Schraubfall-Analyse von Verbindungen

Die Schraubfall-Analyse von Verbindungen wird eingesetzt um Schraubverbindungen experimentell zu bewerten, das Verbindungsdesign zu verifizieren.

Das Design und die Berechnung erfolgt nach anerkannten Richtlinien (z.B. VDI 2230). Typische Verbindungsmöglichkeiten sind z.B. die Kontaktverschraubung, Kontaktschrauben, Verbindungen mit Leit-Werkstoffen, Direktverschraubungen/formende/furchende Schrauben.

Zudem erfolgt die Verifizierung des Designs durch Schraubfall-Analyse von Verbindungen wie auch die Ermittlung des Weiterdrehmoments zur Bewertung des Vorspannkraftverlustes, der Relaxation in der Verbindung.

Die VDI 2862 definiert Mindestanforderungen zum Einsatz von Schraubsystemen und -werkzeugen, die Bewertung der Auswirkung von Fehlern/der Fehlerschwere.

Die Schraubfall-Analyse von Verbindungen ermöglicht

Schraubfall-Analyse von Verbindungen, Weiterdrehmoment-Ermittlung an einer zuvor gealterten/getesteten elektrischen Verbindung, elektrische Schraubverbindung, Messgenauigkeit 0,2%, Messfrequenz bis 10 kHz

Schraubfall-Analyse und Weiterdrehmoment-Ermittlung an einer zuvor gealterten/getesteten elektrischen Verbindung, Messgenauigkeit 0,2%, Messfrequenz bis 10 kHz

  • die Verifikation des Designs, die Analyse der Schraubverbindung (Verhalten von Verbindungselement und Klemmteile)
  • Ermittlung der Drehmoment-Drehwinkel Charakteristik
  • Ermittlung des Bruchdrehmoments und der Versagensart
  • Untersuchung des Einflusses der Reibwerte, der Streuungen und Ermittlung der Reibwerte nach DIN EN ISO 16047, auch serienbegleitend
  • Ableitung der Anzugsverfahren und  Anzugsparameter (Momenten-, Drehwinkel- oder Streckgrenz-gesteuertes Anziehen), der Montagestrategie und Montageprozessparameter, inkl. der Bewertung der Funktionen z.B. der elektrischen Eigenschaften und Messung des Übergangswiderstandes
  • die serienbegleitender Qualitätssicherung und Dokumentation, vermeidet Montageprobleme und Montagefehler.

 

Bedeutung der Reibwerte für das Montageergebnis
Auf Grund der Geometrien der Schraube hat die Reibung an der Kopfauflagefläche und im Gewinde einen wesentlichen Einfluss auf die Kontaktkraft (Modell/Wirkprinzip schiefe Ebene).

Die Unkenntnis der auftretenden Reibwerte und der Streuungen erschwert die Berechnung und Dimensionierung, sie erfordern eine Überdimensionierung/Sicherheitsabstände und schränken damit die Nutzung der Tragfähigkeit ein. Das Ziel ist deshalb reproduzierbare Reibungszahlen bei geringen Streuungen.

Eine geringe Streuung im Montagedrehmoment/ein definiertes Reibwertfenster sind Voraussetzung für die Herstellung einer zuverlässigen Schraubverbindung.

Vorteile der Produktionsbegleitende Bewertung/serienbegleitende Qualitätsbewertung der Reibwerte und der Streuungen

Schraubfallanalysen bieten Möglichkeiten serienbegleitend Parameter zu ermitteln, um Prozesse zu kontrollieren, Streuungen/Trends/Abweichungen frühzeitig zu erkennen und als statistische Datengrundlage für weitere Auslegungen.

Wesentlicher Vorteil ist, dass alle reibwertbeeinflussenden Einflussfaktoren mit erfasst werden und auch in der Anzugsstrategie „Verschrauben auf konstantes Drehmoment“ bewertet werden. Die Erfahrung in der Praxis zeigt, dass serienbegleitende Ermittlungen vor allem bei gewindeformenden Schrauben zudem für die Prozessbewertung und Qualitätssicherung sehr hilfreich sind.

Die Auswertung des Gradienten aus Drehmoment und Drehwinkel zeigt plastische Verformungen, sowohl an den verschraubten Bundmetallen (Überschreitung der zulässigen Grenzflächenpressung) ggf. auch an den Verbindungselementen (vgl. streckgrenzgesteuertes Anzugsverfahren). Für die Auswertung können Drehwinkel- und/oder ein Drehmoment-Bereich/ Drehmomentschwellwerte für die Ermittlung der Reibwerte definiert werden.

 

Bedeutung der Setzbeträge und der Relaxation auf das Langzeitverhalten der Verbindung

Die Vorspannkraft in Verbindungen ändert sich nach der Montage durch Setzen und Relaxation, zudem auch temperatur- und belastungsabhängig. Herausfordernd bei den elektrischen Verbindungen sind die in der Regel kurzen Klemmlängen, die nur geringe Setzbeträge erlauben, die relativ geringe Festigkeiten bzw. die Kriechneigung der verspannten Werkstoffe, wie auch Temperarturwechsel durch die Strombelastung, ggf. dynamische Belastungen durch Vibration/Beschleunigungen und Massen/Masseträgheiten. Dies kann zum Vorspannkraftverlust führen.

Der Vorspannkraftverlust kann sich auf die Funktionen der Verbindung auswirken, z.B. zu einem Anstieg des Widerstands führen, Gasdichtheit der Verbindung gefährden oder kann zum ungewollten Lösen der Verbindung führen.

Vorspannkraftverluste entstehen bspw. durch

  • Setzen und Relaxation/Kriechen der Werkstoffe (Schraube und verspannte Bauteile) unter Beanspruchung
  • Temperaturwechsel (unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten der Kontaktpartner)
  • Relativ-/Mikrobewegungen im Kontakt
  • erhöhte Temperaturen
  • Strombelastung (Erwärmung und Materialwanderung)
  • Korrosion (auch elektro-chemische Kontaktkorrosion)

Eine Möglichkeit, sich der Relaxation anzunähern, ist die Messung des Weiterdrehmoments, das auch in der VDA 5.2 als Prüfprozess genannt wird. Zudem kann die Ermittlung des Weiterdrehmoments auch als serienbegleitende Prüfung sinnvoll sein, um Veränderungen und Trends in den Prozessen zu erkennen.

Hochstrom-Verbindung, elektrische Kontaktverschraubung, Einfluss der Reibwerte, Kontaktwiderstand, Reibwertermittlung, Streuungen, Schraubfallanalyse, Spannungsrelaxation, Weiterdrehmoment

Ermittlung Vorspannkraftverlust in einer Verbindung, Drehmoment-Charakteristik und Auswertung einer Weiterdrehmoment-Messung

Vorteile der serienbegleitende End of line Prüfungen/stichprobenweise Ermittlung der Weiterdrehmomente
Der Fokus liegt nun auf Materialwerten, Werkstoffverhalten und Spannungsrelaxation die das Langzeitverhalten der Verbindung beeinflussen. Der Vorspannkraftverlust kann sich auf die Funktionen der Verbindung auswirken, z.B. zu einem Anstieg des Widerstands führen, die Gasdichtheit der Verbindung gefährden oder kann zum ungewollten Lösen der Verbindung führen. Vor allem bei Verbindungen mit Bundmetallen, Verbindungen mit Leichtmetallen oder auch bei Direktverschraubungen in Kunststoff treten hohe Relaxationsfaktoren auf.

Maßgebende Beiträge für Veränderungen der Vorspannkraft sind

  • Setzen (z.B. plastische Verformungen in den Schnittstellen/Interfaces,
    zwischen den Bauteilen, zwischen Bauteil und Verbindungselement oder in den Gewindeflanken
  • die Relaxation der verspannten Bauteile und der Verbindungselemente

 

Die Schraubfall-Analyse von Verbindungen als serienbegleitende Prüfung ermöglicht das Erkennen von Trends/Veränderungen im Serienprozess z.B.
die Veränderung der Reibwerte durch einen veränderten Herstellprozess. Steigung und Übergang der Kurven lassen auf Abmessungen und Fügebedingungen schließen (Bauteile liegen nicht spaltfrei und plan aneinander)

 

Die Ermittlung des Weiterdrehmoments ermöglicht

  • die Design-Verifikation: Ermittlung des Vorspannkraftverlustes in einer Verbindung zur Absicherung der Auslegung der Schraub-Verbindung insb. des Langzeitverhaltens, der Bewertung von Setzbeträgen/der Kriechneigung
  • als serienbegleitende Stichproben-Prüfung ermöglicht die Ermittlung des Vorspannkraftverlustes und das Erkennen von Trends/Veränderungen im Serienprozess z.B. Veränderung der Reibwerte durch veränderten Herstellprozess, Veränderung der Setzbeträge durch Veränderung der Werkstoffe, der Rauheit, der Abmessungen, der Fügespalte, der tragenden Kontaktfläche, der Geometrie durch Grate, u.ä. Für das Abdecken weiterer Einflüsse/der Belastungen aus dem Feld und im Betrieb können vor der Prüfung Bauteile gealtert/getestet werden.

 

Die Schraubfall-Analyse kann mit hoher Flexibilität, vor Ort oder „im Feld“ durchgeführt werden. Bei vorhandenen Bauteilen ist die Beurteilung innerhalb kurzer Zeit möglich.

 

Link zu Anwendungsbeispiel Schalteinheit: battery-junction-box

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