Multifunktionale Schraubensicherungssysteme
Multifunktionale Schraubensicherungen wie NSK®-Scheiben vereinen Losdreh- und Lockerungssicherung in einem Element, steigern Nachgiebigkeit, Gleitfestigkeit sowie Robustheit und verbessern so Effizienz und Resilienz der gesamten Konstruktion. Sie ermöglichen zudem neue Konstruktionsfreiheiten, besonders bei kurzen Klemmlängen, und ersetzen künftig klassische Einzellösungen zur Lockerungs- oder Losdrehsicherung.
- Hintergrund und Problemstellung
Konventionelle Schraubensicherungen unterscheiden zwischen:
- Lockerungssicherungen (z. B. Spannscheiben), die den Vorspannkraftverlust verhindern
- Losdrehsicherungen (z. B. Keilscheibenpaare, Profilscheiben), die eine ungewollte Drehbewegung verhindern
Bisher deckten diese Systeme nur eine der beiden möglichen Versagensmechanismen ab.
- Multifunktionale Sicherungselemente
Multifunktionale Schraubensicherungen adressieren beide Versagensmechanismen gleichzeitig. Sie kombinieren die Vorteile von:
- Losdrehsicherheit
- Lockerungssicherheit
- federnder Wirkung zur Steigerung der elastischen Nachgiebigkeit und Verbesserung der Gleitfestigkeit
- die Robustheit der Gesamtkonstruktion steigern
- erweiterte konstruktive Gestaltungsoptionen ermöglichen
Dadurch wird die Betriebssicherheit signifikant erhöht, besonders bei kurzen Klemmlängen.
- Beispiel: NSK® (Neue Sperrkantscheiben)
NSK®-Scheiben sind einteilige multifunktionale Sicherungselemente
- Bedeutung für die Praxis
An die Stelle von Verbindungselementen zur Sicherung gegen Lockern oder Losdrehen werden aus unserer Sicht zukünftig auf die Anwendung angepasste, multifunktionale Schraubensicherungselemente, wie die NSK-Sicherungsscheiben, treten, um insgesamt die Effizienz, Sicherheit, Resilienz der Schraubenverbindungen und der gesamten Konstruktion zu steigern sowie erweiterte Gestaltungsoptionen zu schaffen.
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Gleitfestigkeit
Gleitfestigkeit bezeichnet die maximale Scherkraft, die eine Schraubenverbindung übertragen kann, bevor Bauteile gegeneinander gleiten. Besonders bei kurzen Klemmlängen erhöht der Einsatz federnder Elemente wie Spannscheiben (DIN 6796) oder NSK-Scheiben die Sicherheit gegen Gleiten deutlich. Neben funktionalen Vorteilen unterstützen diese Elemente auch Leichtbauziele und CO₂-Reduktion. Eine Bewertung erfolgt z. B. nach VDI 2230 Blatt 1. Siehe auch Fachbericht Eisenbahningenieur.
Lockern
Zunächst kommt es bei dem Lösemechanismus von Schraubenverbindungen zur Lockerungsphase. Beim Lockern bzw. in der Lockerungsphase von Schraubenverbindungen sinkt die Vorspannkraft durch Setzen, Relaxation und Kriechen. Die Gleitfestigkeit bleibt erhalten, sodass Betriebskräfte weiterhin durch Klemmung übertragen werden. Setzen erfolgt durch plastisches Einebnen rauer Oberflächen direkt nach der Montage. Relaxation und Kriechen führen langfristig zu weiterem Kraftabbau. Schraubenverbindungen könnten durch spezielle Schraubensicherungselementen gegen das Lockern oder durch multifunktionale Schraubensicherungselemente gesichert werden.
Profilscheiben
Profilscheiben sind einteilige Schraubensicherungselemente aus gehärtetem Federstahl mit radialer Verzahnung, die eine formschlüssige Losdrehsicherung bei dynamischer Belastung bieten. Sie wirken begrenzt federnd, jedoch nicht lockerungssichernd. Einsatz ist auf Anwendungen bis Festigkeitsklasse 10.9 beschränkt. Nachteile sind mögliche Oberflächenschäden, kein normgerechter Federweg (DIN 267-26) und ungeeignet für elektrische Verbindungen. Zukunftssichere Alternative: multifunktionale NSK-Scheiben.
Elastische Nachgiebigkeit
Die elastische Nachgiebigkeit beeinflusst maßgeblich die Vorspannkraft und Gleitfestigkeit von Schraubenverbindungen. Sie wird durch Schraube, Gegenlagen und geeignete Federelemente bestimmt. Spannscheiben nach DIN 6796 oder NSK-Scheiben erhöhen diese Wirkung und mindern Vorspannkraftverluste, besonders bei kurzen Klemmlängen. Nicht geeignete Elemente sind ausgeschlossen; normkonforme Varianten lassen sich per Restfederkraft prüfen. Siehe auch Fachbericht Eisenbahningenieur.
Spannscheiben nach DIN 6796 / DIN 6908
Spannscheiben sind konisch geformte Federelemente aus Federstahl, die beim Anziehen elastisch verformt werden und eine Restfederkraft erzeugen, welche Vorspannkraftverluste durch Setzen oder Relaxation kompensiert. Sie wirken kraftschlüssig gegen Lockerung, sind jedoch ungeeignet als Losdrehsicherung. Geeignet sind sie für Schrauben ≥ 8.8 bei axialer Belastung. Bei Querkräften oder weichen Auflagen sind Einschränkungen zu beachten. Alternative: multifunktionale NSK-Scheiben.
Schraubensicherungselemente
Schraubensicherungselemente erweitern Schraubenverbindungen funktional, indem sie allgemeine Aufgaben wie Druckverteilung und Schonung der Gegenlagen, die Kompensation von Lockerungseffekten sowie die Sicherung gegen selbsttätiges Losdrehen übernehmen. Diese Funktionen werden durch unterschiedliche Bauformen realisiert, wobei multifunktionale Elemente wie NSK®-Scheiben alle drei Wirkbereiche in einem einzigen Bauteil vereinen. Besonders bei kurzen Klemmlängen steigern sie die konstruktive Resilienz und gewinnen daher zunehmend an technischer Bedeutung.
Losdrehen
Das selbsttätige Losdrehen beschreibt eine rotatorische Bewegung von Schraube oder Mutter ohne äußere Drehmomentbelastung infolge des Verlusts von Vorspannkraft und Gleitfestigkeit, wobei ein Lockern vorangegangen ist und dynamische Querkräfte als Auslöser wirken. Der Losdrehmechanismus verläuft in mehreren Phasen – beginnend mit Relativbewegungen und Biegebeanspruchung (Phase 1), über Gewindegleiten und Kopfkippen (Phase 2), bis hin zur Rotation durch gespeicherte Torsion (Phase 3) und schließlich dem vollständigen Losdrehen bei Reibungsverlust (Phase 4). Zur Absicherung sind Sicherungselemente zur Losdrehsicherheit oder multifunktionale Sicherungselemente wie NSK®-Scheiben erforderlich, die neben dem Schutz vor Losdrehen auch die Gleitfestigkeit und Nachgiebigkeit erhöhen und somit insbesondere bei kurzen Klemmlängen die Resilienz insgesamt verbessern.
