt, um den Einfluss des Schmierungszustands auf den Reibungskoeffizienten, den Drehmomentkoeffizienten und die Verbindungsstreuung zu vergleichen.

In einer Gruppe wurde das Fett gleichmäßig auf den Gewindeteil des Bolzens, nicht aber auf die Auflagefläche der Scheibe aufgetragen. Bei der anderen Gruppe wurde das Fett sowohl auf den Gewindeteil des Bolzens als auch auf die Oberseite der Auflagefläche der Unterlegscheibe aufgetragen. Siehe Tabelle 1 für die Testdaten.

Tabelle 1

Methode der SchmierungNummerF(KN)T (N.m)K1.1b1tot
Vollständige Schmierung1#1000.35389.390.110.080.090.08
2#1000.15185.810.110.070.090.08
3#1000.245515.260.110.080.090.09
4#1000.15683.10.120.090.090.09
5#1000.15238.650.110.080.080.08
6#1000.245394.050.110.080.090.08
7#1000.375578.980.120.090.080.09
8#1000.15768.570.120.080.10.09
Nur Gewindeschmierung1#1000.16568.710.150.090.130.1
3#1000.45998.860.130.070.130.09
4#1000.16716.10.150.090.140.11
5#1000.35733.30.120.070.10.08
6m1000.15982.980.130.080.120.09
7#1000.25356.290.110.070.10.08
8#1000.15990.220.130.090.130.09

Die Abbildungen 3 und 4 zeigen die Kurven des Reibungskoeffizienten der Lageroberfläche (μ_b) und des Reibungskoeffizienten des Gewindes (μ_th) unter zwei verschiedenen Schmierungsbedingungen: nur Gewindeschmierung bzw. Vollschmierung.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Reibungskoeffizient des Gewindes (μ_th) unter Schmierungsbedingungen zwischen 0,07 und 0,09 liegt und relativ stabil bleibt.

Im Vergleich dazu ist der Reibungskoeffizient der Lageroberfläche (μ_b) unter Schmierungsbedingungen relativ stabil, mit Werten zwischen 0,08 und 0,1 für alle acht Probengruppen. Andererseits liegt der Reibungskoeffizient der Lageroberfläche ohne Schmierung zwischen 0,1 und 0,14, was eine schlechte Stabilität und eine große Streuung zwischen den acht Probengruppen zeigt.

Abb. 3
Abb. 4

Abbildung 5 zeigt die Kurve des Drehmomentkoeffizienten (K) unter zwei Schmierungsbedingungen: nur Gewindeschmierung und Vollschmierung.

Die Ergebnisse zeigen, dass der Drehmomentkoeffizient (K) der acht Probengruppen unter Vollschmierungsbedingungen zwischen 0,11 und 0,12 liegt, mit stabilen Werten und minimaler Streuung.

Im Gegensatz dazu weist der Drehmomentkoeffizient (K) der fadengeschmierten Probe eine größere Spanne von 0,11 bis 0,15 auf, mit schlechter Stabilität und einer größeren Streuung.

Abb. 5

Die Abbildungen 6 und 7 zeigen die Kurven der Drehmomentspannkraft während der Anziehen der Schrauben Prozess unter zwei Schmierbedingungen: nur Gewindeschmierung bzw. Vollschmierung.

Die Ergebnisse zeigen, dass bei gleichem Anzugsdrehmoment die Klemmkraft bei Vollschmierung größer ist als bei reiner Gewindeschmierung, und dass die Streuung der Kurven innerhalb einer Probengruppe geringer ist.

Abb. 6
Abb.7

Die Daten aus den beiden Gruppen von Vergleichstests zeigen, dass das Auftragen von Schmiermittel auf die Lageroberfläche den Reibungskoeffizienten und den Drehmomentkoeffizienten um etwa 15% deutlich verringert und die Stabilität verbessert. Dies zeigt, dass das Auftragen von Schmiermittel auf die Lageroberfläche eine wirksame Methode zur Verringerung des Drehmomentkoeffizienten und zur Erhöhung der Stabilität ist.

3. Status der Industrie

In Baumaschinen werden Befestigungselemente in der Regel nach der Drehmomentmethode eingebaut, die unkompliziert, einfach und leicht zu bedienen ist. Das Installationsdrehmoment wird durch den Reibungskoeffizienten bestimmt, und ein genauer Zahlenwert ist entscheidend. Wird jedoch die Streuung des Reibungskoeffizienten, die so genannte Standardabweichung, ignoriert, kann dies die Zuverlässigkeit der Schraubverbindung erheblich beeinträchtigen.

Gegenwärtig legt die nationale Norm GB/T 1231-2000 die Standards für hochfeste Schraubenverbindungen in Stahlkonstruktionen fest. Der Drehmomentkoeffizient (K) ist mit 0,11-0,15 angegeben, mit einer Standardabweichung ≤ 0,01.

Viele Anwender konzentrieren sich ausschließlich auf den Drehmomentkoeffizienten und glauben, dass, sobald dieser bestimmt ist, das Installationsdrehmoment sofort festgelegt werden kann, was zu einer Schraubverbindung führt. Die Standardabweichung wird jedoch oft übersehen. Wenn die Standardabweichung 0,01 übersteigt, variiert die Vorspannkraft der einzelnen Schrauben während der Montage. Wenn die Standardabweichung zu groß oder zu klein ist, können einige Verbindungspaare zu stark oder zu schwach angezogen werden, was ein Risiko für die Zuverlässigkeit der Installation darstellen kann.

Ist der Drehmomentkoeffizient hingegen groß und die Standardabweichung kleiner als 0,01, ist die Streuung des Verbindungspaares minimal und die Kraft auf jedes Schraubenpaar ist relativ gleichmäßig. Ein erhöhter Drehmomentkoeffizient während der Installation kann zu einem höheren Drehmomentwert führen, führt aber nicht zu einem Überdrehen oder Lockern, was zu einer verbesserten Zuverlässigkeit und Sicherheit der Installation führt.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Standardabweichung unter einem bestimmten Gesichtspunkt wichtiger ist als der Drehmomentkoeffizient.

4. Schlussfolgerung

Der Reibungskoeffizient des Gewindes, der Reibungskoeffizient der Auflagefläche und der Drehmomentkoeffizient sind kritische technische Parameter, die bei der Installation von Verbindungselementen verstanden und beherrscht werden müssen. Gegenwärtig werden diese Parameter von den meisten Anwendern erkannt und bei der Montage berücksichtigt.

Ein kleinerer Reibungskoeffizient führt zu einem kleineren Drehmomentkoeffizienten. Bei der Bestimmung des Einbaudrehmoments führt ein kleinerer Drehmomentkoeffizient zu einer größeren Klemmkraft.

Umgekehrt führt ein größerer Drehmomentkoeffizient zu einer geringeren Klemmkraft. Ist der Drehmomentkoeffizient bis zu einem gewissen Grad klein, kann die durch ein bestimmtes Drehmoment erzeugte Klemmkraft die Festigkeitsgrenze der Schraube überschreiten, so dass sich die hochfeste Schraube dehnt oder sogar aufgrund von Ermüdung bricht.

Ist der Drehmomentkoeffizient hingegen zu groß, ist die erzeugte Klemmkraft zu gering, und die Verbindung funktioniert nicht richtig, was zu Lockerheit führt.

Der Zustand der Schmierung hat einen erheblichen Einfluss auf den Gewindereibungskoeffizienten, den Reibungskoeffizienten der Lageroberfläche und den Drehmomentkoeffizienten. Im Allgemeinen weisen Verbindungspaare mit rauen Produktoberflächen und deutlichen Bearbeitungsspuren höhere Werte für den Drehmoment- und den Reibungskoeffizienten auf.

Nach der Schmierung können diese Werte jedoch deutlich sinken. Darüber hinaus beeinflusst die Schmierung auch die Streuung des Gewindereibungskoeffizienten, des Reibungskoeffizienten der Lageroberfläche und des Drehmomentkoeffizienten. Die Streuung dieser Werte ist bei Schmierung geringer, was eine größere Stabilität und Zuverlässigkeit der Schraubverbindung gewährleistet.

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Shane
Autor

Shane

Gründerin von MachineMFG

Als Gründer von MachineMFG habe ich mehr als ein Jahrzehnt meiner Karriere der metallverarbeitenden Industrie gewidmet. Meine umfangreiche Erfahrung hat es mir ermöglicht, ein Experte auf den Gebieten der Blechverarbeitung, der maschinellen Bearbeitung, des Maschinenbaus und der Werkzeugmaschinen für Metalle zu werden. Ich denke, lese und schreibe ständig über diese Themen und bin stets bestrebt, in meinem Bereich an vorderster Front zu bleiben. Lassen Sie mein Wissen und meine Erfahrung zu einem Gewinn für Ihr Unternehmen werden.

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