EJOT SpringHead® – Hoher Vorspannkrafterhalt für anspruchsvolle Anwendungen | OEM & Lieferant I Fachzeitschrift I VEK Verlag

Bei der Gestaltung einer Schraubenverbindung ist die durch die Schraube erzielte Klemmkraft ein wichtiger Designparameter. Sie sorgt dafür, dass die vorgesehenen Verbindungseigenschaften auch bei mechanischer oder thermischer Belastung erhalten bleiben. Mechanische Beanspruchungen der Verbindung äußern sich in Zusatzkräften, die bei der Auslegung berücksichtigt werden können. Thermische Belastungen können sich dagegen auf verschiedene Weise direkt auf die vorhandene Vorspannkraft der Verbindung auswirken.

Einschraub- und Klemmteile – insbesondere bei der gewindefurchenden Verschraubung – bestehen in der Regel nicht aus dem Schraubenwerkstoff, der üblicherweise ein Kohlenstoffstahl ist. Häufig verwendete Materialien für Bau- und Klemmteile sind Aluminium- und Magnesiumlegierungen, Kupferwerkstoffe oder Kunststoffe. All diese Materialien haben gemeinsam, dass sie einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten als der Schraubenwerkstoff haben. Daher kommt es bei der Erwärmung einer Schraubstelle mit derartigen Werkstoffkombinationen zunächst zu einer Erhöhung der Vorspannkraft. Im Gegenzug können allerdings Relaxationseffekte ausgelöst werden, die in der Summe zu einem beschleunigten Abbau der Vorspannkraft führen.

Wenn eine Schraubstelle abgekühlt wird, verringert sich durch den Effekt der unterschiedlichen thermischen Ausdehnung die Vorspannkraft. Beim Erwärmen erhöht sich die Vorspannkraft wieder. Um im Betrieb stets eine der Auslegung entsprechende Vorspannkraft in einer Verbindung zu gewährleisten, kann es daher nötig sein, ein Federelement in die Verbindung zu integrieren, um die Vorspannkraftschwankungen zu minimieren. Idealerweise wird dieses so eingebunden, dass eine automatisierte Verschraubung und Zuführung möglich ist und gleichzeitig eine hohe lokale Flächenpressung vermieden wird, da diese bei empfindlichen Werkstoffen zu Kriecherscheinungen führen kann.

Ein Verbindungssystem, das diese Eigenschaften vereint, ist die sogenannte EJOT SpringHead^® Schraube mit integrierter, unverlierbar aufgewalzter Unterlegscheibe. Bei diesem innovativen Verbindungselement handelt es sich um eine Schraube mit einem angepressten Federelement, das in seiner Wirkung einer Tellerfeder nahekommt. Aufgrund seiner geringeren Steifigkeit verringert es Vorspannkraftschwankungen im Falle thermischer und mechanischer Belastungen. Die zusätzliche Unterlegscheibe leitet die Schraubenkräfte gleichmäßiger in das Klemmteil ein und verhindert so gezielt hohe örtliche Flächenpressungen. Bei der Montage wird die Schraube so angezogen, dass das integrierte Federelement korrekt vorgespannt, aber nicht plattgedrückt wird. So werden die elastischen Eigenschaften des Elements wirkungsvoll genutzt.

Dies beinhaltet eine Schraubstrategie, bei der von einer reinen Verschraubung auf das Anzugsmoment abgesehen wird, da sich aus der Geometrie des Systems eine spezielle Drehmomentkurve ergibt. Das Drehmoment steigt zunächst steil an, wie es von üblichen Schraubenverbindungen bekannt ist, wenn die Schraube die Kopfauflage erreicht. Dann geht es durch die Federwirkung in einen relativ konstanten Bereich über, bevor es wieder ansteigt, sobald das Federelement komplett plattgedrückt ist. Das Ziel einer korrekten vorgespannten Verschraubung ist es, in diesen relativ konstanten Bereich der Drehmomentkurve zu verschrauben. Dies kann beispielsweise durch eine automatisierte Schraubstrategie erreicht werden, die entweder eine Kopfauflageerkennung oder ein Schwellmoment verwendet und den finalen Anzug dann über eine Winkelsteuerung realisiert. Der Vorteil dieser Schraubstrategie ist, dass die erzielte Vorspannkraft aus der Geometrie und den Materialeigenschaften des in die Schraube integrierten Federelements resultiert und im Falle einer erfolgreichen Verschraubung nicht von Reibwerten abhängig ist.

Die scheinbare Alternative, eine Kombination aus Schraube, aufgesteckter Tellerfeder und Unterlegscheibe, hat gegenüber dem EJOT SpringHead^® System deutliche Nachteile. So müssen die einzelnen Komponenten separat montiert werden, was das Handling deutlich erschwert und eine automatische Montage praktisch unmöglich macht. Grund dafür ist, dass das unverlierbare Aufwalzen von zwei Elementen (Tellerfeder und Unterlegscheibe) mit nachfolgenden Oberflächenbeschichtungen und gegebenenfalls Wärmebehandlungen zu einer gefährlichen Wasserstoffversprödung des Federelements führen kann, da dieses in der Regel aus einem Stahl mit erhöhtem Kohlenstoffgehalt besteht.

Derartige vorspannkrafterhaltende Verbindungen sind besonders dann von Vorteil, wenn bestimmte Systemeigenschaften durch den Einsatz einer Schraube gewährleistet werden sollen. Beispiele hierfür sind das Zusammenhalten von Dichtungen gegenüber einem – auch wechselnden – Innendruck oder der Erhalt der elektrischen Leitfähigkeit einer Konstruktion. Letzteres legt insbesondere im Bereich der Elektromobilität die Anwendung von Schrauben mit integrierten Federelementen nahe.

Video auf YouTube (Deutsch)

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