Beurteilung der Dauerhaltbarkeit hochzyklisch beanspruchter Schraube-Mutter-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl für den Maschinenbau

Von links nach rechts: Technische Zeichnung einer Schraubverbindung mit Kraftangaben, zwei Fotos unterschiedlicher Schrauben mit Muttern und Unterlegscheiben, Prüfgerät zur Materialuntersuchung. Darunter sind mikroskopische Aufnahmen und farbcodierte Härteverteilungen von Schraubenköpfen zu sehen. Die Abbildungen zeigen verschiedene Aspekte der Analyse und Prüfung von Verbindungselementen.
v.l.n.r.: Schematische Schraube-Mutter-Verbindung, Schraubengarnitur aus Kohlenstoffstahl, Schraubengarnitur aus nichtrostendem Stahl, Prüfvorrichtung der Schwingfestigkeitsversuche, Gefüge und Härtemapping einer vergüteten Schraube aus Kohlenstoffstahl, Gefüge und Härtemapping einer kaltverformten Schraube aus nichtrostendem Stahl.
Quelle: Hochschule Wismar/Prof. Dr.-Ing. Ralf Glienke

Das Ziel dieses Forschungsprojektes ist die Kenntnisstanderweiterung bezüglich des Ermüdungsverhaltens, insbesondere der Dauerhaltbarkeit, von Schrauben aus nichtrostenden Stählen.

In maschinenbaulichen Konstruktionen oder Anlagen ist der Nachweis der Dauerfestigkeit ein wesentliches Ausführungskriterium. Der Schraubenverbindung (SV) kommt hierfür wegen der guten Montierbarkeit aber auch Lösbarkeit eine große Bedeutung für die Konstruktionspraxis zu. Daher ist der Kenntnisstand zum Verhalten geschraubter Verbindungen mit Verbindungelementen aus Kohlenstoffstahl umfassend, allerdings in Bezug auf die Beurteilung der Dauerfestigkeit ebendieser aus nichtrostendem Stahl als unzureichend einzustufen.

Die axiale Schwingfestigkeit, insbesondere die Langzeitfestigkeit von Schrauben-Mutter-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl ist im Vergleich zu Schrauben aus Kohlenstoffstahl nur begrenzt mit experimentellen Untersuchungen gestützt und damit normativ kaum gewürdigt. Dies führt bei der Bemessung von SV mit Schrauben aus nichtrostendem Stahl bei der Anwendung bestehender Regelwerke, wie der VDI 2230 - Blatt 1 insbesondere zu Unsicherheiten bei der Auslegung im Langzeitfestigkeitsbereich.

Im Rahmen des angestrebten Forschungsvorhabens soll die axiale Dauerhaltbarkeit von Schraube-Mutter-Verbindungen aus nichtrostendem Stahl systematisch hinsichtlich des Größen-, Festigkeits- und Mittelspannungseinflusses sowie dem Einfluss der Stahlgruppe (F, C, A, D) untersucht werden. Ferner soll eine umfassende Charakterisierung der mechanisch-technologischen Eigenschaften und die Auswirkung gängiger Fest- und Flüssigschmierstoffe auf die Schwingfestigkeit untersucht werden. Auf Basis statistischer Auswertungen ist der Nachweis der Schwingfestigkeit axial belasteter Schraubenverbindungen für die zeit- und dauerfeste Auslegung im Sinne der Nachweisphilosophie der VDI 2230 - Blatt 1 zu formulieren, was in Bezug auf den Steigungsparameter der Wöhlerlinie, die Knickschwingspielzahl sowie einer Dauerhaltbarkeit bzw. einem zweiten Steigungsast der Wöhlerlinie ohne ausgeprägte Dauerfestigkeit zu regeln ist.


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