1、 VDA - Prfblatt August 2005Verschraubungsverhalten / ReibungszahlenPraxis- und montageorientierte PrfungVDA235-203VERBAND DER AUTOMOBILINDUSTRIE E. V. (VDA) Westendstrae 61 60325 FrankfurtVertrieb: DOKUMENTATION KRAFTFAHRWESEN E.V. (DKF) Ulrichstrae 14 D-74321 Bietigheim-Bissingen1 Anwendungsbereich
2、 und ZweckDie in diesem Prfblatt beschriebene Vorgehensweise gilt sowohl fr die Freigabeneuer Oberflchenbeschichtungen als auch fr die Untersuchung durch Oberfl-chenmngel verursachter Schraubprozessstrungen. Sie ist nicht fr die Serienpr-fung von Oberflchenbeschichtungen vorgesehen.DIN EN ISO 16047
3、legt standardisierte Bedingungen zur Durchfhrung von Drehmo-ment/Vorspannkraft-Versuchen fr mechanische Verbindungselemente fest, deren Ergeb-nisse oftmals fr den Produktionseinsatz nicht bertragbar sind. So werden Schraubenbzw. Muttern in der Praxis meist mehrstufig mit schnellem Voranzug verschrau
4、bt, um dieMontagezeit zu verkrzen. Der Endanzug erfolgt im Allgemeinen mit 20 min-1, dabei aberhufiger streckgrenzenberschreitend. Mit greren Drehwinkeln werden zustzliche rei-bungsbeeinflussende Faktoren wirksam.Die reibungsbeeinflussenden Reibpartner der Schrauben und Muttern knnen sehr unter-schi
5、edliche Oberflchenbeschaffenheiten aufweisen. Besondere Anforderungen stellen da-bei sehr glatte, geschlossene Oberflchen oder aufgrund der Bearbeitungs- und Werkstoff-struktur rauhe Oberflchen. Daneben knnen sich beim Verschrauben auf lackierten Teilen- z.B. bei KTL- Beschichtungen durch die beim s
6、chnellen Einschrauben unvermeidbarenthermischen Belastungen - Oberflchenbeschdigungen einstellen, die extreme Reibungs-bedingungen zur Folge haben und oft “stick/slip“- Effekte auslsen. Auch das Einschraubenin tiefe Gewindebohrungen oder Gewindebuchsen mit Einschraubtiefen bis zu 3xd stellt beirelat
7、iv weichen Werkstoffen wie unvergtetem Stahl, Gusseisen, Aluminium oder Magnesi-um besondere Anforderungen an die Beschichtungssysteme.In einigen Fllen, z.B. bei Radschrauben, erfolgt der Anzug mehrfach mit den Schraubstu-fen Anziehen, Lsen, Endanziehen. Auch fr den Nacharbeitsfall mssen Mehrfachver
8、-schraubungen bercksichtigt werden. Dabei stellen sich unter solchen Serienbedingungen,im Gegensatz zu den standardisierten Laborprfungen, im Allgemeinen hhere Reibungs-zahlen und teilweise erheblich grere Reibungszahlstreuungen ein.Weiterhin ist es zur Beurteilung von Beschichtungssystemen an Gewin
9、deelementen not-wendig, das Losdrehverhalten nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch bei hherenTemperaturen, z.B. bis 150 C, zu untersuchen. Mit speziellen Messaufbauten lassen sichReibungszahlen auch in diesem Temperaturbereich ermitteln. Besonders organische und/oder stark PTFE- haltige Beschic
10、htungen weisen bei hheren Temperaturen z.T. sehr ge-ringe Reibungszahlen auf.Dieses Prfblatt beschreibt ergnzend oder abweichend zu DIN EN ISO 16047 Ver-suchsaufbauten und Versuchsablufe zur Ermittlung der Reibungszahlen, die sich bei derSchraubmontage in der Praxis einstellen oder auch unter Betrie
11、bsbedingungen bis zuTemperaturen von 150 C auftreten knnen.2 Allgemeine FestlegungenSoweit in diesem Prfblatt keine Angaben gemacht werden, gelten die Festlegungen vonDIN EN ISO 16047. Die Auswertung der Versuchsergebnisse und die Bestimmung der To-leranzgrenzen ermittelter Reibungszahlen sind gem D
12、IN EN ISO 16047 bzw. VDA 235-101 vorzunehmen.Fortsetzung Seite 2 bis Seite 6Seite 2 VDA 235 203 (August 2005)2.1 Prfaufbau, PrfeinrichtungenDie fr die jeweilige Schraubverbindung relevanten Bedingungen sind mglichst praxisgerechtnachzustellen. Dazu gehren die Gewindeelemente, Kopfauflageflchen, Schr
13、aubfallhrte,Klemmlngen und Einschraubtiefen. Es ist sicherzustellen, dass der Anzug der Schraubver-bindung unter Serienbedingungen (z.B. zweistufiger Vor- und Endanzug, berelastisch, mitWiederholverschraubung, .) auf einem Schraubenprfstand mittels einer dem Stand derTechnik entsprechenden Schraubsp
14、indel durchzufhren ist. Dieser muss in der Lage sein, ho-he Einschraubdrehzahlen ( 200 min-1) und einen unterbrochenen Anzug (Voranzug - Still-stand - Endanzug) zu realisieren, weil unter diesen Bedingungen bestimmte Kopfauflage-Geometrien und Oberflchenpaarungen Verschraubungsprobleme verursachen k
15、nnen, diebei niedrigen Prfdrehzahlen und/oder einstufigem Anzug nicht erkannt werden.2.2 TeilevorbereitungSchrauben und Muttern, Gewindeabschnitte und Gegenlagen sind mglichst aus Serienteilenzu entnehmen oder seriennah auszufhren, z. B. Mutterngewinde mit den tatschlichen Ein-schraubtiefen und Gewi
16、ndetoleranzen. Das ist besonders wichtig bei unvergtetem Stahl, Al-Werkstoffen oder speziellen Oberflchen (z.B. gefrst, gedreht, geschliffen oder geformt).Fr jede Prfung sind neue Teile (Schraube, Mutter, Kopfauflageflche) zu verwenden. Diesgilt jedoch nicht fr Wiederholverschraubungen. Bei der Beur
17、teilung neuer Oberflchenbe-schichtungen sind zur Langzeitlagerung gefettete Referenzteile vor der Verschraubung in ge-eigneter Weise zu entfetten.2.3 Prfablauf2.3.1 Ermittlung von Reibungszahlen / Verschraubungsverhalten bei RT Aufschraubdrehwinkel 360 zwischen Schraubenkopf und Gegenlage sicherstel
18、len (not-wendig, damit die Schraubspindel auf die vorgegebene Drehzahl beschleunigen kann) Voranzug der Schraubverbindung bei Raumtemperatur mit einer stationren Schraubspin-del mit 200 min-1bis zu einem Fgemoment von ca. 30 % des Endanziehdrehmomentes kurzer Stillstand der Schraubspindel; dabei ste
19、llt sich durch die bergnge Gleit-/Haft-/Gleitreibung bei unzureichender Schmierstoffbeschichtung eine Neigung zu stick/slip-Effekten und hheren Reibungszahlen ein Endanzug der Schraubverbindung bei Raumtemperatur mit einer stationren Schraubspin-del mit 20 min-1bis zum Erreichen des Endanziehdrehmom
20、entes Zur Beurteilung des Verschraubungsverhaltens im Mehrfachanzug sollten 3 bis 4 Wieder-holverschraubungen durchgefhrt werdenNeben den Reibungszahlen ist der Drehmoment / Vorspannkraft (bzw. Zeit) Verlauf mit zu be-urteilen (Beispiel i.O. - bzw. n.i.O. - Verlauf siehe Bild 1 und 2).Zeit t sMANmsc
21、hneller Voranzugn = 200 min.-1kurzer Stillstand der Schraubspindellangsamer Endanzugn = 20 min.-1Bild 1: Drehmoment-Zeit-Verlauf mit Vor- und Endanzug (i.O.- Verschraubung)VDA 235 203 (August 2005) Seite 3Zeit t sMA Nmschneller Voranzugn = 200 min.-1kurzer Stillstand der Schraubspindellangsamer Enda
22、nzugn = 20 min.-1Bild 2: Drehmoment-Zeit-Verlauf mit Vor- und Endanzug (n.i.O.- Verschraubung, stick/slip)Besonders problematisch bezglich ungnstiger Unterkopf-Reibung sind Flanschschraubenmit konkaver Kopfauflagegeometrie (Auentrger). Beim Schraubenanzug kommt hier erstder Auenbereich der Unterkopf
23、auflageflche linienfrmig zur Anlage. Dies verstrkt in Ver-bindung mit der in diesem Bereich hheren Umfangsgeschwindigkeit thermisch bedingteReibstrungen mit erheblich hheren Reibungszahlen, die bei 0,20 zu stick/slip- Effektenfhren knnen. Zur Freigabe neuer Beschichtungssysteme oder Schmierstoffe so
24、llten des-halb die funktionellen Eigenschaften vorzugsweise mit konkaven Flanschschrauben geprftwerden.Bezglich der Gewindereibung knnen vor allem groe Einschraubtiefen in Gewindeele-menten aus Leichtmetalllegierungen oder Gusseisen mit Kugelgraphit zu problematischemVerschraubungsverhalten fhren.An
25、lagenspezifische Einflsse sollten so praxisnah wie mglich bercksichtigt werden. Diesbetrifft vorwiegend dazwischen geschaltete Verlngerungen zwischen Schraubspindel undWerkzeugnuss (Torsionsfederrate).2.3.2 Ermittlung von Lsemomenten bei erhhten TemperaturenMit Hilfe der nachfolgend beschriebenen Vo
26、rgehensweise ist es mglich, nherungsweiseReibungszahlen bei erhhten Temperaturen (z.B. bei 150C) zu ermitteln. Hierfr werden dieLsemomente bei erhhter Temperatur ermittelt. Mit Hilfe der bekannten Beziehung zwi-schen Drehmoment, Vorspannkraft, Reibungszahl und den geometrischen Parametern derSchraub
27、e sowie der bei Raumtemperatur ermittelten Reibungszahl kann die Reibungszahlbei erhhter Temperatur abgeschtzt werden.Fr den Versuch ist ein Prfblock (Beispiel siehe Bild 3) erforderlich, der das Verschraubender zu untersuchenden Prfschrauben und Prfmuttern gestattet. Es ist sicherzustellen, dassdie
28、 Prfmutter beim Anziehen und Lsen der Schraubverbindung spielfrei gegen Mitdrehengesichert ist.Der zu verwendende Prfblock ist aus einem Werkstoff C45 bzw. einem gleich- oder hher-wertigen Werkstoff zu fertigen und auf min. 800 MPa zu vergten. Die Auflageflchen frSchraubenkopf- und Mutternauflage ms
29、sen planparallel sein. Auf eine zentrische Ver-schraubung ist zu achten. Der Schraubenschaft darf nicht in der Durchgangsbohrung reiben.Fr jede Prfung sind neue Teile (Schraube, Mutter) zu verwenden. Die Kopfauflageflche desPrfblocks ist lngs geschliffen (Ra= 0,8 bis 1,6 m) auszufhren. Beim Einsatz
30、von Kombi-schrauben ist das Mitdrehen der Scheibe (z.B. durch sandgestrahlte Oberflche des Prf-blocks) zu verhindern. Mutter- und Kopfauflageflche des Prfblocks sind vor der Verschrau-bung mit Waschbenzin, vorzugsweise in einem Ultraschallbad, grndlich zu reinigen. Das An-ziehdrehmoment ist so auszu
31、legen, dass ca. 70% von Rp02(0,2% -Dehngrenze) der Schraubebei einer angenommenen Untergrenze der Gesamtreibungszahlen von ges= 0,08 nicht ber-schritten werden.Seite 4 VDA 235 203 (August 2005)Bild 3: Prfblock (Beispiel: Prfschraube mit Schweimutter) und Skizze (die Abmessungendes Prfblocks sind der
32、 Schraubenabmessung geeignet anzupassen, Durchgangs-bohrung nach DIN EN 20273, Reihe mittel)Prfablauf: Anzug der Schraubverbindung bei Raumtemperatur mit einer stationren Schraubspindel(Drehzahl = 20 min-1) Markierung der Schraubenkopfposition nach der Verschraubung Temperaturauslagerung der Schraub
33、verbindung bei Prftemperatur in einem vorgeheiz-ten Ofen bei geeigneter Haltezeit zur vollstndigen Durchwrmung (z.B. 2 Stunden) nach Entnahme der Schraubverbindung aus dem Ofen schnellstmglich berprfung mitHilfe der Markierung der Schraubenkopfposition, ob sich ein selbstttiges Lsen derSchraube eing
34、estellt hat danach schnellstmglich Lsen der Schraubverbindung mit einer Schraubspindel (Dreh-zahl = 5 min-1), dabei Aufzeichnung/Messung von Losbrechdrehmomentspitze und Los-drehmoment. Ein zu schneller Temperaturabfall kann z.B. mit aufgeheizten oder isoliertenSpannbacken zum Festspannen des Prfblo
35、cks vermieden werden.Empfehlenswert ist es, den Schraubenanzug und das Lsen mit einem vorgeschaltetenDrehmoment-Drehwinkel-Aufnehmer und Mewerterfassungssystem aufzuzeichnen, um dar-aus die Losbrechdrehmomentspitze und den bergang in die Gleitreibung ber dem Drehwin-kel zu ermitteln. Fr das Warmlsev
36、erhalten wird nicht die Losbrechspitze MLH(Haftreibung),sondern der bergang in die Gleitreibung MLG(Gleitreibung) bewertet (siehe Bild 4).LH (Haftreibung)MLG (Gleitreibung)oo0 153045607590Drehwinkel Grad-35-30-25-20-15-10-50LosdrehmomentNmMBild 4: Drehmoment-Drehwinkel-Diagramm eines Lsevorganges mi
37、t AuswertungVDA 235 203 (August 2005) Seite 53 Anmerkungen und Hinweise3.1 Versuchsparameter “Gegenlage“Verschiedene Gegenlagen unter dem Schraubenkopf knnen zu Verschraubungsproblemenfhren. Ursache hierfr knnen sowohl sehr glatte, harte oder raue Oberflchen sein. Prob-leme treten hufig mit lackiert
38、en Gegenlagen (z.B. KTL- Beschichtung), meist in Verbindungmit hohen Einschraubdrehzahlen, auf.Zur Untersuchung dieser Problematik ist die exakte bertragung der Praxisbedingungen inden Verschraubungsversuch unerlsslich (siehe auch Abschnitt 2.1).3.2 Versuchsparameter “Mutterngewinde“Verschraubungspr
39、obleme werden hufig durch besonders lange oder raue Mutterngewindehervorgerufen. Bei der Untersuchung dieser Phnomene ist der Einsatz entsprechenderOriginal- Gewinde am Prfstand notwendig (siehe auch Abschnitt 2.1).3.3 Versuchsparameter “Temperatur“Bei Prfungen zur Freigabe neuer Oberflchenbeschicht
40、ungen sowie bei neuen Lieferantenoder Anlagentechniken sollten bevorzugt Prfungen mit den hchsten Anforderungen an dieSystemeigenschaften durchgefhrt werden. Bei thermisch beanspruchten Schraubverbindun-gen ist u. a. die Beaufschlagungstemperatur magebend. Dabei ist zu unterscheiden zwi-schen: Stand
41、ardanwendungen, Prftemperatur 90 C. Temperatur wird bestimmt durch Beauf-schlagung in Nacharbeitsfen (Sonderlack) Erhhte Anforderung, Prftemperatur 150 C (z.B. Anwendungen im Aggregateumfeld).Eine weitere Anforderung an das Lseverhalten ergibt sich durch die Schraubengeometrie.Erhhte Ansprche besteh
42、en bei Kombischrauben, da durch doppelte Schichtdicken zwischenSchraubenkopf und Scheibe bei sensiblen Oberflchen die thermische Reaktion auf die Un-terkopfreibung besonders deutlich ausfllt. Bedingt durch den relativ hohen Gewindestei-gungswinkel ist die Abmessung M6 besonders kritisch. Fr die Eige
43、nschaftsprfungen eignensich daher vorzugsweise M6-Kombischrauben.Konvexe Kopfauflagegeometrien (Innentrger) sind bzgl. Warmlseverhalten kritischer alskonkave (Auentrger) einzustufen.Sofern diese Prfung ausschlielich der Ermittlung des Temperaturverhaltens eines Be-schichtungssystems dient, knnen sta
44、ndardisierte Gegenlagen und Muttern verwendet wer-den.Angaben zur Messtechnik (Aufnahme der Lsekurve):- Drehwinkelsensor mit min. 1 Winkelauflsung (optimal 0,25)- Digitalisierungsrate min. 1 kHz (optional 10 kHz)Die sich theoretisch ergebenden Verhltnisse von Losdrehmoment / Anziehdrehmoment(ML/MA)
45、werden fr die jeweils betrachtete Schraubengeometrie nach folgender Formel be-rechnet:+=2577,0157,02577,0157,02.2.KmAgesVAKmLgesVLALDdPFDdPFMMSeite 6 VDA 235 203 (August 2005)Tabelle 1 zeigt beispielhaft entsprechende Werte. Die angegebenen Werte gelten unter fol-genden Annahmen:- ges. A= ges. RT= 0
46、,11- FVL/ FVA= 95% (Annahme: 5% Vorspannkraftverlust durch Setzen und Relaxation)- DKm= (di + da)/2 = 1,5 x d (d Gewindenenndurchmesser).Als kritische Reibungszahl hinsichtlich selbstttigem Lsen (Aufheben der Selbsthemmungs-grenze) gilt allgemein ges. krit.= 0,06. Aus den in Tabelle 1 beispielhaft d
47、argestellten Wertenkann ohne exakte Berechnung daher nherungsweise ein Verhltnis von (ML/MA) 0,4 als un-kritisch angenommen werden.Gewinde- P mm d2 mm DKmmm ML/MA(ges. L=0,08)ML/MA(ges. L=0,06)M6 1,00 5,350 9,0 3,41 0,43 0,29M8 1,25 7,188 12,0 3,17 0,45 0,30M10 x 1 1,00 9,350 15,0 1,95 0,53 0,37M10
48、1,50 9,026 15,0 3,03 0,45 0,31M12 x 1,5 1,50 11,026 18,0 2,48 0,49 0,34M12 1,75 10,863 18,0 2,94 0,46 0,31M14 x 1,5 1,50 13,026 21,0 2,10 0,52 0,36M14 2,00 12,701 21,0 2,87 0,46 0,32M16 x 1,5 1,50 15,026 24,0 1,82 0,54 0,38M16 2,00 14,701 24,0 2,48 0,49 0,34Tabelle 1: Theoretische Verhltnisse ML/MA (Beispiele)mit ges. A = ges. RT= 0,11 sowie FVL/ FVA= 95% und DKm= 1,5 x dd = Gewindedurchmesser MA= Anziehdrehmomentd2= Flankendurchmesser ML= Losdrehmomentda = Auendurchmesser Kopfauflage P = Gewindesteigungdi = Bohrungsdurchmesser RT = RaumtemperaturDKm= mittlerer
