Was ist ein hochfester Bolzen?

Die ultrahochfeste Friction Grip-Schraube stellt einen bedeutenden Fortschritt in der Befestigungstechnik dar, da sie eine verbesserte Leistung bei gleichzeitiger Minimierung von Größe und Gewicht bietet. Diese innovative Schraubenkonstruktion bietet trotz ihrer geringeren Abmessungen eine gleichwertige Klemmkraft wie herkömmliche Schrauben, was mehrere entscheidende Vorteile mit sich bringt:

1. Gewichtsreduzierung: Die kleinere Schraubengröße trägt direkt zur Verringerung des Gesamtgewichts der Ausrüstung bei, was in vielen Branchen wie der Luft- und Raumfahrt und der Automobilindustrie ein wichtiger Faktor ist.
2. Erhöhter Installationsraum: Das kompakte Design ermöglicht eine effizientere Nutzung des Platzes in den Baugruppen, so dass die Ingenieure die Anordnung der Komponenten optimieren oder zusätzliche Funktionen einbauen können.
3. Verbesserte Leistung: Durch die Gewichtsreduzierung und die Möglichkeit stromlinienförmigerer Konstruktionen können diese Schrauben zu einer verbesserten Leistung der Geräte beitragen, z. B. zu einer besseren Kraftstoffeffizienz bei Fahrzeugen oder einer höheren Nutzlast bei Flugzeugen.

Hochfeste Friction Grip-Schrauben, auch HSFG-Schrauben genannt, sind spezielle Verbindungselemente für Anwendungen mit hoher Belastung, bei denen die Stabilität der Verbindung entscheidend ist. Diese Schrauben funktionieren nach dem Prinzip der Reibung und nicht nach dem der Scherfestigkeit. Wenn sie mit einem bestimmten Drehmoment angezogen werden, erzeugen sie eine Klemmkraft, die Reibung zwischen den verbundenen Teilen erzeugt und diese effektiv miteinander "verriegelt".

Zu den wichtigsten Merkmalen von HSFG-Schrauben gehören:

1. Hervorragende Zugfestigkeit, in der Regel zwischen 8,8 und 10,9 oder höher
2. Präzise Fertigungstoleranzen zur Gewährleistung gleichbleibender Leistung
3. Wird oft mit gehärteten Unterlegscheiben verwendet, um die Last zu verteilen und Oberflächenschäden zu vermeiden.
4. Häufig eingesetzt in Stahlkonstruktionen, Brücken und hochbelasteten mechanischen Baugruppen

Die Ultra High-Strength-Variante verbessert diese Eigenschaften noch weiter und verschiebt die Grenzen des Möglichen bei der Konstruktion und Anwendung von Schrauben.

Physikalische Verbindungselemente der Güteklassen 16.8 und 19.8

1. Was ist ein hochfester Bolzen?

Ein hochfester Bolzen, genauer gesagt ein hochfester Friction Grip (HSFG)-Bolzen, ist ein spezielles Verbindungselement für kritische strukturelle Anwendungen. Obwohl der Begriff "Hochfeste Schraube" im Bauwesen häufig verwendet wird, ist es wichtig, die vollständige Bezeichnung zu kennen, um Missverständnisse über ihre Funktion und Eigenschaften zu vermeiden.

HSFG-Schrauben zeichnen sich nicht nur durch ihre Materialfestigkeit aus, sondern auch durch ihre Fähigkeit, hohe Spannkräfte zu entwickeln und aufrechtzuerhalten. Diese Schrauben sind so konstruiert, dass sie auf eine bestimmte Spannung vorgespannt werden, wodurch ein Reibschluss zwischen den verbundenen Elementen entsteht, der Scherkräften durch Haftreibung und nicht durch Scherung im Schraubenschaft widersteht.

Mythos 1: Eine Materialgüte über 8.8 definiert eine "hochfeste Schraube".

Dies ist ein weit verbreiteter Irrtum. Das Hauptunterscheidungsmerkmal zwischen hochfesten Schrauben und Standardschrauben ist ihre Anwendungsmethode und ihr Tragmechanismus, nicht nur die Materialstärke. HSFG-Schrauben werden speziell entwickelt und hergestellt, um:

1. Erzielen und Aufrechterhalten einer gleichmäßigen Vorspannung
2. Widerstandsfähig gegen Lockerung unter dynamischer Belastung
3. Hervorragende Ermüdungsbeständigkeit
4. Bieten verbesserte Rutschfestigkeit in Verbindungen

In den britischen und europäischen Normen werden HSFG-Schrauben in der Regel in die Güteklassen 8.8 und 10.9 (gemäß BS EN 14399) eingeteilt, während sie in den amerikanischen Normen den Güteklassen ASTM A325 und A490 entsprechen. Es ist jedoch wichtig zu wissen, dass nicht alle Schrauben dieser Güteklassen automatisch als HSFG-Schrauben gelten. Die Bezeichnung hängt von ihrem spezifischen Herstellungsverfahren, der Oberflächenbehandlung und dem Verwendungszweck ab.

Standardschrauben, zu denen die Güteklassen 4.6, 5.6, 8.8, 10.9 und 12.9 (gemäß BS 3692) gehören können, sind für unterschiedliche Belastungsbedingungen ausgelegt und bieten nicht notwendigerweise das gleiche Maß an Vorspannung oder Reibschlussfähigkeit wie HSFG-Schrauben.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Unterscheidung zwischen hochfesten Schrauben (HSFG) und normalen Schrauben folgende Punkte umfasst:

1. Spezifische Herstellungsverfahren zur Gewährleistung einer gleichmäßigen Vorspannung
2. Kontrollierte Oberflächenbeschaffenheit zur Erreichung der gewünschten Reibungskoeffizienten
3. Präzise Installationsverfahren, oft mit Spezialwerkzeugen für die Spannungskontrolle
4. Konstruktionsüberlegungen bei den angeschlossenen Elementen zur Aufnahme hoher Spannkräfte

Tab.2 Festigkeitsklassenbezeichnungen von Stahlbolzen und -schrauben

2. Wie hoch ist die Festigkeit von hochfesten Schrauben?

Berechnen Sie gemäß GB50017 die Zug- und Scherfestigkeit einer einzelnen gewöhnlichen Schraube der Klasse B der Güteklasse 8.8 und einer hochfesten Schraube der Güteklasse 8.8.

Um die Frage zu beantworten, wo die "Stärke" von hochfesten Schrauben liegt, ist es wichtig, zunächst die konstruktiven Arbeitsbedingungen und die Gesetze der elastisch-plastischen Verformung sowohl für normale als auch für hochfeste Schrauben zu verstehen.

Bei der Untersuchung des Grenzzustands des Konstruktionsversagens wird deutlich, dass die Konstruktionswerte für die Zug- und Scherfestigkeit bei normalen Schrauben derselben Güteklasse zwar höher sein können, die wahre Stärke hochfester Schrauben jedoch in ihrer Fähigkeit liegt, extremeren Belastungen standzuhalten, ohne zu versagen.

Spannungs-Dehnungs-Kurven von normalen Schrauben und hochfesten Schrauben unter Arbeitsbedingungen

Grenzzustand bei Konstruktionsfehler

Für einen gewöhnlichen SchraubverbindungDie Schraube selbst erfährt eine plastische Verformung, die die Bemessungsgrenze überschreitet, was zum Abscheren der Schraube führt. Während dieses Vorgangs kommt es zu einem relativen Schlupf zwischen den Verbindungsplatten, bevor die Schraube beginnt, Scherkräfte aufzunehmen. Dies führt zu einer elastisch-plastischen Verformung und zur Aufnahme der Scherkraft.

Im Gegensatz dazu ist bei einer hochfesten Schraubenverbindung die Haftreibung zwischen den wirksamen Reibungsflächen der Ausgangsfaktor, der die Querkraft trägt.

Mit zunehmender Belastung kann die Reibungskraft nicht mehr ausreichen, um der Scherkraft zu widerstehen, und die Haftreibungskraft wird überwunden. Dies führt zu einer Relativverschiebung der beiden Stahlplatten, die bei Konstruktionsüberlegungen als Versagen angesehen wird.

Aber auch in diesem Fall kann die Bolzenstange ihre eigene elastisch-plastische Verformung nutzen, um die Scherung zu tragen, wenn sie die Verbindungsplatte berührt.

Mythos 2: Eine hohe Tragfähigkeit ist eine hochfeste Schraube?

Nach Berechnungen für eine einzelne Schraube sind die Zug- und Scherfestigkeiten von hochfesten Schrauben geringer als die von normalen Schrauben. Die tatsächliche Festigkeit von hochfesten Schrauben liegt jedoch in ihren konstruktiven Verbindungseigenschaften.

Unter normalen Betriebsbedingungen ist kein relativer Schlupf möglich, d. h. die elastisch-plastische Verformung ist minimal und die Steifigkeit der Verbindung ist hoch. Daraus ergibt sich eine hohe Sicherheitsreserve für die Verbindung, auch wenn die Anzahl der Schrauben im Vergleich zu einer Konstruktion mit herkömmlichen Schrauben nicht reduziert werden kann.

Hochfeste Schrauben eignen sich für den Einsatz in Hauptträgern und anderen Positionen, die eine hohe Knotensteifigkeit erfordern, was dem grundlegenden seismischen Bemessungsprinzip von "starken Knoten und schwachen Bauteilen" entspricht.

Die Stärke hochfester Schrauben liegt also nicht im Bemessungswert ihrer Tragfähigkeit, sondern in der großen Steifigkeit, der hohen Sicherheit und der hohen Schadensresistenz ihrer konstruierten Verbindungen.

3. Vergleich zwischen hochfesten Schrauben und normalen Schrauben

Aufgrund ihrer unterschiedlichen Beanspruchungsprinzipien gibt es erhebliche Unterschiede bei den Methoden zur Bauüberwachung von normalen und hochfesten Schrauben.

Prüfanforderungen für normale Schrauben und hochfeste Schrauben

Die Anforderungen an die mechanische Leistungsfähigkeit von normalen Schrauben derselben Güteklasse sind etwas höher als die von hochfesten Schrauben.

Hochfeste Schrauben stellen jedoch höhere Anforderungen an die Aufnahme der Schlagenergie als gewöhnliche Schrauben.

• a. Britischer Standard der Güteklasse 8.8 für hochfeste Schraubenverbindungen, Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben (BS4395);
• b. Britische Norm 8.8 für hochfeste Schraubenverbindungen, Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben (BSEN14399);
• c. American Standard Grade 8.8 hochfeste Schraubenverbindung Paar Kennzeichnung, Bolzen, Muttern und Unterlegscheiben (ASTM A325);
• d. Britischer Standard der Güteklasse 8.8 für gewöhnliche Schraubenverbindungen, Schrauben, Muttern und Unterlegscheiben (BS3692).

Die Kennzeichnung von normalen Schrauben und hochfesten Schrauben ist eine grundlegende Methode zur Identifizierung von Schrauben der gleichen Güteklasse vor Ort. Es ist auch notwendig, zwischen hochfesten Schrauben nach britischer und amerikanischer Norm zu unterscheiden, da die Berechnung der Drehmomentwerte unterschiedlich sein kann.

Was die Kosten betrifft, so sind gewöhnliche Schrauben etwa 70% billiger als hochfeste Schrauben. Aus dem Vergleich der Abnahmeanforderungen lässt sich schließen, dass die Mehrkosten für hochfeste Schrauben darin bestehen, ihre Kerbschlagarbeit (Zähigkeit) zu gewährleisten.

4. Wie lässt sich die Dauerfestigkeit von Schrauben verbessern?

Unabhängig von den komplexen Lasten, die sie tragen, ist die häufigste Form des Versagens bei hochfesten Schrauben das Ermüdungsversagen.

Bereits 1980 untersuchten Experten 200 Fälle von Versagen von Schraubverbindungen und stellten fest, dass über 50% auf Ermüdungsversagen zurückzuführen waren.

Daher ist es von entscheidender Bedeutung, die Ermüdungsfestigkeit von hochfesten Schrauben zu verbessern.

Die Ermüdungsbruch von Schrauben hat die folgenden Merkmale:

• Die maximale Belastung, die eine Ermüdungsbruch liegt deutlich unter der Festigkeitsgrenze des Werkstoffs bei statischer Belastung und sogar unter der Streckgrenze.
• Beim Ermüdungsbruch kommt es zu einem plötzlichen, spröden Bruch ohne erkennbare plastische Verformung.
• Ermüdungsbrüche sind das Ergebnis der Anhäufung von Mikroschäden im Laufe der Zeit.

Bei Schrauben sind die Hauptversagensformen die plastische Verformung des Gewindeteils und der Ermüdungsbruch der Schraube. Dabei treten die meisten Schäden wie folgt auf:

• 65% im ersten mit der Mutter verbundenen Gewinde
• 20% am Übergang zwischen dem Gewinde und der polierten Stange
• 15% an der Verrundung zwischen dem Schraubenkopf und der Schraube.

1. Optimierung der Konstruktion zur Verringerung der Spannungskonzentration

Strenge Kontrolle der Endgröße der Schrauben, um Spannungskonzentrationen zu vermeiden:

a. Große Übergangsfilets verwenden

b. Schneiden der Entladenut

c. Unterschnitt am Fadenende schneiden

d. Auch die Optimierung des Neigungswinkels des Schraubenkopfes kann die Spannungskonzentration wirksam reduzieren

e. Verstärktes Gewinde verwenden

Die Hauptunterschiede zwischen einem verstärkten und einem gewöhnlichen Gewinde sind der kleine Durchmesser (d1) des Außengewindes und der Radius der Wurzelverrundung (R).

Zu den wichtigsten Merkmalen eines verstärkten Gewindes gehören ein größerer kleinerer Durchmesser (d1) im Vergleich zu einem normalen Gewinde, ein größerer Radius (R) für den Fußübergang und eine geringere Spannungskonzentration in der Schraube.

Für den Radius der Wurzelverrundung (R) eines verstärkten Gewindes gibt es spezifische Anforderungen: R+ = 0,18042P und rmin = 0,15011P, wobei P die Steigung ist. Im Gegensatz dazu gibt es keine derartigen Anforderungen für ein normales Gewinde, das sogar einen geraden Abschnitt haben kann.

2. Verbesserung des Herstellungsprozesses

Verbesserung der Kontrolle der Wärmebehandlung und Oberflächenbehandlung Verfahren bei der Herstellung von Schrauben können die Ermüdungsfestigkeit der Schrauben wirksam verbessern.

a. Wärmebehandlung

Die Bolzen werden einer Wärmebehandlung mit anschließendem Walzen unterzogen, um eine erhebliche Druckeigenspannung zu erzeugen, die die Bildung und das Wachstum von Rissen verlangsamt und ihre Lebensdauer erhöht. Ermüdungsfestigkeit. Es ist wichtig, Folgendes zu verhindern Entkohlung während der Wärmebehandlung und zum Vergleich der Ermüdungsfestigkeit von Schrauben mit und ohne Oberflächenentkohlung.

Das Vorhandensein von Entkohlung führt zu einer Oxidation des Kohlenstoffs in der Schicht, was zu einer Verringerung des Zementits in der metallografischen Struktur und einer geringeren Festigkeit und Härte im Vergleich zu normalen Strukturen. Typischerweise sinkt die Ermüdungsfestigkeit von Schrauben unter den Bedingungen der Oberflächenentkohlung um 19,8%.

b. Phosphatieren

Die Phosphatierung der Schraubenoberflächen dient der Vorbeugung von Rost und der Gewährleistung einer stabilen Reibung bei der Montage. Darüber hinaus kann sie auch den Verschleiß verringern.

Beim Gewindewalzen wird die Reibung zwischen dem Gewinderollrad und dem Schraubengewinde kann die Spannungsverteilung auf dem Bolzengewinde nach dem Walzen positiv beeinflussen und die Rauheit der Gewindeoberfläche verringern.

3. Geeignete Vorspannung einstellen

Die Spannung in einer gewöhnlichen Schraubenverbindung wird hauptsächlich von den ersten drei belasteten Gewinden getragen. Wenn die anfängliche Vorspannung beträchtlich ist, kommt es lokal an den Wurzeln einiger Gewinde zu einer plastischen Verformung, die zu Eigenspannung an diesen Wurzeln. Diese Druckeigenspannung erhöht die Ermüdungsfestigkeit der Gewinde.

Darüber hinaus verbessert die plastische Verformung des Gewindes die Spannungsverteilung und verringert den Anpressdruck, wodurch sich auch die Dauerfestigkeit des Gewindes erhöht. Je größer die Vorspannung ist, desto besser kann die Schraubenverbindung der Trennung und dem Nachlassen der Vorspannung widerstehen. Dies führt zu einer höheren effektiven Ermüdungsfestigkeit der Verschraubung.

Eine Erhöhung der Vorspannkraft in einer Schraubverbindung verbessert daher deren Widerstandsfähigkeit gegen Ermüdungsversagen unter zyklischen äußeren Belastungen und verringert das Risiko eines Ermüdungsversagens durch Vibrationen und Stoßkräfte oder begrenzte Überlast.