Lockerungsschutz mit Federringen - funktionieren sie?

Verriegelungsprinzip der Federscheibe

Die Lockerungsschutzfunktion einer Federscheibe beruht auf einem dualen Prinzip, bei dem Axialkraft und Reibungswiderstand kombiniert werden, um die Integrität von Gewindeverbindungen zu erhalten.

Wenn die Federscheibe bei der Montage zusammengedrückt wird, erzeugt sie in erster Linie eine anhaltende elastische Kraft. Diese Kraft erzeugt eine axiale Vorspannung, die die Spannung in der Schraube-Mutter-Baugruppe aufrechterhält und Vibrationen und dynamischen Belastungen, die sonst zu einer Lockerung führen könnten, wirksam entgegenwirkt. Der kontinuierliche elastische Druck, der von der Unterlegscheibe ausgeübt wird, sorgt für eine gleichmäßigere Verteilung der Klemmkraft auf die Verbindungsstelle.

Zweitens weist die Federscheibe scharfe Kanten an ihrer Schlitzöffnung auf. Beim Anziehen werden diese Kanten sowohl in die Unterseite des Schraubenkopfes (oder der Mutter) als auch in die Oberfläche des eingespannten Bauteils gepresst. Dieser mechanische Verkeilungseffekt erhöht den Reibungswiderstand gegen Rotation erheblich und erzeugt einen lokalen Presssitz, der eine Relativbewegung zwischen dem Verbindungselement und den verbundenen Teilen verhindert.

Außerdem führt das schraubenförmige Profil der Federscheibe zu einem leichten Winkelversatz zwischen ihrer Ober- und Unterseite. Diese Geometrie führt zu einer variablen Druckverteilung über den Umfang der Scheibe, was ihre Fähigkeit verbessert, selbst bei kleinen Verformungen oder Setzungen der Verbindung einen gleichmäßigen Anpressdruck aufrechtzuerhalten.

Es ist wichtig zu beachten, dass Federringe zwar diese Vorteile der Verriegelung bieten, ihre Wirksamkeit jedoch von Faktoren wie Materialeigenschaften, Oberflächenbeschaffenheit und den spezifischen Belastungsbedingungen der Anwendung abhängen kann. Bei kritischen Verbindungen werden sie oft in Verbindung mit anderen Sicherungsmethoden eingesetzt, um optimale Sicherheit zu gewährleisten.

Wie sieht es mit der Anti-Locker-Wirkung des Federrings aus?

Federscheiben werden aufgrund ihrer Kosteneffizienz und einfachen Installation häufig in verschiedenen mechanischen Baugruppen eingesetzt. Sie werden sowohl in tragenden als auch in nicht tragenden Bauteilen eingesetzt, insbesondere in Systemen, die häufig montiert und demontiert werden müssen.

Die Wirksamkeit von Federringen als Lockerungsschutz ist jedoch begrenzt und wird in Fachkreisen diskutiert. Jüngste Studien und industrielle Praktiken haben gezeigt, dass ihre Leistung bei der Verhinderung von Lockerungen unter dynamischen Lasten und Vibrationen nicht so zuverlässig ist wie einst angenommen. In der Tat ist ihre Verwendung bei Anwendungen mit hoher Zuverlässigkeit, insbesondere bei kritischen tragenden Verbindungen, in fortgeschrittenen Produktionsregionen wie Europa und Nordamerika zurückgegangen.

Die Grenzen von Federringen haben zu einer Verlagerung hin zu effektiveren Befestigungslösungen geführt. In der Luft- und Raumfahrt- sowie in der Militärindustrie gibt es zum Beispiel einen wachsenden Trend, herkömmliche Federringe durch bessere Alternativen zu ersetzen. Die chinesische Akademie für Raumfahrttechnologie hat Berichten zufolge die Verwendung von Federringen aus Stahl in bestimmten Anwendungen aufgrund von Sicherheitsbedenken, einschließlich der Gefahr von Wasserstoffversprödung und Ermüdungsbruch bei zyklischer Belastung, verboten.

Moderne Befestigungstechnologien wie Keilsicherungsscheiben, chemische Gewindesicherungen und spezielle Sicherungsmuttern werden zunehmend in kritischen Anwendungen eingesetzt. Diese Alternativen bieten eine bessere Beständigkeit gegen vibrationsbedingtes Lösen und eine höhere langfristige Zuverlässigkeit, insbesondere in stark beanspruchten Umgebungen.

Es ist wichtig, darauf hinzuweisen, dass Federringe zwar in weniger kritischen Anwendungen immer noch ihren Platz haben können, Ingenieure jedoch bei der Auswahl von Befestigungsmethoden die spezifischen Anforderungen jeder Baugruppe, einschließlich der Belastungsbedingungen, der Vibrationsbelastung und der Sicherheitsauswirkungen, sorgfältig berücksichtigen sollten. Für Anwendungen, die eine hohe Zuverlässigkeit und Sicherheit erfordern, sollten fortschrittlichere Lösungen zur Schraubensicherung evaluiert und implementiert werden.

Sicherungsgehäuse mit Federring

Für die Verbindung zwischen Achsgetriebe und Achsgehäuse werden Schrauben der Güteklasse 10.9 M16 x 100 mit einem Anzugsdrehmoment von (280+20) N-m verwendet, die mit einer elektrischen Präzisionsanzugsmaschine angezogen werden. Die Änderung des Drehmoments mit dem Drehwinkel während des Anziehens der Schraube wurde mit und ohne Federring gemessen.

Der Vergleich der Drehmoment-Winkel-Kurven zeigte, dass bei Verwendung eines Federrings stets ein Voranziehdrehmoment von etwa 10 N-m auftrat, während das Schraubendrehmoment ohne Federring bei 0 N-m blieb, bevor es deutlich anstieg. Dies deutet darauf hin, dass die Federscheibe mit einem Schraubenvoranziehdrehmoment von etwa 10 N-m vollständig abgeflacht werden kann. Diese Schlussfolgerung wurde durch eine Prüfung mit einem digitalen Drehmomentschlüssel bestätigt, die ergab, dass das Schraubendrehmoment 20 N-m nicht erreicht hatte und die Federscheibe vollständig abgeflacht war.

Diese Ergebnisse zeigen, dass die Federscheibe nur eine elastische Kraft von 10 N-m aufbringt, was im Vergleich zum Voranziehdrehmoment der Schraube von 280 N-m vernachlässigbar ist. Außerdem reicht eine so geringe Kraft nicht aus, um die scharfen Ecken an der Kerbe des Federrings in die Oberfläche der Schraube und des verbundenen Teils einzubetten. Bei der Demontage wurden keine offensichtlichen Einbettungsspuren auf den Oberflächen der Schraube und des Verbindungsteils festgestellt.

Dadurch kann die Anti-Locker-Wirkung der Federscheibe auf den Bolzen vernachlässigt werden.

Das Hinzufügen einer Unterlegscheibe zwischen der Schraube und dem verbundenen Teil kann ein weiteres potenzielles Sicherheitsrisiko darstellen, wenn die Unterlegscheibe Qualitätsprobleme aufweist. Bei hohen Schraubendrehmomenten (mehr als 200 N-m) ist die Verwendung einer Federscheibe als Sicherungsmechanismus nicht effektiv und kann sogar schädlich sein. Unter dem Einfluss von Stößen, Vibrationen und variablen Lasten kann die Vorspannung plötzlich verschwinden, was dazu führt, dass sich die Verbindung löst.

Auch die NASA hat die Grenzen der offenen Federscheiben erkannt. Im Kapitel über Sicherungsmuttern in der NASA-Norm heißt es: "Die typische Schraubenfederscheibe ... dient als Feder, während die Schraube angezogen wird. Die Unterlegscheibe ist jedoch normalerweise flach, wenn die Schraube vollständig angezogen ist. Zu diesem Zeitpunkt entspricht sie einer massiven flachen Unterlegscheibe, und ihre Sicherungsfähigkeit ist nicht mehr gegeben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass diese Art von Sicherungsscheibe zum Sichern unbrauchbar ist."

In der folgenden Abbildung sind Auszüge aus dem Originaltext zu sehen. Einige Fachleute vertreten jedoch eine andere Meinung. Was ist Ihre Meinung dazu?