Schraubenbruch – kleine Ursache, große Wirkung

Der Schaden

Der Bruch von Schrauben ist eine der häufigsten Schadensursachen in der Technik. In diesem Fall sind glücklicherweise keine größeren Folgeschäden entstanden.

Die Geometrie sieht prinzipiell folgendermaßen aus:

Abbildung 1: Geometrie und Belastung

Es handelt sich um einen Querträger, der mit jeweils zwei Schrauben M16 8.8 (B, D) an ein U-Profil geschraubt wird. Das Modell wurde halbsymmetrisch ausgeführt. In der Mitte wird der Querträger mit einer Kraft (A) belastet. Das U-Profil ist auf beiden Seiten fest eingespannt (C).

Beide Schrauben auf einer Seite der Befestigung des Querträgers sind gebrochen. Es handelte sich um einen Dauerbruch mit größerer Restbruchfläche.

Analyse des Ist-Zustands

Die erste Nachrechnung der Schrauben erfolgte analytisch, da es sich um eine alte und bewährte Konstruktion handelte. Es wird also eine Schraubenberechnung nach VDI 2230 mit der Software eAssistant der GWJ Technology GmbH durchgeführt, die eine Sicherheit gegen Dauerbruch S = 2,4.

Abbildung 2: Ergebnisse analytische Berechnung VDI 2230 mit eAssistant

Da aber die Eingabedaten bei exzentrischen Verspannungen immer schwierig abzuschätzen sind und gleichzeitig einen großen Einfluss auf die Sicherheiten haben, wurde eine FEM-Simulation gemacht.

Abbildung 3: Verformung links; rechts Kontaktstatus

Im Kontaktstatus der verschraubten Geometrien ist deutlich ein einseitiges Abheben zu erkennen. Der gesamte gelbe Bereich der rechten Abbildung ist nicht mehr im Kontakt, wovon auch ca. 45° der Durchgangsbohrungen betroffen sind.

Lösung

Wie kann das Problem einfach gelöst werden? Nach wenigen Stunden und einem Waldlauf (gratis) stand folgender Lösungsvorschlag:

Abbildung 4: Optimierte Geometrie

Zwischen den Schrauben wird eine Querrippe zur Versteifung eingeschweißt. Damit kann sich der Querträger nicht mehr so stark abheben. Zusätzlich werden anstatt 8.8 höherfeste Schrauben, mindesten 10.9, eingesetzt, um eine höhere Vorspannkraft durch erhöhtes Anziehmoment zu erreichen.

Vorteil dieser Lösung ist, dass keine aufwändige Demontage notwendig ist. Das Blech kann vorbereitet werden und die Zugänglichkeit für die Reparaturschweißung ist ausreichend.

Abbildung : Verformung links; rechts Kontaktstatus

Im Kontaktstatus in Abbilung 5 rechts ist nun deutlich zu sehen, dass es rund um die Schrauben zu keinem Abheben kommt. Damit teilt sich die Last zwischen Grundkörper und Schraube auf, so wie es laut Schraubendiagramm auch sein muss.

Nebenbei wurde die Verformung stark verringert und die Spannungen stark reduziert.

Abbildung 6: Spannungen links vor, rechts nach der Optimierung

Fazit

• Häufig kommt es im Lebenszyklus eines Produktes zur Erhöhung der Lasten. Die kritischen Bereiche werden dann überschlägig nachgerechnet und freigegeben. Vermutlich hat sich in diesem Fall auch das Lastkollektiv beim Endkunden von einer Gauss’schen Verteilung in Richtung eines Einstufenkollektives verschärft. Dadurch sind dann die Schraubenbrüche erstmals aufgetreten.
• Was sich auch zeigt, ist, dass bei der Auslegung von Schraubenverbindungen die Steifigkeiten von beiden zu verbindenden Teilen sehr wichtig sind. Die gemeinsame Steifigkeit beider Bauteile bestimmt, ob es zu einem örtlichen Abheben an der Schraube kommt.
• Für meinen Kunden war es wichtig, dass er Ursache und Lösung schnellstmöglich aufzeigen konnte, und zwar belegt durch eine Simulation. Damit stärkt er auch in kritischen Situationen das Vertrauen seines Endkunden.

Hier konnte der Schaden dank Simulation schnell analysiert und eine Lösung gefunden werden. Dank langfristiger Zusammenarbeit mit meinem Kunden innerhalb weniger Stunden!

Hierbei verweise ich auf meinen Artikel zu diesem Thema:
https://www.linkedin.com/posts/weber-simulation-engineer_simulation-technischesimulation-ingenieurwesen-activity-7287833233910607872-GIHX

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