Elastische Nachgiebigkeit - der Schlüssel zu stabileren Schraubenverbindungen

Elastische Nachgiebigkeit als konstruktiver Systemvorteil

In der klassischen Betrachtung hochfester Schraubenverbindungen steht häufig ausschließlich die Höhe der Montagevorspannkraft im Fokus. Für die Funktionssicherheit einer Verbindung ist jedoch nicht nur die Vorspannkraft selbst entscheidend, sondern auch die elastische Systemnachgiebigkeit der gesamten Verbindung.

Warum Systemnachgiebigkeit ein zentraler Parameter der Schraubenrechnung nach VDI 2230 ist.

Ein zentraler Parameter hierfür ist der Krafteinleitungsfaktor der Schraubenverbindung. Er beschreibt, welcher Anteil einer äußeren Betriebskraft von der Schraube aufgenommen wird und welcher Anteil durch die verspannten Bauteile getragen wird. Je günstiger das Verhältnis der elastischen Steifigkeiten zwischen Schraube und Bauteilen ist, desto geringer ist die zusätzliche Belastung der Schraube unter Betriebslasten.

Federnde Verbindungselemente bringen gezielt zusätzliche elastische Nachgiebigkeit in das System ein. Dadurch wird das Verhältnis der Systemsteifigkeiten beeinflusst und der Krafteinleitungsfaktor reduziert. Ein größerer Anteil der Betriebskraft wird von den verspannten Bauteilen aufgenommen, während die zusätzliche Belastung der Schraube sinkt.

Diese gezielte Erhöhung der Systemnachgiebigkeit verbessert unmittelbar die Funktionssicherheit der gesamten Schraubenverbindung.

Praktische Umsetzung der Systemnachgiebigkeit

Die Bedeutung der Systemnachgiebigkeit für die Funktionssicherheit von Schraubenverbindungen ist in der Schraubenberechnung nach VDI 2230 grundsätzlich seit langem bekannt. In der praktischen Konstruktion wird eine ausreichende Nachgiebigkeit jedoch häufig durch konstruktive Maßnahmen erreicht, beispielsweise durch:

größere Klemmlängen
zusätzliche Zwischenlagen
weichere Bauteile
spezielle Geometrien der Verbindung

Diese Maßnahmen können jedoch zu konstruktiven Einschränkungen, erhöhtem Bauraumbedarf oder höheren Kosten führen.

Federnde Verbindungselemente ermöglichen dagegen eine einfache und gezielte Erhöhung der Systemnachgiebigkeit direkt im Verbindungselement. Dadurch kann die elastische Charakteristik der Schraubenverbindung mit vergleichsweise geringem konstruktivem Aufwand beeinflusst werden.

Die gezielte Nutzung federnder Verbindungselemente macht die elastische Systemnachgiebigkeit zu einem praktisch nutzbaren konstruktiven Parameter in der Auslegung von Schraubenverbindungen.

Nachweis der Federwirkung nach DIN 267-26

Damit federnde Verbindungselemente diese Wirkung tatsächlich entfalten können, ist eine relevante, messbare und reproduzierbare Federwirkung erforderlich. Diese wird durch die Restfederkraftprüfung nach DIN 267-26 definiert.

Die Norm beschreibt Prüfverfahren zur Bestimmung der Restfederkraft nach definierter Belastung. Nur Verbindungselemente, die diese Anforderungen erfüllen, besitzen eine nachweisbare Federwirkung und können die Systemnachgiebigkeit einer Schraubenverbindung gezielt beeinflussen.

Verbindungselemente ohne definierte Restfederkraft besitzen dagegen häufig keine ausreichende elastische Wirkung und tragen nur begrenzt zur Stabilisierung der Vorspannkraft bei.

Höhere Sicherheit gegen Gleiten

Der Widerstand gegen Gleiten zwischen den verspannten Bauteilen wird maßgeblich durch die vorhandene Vorspannkraft bestimmt. Federnde Verbindungselemente stabilisieren diese Vorspannkraft über den gesamten Lebenszyklus der Verbindung. Setzvorgänge, Relaxation oder thermische Einflüsse werden elastisch kompensiert, sodass der Kontaktdruck in der Trennfuge weitgehend erhalten bleibt.

Dadurch steigt die Sicherheit gegen Gleiten der Verbindung.

Erhöhte Sicherheit gegen Aufklappen

Unter äußeren Betriebskräften kann sich die Trennfuge einer Schraubenverbindung teilweise öffnen. Die zusätzliche Nachgiebigkeit federnder Verbindungselemente reduziert den Anteil der Betriebskraft, der in der Schraube wirksam wird. Dadurch wird die zusätzliche Schraubenbeanspruchung begrenzt und die Gefahr eines Aufklappens der Verbindung reduziert.

Die Sicherheit gegen Öffnen der Trennfuge steigt.

Entlastung der Schraube

Durch den reduzierten Krafteinleitungsfaktor wird die Schraube unter Betriebslasten geringer zusätzlich beansprucht. Die Schraube arbeitet stärker im elastischen Bereich, während ein größerer Anteil der Last von den verspannten Bauteilen aufgenommen wird.

Dies führt zu einer reduzierten Schraubenbeanspruchung und damit zu einer höheren Dauerfestigkeit der gesamten Verbindung.

Berechenbare Wirkung in der modernen Schraubenauslegung

Die Wirkung federnder Verbindungselemente kann heute systematisch in der Auslegung hochfester Schraubenverbindungen nach VDI 2230, z.B. mit MDESIGN, berücksichtigt werden. Moderne Berechnungsansätze ermöglichen es, die zusätzliche Systemnachgiebigkeit sowie deren Einfluss auf Vorspannkraftverhalten, Krafteinleitungsfaktor und Funktionssicherheit bereits in der Konstruktionsphase zu bewerten.

Das Ergebnis sind robustere Schraubenverbindungen mit stabiler Vorspannkraft, höherer Sicherheit gegen Gleiten und Aufklappen sowie einer reduzierten Beanspruchung der Schraube über den gesamten Lebenszyklus der Verbindung.