FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Herausgegeben im Auftrage des Ministerpräsidenten Dr. Franz Meyers von Staatssekretär Professor Dr. h.c. Dr. E. h. Leo Brandt Nr.1004 Dr.-Ing. Eginhard Barz Verein zur Förderung von Forschungs- und Entwicklungsarbeiten in der Werkzeugindustrie e.V. Remscheid Untersuchung von Schraubendrehern und Schraubenverbindungen Als Manuskript gedruckt WESTDEUTSCHER VERLAG I KOLN UND OPLADEN 1961 ISBN 978-3-663-03807-8 ISBN 978-3-663-04996-8 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-04996-8 G 1 i e der u n g . . Einleitung. • S. 5 . . . . . Begriffe und Formelzeichen 6 • • S. . . . . . . 1. Stand: der Technik • • • • • • • • S. 7 . . 2. Die Schraubverbindung, grundsätzliche Erwägungen •• • S. 10 2.1 Kräfte und ihre Auswirkungen an der Schraubendreher- schneide ••••••••••••••••••••••••• S. 11 2.2 Kräfte und ihre Auswirkungen im Schlitz des Schrauben- kopf es. . . . . . .-. . . . • . . . . . . . . . • • • • • S. 14 2.3 Spannungs- und Reibverhältnisse in der Schraubverbindung S. 16 3. Abgrenzung der Aufgabe •• • • S. 23 . . 4. Untersuchung ••••••• • S. 23 4.1 Untersuchung der von Hand auf verschiedene Grifformen übertragbaren Drehmomente ••••••••• S. 23 4.2 Gebräuchliche Formen von Schraubendreherklingen und Schraubenk5pfen •••••••• •••••••••••• S. 25 ~ 4.3 Untersuchung der Drehmomente und Auswurfkräfte bei han delsüblichen Schrauben und Schraubendrehern ••••••• S. 29 4.31 Prüfgerät •••••••••••••••••••••• s. 29 4.32 Untersuchung der Schraubendreher in bezug auf über- tragbare Drehmomente, Auswurfkräfte und -wege. • S. 31 Drehmomente •• • • S. 31 Auswurfkräfte •• • • S. 35 4.33 Untersuchung von Schrauben mit Schlitz und Kreuz- schlitz ••••• S. 38 Übertragbare Drehmomente • • S. 38 Auswurfkräfte ••••• 40 • S. Einfluß der Oberfläche von S. c.h ra.u .b e.n d.r e.h e.rs c.h n.e .id e.n . auf die Auswurfkraft • S. 43 Sonstige Einflüsse auf Auswurfkraft und Deformation des Schraubenschlitzes • • ••• S. 44 5. Folgerungen ••••••••••• · . s. 49 5.1 Folgerungen für die Gestaltung von Schraubendreher- schneiden und Schraubenschlitzen. • •••• • • S. 49 5.2 Folgerungen für die Beanspruchung von Schrauben und Schraubendrehern. . • • • • • •• • • • • • · . s. 50 6. Untersuchung des Arbeitsverhaltens von kraftbetätigten Schraubendrehern. • • • • • • • . . . . s. 54 6.1 Grundsätzliches ••••••••••••••••••• S. 54 · . 6.2 Eingesetzte Kraftschrauber •••••••••••••• S. 57 6.3 Untersuchung der Gleichmäßigkeit der Anziehmomente und Verspannungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . • . • S. 57 6.4 Beanspruchung der Schraubendreherschneide und des Schraubenschlitzes bei Verwendung von Kraftschraubern • • S. 61 Zusammenfassung. • • • · . s. 66 . . . . . . . . Literaturverzeichnis • • • S. 68 Seite 3 Einleitung Durch die Entwicklung von Schrauben hoher Festigkeit und ihre zunehmende Verwendung in der Massenfertigung ist der Einsatz hoch beanspruchbarer Schraubendreher, insbesondere bei Verwendung von Kraftschraubern ständig gewachsen. In den Schraubennormen sind die verschiedenen Werkstoffe und die erstreb ten zulässigen Anziehmomente unberücksichtigt geblieben. Wegen der unterschiedlichen Schraubenkopfformen findet man zum gleichen Gewindedurchmesser verschiedene Schlitzlängen zugeordnet, die bei nicht zylindirscher Kopfform (Senkschraube) nur z.T. von der Schraubendreher schneide ausgenutzt werden können. Bisher haben die Hersteller von Schraubendrehern die Schneidenbreiten der Schraubendreherklingen an die unterschiedlichen nutzbaren Schlitzlängen der verschiedenen Schraubenkopfformen angepaßt. Somit ergaben sich in der Regel drei Schneidenbreiten für Schrauben Gewindedurchmes- dess~lben sers. Hinzu kommt, daß durch die vergleichsweise großen Toleranzen der Schlitz breiten (H 14) sowie durch das Passungsspiel zwischen Schraubendreher schneide und Schraubenschlitz es in der Praxis unvermeidbar ist, daß mit demselben, meist mit keilförmiger Schneide ausgeführten Schraubendreher Schrauben unterschiedlicher Gewindedurchmesser angezogen werden können und somit teilweise der Schraubenkopf, teilweise die Schraubendreherklinge überbeansprucht werden. Ungleichmäßige Spannungen in Schraubenverbindungen bedeuten insbesondere bei bewegten Teilen eine verminderte Sicherheit der Verbindung (oder evtl. geringere Laufgenauigkeit). Teile, die mit höherer Paßgenauigkeit verbunden werden, können sich verziehen; das bedeutet vorzeitigen Ver schleiß oder Ausfall der betreffenden Maschinenteile. Durch richtig bemessene Vorspannung der Schraube steigt die Dauerhalt barkeit der Schraubverbindung. Vorliegendes Forschungsvorhaben wurde vom Ministerium für Wirtschaft und Verkehr des Landes Nordrhein-Westfalen unter Mitwirkung der Hersteller für Schraubendreher, Kraftschrauber und Schrauben gefördert. Seite 5 Begriffe und Formelzeichen Benennung Kräfte v [kg] Verspannkraft (Verspannkraft ist die Kraft, die dur~h Ver spannen (Anziehen) der Schraube in der Schraub verbindung erzeugt wird.) A [kg] Auswurfkraft (kann durch mindestens gleich große Andruck kraft aufgehoben werden.) Momente Mt [kgm] Torsionsmoment der Schraube M [kgm] Anziehmoment a Mab [kgm] Bruchmoment der Schraube MI [kgm] Bruchmoment des Schraubendrehers ab Mk [kgm] Reibmoment am Kopf M [kgm] Reibmoment im Gewinde g Reibwert Reibwert der Kopfreibung ~k Reibwert der Gewindereibung ~g Schraubenmaße n [mm] Schlitzbreite 1 [mm] Schlitzlänge t [mm] Schlitztiefe a [mm] Aufwurf Schraubendrehermaße n' Schneidenbreite I' Schneidenlänge ß Keilwinkel Seite 6 1. Stand der Technik In der einschlägigen Literatur findet man eine Reihe von Berechnungs methoden für Anziehmomente und Vorspannungen bei Sechskantschrauben. Die verschiedenen Formeln für die Schraubenanziehmomente beispielsweise von HEINE, MUTH, WIEGAND, HAAS, HOLM, RIBE, KELLERMANN und KLEIN liefern z.T. stark voneinander abweichende Werte. Der Reibung wird unterschiedliche Bedeutung beigemessen; z.T. werden Kopf- und Gewindereibung in den verschiedenen Formeln nicht voneinander getrennt. Es schwankt z.B. der Reibwert bei Durchrechnung für eine Sechs kantschraube M 10 bei einer Vorspannkraft von 1115 kg und einem Anzieh moment von 4,4 kgm zwischen 0,2 bis 0,5. Berechnet man für die genannte Vorspannkraft nach den verschiedenen For meln das Anziehmoment bei ~k (Kopfreibung) ~g (Gewindereibung) = 0,2, so erhält man ein Anziehmoment von 3,0 bis 4,4 kgm. Durch die Reibung entsteht beim Anziehen einer Schraube neben der zur Vorspannung erforderlichen Zugkraft auch eine Torsionskraft. Je nach Reibwert und Gewindesteigung ändert sich das Verhältnis zwischen Zug- und Torsionsspannung. Bei hohem Torsionsanteil verbleibt für die Vors pan nung nur ein geringer Teil der zulässigen Spannungs beanspruchung , so daß es zu einer Überlastung der Schraube kommen kann. Bei ~ = 0,4 stehen g % z.B. nur 50 der Gesamtspannungsbelastbarkeit für die Zugspannung zur Verfügung. Vergleichsweise niedrige Reibwerte von 0,02 bis 0,01 würden, wie sie allerdings in der Schraubenherstellung gar nicht zu erreichen sind, für eine Selbsthemmung schon ausreichen (vor allem, wenn man bedenkt, daß die zu überwindende Reibung der Ruhe einem höheren Reibwert entspricht). HANCKE kam in einer Untersuchung über Anziehmoment, Reibwert und Vorspann kraft bei hochfesten Schrauben zu dem Ergebnis, daß sich die Reibung am Schraubenkopf und damit das Anziehmoment rechnerisch nicht genau bestim men lassen. Der Einfluß der Reibung auf Vorspannung und Anziehmoment bei Sechskant-Kopfschrauben für Gewinde M 8 und größer wurde von R.KELLERMANN und H.Ch. KLEIN untersucht. Sie stellten fest, daß der durch unterschied liche Reibung zwischen den Gleitflächen und unterschiedliche Formen der Gleitflächen am Schraubenkopf bedingte Streubereich der Vorspannung bei Verwendung von Schrauben mehrerer Hersteller sich von der noch fast losen Verbindung bis zum Abwürgen der Schraube streckt. Inwieweit diese Fest stellung auch für Schlitzschrauben Geltung hat, wäre noch zu untersuchen. Seite 1 Eine oft nur geringe Änderung der Klemmlänge zwischen Schraubenkopf und Muttergewinde in der Schraubverbindung kann erhebliche Abnahme der Ver spannung und eine Lockerung der Verbindung bedeuten. Bei einer Einspann läng.e von 20 mm bewirken 0,01 mm Abstandänderung bereits einen Spannungs abfall von 10 kgjmm2• Diese wird weniger durch zu geringe Reibung als vielmehr durch "Setzen" hervorgerufen. Daher muß bei den Gleitflächen sowohl bei der Schraube als auch bei der Auflage für eine hochwertige Oberfläche gesorgt werden. Fein gedrehte Oberflächen ergeben die günstig sten Reibwerte. Gewinderollen nach dem Vergüten ist eine Gewähr für gute und glatte Oberflächen. Als Schmiermittel wirkt Öl wegen der vergleichsweise großen Flächenpres sungen nicht immer und würde weggedrückt werden. Beispielsweise traten bei hochfesten Schrauben bei über 100 kgjmm2 Drücke von mehr als 10 000 at auf. Eine Einengung der Streubereiche kann durch phosphatierte Oberflächen, insbesondere durch galvanisch aufgebrachte Metallüberzüge erreicht werden. Die aufgebrachten Schichten dürfen nicht so dick sein, daß durch Verhaken abgeriebene Schutzschichten erhöhte Reibung eintritt. od~r Beste Ergebnisse sind bisher erreicht worden, wenn nur eine der aufein ander reibenden Flächen mit einer Gleitschicht versehen wurde. Diese Schicht ist in der Regel nur bei der ersten Montage wirksam. Dieselbe Schraube darf also nicht mehrfach ein- und ausgeschraubt werden. Bei Berechnung des Anziehmomentes werden die Kraftangriffstellen immer auf ebenes und genaues Aufliegen bezogen. Es muß aber damit gerechnet werden, daß der Schraubenkopf nur innen oder außen aufliegt. Das erfor derliche Drehmoment schwankt nun durch ungenaue Auflage erheblich. (Ähn liche Schwankungen können auch im Gewinde verursacht werden, sind dort aber geringer.) Bei einer 10-K-Schraube kann bei der zulässigen Beanspru chung von 72 kgjmm2 = 80 %d er Streckgrenze das richtige Anziehmoment bei konstanter Reibung zwischen 7,4 und 10,7 kgm schwanken (Kopfauflage). Um den Einfluß des Kraftangriffes am Schraubenkopf abzuschwächen ist eine Verkleinerung des Verhältnisses vom Kopfdurchmesser zum Schaftdurch messer möglich. Durch Änderung einiger Schraubennormen konnte in dieser Richtung etwas erreicht werden. Anderseits kann man die Schraube mit einem bewußt groß gewählten Kopf versehen und den Kraftangriffseinfluß beispielsweise dadurch einengen, Seite 8 daß man nur eine Ringfläche zum Tragen vorsieht. Dadurch sinkt die streu % ung bei einem Kopfauflagedurchmesser von 1,8 Schaftdurchmesser von 80 %. auf 20 Nach Ansicht von HANCKE sei das erstrebenswerte Ziel, Einengung der To leranzen für das Anziehmoment auf ein technisch erforderliches Maß, von Seiten der Schraubenhersteller nicht zu lösen, da die entsprechenden Ge genflächen nur sehr schwierig gegen ein Normal abzustimmen seien. Von Einfluß seien: Werkstoffart, Härte, Rauheit der Gegenflächen, Schmier mittel etc. Schon die Bemühungen um Einengung der Toleranzen in bezug auf ein Normal würden für die Praxis beachtliche Fortschritte bringen, besonders im Hinblick auf die Fälle, in denen die Schraube mit einem bestimmten ein stellbaren Drehmoment (Kraftschrauber) angezogen werden soll. Ein für alle Montagebedingungen gültiges Anziehmoment sei nicht zu verwirklichen. Für den einzelnen Montagefall muß also das jeweilige Anziehmoment durch Versuche bestimmt werden. Hervorzuheben ist, daß die Reibwerte bei mehr maligem Abziehen sich ändern, normalerweise kleiner werden; infolgedes sen wird die Vorspannkraft größer, so daß die Streckgrenze überschritten werden kann. Die Anwendung eines konstanten Anziehmomentes ist nur dann sinnvoll, wenn die Reibverhältnisse gleich bleiben. Dies ist in der Pr.axis aber schwer zu erfüllen. Um die Schwierigkeiten zu umgehen, ist man dazu über gegangen, die Gesamtlängung der Schraube bei der Montage zu messen oder den Verdrehwinkel zu berücksichtigen. Bei letzterem ist zu bedenken, daß durch starke Reibung im Gewinde eine Verdrehung des Schraubenschaftes möglich ist, ohne eine Verspannung erreicht zu haben. Eine Abweichung zwischen Laborwerten und solchen aus der Praxis ist ebenfalls dadurch gegeben, daß bei Versuchen oft, um einheitliche Bedingungen zu schaffen, gegen gehärtete Flächen angezogen wird, in der Praxis dagegen Flächen von verschiedenartigen Werkstoffen auftreten. Anziehmomentangaben sind daher Mittelwerte mit großen Abweichungen nach beiden Richtungen. Um deutlich zu machen, welche Schwankungen beim erforderlichen Anzieh moment im ungünstigsten Falle eintreten können, seien in einem Beispiel die größmöglichen Abweichungen bei einem Bereich des Reibbeiwertes von Ilk = Ilg = Il =- 0,1 bis 0,4 angegeben: Sei te 9 Kleinstes Anziehmoment Ma min (~= 0,1) 1,8 kgm größtes Anziehmoment Ma max (~= 0,4) 10,4 kgm. (Vorspannkraft 1775 kg, Schraube M 10 DIN 931). Es sind also Schwankungen von 1 : 5 denkbar. Ebenso wichtig wie die Untersuchung der Schraubverbindungen ist aber die der hand- oder kraftbetätigten Schraubendreher. Dabei ist eine richtige Zuordnung von Schraubendreherklingen zu dem Schlitz und zu der Kopf form der Schraube zu beachten, und gegebenenfalls der Schraubendreher griff dem maximal übertragbaren Anziehmoment anzupassen. 2. Die Schraubverbindung, grundsätzliche Erwägungen Bei jeder Verschraubung, die nicht nur zur Befestigung von Teilen dient, sondern ruhende oder bewegliche Teile unter Druck zusammenfügen soll, strebt man an, dIe Anziehhöchstwerte auszunutzen. Das durch den Schraubenschlitz zu übertragende Anziehmoment Ma gliedert sich in verschiedene Momente auf (Abb.1): M Reibmoment zwischen Schraubenkopf und Kopfauflage, k Mt Torsionsmoment der Schraube, M Reibmoment im Gewinde und Moment aus dem von der Gewindesteigung g abhängigen Teil der Verspannung. A b b i 1 dun g 1 Momente an der Schraube Seite 10 Das gesamte Anziehmoment muß von der Schraubendreherschneide über den Schrauber.schlitz übertragen werden. Wie bei jeder Kupplung, so hängt das übertragbare Drehmoment auch bei der Paarung Schraubendreherschneide - Schraubenschlitz u.a. von den Flächen ab, in denen sich beide Kupplungs teile berühren. Die Berührungsflächen sind jedoch wegen der verschiedenen Formen von Schraubendrehern, insbesondere bei den am häufigsten vorkommenden Aus führungen mit keilförmigen Schneiden recht unterschiedlich, abgesehen von dem vorhandenen Spiel zwischen Schraubenschlitz und Klingenschneide. Dementsprechend ergeben sich auch unterschiedliche Auswirkungen der Kräfte an der Schraubendreherschneide sowie am Schraubenkopf, die zunächst be handelt werden sollen. 2.1 Kräfte und ihre Auswirkungen an der Schraubendreherschneide Die Verteilung der Kräfte bei der Schraubendreherklinge hängt einerseits ab von dem Spiel zwischen Klingenschneide und Schlitz, andererseits von dem Keilwinkel der Schraubendreherschneide. In der Praxis unterscheiden wir zwei Fälle bezüglich der Paarung zwischen bisher normalerweise koni scher Schraubendreherschneide und parallelem Schlitz am ebenen Schrauben kopf: 1. Klingenschneide liegt in ihrer ganzen Breite an der parallelen Schlitzkante an. 2. Zwischen Klingenschneide und Schlitz des Schraubenkopfes besteht ein mehr oder weniger großes Spiel. Im letzten Falle erfolgt die Berührung beim Ansatz der Schraubendreher schneide in einem Punkt bei jeder Schlitzkante. In beiden Fällen kann jedoch das Anziehmoment nur dann übertragen werden, wenn die Linien- bzw. Punktberührungen sich durch den auftretenden Kräf ten an den KontaktsteIlen entsprechende Deformation des Schraubenkopfes oder des Schraubendrehers zu Flächen erweitern. Dies sei an einem Bei spiel erläutert. Das Anziehmoment für eine Schlitzschraube M 10 der Qua lität 4 D betrage Ma = 1,7 kgm, die Schneidenlänge der Klinge 1'=1,4 cm. Die ~ den Berührungsstellen wirkenden Kräfte ergeben sich dann zu P = l~ = 120 kg. Bei einer zulässigen Druckspannung von 60 kg/mm2 würde 2 eine Kontaktfläche von 2 mm für die Übertragung dieser Kraft erforder lich sein. Die Flächen sind jedoch etwas größer, da die zur Übertragung des Drehmomentes erforderlichen Kräfte nicht in dem angenommenen Abstand Seite 11