Schraubenberechnung

Bei Schraubenverbindungen handelt es sich um äußerst komplexe Verbindungen:

  • zumeist hohe Unsicherheiten der Schraubenvorspannung
  • Reibbeiwerte in der Trennfuge oft nur schätzbar
  • bei klaffender Trennfuge –  Berücksichtigung zusätzlicher Nichtlinearitäten

Dazu kommt, dass Schrauben aufgrund der hohen Kerbwirkung der Gewindegänge empfindlich auf zyklische Lasten (Betriebslasten) reagieren.

Schraubenberechnung

FEM Dienstleister - Dienstleistung: Schraubenberechnung (Ansys Ergebnisplot)

Auf dem Gebiet der Schraubenberechnung bieten wir insbesondere die Analyse von Schraubenverbindungen per FE-Simulation an. Zwar steht mit der VDI 2230 (Systematische Berechnung hochbeanspruchter Schraubenverbindungen) eine umfassende Richtlinie zur analytischen Schraubenberechnung zur Verfügung. Für komplexe Schraubverbindungen – vor allem wenn die Verbindung klafft – ist die Richtlinie aufgrund von relativ hohen Unwägbarkeiten nur bedingt geeignet.

Die Beurteilung erfolgt sowohl für Extrem- als auch Ermüdungslasten. Wir berücksichtigen alle relevanten Nichtlinearitäten, zum Beispiel durch:

  • Schraubenvorspannung
  • Trennfugenkontakt (Gleiten und Klaffen der Trennfuge)
  • Nichtlinearer Kraftfluss durch Wälzlagerverbindung

Je nach Aufgabenstellung bedienen wir uns der gebräuchlichen Modellklassen:

  • Modellierung ohne Schraube (üblicherweise nur für nicht durch Fatigue belastete Schrauben mit niedriger Auslastung)
  • Modellierung mit Balken
  • Modellierung mit Volumen unter Vernachlässigung des Gewindes
  • Modellierung mit Volumen unter Berücksichtigung des Gewindes (insbesondere interessant für Sonderschrauben, für die keine Nennspannungen für die Dauerfestigkeit bekannt sind)

 

Alle für die Montage relevanten Daten legen wir in Abstimmung mit dem Kunden fest, wie z.B.:

Beispiele für abgeschlossene Kundenprojekte


Schraubenverbindung Rotorwelle – Rotornabe

Geoemtrie-Abbildung aus Ansys für die Berechnung der Schraubverbindung zwischen Rotornabe und Rotorwelle einer WindenergieanlageDie Schraubenverbindung zwischen Rotorwelle und Rotornabe einer Windkraftanlage wurde hinsichtlich Extrem- und Betriebslasten mittels FEM bewertet. In der FE-Simulation wird insbesondere das nichtlineare Verhalten im Kontaktbereich mitberücksichtigt, das durch das teilweise Klaffen der Verbindung unter Extremlasten verursacht wird. Die Streuung der Vorspannung der Schrauben wird ebenfalls im Modell mit abgebildet.

 

Unter Extremlasten werden die folgenden Nachweise geführt:

  • Nachweis der Tragfähigkeit der Schrauben
  • Nachweis, dass kein Plastifizieren der Schrauben und somit kein Vorspannkraftverlust auftritt
  • Gleitnachweis
  • Nachweis der Mindesteinschraubtiefe und der Flächenpressung unter dem Schraubenkopf

Außerdem wird gezeigt, dass die Schrauben die dynamischen Lasten ertragen. Der dafür erfolgte Betriebsfestigkeitsnachweis berücksichtigt die nichtlineare Abhängigkeit der Schraubenkraftfunktion von den äußeren Lasten.

Schraubenverbindungen Blattlager

Berechnung der Schraubenverbindung zwischen Blattlager und Blatt einer Windenergieanlage - Schnittansicht auf das verschraubte BlattDie Schraubenverbindung zwischen Blattlager und Blatt sowie zwischen Blattlager und Rotornabe einer Windkraftanlage wurde berechnet. Neben der Nichtlinearität des Kontaktes in der Trennfuge wurde ebenfalls die durch das Blattlager verursachte Nichtlinearität berücksichtigt.

Die Auswertung erfolgte sowohl für Extrem- als auch Fatiguelasten. Die Auswertung erfolgte nach der Richtlinie VDI 2230.

Auslegung, Optimierung und Nachweis von Schraubenverbindungen


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Andreas Hanke

Geschäftsführung, Dipl.-Ing.

Berechnung von Schraubenverbindungen – Artikelsammlung

Viele nützliche Informationen und Tipps, sowie hilfreiche Tabellen und Tools zum Thema Schraubenberechnung finden Sie in unseren zugehörigen Blog-Artikeln:

Drehmomentgesteuertes Anziehen von hochfesten Schraubenverbindungen – Was ist zu beachten?

Erfahren Sie hier alles Wichtige zum drehmomentgesteuerten Anziehen hochfester Schrauben. Welche Vorspannkraft ist relevant, welche Reibbeiwerte im Gewinde müssen berücksichtigt werden und welches Montage-Drehmoment muss angegeben werden. Hilfreich sind dabei auch unsere entsprechenden Tabellen für diverse Schraubengrößen und die Festigkeitsklassen 8.8, 10.9 und 12.9 .

Mindesteinschraubtiefe hochfester Schrauben – Infos & Tabellen

Je nach Paarung aus Schraubengröße, Festigkeitsklasse und Material in das eingeschraubt wird, ergibt sich nach der Schraubenrichtline VDI-2230 eine Mindesteinschraubtiefe, welche notwendig ist um eine sichere Verschraubung zu garantieren. Die von uns bereitgestellten Tabellen liefern die Mindesteinschraubtiefen für viele verschiedene Paarungen aus Schraubengröße, Festigkeit und Grundmaterial.

Online-Tool zur Ermittlung der Mindesteinschraubtiefe von Schrauben in verschiedene Materialien mach VDI-2230

Die Ermittlung der Mindesteinschraubtiefe von Schrauben entsprechend der Vorgaben aus der VDI-2230 ist relativ aufwändig. Wesentlich schneller und komfortabler geht dies mit unserem praktischen Online-Rechner zur Ermittlung der Mindesteinschraubtiefe. Die Datenbank umfasst viele Schraubengrößen (M3-M64) und Grundmaterialien, sowie die Festigkeitsklassen 4.6, 5.6, 8.8, 10.9, 12.9 und die Austinitischen Stahlgüten A1-A5.

Schraubenberechnung – Vergleich zwischen der VDI-Richtlinie 2230 und dem Nachweis mittels FEM – Beispiel 5

In diesem Beitrag wird an einem konkreten Beispiel ein Vergleich zwischen den analytischen Methoden der VDI-Richtlinie 2230 und einem numerischen Nachweis auf Basis eines FE-Modells mit Ansys angestellt. Beginnend mit der Beschreibung der Ausgangssituation, über die genaue Modellbeschreibung, Ergebnisauswertung und -gegenüberstellung,  endet dieser Artikel mit einer Bewertung und einem entsprechenden Fazit. 

Schraubenberechnung – Auflistung vieler wichtiger Fachbegriffe inkl. englischer Übersetzung

Dieser Artikel bietet eine Zusammenstellung vieler relevanter Fachbegriffe, inklusive der entsprechenden Übersetzung, im Zusammenhang mit der Berechnung und Auslegung von Schraubenverbindungen. Die Begriffe sind dabei thematisch gruppiert nach folgenden Themen: Allgemein, Geometrie, Montage, Festigkeiten und Nachweise.

Schraubenberechnung – Vergleich zwischen der VDI-Richtlinie 2230 und dem Nachweis mittels FEM – Beispiel 4

Im Folgenden wird die Nachrechnung des Beispiels B4 aus der VDI Richtlinie 2230, Blatt 1 (2015) mittels FEM dargestellt. Hier wird die Berechnung einer Pleuellagerdeckelverschraubung als Beispiel für eine exzentrisch belastete Schraubenverbindung berechnet. Beginnend mit der Beschreibung der Ausgangssituation, über die genaue Modellbeschreibung, Ergebnisauswertung und -gegenüberstellung,  endet dieser Artikel mit einer Bewertung und einem entsprechenden Fazit. 

Hydraulisches Vorspannen von Schraubenverbindungen – Analyse per FEM

In diesem Artikel werden der Anziehfaktor und die Rückfederungsverluste beim hydraulischen reibungs- und torsionsfreien Anziehen von Schraubverbindungen diskutiert und beispielhaft an einer Mehrschraubenverbindung berechnet.

Lastverteilung auf Gewindegängen von Schrauben unter elastischem sowie plastischem Materialverhalten

Untersuchungen zur Traglastverteilung im Gewinde einer Schraube haben gezeigt, dass die Aussage, dass nur die ersten 3 Gewindegänge tragen sowohl richtig als auch falsch ist. Erfahren Sie in diesem Artikel, welche Punkte häufig unberücksichtigt bleiben.

Statische Nachweise von Schraubverbindungen im Stahlbau und Maschinenbau

Dieser Artikel beschreibt welche Nachweise für Schraubenverbindungen im Maschinenbau und im Stahlbau zu führen sind und was dabei zu beachten ist. Die Nachweisführung für den Maschinenbau orientiert sich dabei an der VDI 2230 – Richtlinie und jene für den Stahlbau am Eurocode 3.


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