DE102005011074A1

DE102005011074A1 - Verfahren zur Berechnung von Schraubverbindungen

Info

Publication number: DE102005011074A1
Application number: DE102005011074A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Hahn; Manfred Dipl.-Ing. Boroske; Jens Holloch
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2005-03-08
Filing date: 2005-03-08
Publication date: 2006-09-14

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Schraubverbindungen, bei dem zunächst die relevanten Parameter der Schraubverbindungen (1) bestimmt werden. Um in der Praxis eine einfache Auswahl der für die jeweilige Schraubverbindung optimalen, real verfügbaren, beispielsweise handelsüblichen Schraube durch das Berechnungsverfahren zu ermöglichen, werden aufgrund der Parameter der Schraubverbindung (1) zunächst der zu erwartende Lastzustand jeder Schraube und daraus Schraubenparameter (2) ermittelt und anschließend aufgrund einer vergleichenden Betrachtung der Schraubenparameter (2) mit aus einer Datenbank (4) auswählbaren Schrauben einschließlich ihrer jeweiligen Parameter eine Auswahl (5) einer oder mehrerer geeigneter Schrauben durchgeführt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Berechnung von Schraubverbindungen, bei dem zunächst relevante Parameter der Schraubverbindung einschließlich der Randbedingungen und erwartungsgemäßer Belastungszustände bestimmt werden.

Ein solches Berechnungsverfahren ist Gegenstand der VDI 2230 Richtlinie. Diese seit mehr als 25 Jahren in der Praxis angewendete Richtlinie ist eine anerkannte und viel beachtete Empfehlung und gilt als ein Standardwerk zur Berechnung von Schraubenverbindungen. Das Ziel der Richtlinie besteht darin, dem Konstrukteur und Berechnungsingenieur in Form von Rechenschritten eine weiter verbesserte systematische Vorgehensweise zur Berechnung von Schraubenverbindungen zur Seite zu stellen, die ihm eine funktions- und betriebssichere Auslegung bei weitgehender Ausnutzung der Schraubentragfähigkeit ermöglicht. Dabei werden die wesentlichen Parameter der Schraubverbindung sowie der zuvor ausgewählten Schraube einschließlich der Anzahl der Schrauben bestimmt. Auf der Basis des Berechnungsprogrammes wird dann die Eignung der Schraube bzw. der Schraubverbindung hinsichtlich der errechneten Belastungszustände ermittelt.

In der Praxis wird dabei insbesondere auch ein Sicherheitsfaktor als Verhältnis der maximal durch die vorbestimmte Schraube übertragbaren Last erzielbaren Belastung und dem zu erwartenden Belastungszustand bestimmt.

Auf der Basis dieser Berechnungsverfahren gemäß der VDI 2230 Richtlinie sowie weiterer wissenschaftlicher Berechnungsmethoden werden auch bereits eine Vielzahl von Software-Produkten angeboten, durch welche insbesondere eine wesentliche Zeitersparnis im Vergleich zu einer manuellen Berechnung aufgrund von Tabellenwerten erreicht wird.

Als nachteilig erweist sich dabei vor allem, dass solche Berechnungsverfahren unter Umständen mehrfach wiederholt werden müssen, falls der errechnete maximale Lastzustand die Belastbarkeit der Schraube überschreitet. Ebenso sind in der Praxis mehrfache Wiederholungen des Berechnungsverfahrens erforderlich, wenn die Dimensionierung der ausgewählten Schraube im Hinblick auf die Anforderungen aufgrund des errechneten Belastungszustandes optimiert werden muss.

Aufgrund des damit verbundenen zeitlichen Aufwandes werden in der Praxis oftmals Schrauben eingesetzt, welche die Anforderungen übererfüllen und aufgrund vergleichsweise hoher Anschaffungskosten sowie ihres unnötig hohen Eigengewichtes nachteilig sind. Die Auswahl der Schrauben beruht dabei insbesondere oftmals auf Erfahrungswerten, die zwar mittels der bekannten Berechnungsverfahren überprüft, deren Optimierungspotential jedoch nicht oder nur geringfügig genutzt wird.

Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Berechnungsverfahren zu vereinfachen. Insbesondere soll dadurch der mit der Auswahl der jeweils optimalen Schraube verbundene Aufwand wesentlich verringert werden.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren zur Berechnung von Schraubverbindungen gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist also ein Verfahren vorgesehen, bei dem aufgrund der Parameter der Schraubverbindung zunächst der zu erwartende Lastzustand jeder Schraube und daraus Schraubenparameter ermittelt werden und anschließend aufgrund einer vergleichenden Betrachtung der Schraubenparameter mit in einer Datenbank als einsetzbar gekennzeichnete Schrauben einschließlich ihrer jeweiligen Parameter eine Auswahl einer oder mehrerer geeigneter Schrauben erfolgt. Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass in der Praxis nicht die Eignung einer vorausgewählten individuellen Schraube oder eines Sicherheitszuschlages im Vordergrund des Interesses steht, sondern die Auswahl einer für die jeweilige Schraubverbindung optimalen, real verfügbaren, beispielsweise handelsüblichen Schraube am Ende des Berechnungsverfahrens stehen soll. Im Gegensatz zum Stand der Technik werden daher erfindungsgemäß lediglich die Parameter der Schraubverbindung weitgehend unabhängig von den Schraubenparametern vorgegeben, so dass die Auswahl der optimalen Schraube nicht etwa dem Geschick des Konstrukteurs überlassen bleibt, sondern als Ergebnis des Berechnungsverfahrens zur Verfügung steht. Das Verfahren führt dadurch innerhalb sehr kurzer Zeit zur Auswahl der Schraube, wobei insbesondere ein Rückgriff auf Erfahrungswerte nicht erforderlich und auch nicht vorteilhaft ist. In diesem Sinne besteht daher auch kein Anreiz für den Konstrukteur, unnötige Sicherheitsreserven vorzusehen. Die Auswahl der Schraube wird dabei beispielsweise auf einem Display visualisiert, wobei die relevanten Daten in die Stückliste übernommen werden können.

Dabei erweist es sich in der Praxis als besonders vorteilhaft, wenn eine Rangfolge möglicher Schrauben ausgegeben wird, so dass die Festlegung der Schraubenauswahl auf der Basis der vorgeschlagenen Schrauben durch den Fachmann, insbesondere auch unter Berücksichtigung zukünftiger oder anderer, noch nicht berücksichtigter Umstände, beispielsweise eines Gleichteilekonzeptes, erfolgen kann.

Eine andere, ebenfalls besondere zweckmäßige Abwandlung der vorliegenden Erfindung wird dadurch erreicht, dass jeder ausgewählten Schraube ein die Eignung hinsichtlich des zu erwartenden Lastzustandes wiedergebenden Erfüllungsparameter zugeordnet wird, um auf diese Weise die Eignung der individuellen Schraube unabhängig von dem jeweiligen Konstrukteur mit einem objektiven Wert zu beleben. Zugleich ermöglicht der Erfüllungsparameter eine schnelle Auswahl und kann zudem insbesondere bei einem sehr geringen Erfüllungsgrad zur Einleitung weiterer Maßnahmen, beispielsweise der Aufnahme neuer Schrauben in eine Beschaffungsdatenbank übernommen werden.

Ergänzend kann gemäß einer weiteren, ebenfalls besonders zweckmäßigen Ausgestaltung jede Schraube zusätzlich ein die Wirtschaftlichkeit wiedergebender Wirtschaftlichkeitsparameter, zumindest umfassend die Anschaffungskosten zugeordnet werden. Hierdurch kann der Konstrukteur mit einem für ihn geringen Mehraufwand eine Optimierung der Fertigungskosten durch Auswahl einer kostengünstigen alternativen Schraube vornehmen.

Dabei erweist es sich als Praxis gerecht, wenn die Parameter der Schraubverbindungen zumindest eine Auswahl der Parameter Querkraft, Axialkraft, Schraubenfestigkeit, Anziehverfahren, Anzahl der Schrauben, Randbedingungen umfasst. Dabei wird zunächst die äußere Belastung ermittelt, wobei insbesondere die Klemmkraft, die Querkaft, die Axialkraft, der Reibwert sowie die Anzahl der Schrauben Berücksichtigung findet. Anschließend werden die benötigte Vorspannkraft sowie die Festigkeitsklassen bzw. Schraubenqualität der Schrauben bestimmt. sowie die Art der Montage als elastische oder überelastische Montage festgelegt.

Bei dem folgenden Schritt erweist es sich als besonders zweckmäßig, wenn die Schraubenparameter zumindest eine Auswahl der Parameter Schraubengröße, Schraubenlänge, Kräfte, Drehmoment, Winkel umfassen. Hierzu wird der Schraubendurchmesser, die minimale Montagevorspannkraft im Falle einer elastischen Montage bzw. das Drehmoment und der Drehwinkel im Falle einer überelastischen Montage aus einer Datenbank entnommen. Durch Festlegung des Konstruktionsgewindes wird die Einschraubtiefe bestimmt. Zusammen mit der Klemmlänge kann die Schraubenlänge bestimmt werden. Dabei werden beispielsweise auch Unterlegscheiben, Schraubenüberstände und Ansatzspitzen sowie als Randbedingungen die Flächenpressung sowie die Spannungen durch Temperatureinflüsse berücksichtigt.

Aufgrund der Auswirkung der Schraubenparameter auf die Parameter der Schraubverbindungen ist es dabei besonders empfehlenswert, wenn aufgrund der Schraubenparameter der ausgewählten Schraube zunächst eine Prüfung der Parameter der Schraubverbindungen durchgeführt und abweichende Parameter der Schraubverbindungen einer Nebenrechung zugeführt werden, um dadurch eine zusätzliche Sicherheit zu erreichen und ein mögliches Optimierungspotential erfassen und nutzen zu können.

Hierzu werden vorteilhafterweise zunächst die Schraubenparameter einer fiktiven Schraube ermittelt und durch Näherungsbetrachtung eine reale Schraube ausgewählt, um so ausgehend von einer idealen Schraube auf eine reale Schraube schließen zu können. Die Schraubenparameter der fiktiven Schraube können in nachfolgende Berechnungsmethoden übernommen werden und in nachfolgende Konstruktionsschritte ergänzend zu den Schraubenparametern der real ausgewählten Schraube einfließen.

Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend anhand eines Ablaufschemas des Berechnungsverfahren zur beschrieben. Ausgehend von den relevanten Parametern der Schraubverbindungen 1 wird zunächst die äußere Belastung ermittelt, wobei insbesondere die Klemmkraft, die Querkaft, die Axialkraft, der Reibwert sowie die Anzahl der Schrauben Berücksichtigung findet. Außerdem werden die benötigte Vorspannkraft, die Festigkeitsklasse/Schraubenqualität der Schrauben bestimmt und wahlweise eine elastische oder überelastische Montage festgelegt. Anschließend werden aufgrund der Parameter der Schraubverbindungen 1 die Schraubenparameter 2 einer zunächst fiktiven Schraube ermittelt. Diese umfassen insbesondere den Schraubendurchmesser, die minimale Montagevorspannkraft im Falle eine elastischen Montage bzw. das Drehmoment und der Drehwinkel im Falle einer überelastischen Montage. Zusammen mit der Klemmlänge wird auch die Schraubenlänge bestimmt. Dabei werden beispielsweise auch Unterlegscheiben, Schraubenüberstände und Ansatzspitzen sowie als Randbedingungen die Flächenpressung sowie die Spannungen durch Temperatureinflüsse berücksichtigt.
Aufgrund der Schraubenparameter 2 der fiktiven Schraube wird zunächst eine Prüfung der Parameter der Schraubverbindung 1 mittels einer Nebenrechung 3, die auch mehrfach in iterativen Schritten erfolgen kann, durchgeführt. Auf der Basis der mittels der Nebenrechnung 3 geprüften Schraubenparameter 2 der fiktiven Schraube wird anschließend durch eine vergleichenden Betrachtung der Schraubenparameter 2 mit in einer Datenbank 4 als auswählbar gekennzeichneten Schrauben einschließlich ihrer jeweiligen Parameter eine Auswahl 5 einer oder mehrerer geeigneter, realer Schrauben durchgeführt. Dabei ist jeder ausgewählten Schraube ein die Eignung hinsichtlich des zu erwartenden Lastzustandes wiedergebender Erfüllungsparameter zugeordnet. Der jeweilige Erfüllungsparameter gestattet die Darstellung möglicher Schrauben in einer Rangfolge zur endgültigen Auswahl durch einen Konstrukteur.

1: Parametern der Schraubverbindung
2: Schraubenparameter
3: Nebenrechung
4: Datenbank
5: Auswahl

Claims

Verfahren zur Berechnung von Schraubverbindungen, bei dem zunächst relevante Parameter der Schraubverbindung einschließlich der Randbedingungen und erwartungsgemäßer Belastungszustände bestimmt werden, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Parameter der Schraubverbindung zunächst der zu erwartende Lastzustand jeder Schraube und daraus Schraubenparameter ermittelt werden und anschließend aufgrund einer vergleichenden Betrachtung der Schraubenparameter mit in einer Datenbank als einsetzbar gekennzeichnete Schrauben einschließlich ihrer jeweiligen Parameter eine Auswahl einer oder mehrerer geeigneter Schrauben erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Rangfolge möglicher Schrauben ausgegeben wird.
Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass jeder ausgewählten Schraube ein die Eignung hinsichtlich des zu erwartenden Lastzustandes wiedergebenden Erfüllungsparameter zugeordnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jede Schraube zusätzlich ein die Wirtschaftlichkeit wiedergebender Wirtschaftlichkeitsparameter, zumindest umfassend die Anschaffungskosten zugeordnet wird.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Parameter der Schraubverbindungen zumindest eine Auswahl der Parameter Querkraft, Axialkraft, Schraubenfestigkeit, Anziehverfahren, Anzahl der Schrauben, Randbedingungen umfasst.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schraubenparameter zumindest eine Auswahl der Parameter Schraubengröße, Schraubenlänge, Kräfte, Drehmomenten, Winkel umfassen.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass aufgrund der Schraubenparameter der ausgewählten Schraube zunächst eine Prüfung der Parameter der Schraubverbindungen durchgeführt und abweichende Parameter der Schraubverbindungen einer Nebenrechung zugeführt werden.
Verfahren nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst die Schraubenparameter einer fiktiven Schraube ermittelt und durch Näherungsbetrachtung eine reale Schraube ausgewählt wird.