Selbstsichernde Verbindungselemente für schwingungsbeanspruchte Verbindungen: Wahl des Mechanismus, Temperatur- und Wiederverwendungsgrenzen und was an der realen Verbindung zu validieren ist

Wird die Verbindung so belastet, dass sie sich selbst löst?

Das Selbstlösen wird durch Relativbewegung zwischen den geklemmten Teilen senkrecht zur Schraubenachse angetrieben, nicht durch Axiallast allein. Der Junker-Querschwingungstest bildet genau diese Bewegung nach und zeichnet Klemmkraft, Querverschiebung und Lastwechselzahl auf. Deshalb wird er als gängige und zuverlässige Methode zum Vergleich der Sicherheit von Schraubverbindungen beschrieben ⁹. Prüflabore nutzen denselben Aufbau, um Verbindungselement-Ausführungen und Schraubensicherungen unter kontrollierten Schwingungseingaben zu vergleichen. Sie weisen darauf hin, dass er Löseverhalten isoliert, das statische Prüfungen oder Ermüdungsprüfungen nicht erfassen ²⁸. Dieser Unterschied zählt, wenn Sie den Prüfplan schreiben. Eine statische Prüfkraftprüfung oder eine Ermüdungsprüfung an derselben Verbindung kann bestanden werden, während sich die Verbindung im Betrieb trotzdem selbst löst, weil beide die Querverschiebung nicht aufbringen, die den Mechanismus antreibt ²⁸. Sieht Ihre Verbindung wechselnde Seitenlast, Schwingungen aus einer rotierenden oder hin- und hergehenden Quelle oder Temperaturzyklen, die den geklemmten Stapel verschieben, behandeln Sie sie als Querbewegungsfall. Legen Sie eine Schraubensicherung fest, nicht eine einfache Mutter. Was die Quellen nicht liefern, ist ein Schwingungsniveau, ab dem eine Sicherung zwingend wird. In dieser Evidenz gibt es keine Schwelle für Frequenz, Amplitude oder Richtung, die Verbindungen mit Bedarf an einem selbstsichernden Verbindungselement von solchen ohne trennt. Diese Entscheidung stützt sich auf Ihre eigenen Betriebsdaten oder auf einen Junker-Vergleich der in Frage kommenden Mechanismen.

Mechanismen ausschließen, deren Temperaturgrenze unter der Betriebstemperatur der Verbindung liegt

Die Temperatur ist der erste Filter, weil sie einen Mechanismus ganz ausschließt, statt eine Eigenschaft gegen eine andere abzuwägen. Eine metallische Mutter mit Selbsthaltemoment sichert, indem ihre oberen Gewindegänge zu einer dreilappigen Form verformt werden. Das Schraubengewinde verformt das Mutternmetall beim Eindrehen elastisch, und das Selbsthaltemoment entsteht aus Metall-auf-Metall-Übermaß ohne Polymer ². Eine Mutter mit Nyloneinsatz stützt sich dagegen auf die Rückfederung und das elastische Gedächtnis eines wärmestabilisierten Nyloneinsatzes Typ 6/6. Dieser Einsatz ist es, der die Sicherungswirkung bis zu den genannten 250 °F (≈121 °C) aufrechterhält ¹⁸. Daraus ergibt sich die Grenze. Oberhalb von etwa 120 °C liegt der Polymereinsatz außerhalb seines üblichen Betriebsbereichs ²⁴, während die metallische Mutter mit etwa 200 °C im Dauerbetrieb und 300 °C als Spitze angegeben wird ². Läuft Ihre Verbindung in der Nähe von Abgas, Dampf oder Prozesswärme, scheidet die Nylonvariante aus, bevor Sie irgendetwas anderes vergleichen. Beachten Sie, dass dies Herstellerangaben einzelner Quellen sind und keine verbindliche Branchenobergrenze. Die metallische Lösung hat eigene Nachteile: höheres Montagedrehmoment, höhere Kosten als eine gleichwertige Mutter mit Nyloneinsatz und eine etwas weniger gleichmäßige Sicherungskraft bei wiederholter Montage ².

Wird die Verbindung zerlegt und wieder aufgebaut?

Die Wiederverwendung ist der zweite Filter, und sie wird von demselben Konstruktionsunterschied entschieden. Die metallische Mutter mit Selbsthaltemoment gilt gegenüber einer Mutter mit Nyloneinsatz als toleranter bei Wiederverwendung und wird typischerweise für 5–10 Zyklen angegeben, bevor die Sicherung spürbar nachlässt ². Für die Mutter mit Nyloneinsatz wird von einer Wiederverwendung generell abgeraten ²⁴. Enthält Ihr Wartungsplan planmäßige Demontagen — Inspektionsintervalle, Austausch von Verschleißteilen, Zugang für den Außendienst —, ist der Nyloneinsatz in diesem Plan ein Einmalbauteil. Jeder Wiederaufbau erfordert eine neue Mutter. Die metallische Mutter deckt eine begrenzte Zahl von Wiederaufbauten ab, doch die Angabe von 5–10 Zyklen ist die Bewertung eines Herstellers. Keine Quelle hier quantifiziert, wie viel Selbsthaltemoment am Ende dieses Bereichs verbleibt ². Für eine Verbindung, die häufiger wiederaufgebaut wird, oder eine, bei der die verbleibende Sicherungskraft nach jedem Wiederaufbau bekannt sein muss, klärt die Evidenz die Frage nicht. Fordern Sie beim Lieferanten Selbsthaltemoment-Daten an, die nach der Zyklenzahl gemessen wurden, die Ihr Wartungsplan tatsächlich vorsieht, statt die Zyklenzahl allein zu akzeptieren.

Lassen Umgebung und Werkstoffpaarung den Mechanismus und seine Beschichtung zu?

Eine Schraubensicherung, die Temperatur und Wiederverwendung übersteht, kann trotzdem die falsche Wahl sein, wenn die Verbindung in einer aggressiven Umgebung sitzt. In der Marine-, Streusalz-, Düngemittel-, Bergbau- und Washdown-Anwendung reicht der Rückgriff auf Werkstoffverträglichkeit allein selten aus. Das vollständige Korrosionsschutzpaket ist gemeinsam zu betrachten: verträglicher Grundwerkstoff, Schutzbeschichtung wo sinnvoll, elektrische Isolation, abgedichtete Schnittstellen und eine Verbindungsgeometrie, die keine Feuchtigkeit einschließt ¹³. Eine Edelstahlschraube, die gegenüber verzinktem Stahl wie eine Aufwertung wirkt, kann in einem salzexponierten Aluminiumgehäuse ein aggressiveres galvanisches Paar bilden, wenn die Verbindung nicht isoliert ist ¹³. Beschichtungen beseitigen dieses Risiko nicht, denn sie sind keine dauerhaften Barrieren. Gewinde schneiden, Auflageflächen reiben und Senkungen verformen sich bei der Montage, wodurch lokale Bereiche freiliegen und dort galvanische Zellen entstehen ¹⁴. Dieselbe Logik gilt für den Grundwerkstoff: kupferbasierte Holzschutzmittel können die Korrosion verzinkter Schrauben deutlich beschleunigen und den korrosionsbedingt entstehenden Wasserstoff erhöhen ⁴. Das Oberflächenverhältnis ist der Punkt, der am leichtesten übersehen wird. Korrosion konzentriert sich an Verbindungselementen, Schrauben und Übergangsstellen, während der umgebende Werkstoff intakt bleibt. Eine große kathodische Fläche in Verbindung mit einer kleinen anodischen Fläche erhöht die Korrosionsrate am anodischen Metall stark ²⁵. Küsten- und Feuchteumgebungen verstärken den Effekt, besonders wenn das anodische Material die kleinere Fläche hat ²⁶. Für Ihre Verbindung heißt das: prüfen, welche Seite des Paars klein ist — ein Edelstahl-Verbindungselement in einer großen Aluminiumkonstruktion ist die ungünstige Richtung — und ob die Verbindung Wasser ableitet oder einschließt. Wenn Sie ein Edelstahl-Verbindungselement mit einer Aluminium- oder Kohlenstoffstahlkonstruktion paaren, klären Sie die galvanische Paarung und die Isolationswahl vor der Angebotsanfrage.

Das Drehmoment an der tatsächlichen Verbindung belegen, nicht an einem ähnlichen Teil

Reibung erzeugt die Klemmkraft, und die Klemmkraft bestimmt die Leistung der Verbindung. Der Beschichtungsaufbau und der Zustand der Gegenfläche bestimmen daher, was ein Montagedrehmoment tatsächlich bewirkt ¹⁰. Eine Beschichtung kann an einem losen Verbindungselement gut abschneiden und sich anders verhalten, sobald sie mit einer Mutter, Scheibe, einem Einsatz oder einer beschichteten Gegenfläche gepaart wird. Anforderungen an die Wiederverwendung, Montageschwindigkeit, Selbsthaltemoment-Merkmale und Anlagematerialien verschieben das Ergebnis ¹⁰. Deshalb sollten Sie keine Drehmomentdaten von einem ähnlich beschichteten Teil übernehmen. Validieren Sie sie an der tatsächlichen Verbindung, besonders wenn die Verbindung Schwingungen, Temperaturzyklen oder gemischte Werkstoffe wie Stahl in Aluminium sieht ¹⁰. Die Drehmoment-Vorspannkraft-Prüfung nach ISO 16047 ist das Verfahren, das den Reibwert oder den Mutternfaktor hinter diesen Werten misst, mit einem typischen Zielwert von µ = 0.12–0.18 für geschmierte Systeme ²⁷. Betrachten Sie das als berichteten typischen Zielwert für geschmierte Systeme, nicht als Wert, den Sie für Ihre Verbindung übernehmen können. Dieselbe Quelle merkt an, dass die Messung entscheidend ist, wenn eine Klemmkraft vorgegeben ist — genau der Fall, den Sie abschließen wollen ²⁷. Vor der Freigabe sollte die Verbindung ein Junker-Querschwingungsergebnis für den gewählten Mechanismus und ein Drehmoment-Vorspannkraft-Ergebnis für den gewählten Beschichtungsaufbau vorweisen. Führen Sie beides an der Produktionskonfiguration der Verbindung aus, nicht an einer repräsentativen. Nennt Ihr Lieferant einen Drehmomentwert, ohne den Reibwert und die Gegenfläche anzugeben, gegen die gemessen wurde, ist dieser Wert noch nicht verwendbar.

Prüfen, ob die Härte des Verbindungselements im Bereich der Wasserstoffversprödung liegt

Am gefährlichsten ist Wasserstoffversprödung bei Verbindungselementen über 39 HRC (380 HV), insbesondere bei den Festigkeitsklassen 10.9 und 12.9 sowie bei Muttern der Klassen 10 und 12. Sie tritt in zwei Formen auf: innere Versprödung, die beim Beizen und Galvanisieren eingebracht wird, und umgebungsbedingte Versprödung aus der Einsatzumgebung ¹². Die folgenden Prüfschritte gelten, wenn Ihre Verbindung diesen Härtebereich mit einer Beschichtung oder einer korrosiven Einsatzumgebung kombiniert.

• Festigkeitsklasse oder Härte von Verbindungselement und Mutter bestätigen — über 39 HRC (380 HV) liegt der Bereich, in dem das Risiko als am gefährlichsten beschrieben wird ¹².
• Bei galvanisch beschichteten Teilen die Wärmebehandlung nach dem Beschichten (Baking) bei 190–220 °C für 8–24 Stunden bestätigen, beginnend innerhalb von 4 Stunden nach dem Galvanisieren ¹².
• Fragen, ob die Baking-Strategie durch Dauerlastprüfungen an Serienteilen belegt ist, da Ofenbeladung, Zeit und Temperaturgleichmäßigkeit das Ergebnis beeinflussen ⁶.
• Für hochfeste Verbindungselemente eine Dauerzuglastprüfung nach ISO 15330 bei typischerweise 75 % der Prüfkraft über mindestens 200 Stunden ohne Ausfälle verlangen ²⁷.
• Führt die Einsatzumgebung Wasserstoff zu, begegnen Sie dem über Werkstoffauswahl, Beschichtungsspezifikation und Verbindungskonstruktion statt allein über Baking ¹².

Das genannte Bestehenskriterium anwenden, wenn Sie den Mechanismus beurteilen

Ist der Mechanismus gewählt, lautet die Abnahmefrage, ob seine Sicherungswirkung ausreichend ist. DIN 25201-4 liefert ein genanntes Kriterium: Nach 2000 Lastwechseln müssen mindestens 80 % einer Ausgangsvorspannung von 50 % erhalten bleiben ⁵. Dieselbe Norm ergänzt Referenzprüfungen, um die wirksame Verschiebung zu finden, bei der die Schraube beginnt, sich selbst zu lösen, drei Referenzprüfungen zur Bestätigung dieser Verschiebung und zwölf Verifikationsprüfungen je Messreihe. Vorspannkraft, Querverschiebung und Lastwechselzahl sind aufzuzeichnen ⁵. Der Referenzschritt ist deshalb wichtig, weil die Prüfung bei einer Verschiebung gefahren werden muss, die groß genug ist, damit sich die Schraube selbst löst. Andernfalls wird die Schraubensicherung nicht beansprucht ⁵. Die Junker-Prüfung nach DIN 65151 ist das ältere und weiterhin gängige Verfahren zum Vergleich der Sicherheit von Verbindungen. Die Revision DIN 25201-4 ergänzt strengere Anforderungen an Referenz, Verifikation und Berichterstattung ⁹. Prüflabore beschreiben dieselbe Norm als gemeinsame Grundlage für den Vergleich von Schraubensicherungen, wenn die Beständigkeit gegen schwingungsinduziertes Lockern kritisch ist ²⁸. Nutzen Sie das Kriterium als Vergleichswerkzeug zwischen den in Frage kommenden Mechanismen an Ihrer Verbindung, nicht als Freigabezertifikat. Ein Bestehen auf dem Prüfstand belegt nicht für sich, dass der Mechanismus an der Serienverbindung hält. Kombinieren Sie das Junker-Ergebnis mit den Drehmoment-Vorspannkraft-Daten aus dem vorherigen Schritt, bevor Sie die Verbindung freigeben.

Wo die Quellen bei der Zuverlässigkeit von Nyloneinsätzen uneinig sind

Beide Positionen stammen von Anbietern, die mit einem Produkt auf einer Seite des Vergleichs stehen. S18 ist ein Hersteller von Sicherungsmuttern mit Nyloneinsatz, und S24 ist ein konkurrierender Hersteller von Keilsicherungen, dessen Tabelle das eigene Produkt als zuverlässig und den Nyloneinsatz als nicht zuverlässig einstuft ^{18, 24}. Keine der beiden ist eine unabhängige Verifikation, daher lässt sich der Dissens nicht durch Abwägen der beiden Aussagen gegeneinander klären. Klären ließe er sich für Ihre Verbindung durch ein Querschwingungsergebnis an der tatsächlichen Verbindungskonfiguration nach dem Kriterium von DIN 25201-4, wobei Nyloneinsatz und metallische Variante bei gleicher Verschiebung und gleicher Lastwechselzahl geprüft werden ⁵. Bis dahin ist die Temperaturgrenze das verlässlichere Unterscheidungsmerkmal, weil sich die beiden Quellen zumindest darin einig sind, dass die Leistung des Nyloneinsatzes mit steigender Temperatur nachlässt ^{18, 24}.

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