title: Modellierung des Mechanismus des selbsttätigen Losdrehens von Einschraubenverbindungen unter Querbelastung
Creators: name: Hofmann, Marius
Publisher: name: UNSPECIFIED
Year: 2025

description: Schrauben sind die meistgenutzten lösbaren Verbindungselemente in technischen Anwendungen. Trotz ihrer verbreiteten Anwendung über Generationen hinweg werden bis heute nicht alle auftretenden Versagensmechanismen beherrscht. Einer dieser Versagensmechanismen ist das selbsttätige Losdrehen. Dieses tritt auf, wenn die Fügepartner aufeinander Abgleiten oder sich stark zueinander verformen. Die Schraube erfährt durch diese Verformung eine zusätzliche Belastung und kann in ihren Kontaktstellen, der Kopfauflage und dem tragenden Gewinde, abgleiten. Durch die Steigung des Gewindes dreht die Schraube sich beim Abgleiten in den Kontaktstellen auch stückweise los. Treten derartige Belastungen wiederholt auf, kann die Vorspannkraft der Schraube vollständig abgebaut werden. Damit einhergehend kann die Schraube nicht weiter ihre Funktion als kraftschlüssiges Verbindungselement erfüllen.
Um der Beherrschung des selbsttätigen Losdrehens näherzukommen, wird in dieser Arbeit auf die wirkenden Teilmechanismen und deren Zusammenspiel im Prozess des selbsttätigen Losdrehens eingegangen. Mit dieser Herangehensweise soll vor allem das Verständnis des selbsttätigen Losdrehens gefördert werden. Dabei konnte gezeigt werden, dass die Belastung der Kontaktstellen primär durch die elastische Verformung des Schraubenschafts entsteht. In den Kontaktstellen wird ein Teil der Belastung stets kraftschlüssig durch Reibung übertragen. Da Reibung stets der Gleitbewegung entgegensteht, entsteht in den Kontaktstellen bei einer Starrkörperbewegung des Schraubenkopfs oder des tragenden Schraubengewindes immer ein definiertes reibungsbedingtes Schubspannungsfeld. Diese Spannungen bilden ein Gleichgewicht mit den Lasten aus der Schaftverformung. Somit ist unter einer gegebenen Belastung gleichzeitig vorgegeben, mit welcher Kinematik die Bewegung im Falle des Abgleitens stattfindet. Durch das Gewindesteigungsdrehmoment beinhaltet die Kinematik auch fast immer eine Losdrehbewegung. Insbesondere beim tragenden Gewinde konnte dieses Prinzip durch drei unabhängige Bewegungen des tragenden Schraubengewindes erstmals konsequent umgesetzt werden. Weiterhin wurde gezeigt, dass die richtungsabhängige Steifigkeit der Gewindezähne die Lastverteilung und Abgleitkinematik entscheidend mitbestimmen. Der reibschlüssig übertragene Anteil der Belastung des tragenden Gewindes konnte vom im Normalkontakt übertragenen Anteil getrennt werden, indem die lokale Belastung in einen tangential und einen normal zur Lastflanke wirkenden Anteil zerlegt wurde.
Im Zusammenspiel der Teilmechanismen spielt die Haftgrenze eine entscheidende Rolle. Diese umfasst für jeweils für eine Kontaktstelle die Lastkombinationen, bei denen die Kontaktstelle beginnt abzugleiten. Im Belastungsraum stellen die Haftgrenzen geschlossene Flächen dar und können durch parametrische Näherungsformeln geometrieabhängig approximiert werden. Gleitet eine Kontaktstelle infolge einer Relativverschiebung der Fügepartner ab, folgt die Abgleitbewegung der aus der Belastung resultierenden Kinematik. Die Relativbewegung und die Abgleitbewegung überlagern sich dabei so, dass die Belastung stets auf der Haftgrenze verläuft, solange die Kontaktstelle abgleitet. 
Der beschriebene Mechanismus wurde vollständig mathematisch modelliert. Das Modell wurde im Abgleich mit experimentell durchgeführten Untersuchungen erfolgreich validiert. Aus dem Modell konnte eine analytische Formel zur verbesserten Abschätzung der kritischen Grenzverschiebung abgeleitet werden. Es sind keine offenbaren Grenzen der Modellgültigkeit entdeckt worden, wobei die experimentelle Validierungsgrundlage bei geringen Klemmlängen nicht ausreichend war. Ebenfalls wird der Schraubenkopf von der Gegenlage beim Abgleiten mitgeschleppt. Dies trägt entscheidend zum Betrag des Losdrehens bei. Das Modell beschränkt sich derzeit auf den Idealfall einer reinen Querbelastung. Eine Erweiterung auf allgemeinere Lastfälle wurde bereits mit Erfolgsaussichten diskutiert.