Verbindungselemente vs. Vibration

Durch Vibration, Ausdehnung und Kontraktion kann es zu seitlichen Gewindebewegungen kommen, die zu einer Lockerung und letztendlich zum Versagen des Befestigungselements führen (links). Befestigungselemente, die Dichtungen befestigen, müssen regelmäßig nachgezogen werden, um dem Druckverformungsrest der Dichtung im Laufe der Zeit entgegenzuwirken. Andernfalls kommt es zu einer Lockerung der Befestigungselemente und ihre Leistung nimmt ab. Grafiken mit freundlicher Genehmigung von Henkel Corp.

Selbstklemmende Sicherungsmuttern vom Typ SL verfügen über verformte Gewinde und eine Tri-Dent-Sicherungsfunktion, die ein Lösen der Befestigungselemente aufgrund von Vibrationen verhindert. Foto mit freundlicher Genehmigung von PennEngineering

Der Analyze-Tester von Schatz USA misst verschiedene Eigenschaften mechanischer Verbindungselemente. Dazu gehören die Reibungskoeffizienten der Gewinde-, Kopf- oder Mutterauflagefläche. Foto mit freundlicher Genehmigung von Bossard North America

Die Delta PT-Gewindeformschraube für Kunststoff verfügt über einen 30-Grad-Helixwinkel, der sich schnell in einen 20-Grad-Winkel zurückdreht, um einen ungehinderten Materialfluss während der Installation zu gewährleisten. Durch die Flanken der Schraube entstehen Scherbereiche, die hohe Klemmkräfte erzeugen. Foto mit freundlicher Genehmigung von Semblex Corp.

Jedes Jahr sehen Fans der Winter Was die Fans nicht sehen, ist der andauernde Kampf zwischen Befestigungselementen und Vibrationen in jeder Schraubverbindung des Schneemobils.

Polaris Industries Inc. ist ein führender Hersteller von Schneemobilen und sponsert das Polaris Racing-Team, das an der Snowcross-Rennstrecke teilnimmt. Die Mitglieder des Teams gewinnen häufig Medaillen bei den X Games und anderen Snowcross-Events. Die Konstrukteure von Polaris schreiben immer die Verwendung von Loctite-Schraubensicherungen für Befestigungselemente vor, um diese sicher zu halten.

„Wir verwenden Schraubensicherungen [auf Befestigungselemente] in allen unseren SDI-Motoren“, sagt Jason Miller, Produktmanager für Schneemobile bei Polaris Industries. „Eine sehr kritische Schnittstelle ist die Halterung zwischen Motor und Chassis, wo es zu extremen Vibrationen und Temperaturschwankungen kommt.“

Loctite 242 Schraubensicherung wird mit einer Handpumpe auf die Halterungen aufgetragen. Die Pumpe stellt sicher, dass Monteure die richtige Produktmenge verwenden. Loctite 243 wird auf die Kontermutter der Antriebskupplung des Schneemobils sowie auf die Zahnkranzbaugruppe der Kupplung aufgetragen.

Schraubensicherungen sind eine von vier Arten von Produkten, die speziell entwickelt wurden, um das Lösen von Befestigungselementen aufgrund von Vibrationen zu verhindern. Die anderen drei sind Spezialschrauben, Bolzen und Muttern. Sie alle tragen dazu bei, dass die Schraubenverbindungen genauso stark bleiben wie am Tag ihrer ersten Montage.

Obwohl Vibrationen eine häufige Ursache für das Lösen von Befestigungselementen sind, sollten Hersteller nicht davon ausgehen, dass sie immer die Ursache sind, empfiehlt Ken Gomes, Vizepräsident für Technik und Produktentwicklung bei REMINC. Eine Lockerung kann das Ergebnis eines Vorspannungsverlusts aufgrund der Einbettung sein, der auftritt, wenn sich die passende Metalloberfläche während der Installation des Befestigungselements verzieht, verformt oder seine Abmessungen ändert. Das Einbetten führt zu einer Entspannung des Befestigungselements und macht es anfällig für Versagen durch Ermüdung.

Eine weitere Ursache für Lockerungen sind Unterschiede zwischen den Reibungskoeffizienten der Verbindungsmaterialien und der Schraubverbindungen. Jede Verringerung der Reibung im Gewinde, unter dem Schraubenkopf oder an der Mutternfläche kann zu einer Verringerung der Gesamtklemmkraft in der Verbindung führen.

Bossard North America testet die von ihm gelieferten Verbindungselemente häufig mit dem Analyze-Tester von Schatz USA. Dieses Gerät folgt der internationalen Norm ISO 16047 zur Bestimmung verschiedener Anzugseigenschaften mechanischer Verbindungselemente. Dazu gehören der Gesamtreibungskoeffizient; die Reibungskoeffizienten der Gewinde-, Kopf- oder Mutterauflagefläche; Vorspannkraft an der Streckgrenze; und Bruchkraft. Joe Stephan, Anwendungstechniker bei Bossard, sagt, dass sein Unternehmen das Gerät häufig zum Testen von Verbindungselementen verwendet, die es an John Deere liefert.

Korrosion, ungleichmäßige Belastung einer Verbindung und unsachgemäße Schraubensicherungsflicken können dazu führen, dass sich ein Befestigungselement lockert. Flicken, die die Oxidschicht auf Edelstahlbefestigungen und -muttern zerstören, können dazu führen, dass diese festfressen oder kalt verschweißen. Wenn das Festziehen fortgesetzt wird, sobald das Festfressen beginnt, kann sich der Kopf des Befestigungselements abdrehen oder sein Gewinde kann sich lösen, was die Wahrscheinlichkeit einer Lockerung erhöht.

Ein Befestigungselement kann einer oder mehreren Arten von Vibrationen ausgesetzt sein, einschließlich axialer, transversaler, orbitaler (versetzt kreisförmiger) und zufälliger Vibration. Abhängig von der Verbindung kann eine Kombination von Vibrationen das Befestigungselement lockern oder keinen Einfluss darauf haben. Sie könnten sogar die Verbindung festziehen.

Axiale oder parallele Vibrationen verlaufen entlang der Achse des Befestigungselements und können die Vorspannung über einen längeren Zeitraum um 30 bis 40 Prozent reduzieren. Wenn diese Vibrationen stark sind, kann es auch zu einer periodischen Ausdehnung der Mutter kommen. Starke Querschwingungen senkrecht zur Schraubenachse können zum völligen Verlust der Vorspannung führen.

„Vibrationen, die genau im rechten Winkel auf ein Verbindungselement einwirken, sind am schlimmsten“, erklärt Gomes. „Es bewirkt eine Lockerung durch Rückwärtsdrehbewegung, was den Weg mit dem geringsten Widerstand darstellt. Schwankende Vibrationen sind ebenfalls schlecht. Es stößt sozusagen immer wieder auf den Verschluss und löst ihn so.“

Der Junker-Test, benannt nach dem deutschen Ingenieur Gerhard Junker, ermöglicht es Herstellern, den Punkt zu bestimmen, an dem eine Schraubenverbindung ihre Vorspannung verliert, wenn sie einer Scherbelastung durch Querschwingungen ausgesetzt wird. Der 1969 entwickelte Test dauert 62 Sekunden. Während dieser Zeit wird ein Verbindungselement 2.000 Zyklen Quervibration ausgesetzt. Die Hublänge jedes Zyklus entspricht 10 Prozent des Durchmessers des Befestigungselements. Diese Prüfung ist Teil der internationalen Verbindungsnormen DIN 65151 und DIN 25201-4.

Zusammengebaute Produkte unterliegen während des Transports zu ihren Endbenutzern häufig schwankenden Vibrationen. Laut Jarrod Neff, Marketingmanager für Visumatic Industrial Products, übertragen alle Transportmittel – Fahrzeuge, Schienen oder Flugzeuge – Vibrationen auf die Produkte. Visumatic ist auf automatisierte Befestigungssysteme spezialisiert.

„Der LKW oder das Flugzeug schüttelt die Kiste, und die Kiste schüttelt das Produkt darin“, sagt Neff. „Es ist wirklich schwierig, das Produkt vor Vibrationen zu isolieren. Deshalb tragen wir normalerweise eine semipermanente blaue Schraubensicherung von Loctite auf jedes Befestigungselement auf und machen eine kleine Farbmarkierung, um anzuzeigen, wo sich die Oberseite des Schraubenkopfes befinden sollte, wenn das Befestigungselement richtig angezogen ist.“

Der anhaltende Trend zu leichteren, kleineren Produkten erhöht tendenziell die Vibrationen in einem Gelenk, behauptet Gene Simpson, Vizepräsident für Qualität und Technik bei Semblex Corp. Simpson sagt, dass diese beiden Trends manchmal Hand in Hand gehen können. Beispielsweise vibrieren leichtere Materialien stärker, während kleinere Verbindungselemente im Allgemeinen weniger Vibrationen aushalten. Infolgedessen sind Befestigungselemente in kleinen, leichten Produkten anfälliger für Lockerungen, es sei denn, es werden Designoptionen in Betracht gezogen, um diesem Risiko zu begegnen. Zu diesen Optionen können spezielle Gewindekonstruktionen, Schraubensicherungsmaterialien oder Sicherungsmuttern gehören.

Ermüdete Verbindungselemente können reißen – insbesondere solche in stark beanspruchten Verbindungen und solche mit inhärenten Mikrorissen und anderen Mängeln. Solche Befestigungselemente können bei Bruch nach außen geschleudert werden, anstatt einfach zu Boden zu fallen, was eine Gefahr für Arbeiter und Ausrüstung darstellt.

Hersteller von Unterhaltungselektronik bevorzugen zunehmend spezielle Mikro-Befestigungselemente wie TackPin-Befestigungselemente vom Typ TA gegenüber Schrauben. Ein Hersteller verwendet die eindrückbaren TackPin-Befestigungselemente zum Zusammenbauen von Computertastaturen, da sie sich aufgrund von Vibrationen nicht lösen oder zurückziehen, sagt Doug McLeod, leitender Anwendungsingenieur bei PennEngineering.

„Mehr als 100 Schrauben, jede mit einem Schraubensicherungspflaster behandelt, wurden manuell angebracht, um eine superdünne Membran an einem sehr dünnen Substrat innerhalb der Tastatur zu befestigen“, erklärt McLeod. „Jetzt werden weniger Stifte benötigt und die Installation dauert mit einer automatisierten Maschine (der M1500 von DWFritz Automation Inc.) etwa eine Minute.“

Jährlich werden Milliarden von TapTite- und TapTite 2000-Gewindeformschrauben installiert, hauptsächlich von Monteuren bei Ford Motor Co., General Motors Corp. und ihren Tier-1-Zulieferern. Im Gegensatz zu Standardschrauben mit dreieckigem Gewinde verfügen diese Hochleistungsschrauben über einen trilobularen Gewindekörper mit dreieckigem statt kreisförmigem Querschnitt.

Die trilobulare Form erfordert ein geringes Drehmoment beim Gewindeformen. Es erzeugt außerdem starke Gegengewinde für eine hohe Vibrations- und Abisolierfestigkeit. Laut Gomes verfügen die ursprünglichen TapTite-Schrauben über 60-Grad-Gewinde, obwohl die Gewindeflanken der 2000er-Serie ein konvexes Radiusprofil aufweisen, das das Gewindeformen bei einem geringeren Drehmoment ermöglicht.

Die Verbindungselemente FasTite 2000 und Powerlok II von REMINC verfügen außerdem über trilobulare Gewinde. Optionale Unterkopfverzahnungen am FasTite 2000 erhöhen den Widerstand gegen Lockerung und Abstreifen bei Anwendungen mit dünnen Blechen. Die Doppelwinkel-Gewindeform des Powerlok II verfügt über eine 30-Grad-Spitze, die eine Verriegelung durch „gespeicherte Energie“ erzeugt. Diese Verriegelung wird durch Vibration oder Temperatur nicht beeinflusst. Powerlok II-Schrauben werden in Gewindemuttern verwendet.

Eine weitere gewindefurchende Schraube ist die Rolok von Semblex. Jedes seiner Gewinde weist drei asymmetrische Lappen auf, die passende Gewinde in der Mutter oder dem Mutternelement bilden.

„Aufgrund seines spiralförmigen Profilkörpers greift der Befestiger vollständig in Aluminium-C-Profile und unrunde Löcher ein“, sagt Simpson. „Nach der Installation weist die Gewindegeometrie eine natürliche Vibrationsfestigkeit auf.“

Die Schraube kann in Stahl, Aluminium, Bronze, Messing und jedem Edelstahl mit ausreichender Duktilität zur Bildung passender Gewinde verwendet werden. Laut Simpson wird es in zahlreichen Branchen eingesetzt, darunter in der Automobil-, Elektronik-, Schwermaschinen- und Home-Entertainment-Branche.

Für Kunststoffanwendungen bietet Semblex die gewindefurchende Schraube Delta PT an. Sein 30-Grad-Helixwinkel geht schnell in einen 20-Grad-Winkel zurück und ermöglicht so einen ungehinderten Fluss des Kunststoffs während der Installation. Durch die Flanken der Schraube entstehen Scherbereiche, die hohe Klemmkräfte erzeugen.

Laut Simpson reduziert der abgewinkelte Kerndurchmesser der Schraube die Spannung beim Gewindeformen, während der niedrige Spiralwinkel das Herausdrehen der Schraube bei dynamischen Anwendungen verhindert. Beide Merkmale maximieren den Kontakt mit dem Kunststoff. Das Gesamtdesign verbessert die Gelenkstabilität, indem es das Kriechen reduziert und das Losbrechmoment erhöht.

Hersteller in einer Vielzahl von Branchen – von U-Booten bis hin zu Möbeln – verwenden die Schraubensicherung Nuts N' Bolts 434 von Hernon Manufacturing Inc. Seine thixotropen Eigenschaften ermöglichen eine einfache Anwendung, bemerkt Edgardo Rodriguez, Vertriebs- und Marketingleiter bei Hernon Manufacturing Inc.

Die blaue Schraubensicherung eignet sich gut für Gewindebefestigungen und Muttern, die plattiert sind oder aus passiven Materialien wie Edelstahl bestehen. Es kann auf nicht makellose Oberflächen aufgetragen werden und härtet anaerob aus. Behandelte Befestigungselemente und Muttern können mit handelsüblichen Handwerkzeugen entfernt werden.

Hernon stellt auch kundenspezifische Schraubensicherungen her. Rodriguez sagt, dass ein Elektronikhersteller eine kundenspezifische Schraubensicherung auf Befestigungselemente aufträgt, die für den Zusammenbau eines speziellen Verbraucherradios verwendet werden. Für diese großvolumige Anwendung ist die Schraubensicherung so formuliert, dass sie die Schrauben auch bei Temperaturen unter dem Gefrierpunkt fest hält.

Im Jahr 2010 führte Henkel Corp. mehrere robuste Schraubensicherungen ein, die auf firmeneigenen Untersuchungen basieren und einen Marktbedarf an Produkten erkennen ließen, die keine Reinigung oder Grundierung der Verbindungselemente erfordern. Eine davon ist Loctite 243, eine universelle, mittelstarke blaue Schraubensicherung.

Doug Lescarbeau, Marktentwicklungsmanager bei Henkel Corp., sagt, dass die grundierungslose Schraubensicherung kleinere Oberflächenverunreinigungen durch verschiedene Öle wie Schneid-, Schmier-, Korrosionsschutz- und Schutzflüssigkeiten toleriert. Es eignet sich gut für Verbindungselemente mit einer Breite von 0,25 bis 0,75 Zoll in Hochtemperaturumgebungen (bis zu 180 °C). Behandelte Befestigungselemente können mit Handwerkzeugen entfernt werden.

Ein weiterer robuster Schraubensicherungslack ist Loctite 263, der für dauerhafte Sicherung und Abdichtung sorgt. Das rote Produkt eignet sich besonders für hochfeste Anwendungen, wie z. B. Stehbolzen in Motorgehäusen und Muttern auf Stehbolzen in Pumpengehäusen. Seine Viskosität beträgt 450 Centipoise.

Das Unternehmen stellt außerdem Loctite 2047 her, eine Schraubensicherung, die speziell mit Additiven formuliert wurde, um die Schmierfähigkeit zu erreichen, die normalerweise mit metallfreien Anti-Seize-Schmiermitteln erreicht wird. Sein langsames Aushärteprofil ermöglicht das Anziehen mehrerer Schrauben in einer einzigen Baugruppe vor dem Aushärten. Alle Loctite-Schraubensicherungen härten anaerob aus.

Einpressbefestiger sind auch mit Anti-Vibrations-Eigenschaften erhältlich. Selbstsichernde Sicherungsmuttern und Muttern von PennEngineering mit vorherrschendem Drehmoment halten den Drehmomentwert eines Befestigungselements unabhängig von der Höhe der aufgebrachten Axiallast aufrecht. Sicherungsmuttern vom Typ SL haben verformte Gewinde und eine Tri-Dent-Sicherungsfunktion, die ein Lösen aufgrund von Vibrationen verhindert. Laut McLeod nutzen Autohersteller sie zur Sicherung von Innentürkomponenten.

Die vor Kurzem eingeführten selbstklemmenden schwimmenden Muttern vom Typ PEM Typ LA4 verfügen über elliptisch gequetschte Gewinde, die sich um bis zu 0,03 Zoll anpassen lassen, um die Ausrichtung der Passlöcher sicherzustellen. LA4-Muttern werden in dünne Edelstahlbleche eingebaut. Ein weiterer Sicherungsbefestiger vom Typ CFN ist für randnahe Anwendungen konzipiert. Wenn die Schraube in den Nylonring (blau oder schwarz) der CFN-Mutter eindringt, erzeugt eine Interferenz am Gewindesteigungsdurchmesser ein vorherrschendes Drehmoment.

„Wenn Schrauben für kritische Anwendungen ordnungsgemäß installiert werden, bleiben sie trotz extremer anhaltender Vibrationen immer fest“, schließt Gomes. „Wenn sie es nicht täten, würden unsere Autos während der Fahrt auseinanderfallen.“

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Weitere Informationen zu schwingungsdämpfenden Verbindungselementen finden Sie unter www.assemblymag.com, wo Sie die folgenden Artikel lesen können:

Jim ist leitender Redakteur von ASSEMBLY und verfügt über mehr als 30 Jahre redaktionelle Erfahrung. Bevor er zu ASSEMBLY kam, war Camillo Herausgeber von PM Engineer, Association for Facilities Engineering Journal und Milling Journal. Jim hat einen Abschluss in Englisch von der DePaul University.