Schraubenvorspannungsberechnung: Warum verursacht der Verlust der Schraubenvorspannung Ermüdung von Verbindungen in Hochvibrations-Automobilanwendungen?
Schnelle Antwort:
Die Schraubenvorspannung ist die Spannung, die beim Anziehen in der Verbindungselement induziert wird. Sie komprimiert die verbundenen Teile und verhindert deren Trennung aufgrund von Vibrationen und angelegten Lasten. Wenn die Vorspannung abnimmt, beginnt die Verbindung bei jedem Lastzyklus zu wackeln und sich zu öffnen. Daher wirkt die zyklische Last stärker auf die Schraube, was ihr Spannungsniveau erhöht und zu Ermüdungsversagen führt. Die Berechnung der Schraubenvorspannung kann helfen, die Klemmkraft zu bestimmen, die bei einem bestimmten angelegten Drehmoment erzeugt wird. Es gibt viele Faktoren, die den Prozess beeinflussen und erhebliche Abweichungen verursachen können. CNRL stellt Automobil-Verbindungselemente für Motor, Fahrgestell, Getriebe und andere Anwendungen her. Das Produktionssystem für die Automobilindustrie ist nach dem IATF 16949 Standard zertifiziert.
Warum ist die Vorspannung die versteckte Kraft in einer Automobilverbindung?
Eine mechanische Verbindung funktioniert aufgrund der Spannung eines Verbindungselements auf die verbundenen Oberflächen, die diese komprimiert, noch bevor eine Last auf die Verbindung wirkt.
Während des Betriebs des Systems wirken Vibrationen, Fahrstöße, Motorbewegungen und Drehmomentschwankungen auf die Verbindung. Wenn eine ausreichende Vorspannung vorhanden ist, wirkt ein Großteil der Last auf die komprimierten Komponenten der Verbindung und nicht auf die Schraube.
Dies ist wichtig, da die Ermüdung stark vom Spannungsbereich abhängt. Eine korrekt vorgespannte Verbindung hält geringe zusätzliche zyklische Spannungen an der Schraube aufrecht.
Was passiert, wenn die Vorspannung verloren geht?
Dieser Prozess ist ziemlich vorhersehbar. Wenn die Vorspannung abnimmt, verringert sich die Klemmkraft zwischen den Verbindungen. Somit können die Grenzflächen gleiten oder sich sogar trennen, wenn sie dynamischen Lasten ausgesetzt sind.
Größere Last geht entweder in Form von Zug oder Biegung auf die Schraube über. Dies führt zu erhöhten Spannungsniveaus, die zu Ermüdung oder Rissbildung führen.
Dies ist besonders wichtig in den Bereichen Motorlagerungen, Antriebsstrangmontagen, Fahrwerksteile, Abgasanlage und Fahrgestellverbindungen.
Was ist Schraubenvorspannung??
Es ist eine axiale Zugkraft, die nach dem Anziehen in eine Schraube induziert wird. Diese Zugkraft dehnt die Schraube leicht. Das andere Phänomen, das auftritt, ist, dass die beiden verbundenen Oberflächen von der Schraube komprimiert werden.
Diese Kompression führt zu einer Last, die als Klemmkraft bezeichnet wird. In einer einfach belasteten Verbindung sind die Vorspannung und die Klemmkraft betragsmäßig gleich, aber entgegengesetzt gerichtet.
Warum beeinflusst die Vorspannung die Ermüdung?
Eine ausreichende Vorspannung stellt sicher, dass die Verbindungsflächen komprimiert sind. Auf diese Weise gibt es keine Trennung, und die Reibung zwischen den Komponenten übernimmt den größten Teil der angelegten externen Last.
Wenn die Vorspannung zu gering ist, beginnt sich die Verbindung bei jedem Zyklus zu öffnen und zu schließen. Die Last, die die Schraube aufnimmt, erhöht sich erheblich.
Die Vibration der Verbindung kann ein Beispiel für die Ursache der Vorspannungsreduzierung sein. Querbewegung kann zu rotatorischer Lockerung der Verbindungsflächen und Gewinde führen.
Wie wird die Schraubenvorspannung berechnet?
Eine grundlegende Schraubenvorspannungsformel verwendet Anzugsdrehmoment, Schraubendurchmesser und einen Mutterfaktor:
Fi = T / (K × d)
Hier ist Fi die geschätzte Vorspannung, T ist das Anzugsdrehmoment, K ist der Mutterfaktor und d ist der Nenndurchmesser der Schraube.
Betrachten Sie zum Beispiel eine M12-Schraube der Klasse 10.9 mit einer Zielvorspannung von 50 kN. Bei einem Mutterfaktor von 0,20:
T = K × d × Fi
T = 0,20 × 0,012 × 50.000 = 120 N·m
Daher würde 120 N·m unter den angenommenen Bedingungen eine Vorspannung von etwa 50 kN schätzen.
Warum die Berechnung nur eine Schätzung ist
Das Drehmoment misst nicht direkt die Schraubenspannung. Ein Großteil des angelegten Drehmoments wird durch Reibung an Gewinde und Auflageflächen verbraucht.
Der Mutterfaktor kann sich mit Schmierung, Beschichtung und Oberflächenbeschaffenheit ändern. Die Forschung stellt fest, dass diese Änderungen erhebliche Vorspannungsfehler verursachen können, selbst wenn das Drehmoment sorgfältig kontrolliert wird.
Für kritische Verbindungen können Ingenieure die Winkelsteuerung oder die direkte Spannungsmessung verwenden. Detailliertere Verbindungsberechnungen können auch Gewindegröße, Reibung und Verbindungssteifigkeit berücksichtigen.
Welche Vorspannungsfehler können Verbindungsprobleme verursachen?
Sowohl unzureichende als auch übermäßige Vorspannung können Probleme verursachen. Der richtige Wert hängt vom Verbindungselement, dem Verbindungsdesign und den Einsatzbedingungen ab.
Zu geringe Vorspannung
Untervorspannung reduziert den Reibungseingriff zwischen den Verbindungsteilen. Vibrationen können dann zu Bewegung, Lockerung und höherer zyklischer Spannung in der Schraube führen. Das Ergebnis kann Ermüdungsversagen, Trennung der Verbindung oder Leckage in abgedichteten Baugruppen sein.
Zu hohe Vorspannung
Übermäßige Vorspannung kann die Schraube über ihren vorgesehenen Spannungsbereich hinaus belasten. Sie kann auch Gewinde beschädigen oder die verbundenen Teile verziehen. Die Verwendung einer hochfesten Schraube löst das Problem nicht automatisch. Die Verbindung muss immer noch um die richtige Vorspannung und Lastbedingungen herum ausgelegt werden.
Reibung und Montagebedingungen
Ein häufiger Fehler ist die Anwendung eines generischen Drehmomentwerts ohne Berücksichtigung des tatsächlichen Oberflächenzustands des Verbindungselements.
Beispielsweise kann die Verwendung eines trockenen Drehmomentwerts auf einem geschmierten Verbindungselement eine viel höhere Vorspannung als beabsichtigt ergeben. Deshalb sollten Drehmomentspezifikationen mit dem angegebenen Verbindungselement und den Montagebedingungen übereinstimmen.
CNRLs Schraubendrehmoment-Diagramm-Leitfaden bietet zusätzliche Informationen zu Drehmomentspezifikationen.
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Weitere DetailsWie unterstützt CNRL eine konsistente Leistung von Automobil-Verbindungselementen?
Eine berechnete Vorspannung ist nur nützlich, wenn die Abmessungen des Verbindungselements, Material, Zugfestigkeitund der Oberflächenzustand den Designanforderungen entsprechen.
CNRL stellt her Befestigungselemente für Kraftfahrzeuge für Fahrzeuganwendungen, einschließlich Schrauben und anderer Befestigungskomponenten. Die Automobilproduktion umfasst Verbindungselemente der Festigkeitsklassen 4.8 bis 12.9 mit verschiedenen Durchmessern und Längen.
Das Unternehmen unterhält außerdem Zertifizierungen nach IATF 16949, ISO 14001 und ISO 45001. Diese Systeme unterstützen eine kontrollierte Produktion und Qualitätsmanagement über seine Fertigungsbetriebe hinweg.
Für Automobilanwendungen kann CNRL anhand von Zeichnungen, Spezifikationen und Anwendungsanforderungen arbeiten, wenn Verbindungselemente für eine bestimmte Verbindung entwickelt werden.
Die richtige Vorspannung hängt von mehr als nur dem Drehmoment ab. Schraubenqualität, Geometrie, Reibung, Verbindungssteifigkeit, Vibration und Betriebsbedingungen spielen alle eine Rolle.
Kontakt Das Ingenieurteam von CNRL bespricht die Vorspannungsspezifikationen und die Anforderungen an Kfz-Verbindungselemente für eine bestimmte Anwendung.
