Was passiert mit der Vorspann- und Klemmkraft, wenn Betriebskräfte angreifen?

In der Regel wird mithilfe eines Schraubenschlüssels ein Drehmoment auf die Schraube oder Mutter aufgebracht, um die erforderliche Vorspannkraft zu erzielen. Diese Vorspannkraft ist die Zugkraft, die beim Anziehen im Verbindungselement entsteht. Diese Zugkraft wiederum erzeugt eine Klemmkraft in den verspannten Bauteilen. Die Klemmkraft dient dazu, dass sich die Bauteile weder zueinander bewegen noch aufklaffen.

Wenn externe Kräfte auf die Verbindungen einwirken, muss jedes Element, das Kraft überträgt, analysiert werden. Das Verhalten einer Verbindung lässt sich anhand ihrer Reaktion auf externe Kräfte vorhersagen.

Die Berechnung einer einfachen Schraubenverbindung basiert auf dem elastischen Verhalten der Schraubenverbindung. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf die Verformung und die Belastung der Schraube.

Die bei der Montage in der Schraube erzeugte Montagevorspannkraft FM resultiert in den Bauteilen als Klemmkraft FK. Entscheidenden Einfluß auf die Montagevorspannkraft und die Klemmkraft haben die Nachgiebigkeiten von Schraube und Bauteilen.
Anschließend wird eine axiale Betriebslast FA, die über die verspannten Teile eingebracht wird, auf die Bauteile und die Schraube übertragen. Der Anteil dieser sogenannten Betriebskraft, der neben der Vorspannung auf die Schraube wirkt, wird als Schraubenzusatzkraft FSA bezeichnet. FPA ist hingegen die Plattenzusatzkraft, d.h. der Anteil der Axialkraft, der die Belastung der verspannten Bauteile verändert. Der Anteil dieser Verteilung ist abhängig vom elastischen Verhalten der Schraube bzw. des Bolzens.

Die Kräfte und Verschiebungen, die in der Schraubenverbindung auftreten, lassen sich im Verspannungsschaubild veranschaulichen. Dementsprechend sieht das vorherige Schaubild wie folgt aus:
Die vorherigen Formeln lassen sich anhand des folgenden Beispiels überprüfen

Schritt 1: Die Schraubenverbindung wird auf 5 kN angezogen. Es wird keine externe Last angelegt.

Schritt 2: Externe statische Lasten (4 kN) werden angelegt, diese sind geringer als die vorhandene Vorspannkraft. Durch die zusätzlichen Lasten wird aus der anfänglichen Vorspannkraft die verbleibende Vorspannkraft. Die max. Schraubenkraft ergibt 5,4 kN, die
Klemmkraft verringert sich auf 1,4 kN.

Schritt 3: Es werden zusätzlich externe Lasten (10 kN) angelegt. Da diese Last höher ist als die vorhandene Vorspannkraft, werden die Bauteile getrennt und die Last in der Schraube steigt auf 10 kN (100% der externen Last).

Somit wurde das elastische Verhalten der Komponenten beim Entstehen der Axialkräfte in der Schraubenverbindung überprüft. Darüber hinaus gibt es weitere externe Faktoren, die für eine genaue Vorhersage der erforderlichen Vorspannkraft zu berücksichtigen sind, wie zum Beispiel Scherkräfte, Temperatur, Vibration und dynamische Lasten. Für weitere Informationen wenden Sie sich gerne an Ihre Nord-Lock Niederlassung vor Ort.