Fehleranalyse von Befestigungselementen: Was verursacht Ermüdungsbruch und Wasserstoffversprödung von Automobilbefestigungselementen unter dynamischer Last?

Schnelle Antwort:

Schrauben, die in Automobilen verwendet werden, können aufgrund von Ermüdung, Scherung, korrosionsbedingten Rissen oder durch Vibrationen verursachten Lockerungen versagen. Dynamische Belastungen machen diese Probleme weitaus gefährlicher, da Motorvibrationen, Stöße von Straßen, Bremsen und Vibrationen des Fahrwerks dazu führen, dass sich die Kräfte auf eine Verbindung kontinuierlich ändern.

Die Analyse von Schraubenversagen muss unter Berücksichtigung des Bruchs, des Zustands der Verbindung, der Schraubenbelastung, der Korrosion und der Montagehistorie durchgeführt werden. Die Stelle, an der der Riss oder Bruch aufgetreten ist, kann helfen zu bestimmen, welche Art von Problem für das Versagen verantwortlich war. CNRL produziert verschiedene Arten von Befestigungselemente für Kraftfahrzeuge, darunter Schrauben, Bolzen, Gewindestifte, Muttern und andere, für Motoren, Fahrgestelle, Getriebe, Bremsen und Sicherheitssysteme.

Warum kann ein Schraubenversagen in Automobilanwendungen kostspielig werden?

Eine einfache Schraube kann einen großen Einfluss auf ein großes Fahrzeugmontagesystem haben. Wenn eine entscheidende Schraube ihre Klemmfähigkeit verliert oder bricht, kann es zu Bewegungen von Teilen über ihre vorgesehenen Grenzen hinaus kommen.

Die Folgen wären Geräuschentwicklung, Leckagen, Fehlausrichtungen, Beschädigung von Teilen oder Versagen der Verbindungsfunktionalität. Motor-, Fahrwerks-, Lenkungs-, Getriebe- und Bremssysteme sind besonders anfällig, da sie Schrauben aufweisen, die dynamischen Belastungen ausgesetzt sind.

Dynamische Belastung bedeutet auch, dass sich ein Versagen allmählich entwickeln kann. Eine Schraube kann Tausende von Zyklen überstehen, bevor ein kleiner Riss so weit wächst, dass er zu einem endgültigen Bruch führt. Deshalb kann es zu einem Ermüdungsbruch von Schrauben kommen, auch wenn die angelegte Last niemals groß genug erscheint, um die Schraube in einem Ereignis zu brechen.

Was sind die gängigen Automobil- Schraubenversagensarten?

Die Hauptversagensarten von Schrauben hinterlassen nicht alle die gleichen Spuren. Das Verständnis, wie sich jede entwickelt, hilft Ingenieuren, die Ursache zu ermitteln, anstatt einfach das gebrochene Teil zu ersetzen.

Ermüdungsbruch

Ermüdung entsteht, wenn eine Schraube wiederholten Spannungsänderungen ausgesetzt ist. Ein kleiner Riss könnte sich am Gewindegrund oder sogar an der Oberfläche der Schraube zu entwickeln beginnen.

Mit jedem Lastzyklus kann der Riss wachsen, bis die Schraube so weit reduziert ist, dass sie die Last nicht mehr tragen kann, was zu einem plötzlichen Bruch führt.

Die Situation wird durch eine unzureichende Vorspannung verschlimmert, die zu einer Trennung oder einem Verrutschen der Verbindung führt und erhöhte zyklische Lasten in der Schraube zur Folge hat.

Es ist daher unerlässlich, dass die Analyse des Schraubenversagens über die reine Untersuchung der ausgefallenen Schraube hinausgeht.

Scherversagen

Scherversagen ist das Ergebnis von Kräften, die quer zur Schraube und nicht axial wirken. Dies kann der Fall sein, wenn es zu einer Gleitbewegung zwischen den beiden verbundenen Teilen kommt.

Ursachen für Scherversagen von Schrauben sind Überlastung der Verbindung, Verwendung von Schrauben mit falscher Größe, Güte, Konstruktion oder unzureichende Klemmkraft.

Die Klemmkraft ist in solchen Fällen besonders wichtig. In den meisten Fällen widersteht die Reibung zwischen den geklemmten Oberflächen einer Verbindung der Bewegung. In Fällen, in denen die Klemmkraft reduziert ist, beginnen die Teile jedoch zu verrutschen, bis der Schraubenschaft unter Scherbeanspruchung gerät.

Korrosionsbedingter Ausfall

Korrosion führt zu einer Reduzierung der Querschnittsfläche der Schraube. Zusätzlich verursacht sie Lochfraß, der zu Spannungskonzentrationen führt. Diese sind besonders wichtig an Orten mit Streusalz, Feuchtigkeit, Hitze und chemischem Kontakt in der Nähe von Fahrzeugbereichen wie Unterboden und Auspuffanlagen.

Ein weiteres Problem, das einige hochfeste Stahlschrauben beeinträchtigen kann, ist die Wasserstoffversprödung. Wasserstoff kann durch Herstellungs- und Beschichtungsverfahren oder sogar durch die Umwelt in anfälligen Stahl gelangen.

Der Schrauben wird dadurch anfällig für verzögerte Rissbildung, wenn er Zugspannungen ausgesetzt ist. Anfangs sieht die Schraube in Ordnung aus, reißt aber nach einiger Zeit.

Daher muss die Wahl des Korrosionsschutzes dem Materialtyp, der Festigkeitsklasse, dem Beschichtungsverfahren und der Betriebsumgebung entsprechen. Eine einfach bessere Schraube ist keine Lösung für alle Probleme.

Lockern durch Vibration

Vibrationen brechen eine Schraube nicht immer direkt. Stattdessen kann wiederholte Querbewegung die Klemmkraft allmählich reduzieren.

Sobald die Vorspannung nachlässt, können die Verbindungsflächen zu rutschen beginnen. Die Schraube kann dann größeren zyklischen Spannungen und Bewegungen ausgesetzt sein als vorgesehen.

Die wirksame Verhinderung von Schraubenlockerungen beginnt mit dem Erreichen der spezifizierten Vorspannung. Der Zustand des Gewindes, die Anziehmethode, die Oberflächenbeschaffenheit, die Steifigkeit der Verbindung und die Sicherungsmethode können ebenfalls den Widerstand gegen Lockerung beeinflussen. Dies ist wichtig bei Verbindungen im Fahrwerk, Motor, Fahrgestell und Antriebsstrang, wo Vibrationen während des Fahrzeugbetriebs auftreten.

Wie kann jede Art von Schraubenversagen verhindert werden?

Die Vorbeugung beginnt mit der Anpassung des Schrauben- und Verbindungsdesigns an die tatsächliche Last. Der Austausch einer ausgefallenen Schraube durch eine höhere Festigkeitsklasse, ohne die Ursache zu ermitteln, kann das Problem einfach woanders hin verlagern.

Kontrolle von Ermüdung und Scherung

Die Kontrolle der Ermüdung hängt davon ab, die zyklische Schraubenspannung im vorgesehenen Bereich zu halten. Die richtige Vorspannung hilft, die geklemmten Teile in Kontakt zu halten und reduziert die Bewegung an der Verbindung.

Bei scherbezogenen Problemen sollte die Verbindung auch über ausreichende Klemmkraft und geeignete Schraubenabmessungen für die erwartete Querkraft verfügen. Das Verständnis der tatsächlichen Ursachen für Scherversagen von Schrauben hilft zu bestimmen, ob das Problem von der Last, der Bewegung der Verbindung, der Größe oder der Materialauswahl herrührt.

Management von Korrosion und Wasserstoffrisiko

Die Material- und Beschichtungsauswahl sollte die Exposition gegenüber Wasser, Streusalz, Chemikalien und Temperaturen widerspiegeln. Für anfälligen hochfesten Stahl sind auch Fertigungskontrollen wichtig, da Wasserstoff, der während der Verarbeitung eingebracht wird, zu verzögerten Rissen beitragen kann. Beschichtungsverfahren und erforderliche Nachbehandlungen sollten daher der Schraubenspezifikation entsprechen.

Verhindern, dass Vibrationen die Vorspannung reduzieren

Richtiges Anziehen bleibt zentral für die Verhinderung von Schraubenlockerung. Zu geringe Vorspannung ermöglicht Bewegung, während übermäßiges Anziehen die Schraube dehnen oder beschädigen kann.

Verriegelungsmerkmale können ebenfalls verwendet werden, wo die Verbindung sie erfordert. Dazu können selbstsichernde Muttern oder andere mechanische Verriegelungskonstruktionen gehören. Die gewählte Methode sollte die Verbindung unterstützen und nicht eine falsche Schraube oder Anziehspezifikation kompensieren.

Wie testet CNRL Schrauben vor dem Einsatz in Automobilen?

Tests bieten eine Möglichkeit, Dimensions-, mechanische, Oberflächen- und Materialprobleme zu finden, bevor Schrauben in eine Automobilmontage gelangen.

CNRL listet Zugfestigkeit Prüfmaschinen, Härteprüfgeräte, Salzsprühgeräte, Schichtdickenmessgeräte, Maßprüfgeräte und 3D-Messsysteme unter seinen Prüfressourcen auf. Das Unternehmen verwendet auch Magnetpulver- und Wirbelstromprüfung zur Fehlererkennung in anwendbaren Produktionsprozessen.

Mechanische und Maßprüfungen

Zug- und Härteprüfung helfen zu bestätigen, ob mechanische Eigenschaften die spezifizierten Anforderungen erfüllen. Die Maßprüfung prüft Merkmale wie Durchmesser, Gewingegeometrie und andere Zeichnungsanforderungen.

Diese Prüfungen sind wichtig, da falsche Abmessungen oder mechanische Eigenschaften zu mehreren Schraubenversagensarten.

Oberflächen- und Fehlerinspektion

Salzsprüh- und Schichtdickenprüfungen können spezifizierte Oberflächenbehandlungen bewerten. Magnetpulver- oder Wirbelstromprüfung kann auch helfen, bestimmte Defekte zu erkennen, die durch visuelle Inspektion allein nicht offensichtlich sind.

Zusammen unterstützen diese Kontrollen einen umfassenderen Ansatz zur Analyse von Schraubenversagen. Die Verhinderung von Ausfällen beginnt vor der Installation, indem geprüft wird, ob die Schraube ihren Zeichnungs-, Material-, mechanischen und Oberflächenanforderungen entspricht.

Erfahren Sie mehr über diePrüfzentrumfähigkeiten von CNRL und besprechen Sie die Inspektionsanforderungen für Automobil-Schraubenprojekte.