Schraube
Aus ESOCAETWIKIPLUS
engl: bolt Kategorie: 
Level 3 Maschinenbau Mechanik
Eine Schraube ist ein Verbindungs-Bauteil im Maschinenbau und in anderen Bereichen der Technik.
Die Bedingungen der Verbindung sind sowohl durch die Schraube als auch durch die verschraubten Teile geprägt.
Im allgemeinen wird eine Schraubverbindung bei der Montage vorgespannt. Diese Vorspannung dient dazu,
- die verschraubten Teile fest aufeinander zu fixieren (Dichtheit bei Drucklasten),
- an der Berührungsfläche einen Kraftschluss zu erzeugen, so dass Lasten übertragen werden können und
- die Schraube auch unter Betriebslasten möglichst geringen Spannungsschwingbreiten auszusetzen.
Bei einer vorgespannten Verschraubung bestimmen die Schraube und das verspannte Bauteil zusammen den Einbauzustand. Dies kann mit dem rechts dargestellten Verspannungsschaubild einer vorgespannten Schraube erläutert werden (vergleiche dazu auch technische Regeln wie VDI2230). Das Verspannungsschaubild stellt Längenänderungen in Richtung der Schrauben-Achse und die dabei auftretenden Kräfte in dieser Richtung längs der Schrauben-Achse dar.
Bei der Montage wird die Schraube angezogen und vorgespannt. Dadurch ergibt sich in der Schraube eine Zugkraft Fv, die mit einer Druckkraft in dem verschraubten Bauteil im Gleichgewicht steht. Diese Vorspannung führt zu einer Längenänderung ΔuS in der Schraube (die Schraube wird länger) und einer Längenänderung ΔuT in dem verschraubten Bauteil (dies wird zusammen gedrückt).
Wenn im Betrieb der Schraubverbindung zusätzliche Kräfte von der Schraube aufzunehmen sind, dann führt das zu einer Erhöhung der Kraft in der Schraube. Im Verspannungsschaubild sind die Bedingungen skizziert, die bei einer solchen betrieblichen Kraft von (FBT + FBS) entstehen. Diese Kraft ergibt teilweise eine Entlastung des verschraubten Bauteils FBT und eine zusätzliche Kraft in der Schraube FBS. Die Vorspannung im verschraubten Bauteil reduziert sich dadurch auf FKT.
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Simulation: Diskretisierung
Bei der Simulation einer Schraube mit der FEM kann die Schraube (und das verschraubte Bauteil) unterschiedlich detailliert modelliert werden. Beispiele:
I: Schraube vernachlässigt, keine Vorspannkraft (die verschraubten Teile werden hierbei 3-dimensional mit Volumen-Elementen ohne Bohrung modelliert, an der Trennfuge werden sie miteinander fest verbunden),
II: Schraube mit Balken-Elementen (die verschraubten Teile werden 3-dimensional mit Volumen-Elementen ohne Bohrung modelliert, die Schraube durchdringt virtuell diese verschraubten Teile),
III: 3-dimensional mit Volumen-Elementen (die verschraubten Teile werden 3-dimensional mit Volumen-Elementen mit Bohrung modelliert) oder
IV: 3-dimensional mit Volumen-Elementen und mit Übergangsradien und Gewinde (die verschraubten Teile werden 3-dimensional mit Volumen-Elementen mit Bohrung und auch mit Übergangsradien und Gewinde modelliert).
Die römischen Ziffern vor diesen Varianten der Modellierung entsprechen den Bezeichnungen der Modellklassen, die in VDI 2230 Blatt 2 dargestellt sind.
Die Schraube und das verschraubte Bauteil werden mit Soll-Abmessungen modelliert (also mit den Abmessungen, die ohne Vorspannung vorliegen).
Für die Simulation einer Schraubverbindung sind Kontakte wesentlich. Mit Kontakten wird die Verbindung an der Auflage der Schraube und die Verbindung der verschraubten Teile simuliert. Die nichtlinearen Eigenschaften des Kontaktes spielen oftmals eine untergeordnete Rolle, weil im technischen Alltag die Schraubverbindungen so vorgespannt werden, dass die verschraubten Teile nicht abheben. Dann bleibt also immer jede der Verbindungen geschlossen, in der Simulation kann dies fest eingestellt werden ("geschlossen", "bonded"). Damit ist das Simulationsmodell linear und ergibt günstige Rechenzeiten. Bei der Auswertung der Ergebnisse kann die Annahme, dass alle Verbindungen geschlossen bleiben, schnell verifiziert werden.
Simulation: Vorspannung
Die Vorgabe (der Zielwert) für die Simulation der Vorspannung ist meistens die Vorspannkraft Fv. Es wird empfohlen, den vorgespannten Montage-Zustand für sich als ersten Lastzustand zu berechnen. Die Vorspannung kann zum Beispiel simuliert werden durch
- Pretension: die Schraube wird virtuell durchgetrennt und beide Abschnitte so gegeneinander verschoben, dass die Vorspannkraft Fv vorliegt
- thermische Dehnung: die Schraube wird virtuell gekühlt, sie zieht sich durch die thermische Dehnung zusammen, dadurch entsteht die Vorspannkraft Fv
Fallbeispiele
Publikationen zu Simulationen von Schraubverbindungen finden Sie unter Fallbeispiele Schrauben Verbindungstechnik.
Praktische Vorgehensweise als Video
Eine Darstellung der praktischen Vorgehensweise finden Sie auf dem CADFEM YouTube Kanal. Das dort angebotene CADFEM Tutorial Nr. 5 - Schrauben auswerten mit ANSYS®Workbench™ zeigt die Simulation einer Schraubverbindung.
